Desulfatador Para Batería de Coche

PROYECTOS

ALIMENTACIÓN

Regulador para camping

 V oy oy de vacaciones y me llevo…

Por Ton Giesberts (Laboratorio de Elektor)

Quien haya acampado alguna vez en un camping reconocerá seguramente esta situación: una cocina eléctrica bastante potente se conecta a la corriente mientras el frigorífico permanece en funcionamiento y el fusible del camping salta. Resulta molesto ya que la mayoría de las veces hay que buscar al encargado del camping para que cambie o restablezca el fusible, algo que además cuesta algunos euros. Con este regulador de camping esto ya es historia. Los puntos de conexión de tensión de red en los campings tienen, por regla general, un límite sobre la de corriente 42

que puede ser consumida. El limitador se dispara con un mayor consumo, probablemente el encargado del camping

tiene que resetearlo y conlleva una pago adicional como consecuencia. Para evitar ésta molestia hemos diseñado un elektor, elektor, electronics worldwide - 6/2009

regulador que limite rápidamente la corriente máxima.

El principio de funcionamiento Este circuito se encarga de que la corriente no pueda aumentar más cuando se sobrepase un valor predefinido. Lo que tiene como consecuencia que no se puedan conectar a este circuito aparatos electrónicos (TV, radios, bombillas de ahorro energético normales). Este circuito resulta especialmente útil para grandes consumidores como pueden ser los hornos eléctricos, cocinas (¡sin regulación electrónica!) y ollas a presión. Pueden llegar a consumir unos 3 kW. Encender uno de estos aparatos supone directamente la desconexión de la tensión de red. Para evitar esto se debe colocar el regulador entre los aparatos y el enchufe de la red eléctrica. De este modo los aparatos más pequeños se pueden conectar directamente a la red. Debes tener en cuenta el consumo de dichos aparatos. Si su consumo es, por ejemplo, menos de 1 A, habrá que ajustar el valor en el regulador con 1 amperio menos que la máxima del punto de conexión del camping.

rail” TS922IN necesita 3 mA máximo (sin carga), el LED 4 mA (pulso) y la referencia 1 mA. De modo que hemos aumentado el ajuste de la corriente para la alimentación del U2008B a 10 mA. Para eso hemos conectado dos resistencias de 5 W de 4k7 en serie a través de D1 con la tensión de alimentación. La corriente media que pasa por R1 y R2 determina la tensión sobre C4. Se puede calcular dicha corriente con la siguiente fórmula:

 limitación a 3, 4, 5, 6, 7, 8 ó 10 A 

•

 indicación por LED

•

 configurable a través de un  Jumper o un conmutador rotativo

•

cia en la hoja de características del U2008B. El valor efectivo de un rectificador de media onda es de U pico/2. En cambio el valor medio es sólo U pico/π. La producción de calor en las resistencias R1

 Aq uí de scartamos la caída de tensión sobre D1. Esta fórmula se parece bastante a la fórmula de la resisten-

F1 10A

-VS C4

C5 L1

R1 4k7

220u 25V

D1

R2 4k7

R3

R4

330k

7

330k

VSYNC

U2008B

       1

D7

BAT85

TRI1

6

RPHASE

CONTROL

       k        1

11A        k        0        0        1

IC1

R5

8

OUT

       E        S        N        E        S        I

22u

R6

       5        S        V    -

R26

275V 220n X2

P1 100k

1N4007

El circuito

6/2009 - elektor, electronics worldwide

 apto para 230V 

•

(Unet-Usupply )*√2/((R1+R2)*π)

3

IC1, Un U2008B de  Atmel (ver figura 1), forma el corazón de la regulación. Este regulador de fase de 8 pines necesita pocos componentes externos. El integrado tiene la posibilidad de medir la corriente en la carga, lo que es ideal para evitar una sobrecarga. Incluso una carga inductiva no supone ningún problema gracias al re-disparo automático. El circuito integrado ofrece también una posibilidad de “soft-start”, arranque suave en español, (coloca un condensador entre el pin 1 y la masa) o la detección de la corriente de carga mediante un shunt en serie con el triac (también entre el pin 1 y la masa). Nosotros hemos optado por el arranque lento. La corriente que pasa por la carga se mide con un shunt en serie con el triac. Un circuito de detección aparte controla la entrada de control (pin 3) del integrado. El U2008B estabiliza internamente la alimentación ¡negativa! del circuito. La tensión fue de algo menos de 16 V en nuestro prototipo. El integrado necesita 3 mA mínimo, el operacional “rail-to-

Especificaciones técnicas:

100R

BTA16-600BW

       E        S        A        H        P        C

       D        N        G        4

       2

R8

R7

C3

C1

C2

100n

1u 63V

10n

       1        R        0

R9        0        k        0        2

       1        R        0

R22 1M

R10

C8

10k0

-VS R25

5

D4

R23

820k

7

100R

1

IC2B

C9

IC2 = TS922IN

       3

       k        0        0        1

D6

3

R11        1        k        0

T1

R24

IC2A

BAT85

6

BAT85

22u 40V

2

D3

1n

R21

BF245A

-VS

       3        k        3

LIMITING 

D2

C10 JP1

-VS R20

R19

10k

4V7 100n

       0        2        4        2        4        6        8        1        1        1

100k D5

4

10u 63V

       1        3        5        7        9        1        3        1        1

5V6

0W5

C7

8

0W5

R18

R17

1k40 10A

R16

698R 8A

R15

715R 7A

R14

715R 6A

R13

698R 5A

100n

R12

698R 4A

C6

IC2

1k91 3A

060316 - 11

Figura 1. El esquema del regulador de camping muestra que limitar la tensión de red no es tan fácil.

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y R2 (U2/R) es, debido a la rectificación de onda media, más o menos 2½ veces mayor que el que produce una corriente continua con el mismo valor que el valor medio de la corriente alterna. Aunque la disipación total es de sólo 2,5 W, hemos optado por dos resistencias de 5 W para R1 y R2 por razones de seguridad. La alimentación del operacional es de 12 V máximo. Se ha colocado el diodo zener D2 en serie con la conexión de alimentación para que permanezca dentro de este margen.

Limitación Hemos decidido que el umbral límite no sea regulable, sino ajustable a través de un Jumper en la placa y una tira de pines de 2x7. Esto último permite cambiar el ajuste con un interruptor (girato-

Cuando la tensión es negativa, la salida de IC2a se queda al nivel de masa y D3 bloquea. En esta situación R9…R11 forman un divisor de tensión. La tensión sobre R11 es la mitad del valor medido. La señal rectificada pasa al comparador/amplificador IC2b. Éste compara el valor pico de la corriente con el valor de referencia. Hay una elección entre 7 valores de referencia. Estos se han elegido de tal forma que la máxima corriente permitida es de 3, 4, 5, 6, 7, 8 ó 10 A. Con el Jumper JP1 puedes seleccionar la limitación deseada. C8, R22 y R21 limitan la velocidad con la que IC2b conmuta para que haya una regulación estable. Con ellos se filtran picos, cortes y otras interrupciones de alta frecuencia. El pulso que aparece en la salida de IC2b, cuando hay una corriente de carga demasiado

Medir es saber, ¿o no? La tensión de alimentación del U2008B se estabiliza internamente. Casi no nos desviamos de la aplicación estándar. La única diferencia es que nuestro circuito necesita más corriente. Hemos dimensionado la alimentación a unos 10 mA. Esto ya lo hemos tratado en el texto. Hemos aprendido algo sobre los multímetros de valor eficaz (RMS) a base de pruebas y mediciones en el circuito. C4 se carga con una corriente rectificada de media onda. Teóricamente el valor medio de un seno puro es 2Upico/ π, esto también es valido para un seno rectificado de onda completa. El valor efectivo también es en ambos casos igual: Upico/√2. De ahí viene el conocido factor de 1,11 ( π/2√2). Pero para un seno rectificado de media onda hay una regla completamente diferente. Ahí el valor medio es Upico/π. En cambio el valor efectivo es mucho más grande, Upico/2. Si entonces medimos sobre R1 y R2 (y no provocamos ningún cortocircuito con el conector plano) con un medidor de tensiones alternas estándar, medimos por lo tanto el valor medio. En nuestro caso, en un

rio) después de montarlo en una caja. Hemos optado por la colocación de 2 resistencias de 5 W de 0,1 Ω en paralelo como shunt. La disipación es de sólo 5  W con 10 A y el valor de medición del límite inferior se puede medir sin amplificación adicional. Lo primero de todo se rectifica la señal de medición. Se ha construido un simple rectificador de onda completa con la ayuda de IC2a. Si el valor de medición es positivo, IC2a funciona como un amplificador inversor y la relación de R10 y R9 determina la tensión sobre R11 a través de D3. Hay por lo tanto una atenuación con un factor de 2. La atenuación es necesaria por la simplicidad del rectificador de onda completa; sólo se necesita un diodo en esta configuración. 44

a esto, se han utilizado para los niveles de las tensiones de referencia, valores más bajos que los indicados. Esto quiere decir que el regulador actúa un poquito antes de que se llegue al límite de corriente. En la medida en que la sobrecarga aumente, el regulador reducirá la corriente de carga un poco por debajo del valor configurado. La resistencia de carga más baja hace que el pulso de corriente sea más corto de duración y mayor en amplitud. La tensión de control sobre C9 aumenta entonces en proporción. La ventaja es que con esto las corrientes pico son menores.

La referencia Para la tensión de referencia se utiliza un diodo zener normal de 5,6 V que está

castillo con una tensión de red algo más baja, llegamos a medir durante las mediciones solamente 220 V. El valor pico de la tensión sobre R1 y R2 es √2·220 – 16,6 V. El valor medio de esto, que hemos podido medir, es más o menos 94 V. Cuando utilizamos un medidor del verdadero valor eficaz (true RMS); esperábamos como resultado de la medición la tensión pico dividida por dos, ó 147 V. Lo extraño fue que nuestro medidor del verdadero valor eficaz marcó 115 V. Lo primero que pensamos fue: ¿“A lo mejor el medidor no funciona bien, como tiene ya sus años”? Pero otro medidor (más nuevo), aunque del mismo fabricante, daba exactamente el mismo resultado. Un medidor más completo nos ofreció la solución. Este último era capaz de medir CA y CC y marcó correctamente 147 V. Parece que los medidores del verdadero valor eficaz no saben manejar uan componente CC. Ha de estar especificado en el medidor. Ten cuidado. Esto no sólo es válido para un seno rectificado de media onda sino también para señales digitales en forma de pulso o parecidas. Aquí se demuestra otra vez que no sólo vale “medir es saber”, sino también “saber lo que mides”.

elevada, es utilizado para crear la tensión de control para IC1. Cuando el regulador está activado se enciende un LED mediante el JFET T1 que está configurado como fuente de corriente. La fuente de corriente es necesaria ya que un pequeño pulso y una resistencia no son suficientes para que se encienda el LED (tampoco cuando se trata de una versión de bajo consumo). C9 se carga a través de D4 y R23. La tensión sobre C9 forma a través de D7 y R26 la señal de control para IC1. C3 sirve para un desacoplado adicional. Debido al alcance de control de la entrada de control y la amplificación de la señal de medición se necesita un aumento de la corriente de carga para regular la tensión hasta un mínimo. Este aumento es más o menos 1 A. Debido

configurado a través de R20 a más o menos 1 mA. Las tensiones de referencia para IC2b son muy pequeñas y se encuentran entre unos 90 mV (configuración de 3 A) y 340 mV (configuración de 10 A). Estas tensiones son proporcionadas por el divisor de tensiones R12… R19. Se ha tomado unos 50 µA para el cálculo del divisor de resistencias. La tensión zener de D5 será un poco menos de 5,6 V. Por ese motivo hemos elegido 100 kΩ para R19. En este caso la resistencia total de R12…R18 es casi prescindible y la corriente queda bastante constante. Así las resistencias son fáciles de calcular. C7 desacopla la configuración elegida con JP1. En el bucle de realimentación hay una cierta no linealidad, el increelektor, electronics worldwide - 6/2009

mento del ángulo de fase inicial tiene un efecto mucho menor sobre la tensión eficaz que cuando el ángulo de fase alcanza los 90º. El regulador tiene también un área muerta. Como la entrada de control empieza a operar a partir de -2 V, la corriente de carga tiene que aumentar con unos 0,2 A en comparación con la corriente configurada antes de que el regulador actúe. Ésta es otra razón por la cual hemos bajado los límites que marcan los alcances. Los valores de las resistencias del divisor se han redondeado a valores de la serie E96 ya que en caso contrario el error total es demasiado grande.

Con P1 se puede ajustar el ángulo máximo de fase. De modo que en la configuración más baja puedes ajustar la corriente a 3 A en una fuerte sobrecarga, ya que en caso contrario quedaría por debajo.

EL disipador Hemos elegido un tipo de triac sin amortiguador de ST, el BTA16-600BW. El triac se puede adquirir en una versión provista de aislamiento (aunque tiene una pestaña de metal) y puede llevar 16 A. La versión BW necesita una corriente de disparo mínima de 50 mA. Con un

valor de 100 Ω para R5 la corriente de la puerta queda algo por encima. La desventaja de la versión con aislamiento es su mayor resistencia térmica interna, 2,1 °C/W en vez de 1.2 °C/W. Hay que añadir que la temperatura máxima de unión sólo es de 125 °C. La caída de tensión sobre el triac depende en parte de la temperatura de la unión. Una caída de tensión con una temperatura de 125 ºC con 10 A es cerca de 0,25 V menos que con 25 ºC. Para el cálculo del disipador utilizamos una temperatura ambiental de 50 °C. Quizás pueda parecer mucho, pero si se monta en una caja sobre una caravana

Figura 2. En la distribución de los componentes y en el diseño de cobre (de color más claro) se puede ver que la “parte de red” es mucho más espaciosa para cumplir con los requerimientos de seguridad.

Lista de materiales Resistencias:

R1,R2 = 4k7/5 W paso 30 mm max. R3,R4 = 330 kΩ R5,R23 = 100 Ω R6,R24 = 100 kΩ R7,R8 = 0Ω1/5 W paso 30 mm max. R9 = 20k0 R10 = 10k0 R11 = 30k1 R12 = 1k91 R13,R14,R17 = 698 Ω R15,R16 = 715 Ω R18 = 1k40 R19 = 100 kΩ R20 = 10 kΩ R21 = 3k3 R22 = 1 MΩ R25 = 820 kΩ R26 = 1 kΩ P1 = 100 kΩ de ajuste Condensadores:

C1 = 1 µF/63 V radial paso 2,5 mm, diámetro 6,3 mm max.

6/2009 - elektor, electronics worldwide

C2 = 10 nF paso 5/7,5 mm C3,C6,C10 = 100 nF paso 5/7,5 mm C4 = 220 µF/25 V radial paso 2,5 mm, diámetro 8,5 mm max. C5 = 220nF/275 VAC X2 paso 22,5 mm C7 = 10 µF/63 V radial paso 2,5 mm, diámetro 6,3 mm max C8 = 1 nF paso 5/7,5 mm C9 = 22 µF/40 V radial paso 2,5 mm, diámetro 6,3 mm max. Bobinas:

L1 = 22 µH/11 A por ejemplo 1422311C Murata Power Solutions (código Farnell 1077056) ó 22 µH/10A3 por ejemplo 2205-V-RC J.W.Miller Magnetics (Digi-Key Corporation número de artículo M8868-ND) Semiconductores:

D1 = 1N4007 D2 = 4V7/0W5 D3,D4,D7 = BAT85

D5 = 2V7/0W5 D6 = LED rojo de bajo consumo T1 = BF245A  TRI1 = BTA16-600BWRG (TO220AB aislado) (código Farnell 1175636) IC1 = U2008B (Atmel), DIP de 8 pines IC2 = TS922IN (ST), DIP de 8 pines  Varios:

K1 = Tira de pines 2x7 + 1 Jumper F1 = 10 A 1¼” x ¼” por ejemplo código Farnell 1175149 + 2 pinzas para fusible 15 A código Farnell 1175125 4 conectores amp con fijación con tornillo M4 + 4 x 10 mm M4 tornillo + tuerca + arandela + arandela de fijación  Aislamiento cerámico 4,5 mm por ejemplo  AOS220SL Fischer Elektronik Disipador para 10 A: Rth < 3,7 °C/W (< 9,4 °C/W para un máximo de 6 A) Placa EPS 060316-1, disponible en www. elektor.es/060316

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en pleno verano podría ser aún mayor. La disipación es de unos 11 W con 10 A. La máxima resistencia térmica total es de (125-50 °C)/11 W = 6,8 °C/W. Hay que restar de aquí 2,1 y 1 ºC/W para el triac y el aislamiento. Por lo tanto el disipador puede tener una resistencia térmica máxima de 3,7 ºC/W que proporciona suficiente refrigeración para el triac con una corriente de 10 A. Si la corriente máxima en tu camping favorito es de sólo 6 A, puedes utilizar un disipador más pequeño: (12550 °C)/6 W - 2,1 - 1 = 9,4 °C/W. Este cálculo demuestra que una diferencia de un par de amperios implica mucho en el tamaño del disipador. Pero vamos a ser claros: estos cálculos parten de la carga máxima del triac. Lo que no favorece la vida útil del semiconductor. Si queremos dar más vida al triac, hay que seguir la regla de cuanta más refrigeración, mejor.

queden bien rectos cuando se atornillen. En nuestro prototipo los hemos colocado en la cara de los componentes, aunque dependiendo de cómo se monte en una caja se podría optar por colocarlos en la cara de las pistas. Así se evitan resistencias de perdidas por las conexiones de los tornillos. Asegúrate de que haya una distancia mínima de 3 mm entre los conectores (y también las pistas) que lleven directamente tensión de red. En la placa, al lado de JP1, están claramente impresos los límites de las corrientes.

hay que pegar un trozo de cinta aislante entre el disipador y la placa (debido a la distancia requerida de 3 mm). Por razones de seguridad se debe poner el disipador a tierra. El regulador es apto para ser utilizado con aparatos de clase I. Esto significa que un posible repartidor debe tener una buena conexión de seguridad a tierra. En la salida de IC2b se ha colocado un LED como indicador del funcionamiento del circuito. Todo el circuito está conectado a la tensión de red, también el LED. Por eso no se debe poder tocar fuera de la caja. Lo mejor es montar el LED directamente en la placa.

Figura 3. El disipador que hemos utilizado en nuestro prototipo está algo sobredimensionado.

Por tu propia seguridad, es mejor desconectar el circuito de la red antes de cambiar la configuración del Jumper (o utilizar un alicate con aislamiento). Hay que tener mucho cuidado durante las mediciones en el circuito, especialmente cuando lleva tensión. Por ejemplo, entre R1 y el conector de la esquina. Un cortocircuito entre estos dos hace que el circuito impreso al lado del conector se queme por completo, algo que hemos podido constatar durante las pruebas. La forma en que se monta el circuito en una caja depende de si forma parte de una instalación existente o si se trata de un tipo de repartidor refinado. En este caso hay que tener en cuenta la forma y la temperatura del disipador y el calor que desprende.

La placa Hemos optado por un grueso aislamiento cerámico (ver lista de materiales) por varias razones: la placa ha sido diseñada con una sola cara, se necesita una cantidad mínima de cobre para soportar 10 A y el triac se ha colocado al borde de la placa por comodidad. No se ha elegido este aislamiento para cumplir con la clase I, ya lo cumple el aislamiento interno del triac. Esto proporciona algo más de espacio en la placa para la conexión A2 del triac (en una versión sin aislamiento A2 también es la pestaña). Las conexiones de la puerta y A1 se han colocado a más distancia del triac con el fin de proporcionar más cobre para la conexión A1. Debido a las altas corrientes no se ha ahorrado en grandes superficies para las demás conexiones (F1, L1, R7, R8, las conexiones para red y carga). Para el fusible de 10 A de la placa se han utilizado dos pinzas para fusibles de 32 mm. Estas pinzas están especificadas para 15  A. Las conexiones de L1, R7 y R8 no tienen las muescas habituales. Por eso se requiere más potencia para soldar estos componentes que para el resto. Las conexiones para carga y red están hechas con conectores (planos) de coches que se fijan en la placa con tornillos de 4 mm. La distancia entre estos conectores es algo más de los 3 mm mínimos permitidos. Asegúrate de que los conectores 46

Para evitar cargas en los puntos de soldadura, aconsejamos el uso de una desconexión de carga térmica (una pequeña curva en los terminales de conexión) en las resistencias de potencia antes de ser colocadas en la placa (esto también es válido para el terminal del medio del triac, A2).

Seguridad y toma a tierra Como el triac se encuentra en el borde de la placa, parece lógico montar el disipador pegado al borde de esta. Para cumplir con la clase I de aislamiento

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