Convierta una fuente de computadora ATX en una fuente variable 0-30V 0-15A

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Una herramienta esencial en un laboratorio de electrónica o taller es una fuente variable, esta debe ser capaz de regular corriente y voltaje en un rango amplio de valores. Hoy día las fuentes regulables lineales están obsoletas debido a su baja eficiencia y su alta disipación de calor, además de su gran tamaño y peso. Las fuentes conmutadas de hoy son de pequeños tamaños y pueden llegar a entregar grandes rangos de voltajes y corrientes.

En este tutorial les mostraremos como convertir una vieja fuente ATX de PC, en una fuente regulable switching. Y como extra también, utilizando un microcontrolador para el ajuste de alta precisión y la medición exacta de los parámetros de la fuente. En la internet hay montones de proyectos similares a este, pero la mayoría no modifican la fuente de PC en su lugar usan convertidores de voltaje DC-DC para subir o bajar el voltaje que da la fuente. Además, usando módulos ya fabricados que solo tenemos que comprar y no aportan mucho al espíritu de crear algo de cero. Con este tutorial queremos que usted construya la fuente variable sin comprar módulos ya fabricados, y que use sus conocimientos de electrónica para hacerlo. Además, que el costo será el mínimo solo la placa de control es la más compleja en materiales. Que queremos lograr:

Caracteristicas

• Un rango completo de 0-30V 0-15A controlados con una alta precisión en todo el rango de valores.
• Protección contra corto-circuitos adcional en la placa control.
• Mínimas modificaciones a hacer a la fuente ATX.
• Interface limpia y clara.
• Todas las modificaciones caben dentro de la fuente.

Componentes Principales

Placa control

MCU: Bluepill (STM32F103C8T6)

Display: Oled 128×64 o LCD 16×2

Encoder rotativo con botón central (pushbutton)

LM324 o TL084

BD138 y BD139 o equivalentes

TL431 (zener de precisión ajustable)

Regulador 5V (7805)

Otros componentes pasivos como, resistencias, capacitores, LEDs, conectores y un pequeño switch, etc.

Nota: El listado detallado de componentes se dará al final del tutorial con el diseño de la placa.

Softwares utilizados

• STM32CubeIDE
• Kicad

Consideraciones a tener en cuenta

• El PCB está diseñado para fabricarlo en nuestras casas NO está optimizado para fabricarlo en empresas como JLCPCB u otras.
• El PCB está concebido simple cara y con componentes (THT) en su mayoría, fáciles de encontrar en viejos circuitos.
• La fuente a utilizar TIENE que tener el integrado TL494 o equivalente.

Bueno comenzaremos el tutorial explicando todo el proceso de modificación a la fuente de PC. Lo primero será encontrar una fuente que cumpla con nuestros requerimientos. Seleccione esta fuente de 600W porque en el rail de 12v da una salida de 24A para una potencia de 288W. Además de poseer el IC AZ7500B que es un equivalente del TL494.

Primero que todo debemos probar que nuestra fuente funciona. Esto es fundamental y nos ahorrara muchos problemas. Solo debemos localizar el pin PS-ON y puentearlo con cualquier pin de GND( Ground). Nuestra fuente debe prender, veremos el FAN (ventilador) activarse y mediremos los voltajes en los conectores para cerciorarnos que todo está bien.

Luego de probar el funcionamiento de la fuente, procederemos a abrirla para quedarnos solamente con la placa y trabajar más cómodamente.

NOTA: Recordar que las fuentes de PC son conmutadas por lo que su circuito primario trabaja con voltajes altos y sus capacitores se quedan cargados por un tiempo. Por lo que debemos de tener cuidado al manipularlas.

Aunque no es objetivo de este tutorial vamos a dar una explicación muy breve de cómo funciona una fuente conmutada (SMPS). Las fuentes conmutadas como ya dijimos al inicio están sustituyendo a las fuentes lineales debido a sus ventajas:

• Peso
• Tamaño
• Eficiencia

En las fuentes lineales se usa un transformador(peso y tamaño) para reducir la tensión de entrada y se rectifica con un puente de diodo. Luego se filtra con condensadores para luego pasar a un circuito regulador que nos dará la tensión de salida final. Pero sufre perdidas de energía en el transformador y luego en el regulador (eficiencia).

Ahora en una fuente conmutada esos problemas desaparecen, el transformador ya no trabaja a la frecuencia de la red sino a frecuencias altas superiores a los 20 khz con forma de onda cuadrada. Esto permite reducir mucho su tamaño y peso, su núcleo ya no será de hierro sino de ferrita. Esta frecuencia es generada por transistores que trabajan en conmutación disminuyendo así la potencia a disipar y aumentando su eficiencia por encima de la fuente lineal. La fuente consta de los siguientes bloques:

1-Protección y filtro EMC: Bloque encargado de evitar daños a la red y a otros equipos conectados a esta. Sera la encargada de absorber sobretensiones tanto permanentes como puntuales. Y con su filtro EMC hacer inmune a nuestra fuente ante ruidos electromagnéticos y no emitir ruido a la red eléctrica, aislando totalmente nuestra fuente.

2-Puente rectificador (primario): Encargado de convertir la corriente alterna en corriente continua variable. Con un valor de voltaje de la red (rms) multiplicado por raíz de 2 menos la caída en los diodos del puente rectificador.

3- Corrector factor de potencia: El desfase entre tensión e intensidad disminuye la potencia real, y que el conjunto de diodos + condensador distorsiona la corriente. Denominamos factor de potencia a la relación entre la potencia activa (potencia real aprovechada por los equipos conectados), y la potencia aparente (potencia consumida de la red eléctrica). De la propia definición podrás deducir que si las dos potencias (activa y aparente) no son iguales, estamos aprovechando solo una parte de la potencia consumida. El objetivo en cualquier circuito eléctrico es que la potencia activa y la aparente sean iguales, por lo tanto, su relación será igual a 1. En el caso de las fuentes conmutadas, no resulta tan sencillo, porque el problema no es solamente el desfase, también hay que corregir la distorsión. Para ello necesitamos un corrector del factor de potencia activo.

4- Filtro primario: Amortigua la tension entregada por el rectificador para convertirla en corriente continua con una menor variación o rizado.

5- Interruptor de alta frecuencia: Se convierte la tensión continua en tensión alterna en forma de onda cuadrada de alta frecuencia. Gracias a transistores trabajando en conmutación (en corte y saturación). Esto se logra debido al control de un IC usando PWM consiguiendo así la tensión de salida estable.

6- Controlador: Genera la señal PWM en función de la tensión de salida. Si la tensión de salida disminuye entonces el IC hace que la señal PWM generada en el bloque de conmutación aumente el tiempo de paso de energía en esos transistores para que la tensión de salida no disminuya.

7- Transformador(pulsos): Adecua la tensión alterna generada por el bloque de alta frecuencia en una tensión alterna adecuada para conseguir la tensión continua requerida en la salida.

8- Rectificador(secundario): Convierte la señal alterna de la salida del transformador de pulsos en una tensión continua utilizando un rectificador de media onda (diodo Schottky)

9- Filtro de salida: Disminuye el rizado de la tensión de salida.

10- Optoaclopador: Bloque de aislamiento entre el lado de alta tensión(primario) y el de baja tensión (secundario). Fácilmente detectable por el primario y secundario del transformador de pulsos. Sirviendo de retroalimentación al tomar una muestra del voltaje de salida para mediante esta el IC del bloque controlador gobierne la señal PWM y controle el bloque interruptor de alta frecuencia.

Con esta explicación de cómo trabaja una fuente conmutada tendremos una mejor visión de las piezas que debemos retirar en nuestra fuente ya que la misma está diseñada para dar voltajes fijos.

Para esta primera parte del tutorial nos basamos en el artículo de CUBAELECTRONICA del Ing. Yamir Hidalgo Peña. Que pueden consultarlo y cuenta con 2 videos del proceso.

Procederemos a retirar todos los componentes de nuestro bloque de filtro secundario. Es decir, eliminar todos los componentes que estén en la salida de los 3,3V, 5V, -12V y +12V. Usualmente son capacitores y bobinas utilizadas para filtrar las salidas.

En la figura se aprecia una salida típica de fuente por la cual pueden llevarse una idea de lo que hay q retirar. Yo les iré mostrando con fotos reales lo más exactamente posible que debemos retirar.

NOTA: No todas las fuentes son iguales pero su principio de funcionamiento sí. Por lo que guiándose por mis fotos y con un conocimiento previo de los bloques les resultara más fácil.

En esta primera foto le muestro la salida (bloque de filtrado secundario) luego de retirar el mazo de cables de salida de la fuente y componentes de filtrado. Los componentes que marco con un punto verde fueron retirados de la placa:

• Condensadores
• Resistencias
• Bobinas

NOTA: Al sacar el inductor toroidal de la fuente L1 fijarse que enrollado pertenece a los 12V. Los demás si quieren cortan sus puntas.

También les muestro que es muy fácil identificar los voltajes de salida del transformador de pulso guiándonos (línea roja discontinua) por las salidas (cuadrados verdes). A groso modo esta es la parte más fácil.

NOTA: Debemos retirar la conexión de nuestro FAN también que se alimenta de los 12V de salida

Ahora debemos identificar todos aquellos componentes que constituyen un retroalimentación para que el IC de control regule nuestra salida. En la foto se retiraron los componentes marcados con una X .

Deben fijarse por debajo de la placa que cada una de estas piezas sale de un rail de salida ya sea de 3.3v, 5V, 12V o -12V y van a parar a un circuito relacionado con la parte de control de la fuente.

NOTA: También pueden retirar algún que otro puente(jumper) que constituya una retroalimentación

Ahora debemos localizar nuestro IC de control el cual debe ser una TL494 o equivalente. En nuestro caso es una AZ7500B cuyos pines y función son el mismo del IC TL494. Una vez localizada identificamos el pin de VCC(pin 12) y retiramos los componentes que van al rail de 12V de salida. Estos componentes que por lo general son una resistencia y un diodo alimentan a nuestro IC. Pero como ahora la salida ya no será 12V fijos, sino que variara hasta 30 V es OBLIGATORIO retirarlos porque podemos romper nuestro IC. No se preocupen por la alimentación del IC porque este se alimenta también de los 12v del circuito de standby. En la foto se aprecia el recorrido de las venas y las piezas que van hasta nuestra salida de 12V.

Una vez retirado nuestra placa luciría así

Se puede apreciar el área de salida limpia, la resistencia y el diodo que van al VCC del IC ya retirados. Además de una bobina(L3) del rail de 3.3v que no usaremos que también retire. Una vez aislado el +12V stand-by de la fuente auxiliar de la salida de la fuente (potencia) estamos listos para continuar.

NOTA: También retiramos el disipador con las 3 duplas de diodos, porque solo necesitaremos una salida.

Continuamos retirando componentes de retroalimentación esta vez encontramos una red que va al pin 1 del IC(entrada positiva del comparador).

Encontramos un diodo Zener y una resistencia los cuales retiraremos.

Ya finalizamos la limpieza de nuestra salida vamos a centrarnos en nuestro IC de control el cual debemos acondicionar para lograr variar el voltaje de salida. Localizamos nuestro IC AZ7500B (TL494) y levantamos los pines 1, 2,15 y 16 que son los dos comparadores utilizados para el control del voltaje y la corriente.

Extraje el chip de la placa para levantar más fácilmente los pines y no tener que picarlos. Soldamos de nuevo el IC en su lugar y procederemos a conformar el siguiente circuito soldando las piezas sobre el chip (en araña).

Vamos a conformar nuestro circuito de salida y las retroalimentaciones desde la salida al IC control. Como recomendación ya que haremos un circuito nuevo sobre una placa que ya esta diseñada para otro circuito, deberíamos limpiar por debajo las venas que no se utilizan. Se que muchos dirán que se puede reutilizar, pero si lo hacen deben tener muchísimo cuidado y fijarse bien que las islas de venas que usen no tengan conexión con otras piezas.

Es ya una decisión de ustedes si limpian el área o no. Aquí les dejo el circuito completo que deben hacer.

RECOMENDACIONES:

• Cambiar el doble diodo de los +12V y poner en su lugar el que está en los +5V. Este esta fabricado para manejar más corriente ya que esta es la salida que más potencia maneja. Es decir que de las 3 duplas de diodos que tenemos en nuestro disipador que retiramos, usaremos la que corresponde a los 5V y la pondremos en el centro donde está la salida de 12 V.
• Para L1 usaremos la misma inductancia toroidal(L1) . De sus enrollados solo nos quedaremos con el que pertenecía a los 12V.
• El capacitor de salida C1 sera de 2200 uf a 50V (ya que la fuente llegara hasta 30V)
• Se pondra una resistencia de carga R1(1.5 K 2W) para la descarga de C1
• Para L2 usar una inductancia con nucleo de ferrita que está en la salida de la fuente. (sino lo tiene su fuente otras si)
• La Rshunt la podemos construir usando 4 resistencias de 0.2 Ohm a 3W o 5 resistencias de 0.1 Ohm a 2 W

NOTA: Si solo quieren comprobar que la fuente regula bien voltaje (eliminar la parte de sensado de corriente) pueden hacer el siguiente esquema:

Ahora procedemos a testear nuestra fuente para comprobar si todo nos quedó bien y está regulando. Para hacer todas las pruebas retiraremos el capacitor no polarizado que está en serie con el primario del transformador de potencia.

Al retirar este capacitor nuestra fuente solo dara los voltajes de standby 5V y 12V. Si conectamos la fuente a la corriente y medimos entre el pin 12 del AZ7500B (TL494) y GND del secundario debemos tener aproximadamente 12V y solo se alimentarán de estos el IC de control AZ7500B (TL494) y el LM339(comparador) de la fuente.

NOTA: No se asusten si cuando miden tienen 13V está en el rango de la alimentación al IC.

Los potenciómetros deben estar al mínimo recorrido para evitar picos en el momento de arranque. Por lo que el pin 2 y el pin 15 estaran a GND.

Otras mediciones que podemos hacer son:

• Pin 14 – 4.86v (5V)
• Pin 2 – 0V
• Pin 15 – 4.86 (5V)
• Pin 16 – Casi 0 V (una resistencia a GND)
• Salidad de la fuente en 0V ya que no está funcionando

NOTA: Si a la salida de la fuente tiene algún voltaje es que no ha retirado bien los componentes o le queda algún puente (jumper) puesto en la salida. Debe revisar bien.

Ahora si haremos la prueba final una vez cerciorados de que nuestro IC de control esta alimentado y en la salida no se aprecia ningún voltaje.

NOTA: Recordar que no puede estar conectado ningún FAN en la antigua salida de los 12V

Conectamos el capacitor del primario antes retirado y alimentamos la fuente, es conveniente alimentar la fuente a través de un bombillo de incandescente para evitar dañar los transistores de potencia. Recuerden que para que arranque la fuente debemos conectar la señal de PSON a GND, por lo que en un futuro este sera nuestro interruptor de encendido de la fuente. Procedemos a puntear PSON(buscarlo en la placa) a tierra. Ahora sí, nuestro transformador de salida estará alimentado y dando un voltaje de salida que regularemos con el potenciómetro RV2.

Medimos a la salida y debemos ver como varia el voltaje de salida desde 0V a casi 30V. Lo mismo con el potenciómetro de corriente.

NOTA: Si desea también puede usar los 5V de standby como salida pero recuerde mirar la etiqueta de la fuente para ver el máximo de corriente de salida que brinda.

Hasta aquí se puede usar la fuente puesto que, ya funciona como una fuente regulable de voltaje y corriente. Sino dispones de un microcontrolador puedes usar este diseño lo que no tendrás un ajuste preciso y tendrás que usar un voltímetro y un amperímetro para conocer los niveles que está entregando la fuente en ese momento.

Ya la parte difícil paso ahora vamos a la parte bonita del tutorial y es controlar nuestra fuente con un microcontrolador para monitorear y regular nuestra fuente con niveles de precisión iguales a los de una fuente profesional. Para este proyecto nos decantamos por el uso del Bluepill(STM32) y no de un arduino convencional. Por qué?:

• Menor precio
• Mejor CPU
• Mayor Flash
• ADC de 12 bits de resolucion

Necesitamos la mayor resolución posible para sensar nuestro voltaje y Bluepill supera en ese apartado a los Arduinos.

Como se aprecia en la figura nuestra placa(PCB) control consta de 3 bloques:

Acondicionador: Circuito para acondicionar todas las señales que nuestro MCU recibe, se usan AOP para desacoplar los pines analógicos del MCU con las señales de la fuente.

Fuente: Circuito encargado de la alimentación de los IC de la placa. el AOP con +-12V y el MCU con 5V que luego los rebaja a 3V.

MCU: Donde se encuentra nuestro Bluepill y las conexiones al display que usaremos.

En la placa de la pantalla(display), les damos 2 opciones. Una usando un display Oled de 18×64 o un display LCD de 16×2.

NOTA: El codigo que les proporcionaremos solamente comprende por ahora el display OLED en futuras versiones se le incorporara el LCD.

También destacar que para el ajuste de los niveles de voltaje y corriente que deseamos se usara un encoder rotativo con botón central. En caso de no poseer uno la placa está diseñada para el uso de 3 botones que cumplen la misma función.

NOTA: El código que les proporcionaremos solamente comprende el uso del encoder en futuras versiones se le incorporara los botones como alternativa.

La conexión de nuestro control con la fuente quedaría de la siguiente manera:

NOTA: Para la alimentación de nuestro AOP necesitaremos un voltaje dual de +12V y -12V. Para lograr el voltaje negativo haremos el siguiente esquema:

Del transformador de standby de la fuente que como salida da 5V y 12V tomaremos los 12V DC de salida y el voltaje AC que esta antes del diodo para conformar nuestra fuente dual que entrara por el conector J14

Cuando tengan la placa control ya montada e instalada en la fuente procedan a probarlo todo. Conectar la fuente, pero no encenderla (dejarla en stand-by) debemos ver ahora en la pantalla que todo enciende ok y con la ayuda del multímetro medir en el pin 2 y en el pin 15 que si regulamos voltaje y corriente aumente y varíen estos pines respectivamente. Si todo funciona hasta aquí ya puedes encender la fuente.

NOTA: Recuerden usa la señal PSON de la fuente con un interruptor para encender su fuente.

Finalmente, les daré el código creado por Andy Abreu Reyes (AKA @AAR96) el cual pueden encontrar en su github.

Tambien les dejo los diseños de PCB creados por mi para colaborar con este magnífico proyecto de Andy.

NOTA: El listado de materiales detallado(BOM) de la placa control está en los diseños del PCB que subí. Nótese que en el diseño se da la posibilidad de poner la 7805 tanto en version smd como tht, en dependencia de la que posean. Les recuerdo que la LCD y los botones son opcionales hasta que esten en el código.

Espero que este proyecto les sirva a muchos en su trabajo diario si les gusto dejen sus comentarios, también dudas y sugerencias. Este proyecto aún está empezando, pero es totalmente funcional. Este tutorial se ira actualizando a medida que Andy el creador del código y diseño del circuito control haga cambios y mejoras. Pueden colaborar con su git el que desee y como reto que alguien se de a la tarea de hacer la versión en Arduino, aunque tenga que disminuir la salida de la fuente para lograr ajustes más fieles.

UPDATE: Debido al poco tiempo que tengo, a la imposibilidad de conseguir piezas y ademas que no poseia un programador de bluepill me tomo meses en implementar este proyecto. Felizmente ya casi esta terminado les dejo algunas imagenes de como esta quedando.

Placa control (Mainboard)

Nota: Como se aprecia en las fotos el area y los componentes del LCD y los botones no fueron usados.

Cuando termine de integrarlo todo a la fuente y hacer una caja decente para al proyecto lo subo aqui. Ademas de un analisis de como funciona.