Fonte chaveada para power valvulado

[Ledod]

 Então pessoal, estou criando um novo tópico para deixar em eletrônica o assunto de fontes chaveadas para amplificadores valvulados que eu e o Eduardo estamos desenvolvendo.

 Bem, o começo de tudo ocorreu neste tópico : http://www.handmades.com.br/forum/index.php?topic=2202.75 onde foi discutida várias topologias sobre como gerar alta tensão para o B+ das válvulas a partir de uma fonte de baixa tensão. Depois de muitas trocas de mensagens, alguns testes mal e bem sucedidos conseguimos chegar em um resultado satisfatório para uma fonte de cerca de 20w para alimentar um power valvulado.

 A fonte que projetamos é baseada em um transformador de fonte ATX de computador, um CI que faz o controle do PWM, no caso o TL494 ou KA7500 (tanto o transformador e o ci podem ser encontrados facilmente em sucatas de fontes, o tl494 encontrei no mercado por 1,50) e dois mosfets na configuração push-pull.
 
 Para entendermos o circuito proposto, vou postar o esquemático de uma fonte chaveada bem comum encontrada no mercado

 

 Basicamente ela funciona chaveando alta tensão (cerca de 300 v) em alta frequência (40khz) no primário do transformador T1, a partir de transistores bipolares. Devido a alta frequência e a utilização de um transformador com núcleo de ferrite, podemos diminuir muito o tamanho físico do componente para uma mesma potência de saída (vide as fontes atx, que suprem uma potência de 250 a 300w, imagine um transformador comum para essa potência!)
 No secundário induzimos a baixa tensão de saída da fonte, retificada por diodos rápidos, pois a capacitância da junção PN de diodos comuns limitam a frequência de operação do retificador. Também existe um filtro LC para filtrarmos os pulsos obtidos da saída do retificador, obtendo a tensão contínua.
 Para o controle ciclo de chaveamento é utilizado um CI que monitora a tensão de saída, ajustando a largura do pulso (o duty cycle de um PWM) aumentando ou diminuindo o tempo em que o transistor fica ativo e portanto a tensão. Assim temos a regulação da saída da fonte, quanto maior a carga, mais tempo o transistor conduz, quanto menor a carga, menor o tempo de ciclo ativo.

 A idéia aqui para se ter alta tensão na saída é inverter o transformador, utilizando o primário como secundário e vice versa, obtendo de 200vdc a 300vdc a partir de uma fonte de baixa tensão.
 
 Uma imagem do transformador (denominado como EI33, que é o tamanho do núcleo)



 O transformador de fontes chaveadas atx comuns chinesas (as mais básicas do mercado) possui 2 enrolamentos, como pode ser visto no esquemático. O primário é subdividido em 4 enrolamentos, que denominarei como 5v e 12v e o center tap. O center tap é o meio do enrolamento secundário e é visto como um "rabixo" saindo por cima do transformador.
  Aqui tirei uma foto de dois transformadores que encontrei em sucatas. Me parece, olhando em outras fontes, que estes transformadores seguem um padrão utilizando um núcleo EI33 (33mm de comprimento) porém podem ter seus terminais invertidos, como segue. Vamos utilizar para a nossa fonte o enrolamento de 5v, que tem seus terminais soldados em paralelo (as vezes só é possível verificar as ligações observando a PCI de onde foi retirado o transformador).
 



 O esquemático foi baseado no circuito abaixo:



 Que é quase o circuito que montei. As únicas diferenças são os transistores pnp para desligamento mais rápido do mosfet de saída, o cálculo do novo soft start para cerca de 2s até carregar os capacitores, a inserção de um diodo zenner de 5v para proteger a referência de tensão (se o resistor R13 abrir por algum motivo, não temos 300v no pino do integrado).
 Bem o circuito ainda está um pouco cru digamos assim, mas já dá para o pessoal começar a opinar. A placa de circuito impresso estou ainda começando a rotear, e no esquemático, o quadrado maior é o transformador, indicando os terminais em relação ao lugar físico de cada pino (atenção a pinagem de cada transformador!!!)




Segue os arquivos do eagle com o esquemático e a placa ainda sem estar roteada, apenas umas poucas trilhas. Ainda não tive a paciência de terminar haha fica o desafio para quem gosta dessa parte =D

http://www.4shared.com/file/3pRHgEKs/fonte_chaveada_300v.html?


Um abraço!


Eduardo


OBSERVAÇÕES:


1- Circuito com alta tensão de saída e corrente, pode-se levar um choque perigoso se não for tomado todo o cuidado com as partes vivas.

2- A alimentação do circuito ficou em mais ou menos 20-21v com uma corrente de 1,8A, para uma saída de 300v em aberto e 295 com uma carga de 2,9k, evidenciando uma corrente de 102ma e uma potência de 30w. Um transformador na entrada de 18v por 2,5A casa perfeitamente.

3- A tensão do circuito é regulada pelo trimpot de 20k, e deve-se regular a tensão de referência sem carga para no máximo 4,4v (nunca maior que 4,45).

4- O mosfet indicado é o IRF540, mas testei com o IRF2805. Pode ser que o IRF540 esquente um pouco mais que o IRF2805, mas o resultado é o mesmo.

5- Os diodos de alta tensão podem ser o 1N4937 ou FR307 ou qualquer diodo rápido com corrente de 1A e tensão maior que 400v.

[Eduardo]

Oi Ledod

Parabéns pela conquista! Uma fonte como essa já serve para um grande número de pequenos projetos de baixa potência, como o AX84, Champ 5E1 e 5F1, IALL 3.5 e assim vai.

Grande abraço

Eduardo

[kem]

Não sei se ajuda muita coisa... Mas no meu arquivo de circuitos eu tinha esse ai embaixo, que usa o TL494 e um auto-transformador.

[Ledod]

 Interessante o circuito que postou! Ele segue a linha que estávamos discutindo no começo de toda essa discussão, só que usando o mc34063. Como um projeto para um pré-amplificador pode ser bastante útil!

 Eduardo, obrigado novamente pelas ajudas, pelas conversas, informações... Tudo isso ajuda !!

Então pessoal uma última observação: A fonte foi testada apenas com cargas resistivas, portanto ainda não teve o teste com um amplificador real. Postei apenas os arquivos como meio de informar e aumentar a discussão sobre o circuito (quanto mais idéias surgirem, melhor!). Ainda pretendo montar um amplificador como o iall 10.5 e testar de fato a fonte, nível de ruído, durabilidade (afinal estamos usando componentes recondicionados) potência máxima, e outros detalhes que só em um teste real podemos avaliar.
 
 Acho que é isso pessoal, mais informações estão contidas no tópico que postei no início!


Um grande abraço!

Eduardo

[mrmagoo]

Olá pessoal parabéns pelo trabalho!!!

Estava olhando o esquemático e acho que está faltando conectar (ponto) entre o D8 / D11 e em C13 / R11

Abraços

[Eduardo]

Oi Kem

Esse circuito que você postou me deu uma ideia que vou testar! Adorei!

Abraços

Eduardo

[hgamal]

Pessoal, estou gostando... vou aguardar os resultados. Mas eu tenho uma opinião a dar.

Estou vendo que o circuito descrito precisa de uma alimentação de 18V por 2.5A. Este transformador está longe de ser um dos pequenos. O que determina o tamanho dos transformadores é sua potência. um transformador de 18V@2.5A@60Hz não é muito menor que outro de 180V@250mA@60Hz. Ou seja, só valerá a pena usar fontes chaveadas se o transformador realmente diminuir ou desaparecer.

Mas temos que manter a coisa isolada da rede. Observe o esquema da fonte chaveada do PC, ela retira sua alimentação direto da "parede", sem o uso de um transformador grande. T1, T2 e T3 mantém a coisa isolada.

Eu tenho absoluta certeza que isto impõe uma complexidade maior ao projeto, mas acredito também que seja a forma correta de proceder. Do contrário, tudo que é "quebra-galho"!

[Ledod]

 Então Haroldo, eu pensei realmente nisso, o fato de se trocar 6 por meia dúzia em relação ao tamanho do transformador. Ai foi mais uma questão de custos mesmo, transformadores de 18v 2 a 3A são muito fáceis de encontrar no mercado e não custam muito devido a quantidade de produção de uma indústria, concorrência entre empresas, etc. Lógico que não são os melhores transformadores do mundo, mas é muito mais simples de ser encontrado que um transformador de 180v por 250ma.
 
 Infelizmente é assim que funciona... A empresa tem um pedido de 500 transformadores de 18v 2,5A e um de 180v 250ma. Mesmo sendo praticamente idêntico o de 18v é muito mais barato.

 Existe uma idéia de se usar uma fonte chaveada básica para alimentar esse circuito, como essa: http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-214255996-fonte-de-alimentaco-chaveada-18v-3a--_JM

 Custa 33 reais, 18v por 3A. Imagine que interessante alimentar um power através de uma fonte externa... Daria para ser um micro amplificador valvulado.


mrmagoo

 Valeu pela correção em relação ao ponto de junção dos diodos. Que bom que o eagle entende que ali é um ponto de junção, só faltou marcar.


Um abraço!

[hgamal]

Pena que o projeto não vai enveredar para o caminho que eu acho correto.

Mas boa sorte a todos, espero que vocês consigam, eu vou continuar a usar transformadores convencionais.

(transformadores de força são muito menos problemáticos que os de saída)

[Eduardo]

Oi Haroldo

Embora eu concorde com você, e estou perceguindo esse caminho no tópico de fonte chaveada com reator de lâmpada, preciso defender também a ideia do Ledod.

O que eu observei é que uma fonte chaveada como as de computador para ser usada em amplificador valvulado é perfeitamente possível. No entanto a complexidade do projeto é tal que tornará dicífil para o handmade comum obter sucesso. Numa fonte padrão ATX é necessário um conversor tipo fly-back ou forward para ativar a parte eletrônica que vai controlar o chaveador. A comunicação é feita por meio de um transformador driver meio chato.

Numa fonte padrão ATX o montador seria obrigado a enrolar corretamente 3 transformadores de ferrite prestando atenção no sentido dos enrolamentos.

Na proposta do Ledod pode-se usar os componentes tal como são encontrados. Isso torna muito mais fácil a obtenção de um resultado positivo.

O caminho que estou perceguindo é do chaveador auto-oscliante. É bem simples, vai direto na força, o enrolamento do transformador é fácil e não polarizado e os componentes não são críticos.

Os problemas começam por que não existir regulação na saída. O chaveador se porta como um transformador tradicional. Outro ponto é a fragilidade do circuito a erro. Qualquer engano em uma ligação e a coisa toda vira fumaça. O circuito precisa de um transformador driver enrolado em núcleo toroidal, que não é nenhum mistério, mas que se for ligado invertido causa a ruína dos transistores chaveadores.

Veja esses tópicos como um caminho que estamos trilhando. Ainda vamos ter um IALL ligado direto na força sem um transformador pesado. O progresso das ideias ocorre com várias pessoas fazendo coisas diferentes e que aparentemente não vão na direção do objetivo ideal. No entando acabam chegando lá uma hora ou outra.

Abraços

Eduardo

[Ledod]

 Bem, confesso que o comentário do Haroldo desanimou um pouco sobre o desenvolvimento disso tudo, porque ao meu ver não é apenas um "quebra-galho", é um caminho para eliminarmos gradualmente o transformador de entrada, como o Eduardo bem mencionou. Qualquer fonte pode fornecer 18v 2A facilmente, seja com transformadores ou fontes chaveadas, já 300v com a 100ma é um pouco mais complicado...
 Mesmo um transformador com as tensões necessárias ao projeto ser de uma facilidade indiscutível (o que são 4 diodos e uns capacitores?), acredito que a versatilidade em se poder controlar a tensão de saída um atrativo para a elaboração de qualquer projeto, seja com ecl82, el84, 6v6 e se duvidar até uma el34 ou 6l6.
 

 Bom, para eliminar totalmente o transformador, o caminho é fácil até. Basta comprar uma fonte ATX, utilizar todos os componentes responsáveis pela fonte de alta, chaveamento, re-enrolar o transformador principal para as devidas tensões de saída (6,3 e 300v por ex), modificar a retificação e a filtragem da alta e os resistores de referência e pronto. Quem se habilita?


Um abraço!

Eduardo
 

[hgamal]

Estive pensando no caso também. Acho que podemos usar o seu projeto, usando um trafinho para fornecer a tensão ao circuito de controle e foto acopladores na alta tensão. Assim teríamos apenas um transformador!

A idéia de mexer na fonte de PC passou por minha cabeça também!

[Eduardo]

Oi Pessoal

Mexer na fonte de PC é barca furada. Já tentei. Primeiro que não há padrão nelas. Eu, Ledod e Haroldo até podemos resolver nosso problema, explodindo duas ou três fontes até chegar no resultado esperado. Mas o HandMades mais praiano dificilmente tiraria algum benefício disso.

Por outro lado, as fontes de computador regulam tensões de 12V e 5V. Se simplesmente enfiarmos um enrolamento de 300V lá sem que a fonte veja, haverá ruína do circuito.

O caminho simples que eu estou vendo é um conversor auto-oscilante de algum tipo. Pensei na topologia usada nas lâmpadas econômicas, mas já encontrei várias falhas no desenho que impedem seu uso em uma fonte de carga variável. A lâmpada de gás é uma carga extremamente bem comportada!

O Patines sugeriu um circuito auto-oscilante tipo push-pull, mas existe o problema dos transistores verem o dobro da tensão de entrada no coletor na fase off. Além disso o monte de tomadas e enrolamentos orientados necessários para fazer a coisa funcionar tornam o projeto muito complexo.

Ontem, depois de rodar várias simulações no LTSpice, fui dormir convensido que o oscilador da lâmpada era um caminho sem frutos. Hoje de manhã me ocorreu uma solução que pode funcionar. Mas ainda há o problema da limitação de corrente que precisa haver para não fritar tudo numa sobrecarga.

Para termos uma fonte chaveada HandMade, estou tentando seguir os seguintes parâmetros:

1- Tem que ir direto na tomada.
2- O circuito deve ser simples. Uma HandMade iniciante tem que conseguir fazer a plaquinha e montar um exemplar.
3- Usar apenas componentes comuns que alguém morando no interior do Acre possa conseguir.
4- O transformador precisa ser simples, sem tomadas depois de X voltas, para que qualquer um possa enrolar em casa.
5- Embora nosso objetivo seja livrar os valvulados do transformador de força, a topologia deve ser aplicável a qualquer tamanho de fonte e qualquer tensão de saída. Se alguém pode fazer uma fonte de 12V para um pedal usando a sucata de uma lâmpada, porque gastar com um transformador de ferro?

Não sei ainda se será possível atender todos os itens que estipulei, mas julgo ser este o caminho. Se alguém puder pegar uma fonte chaveada de PC e com as partes dela, sem muita dificuldade ou complicação, fazer para si uma fonte de pelo menos 25W, me darei por satisfeito.

Abraços

Eduardo

[Ledod]

 Foi muito bom seu post Eduardo, listar as diretrizes do projeto já começa a deixar o negócio mais profissional, não dando tiros para todos os lados, podemos focar no que é realmente importante para chegarmos no resultado.
 
 No fundo é isso mesmo que disse, a fonte de pc tem muitas e muitas variações não existe uma "receita de bolo" para isso, depende da análise de cada circuito, e para um handmade que quer apenas montar complica muito mexer nessas coisas, ainda mais com a questão da segurança envolvida. Em três das fontes que tinha em casa todos os transformadores tinham enrolamentos ou geometrias diferentes (apesar de existir um padrão entre eles), assim alguém que quisesse montar teria que redesenhar todo o projeto de acordo com a fonte que conseguiu, o que é inviável...

 O circuito para alta tensão está pronto (este fim de semana vou fazer uma plaquinha e soldar os componentes e testar, depois posto o layout) só que precisamos de uma fonte de 18v 2A... Isso com certeza é uma complicação, além de que o circuito que propus faz uso de mosfets e do tl494, não tão simples de se conseguir em qualquer lugar (apesar de termos em muitas lojas online esses componentes).


 Estou pensando muito sobre isso tudo, até onde podemos simplificar o projeto sem prejudicar na qualidade e eficiência e robustez?

 Penso que a alimentação dos filamentos pode ser um conversor mais simples, já que a carga é constante depois de estarem aquecidos. Já para a fonte de alta creio que o sistema deva ter um controle, seja por pwm ou por variação da frequência, se não a fonte pode ter uma variação de tensão muito grande com a carga...

[kem]

... Para termos uma fonte chaveada HandMade, estou tentando seguir os seguintes parâmetros:

3- Usar apenas componentes comuns que alguém morando no interior do Acre possa conseguir.
4- O transformador precisa ser simples, sem tomadas depois de X voltas, para que qualquer um possa enrolar em casa.

Eduardo... acho que esses 2 parametros podem ser "afrouxados". Quem se propor a enrolar um transformador não vai ter dificuldade de tirar uma ou 2 tomadas de um enrolamento. Claro, não da pra ser umas 10 tomadas, mas um ou duas o pessoal aguenta...
Quanto as peças, temos inumeras lojas virtuais (entre elas a Altana) que entregam onde os correios chegam, ou seja, em todo o Brasil.
De resto achei que suas diretrizes levam ao caminho ideial.
De resto, só posso deixar um desejo de boa sorte pra vocês, ja que não tenho conhecimento suficiente pra acompanhar esse projeto.