CHOPER, rectificador y oscilador de potencia de múltiple uso.

El circuito objeto de este documento, aunque de manera aislada no tenga muchas aplicaciones, puede ser la base para muchos proyectos de potencia. Se parte de la corriente de red, toma los 220 V 50 Hz, los rectifica, los filtra y después mediante un circuito de control y unos transistores de potencia los convierte en +-160 V de onda cuadrada a frecuencias ajustables entre 10.000 y 300.000 c/s y con ciclo de trabajo ajustable.

Una importante característica de este circuito es que esta conectado directamente a la red, es decir que no hay aislamiento galvánico y por lo todo el circuito esta conectado a la red. Esto es así precisamente para ahorrar el alto coste y las dificultades que supone conseguir transformadores de potencia. No obstante en la mayoría de alas aplicaciones de este circuito el aislamiento galvánico se conseguirá en el transformador de alta frecuencia (TR4) que muy frecuentemente sera atacado por el circuito.

Las aplicaciones de Choper dependerán de los componentes comprendidos entre J4 y J5, que son TR4, D14 y C18. Esta parte del circuito se ha puesto solamente para explicar como funciona el circuito de realimentación.



Para que se puede emplear choper.?

Fuentes de alto voltaje. Supongamos que necesitamos una fuente de alimentación de 15.000 voltios 20 mA. Con choper conseguimos 160 V 15 khz, y mediante un transformador con núcleo de ferrita con una relación 1:100 obtendremos los 16.000 V. Hay que tener en cuenta que este transformador gracias a su alta frecuencia de operación necesitara tan solo 20 espiras sobre un núcleo de ferrita de los empleados en MAT de TV. En el secundario por tanto tendrá 2000 espiras, algo no muy difícil de conseguir.. Y como condensadores de filtro bastaran unos pocos nanofaradios a 15.000 V. Si tratásemos de conseguir esto a partir de la red por procedimientos clásicos el coste seria mucho mas elevado. Este procedimiento tiene la ventaja frente a las típicas fuentes de flyback de alta tensión en que estas están limitadas a unos 60 w de potencia, sin embargo choper con los componentes adecuados puede manejar potencias de KW. Por supuesto que con las corriente de alta frecuencia generada con choper podemos atacar circuitos multiplicadores de tensión para conseguir cientos de miles de voltios.

Bobinas tesla. Con choper empleando frecuencias por encima de los 200 Khz podemos atacar el primero de las típicas bobinas tesla directamente.

Hornos de inducción.

Regulación.

Cuando se requiera un ajuste de las tensión o potencia de salida mediante un mando externo se sustituiría RV3 del circuito por un potenciómetro exterior conectado mediante cables. Hay que tener en cuenta que el potenciómetro tiene que poder soportar 400 voltios de aislamiento. Lo mismo debe hacerse con el potenciómetro de 50 k si se quiere ajustar la frecuencia de oscilación.

Choper puede trabajar en lazo abierto o en lazo cerrado.

Para trabajar en lazo cerrado, es necesaria una realimentación entre la señal de salida y el circuito controlador. Pero tal mismo tiempo es necesario conservar el aislamiento galvánico que nos proporciona el transformador. Para ello La realimentación la realizamos a través de un foto acoplador. Como los foto acopladores pueden tener derivas térmicas se ha empleado uno doble de manera que se compensen las variaciones comunes. En este modo las resistencias R1 y Rojo no se deben colocar.

Cuando Choper trabaja en lazo abierto, es decir no hay ninguna realimentación entre la entrada y la salida. El nivel de salida, mas bien el ciclo de conducción de los transistores es ajustable desde 0 al 49% ( 0 a 100% de potencia) con el potenciómetro RV3. En lazo abierto el CI del opto acoplador no es necesario, tampoco son necesarios R4, R5, R10, RV2 ni C19. Por contra no hay que olvidar de colocar los componentes R1 Y el Puente OJO.






Cambiar la frecuencias de trabajo. Los valores especificados en el esquema son para frecuencias comprendidas entre 10 y 60 khz. Para operar a frecuencias mas altas bastara con cambiar el condensador C3. Con un valor de 470 pf podemos obtener entre 40 y 250 Khz. Para operar a frecuencias altas hay que seleccionar transistores de potencia de salida muy rápidos. La frecuencia minima de operación de este integrado esta en unos 50 Hz.








Para obtener mayor potencia. Aumentar las potencias exige mas cambios. Para empezar los diodos rectificadores D12.. D15 ahora 1N4007 soportan 1 amperio lo cual dan 200 vatios sin problemas. Para mayor potencia estos diodos deberán cambiarse por otros que soporten 0,5 amperios por cada 100 W, es decir con diodos de 3 amperios podríamos conseguir hasta 600 W y con diodos de 5 hasta 1000. . Los condensadores C13 y C14 filtran la red. Con los valores propuesto a 200 W de potencia el rizado sera del 15 %, para menor rizado incrementar el valor de los condensadores. Para hornos de inducción o bobinas Tesla en los que el rizado no importa se pueden reducir a la mitad esos condensadores. Para fuentes de alimentación en continua estabilizadas y de alta potencia se pueden reforzar estos condensadores con otros mayores fuera del circuito y cableados.

También es conveniente mejorar la disipación de potencia de los transistores. Lo mas fácil es emplear un radiador con ventilación forzada. Para alimentar el ventilador se ha dispuesto la toma J3.








Circuito impreso de Choper.

Esquema del circuito

Circuito impreso versión Gif 600DPI

Circuito impreso Versión EPS.




Vista de la Colocación de componentes.

J2, entrada de 220 V AC

J1, entrada para la Alimentación del circuito de control 20 V 0,5Amp.

Detalle en que se puede apreciar en transformador de protección.

Transformador TR1. A todos nos dan pavor los transformadores. Pero este no presenta ningún problema. Este es un transformador sensa la corriente de salida y produce un voltaje para disparar la protección de sobrecorriente. Consiste en un toroide de ferrita de unos 12 mm de diámetro. El primario simplemente es un cable que lo atraviesa (el rojo en la fotografía). El secundario son 20 espiras de hilo de cobre barnizado de 0,25 mm de diámetro. Si no encontramos un toroide de ferrita podemos emplear el núcleo de ferrita de un transformador pequeño o cualquier otro material magnético. El diseño es muy flexible. Tan solo habrá que regular con el potenciómetro RV1 el nivel de disparo. Si no encuentras la forma de hacer este transformador y no lo haces, simplemente el circuito sera mas vulnerable frente a sobrecargas. En ese caso tampoco serán necesarios los componentes asociados.






Alimentación 20V 0,5 alterna. El circuito de control se alimenta a 15 V. Para ello necesita un pequeño transformador de red a unos 18 – 20 voltios 0,5 amperios. Este transformador tiene un costo y tamaños reducidos. Se podría haber evitado alimentando directamente de red, pero habría que disipar mucha potencia para bajar de 400 V de la red rectificada a los 15 que necesita el circuito de control salvo que empleásemos circuitos mas complejos y costosos. Por otra parte este transformador permite comprobar el funcionamiento del circuito de control sin necesidad de aplicar corriente al circuito de potencia directamente conectado a la red. Durante estas comprobaciones no hay problema en usar el osciloscopio.

Consejos de montaje y prueba.

Aunque no es imprescindible se recomienda que los tres circuitos integrados U1, U2 y optoacoplador se monten en zócalos. Tener en cuenta que la orientación de U2 es inversa respecto a los otros.

Este circuito como ya se ha advertido anteriormente esta directamente conectado a la red. Por eso si mientras esta funcionando conectamos la masa del osciloscopio al terminal negativo del circuito puede pasar, que se fundan lo plomos, que se caiga el diferencial o que rompamos algo. De la misma manera cuidado con tocar con la mano algún componente, por que nos puede dar un buen calambre. Si dispones de un transformador de aislamiento 220:220 alimenta el circuito a través de el y no tendrás ningún problema.

Si no dispones de este transformador puedes emplear cualquier transformador que aisle el primario del secundario. Cuanta mayor tensión de salida (sin superar los 220) y mayor potencia mejor porque las condiciones se aproximaran al comportamiento real de potencia.

De cualquier manera, para familiarizarse con el circuito, comprobar y comprender su funcionamiento puedes seguir los pasos a continuación.

Quitar los circuitos integrados salvo el regulador de tensión. Conectar mediante un cablecillo el terminal positivo del puente BR1 al cátodo de D7. De esta manera la etapa de potencia se alimenta con los 20 V rectificado o sea con unos 30 V que además están aislados de la red para una comprobación inicial mucho del circuito mas segura. Con esta configuración no tenemos problema en colocar el osciloscopio en ningún lado porque trabajaremos aislador del circuito de red.

Apagar el circuito y configurar la placa como si estuviese trabajando en lazo abierto, es decir En OJO colocar un puente, si R4 esta puesta se puede dejar, si no se ha colocado R1, se puede pinchar en las patillas 7 y 8 del zócalo del optoaislador. Insertar el circuito SG3525, conectar la alimentación. Comprobar en la patilla 5 que aparece una onda triangular (oscila), ajustar mediante Preset la frecuencia de oscilación (tener en cuenta que esta frecuencia deberá ser el doble de la frecuencia real de trabajo). Comprobar que en la patilla 11 (salida A) aparece un pulso de 15 V y la mitad de frecuencia, si no aparece pulso variar RV3, mediante este potenciómetro deberemos poder variar el pulso entre el 0 y el 50%. La otra salida (B) aparece en la patilla 14 y tendrá un comportamiento simétrico. Si vemos con el osciloscopio las dos al mismo tiempo veremos que están desplazadas 180º. En estas condiciones entre los terminales 1 y 2 de J5 se puede ver en el osciloscopio una señal cuadrada del valor PP del de alimentación.

Para seguir probando el circuito conviene hacerlo a la tensión de red (J2), previamente habrá que soltar el cablecillo señalado anteriormente. Como medida de seguridad se puede conectar una bombilla de 100W 220 en serie para limitar la corriente y evitar desastres. En estas condiciones no se epuede conectar la masa del osicloscopio si no se ha empleado transformador de aislamiento de red. El circuito se pude probar sin el transformador TR$ conectando igualkmente una bombilla de 220 V 50 W en J5. El brillo de la bombilla se debe poder ajustar al variar el ciclo de trabajo con RV3.

Observaciones sobre el lazo cerrado.

Este se emplea cuando deseamos obtener regulación en la tensión de salida del circuito. La realimentación compensa ajustando el ciclo de trabajo la variaciones de la carga, de la tensión de entrada y también del rizado. Mediante el lazo cerrado podemos obtener buenas características de regulación aunque no tan buenas como las de las fuentes lineales.

Cuando la realimentación esta actuando la tensión en los terminales 1 y 2 del CI U1 debe ser aproximadamente la misma y aproximadamente de 2,5 voltios ( entre 2 y 3 V). La tensión en 2 depende de la corriente en el foto transistor que a su ves depende de la del foto diodo. Por ello para compensar variaciones entre componentes se emplea RV3 que se ajusta para que esta este entre los limites mencionados. Este valor es constante por ello este ajuste se puede hacer en cualquier condición.

Si el lazo esta cerrado y en ninv inmp (1) hay 2,5 V en 1 deberá haber el mismo voltaje, para lo cual la corriente que deja el foto transistor 1 deberá ser tal que provoque 2,5 V en R4 ( 5K6) o sea 0,43 mA. Suponiendo una relación de transferencia 1 a 1 con el foto diodo, entonces la corriente a través del foto diodo deberá ser 0,43 mA. Luego el voltaje a la salida sera tal e igual a 0,43 x ( RV10 + RV2) + Vfd, siendo VFD aproximadamente 0,6 V.