ELECTRONICA BASICA TRABAJO FINAL
TUTOR: JAIRO LUIS GUITIERREZ
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA INGENIERIA ELECTRONICA JUNIO DE 2013
INTRODUCCION
OBJETIVOS
LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN La mayor parte de los circuitos electrónicos prácticos trabajan a partir de un voltaje de alimentación de CC. Este último puede ser suministrado, por ejemplo, por una batería. Las baterías ofrecen varias ventajas, siendo la más importante su naturaleza portátil. Sin embargo, existen situaciones en las cuales el uso de baterías puede resultar muy costoso. En estos casos, debe recurrirse al uso de fuentes de alimentación, las cuales operan desde la red pública de corriente alterna AC y proporcionan voltajes de corriente continua CC más económicos, estables y potentes.
Voltaje
Circuito
Filtro con
Regulador
AC
Rectificado
Capacitor
con Voltaje
r
Carga
Estructura de una fuente de alimentación. El voltaje de AC de entrada, proveniente de la red pública, se aplica a un transformador, el cual se encarga de reducir su valor, por ejemplo, de 120VAC a 20VAC para adaptarlo a las necesidades de la carga. El voltaje de AC, obtenido en el devanado secundario o de salida del transformador, alimenta entonces un circuito rectificador, el cual se encarga de convertirlo en un voltaje de CC pulsante. Este último, aunque ya tiene una polaridad +/- definida, presenta notables variaciones de amplitud, las cuales deben ser filtradas para conseguir un voltaje de CC uniforme, Esta función la hace un filtro, conformado generalmente por uno o más condensadores. El voltaje de salida del filtro puede aplicarse a la carga en forma directa o a través de un regulador Zener. Este último es un circuito electrónico que se encarga de mantener constante el voltaje sobre la carga, independientemente de las variaciones en el voltaje de entrada o de la corriente demandada por la carga. Las fuentes provistas de regulador se denominan fuentes reguladas. El elemento final de cualquier fuente de alimentación es la carga, es decir el componente o circuito que recibe la potencia de CC.
Suponga que trabaja para una compañía que diseña, prueba, fabrica y comercializa varios instrumentos electrónicos, incluyendo fuentes de alimentación de CC. Su primera asignación es, desarrollar y probar en el simulador PSpice Student 9.1 (o cualquier otro simulador) una fuente de alimentación rectificada por puente de diodos y regulada por diodo Zener con base en el conocimiento que ha adquirido hasta ahora. La Fuente de Alimentación debe satisfacer las siguientes especificaciones: ♦ Corriente de carga sin regular (Max): 50mA ♦ Corriente de carga regulada: 20mA ♦ Voltaje de salida regulado 4.7V CC
FASE 1 RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA TIPO PUENTE
Conociendo que el voltaje del devanado secundario es de 20VAC Pico se inicia el diseño del circuito rectificador de onda completa tipo puente. Dada las Formulas Relacionadas al Rectificador de Onda Completa tipo puente:
Vrms = Vp / √2
PIV = Vp (Sal) + 0.7V VProm = 2Vp / π
Vrms = Vp x 0.707 Vp (Sec) = Vp (Sal) + 1.4V Definiciones:
Vrms (sec): Valor eficaz del voltaje del secundario. VProm (sec): Valor promedio del voltaje del secundario. Valor pico de salida. Vp (Sal): Voltaje de Pico Inverso. PIV:
1.1 Complete la siguiente tabla: V r m s ( s ec )
14,14 V
V P r o m ( s ec )
12,73 V
V r m s = Vp / √ V r m s = 20 VAC / 1,414 V r m s = 14,14 V
VProm = 2Vp / π VProm = 2(20 VAC) / π VProm = 40 VAC / π VProm = 12,73 V Vp (Sec) = Vp (Sal) + 1.4V Vp (Sal) = Vp (Sec) – 1.4V Vp (Sal) = 20 VAC – 1.4V Vp (Sal) = 18,6 V
PIV = Vp (Sal) + 0.7V PIV = 18.6V + 0,7V PIV = 19,3 V
Vp (Sal)
18,6 V
PIV
19,3 V
2 ¿Cuál de los valores anteriormente calculado es que mostraría un voltímetro digital común?
R. Un voltímetro digital común mostraría el Valor Pico de salida 3 ¿Qué ventaja tiene el usar un rectificador de onda completa tipo puente frente a uno de onda completa con derivación central?
R. En comparación con el rectificador de onda completa con derivación central, un rectificador de onda completa tipo puente no necesita un transformador con secundario dividido (derivación central) y entrega el doble de voltaje que el de onda completa con derivación central en el mismo transformador. El valor del voltaje inverso es la mitad del de rectificador de onda completa.
4 ¿Es la siguiente afirmación falsa o verdadera? “La frecuencia de la onda de salida en un rectificador de onda completa tipo puente es la mitad del valor de la entrada”
R. Verdadero.
FASE 2 FILTRADO CON CAPACITOR En esta etapa del diseño se debe encontrar el mínimo valor del condensador que se debe colocar en paralelo con la salida del circuito rectificador para lograr el filtrado de la corriente pulsante y también lograr un mínimo rizado. Esta variación se denomina rizado (ripple) y tiene la misma frecuencia del voltaje rectificado. Su amplitud pico a pico (Vrpp) está dada, en forma aproximada, por la siguiente fórmula:
Vrpp = IL / f C Vrpp = Voltaje de rizado de pico a pico. IL = Es la corriente continua que demanda la carga. f = Es la frecuencia del rizado. Esta frecuencia es igual a f re d en un rectificador de media onda y es igual a 2 f r ed en un rectificador de onda completa.
C = Es la capacitancia del condensador.
En práctica, debe buscarse que la amplitud del rizado Vrpp sea lo más pequeña posible ya que este voltaje alterno puede manifestarse como un ruido por ejemplo en los amplificadores de audio. Para ello, el valor del condensador de filtro (C) debe ser escogido de tal modo que el producto Rc ∙ C, llamado la constante de tiempo del circuito TC, sea mucho mayor que el período de la señal de entrada ( T=1/ f ), por lo menos diez veces.
2.1 Teniendo en cuenta la información anterior y recordando que la máxima corriente que debe manejar nuestra fuente es 50 mA. Encuentre el valor del condensador para lograr una tensión de rizado de 0.3 VPP.
C 2,77
Vrpp = IL / f C Vrpp * C = IL / f C = IL / f / Vrpp C = IL / f * Vrpp C = 50mA / (60 Hrz * 0.3 VPP) C = 50mA / 18 C = 2,77
2.2 El condensador se carga aproximadamente al valor pico de la salida del rectificador tipo puente VP (Sal) teniendo el valor de la corriente 50mA por ley de Ohm se conoce valor de Rc y de este modo se logra calcular un valor aproximado de la constante de tiempo Rc ∙ C complete la siguiente tabla:
T
Tc
0.016 cps
11,12 cps
I=V/R R=V/I R = 20 V / 0.50 A
R = 40 Ω
T = 1 / 60 Hrz T = 0.0166 cps Tc = Rc * C
Tc = 40 Ω * 0, 278 Tc = 11,12 cps
2.3 ¿Se cumple la condición de que TC debe ser al menos 10 veces mayor a T? Si X
No
FASE 3 REGULADOR ZENER En este punto del diseño de la fuente alimentación regulada se debe elegir un diodo Zener cuyo valor de Voltaje Zener sea aprox. al valor de tensión que se desea mantener constante a la carga en este caso 4.7V CC a 20mA. Dadas las Formulas:
Pz = Vz∙Iz Izmín = Izmáx ∙ 0,15 RSmáx = (VS - VZ) / (Izmín + IRL) RSmín
Izmáx = Pz / Vz RSmín = (VS – VZ) / Izmáx RS = (RSmín + RSmáx) / 2 VS = VP (Sal) IZ = IS – IRL IS = (VS - VZ) / RS
Definiciones: VS: Valor de la fuente de tensión no regulada VZ: Voltaje Zener (parámetro en hoja del fabricante) PZmáx: Potencia máxima soportada por el Zener (parámetro en hoja del fabricante) PZ: Potencia disipada por el Zener IZ: Corriente en el Zener RS: Valor óptimo para el resistor limitador de corriente RSmín: Mínimo valor para el resistor limitador de corriente RSmáx: Máximo valor para el resistor limitador de corriente RL: Carga RZ: Resistencia del Zener IRL: Corriente necesitada en la carga IZmín: Corriente Mínima Zener IZmáx: Corriente Máxima soportada por el Zener (parámetro en hoja del fabricante) IS: Corriente en el resistor limitado 3.1 Completar luego de los cálculos la siguiente Tabla:
Rs 348.75 Ω
RL 235Ω
Is 0.043Am
Iz 0.023Am
Pz 0.01081W
RS = (RSmín + RSmáx) / 2 RSmín = (VS – VZ) / Izmáx RSmin = (4.7V VS = VP (Sal) VS = 4,7V
FASE 4 SIMULACIÓN DEL CIRCUITO Finalmente se debe construir en el Simulador Pspice Student 9.1 el circuito de la fuente de alimentación regulada utilizando los valores para cada componente antes calculados.
4.1 Grafique los voltajes como se indica en el circuito mostrado en la siguiente figura:
4.2 Grafique las corrientes como se indica en el circuito mostrado en la siguiente figura:
FASE 5 FUENTE DE VOLTAJE VARIABLE CON ARREGLO DE TRANSISTORES Una fuente de voltaje puede ser regulada pero también se puede lograr diseñar para que se pueda variar el voltaje de salida dependiendo de lo requerido por la carga a conectar. Suponga que su segunda asignación en la compañía es probar el siguiente circuito:
5.1 Usando el valor de C anteriormente calculado, simule el circuito propuesto y complete la siguiente tabla para los valores sugeridos de R3
VR7 para
VR7 para
VR7 para
R3=500Ω
R3=1KΩ
R3=3KΩ
VR7 para R3=5KΩ
5.2 ¿Cuál es el rango de voltaje variable de la fuente?
VR7 para R3=8KΩ
