UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA SEDE SECCIONAL SOGAMOSO ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRONICA ELECTRONICA II (LABORATORIO)
FUENTES DE ALIMENTACIÓN ALIMENTACIÓN Luis Antonio Poblador Gomez e-mail: @hotmail.com @hotmail.com 200921329 Diego Ferney Villa Sogamoso e-mail:
[email protected] 200720759
27 de Mayo de 2014 R E S U M E N : En este laboratorio se conocieron las características de los bloques principales de las fuentes de alimentación regulada: desde la rectificación, el filtrado, la regulación, nuevamente el filtrado y por último la carga. Se realizaron montajes tanto de rectificadores como de filtros pasivos, de reguladores reguladores que permitieron observar el funcionamiento de cada uno de estos y el afianzamiento del análisis de esta clase de circuitos. Así mismo, se colocaron en práctica los conocimientos adquiridos en clase para realizar el montaje de una fuente de alimentación regulada. También se fortaleció el uso tanto de equipos de laboratorio (osciloscopio, generador de señales, transformador) como de software (Matlab, Orcad, Proteus).
PALABRAS CLAVE: Rectificador, Regulador Transformador, Filtro, Fuente primaria, Data Sheet, Fuente de Alimentación.
Las fuentes no reguladas presentan diversos inconvenientes que impiden que utilización sea masiva. Para esta práctica abordaremos algunas de las características fundamentales de las fuentes de alimentación reguladas linealmente y sus parámetros de diseño. En las practicas anteriores ya se habían abordado algunos bloques fundamentales de las fuentes de alimentación reguladas como el rectificador y el filtro, por lo que ahora nuestra tarea se enfocara más que todo, en el bloque de regulación, que es precisamente de donde la fuente toma su nombre.
2. OBJETIVOS
Diseñar e implementar las partes esenciales de las fuentes reguladas. Realizar el montaje de una fuente de alimentación regulada. Analizar el proceso de regulación de voltaje y los dispositivos que hacen parte de él.
3. MATERIALES Y EQUIPOS 1. INTRODUCCIÓN La mayoría de los dispositivos electrónicos llevan consigo algunos bloques que permiten suministrar la energía que necesitan para el correcto funcionamiento sus subsistemas. Estos bloques se denominan comúnmente fuentes de alimentación. Existen dos tipos principales de fuentes de alimentación: las fuentes de alimentación reguladas y las no reguladas. Las fuentes de alimentación reguladas se dividen en fuentes de alimentación reguladas linealmente y fuentes de alimentación conmutadas.
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Osciloscopio Transformador Protoboard Diodos Resistencias de alta y baja potencia Condensadores Caimanes Multímetros Transistores de alta potencia (TIPS, 2N3055, MJ2955, etc.)
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Transistores de alta y baja potencia (2N2222, 2N3904, 2N3906, etc.) Reguladores de voltaje en circuito integrado LM 7805, LM 7912, LM317, LM 337, etc.
4. MARCO TEÓRICO
circuito esta alimentado por un transformador de TAP central. Cada uno de estos rectificadores tiene una tensión de entrada igual a la mitad de la tensión del secundario. D1 conduce durante el semiciclo positivo y D2 conduce durante el semiciclo negativo. Como resultado la corriente por la carga rectificada circula durante ambos semiciclos.
4.1 TRANSFORMADOR La tensión de la red es demasiado elevada para la mayor parte de los dispositivos empleados en circuitos electrónicos, por ello generalmente se usa un transformador en casi todos los circuitos electrónicos. Este transformador reduce la tensión a niveles inferiores, más adecuados para su uso en dispositivos como diodos y transistores. El transformador es un dispositivo electromagnético que permite aumentar o disminuir la tensión y la intensidad de manera que su producto sea constante. La potencia de la entrada será igual a la de la salida, sin contemplar las pérdidas. Un transformador es un conjunto de chapas de hierro hierro muy juntas que tienen dos arrollamientos, uno a cada lado del conglomerado de chapas de hierro.
Figura 3. Circuito rectificador de onda completa con TAP central. Durante ambos semiciclos, la tensión en la carga tiene la misma polaridad y la corriente por la carga circula en la misma dirección. El circuito se denomina un rectificador de onda completa porque ha cambiado la tensión alterna de la entrada a una tensión de salida pulsante continua mostrada en la Fig. 8.
Figura 4. Representación gráfica de la forma de onda de tensión de entrada en un rectificador de onda completa con TAP central.
Figura 1. Configuración de un transformador. Se usara la siguiente simbología:
Figura 5. Representación gráfica de la forma de onda de tensión de salida en un rectificador de onda completa con TAP central. 4.2.1 CARACTERÍSTICAS
Figura 2. Símbolo eléctrico del transformador La bobina izquierda se llama "Arrollamiento Primario" y la derecha se llama "Arrollamiento Secundario". El número de vueltas en el arrollamiento primario es N1 y el del arrollamiento secundario N 2.Las rayas verticales entre los arrollamientos primario y secundario indican que el conductor está enrollado alrededor de un núcleo de hierro. 4.2 RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON TAP CENTRAL
El valor de la tensión pico de entrada es igual al valor de la tensión pico de salida: Vp(out) = Vp(in)
La señal de onda completa tiene el doble de ciclos positivos que la señal de media onda, por tanto el valor de la tensión en continua es:
Vdc=
La frecuencia de la señal de onda completa es el doble de la frecuencia de entrada:
El circuito como se observa en la Fig. 6 es equivalente a dos rectificadores de media onda, este
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f out out = 2f in in
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4.3 RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON PUENTE RECTIFICADOR La Fig.6 muestra un puente rectificador. El puente rectificador es similar a un rectificador de onda completa porque produce una tensión de salida de onda completa. Los diodos D1 y D2 conducen en la mitad positiva del ciclo, y D3 y D4 conducen en la mitad negativa del ciclo.
La frecuencia frecuencia de salida es el doble de la frecuencia de entrada: f out out = 2f in in
4.4 FILTROS PASIVOS Un filtro eléctrico es un dispositivo capaz de atenuar determinadas frecuencias del espectro de la señal de entrada y permitir el paso de las demás. Los filtros se pueden clasificar atendiendo a dos conceptos distintos: • El tipo de tecnología (componentes) con que se fabrica el filtro • Su respuesta en frecuencia. frecuencia.
Figura 6. Circuito rectificador de onda completa con puente rectificador. El puente rectificador actúa como dos rectificadores de media onda superpuestos Durante ambas mitades de los ciclos, la tensión en la carga tiene la misma polaridad y la corriente por la carga circula en la misma direccion.
Considerando el primer concepto de clasificación se tienen cuatro tipos distintos: 1. Pasivos. 2. Activos. 3. De capacidades conmutadas. 4. Digitales. Para este laboratorio nos enfocaremos en los filtros pasivos, los cuales usan solamente como componentes los de tipo pasivo, es decir R, C y L. La ventaja de utilizar filtros pasivos estriba, básicamente, en su bajo coste; sin embargo, tienen muchos inconvenientes, entre ellos:
Figura 7. Representación gráfica de la forma de onda de tensión de entrada en un rectificador de onda completa con puente rectificador.
Figura 8. Representación gráfica de la forma de onda de tensión de salida en un rectificador de onda completa con puente rectificador.
4.3.1 CARACTERÍSTICAS
La ventaja de este tipo de rectificacion de onda completa sobre la version con conexión central en el transformador es que: la tensión del secundario se utiliza en su totalidad, obtiendose el doble de la tensión de pico y el doble de la tensión continua. Se obtiene un valor de tensión en continua de:
Vdc=
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La impedancia impedancia de la fuente fuente resulta muy afectada por las características del filtro. La resonancia serie entre entre el filtro y la impedancia de la fuente puede causar amplificaciones de las tensiones armónicas a ciertas frecuencias. El filtro pasivo puede provocar una resonancia paralela con la red de suministro, con amplificación de las corrientes armónicas. Los filtros pasivos, debido a la componente resistiva, tienen un consumo de componente fundamental, lo que provoca armónicos de tensión. El número de secciones del filtro será tanto más elevado cuanto mayor sea el número de armónicos a eliminar, lo que supone aumentar los problemas anteriormente mencionados. En el caso de compensaciones centralizadas, el filtro de absorción (que es, generalmente, el utilizado a nivel industrial), está adaptado a una configuración concreta de red y estado de cargas.
Desventajas
FILTRO C - Para aplicaciones es muy costoso. - Introduce picos de corriente al transformador. FILTRO RC
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Ventajas
Desventajas
Ventajas
- Es muy útil cuando tienes un circuito digital controlando relés, en ocasiones estos relés crean ruidos en la alimentación provocando el mal funcionamiento del circuito digital, con una sección de este filtro para la alimentación digital queda solucionado el problema. - La desventaja principal del filtro RC es la pérdida de tensión en cada resistencia. Esto quiere decir que el filtro RC es adecuado solamente para cargas pequeñas. FILTRO LC - Cuando la corriente por la carga es grande, los filtros LC presentan una mejora con respecto a los filtros RC. - La caída de tensión continua en las bobinas es mucho menos porque solo intervienen la resistencia de los arrollamientos. - Para aplicaciones es más barato ya que necesita menos capacitancia.
El regulador básicamente funciona en varios bloques, desde el bloque de rectificación hasta la carga. si el voltaje de salida se incrementa el circuito comparador proporciona una señal de control que hace disminuir la cantidad de voltaje de salida, del elemento de control de control en serie, por tanto mantiene el voltaje de salida.
Si el voltaje de salida disminuye, el circuito comparador, (básicamente un transistor 2N3904), proporciona una señal de control para incrementar la cantidad de voltaje de salida.
El regulador tiene composición de un sistema de control de lazo cerrado, en cual tomamos una señal de entrada, la controlamos a través de un comparador, enviándola a la carga (elemento sensor), de ahí se toma la señal retroalimentada para hallar el máximo error con respecto a la entrada.
- Tanto el voltaje de la carga como la potencia de la carga son más bajos.
DESCRIPCION REGULADOR EN DISCRETO
FILTRO π
Ventajas
- Proporciona la máxima tensión de salida a la carga .
- Se elimina casi totalmente el rizado, ya que usamos un segundo condensador para esta finalidad. El segundo condensador se encarga de rellenar los intervalos existentes entre los picos de tensión. - Funciona más eficientemente, ya que fusiona dos tipos de filtros, el C y el LC. Tabla 8. Ventajas y desventajas de los cuatro tipos de filtros pasivos (C, RC, LC y π)
5. PROCEDIMIENTO 5.1 Fuente de voltaje con regulador lineal en e n discreto Una fuente de voltaje común consta de Transformador, Rectificador, Filtro, Regulador y finalmente la Carga. El diseño del regulador se basó en el análisis desde el transformador hasta la carga. El voltaje de salida es x+5, es decir, 9+5, (14v) donde x es el último digito del código de segundo estudiante en la lista (200921329). Con una corriente sobre la carga de 2.1 A.
Análisis del regulador.
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Una fuente de voltaje en discreto, tiene como función tomar una señal sinusoidal y llevarla a un comportamiento constante a la salida, para esto se necesita en primer lugar un transformador el cual colocamos a la entrada conectado a la red eléctrica de amplitud 120 V y 60 Hz de frecuencia a la salida del transformador dado que se usa uno reductor tenemos una amplitud máxima de 41.4 voltios y la frecuencia permanece igual la señal que sale del transformador es de forma sinusoidal teniendo esta señal hacemos uso de un rectificador de onda completa para rectificar la señal e ir dando un comportamiento más dc a la señal. Enseguida de esto sigue una etapa de filtrado por medio de un capacitor podemos corregir aún más la señal que sale del puente rectificador dando un voltaje más constante y por lo tanto más aprovechable en circuitos electrónicos. Teniendo ésta onda sigue a la etapa de regulación de voltaje, este regulador consta principalmente de un diodo Tener, la función de este es mantener un voltaje enteramente constante hasta la amplitud que lo permita este según su referencia, esto con el fin de darle un voltaje referencia para obtener así nuestro voltaje de salida deseado. Para la parte de amplificación de corriente se hace necesario el uso de un transistor de potencia y un transistor de baja señal como se observa en la figura
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N.1, si la corriente se hace muy grande dependiendo de la carga, se emplea la etapa de limitación de corriente la cual nos establece un nivel fijo o límite de corriente para protección de los demás dispositivos.
CALCULOS PARA DISEÑO DE REGULADOR EN DISCRETO Se requiere:
IL= 1.8A nominales
ILMAX= 2.1A
, Empezamos nuestro diseño por la etapa de potencia
Parámetro 1:
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Asumimos la corriente de la resistencia 4 un poco mayor al resultado obtenido
Vip= 8v,
= 371.42 Parámetro 2:
Para hallar las resistencias R 3 y R4 primero tenemos que hallar el voltaje sobre las mismas para lo cual necesitamos aplicar LKV.
La aproximamos a un valor comercial de 4.7 La aproximamos a un valor comercial de 820
Parámetro 3: asumir voltaje colector para el transistor pnp Q 4
emisor-
54.4 Aproximándola a un Ω
valor comercial 56Ω
Parametro 4: IR2 ≥ 10IB4
Asumimos esta corriente
de 1.1mA
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Aplicamos LKV para halla el voltaje en la
La corriente sobre la carga de 1.5 A Las características de un regulador integrado de tres terminales son: VENT MAX Es el voltaje de entrada promedio máximo referido a la tierra del regulador. (VENT -VSAL)Min Voltaje diferencial entrada – – salida mínimo para el cual deja de funcionar correctamente. (VENT -VSAL)Max Voltaje diferencial entrada – – salida máximo. El cual es crítico cuando al regulador lo atraviesa una corriente pequeña. Los reguladores integrados usualmente empleados, soportan máximo una corriente de 1A, con la condición de tener un disipador de calor. Pero en la realidad sólo alcanzan un 75% del valor característico. Por esto se hace una modificación al circuito simple, agregándole un transistor de potencia y un resistor también de potencia.
Para el limitador tenemos que:
5.2.1 Regulador de voltaje fijo positivo para alta capacidad de corriente
resistencia R2
Aproximándola Aproximándola a un valor comercial 1.5K Ω
Aproximándola Aproximándola a un valor comercial 10K Ω
Asumimos un voltaje de base emisor para este transistor de 0.8 Voltios
Figura 15. Regulador de voltaje positivo fijo. Con mayor capacidad de corriente.
Los valores de resistencia enunciados son valores comerciales para el diseño. (Ver diseño en anexos) figura 28.
El circuito de la figura 14 muestra la configuracion basica de un regulador integrado de salida fija, en este caso el LM7812, que presenta en su salida un voltaje estable de 12 Vdc. Las principales caracteristicas de este circuito son:
Voltaje de Drop de 2.5 voltios Corriente de Drenaje de 6mA Temperatura de Juntura de 125°C Corriente maxima a la salida de 1A Consumos pico de 2.2 A Proteccion contra Aumento de Temperatura Encapsulado TO – TO – 220 220
Figura 14. Corriente Colector vs hFE
5.2 Fuente de voltaje con reguladores en circuito integrado.
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Figura 16. Voltaje de entrada y salida en el regulador con una carga de 150 ohms Notese en la señal de voltaje de entrada un rizo muy poco pronunciado, y un voltaje plenamente dc en la salida del regulador, esta señal de voltaje se mantendra con resistencias mayores a la resistencia limite. Recordando que el filtro usado es un filtro capacitivo con un condensador de 4700uF, en la medida que el valor del condensador sea menor el rizo en el voltaje de entrada sera mayor. Con esta configuracion del regulador es posible lograr una regulacion de voltaje aun cuando la carga exige corriente bastante grande para el LM7812 pues este es colaborado por el transistor Q1, que actua como driver de corriente disminuyendo la cantidad de corriente que tiene que entregar el LM7812,recordemos que el integrado solo es capaz de soportar una corriente maxima de 1.2 amperios. Como es de suponer, este transistor entra en funcionamiento cuando el voltaje enre base – emisor – emisor es mayor a 0.7 voltios, tal como se explico en el analisis de circuito, por esta razon en resistencias elevadas el regulador no necesitara una corriente de entrada capaz de encender el transistor, haciendo que este entrege una carga de cero amperios.
Para el limitador hacemos el VBE de 0.7 y una corriente máxima por lo que tendremos una resistencia de:
Aproximándola a un valor
comercial 0.33Ω
La resistencia de carga la hallamos de la siguiente manera, sabemos que el voltaje de salida del regulador es de 12 voltios y necesitamos una corriente en la carga de 1.5 A entonces:
RG= 3Ω C1= 0.33uF C2= 0.1uF RL CALCULADA DE 8.2 Ω / 20W IL= 1.46 A VL= 11.97V VER DISEÑO EN ANEXO 4, simulación.
esquemático
y
5.2.2 Regulador de voltaje fijo negativo para alta capacidad de corriente
DISEÑO REGULADOR INTEGRADO LM7805 TRANSISTOR UTILIZADO TIP42 RG= 3Ω
C1= 0.33uF C2= 0.1uF RL CALCULADA DE 3.3 Ω/ 10W
IL= 1.46 A VL= 4.99V VER DISEÑO simulación
EN
ANEXO
Figura 17. Regulador de voltaje negativo fijo. Con mayor capacidad de corriente. 3,
esquemático
y
DISEÑO REGULADOR INTEGRADO LM7812 TRANSISTOR UTILIZADO TIP42 para el limitador y aumento de corriente. Primero montamos un filtro con un condensador de electrolítico de 4700uF para disminuir el rizo a la entrada del regulador. Para hallar RG tenemos:
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Este regulador tiene a la entrada un voltaje negativo, esto para la alimentación. Básicamente el regulador funciona de la misma forma que el regulador LM7812, pero con la diferencia de la alimentación.
DISEÑO REGULADOR INTEGRADO LM7912 Este es un regulador de voltaje negativo por lo que para la entrada tendremos una alimentación de voltaje negativo, la forma de polarización es básicamente la misma que para el regulador LM7812, pero como en este regulador tenemos una tensión negativa a la salida es necesario cambiar el transistor para la ganancia por el complementario del usado en el LM7812 es decir un PNP, la corriente que deseamos que pase por este regulador es la misma que para el LM7812 es decir: Para una corriente de 300mA tendremos una resistencia de:
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( )
Y para la carga tendremos que el voltaje es de -12V Por lo que para una corriente de 1.5 A, a la salida tendremos que:
CALCULOS TRANSISTOR UTILIZADO TIP41 RG= 3Ω
C1= 0.33uF C2= 0.1uF
R1=240Ω R1=240Ω R2=10KΩ R2=10KΩ (potenciómetro) RG=3Ω RG=3 Ω, resistencia para un valor de corriente de entrada de 300 mA a un voltaje de encendido del transistor de 0.9 v. R=15KΩ, protección contra sobre corriente. D1= 1N5406. C3=10 uF TRANSISTOR TIP41, para limitador. Vent= 42.14 V RL= 22Ω 22Ω, con REOSTATO. Vmin= 1.38V, cuando R2, varia hasta casi 0Ω. Vmax= 32.1 V, cuando R2, varia hasta 10KΩ.
RL CALCULADA DE 8 Ω/ 10W
IL= 1.46 A VL= -12v VER DISEÑO simulación
EN
ANEXO
6,
esquemático
y
5.2.3 Regulador variable positivo con alta capacidad de corriente
Figura 18. Regulador de voltaje variable positivo con mayor capacidad de corriente. El regulador LM317 es un regulador de voltaje que permite la variacion de voltaje regualdo en la salida mediante el cambio de la corriente de ajuste, en el LM7812 se perdia una corriente de 6mA necesaria para su funcionamiento, en este regulador es posible manipular la orriente de drenado para lograr la variacio del voltaje regulado. Las principales carateristicas de este dispositivo son: Tolerancia de 1% al voltaje de salida Corriente maxima de salida no varia con el aumento de temperatura Salida de tension ajustable desde 1.2 voltios hasta 37 voltios Corriente maxima a la salida de 1.5 amperios Proteccion contra corto circuito en la salida Voltaje de Drop de 2 voltios
Además del potenciómetro necesitamos dejar una resistencia de protección en la terminal de ajuste para evitar excesos de corriente que nos puedan alterar los datos o el funcionamiento óptimo del dispositivo.
5.2.4 Regulador variable negativo con alta capacidad de corriente
Figura 19. Regulador de voltaje variable negativo con mayor capacidad de corriente.
( )
R1=240Ω R1=240Ω R2=10KΩ R2=10KΩ RG=3Ω RG=3 Ω Vent= -42.14 V Vmin= -1.38V, -1.38V, cuando R2, varia hasta casi 0Ω. Vmax= -32.1 -32.1 V, cuando R2, varia hasta 10KΩ. Valores de voltaje maximo y mínimo con respecto a los valores negativos.
5.2.5 Regulador con alta capacidad de corriente y protección contra corto circuito.
DISEÑO REGULADOR VARIABLE CON LM317
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Figura 20. Regulador con alta capacidad de corriente y protección contra corto circuito. El funcionamiento de este circuito es el mismo del regulador de voltaje fijo con aumento de corriente pero con la capacidad de limitar la cantidad de crriente que se le va a entregar a la carga. LM7812 Q1=TIP 42 Q2=TIP 42 C1= 0.33 uF C2= 0.1uF R1= 3Ω
VBE=0.7 V, cuando el transistor entra en conducción. ISC, corriente de limitación de 1.9 A, con la cual tenemos una RSC de 0.33 Ω a 5W. Comercial. 5.3 Diseño Utilizando reguladores de voltaje en circuito integrado diseñe e implemente las siguientes aplicaciones: 5.3.1 Circuito para corriente fija de salida (fuente de corriente)
Figura 22. Regulador variable con LM7805. Este circuito nos permite obtener un amperaje mayor a un amperio en la resistencia de carga. De igual manera el diseño se basa en tomar un regulador fijo, ya se para voltaje regulado positivo o negativo, donde la variación de voltaje mínima en la carga es la del integrado; por ejemplo, para el diseño se utilizó un LM7805, del cual podemos tener como voltaje mínimo en la carga de 5V. La parte variable la hacemos con el potenciómetro de 1K. A la máxima variación del potenciómetro (1K), obtenemos un voltaje en la carga de la del transformador. R2, básicamente es una resistencia de potencia de 5W. R1 es un limitador de corriente para el integrado. Para el condensador C1, se coloca un condensador de 4700 uF, para C2 no se necesitará una gran capacidad, tomamos un condensador de 1000 uF. Los transistores utilizados son TIP41, los cuales me permiten obtener mayor amperaje en la carga.
Figura 21. Fuente de corriente.
5.3.2 Regulador de voltaje variable con un regulador fijo.
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5.3.3 Fuente variable dual (simétrica)
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De esta manera controla la variable (voltaje).
6.2. ¿Cómo funciona la parte de protección contra cortocircuito de la figura 18? Los reguladores están equipados con un circuito cuyo propósito es limitar la corriente del elemento en serie (o incluso anularla). Los circuitos de protección se diseñan para estar inactivos bajo condiciones de operación normal y activarse tan pronto como se intente exceder el correspondiente límite de seguridad. El propósito del circuito de protección contra sobrecarga es evitar que la corriente que circula por el transistor en serie exceda un nivel de seguridad predeterminado, como sucedería, por ejemplo, en el caso de cortocircuitar la salida.
Figura 23. Fuente dual.
6.3. Consulte y explique el principio de funcionamiento de una fuente de voltaje conmutada. Muestre ejemplos.
6. CONCEPTOS RELACIONADOS
Principio de funcionamiento.
6.1 Investigue el diagrama de bloques interno de un regulador de voltaje en circuito integrado.
El principio general de trabajo de estas fuentes es el siguiente: El voltaje de alterna de la red de alimentación es rectificado y filtrado, el voltaje de directa obtenido es llevado a un convertidor de corriente continua en corriente continua, donde con ayuda de uno o más transistores, que son conmutados a una alta frecuencia , se conmuta a través del primario de un pequeño transformador de pulsos convirtiéndose en una onda cuadrada, la cual se transforma en dicho transformador , el cual también sirve para lograr el aislamiento de la red y en algunos tipos de convertidores, para el almacenamiento de la energía. Inmediatamente, se efectúa una rectificación y filtraje del voltaje obtenido en el secundario del transformador de pulsos con el objetivo de obtener el voltaje de directa de salida deseado como indica el siguiente esquema:
Figura 24. Bloque interno de LM7805 La figura nos muestra cómo funciona el regulador de voltaje LM7805, el cual se compone de un pre regulador, un generador de corriente, un comparador, un sensor y de un voltaje de referencia, que básicamente lo compone un diodo zener. El bloque realiza un lazo cerrado, en el cual toma una variable a controlar (voltaje), pasa a través del regulador que hace el papel de controlador, enseguida pasa a la carga (sensor), en donde se tiene la variable controlada. El comparador básicamente es un transistor con un beta grande, que hace el papel de comparar la señal de entrada con la que obtenga en la salida (error), de este error el controlador toma decisiones, de tal manera que obtenga un voltaje constante en salida.
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Figura 25. Esquema de voltaje de directa de salida. La regulación del voltaje de salida se lleva a cabo mediante el empleo de un sistema de retroalimentación donde el voltaje de salida es censado por un circuito de control. Este circuito de control toma una muestra de la salida que más corriente entrega y la compara con una rampa de voltaje produciendo un voltaje de error.
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En los circuitos de conmutación el transistor trabaja como un interruptor. Cuando el transistor se satura, el Vce es pequeño (de saturación) y la corriente es grande. Cuando se corta el transistor la corriente es cero y el Vce es grande siendo la disipación de potencia pequeña. Solamente se disipa un poco de potencia en el momento de transición de corte a saturación del transistor. La frecuencia de trabajo de estas fuentes, varía entre 20 y 200 Khz, K hz, lo que excluye el ruido audible. Mientras mayor sea la frecuencia del tren de pulsos que excita la base del transistor de conmutación menor es el número de vueltas del primario siendo más pequeño el transformador de potencia al aumentar las variaciones de flujo en él, transfiriéndose mayor cantidad de energía disminuyendo el número de vueltas en el secundario obteniéndose 1V/vuelta aproximadamente, esto hace que sea menor la resistencia de los enrollados siendo menores las perdidas lográndose eficiencias entre un 70 y un 80%. Estas permiten alcanzar potencias de salida del orden de los 1000 W con pequeños voltajes de entrada. El transformador que se emplee debe ser de ferrita debido a la alta frecuencia de trabajo de los transistores de conmutación.
alimenta del mismo voltaje que él produce a partir de un pulso de arranque.
Fuente ATX: Formada por una fuente auxiliar del tipo de autoarranque y una fuente principal del tipo "con pastilla reguladora".
6.4. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de una fuente de alimentación conmutada? Las Fuentes Conmutadas presentan las siguientes ventajas y desventajas
Ventajas:
Alta eficiencia de conversión de energía. Poco peso y volumen siendo usadas para grandes potencias de salida. Requieren menos materiales y componentes siendo menor su costo. Posibilidad de regulación en una amplia gama de voltajes de entrada variando el ciclo útil de trabajo en forma apropiada. Posibilidad de obtención de voltajes de directa de salida que sean mayores o de polaridad opuesta al voltaje de directa de entrada.
Desventajas:
Figura 26. Esquema General de una Fuente Conmutada
Clasificación de las Fuentes Conmutadas.
Las Fuentes Conmutadas se clasifican de la forma siguiente:
Fuentes Auto oscilantes: Estas fuentes no presentan pastilla reguladora, es decir se comportan como un verdadero oscilador con retroalimentación positiva. Fuentes con pastilla reguladora: Contienen al menos un regulador de ancho de pulso.
Técnica circuital más complicada (esto ha sido prácticamente superado con el empleo de los dispositivos de control integrados). Mayores interferencias de alta frecuencia. Mayor dificultad para obtener una baja ondulación del voltaje de salida. Reacción más lenta a los cambios bruscos de carga. Necesidad de usar filtros para evitar que salga ruido (frecuencia de conmutación) para la línea o para la salida.
que
Las alimentaciones conmutadas ofrecen numerosas ventajas en comparación a las alimentaciones lineales.
Fuente de Autoarranque: Son aquellas que no necesitan una fuente auxiliar, porque el PWM se
En una alimentación conmutada se rectifica la tensión alterna disponible directamente. Luego, una
Con Fuente Auxiliar: Contiene garantiza la alimentación del PWM.
una
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fuente
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conmutación electrónica convertirá la tensión continua por activación y desactivación en la tensión con una frecuencia más elevada que la de la red. El transformador funciona con una frecuencia más elevada que la de la red (más de 20 KHz contra 50 o 60 KHz) lo que permite disminuir considerablemente su tamaño. Por consiguiente las alimentaciones conmutadas son más pequeñas y más ligeras que las alimentaciones lineales. Además poseen un mejor rendimiento. Sin embargo, las alimentaciones conmutadas son más complejas que las alimentaciones lineales y es difícil evitar que este tipo de alimentación genere una interferencia eléctrica. Esta limitación las hace impropias para algunas aplicaciones.
7. CONCLUSIONES
El uso de reguladores reguladores integrados es más eficiente tanto por su portabilidad como por su costo.
El diagrama de bloques de un regulador nos ofrece clara información, la cual es fundamental para el diseño de la fuente de alimentación.
La utilización utilización de reguladores reguladores integrados nos nos permiten obtener valores fijos en la carga, mientras un regulador discreto no siempre lo permite.
Los reguladores deben tener un disipador para el cambio de temperatura debido a la corriente que tiene que soportar.
Cuando trabajamos con transistores y reguladores es necesario tener en cuenta su hoja de características para tener un correcto funcionamiento del dispositivo.
6.5 OTROS PARÁMETROS DE RENDIMIENTO EN UNA FUNTE DE ALIMENTACIÓN Los parámetros que describen el rendimiento de una fuente son los siguientes:
Ondulación o rizo. Un componente de CA del voltaje de entrada que se superpone sobre la componente de CD.
Regulación de línea. El cambio en el valor de estado permanente del voltaje de salida que acompaña a un cambio en el voltaje de línea, con todas las demás condiciones constantes.
Regulación de carga. El cambio del valor permanente del voltaje de salida que acompaña a un cambio en la corriente de carga, con todas las demás condiciones constantes.
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8. BIBLIOGRAFIA [1] BOYLESTAD, Robert L. Electrónica: Teoría de Circuitos. Editorial Prentice Hall, 1995. [2] MALVINO, Albert Paul. Principios de electrónica . Editorial McGraw-Hill, 1991. [3] MILLMAN, Jacob. Electrónica integrada. Editorial Hispano Americano, 1986 [4] MOSCONI, Osvaldo & PEÑA, Ricardo R. Electrónica de Potencia. Facultad de Ingeniería, Univ. Nacional de la Patagonia San Juan Bosco. [5] ANATO, Julima. Circuitos Rectificadores.
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ANEXOS ANEXO 1
Figura 27. Disipación de potencia para los dispositivos utilizados en la práctica.
Q5
Rx
TIP122 0.25 V
R2
R5
39k
2.2k
R6
TIP41 Q4
R3
V1
47k
17.65
Qx
RL
2N3906
7.8
R1
2N3904
39k
Q3
I
R4 D11
51k
D1N4738
0
Figura 28. Diseño regulador discreto.
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10
5
0 0s
0. 1s V (R (R 3: 3: 2) 2)
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0.5 s
0.6 s
0 .7s
0 .8s
0 .9s
1 .0s
- I( I( RL RL ) Time
Figura 28. Voltaje y corriente sobre la carga. Vl(14 v) verde. IL(1.86 A) 16
12
8
4
0 0
10 V (R (R 3: 3: 2) 2)
20
30
40
50
60
70
80
90
10 0
- I( I( RL RL ) RE
Figura 29. Barrido sobre la resistencia de carga. Verde(VL), Roja(IL).
RESISTENCIA DE CARGA (RL) 1KΩ 500Ω 250Ω 125Ω 50Ω 7.8Ω 7.8Ω (DISE O) 3Ω 2Ω
VOLTAJE EN RL 14.08 V 14.04 V 14.03 V 14.03 V 14.03 V 14.03 V 6.18 V 4.7 V
CORRIENTE EN RL 15.2 mA 30.58 mA 60.99 mA 120.7 mA 301 mA 2. 13 A 2.33 A 2.3 A
TABLA 1. Barrido sobre la resistencia de carga.
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ANEXO 3 Q3 TIP42
U1
R1 V1
LM7805C
21.4
1
3
D OUT N G
IN C1 0.33u
2
3
C2
R2V
0.1u
3.3
I
0 Figura 30. Diseño para regulador 7805 8.0
6.0
4.0
2.0
0 0s
50 m s V (U (U 1: 1: OU OU T) T)
100ms
15 0 m s
2 0 0m s
250ms
300ms
35 0 m s
4 0 0m s
4 5 0 ms
500ms
- I( I( R2 R2 )
Time
Figura 31. Simulación regulador integrado 7805. VL= 4.99V, IL; 1.46 A
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ANEXO 4 Q2
Rsc
TIP42 0.33 Q1 TIP42 U1 R1
LM7812C 1 IN
3
V1
D OUT N G
2
V
3
D1
D2
D1N5406
D1N5406
VOFF = 0 VAMPL = 21.8 21. 8 FREQ = 60 AC = 0
C3
RL I 8
C1
C2
0.33u
0.1u
4700u D3
D4
D1N5406
D1N5406
0
Figura 32. Diseño para regulador integrado LM7812 con aumento de corriente y limitador de corriente. 16
12
8
4
0 0s
5 0 ms V (C (C 3: 3: 2) 2)
1 00 m s
1 50 m s
2 00 m s
25 0 m s
30 0 m s
35 0 ms
40 0 ms
45 0 ms
50 0 m s
- I( I( R2 R2 )
Time
Figura 33. Simulación regulador integrado LM7812. VL= 11.97V, IL; 1.46 A
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ANEXO 4 Q2 TIP42
U1 R7
LM317K 2
JOUT D A
IN 3
3
V
R3
1
D16
D17
D1N5406
D1N5406
240 D20 D1N5406 C2
V1 VOFF = 0 VAMPL = 42.14 FREQ = 60
I
4700u
22 R5
D18
D19
R10
R2
C3
D1N5406
D1N5406
15k
10k
10u
0
Figura 34. Diseño regulador integrado lm317K
35
30
25
20
15
10
5
0 0s
5 0 ms V (R (R 5: 5: 2) 2)
1 0 0m s
15 0 ms
2 00 m s
2 5 0 ms
3 00 m s
3 5 0 ms
4 00 m s
4 5 0m s
5 00 m s
- I( I( R5 R5 )
Time
Figura 35. Simulación regulador integrado LM317.
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ANEXO 5 Q2 TIP41
U1
R1 V1 -21.4
LM7912C 3
3
IN C1 0.33u
D OUT N G
2
1
C2
R2V
0.1u
8
I
0 Figura 36. Regulador integrado LM7912.
Figura 12. Simulación regular integrado LM7912.
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Cálculos disipadores Tenemos de la hoja de especificaciones del TIP41 los siguientes datos Icmax=6A Tjuntura=150ºC Resistencia Termica - juntura/amb=62,5ºC/W (Transistor sin disipador ) Tamb=25ºC (suponemos esta temperatura)
Si
=> No se puede usar este transistor sin disipador para obtener 1.8A.
Ic-max sin disipador=
Volviendo a recalcular, partiendo de 2.0A max (un cierto margen):
Ic-con disipador* 2.0* 28W 1,92ºC/W (segun el datasheet) El disipador que disipador que pondremos ser una resistencia trmica que estar en paralelo con la Resistencia Termica carcasaambiente Sin disipador Entonces ELECTRONICA II (LABORATORIO)
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[ ] [ ] Se llega a la conclusión de que se necesitas un disipador de
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