Fonte de 12V regulada construída a partir de uma fonte de PC

Tradução do artigo "Fuente de 12V. regulada construida a partir de una fuente de P.C."

Autor: Jose Antonio Andrades de Cozar

Artigo original: http://picayzumba.com/contentid-68.html

Tradução: Cláudio Roberto Fernandes

A tradução e veiculação deste artigo foram autorizadas pelo autor, a quem agradecemos a oportunidade de compartilhar este ótimo material.

INTRODUÇÃO:

A enorme proliferação de modelos elétricos que vemos na atualidade vem impulsionada pelos grandes avanços no campo dos acumuladores elétricos, que têm permitido relações peso/potência e taxas de carga e descarga impensáveis poucos anos atrás.

Também se popularizaram os carregadores rápidos inteligentes, capazes de carregar uma bateria em menos de uma hora, repondo somente a carga consumida, sem provocar sobrecargas ou superaquecimentos, porém muitos desses carregadores foram projetados para funcionar exclusivamente alimentados pela bateria de um automóvel, assim, se desejamos utiliza-los em casa necessitaremos de uma fonte de alimentação que nos proporcione uma tensão estabilizada e uma alta corrente.

O tipo de fonte que mais se aproxima de nossas necessidades são as que se utilizam para alimentar os transceptores móveis de rádio, que oferecem tensão estabilizada em torno de 13,5 Volts e corrente desde 3 até mais de 50 Ampères, sendo que o inconveniente dessas fontes, além obviamente do tamanho e peso é o preço, que no caso de um modelo que supra nossas necessidades (12 a 15 Ampères) pode superar, em muitos casos, o preço do próprio carregador.

Existem alternativas mais econômicas, e talvez uma das mais utilizadas seja a fonte de alimentação usada nos PCs. Estas fontes são relativamente pequenas e leves, tendo em conta as altas correntes que são capazes de entregar, porém nem sempre dão o resultado que se espera delas: A tensão em aberto pode não alcançar os 12 volts, e baixa quando se drena corrente, o que impede um funcionamento correto se pretendermos carregar baterias Ni-XX de 8 elementos ou LiPo de 3 elementos com carregadores econômicos, que não disponham de elevador de tensão.

Se tivermos um bom carregador capaz de elevar a tensão para carregar mais de 8 elementos Ni-XX ou 3 LiPo seguramente poderemos utilizar a fonte do PC... Sempre que a corrente que necessitamos não faça baixar a tensão além do nível abaixo do qual o carregador decide que não pode garantir um funcionamento correto e interrompe a carga. Isto pode acontecer, dependendo do modelo, em torno dos 10,5 a 11 Volts. Finalmente também pode acontecer que a própria fonte decida que a queda de tensão deve-se a um consumo excessivo, e desligue para evitar danos, e isso pode ocorrer com correntes de 2 ou 3 Ampères, ridículas se as comparamos com os mais de 8 Ampères que – em teoria – poderia ser drenada da linha de 12 Volts de uma velha fonte AT de 200 Watts.

As explicações que se dão para esse fato são as mais variadas, sendo que a mais aceita é que esse tipo de fonte necessita uma certa carga ligada à linha de 5 Volts para entregar toda a corrente na linha de 12 Volts, a qual nos leva à solução típica: desperdiçar energia conectando uma resistência de carga ou uma lâmpada automotiva na linha de 5 Volts, para elevar a linha de 12 Volts em alguns décimos de Volt que permitam um funcionamento mais ou menos correto do carregador. Naturalmente, ainda que isso nos dê uma certa margem de manobra em alguns casos, não é a solução do problema.

O CONCEITO:

As fontes de PC são fabricadas cingindo-se a um critério fundamental: A economia de custos, algo que resulta evidente se pensamos que um produto fabricado na China e que tem de atravessar metade do mundo, passando pelas mãos de um importador, um distribuidor e vários transportadores , vem a custar uns 10 ou 12 Euros na lojinha de informática da esquina.

A tensão mais importante em uma fonte de PC é a de 5 Volts, já que com ela serão alimentados quase todos os circuitos lógicos do computador. Poderíamos pensar que é mais importante a tensão de 3 Volts a partir da qual se alimenta o processador, mas existem reguladores na placa-mãe que estabilizam as tensões de alimentação do processador.

Entre as menos importantes se encontra a linha de 12 Volts, que se usa somente para alimentar ventiladores, motores de HD, Floppy-discs, CD-ROM, DVD, e para comunicações via RS-232.

Os requisitos mais exigentes se conformam com uma tolerância de 15% nas linhas de +3, +12, -5 e –12 Volts. A única tensão estabilizada que encontraremos é a de 5 Volts, e todas as demais são referenciadas a ela, assim, a solução para convertermos nossa fonte de PC em uma fonte de 12 Volts estabilizados é modificar o circuito de realimentação do regulador.

Por sorte a grande maioria das fontes AT e ATX usam como regulador o mesmo CI: o controlador PWM TL494 (http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tl494.pdf) ou seu clone, o CI KA7500 (http://www.fairchildsemi.com/ds/KA%2FKA7500C.pdf), o que nos vai permitir “afinar” quase qualquer fonte seguindo algumas diretrizes simples, independentemente de modelo ou fabricante.

ANTES DE COMEÇAR...

São necessários para este trabalho alguns conhecimentos básicos de eletrônica (identificação de componentes e capacidade de seguir um esquema simples), um pequeno ferramental (soldador tipo lapiseira com ponta fina, de 30 a 40 Watts, sugador de solda, multímetro, alicates, estilete, etc...) e certa habilidade no manejo dessas ferramentas.

Desaconselho totalmente a realização destas modificações a qualquer um que não disponha dos conhecimentos, habilidades e equipamento necessário, já que no interior da fonte vamos encontrar tensões perigosas de 127 (ou 220) Volts alternados e até 310 Volts contínuos, que podem provocar lesões graves e inclusive a morte se não se tomam às precauções apropriadas.

QUALQUER MANIPULAÇÃO DA PLACA DEVE SER FEITA COM A FONTE DESLIGADA E DESCONECTADA DA REDE ELÉTRICA !!!!!

O autor (e também o tradutor) descreve o presente procedimento de modificação somente a título informativo, e isenta-se de qualquer responsabilidade por danos ou mau funcionamentos dele derivados.

Mãos à obra.

Não é necessário comprar uma fonte nova de alta potência para este projeto, qualquer fontezinha de 200 W nos proporcionará mais de 8 A na saída de 12 V, mais que suficientes na maioria dos casos.

De fato, uma arcaica fonte AT que alimentava um computador de mais de dez anos seria ideal para nosso propósito, já que sua placa é muito mais simples e despojada, com menos componentes, dado que possui menos linhas de tensão.

Para ilustrar este processo escolheu-se uma fonte ATX de 300 W para Pentium III, procedente da sucata.

Uma vez escolhida a vítima, devemos localizar o controlador PWM. Como dissemos antes temos de buscar um TL494 ou equivalente (DBL494, IL494, GL494, SL494, KIA494...) ou seu clone, o KA7500. Neste caso, encontramos um TL494. Uma vez localizado, ligaremos a fonte – simplesmente acionando o interruptor se é AT ou unindo o fio verde a um dos pretos se é ATX – e ligando o fio preto do multímetro a um dos fios pretos da fonte, e medindo a tensão presente no pino 1 do controlador. Neste caso, como quase sempre, encontramos 2,5 V (na verdade, 2,46 V, devido às tolerâncias dos componentes).

ATENÇÃO !!! Devemos proceder com extremo cuidado, já que, como foi dito antes, em uma fonte ligada existem tensões muito perigosas. Além disso, se por descuido curto-circuitarmos com a ponta de prova do multímetro os pinos 1 e 2, deixaríamos sem referência o controlador, e isso provocaria flutuações nas tensões de saída que poderiam danificar os capacitores.

Chegando a este ponto é conveniente que entendamos um pouco o funcionamento de um controlador PWM. Como podemos ver no diagrama de blocos presente no datasheet do integrado, os pinos 1 e 2 são as entradas de um comparador. No pino 1 encontramos uma tensão de realimentação tomada da linha de +5V, se bem que em teoria se poderia encontrar qualquer tensão entre 0 e 5 V, na prática e depois de testar várias dezenas de fontes, sempre se encontrou 2,5 ou 5 V.

No pino 2, que é a outra entrada do comparador, encontraremos a tensão de referência, tomada a partir da saída de 5 V presente no pino 14 do controlador, que na prática é a mesma tensão que medimos no pino 1. Na verdade é o próprio comparador que se encarrega de manter iguais essas duas tensões, já que se cai a tensão da linha de 5 V devido a um aumento de consumo, o controlador aumenta o duty-cycle do sinal de comutação para que a tensão suba e se iguale à referência, e vice-versa se a tensão da linha sobe devido a uma diminuição momentânea do consumo. Nisto consiste a regulação de uma fonte chaveada, e nossa missão é conseguir que o sinal de realimentação presente no pino 1 do controlador proceda da linha de +12 V ao invés de da +5 V. A idéia é muito simples: Mediante um divisor resistivo devemos obter um sinal de realimentação para o comparador, e este divisor deve ser tal que, quando a tensão proporcionada pela linha de +12 V seja a que desejamos, a tensão de saída do divisor seja igual à referência presente no pino 2.

Nesta imagem podemos ver duas redes de realimentação compostas por simples divisores de tensão resistivos. A primeira é muito similar à de uma fonte de PC que tenha tensão de referência de 2,5 V, e a segunda é a que deveríamos por em seu lugar. Em teoria, sem mais modificações do que trocar um resistor poderíamos obter 12 V na linha de 5 V, porém na prática isto causaria sérios problemas, assim o que faremos será anular a realimentação existente e proporcionar ao controlador uma nova realimentação tomada da linha de 12 V.

Vamos tomar um valor fixo para um dos resistores e calcular o outro. O valor deve ser relativamente alto para não desperdiçar corrente, porém suficientemente baixo para que a impedância de entrada do comparador não influa no resultado. 2K7 parece ser um valor adequado. Agora calcularemos o valor do outro resistor para obter a tensão desejada, que neste caso é 13,5 V. Este valor não foi escolhido ao acaso, é o valor que temos em uma bateria automotiva de 12 v plenamente carregada. Suponhamos em primeiro lugar uma tensão de referencia de 2,5 V, que é a que encontramos neste caso: R2 = [(Vout * R1)/Vref] – R1 R2 =(( 13.5 * 2700 ) / 2.5) - 2700 = 11880 ohms

Na prática usaremos um resistor de 12K, que é o valor comercial mais próximo. Se encontrarmos qualquer outro valor de tensão de referência, ou que desejemos conseguir uma tensão diferente na saída, basta calcular a rede de realimentação necessária usando as mesmas fórmulas.

Uma vez que tenhamos adquirido os resistores necessários para nosso projeto, continuamos com a modificação. Desmontamos a placa do chassi e eliminamos todos os cabos de saída que não iremos utilizar, deixando apenas 3 pretos (terra), 3 amarelos (+12 V) e o verde (acionamento). Deixamos vários fios amarelos e pretos porque são de seção demasiado fina para as correntes envolvidas. Como alternativa pode-se substituir esses fios por outros de seção adequada.

Soldamos o extremo do fio verde à massa, em uma das ilhas que ficaram livres depois da retirada dos fios pretos.

Agora preparamos nossa rede de realimentação. Soldamos um terminal do resistor de 2K7 a uma ilha de massa e um terminal do resistor de 12K a uma ilha de +12 V. Os terminais livres de ambos os resistores são então soldados juntos. Antes de continuar, faremos um teste para verificar se tudo está correto. Ligaremos a fonte (é recomendável tornar a montar a placa no chassi) e conectando o fio preto do multímetro ao terra do circuito (fios pretos da fonte) mediremos a tensão presente no ponto médio de nossa rede de realimentação (união dos dois resistores). Se tudo estiver em ordem, teremos uma tensão de referencia próxima dos 2 V. Se dividirmos a tensão da linha de 12 V por esse valor, e multiplicarmos esse resultado pela tensão de referencia original do pino 1 (2,5 V), o resultado deve ser muito próximo do que esperamos encontrar ao final na linha de 12 V (13,5 V). Se a tensão que encontrarmos não é a esperada, teremos que verificar o processo até encontrar o erro, pois os passos seguintes não admitem erros.

Chegando a este ponto, e correndo o risco de parecer exagerado, quero voltar a insistir na necessidade de um cuidado extremo, já que qualquer mínimo erro cometido no processo pode ser a diferença entre o sucesso e alguns fogos de artifício (os que já tenham visto explodir um capacitor eletrolítico saberão ao que me refiro). Ainda que nas fotos se veja a fonte funcionando fora do chassi, isto foi feito visando a clareza das fotos, e NUNCA se deve faze-lo. Lembrem-se de que na placa estão presentes os 127 (ou 220) Volts alternados da rede e mais de 300 Volts em tensão contínua..

Novamente deveremos desconectar a fonte e desmonta-la do chassi para localizar o pino 1 do controlador. Uma vez identificado, cortaremos a trilha que o liga à realimentação da linha de 5 V.

ATENÇÃO!!!!!! A partir deste momento e até que tornemos a conectar o pino 1 do controlador à nova rede de realimentação é IMPERATIVO que não voltemos a ligar a fonte SOB NENHUM PRETEXTO !!!!!!

Agora ligamos mediante um fio o pino 1 do controlador ao ponto médio de nossa rede re realimentação. Devemos nos assegurar que todas as soldagens estão perfeitas, em especial a feita no pino 1 do controlador.

O mais difícil já está feito.Tornemos a revisar tudo até estarmos seguros de que não tenhamos cometido nenhum erro. Voltemos a montar a placa no chassi e (por precaução) afastemos o rosto antes de ligar a fonte. Isso pode parecer exagero, mas os capacitores eletrolíticos REALMENTE explodem quando sua tensão de trabalho é ultrapassada.

Voilá ! conseguimos uma saída de 13,35 V em lugar dos 13,5 esperados, e isso é devido às tolerâncias dos componentes envolvidos. O que realmente importa é que esses 13,35 V vão ser mantidos ao drenarmos corrente da linha , e assim teremos nossa fonte estabilizada.

Agora resta apenas algum trabalho de maquiagem para deixar a fonte a nosso gosto. Para terminar, um aviso de um possível problema: Ainda que nossa fonte regule corretamente a saída, é possível que desarme ou funcione de maneira errática ao drenarmos determinada corrente.

Isto pode acontecer porque na placa há alguns comparadores de janela que monitoram as tensões e inibem o funcionamento do regulador se qualquer uma delas sobe ou baixa além dos parâmetros determinados pelo fabricante.

A saída desses comparadores atua no pino 4 do integrado. No caso de ocorrer essa situação, devemos verificar se as tensões alcançadas pelas linhas de +3, +5, -5 e –12 V. Se nenhuma delas é potencialmente perigosa para os capacitores eletrolíticos (cuja tensão de trabalho geralmente é bastante “justa”), poderíamos cortar a trilha que leva ao pino 4 e conecta-lo ao terra. Se a tensão de alguma(s) das linhas se aproxima de valores perigosos, devemos eliminar os respectivos capacitores. Este procedimento requer uma boa dose de conhecimento de causa, e não é indicado para principiantes.

A modo de epílogo: Quando terminei a confecção deste artigo, comprei uma maravilhosa fonte ATX de 450 W para modificar, e ao abri-la... ZÀS!!!!! A primeira surpresa: me deparei com um desconhecido.

O CI DR-B2002:

Curiosamente fui incapaz de encontrar o datasheet deste controlador. Quase que a única referencia que aparece a ele na Internet é uma consulta em um fórum norte-americano com um pedido do datasheet, seguida de inúmeros “passe para mim também”...

De qualquer modo, fazendo alguma engenharia reversa, descobri que a realimentação do comparador era feita pelo pino 14 do integrado, e a modificação foi realizada sem maiores problemas. Se notarmos que aparecem muitos casos como esse poderemos documentar a modificação posteriormente

Complemento para quando não for necessário aumentar a tensão da fonte

Por Arthur Benemann

Como notei algumas dúvidas sobre a conversão de fontes para alimentar carregadores servos, receptores, arcos de corte, etc. decidi fazer este tutorial.

Utilizei uma fonte AT de 250W, esta fonte fornece voltagens de -5V, 5V, 12V, -12V.

Atenção: só mexa na fonte se a mesma estiver fora da tomada, mas mesmo assim cuide para não tocar os terminais dos capacitores, pois eles ainda contém uma boa carga de energia!!

Material necessário:

As saídas da fonte têm cores padronizadas, que são:

Fontes AT

Abra a fonte retirando os parafusos superiores.

Corte os fios deixando uns 20 cm apartir da fonte(guarde os conectores pois voce provavelmente vai necessitar deles no futuro).

Ligue um resistor de 10 Ohms 10W (quanto mais watts melhor só não exagere) entre um fio neutro e um fio de 5V (preto e vermelho). Prenda-o em uma parte livre da fonte não deixando seus terminais tocarem em nada. Este resistor servirá de carga estabilizando a fonte.

Caso sua fonte tenha uma chave liga desliga externa (meu caso), posicione-a em algum lugar de fácil aceso (prendi ela ao topo da fonte vide fotos). Pode ser necessário encurtar o fio.

No caso de interruptor tipo gangorra, muitas vezes pode-se aproveitar o conector de saída para o monitor, tomando o cuidado de eliminar a saída de monitor retirando os fios na placa.

Ligue um led em serie com um resistor de 470 Ohms,e então no fio power good e no neutro (laranja e preto). O terminal mais curto do led ou o do lado chanfrado deve ir no neutro (preto),e o outro no resistor, e então no fio power good(laranja). Isole tudo e faça um furo onde quiser botar o led, fixe-o.

Desencape, junte e estanhe os fios,de acordo com sua utilidade, vermelho com vermelho, amarelo com amarelo.

Fure os espaços para os bornes e lige-os nos fios , utilizei esta ordem -12V,12V,Neutro,5V,-5V. As saídas de -12V e -5V são de baixíssima corrente, mas podem servir para pequenas experiências.

Obs: como meus borns não eram isolados fis aruelas de vinil 1mm.

Teste as tensões e feche a caixa.

Pode-se simplificar as ligações, não usando led para indicar que está ligado, e usando bornes apenas para o neutro e 12V (preto e vermelho respectivamente), eliminando as saídas não utilizadas.

Fontes ATX

As fontes ATX tem um fio azul para ligação, e não tem o botão de liga desliga.

Para utilizar uma fonte destas o Fio azul deve estar conectado no GND(fio preto).

Pode se deixá-lo conetado diretamente (quando ligar a tomada a fonte liga), ou indiretamente por uma chave push-buttom pequena(a chave controla a fonte).

Está fonte tambem forneçe tensões de 3,3V, que não são muito utilizadas no aeromodelismo.

Aileron Modelismo