FUENTE REGULABLE R EGULABLE DE VOLTAJE VOLTAJE
I.
Introducción ión La cor corrie riente nte alt altern erna a es la más usada en la actualidad por su fácil distribución distribución,, pero muchos de los componentes electrónicos que usamos necesitan de corriente continua para su funcionamiento. Es por ello que es necesaria la fuente de alimentación alimentación.. Ésta es capaz de transformar la corriente alterna (220v o 0v en al!unos al!unos pa"ses# a corriente corriente continua a trav$s trav$s de procedimientos procedimientos que que se e%plicaran más adelante. Las carac aracte ter" r"st stic icas as de
una una
fuen fuente te alim alimen enta tacción ión
son disti istint nta as
dependiendo del uso que se le va&a a dar as" como ase!urar la estabilida idad del circu rcuito. Es por eso que e%is e%istten sin n'mero de fuentes fuentes alimentación on distintos dise)os orientados a diferentes usos & e%plicaremos una de todo ese !rama*e de fuentes que e%isten. +n parámetro de la corriente el$ctrica a el$ctrica a tener en cuenta a la hora de traba*ar con las fuentes fuentes de de alimentación alimentación es es la potencia potencia.. or esta 'ltima vamos a entender a aquella ener!"a que consume un elemento durante se!undo. La unidad de medida empleada es el -att, cu&a si!la es - & pronunciada tambi$n como vatio. Este nombre se le dio en honor al inventor e in!eniero mecánico escoc$s ames -att (/1 34# & la misma forma parte tambi$n del 5istema 6nternacional de 7edidas. 7edidas .
II. OBJETIVOS
2.. onocer todos los componentes que se utilizan en una fuente de re!ulación variable. 2.2. oner en práctica todo lo hecho en clase. 2.. 5aber el uso de cada componente & sus respectivas caracter"sticas. 2.8. 9prender a simular circuitos electrónicos.
III. III. MA MARC RCO O TEÓ TEÓRI RICO CO III III.1 .1.. DIAGRA DIAGRAMA MA DE BLO BLOUE UES S DE UNA FUENTE FUENTE DE ALIMENT LIMENTA ACIÓN CIÓN :ásicamente, una fuente de tensión consta de 8 partes; • • • •
o
El transformador ircuito rectificador ircuito de filtro
7uchas fuentes utilizan un circuito de protección el cual nos alerta si ha& sobrecar!as en el circuito utilizando un diodo LE=, su utilización no interfiere en nin!uno de los procesos procesos de de la fuente (transformación, rectificación, filtrado, re!ulación#. En el si!uiente !rafico se observa el esquema de las partes de una fuente;
2.. onocer todos los componentes que se utilizan en una fuente de re!ulación variable. 2.2. oner en práctica todo lo hecho en clase. 2.. 5aber el uso de cada componente & sus respectivas caracter"sticas. 2.8. 9prender a simular circuitos electrónicos.
III. III. MA MARC RCO O TEÓ TEÓRI RICO CO III III.1 .1.. DIAGRA DIAGRAMA MA DE BLO BLOUE UES S DE UNA FUENTE FUENTE DE ALIMENT LIMENTA ACIÓN CIÓN :ásicamente, una fuente de tensión consta de 8 partes; • • • •
o
El transformador ircuito rectificador ircuito de filtro
7uchas fuentes utilizan un circuito de protección el cual nos alerta si ha& sobrecar!as en el circuito utilizando un diodo LE=, su utilización no interfiere en nin!uno de los procesos procesos de de la fuente (transformación, rectificación, filtrado, re!ulación#. En el si!uiente !rafico se observa el esquema de las partes de una fuente;
III.! . EL TRANSFORMADOR ermite aumentar o disminuir el volta*e & la intensidad de una corriente alterna de forma tal que su producto producto permanezca permanezca constante (&a que la potencia potencia que que se entre!a a la entrada de un transformador ideal, esto es, sin p$rdidas, tiene que ser i!ual a la que se obtiene a la salida# manteniendo la frecuencia (10 >z#. >a& que aclarar que los transformadores transformadores solamente solamente son capaces de traba*ar con corrientes alternas, por lo que nos vamos a encontrar que tanto la tensión de entrada como la de salida serán siempre alternas. ?"sicamente, la construcción del transformador es mu& sencilla. @a a constituir de un n'c n'cleo leo de hierro (us (usado ado con el fin fin de que las las l"ne l"neas as del campo ma!n$tico que ma!n$tico que se cree queden encerradas en $l# al cual se le van a hacer dos enrollados de alambres. 9 uno de ellos (por donde entra la corriente# se le va a conocer por primario & al otro (por donde sale la corriente &a transformada# por secundario. 9mbos 9mbos van a estar hechos con alambre aislado con la diferencia de que el aislamiento del secundario no suele estar preparado para tensiones altas.
Los enrollados son completamente independientes por lo que vamos a ver que la ener!"a el$ctrica se transmite del primario al secundario haciendo uso del principio de inducción electroma!n$tica a trav$s del n'cleo. La corriente que circula por el enrollado primario va a inducir una corriente ma!n$tica a trav$s del n'cleo de hierro del transformador. La fuerza de dicha corriente será directamente proporcional a la cantidad de vueltas (llamadas espiras# del enrollado primario. Aos vamos a encontrar con que en el enrollado secundario el proceso es inverso. 9qu" el ma!netismo presente en el n'cleo de hierro del transformador va a !enerar una corriente alterna en dicho enrollado, cu&a tensión tambi$n será directamente proporcional al n'mero de espiras del mismo. 5e puede hacer la prueba de acercar un imán a un transformador para sentir como vibra. Esto se debe a que la corriente ma!n$tica del n'cleo, al i!ual que la corriente de los enrollados del transformador, es alterna. omo se e%plicó anteriormente, la tensión de salida de un transformador va a !uardar una estrecha dependencia con la tensión de entrada as" como con el n'mero de vueltas o espiras de ambos enrollados. Esta relación la podemos e%presar a trav$s de cualquiera de la si!uiente fórmula; V 1 n 1 = … ec 1 V 2 n 2
=onde @ & @2 son las tensiones (e%presadas en voltios# de entrada & salida respectivamente. A representa la cantidad de espiras del enrollado primario & A2 las del secundario. ara saber que tensión de salida nos dará un transformador, podemos despe*ar la ecuación anterior; B ec 2 Esto trae como consecuencia que estemos en presencia de un transformador reductor. 5i, por el contrario, se diese el caso de que A2CA entonces la tensión del secundario será ma&or que la del primario & estaremos en presencia esta vez de un transformador elevador. uando a un transformador real se le hace circular una corriente por su enrollado primario, va a suceder que una peque)a porción de su campo ma!n$tico !enerado escape del n'cleo de hierro. En muchos casos se suele
introducir una modificación a dicha fórmula con el fin de que arro*e un resultado lo más e%acto posible. 5i lo que conocemos es la tensión de salida del transformador & necesitamos hallar la tensión de entrada que sea capaz de producir la misma, despe*amos & obtenemos; Bec En ocasiones nos vamos a encontrar con transformadores confeccionados por otros fabricantes, como por e*emplo, el si!uiente;
En estos casos vamos a conocer la relación de transformación entre la tensión de entrada & la de salida pero no tendremos información de la cantidad de espiras de nin!uno de los dos enrollados. En tales circunstancias podremos hallar la relación e%istente entre las espiras de dichos enrollados. >asta ahora solamente se ha hablado de la relación de la tensión presente en el transformador, sin embar!o, e%iste tambi$n una relación entre la intensidad de la corriente que circula por cada uno de los distintos enrollados del mismo. Esta la podemos representar como; B ec 8 =onde 6 es la intensidad de la corriente presente en el enrollado primario & la del secundario es representada por 62. 5e puede apreciar como ambas intensidades de la corriente tambi$n van a depender del n'mero de las espiras pero esta vez, de forma inversamente proporcional. 5i quisi$ramos calcular la intensidad de corriente que circula por el enrollado primario, pudi$ramos despe*ar en (8# & obtener;
Bec D Esta fórmula nos ser"a de mucha utilidad tambi$n, a la hora de calcular un
"u#i$%& con el ob*etivo de ser usado a la entrada del transformador. eniendo el valor de la corriente del enrollado primario podemos determinar qu$ tipo de fusible ser"a factible usar. ara esto debemos esco!er uno que ten!a un valor al menos un 0F ma&or que el resultado. 5er"a bueno hacer notar aqu" que siempre que se va&a a seleccionar o a construir un transformador, la intensidad de la corriente que este sea capaz de entre!ar, tendrá que ser siempre ma&or que la que consumirá el circuito que se desea alimentar.
III.' . EL RECTIFICADOR El rectificador es el encar!ado de convertir la tensión alterna que sale del secundario del transformador en tensión continua. =ebido a esto va a estar ubicado a la salida del mismo & lo vamos a poder encontrar de tres formas o confi!uraciones básicas distintas, las cuales son; • • •
7edia onda. Gnda completa con derivación central. Gnda completa.
uando se le suministra tensión alterna a la entrada de un rectificador & no e%iste nada conectado a su salida de tensión continua, se dice que está traba*ando en vac"o. uando a dicha salida se le conecta al!'n equipo se dice que funciona en car!a. ara realizar la función de rectificación de la corriente se va a hacer uso del diodo semiconductor. El s"mbolo del diodo es el si!uiente;
Este componente electrónico (considerado como discreto# es el dispositivo semiconductor más sencillo que e%iste & lo podremos encontrar, prácticamente en cualquier circuito electrónico. El diodo va a conducir cuando la tensión de su
ánodo sea ma&or que la de su cátodo. @a a permitir la circulación de corriente entre sus terminales en un determinado sentido, mientras que la va casi que anular en el sentido contrario. El sentido permitido va a ser de ánodo a cátodo & podemos ver como la flecha de su s"mbolo lo indica. E%ternamente puede presentársenos de muchas maneras, por e*emplo;
uando un diodo está conduciendo va a e%istir una diferencia entre la tensión que entra por el ánodo & la que sale por el cátodo. Gcurrirá una ca"da de tensión que estará entre los 0./ & voltios & pudiera ser ma&or en dependencia de la corriente que est$ circulando por $l. En resumen se puede decir que por cada diodo que se encuentre conduciendo en un momento determinado ocurrirá una perdida apro%imada de voltio en lo que respecta a la tensión de pico. La fabricación del diodo es mu& sencilla. La misma ocurre cuando se unen dos materiales semiconductores con caracter"sticas opuestas que, se!'n sean estas, se les denomina material & material A.
Los materiales de tipo A se van a caracterizar por tener impurezas que a!re!an electrones libres. or otro lado, los materiales de tipo presentan impurezas que carecen de electrones, o sea, están compuestos por HhuecosH (en al!unas literaturas se les nombra tambi$n como Hla!unasH#. uando se unen de forma f"sica, estos dos materiales, se forma lo que se conoce como *untura A. Es precisamente en este momento de la fabricación donde se produce el fenómeno de la difusión. La difusión provoca que los electrones & los huecos cercanos a la unión (*untura A# crucen de un lado para el otro & se instalen, cada uno, en la zona contraria. Este movimiento va a estar sucediendo hasta que la *untura adquiera un ancho determinado & que es considerado como un semiconductor homo!$neo & estabilizado.
asemos ahora a ver detalladamente la implementación del diodo semiconductor en cada una de las distintas confi!uraciones de rectificadores.
III.'.1 R&cti"ic(dor d& )&di( ond( Este constitu&e el más sencillo de todos & !eneralmente se usa sólo para aplicaciones de ba*a corriente o de alta frecuencia. omo se puede apreciar en el si!uiente esquema, en el mismo se va a hacer uso solamente de un diodo.
9qu" se ha puesto la resistencia < para simular la car!a del circuito. @eamos a continuación
las !ráficas que
se
mostrar"an
si
midi$ramos
con
un osciloscopio en los puntos & 2.
En la !ráfica del punto vamos a poder ver la onda sinusoidal caracter"stica de la tensión alterna. En el punto 2 se observa como el diodo va a conducir solamente cuando el volta*e de salida del transformador es positivo (que es cuando la tensión del ánodo será ma&or que la del cátodo#, mientras que en caso contrario, no conducirá & la tensión resultante será de 0 voltios. En este modelo de rectificador va a conducir solamente un diodo a la vez, por lo tanto la tensión de pico (@ma%# de su salida será apro%imadamente de voltio inferior a la de su entrada. 9unque con este m$todo se lo!ra rectificar la tensión, &a que siempre la misma será positiva, el volta*e que nos dará dista mucho de ser i!ual al de una bater"a & aunque se puede me*orar la calidad del mismo a trav$s de filtros, este dise)o no se suele encontrar mucho.
III.'.1.1
V(%or *ro)&dio d&% +o%t(,& d& #(%id( d& )&di( ond(
El valor promedio del volta*e de salida rectificado de media onda es el valor que se medir"a con un volt"metro de cd. 7atemáticamente, se determina calculando el área ba*o la curva correspondiente a un ciclo completo, & lue!o dividiendo entre pi, el n'mero de radianes de un ciclo completo. El resultado se e%presa en la ecuación si!uiente; Vprom=
Vp π
=onde @p es el valor pico del volta*e. Esta ecuación muestra que @prom es apro%imadamente .3F de @p con un volta*e rectificado de media onda.
III.'.1.!
E"&cto d&% *ot&nci(% d& $(rr&r( &n %( #(%id( d& un r&cti"ic(dor d& )&di( ond(
En análisis previo, el diodo se consideró ideal. uando se utiliza el modelo práctico del diodo con el potencial de barrera de 0./ @ tomado en cuenta, sucede lo descrito a continuación; =urante el semiciclo positivo, el volta*e de entrada debe superar el potencial de barrera para que el diodo se polarice en directa. Esto produce una salida de media onda con un valor pico 0./ @ menor que el valor pico de la entrada. La e%presión para el volta*e de salida pico es; Vp ( sal )= Vp ( ent )− 0.7 V
III.'.1.'
Vo%t(,& d& *ico in+&r#o -IV/
El +o%t(,& d& *ico in+&r#o -IV/ es i!ual al valor pico del volta*e de entrada & el diodo debe ser capaz de soportar esta cantidad de volta*e en inversa repetitivo. ara el diodo, el valor má%imo del volta*e en inversa, desi!nado como 6@, ocurre al valor pico de cada alternación ne!ativa del volta*e de entrada, cuando el diodo está polarizado en inversa. PIV =Vp ( ent )
III.'.! R&cti"ic(dor d& ond( co)*%&t( con d&ri+(ción c&ntr(% Este dise)o, si lo comparamos con el de onda completa de puente de diodos, podemos decir que disipa menos potencia, necesita menos espacio & es más
económico. odo esto se debe a que solamente hace uso de dos diodos, presentando as", menos impedancia.
omo se puede observar en el esquema anterior, este dise)o necesita de un transformador con cone%ión suplementaria en la mitad del enrollado secundario. La forma de la onda !enerada en el punto es i!ual a la que se obtiene en un rectificador de puente de diodos. Las se)ales de tipo alterna sinusoidal tomadas en los puntos & 2 presentan las formas si!uientes;
=ebido al desfasa*e de las tensiones en los puntos & 2 nunca ambos diodos podrán conducir a la vez. uando la tensión en sea positiva (en 2 es ne!ativa# habrá ma&or tensión en el ánodo de = que en su cátodo provocando que este diodo conduzca. or el contrario, cuando la tensión en 2 sea positiva (en es ne!ativa# ocurrirá lo mismo con el diodo =2. En este modelo de rectificador solamente va a conducir un diodo cada vez. El V(%or *ro)&dio d&% +o%t(,& d& #(%id( es; Vprom=
2 Vp
π
El +o%t(,& d& #(%id( será; Vsal=
Vsec 2
− 0.7 V
El +o%t(,& d& *ico in+&r#o será; PIV =2 Vp ( sal ) + 0.7 V
III.'.' R&cti"ic(dor d& *u&nt& d& ond( co)*%&t( Es este el más utilizado & su esquema electrónico es el si!uiente;
5e puede apreciar cómo se combinan los cuatro diodos para obtener una tensión de salida, aunque todav"a no va a ser estable. En la misma ima!en se puede ver la onda de salida que se produce en el punto . uando la entrada de corriente alterna que entra al rectificador es positiva, los diodos =2 & = conducen provocando que el rizado de la onda de salida sea i!ual a la de la entrada. En el caso contrario, cuando la tensión de entrada es ne!ativa, conducen = & =8, de esta forma se invierte la tensión de entrada & provoca que el rizado de la onda sea i!ual a la forma anterior & vuelva a ser positiva En este rectificador de puente siempre van a estar conduciendo dos diodos a la vez (se dice que conducen dos a dos# por lo que, en este caso, la tensión de pico (@ma%# de la salida será de 2 voltios menor que la de la entrada. 9unque la p$rdida aqu" sea ma&or que en el modelo de media onda elaborado con un solo diodo, el dise)o de puente con cuatro diodos posee mucho me*or rendimiento. Esta forma de rectificar es tan com'n que muchos fabricantes van a ofertar estos diodos preparados &a en un solo componente llamado puente rectificador. Es por eso que los podremos encontrar en el mercado de muchas formas, dise)os & caracter"sticas diferentes, por e*emplo;
@an a presentar cuatro terminales, dos para la entrada de tensión alterna proveniente del transformador & dos para la salida de la tensión rectificada (uno para el positivo & otro para el ne!ativo#. 5e puede apreciar en los e*emplos
anteriormente mostrados que estos encapsulados van a tener marcas que identifican cada terminal, estas pueden ser; I ara las dos entradas de tensión alterna. J ara la salida positiva. ara la salida ne!ativa. El uso de estos puentes rectificadores, como alternativa al uso de cuatro diodos, se hace mu& factible &a que van a ocupar menos espacio en las placas impresas. En el caso de que el puente ven!a dise)ado para soportar !randes corrientes, va a venir preparado además para ser montado en un disipador de calor . >emos podido ver, en los diferentes esquemas que muestran las formas de ondas ori!inadas por el osciloscopio, como la tensión del rectificador que lle!a a la car!a (en estos circuitos representada por la resistencia <# es en forma de pulsos. uando nos detenemos a analizar un ciclo completo vemos que la tensión aumenta de cero a su valor de pico (@ma%# para posteriormente caer nuevamente a cero .
III.'.'.1
Vo%t(,& d& #(%id( d&% *u&nt&
En la fi!ura se muestra un rectificador de puente con una entrada acoplada por transformador. =urante el semiciclo positivo del volta*e total del secundario, los diodos = & =2 están polarizados en inversa. 5i se omiten las ca"das en los diodos, a trav$s del resistor de car!a aparece el volta*e del secundario. Lo mismo es cierto cuando = & =8 están polarizados en inversa durante el semiciclo
ne!ativo.
omo se puede ver en la fi!ura, dos diodos siempre están en serie con el resistor de car!a, tanto durante los semiciclos positivos como durante los semiciclos ne!ativos. 5i estas ca"das de diodo se toman en cuenta, el volta*e de salida es; Vp ( sal )= Vp ( sec )−1.4 V
III.'.'.!
Vo%t(,& d& *ico in+&r#o
5upon!a que = & =2 están polarizados en directa & e%amine el volta*e en inversa a trav$s de = & =8. 5i = & =2 se visualizan como cortos (modelo ideal#, se puede ver que = & =8 tienen un volta*e de pico inverso i!ual al volta*e del secundario pico. omo el volta*e de salida es idealmente i!ual al volta*e secundario PIV =Vp ( sal )
5i las ca"das de los diodos polarizados en directa se inclu&en, el volta*e de pico inverso a trav$s de cada diodo polarizado en inversa en función de @p (sal# es; PIV =Vp ( sal )+ 0.7 V
III.0
EL FILTRO
La ma&or parte de los equipos electrónicos necesitan una verdadera tensión continua, siendo la misma aquella donde la ma!nitud de @ma% sea constante en todo momento (similar a la que es producida por una bater"a#. ara lo!rar esto se usa la etapa de filtrado. La etapa de filtrado más sencilla & por ende, más com'n con la que nos vamos a encontrar en la ma&or"a de los casos es el condensador a la entrada. Los condensadores (tambi$n conocidos por el nombre de capacitores# son componentes electrónicos cu&a construcción es mu& simple, &a que los mismos van a estar formados por dos placas metálicas de determinado tama)o separadas a una cierta distancia por un material aislante o diel$ctrico (sustancia esta que es mala conductora de la electricidad & que presenta la propiedad de amorti!uar la fuerza de un campo el$ctrico que la atraviese, puede ser aire, mica, papel, aceite, cerámica, etc.#. El s"mbolo con que es representado en los planos electrónicos es el si!uiente;
La capacidad del condensador solamente va a depender de forma directamente proporcional del área de las placas e inversamente proporcional de la separación e%istente entre las mismas. En cuanto a tecnolo!"as de fabricación, se puede decir que e%iste una !ran variedad en lo que a capacitores se trate. =entro de esta enorme !ama podremos encontrar los llamados electrol"ticos, los cuales son los de ma&or capacidad. Estos deben su nombre a que la capa aislante entre las placas se fabrica de un papel absorbente humedecido con ácido electrol"tico. =urante la fabricación se les hace circular una corriente el$ctrica entre sus placas para crear una reacción qu"mica que producirá una capa de ó%ido sobre las placas metálicas, constitu&endo este, el verdadero diel$ctrico del capacitor. En la fi!ura si!uiente podemos ver detalladamente la estructura interna e%plicada anteriormente, as" como e*emplos del aspecto e%terior de dos capacitores electrol"ticos.
omo se puede apreciar, este capacitor es polarizado, en estos casos su representación en los planos electrónicos se realiza con al!uno de los si!uientes s"mbolos;
En la ima!en anterior se observa cómo es identificado cada terminal polarizado del capacitor electrol"tico con un ras!o diferente. 9unque en estos e*emplos
presentados se ha a)adido el si!no positivo, en muchos planos no se inclu&e este & se de*a su identificación solamente por el dise)o del !ráfico. ara la construcción del filtro en cuestión, lo 'nico que se tendr"a que hacer es a)adir un condensador electrol"tico en paralelo a la salida de la etapa rectificadora, o sea, paralelo a la entrada de la car!a, de esta forma;
9unque se ha querido usar para ilustrar este e*emplo el modelo de rectificador de puente de diodos, es bueno se)alar que este m$todo de filtrado es válido para todos los demás modelos e%plicados anteriormente. La diferencia de usar uno u otro se pudiera refle*ar en el rizado de la onda obtenida. En estos casos el condensador se va a car!ar con una tensión apro%imadamente i!ual a la tensión de pico del enrollado secundario del transformador, &a que habr"a que tener en cuenta la ca"da que producen los diodos. ara rizados de ondas menores se recomienda usar otro tipo de filtrado, incluso incluir un estabilizador.
III.0.1 Vo%t(,& d& rio
omo &a vio, el capacitor se car!a con rapidez al inicio de un ciclo & lentamente se descar!a a trav$s de la car!a despu$s del pico positivo del volta*e de entrada (cuando el diodo está polarizado en inversa#. La variación del volta*e del capacitor debido a la car!a & descar!a se llama +o%t(,& d& rio. En !eneral, el rizo es indeseableK por lo tanto, mientras más peque)o sea el rizo, me*or será la acción de filtrado. ara una frecuencia de entrada dada, la frecuencia de salida de un rectificador de onda completa es dos veces la de un rectificador de media onda. Esto hace que el volta*e de un rectificador de onda completa sea más fácil de filtrar debido al tiempo más corto entre picos. uando está filtrado, el volta*e rectificado de onda completa tiene un rizo más peque)o que un volta*e de media onda con los mismos valores de resistencia de car!a & capacitor. El capacitor se descar!a menos durante el intervalo más corto entre los pulsos de onda completa.
III.0.! F(ctor d& rio El factor de rizo ( r # es una indicación de la efectividad del filtro & se define como;
=onde Vr ( pp# es el volta*e de rizo pico a pico & V = es el valor de cd (promedio# del volta*e de salida del filtro. 7ientras más ba*o es el factor de rizo, me*or es el filtro. El factor de rizo puede reducirse incrementando el valor del capacitor del filtro o incrementando la resistencia de car!a. 9 la hora de seleccionar el capacitor se debe tener en cuenta no solo el valor de su capacidad sino tambi$n la tensión para la que fue dise)ado. uando es usado un capacitor en una tensión mucho menor que para la que fue hecho, está casi sin polarización de corriente continua. Este hecho provoca el deterioro de la capa de ó%ido & la consecuente falla del circuito en el que est$ insertado. En caso contrario, o sea, que sea usado en tensiones ma&ores de las que puede soportar, puede provocar incluso la e%plosión del capacitor. 5e pueden presentar al!unos casos donde este tipo de filtrado tan sencillo no sea suficiente & tendremos que darnos a la tarea de construir otro haciendo uso de al!unos componentes electrónicos adicionales. 9nti!uamente era mu& com'n encontrar lo que se llama filtros pasivos <. El nombre viene dado porque el mismo va a estar compuesto por una resistencia & un condensador. El ob*etivo de esto era perfeccionar a'n más el rizado de la onda de la tensión continua. Este filtro se ubicaba entre el condensador del filtro (&a e%plicado anteriormente# & el circuito a alimentar. @eamos un e*emplo en el si!uiente esquema;
9qu" solamente se ha decidido representar una etapa del filtro < (encerrada en el cuadro de l"neas discontinuas#, pueden emplearse dos o tres más, se!'n lo requiera cada caso. 9ctualmente no es mu& usual ver este tipo de filtrado en las fuentes modernas &a que es más com'n el uso de circuitos estabilizadores de la tensión. ara la confección de este filtro < se puede esco!er una resistencia de apro%imadamente 1,3 ohm & un condensador de 000 M?.
+na de las desventa*as con las que nos vamos a encontrar a la hora de utilizar el filtro < lo constitu&e la p$rdida de tensión en cada resistencia empleada. Esto hace que la utilización del mismo sea adecuada solamente para car!as peque)as, por e*emplo, circuitos di!itales. uede hacerse uso de la le& de Ghm para calcular la ca"da de tensión en cada resistencia. uando nos encontremos con que la corriente que demanda la car!a es !rande & necesitamos que la ca"da de tensión continua sea peque)a, vamos a poder optar por el dise)o de filtros L. Estos 'ltimos presentan una me*ora con respecto a los anteriormente e%plicados, los filtros <. Estos filtros son nombrados L debido a que su construcción se basa en una bobina & un condensador. 9 continuación se representa el esquema de un circuito mostrando la utilización de este filtro.
En este e*emplo, para simplificar más el circuito & a&udar a un me*or entendimiento, tambi$n se ha querido representar una sola etapa de filtrado (aunque se pueden poner otras más, con una sola se puede reducir el rizado de la onda hasta niveles mu& ba*os#. 5e puede apreciar que el dise)o es i!ual que el filtro < pero, en este caso, se sustitu&e la resistencia por una bobina, es por eso que la ca"da de tensión es menor &a que solo interviene la resistencia del enrollado. El condensador 2 puede ser tambi$n de 000 M?. 9 la hora de confeccionar o ele!ir las bobinas a utilizar, tendremos que tener en cuenta que, mientras más !randes sean estas, me*or. Es normal ver en muchas fuentes de alimentación como estos enrollados suelen tener una proporción & aspecto casi i!ual a la del transformador.
III.2
E% r&3u%(dor
7ientras los filtros pueden reducir el rizo o fluctuación de las fuentes de alimentación a un valor ba*o, el m$todo más efectivo es una combinación de un filtro de entrada con capacitor utilizado con un re!ulador de volta*e. 5e conecta
un re!ulador de volta*e a la salida de un rectificador filtrado & mantiene un volta*e (o corriente# de salida constante pese a los cambios de la entrada, la corriente en la car!a o la temperatura. El filtro de entrada con capacitor reduce el rizo de entrada al re!ulador a un nivel aceptable. La combinación de un capacitor !rande & un re!ulador de volta*e a&udan a producir una e%celente fuente de alimentación. La ma&or"a de los re!uladores son circuitos inte!rados & tienen tres terminales; una de entrada, una de salida & una de referencia (o a*uste#. rimero se filtra la entrada al re!ulador con un capacitor para reducir el rizo a 0F. El re!ulador reduce el rizo a una cantidad despreciable. 9demás, la ma&or"a de los re!uladores cuentan con una referencia de volta*e interno, protección contra cortocircuitos & circuitos de interrupción t$rmica. Están disponibles en una variedad de volta*es, incluidas salidas positivas & ne!ativas, & pueden ser dise)ados para salidas variables con un m"nimo de componentes e%ternos. "picamente, los re!uladores de volta*e proporcionan una salida constante de uno o más amperes de corriente con un alto rechazo a los rizos. Los re!uladores de tres terminales dise)ados para volta*es de salida fi*os requieren sólo capacitores e%ternos para completar la parte de re!ulación de la fuente de alimentación. El filtrado se realiza por un capacitor de !ran valor entre el volta*e de entrada & tierra. +n capacitor de salida (por lo !eneral de 0. u? a .0 u?# está conectado de la salida a tierra para me*orar la respuesta transitoria. El circuito re!ulador se encar!a de reducir el rizado de la onda as" como de proveer una tensión de salida con la ma!nitud e%acta que se desee. 9 continuación se presenta el esquema de una fuente re!ulada;
Esta es de construcción mu& fácil a la vez que presenta buena eficiencia en su funcionamiento. Es recomendable tener cuidado con los cortocircuitos, &a que puede da)arse el transistor N2. 9unque el dise)o & construcción de estos re!uladores de tensión no es una tarea dif"cil, vamos a poder encontrar en el mercado una variedad enorme de ellos inte!rados en un solo encapsulado. Entre los que podemos encontrar, están aquellos que presentan tres terminales.
III.2.1 R&3u%(dor&# "i,o# d& t&n#ión *o#iti+( d& %( #&ri& 4566 Los re!uladores de tensión representantes de esta serie pueden ser encontrados con diferentes formas o tipo. +na forma mu& com'n la constitu&en los encapsulados que pueden verse a continuación;
El G220 es mu& usado tambi$n en transistores & variados circuitos inte!rados. Aormalmente se puede ver con tres terminales o HpatasH, aunque se fabrican tambi$n de dos, cuatro, cinco e, incluso, siete terminales. Estos 'ltimos
suelen
ser
lar!os
debido
a
que
son
dise)ados
para
la tecnolo!"a throu!h hole, en donde los componentes atraviesan la placa de circuito impreso. uede notarse en este modelo, que tiene la caracter"stica de poseer el reverso metálico con la presencia de un a!u*ero utilizado para atornillar
este
dispositivo
electrónico
a
al!'n
disipador
de
calor.
La distribución de sus terminales va a ser la si!uiente;
El =9O (del in!l$s discrete pacPa!in!# es un dise)o usado como tecnolo!"a del monta*e superficial. Esta 'ltima se basa en la colocación de los componentes electrónicos sobre la superficie misma del circuito impreso. Los componentes que presentan estas caracter"sticas se denominan dispositivos
de monta*e superficial, tambi$n conocidos por las si!las 57= (del in!l$s 5urface 7ount =evice#. Esta serie de re!uladores se caracteriza porque la tensión presente entre los terminales 2 & (tierra & salida# es la indicada en H%%H. Es por eso que si tenemos el re!ulador /30D, re!ulará a D@, el /32 lo hará a 2@ & as" sucesivamente. E%isten re!uladores de esta serie para diferentes tensiones como son; D, 1, 3, 4, etc. =e ah" que se denominen re!uladores fi*os, &a que una vez fabricados para una tensión determinada, esta no se podrá variar. La intensidad de la corriente capaz de ofrecer ante una demanda var"a se!'n las letras intercaladas detrás de los dos primeros d"!itos, por e*emplo, tenemos que; •
4566 (sin letra#; 9
•
45L66; 0Q 9
•
45M66; 0QD 9
•
45T66; 9
•
45766; D 9 (h"brido#
•
4566; 0 9 (h"brido# En el caso de los de la serie L7/3L%% los vamos a poder encontrar en encapsulado diferente, como lo es el G42. omo estos re!uladores van a entre!ar corrientes mu& por deba*o de 9, no sufren calentamiento peli!roso & no es necesaria su disipación. 6nmediatamente despu$s del nombre se les incorpora un sufi*o, el cual puede ser H9H (para un JR DF# o HH (para un JR 0F#, que nos va a indicar el error má%imo en su salida o, como tambi$n se suele llamar, la tolerancia. 9 la hora de traba*ar con esta serie de re!uladores tendremos que tener en cuenta los si!uientes aspectos;
•
La tensión de salida e%istente entre los terminales 2 & siempre será de un valor fi*o, no variable, cu&a ma!nitud estará en dependencia del modelo que se utilice.
•
La corriente que entra o sale por el terminal 2 (com'n# es prácticamente nula & no se tiene en cuenta a la hora de analizar el circuito de forma apro%imada. 5e toma como referencia para el re!ulador.
•
La tensión que entra por el terminal deberá ser siempre alrededor de 2 ó voltios superior a la que deberá salir por el terminal para ase!urar un funcionamiento correcto.
•
Estos re!uladores poseen una protección total contra sobrecar!as & cortocircuitos en la salida. Es posible hacer uso de dos de estos componentes para lo!rar fuentes que entre!uen a su salida tensiones diferentes. @eamos el circuito si!uiente;
En el caso de que se requiera de valores de salida diferentes, bastar"a con cambiar los re!uladores por otros que nos proporcionen las tensiones deseadas. abe hacer el se)alamiento de que el re!ulador de ma&or tensión ha& que ubicarlo de primero & que la diferencia de tensión entre este & el se!undo tiene que ser como m"nimo de @. ambi$n se tiene que tener en cuenta que la intensidad de la corriente que puede soportar este primer re!ulador es la suma del consumo que se produzca en la primera tensión más la !enerada en la se!unda, & que la suma de ambas no puede superar 9, de lo contrario, se da)ar"an los componentes. Es recomendable, no obstante, montar ambos estabilizadores en disipadores de calor. La potencia que van a tener que soportar estos componentes inte!rados va a estar en estrecha relación con la ca"da de tensión (diferencia entre la tensión de entrada & la de salida# & la intensidad de corriente consumida por la car!a. La fórmula que nos permitirá calcular los vatios consumidos es la si!uiente; P=( Vent −Vsal )∗ Isal
5upon!amos que tenemos el re!ulador L7/30D cu&a tensión de salida es de D@ & se decide entrarle 0@ mientras que la car!a conectada a su salida va a demandar 0,D9. El cálculo de la potencia consumida, quedar"a; P=( 10 −5 )∗ 0.5=2.5 w
Este cálculo es mu& importante a la hora de dise)ar una fuente de alimentación &a sea desde el punto de vista electrónico o est$tico, debido a que de este
resultado dependerá la confección del disipador de calor donde sea fi*ado el inte!rado. >a& que tener en cuenta que la potencia que no sea consumida por la car!a, será disipada en forma de calor por este 'ltimo. En el e*emplo anterior supon!amos que en vez de 0@, aplicáramos solamente 3@ a la entrada. 5ustituimos & ser"a; P=( 8 − 5 )∗0.5=1.5 w
@emos que ahora la potencia a soportar por el inte!rado es menor & por lo tanto habrá menos disipación de calor, tra&endo como consecuencia que se podrá disminuir el tama)o del disipador. Las aplicaciones prácticas de estos componentes re!uladores de tensión son mu& variadas
III.2.! R&3u%(dor&# "i,o# d& t&n#ión n&3(ti+( d& %( #&ri& 4866 Los e*emplares de esta serie son análo!os a los de la serie /3%% e%cepto en la distribución de los terminales & en que la tensión de salida es ne!ativa.
Esta serie de re!uladores se suele usar mucho en combinación con los de la /3%% con el ob*etivo de suministrar tensiones sim$tricas. 5e dice que una fuente de alimentación es sim$trica cuando va a ser capaz de suministrar una tensión de J %% @oltios & otra de S %% voltios respecto a masa. ara esto se utiliza un transformador con doble secundario i!ual al empleado en el rectificador de onda completa con derivación central. 9 continuación se puede ver un e*emplo del uso de esta combinación de re!uladores;
ara que se ten!a una noción más clara de la cantidad de componentes electrónicos que son incluidos dentro de estos peque)os encapsulados, presentamos a continuación el esquema del re!ulador L7/40D (re!ula a D@# que viene en su ho*a de datos;
III.2.' R&3u%(dor (,u#t($%& d& t&n#ión *o#iti+( LM'14 Este inte!rado es capaz de proporcionar, en su salida, una tensión variable. ara lo!rar esto, solamente basta con adicionarle al circuito una resistencia & un potenciómetro. 9 continuación tenemos un esquema donde se observa la distribución de los pines del L7/ as" como una de las diferentes formas en que lo vamos a poder ver funcionando;
5i a*ustamos el valor del potenciómetro (<2# a su menor valor (o sea una resistencia de 0 ohm# la tensión entre los terminales & 2 será de ,2D@. En la misma media en que se aumente el valor del potenciómetro la tensión en la salida irá aumentando. odemos lle!ar a la conclusión de que con este tipo de re!ulador la salida siempre será a*ustada de ,2D@ en adelante. or otro lado tenemos que la selección de los valores de las resistencias < & <2 va a estar en dependencia de la tensión má%ima que deseemos obtener. +n m$todo mu& utilizado es darle un valor fi*o a < & calcular <2. Este valor fi*o suele ser 280 ohm. La forma en que se han conectado estas dos resistencias se conoce como divisor resistivo. La fórmula que nos permite calcular el valor de <2 es la si!uiente; R 2=( Vsal −1.25 )∗( R 1 / R 2)
5upon!amos que queremos dise)ar una fuente de alimentación con una salida de 2@. on!amos, como se mencionó anteriormente, el valor de < a 280 ohm & sustitu&endo nos quedar"a; R 2= ( 12− 1.25 )∗( 240 / 1.25 ) R 2=2064
El resultado es de 2018 ohm. odr"amos utilizar para <2 una resistencia de 2O ohm que es el valor más pró%imo. 9unque en teor"a se le puede dar cualquier valor a <, se recomienda usar los que est$n entre 00 ohm & 0 ohm. Es posible tambi$n con este re!ulador poder dise)ar fuentes que nos brinden más de un volta*e en la salida. 9 continuación se muestra un esquema donde un conmutador permite seleccionar diferentes resistencias lo que provoca que se obten!an salidas tambi$n diferentes.
La tabla del esquema nos muestra los valores de cada una de las resistencias as" como el volta*e que se obtendr"a con su empleo. ambiando las resistencias e%puestas aqu" por otras de diferentes valores, se podrá modificar los volta*es de salida de la fuente. Esta serie de re!uladores L7/, al i!ual que los de la serie /3%% & /4%%, poseen una protección total contra sobrecar!as & cortocircuitos en la salida. iene la caracter"stica de que puede suministrar no más de ,D9 a la car!a conectada en su salida.
III.2.0 R&3u%(dor (,u#t($%& d& *ot&nci( LM'29 Este inte!rado re!ulador tiene un funcionamiento e%actamente i!ual que el L7/, con la diferencia de que es capaz, por s" solo, de suministrar 9 a la car!a conectada a su salida. En el caso de que quisi$ramos conse!uir más de 9 en la salida, se puede recurrir al si!uiente circuito donde es utilizado un transistor para ampliar la corriente de salida;
IV. DISE:O DE LA FUENTE REGULABLE DE VOLTAJE ara nuestro caso hemos decidido elaborar una fuente con un volta*e re!ulable, que va desde los 1.2 volts hasta los !9 volts. La intensidad de corriente má%ima que suministrara la fuente será de ! amperes. or lo tanto, la potencia má%ima que desarrollada por este, será de 4! Tatts. 9 continuación se detallara el circuito de la fuente re!ulable;
Esta fuente tiene los si!uientes dispositivos (empezando por la entrada de volta*e#; • • • • • • • •
+n interruptor +n fusible +n transformador reductor +n puente de diodos apacitores +n re!ulador de volta*e a*ustable
V. C;LCULO < SELECCIÓN DE LOS DISOSITIVOS ELECTRÓNICOS V.1E% tr(n#"or)(dor El transformador a utilizar en este dise)o, la fuente re!ulable, debe cumplir con las si!uientes especificaciones;
• •
El transformador debe tener una potencia superior a l os /2 Tatts. La relación de transformación va ser de 220R1 @.
eniendo en cuenta las especificaciones anteriores vamos a calcular las corrientes; o
orriente del primario P ent = P sal= P Vent ∗ Ient =Vsal∗ Isal
Vent ∗ Ient = P
∗ Ient =72
220
Ient = 0.33 A o
orriente del secundario Vsal∗ Isec = P ∗ Isec =72
36
Isec=2 A
V.! Fu#i$%& La dimensión del fusible se calcula con la corriente del primario & se aumentara un 20 F para nuestro dise)o. I fusible =0.33 A + 0.33∗20
I fusible = 0.39 A
La capacidad del fusible será de 0.8 9
V.' *u&nt& d& diodo# El volta*e de salida del puente de diodos es; V p ( sal )= V p ( sec )−1.4 V
9hora el volta*e pico del secundario es; V p ( sec )=V rms ( sec )∗√ 2
G sea; V p ( sec )=36∗√ 2
V p ( sec )=50.9 V
Entonces el volta*e pico a la salida del puente de diodos será como; V p ( sal )=50.9 −1.4 V V p ( sal )= 49.5 V
9hora el volta*e promedio de salida en = es; V prom =
V prom =
2
∗Vp ( sal) π
∗49.5
2
π
V prom =31.5 V
ara esco!er la capacidad de del puente de diodos tenemos que calcular el volta*e & la corriente má%ima que circulara por cada diodo. ara ello vamos a calcular el volta*e de pico inverso del diodo; PIV =V p ( sal ) + 0.7 V PIV = 49.5 V + 0.7 V PIV =50.2 V
ara nuestro dise)o aumentaremos un 20F más del
PIV
calculado.
→ 50.2 V + 20 ∗50.2 → 60.24 V
El puente de diodos a esco!er debe ser de 10 volts & 2 amperes de
capacidad.
V.0 "i%tro El filtro a utilizar es un capacitor. 9hora vamos a calcular la capacitancia. ara determinar los valores correctos de los condensadores que serán
utilizados en un rectificador de puente de diodos se utiliza lo que llaman la re!la del 0F. 5e nombra as" &a que el rizado de la onda obtenida es de ese porcenta*e. La fórmula para su cálculo es la si!uiente; ( riso =10 ) → C = C =
∗ I f ∗Vsal 5
∗ 120∗49.5 5 2
C =1683.5 uF
ara verificar estos resultados utilizamos las si!uientes formulas; V r ( pp ) =
1
V CD =(1−
r=
∗V p ( sal )
f ∗ Rl∗C 1
f ∗ Rl∗C
)∗V p ( sal )
V r ( pp ) V CD
ara ello necesitamos la car!a Rl =
Rl =
V prom Imax 31.5 V 2 A
Rl =15.75 Ω
31.5 V
1
)∗49.5 V ∗15.75∗C
120
C =1455 uF
or lo tanto la capacitancia a esco!er será de D00 u? & un volta*e ma&or a los D0 volts.
