INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESIQIE DIQI PRACTICAS DEL LABORATORIO DE INGENIERÍA ELECTRICA Y ELECTRONICA.
PRACTICA N° 2
FUENTE VARIABLE REGULADORA DE CORRIENTE CONTINUA DE 1.2-33V
PRACTICA No. 2 “FUENTE VARIABLE REGULADORA
DE CORRIENTE CONTINUA DE 1.2- 33V”
OBJETIVOS GENERALES: *Al término el alumno conocerá las partes que integra una fuente de corriente continua de 1.2-33 volts y también su construcción físicamente.
* Conocerá las aplicaciones que se le dan a la fuente de corriente continua y su funcionalidad. *En esta práctica se demostrará que la corriente continua se trasmite en forma de onda rectificada, ya sea cuadrática, diente de sierra, etc. *Se conocerán las especificaciones de dicha fuente de corriente directa, como son: -Tensión nominal de entrada: ______________________________________ -Frecuencia: ___________________ Hertz -Tensión de salida: ________________________________________________ MATERIAL EMPLEADO: a).- T1 - Transformador con primario adecuado para la red eléctrica (110 o 220V) y secundario de 24V o (12+12) a 3ª. b).- IC1 – Circuito integrado LM350K (ECG970) c).- D1- Puente rectificador KBU4B o similar . Pueden usarse también 4 diodos rectificadores para 4A y tensiones de 100V o más. d).- D2 y D3 – Diodos 1N4002 1N4007 o similar. e).- C1 – Condensador o Capacitor Electrolítico (filtro) 4700 F a 50V. f).- C2 – Condensador o Capacitor Electrolítico (filtro) 22 F a 50V. g).- C3 – Condensador o Capacitor Electrolítico (filtro) 100 F a 50V. h).- C4 – Condensador o Capacitor 0.1 F a 50 v. i).- R1 – Resistencia de 270 a 1W. j).- R2 – Potenciómetro 5K lineal (no logarítmico). k).- Multimetro digital. l).- Pinzas de Corte de Electricista. m).- Desarmador plano n).- Soldadura y Pasta para Soldar. o).- Cautín de Punta para Soldar p).- Clavija con su cable de un metro de distacia. CONSIDERACIONES TEÓRICAS. El motivo de estas lecciones no pretende sentar las bases de los conocimientos sobre electrónica digital, sin embargo antes debemos revisar los conocimientos de la electrónica analógica. No obstante, si pueden aclarar algunos conceptos puntuales, que por cualquier motivo no se hayan retenido en su momento, si
todo este trabajo lograra hacer entender un solo concepto en alguno de los visitantes, ya me daría por satisfecho. De todos modos, GRACIAS, por anticipado. En esta ocasión se revirarán los puntos más importantes a tener en cuenta para construir una fuente de alimentación estabilizada, con unas características adecuadas para alimentar un circuito electrónico con especificaciones digitales. El diseño de fuentes de alimentación estabilizadas mediante reguladores integrados monolíticos (reguladores fijos), resulta sumamente fácil. Concretamente para 1A (amperio) de salida, en el comercio con encapsulado TO-220, se dispone de los más populares en las siguientes tensiones estándar de salida:
UA7805 UA7806 UA7808 UA7809 UA7812 UA7915 UA7818 UA7824 UA7830 UA79XX
5 6 8 9 12 15 18 24 30 Versión negativo TABLA 1
Todos estos tienen reguladores en común que son fijos y que proporcionan adecuadamente refrigerados una corriente máxima, de 1A. Veremos un ejemplo en el esquema básico de una fuente de alimentación de 5V y 500mA en la figura 301. Además de estos, en el mercado se pueden encontrar reguladores ajustables a tres patillas o más, con diferentes encapsulados en TO-220AB, TO-3 y SIL, según la otencia y el fabricante. Los más populares son los 78MG, LM200, LM317, LM337 y LM338, etc. Los fabricantes de los reguladores recomiendan que la tensión entrada por el secundario del transformador debe ser como mínimo 3V superior a la tensión nominal del regulador (para un 7812, la tensión del secundario mínima será de 15V o mayor), esto también tiene que ver con la intensidad de consumo que se le exija a la salida de la fuente.
El transformador.
El transformador para una alimentación estabilizada debe ser, un transformador separador, esto quiere decir, que ha de disponer por seguridad, de dos devanados separados galvánicamente (eléctricamente), no es conveniente utilizar los llamados auto-transformadores los cuales como se sabe están construidos por una única bovina o devanado, en cual está provisto de diferentes tomas para obtener varias tensiones de salida, la verdad es que este tipo de transformador actualmente no se ve muy a menudo. Por consiguiente, a la tensión que le exijamos a la fuente de alimentación, hemos de añadirle entre 3 y 6V por las caídas de tensión producidas al rectificar y regular en tensión e intensidad si ese es el caso, todo esto como digo, puede tratarse empíricamente (no es el caso) en unos 4 voltios aproximadamente, lo que debe tenerse muy en cuenta. Hay dos tipos de transformador, los de armadura F o E-I y los toroidales O, estos últimos tienen un mejor rendimiento, no obstante es determinante, por otra parte, es importante que los devanados estén separados físicamente y deben ser de hilo de cobre, no de aluminio. El condensador electrolítico. A la hora de diseñar una fuente de alimentación, hay que tener en cuenta algunos factores, uno de ellos es la corriente que se le va a pedir, ya que este es, el factor más importante después de la tensión. Para determinar el valor del condensador electrolítico que se ha de aplicar a la salida del puente rectificador en doble onda, para alisar la corriente continua; la regla empírica que se suele aplicar, suele estar sobre los 2 000 F por amperio de salida y la tensión del orden del valor superior estándar al requerido, o sea, según esto, para una fuente de 1.5 a 15V, el condensador electrolítico debe de ser al menos de 3 000 F/35V. Como se ha mencionado la tensión se debe sobre dimensionar, esta debe ser al menos diez unidades mayor que la tensión que se recoja en el secundario del transformador o la más aproximada a esta por encima (estándar en los condensadores). Este es el margen de seguridad exigible, ya que en muchas ocasiones los valores de tensión a los que se exponen no solo depende de la tensión nominal, también hay tensiones parasitas que pueden perforar el dieléctrico, en caso de ser muy ajustada la tensión de trabajo y máxime si estamos tratando con una fuente balanceada, este es otro caso.
El Rectificador.
Para rectificar una tensión debemos tener muy claro el tipo de fuente que vamos a necesitar, en contadas ocasiones optaremos por una rectificación de media onda, un caso concreto es el de un cargador de baterías sencillo y económico, en todos los demás casos, es muy conveniente disponer de un rectificador de onda completa, para minimizar el rizado. Los diodos encargados de esta función han de poder disipar la potencia máxima exigible además de un margen de seguridad. También están los puentes rectificadores que suelen tener parte de la cápsula en metálico para su adecuada refrigeración. En algunos casos los rectificadores están provistos de un disipador de calor adecuado a la potencia de trabajo, de todas formas, se debe tener en cuenta este factor. La tensión nominal del rectificador debe tener en sí mismo un margen para no verse afectado por los picos habituales de la tensión de red, en resumidas cuentas y sin entrar en detalles de cálculos, para una tensión de secundario simple de 40V, debemos usar un diodo de 80V como mínimo, en el caso de tener un secundario doble de 40V de tensión cada uno, la tensión del rectificador debe ser de 200V y la potencia es algo más simple de calcular, ya que se reduce a la tensión por la intensidad y aplicaremos un margen de 10 a 30 Watios por encima de lo calculado, como margen. En algún caso debe vigilarse la tensión de recubrimiento, pero eso es en caso muy concreto. El regulador.
En el caso de necesitar corrientes superiores a 1A, como ya se ha dicho, pueden utilizarse los reguladores de la serie 78HXX, LM3XX, en cápsula TO-3, capaces de suministrar 5A. El problema reside en que solo se disponen de 5A, 12V y 15 V, que en la mayoría de los casos es suficiente. En el supuesto de necesitar una tensión regulable (ajustable) desde 17V a 24V. El regulador a utilizar podría ser uno de la serie LM317, LM350 o LM338, la diferencia con los anteriores es que le terminal común, en lugar de estar conectado a masa, es del tipo flotante y por lo tanto esto permite ajustarle en tensión. Estos son los encapsulados típicos. El transformador de alimentación:
Lo normal es que sean transformadores reductores, con un primario único y uno o varios secundarios. Las características más importantes de un transformador de alimentación son:
*Tensión del secundario o secundarios: viene expresada en tensión eficaz. *Potencia máxima entregable por los secundarios: expresada en V A (voltsamperios). *Resistencia de primario y secundarios: expresada en ohmios, a la temperatura de 25°C. *Pérdidas en el núcleo y en los bobinados: expresada en W (watios). *Corriente consumida por el transformador sin carga conectada: expresada en mA (miliamperios). Otros datos que suelen aparecer en las hojas de características de los transformadores son, por ejemplo, la eficiencia energética, la regulación de carga, etc., claro está, de las dimensiones físicas de mismo. Los diodos rectificadores:
Deben ser diodos con unas características especiales. De hecho, existe un subgrupo de diodos llamados así, rectificadores. Los diodos rectificadores deben poder ser capaces de soportar de forma continua valores de corriente que, según que aplicaciones, puede llegar a ser elevada o muy elevada. Además, deben aguantar picos de corriente varias veces mayores que su corriente nominal máxima de funcionamiento. En cuanto a las características de tensión, es normal que puedan trabajar con tensiones inversas de algunas centenas de voltios. Tomemos como ejemplo un diodo rectificador muy difundido, el IN4007. Tiene aplicaciones en fuentes de alimentación de pequeña potencia de salida. Sus principales características son: *Picos repetitivos de tensión inversa: 1 000V máximo. *Picos no repetitivos de tensión inversa: 1 200V máximo. *Tensión inversa máxima de forma continua: 700V. *Corriente nominal directa máxima: 1A. *Picos de corriente directa no repetitivos: 30A máximo. Los condensadores de filtrado: Los condensadores que se usan son de tipo electrolítico, con un valor de capacidad que como mínimo suele ser de 1000 F. Deben poder soportar al menos una tensión doble de la tensión de pico que entregue el transformador. Así mismo, deben elegirse condensadores con poca corriente de fuga, ya que de lo contrario se tendría una disipación de potencia apreciable en dicho elemento, provocando que se calentase y, si alcanza temperaturas elevadas, llegado el caso estallarse. También es deseable (imprescindible si se trata de la fuente primaria de un sistema de alimentación conmutado) elegir condensadores con una Resistencia Serie Equivalente (ESR) pequeña, ya que ello posibilitará que la fuente pueda entregar picos elevados de corriente ante demandas de la carga.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Experimento 1 1. Para el montaje del LM350K siga las recomendaciones siguientes: Monte el LM350K en un disipador de calor. Utilice como disipador la caja metálica que contendrá el circuito. Aísle eléctricamente el LM350K del disipador metálico, utilizando separadores y micas aislantes, además de la silicona que permita transferir mejor el calor. Al concluir el montaje, verificar que no haya continuidad entre los terminales del LM350K y el disipador metálico, con el fin de prevenir un corto circuito. Fuente Regulada
De todas las fuentes reguladas propuestas, esta es la más recomendable para los amigos estudiantes, es sencilla, pero eficiente, o en lo personal usaba una en mi taller y nunca me fallo. Lo que recomiendo es que sean cuidadosos y eviten someterla a cortocircuitos, ya que de inmediato se funde el neutralizador, en el mejor de los casos. El transformador para esta fuente puede ser de 12, 15 o 25 voltios, de 1 a 5 amperios, en la configuración actual es para dos amperios. Si deseas ampliar el amperaje debes de sustituir Q1 por un 2N3055 y el Q2 por el NTE 152. Esta fuente utiliza el circuito integrado LM350K (encapsulado metálico TO-3) el cual permite variar la tensión de salida entre 1.2 y 33 V con corrientes hasta de 3 Amper. La única precaución que se debe tomar, es montar IC1 en un buen disipador térmico. Fuente Variable Regulada de 1.2 a 33 V-1.5 A.
En esta práctica se debe de armar el equipo de kit de una fuente de 0 a 30 A de corriente continua, por lo que se llevo a cabo el siguiente paso: EXPERIMENTO 2
2. En primer lugar, verificar que el kit tenga todo el material completo, que es: Semiconductores Regulador LM317T o sustituto Diodo rectificador 1N4001 a 4007 Diodo emisor de luz (LED) Resistores a ½ W 3.3K a 4.7 K (naranja-naranja-rojo-oro)
Potenciómetro 5K línea S/S 180 a 220 (rojo-rojo-café-oro) Capacitares Electrolítico 1000 a 2200 μF Cerámico 0.1 a 0.18 μF Electrolítico 1 a 10 μF
Varios Transformador 127VCA a 28 V 1.5 A Fusible 0.5 a 1 A Disipador de calor Hembra banana rojo y negro Conector para puntas de Multímetro Interruptor Después de verificado el kit completo hay que determinar en que lugar iba cada uno de los componentes con la ayuda de un diagrama anexo al kit, teniendo cuidado de colocar los polos correctamente.
Fotografía No. 1 Alumnos en el laboratorio soldando EXPERIMENTO 3
3. Proceda a soldar, cada uno de los componentes que se necesitan, dejando al final el LED y teniendo sumo cuidado con la polaridad de cada uno de estos, como se muestra en la siguiente figura: EXPERIMENTO 4
4. Arme la parte de la caja del kit para poder después insertar el circuito que contiene los capacitores y resistencia, como se muestra en la siguiente figura:
EXPERIMENTO 5
5. Arme el kit y coloque todas las piezas faltantes para que al final se tome una aproximación del LED y se soldé para que este visible desde la caja cerrada y nos indique el encendido o apagado del mismo. 6. Conecte la fuente y con ayuda de un Multímetro proceda a tomar lecturas para cerciorarse de que la fuente funciona correctamente, teniendo como resultado las siguientes lecturas: Vmax= 30 Volts; a 1.2 A Vmin = 1.24 Volts Nota: por lo que se concluye que el armado de la fuente es correcto, ya que podemos mencionar que aunque debería de dar cero como mínimo la mayoría de las fuentes armadas, por su escasa calidad no logran dar el cero. Ejemplo Práctico 1
Se desea diseñar una fuente de alimentación para un circuito que consume 150 mA a 12V. El rizado deberá ser inferior al 10%, para ello se dispone de un transformador de 10 V y 2.5 VA y de un rectificador en puente. Elegir el valor del condensador. A.- Calculamos la corriente que es capaz de suministrar el transformador para determinar si será suficiente, esta corriente tendrá que ser superior a la corriente que consume el circuito que vamos a alimentar.
Parece que sirve, como calcularlo resulta bastante mas complicado nos fiaremos de nuestra intuición. Ten en cuenta siempre que el transformador tiene que ser de mas corriente de la que quieras obtener en la carga. B.- Calculamos el valor de Vmax de salida del puente rectificador teniendo en cuenta la caída de tensión en los diodos (conducen dos a dos).
Esta será aproximadamente la tensión de salida de la fuente. C.- Calculamos el valor del condensador según la formula del 10%, la I es de 150mA la f es 50 Hz en Europa y la Vmax es 12.14V:
Tomaremos el valor mas aproximado por encima. Ejemplo Práctico 2
2.- Tenemos una fuente de alimentación variable desde 1.25 V a 15 V y 0.5 A con un LM317. Como la tensión máxima de salida es 15 V, la tensión de entrada al regulador tendrá que ser de 18 V mas o menos. Vamos a calcular la potencia que disipa el regulador cuando ajustamos la fuente a 15 V, 4 V y 2V. En todos los casos la corriente de salida será de 0.5 A. A 15 V la caída de tensión en el regulador será de 18-15=3V, la corriente es 0.5 A, luego:
A 4 V la caída de tensión en el regulador será de 18-4=14V, la corriente es 0.5 A, luego:
A 2 V la caída de tensión en el regulador será de 18-2=16V, la corriente es 0.5 A, luego:
Fíjate que hemos hecho los cálculos para el mejor de los casos en el que nos hemos preocupado de que la tensión de entrada al regulador no sea mas de la necesaria, aun así tenemos que poner un radiador que pueda disipar poco mas de 8 W. es un radiador bastante grande para una fuente de medio amperio nada mas. Este es un problema que surge cuando queremos diseñar una fuente con un alto rango de tensiones de salida. Prueba a hacer el cálculo para una fuente variable hasta 30 V y 1 A, salen más de 30W
Fotografía No. 2. Trabajo grupal
CUESTIONARIO
1.-Queremos que una fuente fija con una salida de 5V y 0.5ª, vamos a calcular la potencia que se disipa en el regulador usando un transformador de 7 V y otro de 12 V. Para el transformador de 7 V: la Vmax de salida del transformador será 7*1,4142= 9.9V descontando la caída en los diodos del puente serán 7.9 V a la entrada del regulador. Como la salida es de 5V la potencia disipada PD será: Solución:
2.- Se desea diseñar una fuente de alimentación para un circuito que consume 150mA a 12 V, el rizado deberá ser inferior al 10%. Para ello se dispone de un transformador de 10V y 2.5 VA y de un rectificador en puente. Elegir el valor del condensador: A.- Calcular la corriente que es capaz de suministrar el transformador para determinar si será suficiente, esta corriente tendrá que ser superior a la corriente que consume el circuito que vamos a alimentar.
B.-Calcular el Vmax. De salida del puente rectificador teniendo en cuenta la caída de tensión en los diodos (conducen dos a dos).
C.-Calcular el valor del condensador según la formula del 10%, la I es de 150mA la f es 60 Hz y el Vmax es de 12.14 V.
OBSERVACIONES ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________
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CONCLUSIONES ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________ BIBLIOGRAFIA CHESTER L. DAWES Tratado de Electricidad Tomo I y II http://www.cienciasmisticas.com.ar/electronica/montajes/fuentev/ind ex.php http://www.electronica.com.ve/ventas/catalog/index.php http://www.terra.es/personal2/equipos2/fas.htm http://perso.wanadoo.es/chyryes/tutoriales/fuentes0.htm
