Fuentes de alta corriente (ART1014S)

   Las fuentes de alimentación de alta corriente son cada vez más importantes en aplicaciones que van desde la electrónica industrial hasta la electrónica de consumo, donde las corrientes requeridas por ciertos equipos de alta potencia pueden llegar a decenas de amperios. En este artículo discutiremos el proyecto de estas fuentes y damos algunos circuitos prácticos.

    Las fuentes de alimentación de baja tensión (hasta unos 30 V) con corrientes que alcanzan un máximo de dos amperios son comunes en la mayoría de las aplicaciones electrónicas, y no faltan circuitos para este tipo de aparato.

   El propio montaje no ofrece mayores dificultades debido a la existencia de muchos circuitos integrados reguladores que pueden suministrar directamente estas tensiones y corrientes sin la necesidad de muchos componentes externos, y el diseño de la placa no es crítico.

   Sin embargo, cuando las cadenas sobrepasan la marca de los 5 ampères, los problemas empiezan a aparecer.

   El primero de ellos es justamente el debido a la no existencia de componentes apropiados que puedan solos proporcionar tensiones reguladas en este orden de valor. Se requiere el uso de circuitos boosters externos que puedan soportar las corrientes elevadas, y la complejidad de estos circuitos aumenta cuando la corriente se vuelve mayor aún.

   El segundo es el propio diseño de la placa que requiere sendas anchas, compatibles con la corriente, o incluso el uso de cableado externo con hilos gruesos de acuerdo con las corrientes que deben ser suministradas.

   En este artículo vamos a ofrecer algunas soluciones interesantes para el uso de circuitos integrados comunes excitando etapas de alta corriente para permitir la realización de fuentes de hasta 50 ampères con tensiones de hasta 30 V, aproximadamente.

 

       ETAPAS DE ALTA CORRIENTE

    Hay varios circuitos integrados reguladores de tensión de tres terminales (fijos o ajustables) que se pueden utilizar como base para proyectos de fuentes de alta corriente.

    En especial tomaremos dos tipos comunes, el 7812 a 12 V x 1 A (de tensión fija) y el LM350T de 3 A (para tensiones de 1,25 a 30 V) para ejemplificar su uso en etapas de mayor corriente.

   Las envolturas de estos circuitos integrados son TO-220 ilustrados en la figura 1.

 


 

 

  Sin embargo, los mismos principios válidos en los proyectos con estos circuitos también lo son para otros del mismo tipo.

    Los circuitos integrados 7812 y LM350T se emplean en configuraciones bastante simples, como se muestra en la figura 2.

 


 

 

 

    Para obtener mayor corriente de estos circuitos integrados existe la opción de las etapas de potencia con transistores bipolares. Hay varias maneras de hacerlo y que se dan a continuación:

    La primera es válida para los circuitos integrados de la serie 78XX, como el 7812, y hace uso de un transistor PNP de alta corriente como booster. Esta configuración se muestra en la figura 3.

 


 

 

    El valor de R1 se calcula de acuerdo con la corriente máxima del regulador de tensión utilizando la siguiente fórmula:

            R1 = 0,9 / Ireg

    R1 también depende de la beta del transistor, según la fórmula:

    R1 = (Beta x Vbe) / (Ireg (max) x (Beta + 1) - Io (max))

   La corriente en el regulador no debe ser mayor que 1 A y su valor también depende de la ganancia del transistor Q1. Entre los tipos de transistores que se pueden colocar en esta configuración, destacamos los siguientes:

 

Transistor

Corrente

TIP36/A/B/C

25 A

TIP34/A/B/C

10 A

TIP2955

15 A

 

En la figura 4 mostramos cómo agregar un transistor a este circuito para proporcionar protección contra cortocircuito en la salida.  

 

       La resistencia Rs de protección se calcula mediante la fórmula:    Rs = 0,8 / Is, donde Is es la corriente de cortocircuito.   Este tipo de configuración es válida hasta aproximadamente 5 amperios, ya que debemos considerar que aunque las corrientes máximas de los transistores indicados sean mayores, hay que hacerlos operar dentro de los límites de su disipación.   Para el LM350 también podemos tener una configuración equivalente que nos permita obtener hasta aproximadamente 5 amperios de corriente con un transistor PNP de alta potencia como el MJ4502. Esta configuración se muestra en la figura 5.  

 

    La resistencia R3 es la que determina la corriente de salida y la corriente en el regulador de tensión de modo que quede dentro del límite soportado por el CI.    Recordamos que, en este caso, tanto el circuito integrado como el transistor de potencia deben montarse en excelentes radiadores de calor.    Otra posibilidad interesante para los proyectistas de fuentes de alta corriente consiste en el uso de los transistores 2N3055. Estos transistores, que son los "hacen todo" de alta potencia, y que por eso se pueden encontrar fácilmente a un costo reducido son la solución ideal para altas corrientes cuando es posible su utilización.Sin embargo, los 2N3055 son del tipo NPN, lo que nos lleva a la necesidad de una configuración un poco diferente para su asociación a reguladores de tensión positiva de tres terminales.    Una primera forma consiste en utilizar el mismo circuito "invertido", o sea, con el regulador negativo de tensión 7912, y con ello colocar la etapa de control en la línea negativa de alimentación, observar la figura 6. 

 

 

     La segunda manera consiste en adoptar el circuito ilustrado en la figura 7, que también puede ser muy útil para corrientes de hasta 5 A.  

 

     Para corrientes mayores, en todos los casos, existe la posibilidad de conectar en paralelo varios transistores 2N3055, pero ahí tenemos que considerar dos problemas a ser resueltos.    El primero de ellos es la necesidad de un circuito de excitación que proporcione a la base de cada transistor la corriente necesaria. Un solo regulador de 1 A, por ejemplo, no puede excitar suficientemente bien cuatro o cinco 2N3055, recordando que cada uno de ellos puede suministrar una corriente de 5 A.    Esto puede lograrse fácilmente con un transistor intermedio (del mismo tipo).    El segundo problema es la necesidad de dividir la corriente por igual entre los transistores.    Estos componentes se encuentran en una amplia gama de ganancias, incluso de los mismos, lo que significa que cuando se polarizan a partir de una misma fuente, conducen de forma diferente. En el caso de los transistores, los transistores tienden a ser recorridos por corrientes diferentes, como se muestra en la figura 8. 

 

   En un circuito de corrientes elevadas eso causaría la sobrecarga de aquel que está siendo recorrido por la mayor corriente y que por eso tendería a la quema.    Para tener una distribución por igual de la corriente el artificio que se hace es aumentar la tensión de base de cada transistor a través de la conexión de resistores de emisor en cada uno.    Estas resistencias de pequeño valor hacen que los transistores estén más cerca unos de otros en términos de corriente conducida, habiendo por lo tanto una distribución que no los sobrecarga.    En la figura 9 se ilustra cómo obtener una fuente de 20 amperios de 12 V, utilizando un regulador 7812 y transistores 2N3055 en la configuración indicada.  

 

      Todos los transistores 2N3055 deben montarse en excelentes radiadores de calor.     Un problema que ocurre con este tipo de configuración es que la tensión de salida no es exactamente de 12 V, sino un poco menos. Lo que sucede es que existe una caída de tensión entre la base y emisor de los transistores del orden de 0,7 V, a ser considerada. Así, cuando el regulador de tensión aplica 12 V en la base del transistor, en su emisor aparece sólo 11,3 V de tensión.    Una solución interesante para resolver este problema consiste en aumentar la tensión del regulador, utilizando para ello una referencia de tensión que compense la caída en los transistores.    Esto se puede hacer con la configuración mostrada en la figura 10.  

 

    Cada diodo colocado en serie con el terminal de referencia del circuito integrado aumenta en 0,7 V la tensión de salida.   Este recurso es en especial interesante cuando la fuente pretende sustituir las baterías de coche que, como se sabe, tienen una tensión de salida del orden de 13,2 V o más.    Con tres diodos en serie compensamos la caída de 0,7 V y añadimos algo alrededor de 1,4 V para obtener en la salida una tensión un poco mayor que los 12 V, más cerca de la exigida por los equipos alimentados por baterías de coche .    CONCLUSIÓN   Las fuentes que analizamos son del tipo lineal donde transistores y circuitos integrados se comportan como resistores variables para la corriente controlada. Este tipo de configuración tiene la desventaja de disipar gran cantidad de calor en los elementos de control, lo que no es muy deseable en aplicaciones de potencias muy altas.    Sin embargo, la simplicidad de este tipo de circuito y la no necesidad de otra regulación que no sea la tensión de salida en algunos casos, las hacen ideales para aplicaciones menos críticas.    Para aplicaciones en las que el rendimiento de la fuente es importante, se requiere la menor pérdida de energía posible en forma de calor, donde el espacio para la colocación de disipadores de calor es limitado y aún existe el problema de la disipación del calor generado, hay otras soluciones más apropiado.    Para estos casos, las fuentes conmutadas o conmutadas (SMPS - Switched-Mode Power Supplies) son las más indicadas.