Fuente de poder para laboratorio básico ( Principiantes )
Datos técnicos: •
Voltaje de entrada: 120VAC @ 50/60 Hz
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Consumo máximo: 75 VA
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Voltaje de Salida: 0 ~ 30 VDC variable continuo.
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Corriente de Salida: 15 mA ~ 2,1 A variable continuo.
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Lectura simultánea de Voltaje y Corriente de Salida.
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Dimensiones: L = 21,5 cm; W = 11,5 cm; H = 10 cm
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Peso: 1,8 Kg
Esta fuente de poder fue diseñada siguiendo las enseñanzas derivadas de las vicisitudes por las que atravesamos, tanto técnicos como diseñadores, al momento de emprender alguna tarea relacionada con nuestras experiencias y necesidades. Todo comenzó con un KIT constituido por un pequeño PCB, unos cuantos diodos, un IC (LM723), un potenciómetro y algunos trozos de cable. El ensamblaje fue todo un éxito. "FUNCIONÓ" Esto ocurrió por allá, por 1974, si mal no recuerdo. Luego comenzaron las preguntas: ¿Donde meto todo esto?, ¿Cómo hago para que no caliente el Transistor Bypass? y los problemas: ¿Cómo conectar la fuente al circuito que se quiere alimentar?, ¿Cómo fijo la tensión en 0,5 V (Esa no llegaba a cero)?, ¿Cómo leer la tensión y/o la corriente?. Todas esas interrogantes se resolvieron en un lapso de cinco años, unos 5 prototipos entre los más simples y los más sofisticados y la aplicación y diseño de unos tres o cuatro circuitos de protección y control. Ahora dejo aquí el resultado final de esas experiencias, con el fin de que otros, aficionados y técnicos de la electrónica puedan, no sólo ensamblar esta fuente, sino, además, sacarle buen provecho.
Descripción del sistema: 1. El mism mismoo se compo compone ne de siet sietee "Bloqu "Bloques" es":: 1. Trans ransforma formador dor de aislamien aislamiento to y cambios cambios de tensión tensión con dos secunda secundarios. rios. 2. Dos rectifica rectificadores dores DC, DC, uno para para 38 VDC @ 2,5A 2,5A y otro, otro, para 26 VDC VDC @ 0,2A 3.
Transistor Bypass de potencia disipado por el chassis del gabinete metálico (Al)
4. Regu egulad lador or de vol voltaj tajee de preci precisió sión. n. 5. Circ Circuito uito de limitac limitación ión y protecci protección ón de de sobrecar sobrecarga. ga. 6.
Circuito amperimétrico.
7. Vol oltí tím met etro ro.. 2. El transforma transformador dor TR1 provee provee el aislamiento aislamiento galvánico galvánico de la red (Primar (Primario io de 120VAC) 120VAC) y, y, a través de dos secundarios, las tensiones de 27VAC @ 2,5A y 18VAC @ 0,2A.
3. El rectifica rectificador dor (D1, D2, D3, D3, D4) junto junto con el capacitor capacitor C1, C1, entregan entregan la componen componente te DC de 38V necesaria para producir la tensión máxima de 30V @ 2A que será regulada mediante Q2, controlado por IC2. 4. El rectific rectificado adorr B1 junto junto a C2, ent entreg regan an la com compon ponent entee DC de 26V 26VDC DC @ 0,2 0,2A A requer requerido idoss por IC2 e IC1 para controlar y proteger a Q2. 5.
El integrado IC2 es un regulador de voltaje positivo de precisión, mediante el cual se suminist sum inistra ra la tensión de contr control ol a Q2, manteniéndol manteniéndolaa estab estable le por efecto del feedba feedback ck proveniente desde +UB.
6. Q1 corta corta el suministro suministro de tensión tensión a Q2, en caso caso de sobrecar sobrecarga ga y es gobernado gobernado por IC1B, IC1B, que lee la caída de tensión generada por la carga sobre el cable Rojo de 14,5 cm entre el Emisor de Q2 y el borne de salida +UB. 7. La misma misma caída de tensión tensión es leída por IC1C y, y, amplificada amplificada mueve mueve el galvanómetro galvanómetro A para para mostrar la corriente que circula por la fuente. 8. El galvanó galvanómetro metro V muestr muestraa la tensión tensión de salida salida entre entre los bornes bornes de la fuente. fuente.
Esta es la Placa Base (PCB) con el emplazamiento de los componentes:
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Diagrama Esquemático:
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Placa de PCB:
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Diagrama de cableado
Los elementos mostrados son puramente ilustrativos. Solo la placa de circuito impreso es fiel a la original empleada en la fuente FL-01. Tod odos os lo loss el elem emen ento toss pu pued eden en se serr su sust stit itui uido dos, s, si siem empr pree y cu cuan ando do se ma mant nten enga gann su suss especificaciones.
FL01 Listado de Componentes Part : Value •
B1 : B250/C1500
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C1 : 2200 µF/40V
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C2 : 220 µF/40V
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C3 : 473 / 50V
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C4 : 103 / 50V
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C5 : 472 / 50V
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D1 : 1N5400
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D2 : 1N5400
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D3 : 1N5400
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D4 : 1N5400
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D5 : 1N4148
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D6 : 1N4148
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D7 : 1N4148
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D8 : 12V-1W Z-Diode
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D9 : 2.7V/.5W Z-Diode
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F1 : 1A Euro type 3mm FUSE - In panel fuse holder
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IC1 : LM324N OP AMP
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IC2 : L146CB Positive VOLTAGE REGULATOR - [ LM723 can be used ]
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KK1 : FK222 HEATSINK Botton of the alluminium case
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LED1 : Red LED 5MM
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M1 : AAM Analog Panel Ammeter - [ 130 µA to 1 mA / fs, can be used ]
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M2 : AVM Analog Panel VOLT-METER - [ 130 µA to 1 mA / fs, can be used ]
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P003 : 10K Trimmer POTENTIOMETER
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P004 : 10K Trimmer POTENTIOMETER
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Q1 : BD441 TO126AV NPN TRANSISTOR
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Q2 : MJ3001 TO3 NPN Darlington Transistor
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R1 : 12K 1/4 W Resistors
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R2 : 18K
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R3 : 1K
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R4 : 1K
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R5 : 3.3K
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R6 : 3.3K
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R7 : 2.7K
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R8 : 27K
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R9 : 1K
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R10 : 3.3K
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R11 : 1K
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R12 : 10K
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R13 : 270
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R14 : 3.3K
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R15 : 1.8K
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S1 : Pull-On Switch, part of VR1 Potentiometer
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TR1 : 70W Step-Down TRANSFORMER - Pri: 120VAC, Sec1 18VAC @ 0,2A = Sec2 27VAC @ 2,5A
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VR1 : 10K Lin + S1 Panel POTENTIOMETER - With Pull-On Switch
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VR2 : 250K Log Panel POTENTIOMETER
Completado Comple tado el entorn entornoo básico básico:: Pr Presentac esentación, ión, fotografía, fotografía, dato datoss técnico técnicos, s, diagr diagramas amas lista de partes (Les sugiero que no compren nada antes de haber leído todo el contenido de este texto), les suministro unos cuantos detalles que considero serán útiles y conducentes al éxito de esta misión, y los cuales no se evidencian ni en diagramas ni en fotografías.
CABLE CRÍTICO Le he dado ese nombre porque, de verdad, es el componente más CRÍTICO contenido en este dispositivo. Parece un simple cable y eso es cierto, "Es Un Simple Cable" pero, de él depende la magia del sistema de "Limitación de Corriente y del Sistema de protección". Al comienzo de este proyecto pensé en utilizar un resistencia, tal cómo la pintan en todos los circuitos de fuentes de poder (Bueno... Casi Todos.). Pero las resistencias limitadoras o, las utilizadas como schunts amperimétricos, al ser atravesadas por corrientes elevadas, se calientan y, aún cuando no lleguen a quemarse, su resistencia se eleva por efecto del calor y comienza así una escalada térmica, casi infinita. Así que busqué una resistencia que no sufriera de calenturas y lo único que pude encontrar que cumpliera con esas característica, fue eso, UN ALAMBRE, o un cable, claro está. En el primer intento dibujé una pista calibrada en el PCB, de 0,008O, y eso se hizo para las primeras 100 fuentes. Luego pensé: para qué tanto lío, un cable también puede servir. Así que, sacando cuentas y verificando datos vi que
la resistencia del cable AWG #22 es de 52.9392 O / Km. Por lo tanto, 1 m tendrá una resistencia de 0,05294 O y el "CABLE CRÍTICO" de 14,5 cm, tendrá una resistencia de 0,0077 O, aproximadamente. Un poquito menor de los 0,008 O calculados al comienzo. Así que ese trozo de CABLE ROJO calibe 22 que parte de la patilla Emisor del Transis Transistor tor Bypass, suministra al circuito su característica resistiva, más que la conductiva (El color ROJO es para seguir los convenios de definición acordados para marcar los conductores asignados al polo POSITIVO de las fuentes de energía eléctrica).
Sistema de protección y limitación de corriente de salida De estas funciones se encargan 2 de los 4 OP-Amps. contenidos por IC1: LM324. Se utilizó este IC por la única razón de que, en stock, tenía un montón de ellos. Cualquier Op-Amp. de alimentación sencilla (Single Supply OP-Amp.), sólo, doble o cuádruple cómo en este caso, servirá para cumplir con este cometido. Sólo se debe tomar en cuenta que, con un IC de OPAmp. único, se deberán utilizar dos piezas, mientras que, con ICs múltiples se utilizará sólo una pieza. Sugiero el uso del LS204, dual OP-Amp. en empaque DIL8, cómo alternativa. Los dos Amplificadores Operacionales cumplen funciones similares. IC1c, lee la tensión generada por la corriente que atraviesa el Cable Crítico (Resistencia Amperimétrica) y, en configuración de amplificador, amplificador, la eleva para mover la aguja del galvanómetro "A". IC1b está confi configurado gurado como Comparador Comparador de volt voltaje, aje, con Vref. variable regulado por VR2, para poder limitar la corriente máxima entregada por la fuente a voluntad y en forma variable continua entre los 0,013 y los 2,0A. En la sección "AJUSTES", será detallada la manera correspondiente para hacerlos.
Potenciómetros para regulación de Tensión y Corriente Potenciómetros VR1 debe ser un potenciómetro de variación lineal, de otra forma será muy incómodo ajustar ciertos voltajes. VR2 en cam cambio bio,, deb debee ser del tip tipoo LOG LOGARÍ ARÍTMI TMICO CO pues pues,, ser sería ía inc incómo ómodo do aju ajusta starr cie cierta rtass corrientes.
Transistor By-Pass Q2 Se ha utilizado un transistor MJ3000/3001 que es un Darligton NPN bastante común, bipolar. El conocido 2N3055 también funciona pero, debido al bajo "hfe" (Beta) de este transistor, se
eleva la corriente que debe entregar IC2, lo cual hace que este se caliente, pero sin llegar a temperatura temper aturass alarm alarmantes. antes. Preferí Preferí utilizar utilizar un darligton y, y, como ese estab estabaa a la mano y en stock, ese cumplió con los requisitos: capacidad, existencia y disponibilidad inmediata. Otros tipos pueden funcionar: A la discrecionalidad de quien desee experimentar con ello
queda. No pregunten acerca del tema pues, no tengo respuestas.
Disipación de Calor Para disipar el calor producido por los 80W "máximos" que se pueden generar en condiciones críticas (Ej: Corto Circuito Permanente directo en los bornes de salida), experimenté con diferentes difere ntes tipos de disipa disipadores dores disponibles disponibles en el mercado. Los que presentaron los mejores resultados eran de dimensiones grandes e igual de grandes sus costos. El criterio de selección empleado fue el de ergonomía de espacio, costo y funcionalidad: "Se debía instalar el dispositivo electrónico en un gabinete que facilitara el soporte de sus componentes, el cont co ntro roll de la lass fu funci ncion ones es,, mue muest stra ra de op oper erat ativ ivid idad ad y le lect ctur uras as (L (LED ED,, Am Amper perím ímet etro ro y Voltímetro, Controles, Conectores); protección de los mismos y del operador, ubicación en bancos de trabajo, manipulación y solidez.". En primera instancia y, por razones de costo y solidez, había decidido construir el gabinete con lámina de hierro pero, tomando en cuenta las dimensiones necesarias necesarias para el gabine gabinete te (caja) y las características de propagación térmica de los metales, me di cuenta que la superficie de la base del mismo, superaba con creces la de los disipadores de calor con los cuales se estaba experimentando y que, si aquellos eran de aluminio y el gabinete fuese del mismo mis mo met metal, al, los res result ultado adoss pod podría ríann ser muy fav favora orable bless en cua cuanto nto al cos costo/ to/ben benefi eficio cio esperado. Así que, EL DISIPADOR de esta fuente de poder, está conformado por la base del gabinete, hecho en lámina de aluminio de 1,5 mm de espesor y cuyo desarrollo superficial es de 600 cm cuadrados aproximadamente. Esa superficie está pintada, por ambas caras, con esmalte sintético debido a que este tipo de pintura, facilita la distribución del calor disminuyendo considerablemente la resistencia térmica entre disipador y ambiente.
Instrumentos Inicia Ini cialmen lmente, te, par paraa la pri primer meraa fue fuente nte que ens ensamb amble le con el KIT, ins instal taléé Amp Amperí erímet metro ro y Voltímetro como el que se ve en la fotografía de la FL01 de la primera página. Es un VU-
Meter doble al cual convertí la escala para adaptarlo a mis necesidades. Un prototipo intermedio fue construido con instrumentos separados, galvanómetros del tipo "Banda de Torsión" de 5" (12,5 cm) de dial, con escalas selectables y otros refinamientos. Este prototipo resultó ser muy costoso y, entre colaboradores, patrocinadores y mi persona, decidimos buscar una solución más económica. Se eligió utilizar el mismo instrumento del primer prototipo. Este es un instrumento de bajo costo y resultó fácil de conseguir como Excedentes de producción. Sus galvanómetros son sensibles - 200 µA aprox. - y sólo se debe convertir la escala. Si no se puede contar con uno de estos instrumentos, se puede utilizar cualquier instrumento < 1 mA f.s., tomando en cuenta las indicaciones siguientes: Voltímetro: Volt oltíme ímetro tro ana analóg lógico ico par paraa pan panel el de 0~3 0~30VD 0VDC C Se con conect ectaa en los nod nodos os 13
(positivo) y 14 (negativo). No requiere ajustes y se puede prescindir de R2 y P004. Amperímetro: Amperímetro analógico para panel de 0~2A - Este tipo de instrumentos
básicamente son galvanómetros de 1 mA f.s., con una resistencia Shunt en paralelo a sus terminales. Si el SHUNT es externo (atornillado a los bornes de instrumento), simplemente se retira. Conectar el +(positivo) al nodo 7 y el -(negativo) al nodo 8. Requiere ajuste que será descrito en la sección correspondiente.
Si se consigu consiguee un amperímetro amperímetro de panel de 0~2A pude utilizarse utilizarse direct directamente amente sustituyendo sustituyendo con él, el CABLE CRÍTICO. En este caso, se puede prescindir de R3, R4, P003 e IC1c.
Generalidades Los datos aportados aquí delante son los únicos que pueden presentar cierta dificultad, sobre todo para los princi principiante piantess con niveles bajos de experi experiencia. encia. Por lo demás, la circuitería circuitería es bastante simple y, utilizando los mismos componentes, placa de Circuito Impreso propuesta, junto al cuidado y observación de simples normas de ensamblaje y ajustes, terminará en un resultado exitoso con un buen equipo para soportar infinidad de proyectos y reparaciones. Aquellos que tienen suficiente experiencia acumulada y, a su propio criterio, sabrán decidir respecto de cambios y/o modificas diferentes a las propuestas aquí, siempre a sus propias cuentas y riesgos.
Después de concluido el ensamblaje, sólo nos resta probar y hacer unos pocos ajustes: Pruebas: 1.
Si el voltímetro utilizado fuese uno estándar de 0~30V, 0~30V, podemos comenzar las pruebas sin otros particulares que observar. Si se ha utilizado un galvanómetro como el descrito aquí, convertido a voltímetro, lo primero que debemos hacer es conectar un multímetro analógico o digital a los bornes de salida de la fuente, fijado en una escala que supere los 30V. 30V. Conectar la fuente a la línea, poner el potenciómetro VR1 (control de voltaje) en la posición mínima (CCW), todo a la izquierda; el potenciómetro VR2 (control de corriente) a su posición máxima (CW), todo a la derecha. Encender la fuente un instante y apagar. En el lapso encendido y apagado se debe veri ve rifi fica carr qu quee no de debe berí rían an ha habe berr ma mani nife fest stac acio ione ness de ni ning ngún ún ti tipo po:: Rui uido do,, hu humo mo,, desplazamiento de instrumentos, etc.. Si no parece haber ninguna manifestación extraña, encendemos la fuente procediendo a incrementar VR1. A la mitad del recorrido ya se deberí deb eríaa no notar tar un des despla plazam zamien iento to de la agu aguja ja del vol voltím tímetr etroo int intern ernoo y del ext extern ernoo también. Desplazando VR1 al máximo de su recorrido, deberíamos tener una lectura cercana a los 30VDC en el voltímetro externo, por lo menos.
2.
Una vez probado esto, pasamos a la siguiente prueba y esta será para verificar la corriente máxima que circulará por el dispositivo. Fijar la tensión de salida en unos 2V. Desconectar el multímetro externo y prepararlo cómo amperímetro, preferiblemente en la escala de 10A o, en todo caso, una escala superior a los 3 A. Fijar la punta negativa (-) al borne negativo (negro) de la fuente. Tocar brevemente el borne positivo (rojo) de la fuente con la punta positiva (+) del multímetro, notando el desplazamiento del instrumento M1 (AAM), amperímetro interno, tomando en cuenta su lectura.
Ajustes: 1.
Para ajustar el voltímetro M2 (AVM), (AVM), retomemos todo el proceso descrito en "Pruebas" 1. Fijamos los 30V en el multímetro y, mediante el trimmer P004 llevamos la aguja de M2 hasta el fondo escala del mismo. OJO: Este ajuste sólo es válido para instrumentos convertido, como el descrito en el diagrama original.
2.
Ajuste del Amperímetro M1- OJO: Este ajuste sólo es válido para instrumentos convertido, como co mo el des descri crito to en el dia diagra grama ma ori origin ginal. al. Reto etomem memos os tod todoo el pro proces cesoo des descri crito to en "Pruebas" "Pru ebas" 2. Ahora conectamos el multímetro externo, en función de amperímetro y lo dejamos fijo con lectura de 2A. Si la lectura excede o no alcanza este nivel, se desconecta una punta del multímetro, se toma un cautín y, y, si la lectura es excedente (Va más allá de los 2A), se procede a alargar un poco el CABLE CRÍTICO, en el punto de contacto con el terminal del borne rojo. Si, la lectura no alcanza los 2A, la operación será inversa: se reducirá un poco el CABLE CRÍTICO. Ahora ajustaremos la lectura del Amperímetro Interno. Con lectura de 2A en el multímetro, se ajustará P003 hasta que la aguja alcance la línea de fondo escala en M1. Ahora se podrá comprobar el funcionamiento del limitador de corriente, mediante VR2. Con tensión de salida de 2V, 2V, conectar el multímetro en función amperios descrita antes, a los bornes de salida Debería Deb ería marcar 2A como se indicó antes. Variar VR2 moviéndolo al contrario de la agujas del reloj (CCW). Se debería percibir un descen des censo so de la co corri rrient entee de sal salida ida,, tan tanto to en el mu multí ltímet metro, ro, como en el Am Amper perímt ímtro ro interno. En la posición mínima del control, la corriente debería indicar 0,013 A, siempre y cuando se haga el ajuste con un multímetro digital.
Operación: 1.
Ajuste de la tensión de salida: Mediante VR1 se llevará la aguja del Voltímetro hasta la tensión requerida.
2.
Limitación de la corriente de salida: Fijada la tensión requerida, se cortocircuitan los borne de salida y se varía VR2 hasta que el amperímetro indique la máxima corriente que se desea que suministre la fuente. Se retira el cortocircuito y se aplica mediante cables al dispositivo que se desea alimentar. Ante cualquier eventualidad, la corriente no podrá superar la meta fijada.
En general, este dispositivo se opera a corriente máxima: VR2 a tope derecho (CW).
Interior
Parte trasera
