Modificar voltaje de salida de fuentes conmutadas que tengan diodo Zener como control de tensión.

Aprendamos la forma de modificar el voltaje de salida en una fuente conmutada que incorpore un diodo zener y un optoacoplador como control de Tensión.

En este segundo artículo, vamos a explicar como cambiar el voltaje en fuentes conmutadas si esta lleva  un arreglo de control de tensión distino al mencionado en el articulo pasado. Pues en lugar de un IC TL431, se encuentra un diodo zener que realiza la función de  ajustar el voltaje de salida.

GUÍA PARA MODIFICAR EL VOLTAJE EN FUENTES CONMUTADAS QUE CONTROLEN SU VOLTAJE DE SALIDA CON UNDIODO ZENER.

En el articulo anterior, explicamos a detalle la forma de modificar el valor de voltaje de salida, cuando una fuente conmutada tiene como control de ajuste de voltaje un circuito basado en el componente TL431 y un opto acoplador. Puedes encontrar el enlace al final de este texto. En este segundo articulo relacionado al tema, explicaré la forma de cambiar el voltaje de salida de fuentes conmutadas que en lugar de usar un TL431, tienen un diodo Zener asociado a un optoacoplador. 

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Entremos en materia:

PASO 1: IDENTIFICAR EL CIRCUITO DE CONTROL DE TENSIÓN CON ZENER, EN UNA FUENTE CONMUTADA.

Las fuentes que utilizan un circuito de control de voltaje donde un diodo Zener en conjunto con un opto acoplador, se encargan de censar y regular el voltaje de salida, no son tan comunes como las que usan un circuito con TL431 para el mismo fin. Pese a que es un arreglo mucho mas simple y económico que usa menos componentes, tiene la desventaja de ser menos estables; un diodo Zener  tiene márgenes altos de tolerancias de error y es más susceptible al cambio de temperatura que alteran su valor. Además de estar limitado a los valores comerciales fijos que ofrecen los fabricantes de dicho diodo.

Fuente conmutada (pulsante o swiching) con diodo zener y un opto acoplador como control de voltaje. 

Este tipo de arreglos, son casi idénticos a los que usan el IC TL431 con forma de transistor, como se ve en la imagen de arriba, lleva un diodo zener conectado directamente con el optoacoplador que envia la señal a la parte Caliente de la fuente conmutada (Zona HOT).  Cargadores económicos de celulares, fuentes de impresoras pequeñas, fuentes de bocinas de audio portátiles y otros equipos de gama media que no sean muy exigentes respecto a precisión de voltaje. 

 

Ejemplo de fuente conmutada de impresora con control de voltaje basado en diodo zener y optoacoplador.

Este tipo de fuentes de conmutación no son menos eficientes. Pues aun resultan por mucho más factibles, económicas y estables, que cualquier fuente típica basada en el pesado y grande trasformador reductor.

A continuación, mostramos el diagrama básico que corresponde a este arreglo Zener- optoacoplador:

 

El diodo Zener se encuentra conectado en serie al led interno del optoacoplador.

Como pueden ver, es un arreglo muy simple que solo consta de una o dos resistencias conectadas con  el diodo Zener y el opto acoplador.

 

Y a estas alturas, es mas que obvio para muchos de ustedes, queridos lectores,  pensar que solo cambiando el diodo Zener por otro de valor distinto, obtendremos una modificación en el voltaje de salida de la fuente similar al valor del diodo que colocamos... 

 

¡Pues no es tan así!

 

Es verdad que cambiando el valor del diodo Zener que está asociado con el opto acoplador, también cambiaremos el voltaje de salida en cualquier fuente conmutada que lleve este arreglo.  Pero esto no es garantía que ese voltaje de salida, sea del mismo al valor del diodo Zener que coloquemos.

 

Y aunque en algunos casos, sobre todo en fuentes de menores a 12 volts, el valor del diodo Zener si corresponde al mismo valor de voltaje de salida. En muchísimas otras fuentes que usan diodos Zener, el valor del diodo no está relacionado directamente al valor del voltaje de salida.

 

Es decir: Si encontramos que el voltaje de salida de una fuente es de 24 volts que lleve este arreglo “Zener-opto”, muy seguramente el diodo Zener NO es de ese 24 volts.  Y al reemplazando por uno de 12 volts (por ejemplo), NO obtendremos un voltaje de salida de 12 volts.

 

La verdadera molestia de todo esto, es que al intentar modificar este tipo de fuentes para cambiar su voltaje, muchas veces hay que hacer arreglos con varios diodos Zener para obtener el voltaje que deseamos, y es difícil conseguir valores específicos en este componente para lograr esto, o analizar cada circuito para descubrir que otro componente hay que modificar.

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PASO 2: SELECCIONAR 1 DE 2 FORMAS DE MODIFICAR LA FUENTE CONMUTADA CON ZENER.

Si. Existen dos opciones:

 

La primera opción: Quitar, poner y combinar Diodos Zener hasta encontrar el voltaje de salida deseado.

Es, como mencioné, es  estar experimentando con diferentes valores de diodos Zener y quizá reemplazar el valor de alguna resistencia, hasta lograr un voltaje aproximado al que necesitemos. pero este proceso podría dañar el opto acoplador. Aun así, es una opción valida y funcional... con sus riesgos pero practica.

 

La segunda opción: Adaptación de un circuito de control a la fuente.

Desactivar y remplazar completamente el circuito de control basado en diodo Zener y adaptar un circuito completo de control de tensión con un  TL431, que sustituya al origina, garantiza que la fuente entregue el voltaje que nosotros deseamos.

Esta opción es la mas efectiva y eficiente para obtener a un voltaje exacto en una la fuente conmutada que use diodos Zener. Y es la que voy a enseñar como se realiza.

En la imagen siguiente pueden ver una fuente conmutada con este arreglo con las conexiones de la modificación haca un prototipo en diseño del circuito que reemplaza al diodo Zener. No es difícil, se los aseguro.

Modificación en fuente conmutada con diodo Zener, reemplazándolo con circuito basado en TL431.

PASO 3: DISEÑAR Y ARMAR UN CIRCUITO DE REEMPLAZO CON TL431 PARA LA FUENTE CON ZENER.

A continuación, les comparto un circuito “universal” que se puede acoplar a cualquier fuente conmutada que use un diodo Zener u otro sistema de regulación de voltaje sin TL431. El único requisito que debe tener la fuente a modificar, es que tenga un optoacoplador que enlace la zona fría de la fuente (Cool), con la zona caliente (Hot). Esto quiere decir, que este simple circuito se puede adaptar de manera muy fácil, a la gran mayoría de fuentes conmutadas que existen actualmente, pues casi todas, usan opto acopladores.

 

Este es diagrama del circuito que tienen que armar para la modificación:

Diagrama del circuito de reemplazo con TL431 para fuentes conmutadas con Diodo Zener.

 

En el circuito mostrado arriba, la gran mayoría de los valores son fijos. Solo tenemos que obtener el valor de una resistencia que es fundamental, pues es la que define el de voltaje de salida. Y para calcular el valor en ella, usaremos una fórmula muy pequeñita… ¡Y eso es todo!

 

La formula es la siguiente: 

R1 = R2 x (V salida / 2.5 - 1)

No entren en pánico. la mayoría de los valores dentro de la formula, ya son fijos, solo: "V salida" (el cual tu defines) es la única variante. verás lo simple que es usarla mas adelante. Mientras hablemos sobre el...

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PASO 4: ADAPTAR EL CIRCUITO DISEÑADO CON TL431 A LA FUENTE CONMUTADA.

CONDICIONES QUE SIEMPRE DEBES RESPETAR EN TODAS LAS MODIFICACIONES:

4.1.-  Solo puedes aumentar el voltaje la fuente, hasta un 30% - 35% máximo.

Ejemplo: si la fuente originalmente entrega 19 volts. solo podrá incrementar el voltaje de salida, hasta  unos 25 volts.  No intentes obtener mas voltaje, pues aunque las fuentes pueden proporcionar mas, se vuelven inestables o trabaja en una zona de estrés mas intensa y podría dañarse  corto plazo.

4.2.- En la mayoría de los casos solo puedes disminuir el voltaje de la fuente hasta un 35% del original. por ejemplo: Si la fuente que piensas modificar entrega 12 Vca, podrás reducirlo hasta 7.8Vcd. PERO: En algunos casos de fuentes conmutadas del tipo  resonantes y cuasi resonantes puede reducir el voltaje hasta un 10% del valor original o menos. hablo de algunas fuentes de impresora de tinta, algunos eliminadores para computadora, fuentes de equipos de sonido o fuentes conmutadas de buena calidad y potencia media (3 Amperes o mas), entre otras. Pero para la media de fuentes no resonantes: Si intentas reducir el voltaje mas allá del 35%  del valor de fabrica, comenzaran a proporcionar valores inestables. 

Sobre los componentes como diodos o condensadores de salida, cuando se disminuye el voltaje de la fuente, no se tienen que realizar ningún cambio o modificación adiciona.

 Nota: Para saber si una fuente trabaja de forma resonante o cuasi resonante se debe consultar la hoja de datos (datasheet) del IC que genera el pulso (SMPS, PWM, SPSC) que excita al o los mosfets de potencia en la parte HOT. 

En el caso de la fuente que usamos como ejemplo en este articulo, si es posible reducir el voltaje hasta unos 4.5 Vcd pues usa un IC con matricula: FA5540A, cuasi resonante de 60kHz. La fuente fue obtenida de una impresora de tinta marca Eps0n TX320F. El modelo de la fuente es: EPS-119 que entrega a su salida una tensión de 42 Vca a 3.5 Amperes. El modelo de fuente EPS-117 que viene en impresoras de la misma marca pero en otros modelos es idéntico pero de un tamaño mas reducido y también se puede reducir hasta 4.5 Vcd.

4.3.- Si aumentas el voltaje de la fuente: Debes revisar que los condensadores electrolíticos, transistores y diodos rectificadores, asociados a la salida de voltaje (zona fria de la fuente) soporten el nuevo valor deseado. Aumentar el voltaje a más de lo que soportan estos componentes, causará daños en ellos, incluso podría hacer que exploten los condensadores electrolíticos. Así que no pase por alto esta primicia importantísima y remplaza estos componentes si es necesario, y acorde al nuevo voltaje deseado.

Por ejemplo: Si piensas aumentar el voltaje de la fuente de 12 a 16 volts, debe verificar que los condensadores y diodos que lleve a la fuente, soporten como mínimo un 30% más del valor de voltaje aumentado: 21 volts, o 25 volts por su valor comercial estándar. ¡No menos!

Una vez que conoces estos importantes puntos, vamos a describir los 5 puntos a seguir para el ajuste de tensión y la adaptación del circuito  de control de tensión que armaremos y que reemplaza al original con Zener.

1.- ESCOGER EL VALOR DE VOLTAJE DE SALIDA.

Es necesario saber que voltaje deseas obtener para calcular el valor de R1, usando una formula que mencionaré mas adelante. R1 forma parte de un divisor de tención de  que define el voltaje limite en el IC TL431. Y debemos calcular su valor en ohms.

 

2.- CALCULAR EL VALOR DE LA RESISTENCIA QUE DEFINE EL VOLTAJE DE SALIDA NUEVO. 

Como mencioné, usaremos una formula muy simple donde solo necesitamos saber el voltaje que deseamos obtener, aparte de otros valores que siempre son fijos. Así que debería ser fácil.

Por ejemplo: Si deseas obtener un voltaje de 12 volts, de una fuente conmutada que entrega  24 volts, debes aplicar dicha formula de la siguiente forma:

R1 = R2 x (V salida deseado / 2.5 - 1)  

Algo importante: 

R2, que también forma parte del circuito divisor de tensión, no debe cambiar su valor nunca. Recomiendo que sea siempre de 1.8k ohms. (1800 ohms) mas adelante explico el por qué.

Entonces:

R1 = 1800 x (12 /2.5 -1)  --->

R1 = 1800 x (4.8 - 1)  ---->

R1 =1800 x 3.8  ---->

R1 = 6840 Ohms. o 6.8K ohms. 

¿Notaste que en la formula no se requiere el valor original que entrega la fuente?: 24 volts. Realmente no nos debe importar el voltaje de salida de la fuente en todos los casos. y no se usa en ninguno de los cálculos. Pero recuerda que cuando queramos obtener mas voltaje que el original NO debemos pasarnos del 30% de este valor que tenia de fabrica.

Se que usar esta formula tan simple y pequeñita no es difícil. pero para  todos aquellos que no muy les da por hacer matemáticas, ¡no sufran! les comparto un archivo de excel, donde podrás  jugar, cambiando valores de la resistencia R1, y la hoja calculará automáticamente valor del voltaje que obtendrás. también puedes cambiar el valor de R2 pero de nuevo: recomiendo dejarlo a 1800 ohms (1.8k)

 

Hoja de calculo para obtener el voltaje que necesites cambiando valores para R1.

Puedes descargar la hoja de excel dando clic en el link siguiente:

DESCARGA HOJA DE CALCULO.

3.- CONSEGUIR EL RESTO DE COMPONENTES DEL CIRCUITO QUE ADAPTAREMOS. 

Una vez obtenido el valor de R1 y R2 (1.8k como constante para R2),  usa las siguientes referencias y valores de componentes para armar tu circuito siguiendo el diagrama antes mostrado:

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Para fuentes que originalmente entreguen en su salida entre 5 y hasta 24 volts. Los valores de los componentes son los siguientes:

• R1: valor óhmico Obtenido con la formula. 1/4 watts con 1% de tolerancia
• R2: 1.8 K (1800 ohms) 1/4 watts con 1% de tolerancia
• R3: 1K     (1000 ohms) 1/4 watts con 5% de tolerancia
• R4: 1K     (1000 ohms) 1/4 watts con 5% de tolerancia
• R5: 18 K (18000 ohms) 1/4 watts con 5% de tolerancia
• C1:  Desde 100nf y hasta 470nf  50 volts condensador de poliéster.
• IC1: TL431

A continuación pongo un diagrama de ejemplo con los valores para cambiar el voltaje de 24 volts (original de la fuente) a 18.6 volts.

 

Ejemplo de circuito para modificar una fuente conmutada de 24V a 18.6V.

Para fuentes que originalmente entreguen en su salida entre 26 y hasta 65 volts. Los valores de los componentes son los siguientes:

• R1: Valor óhmico obtenido con la formula. 1/4 watts con 1% de tolerancia
• R2: 1.8 K (1800 ohms) 1/4 watts con 1% de tolerancia
• R3: 1K     (1000 ohms) 1/4 watts con 5% de tolerancia
• R4: 1K     (1000 ohms) 1/4 watts con 5% de tolerancia
• R5: 18 K (18000 ohms) 1/4 watts con 5% de tolerancia
• C1:  Desde 0.47mf y hasta 1mf  a 50 o 65 volts mínimo; condensador electrolítico.
• IC1: TL431

Y por su puesto: a continuación un diagrama de ejemplo con los valores de los componentes para obtener 33 volts:

Ejemplo de circuito para modificar una fuente conmutada de 42V a 33V.

*¿Por qué recomiendo que R2 sea siempre de 1.8 Kilo Ohms? 

Respuesta: Porque este valor, es el mas "cómodo" que encontré, despues de muchas modificaciones en muchos tipos de fuentes, para que R1 pueda tener una amplia variedad de valores comerciales fáciles de conseguir o de obtener, evitando en muchos casos, poner en serie, dos o mas resistencias para lograr el valor correcto de R1. Logrando también una muy buena variedad de voltajes entre los 3 y los 60 volts de salida en las fuentes a modificar.  Claro que se puede usar otro valor para R2. Pero descubrirán que al modificar esta resistencia fuera del rango de los 1800 ohms, en la practica, los resultados de voltaje y valor de R1, serán... pues... mas difíciles de lograr y conseguir. y no quiero que tengan dos, tres o hasta seis resistencias en el arreglo de R1 y/o R2, asi que confíen, y siempre traten de mantener a R2 en 1800 ohms. Solo cuando cuando los valores de R1 sean muy difíciles de conseguir, aun haciendo arreglos de resistencias en serie, es cuando recomiendo modificar  el valor de R2, en múltiplos de 500 o 1000 ohms

Para saber la función mas a detalle de R1 y R2, los invito a leer el articulo pasado. ahí se explica a fondo el funcionamiento de estos componentes y del TL431. Pueden ir a ese articulo dando clic en el link que pongo al final de esta guia.

4.- DESCONECTAR EL CIRCUITO LIMITADOR ORIGINAL CON ZENER EN LA FUENTE.

Toca desconecta las terminales (patitas, pines) del optoacoplador montado en la fuente que se va a modificar, y que corresponden al las terminales del LED interno. Típicamente son las patitas 1 y 2 de este componente. Las puedes identificar porque están del lado frio (cool) de dicha fuente.   Esto lo puedes hacer desoldando los componentes asociados o cortando con una navaja las pistas en esas patitas. La idea es que debes asegurarte que el resto del circuito en la fuente ya no tengan conexión alguna con estas patitas...

 

Desconectar el led interno del opto acoplador del resto del circuito.

5.- CONECTAR EL NUEVO CIRCUITO DE CONTROL DE VOLTAJE CON TL431 A LA FUENTE.

Conecta el circuito de control de voltaje con un TL431 al opto acoplador que desasociamos de la fuente a modificar, de la siguiente forma:

• A.- La terminal denominada "Opto pin 1" de nuestro circuito, va conectada al ánodo (A) del LED dentro del optoacoplador. Típicamente es la patita 1 en la mayoría de estos componentes. Pero mejor asegúrate de esto, consultando la hoja de datos (datasheet) del optoacoplador que tenga tu fuente.

• B.- La terminal denominada "Opto Pin 2" va conectada al cátodo (K) del LED dentro del opto acoplador, típicamente el Pin 2 de este componente. Mismas recomendaciones que en la patita anterior.

• C.- La terminal VCC de nuestro circuito, va conectado al positivo de la fuente a modificar.  justo después o encima de la terminal "Cátodo" del diodo rectificador o en el pin positivo del condensador electrolítico principal de filtrado en la zona fría (cool).

• D.- La terminal GND, va conectada al negativo (también GND) de la fuente a modificar. recomiendo conectarla antes o justo encima de la patita negativa del condensador electrolítico principal de filtrado. 

¡A probar!

A continuación: La imagen de la fuente que estamos modificando con las conexiones ya puestas del circuito con TL431 que sustituye al circuito con Zener.

Fuente conmutada modificada con circuito externo para reducir o aumentar el voltaje. 

Y si de plano no se te hace fácil identificar el cátodo del diodo rectificador o GND del la zona fría. solo conecta estas terminales (VCC y GND) del circuito que armaste, a la salida de voltaje de la fuente, o sobre las patitas del condensador de filtrado principal: Vcc en la patita +, y GND en la patita - .

 

Y así terminamos con la explicación y todos los detalles que debes saber, para poder modificar,  todas las fuentes conmutadas que tenga un opto acoplador como enlace para control de tensión, entre su zona fría y caliente.

 

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¡Pero, Alto!

Como premio por haber leído con tanto interés, voy a compartirte los archivos para que puedan hacer una PBC del circuito de control que explicamos en el articulo. Mide menos de 3 centímetros, pensando en que puedan instalarse dentro de la fuente que modificaras; en algun lugar seguro y bien aislado:

 

PCB del circuito universal para modificar el voltaje de cualquier fuente conmutada con opto acoplador.

Para obtener los archivos, solo denle clic al link siguiente y descarguen el archivo RAR:

PCB Circuito universal para modificar voltaje en fuentes conmutadas.

Para finalizar:

Pondremos algunas imágenes y un video,  donde podrán ver una modificación del voltaje de salida con el circuito que explicamos aquí, a una fuente de impresora de tinta Eps0n cuasi resonante de 65 Khz, que originalmente entrega 42 volts con 3.5 amperes y hasta  máximo 4. Este tipo de fuente puede reducir su voltaje de forma estable y confiable hasta un 10% de su valor original (4.5 Vca mas o menos) y aumentarlo hasta un 35% (57Vcd) vamos a reducir el voltaje de salida de esta fuente; primero a 18.6 volts para alimentar una computadora portátil y después a 33 volts, para probar un LED de iluminación, que consume 1.5 amperes. 

 

Fuente de 42V,  3A. Modificada para una lampara LED de 33V a 1.5A.

Siguiendo el proceso descrito en este articulo, podemos reducir el voltaje de esta fuente de impresora de tinta de 42 volts, para alimentar una computadora portátil que requiere 18.5 volts a 2.5 amperes. la imagen siguiente muestra las modificaciones |explicadas en este articulo y pruebas que se realizaron a esta fuente ya modificada con el circuito de control de voltaje que armamos y que reemplaza al original basado en un diodo zener. 

Fuente conmutada de 42V  modificada para 18.6V,  2.5A alimentando una computadora portátil.

También se realizaron los ajustes en el valor de R1, para que fuente suministrara 33 volts y poder energizar con toda plenitud, una luminaria LED que consume 33 volts a 1.5 amperes (60 watts).

Misma fuente de 42V modificada para 33V, 1.5A para un LED de iluminación de 60W.

Y por ultimo, pongo un tosco video donde se puede apreciar el momento donde se realizaron las pruebas de estabilidad y eficiencia al modificar la fuente de 42 volts, para alimentar una computadora portátil de 18.5 volts.

 

 

Y eso es todo por el momento.  Pronto nos veremos con mas artículos. No olvides compartir esta información a todos los que creas que les interese. 

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