3. Alimentación eléctrica

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1 3. Alimentación eléctrica 3.1. Requisitos del sistema Como ya describimos al principio de esta memoria, una de las características fundamentales de nuestro sistema es conseguir aislar galvánicamente cada una de las tarjetas. Ya hemos comentado como aislar las señales de datos, pero para conseguir un correcto aislamiento, también debemos aislar las líneas de alimentación. Existen diversas formas de aislar este tipo de señales. Numerosos integrados que podemos encontrar en el mercado lo consiguen mediante bombas de carga, a base de condensadores y señales moduladoras de alta frecuencia. Sin embargo, no permiten potencias mayores de 1 W y con muy malos rendimientos. También algunas tipologías de convertidores conmutados proporcionan aislamiento galvánico, pero es muy complicado su diseño y más aún la búsqueda de los componentes necesarios para su construcción. Es por ello que para nuestro sistema emplearemos transformadores de línea convencionales. En principio, es necesario un transformador para aislar la alimentación de cada tarjeta, lo que supone un importante costo. Por ello, si la aplicación final no requiere aislar cada una de las tarjetas entre sí, podemos usar un transformador para la tarjeta principal, y un transformador adicional común para todas las tarjetas esclavo (siempre que no se sobrepase la potencia máxima que es capaz de suministrar) En nuestro sistema requerimos el siguiente rango de tensiones de alimentación (dependiendo de la tarjeta): +15V +5V +3,3V -5V -15V Este amplio abanico de rangos se justifica porque en las tarjetas analógicas será necesario recurrir a amplificadores operacionales. Para poder manejar señales industriales que varían en un rango entre -10V y +10V, es necesario poder alimentar los diversos integrados a +/-15V, de forma que los transistores internos que constituyen estos dispositivos se encuentren polarizados correctamente y no recorte la señal. En el anexo V de este documento dedicado al funcionamiento de los amplificadores operacionales se detalla con mayor detalle este fenómeno. Además, los convertidores que empleamos Página 40 de 245

2 trabajan con tensiones de alimentación +/-5V y también deberemos recurrir a usar microcontroladores esclavos y otros integrados que trabajan a 3V. Las tensiones de -5V y 3,3V no son muy usadas y los requisitos de corriente muy pequeños (10mA aproximadamente), por lo que recurrimos a añadir reguladores de tensión en las tarjetas que lo necesiten, a partir de las tensiones disponibles. A continuación detallamos el consumo de cada una de las tarjetas: Se observa como las tarjetas con salidas digitales presentan un consumo más elevado, debido a la corriente necesaria para la apertura de los relés electromecánicos Comparación fuentes lineales entre fuentes conmutadas y Para realizar las fuentes de alimentación se ha estudiado la posibilidad de usar fuentes conmutadas, de forma que a partir de una única tensión de 5V, podamos obtener el conjunto de tensiones requeridos para el funcionamiento de las tarjetas. A priori, presenta la ventaja de que usando cualquier fuente de 5V conseguimos alimentar el sistema, pudiendo recurrir incluso a baterías para tener un sistema autónomo. Además, permiten reducir el tamaño y costo de los transformadores, que es uno de los componentes más caros y voluminosos... En el mercado existen integrados que incorporan fuentes conmutadas completas, incluso en algunos casos consiguiendo aislar galvánicamente la salida. Se han ensayado distintos reguladores conmutados de diversos fabricantes, que presentan el gran problema de ofrecer poca potencia (<1W). Esto supone una gran limitación para nuestro sistema, debido a los optoacopladores (que presentan un gran consumo) y a las altas frecuencias de trabajo y transmisión de datos. Además estos convertidores no presentan la salida regulada. También se han estudiado diversas topologías de convertidores con componentes discretos. El principal inconveniente (a parte de la dificultad que plantea) es obtener los componentes necesarios para la construcción, ya que los elementos que se encuentran usualmente en el mercado son para elevadas potencias. Al final, recurriremos al uso de fuentes de alimentación lineales tradicionales, que también presentan las siguientes ventajas: Página 41 de 245

3 Más económicas para las potencias requeridas por nuestro sistema. No introducen ruido porque no hay elementos conmutando a altas frecuencias. Presenta mejor capacidad de regulación. Fácil diseño y construcción Tarjetas de alimentación A partir de aquí, para nuestro sistema disponemos de dos tipos de tarjetas de alimentación: Tarjeta de alimentación principal. Incorpora dos fuentes independientes: 5V, 1A: Destinada a la tarjeta de control y todos los circuitos encargados de realizar el aislamiento galvánico presentes en cada una de las tarjetas esclavo. +15, +5, -15, 400mA totales: Destinado a alimentar una o varias tarjetas esclavo, dependiendo de los requisitos de la instalación, como ya detallamos. Tarjeta de alimentación auxiliar. Incorpora dos fuentes independientes de +15, +5, -5V, 400mA totales, para alimentar nuevas tarjetas esclavo adicionales. La existencia de fuentes de alimentación auxiliares se justifica para aislar completamente las tarjetas esclavo entre sí. Dependiendo de los requisitos del usuario (potencia y aislamiento) se pueden añadir o prescindir de su uso (lo que ofrece una gran versatilidad) ya que estas tarjetas de alimentación adicionales encarecen el producto final, sobre todo por el precio de los transformadores. La tarjeta de alimentación principal incorpora un conector estándar IEC-C14, de donde obtener la alimentación de la red. A partir de un conectores poste de 3 pines proporciona la señal de 230V alterna al resto de tarjetas de alimentación. También presenta dos conectores poste de 2 pines, de donde se obtiene la salida de tensión de 5V y un conector poste de 5 pines, que proporciona +15V, +5V y -15V. Gracias a un fusible, ofrece protección frente cortocircuitos. La corriente límite del fusible se ha determinado en 3A. También se ha añadido un varistor, para proteger al sistema de sobretensiones de la red. Se escoge la tensión del varistor 250V, para un límite de corriente de 5A. Página 42 de 245

4 Figura 43: Perspectiva general tarjeta alimentación principal Figura 44: Detalle conectores La tarjeta de alimentación auxiliar solo presenta dos conectores poste de 3 pines de donde obtener la tensión alterna, y dos conectores poste de salida de 5 pines por donde alimentamos el resto de tarjetas esclavo. Figura 45: Perspectiva general tarjeta alimentación auxiliar Página 43 de 245

5 Figura 46:Detalle conectores En el diseño de estas tarjetas se ha buscado en todo momento usar las pistas más gruesas posibles, vigilando siempre que haya suficiente separación entre ellas (sobre todo para las líneas de corriente alterna) También se ha creado un plano de masa alrededor de toda la tarjeta, buscando la mínima impedancia en el retorno de la corriente. Todos estos aspectos se comentan con mayor detalle en el Anexo VI. Para garantizar la seguridad del usuario ante contactos indirectos, la tarjeta de alimentación principal presenta un terminal que conecta el bastidor metálico a la línea de tierra de la instalación eléctrica. Figura 47: Planta tarjeta alimentación principal Salida tensión 5V En el mercado se pueden encontrar los siguientes rangos de potencias para transformadores encapsulados: Página 44 de 245

6 Para el proyecto se han tomado transformadores compactos de 6VA, ya que son los de mayor potencia disponible, con un tamaño relativamente pequeño. Usar transformadores de mayor potencia tienen dimensiones excesivas. Observando la tabla de consumos, es potencia suficiente para cada una de las tarjetas e incluso permite alimentar varias tarjetas esclavo empleando una única fuente de alimentación auxiliar, o poder proporcionar alimentación a sensores y actuadores externos. Para la salida de 5V, esta tarjeta emplea un transformador de 6V de tensión nominal, lo que proporciona corriente de hasta 1A. El esquema de funcionamiento corresponde al siguiente: Figura 48: Esquema salida 5V Después del transformador, la señal alterna se rectifica en un puente de diodos (corriente nominal 1,5A) y se llega al condensador de filtrado. Se ha elegido usar un puente completo porque mejora la eficiencia de la fuente, y apenas varía en número de componentes y precio respecto rectificadores de media onda. El mayor inconveniente que presenta es que siempre existen dos diodos de conducción, por lo que la caída de tensión en los diodos (0,7V aproximadamente) reducirá la tensión de pico dos veces: V max=6 1, ,7=7,09 V Para elegir el condensador consideramos la corriente continua y tomaremos un factor de rizado del 10%: C> 5 I 5 1 A = =4180 uf f V max 50 7,09 Lo que nos lleva a colocar por motivos económicos dos condensadores de 2200uF en paralelo, para una tensión de 16V. Página 45 de 245

7 Por último, llega la etapa de regulación. El regulador elegido es el popular integrado Que presenta características adecuada para nuestro diseño a un precio muy económico: Solo es necesario colocar unos pequeños condensadores para estabilizar el regulador. El integrado es capaz de proporcionar 1A de corriente. Será necesario colocar un disipador para asegurar su adecuado funcionamiento en los casos más desfavorables. Si suponemos una equivalencia eléctrica para el modelo térmico, empleamos la ley de Ohm: T J T amb= P d R J amb Donde TJ es la temperatura de la unión. Según los datos del fabricante, el valor máximo es 125ºC, pero tomaremos 100 ºC para estar del lado de la seguridad. Al igual, supondremos que la temperatura ambiente es 50ºC. La potencia disipada por el regulador es: P d =(V i V o) I =(7 5) 1A=2W Por último, RJ-amb es la resistencia térmica entre la unión y el ambiente, que es la suma de la resistencia térmica entre la unión y el encapsulado R J-C, la resistencia entre el encapsulado y el disipador RC-D, y la resistencia térmica entre el disipador y el ambiente RD-amb. R J amb= R J C + RC D +R D amb El fabricante estima la resistencia térmica entre la unión y el encapsulado en R J-C= 5ºC/W De tablas de cálculo y catálogos, se puede estimar la resistencia térmica entre el encapsulado y el disipador en R C-D=1º/W, suponiendo que se realiza la unión con pasta térmica. 100ºC 50ºC=2W (5+1+ R D amb)ºc /W R D amb<19 ºC /W De los refrigeradores disponibles, elegimos un refrigerar de aluminio ionizado de dimensiones 26,7x26x12mm, con una resistencia térmica de 17ºC/W, dentro de los Página 46 de 245

8 requisitos. El factor más determinante (aparte del económico) es que la altura del disipador no supere a la de los transformadores. A la salida de los reguladores se han añadido condensadores de salida para mejorar la regulación de tensión. El valor de estos condensadores se toma bastante elevado, ya que son unos componentes muy baratos y que mejoran considerable el funcionamiento. Se han tomado condensadores de 330 uf y 16 V Salida tensión +15V/+5V/-15V Para esta salida se emplea un transformador con toma intermedia de tensión 15V. Como explicamos en la sección anterior, tomaremos un transformador de 6VA, lo que proporciona hasta 400mA en total. Figura 49: Disipador Figura 50:Esquema salida +15V/+5V/-15V A continuación la onda se rectifica en un puente de diodos (corriente nominal 1A) y se llega al filtro. Al igual que describimos en el apartado anterior, usamos un rectificador de onda completa: V max=15 1, ,7=19,81 V Para elegir el condensador consideramos la corriente continua y tomaremos un factor de rizado del 10%: C> 5 I 5 0,4 A = =2019 uf f V max 50 19,81 Lo que nos lleva a colocar por motivos económicos dos condensadores de 1000uF en paralelo, para una tensión de 25V. Por último llega la etapa de regulación. Página 47 de 245

9 En primer lugar obtendremos las tensiones +15 y -15V. Usaremos los reguladores 7815 y 1915 respectivamente. Presentan las siguientes características: A continuación del 7815 colocamos el regulador 7805 en serie. Otra opción hubiera sido colocar el regulador 7805 en paralelo con el resto de reguladores. La ventaja sería que la corriente por el 7805 es independiente de la corriente que circula por el 7815, pero tendría el inconveniente de que se produciría una gran caída de tensión en el 7805, de forma que haría falta un disipador excesivamente grande para todo el calor. P d =(V i V o ) I =(20 5) 1A=15W Procederemos a calcular las potencias generadas por cada integrado para calcular los disipadores: 7805: P d =(V i V o ) I =(15 5) 0,4 A=4W 7815 y 7915: P d =(V i V o ) I =(20 15) 0,4=2W Se observa como los integrados 7815 y 7915 disipan el mismo calor que el 7805 en el apartado anterior, por lo que tomaremos el mismo disipador. 100ºC 50ºC=4W (5+1+R D amb )ºC /W R D amb<6,5ºc /W En este caso, elegimos un disipador de cobre estañado de dimensiones 26,7x26x12mm, con una resistencia térmica de 6ºC/W, dentro de los requisitos. De nuevo, el factor más crítico para la elección ha sido la altura del refrigerador. Se han tomado condensadores de salida de 330 uf y 25 V. Página 48 de 245

10 3.4. Salidas 3.3V y -5V Ya hemos adelantado que las tensiones de -5V y 3,3V sólo son necesarias en algunas tarjetas y los requisitos de corriente muy pequeños (10mA aproximadamente), por lo que recurrimos a añadir reguladores de tensión en las tarjetas que lo necesiten. Usaremos encapsulados de tamaño reducido, en concreto TO-93, de forma que no ocupen mucho espacio dentro de la tarjeta Salida 3.3V Es necesaria en todas las tarjetas que disponen de un microcontrolador esclavo. Obtenemos esta tensión usando un regulador a partir de la tensión de 5V. Debido a que no existen reguladores de la serie 78 que proporcionen 3.3V a la salida, usaremos el popular regulador ajustable LM317. Figura 51: TO220 y TO92 Figura 52: Salida 3.3V Mediante dos resistencias ajustamos la tensión de salida: V out =1,25 (1+ R2 270 )=1,25 (1+ )=3,23 V R1 180 Empleando resistencias normalizadas, obtenemos aproximadamente 3,3V, dentro de las tolerancias de alimentación de los microcontroladores. Además se añaden un diodo y un condensador electrolítico de 10 uf para estabilizar la salida frente la temperatura y envejecimiento. El condensador de 2,2 uf a la entrada garantiza la estabilidad del circuito, y a la salida se añaden condensadores de 100 uf y 0,1 uf de filtrado. Página 49 de 245

11 Salida -5V Obtenemos esta tensión usando un regulador a partir de la tensión de -15V. Emplearemos el conocido regulador 7905: Figura 53: Salida -5V Se añaden condensadores de 100 uf y 0,1 uf de filtrado a la salida. Página 50 de 245