Circuito de alimentación

Como se manifestó anteriormente, se identificó la necesidad de alimentar varios dispositivos dentro del diseño del cargador de baterías, si bien se pudiera utilizar una sola fuente de alimentación para todos los dispositivos, se debe tomar en cuenta que toda la parte de control debe estar aislada eléctricamente de la parte de potencia, debido a que un fallo de esta pudiera destruir toda la parte de control. Otra consideración es que el ventilador es una carga que puede introducir ruido en los circuitos de control, por todas estas razones se decidió desarrollar tres distintas fuentes de alimentación de acuerdo con el siguiente detalle:

3.3.1.1 Fuente para los dispositivos de control

Esta fuente alimentará únicamente al microcontrolador, el módulo de sensor de corriente, y el módulo de comunicación SIM808L y la circuitería discreta, el consumo de corriente para este circuito se calculó de la siguiente manera:

𝐼_{𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝑀𝐴𝑋} = 𝐼_{𝑢𝐶𝑜𝑛𝑡}+ 𝐼_𝑆808+ 𝐼_{𝑆𝑐𝑜𝑟}+ 𝐼_{𝑣𝑎𝑟𝑖𝑜𝑠} (21)

Donde:

𝐼_{𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝑀𝐴𝑋} es la corriente consumida por todo el circuito de control bajo condiciones de máximo

consumo de corriente

𝐼𝑢𝐶𝑜𝑛𝑡 es la corriente consumida por el microcontrolador, de acuerdo con la hoja de

especificaciones y considerando los 14 pines en funcionamiento, el máximo de corriente que puede consumir el Arduino es 0,56 Amperios.

𝐼_𝑆808 es la corriente consumida por el dispositivo de transmisión de datos, de acuerdo con la hoja de especificaciones, la corriente promedio de funcionamiento es de 500 mA.

𝐼_{𝑆𝑐𝑜𝑟} es la corriente consumida por el sensor de corriente, de acuerdo con la hoja de especificaciones, la corriente de funcionamiento es de 13 mA

𝐼_{𝑣𝑎𝑟𝑖𝑜𝑠} es la corriente consumida por las luces LED, y el optoacoplador de la etapa de disparo,

suponiendo el funcionamiento simultaneo de los tres dispositivos, es de 45 mA. Por lo tanto, se tiene:

𝐼_{𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝑀𝐴𝑋}= 1118 [𝑚𝐴]

El voltaje requerido por los dispositivos electrónicos es de 5 Voltios, por lo tanto, la máxima potencia a entregar es:

𝑃_{𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝑀𝐴𝑋}= 1118 [𝑚𝐴] ∗ 5 [𝑉]

𝑃_{𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝑀𝐴𝑋}= 5590 [𝑚𝑊]

De las especificaciones de la fuente LM2596, se conoce que puede entregar hasta 3 Amperios y 15 Watts, por lo que se selecciona la misma para cumplir con los requerimientos calculados.

3.3.1.2 Fuente para los dispositivos de potencia

Esta fuente se encarga de alimentar el disparo de los dispositivos de potencia (MOSFET), se ha considerado colocarla separada de la alimentación de la circuitería de control debido a dos razones fundamentales, la primera es que los MOSFET de potencia requieren 12 Voltios para ser activados, y la segunda es proveer un aislamiento eléctrico entre los dispositivos de control y potencia.

De las hojas de especificaciones del MOSFET de potencia, este se presenta una resistencia a la entrada del Gate entre 0,5 – 2,7 Ohmios, con esta consideración, necesaria para encender un MOSFET se describe con la siguiente ecuación:

𝐼_𝐺= 𝑉𝐺

𝑅_𝐺 [𝑚𝐴] (22)

Por lo que el valor de IG en el caso de conectar directamente la alimentación en la compuerta

puede oscilar entre los 24 y 4,4 Amperios. Evidentemente, se requiere de una limitación de corriente para entregar en la compuerta.

Con este objetivo, se requiere colocar una red en paralelo, un divisor de voltaje para limitar la corriente que ingresará en el terminal Gate. Se plantea un divisor de voltaje con dos resistencias de 10 kOhmios, en este planteamiento, la resistencia del Gate queda en paralelo con una de las resistencias de 10 kOhmios, por lo que la resistencia equivalente de Gate se acota entre:

RGmin = 10000 + (RGmin) = 10000,5 Ohmios

RGmax = 10000 + (RGmax) = 10002,7 Ohmios

RG = 10000 Ohmios

Con este divisor de voltaje, se limita la corriente y el valor que entra en la compuerta es:

𝐼_𝐺= 𝑉𝐺

𝑅_𝐺 [𝑚𝐴] (21)

𝐼_𝐺 = 12

10 000 [𝑚𝐴]

𝐼_𝐺= 1,2 [𝑚𝐴]

Se utilizarán 4 MOSFET de potencia, por lo que el valor de corriente entregado para cada disparo simultáneo de los MOSFET es:

𝐼𝐺𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙= 4 ∗

𝑉_𝐺 𝑅_𝐺 [𝑚𝐴]

𝐼𝐺𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 4,8 [𝑚𝐴]

De esto, la potencia entregada por la fuente de 12 Voltios para el disparo de los MOSFET es:

𝑃_{𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙}= 4,8 [𝑚𝐴] ∗ 12 [𝑉]

𝑃_{𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙}= 48 [𝑚𝑊]

De este cálculo, el segundo regulador LM2596 es suficiente para entregar los 12 Voltios requeridos a la corriente de disparo de los 4 MOSFET de potencia.

3.3.1.3 Fuente para el ventilador

Esta fuente se encarga de alimentar continuamente el ventilador del disipador de calor colocado en los MOSFET de potencia, es importante que este dispositivo se encuentre separado de las otras dos fuentes descritas anteriormente, debido a que puede introducir ruido que provocaría transitorios no deseados tanto en la fuente de alimentación de control de bajo voltaje, como en la fuente de alimentación de disparo de los MOSFET, el motor del ventilador consume 100 mA en régimen normal, por lo que la potencia que tiene que entregar la fuente de alimentación es:

𝑃_{𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒𝑉𝑒𝑛𝑡} = 1200 [𝑚𝑊]

Adicionalmente a las tres fuentes descritas anteriormente, se debe diseñar el circuito de rectificación para alimentar a las tres fuentes, considerando la potencia que cada una consumirá, se tiene:

𝐼𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐼𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙+ 𝐼𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎+ 𝐼𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒𝑉𝑒𝑛𝑡 [𝑚𝐴] (23)

𝐼𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙= 1118 + 4,8 + 100 [𝑚𝐴]

𝐼𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙= 1118 + 4,8 + 100 [𝑚𝐴]

𝐼𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1222,8 [𝑚𝐴]

Es decir, se requiere una señal rectificada de voltaje que pueda proveer al menos 1,2 Amperios para asegurar una correcta operación del circuito cargador de baterías.

Con esta consideración, se dimensiona el secundario del devanado del transformador que se utilizará para alimentar a las 3 fuentes de alimentación, se selecciona un transformador de 120 a 24 Voltios con capacidad de 2 Amperios en el devanado secundario. Se selecciona también un puente de diodos con capacidad de 2 Amperios, y se colocan dos capacitores de 2200 uF entre los extremos del rectificador, con esto se provee un voltaje de acuerdo con la expresión:

𝑉𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛= 𝑉𝑅𝑀𝑆∗ √2 [𝑉] (24)

Donde

𝑉_𝑅𝑀𝑆 Es el voltaje RMS del secundario del transformador

Por lo que el Voltaje de alimentación para los 3 dispositivos integrados LM2596 es:

𝑉_{𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛}= 24 ∗ √2 [𝑉]

𝑉_{𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛}= 33.94 [𝑉]

Y se coloca un fusible para proteger la alimentación total del circuito en caso de alguna falla. Toda esta descripción, se puede apreciar en el siguiente diagrama esquemático ilustrado a continuación en la Figura 2-:

Figura 2-3. Diseño de las fuentes de alimentación

Fuente: (Jiménez B., Rosero E., 2019)