I. TEMA: DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UNA FUENTE DE C.C. AJUSTABLE

II. OBJETIVOS:

1. Poner en práctico todo lo aprendido en los laboratorios.

2. Hacer uso de todos sus conocimientos previos.

III. INTRODUCCION

En esta oportunidad presentamos una fuente de alimentación, nuestro objetivo es dar conocimientos para poder aprovechar al máximo los componentes de una fuente de alimentación y aprender de las partes del funcionamiento de ésta.

Con este dispositivo no queremos obtener los parámetros de una fuente de alimentación de forma analítica, lo que nos interesa es el funcionamiento de la fuente. Debemos informar que el circuito se armó solo en un protoboard y también se uso algunos circuitos integrados.

Nuestro trabajo tiene por objetivo la construcción de una fuente de alimentación regulada variable. Teniendo como punto de partida, que la mayoría de los equipos electrónicos requieren tensiones de corriente continua para su funcionamiento, de ahí la importancia que tiene el conocimiento básico sobre fuentes de alimentación por parte de las personas que se forman en la carrera de ingeniería eléctrica y electrónica.

La fuente de alimentación es un montaje eléctrico/electrónico capaz de transformar la corriente alterna de la red de distribución de la energía eléctrica en otro tipo de corriente eléctrica adecuado (corriente continua) para el uso que se le vaya a dar. Las fuentes de alimentación se construyen utilizando rectificadores, filtros y reguladores de voltaje. Inicialmente se tiene voltaje de corriente alterna, luego por un proceso de rectificación de voltaje alterna se obtiene voltaje de corriente continua y al ser filtrado se consigue tener el voltaje cd fijo deseado. La regulación se puede obtener utilizando un circuito integrado regulador de voltaje el cual recibe un voltaje cd y entrega un voltaje cd pero de un valor fijo que se mantiene estable aun cuando la entrada de voltaje de cd varíe o la carga de entrada conectada a la fuente cd cambie.

El trabajo esta constituido como sigue:

Primero: Se presenta un diagrama de bloques que contiene las partes de una fuente de alimentación, después se da una explicación básica del modo de operación de cada una de las partes.

Segundo: Se muestra el diagrama del circuito general elaborado para el presente trabajo.

Tercero: Se presenta los problemas enfrentados en la elaboración de la fuente de alimentación y sus respectivas soluciones dadas en cada caso.

Cuarto: Se da una lista de materiales y algunas de las características de los mismos que se consideran necesarios conocer, además se agrega los precios de los materiales utilizados.

Finalmente se da algunas conclusiones del trabajo realizado.

FUENTE DE ALIMENTACIÓN REGULADA Y VARIABLE

I. DIAGRAMA DE BLOQUES:

Para lograr obtener corriente continua, la entrada de corriente alterna debe seguir un proceso de conversión como el que se muestra en el diagrama.

En el gráfico se puede ver el funcionamiento de una fuente, con ayuda de un diagrama de bloques y de las formas de onda esperadas al inicio (entrada), al final (salida) y entre cada uno de ellos.

La señal de entrada es una onda senoidal cuya amplitud dependerá del lugar en donde vivimos (110 / 220 Voltios u otro).

El transformador disminuye la amplitud de la señal de entrada a un valor que esté de acorde al voltaje final de corriente continua.

El rectificador convierte la señal anterior en una onda de corriente continua pulsante, y elimina la parte negativa de la onda.

El filtro alisa o aplana la onda anterior eliminando el componente de corriente alterna (C.A.) que estregó el rectificador.

El regulador entrega una tensión constante sin importar las variaciones en la carga o del voltaje de alimentación.

- Los transformadores se utilizan para disminuir o elevar voltajes de corriente alterna.

- Los filtros, pueden ser de varios tipos y se utilizan para eliminar los componentes de C.A. no deseados.

- Los reguladores son un grupo de elementos o un elemento electrónico.

1. TRANSFORMACION:

El transformador es un dispositivo que se encarga de "transformar" el voltaje de corriente alterna que tiene a su entrada en otro diferente que entrega a su salida.

El transformador se compone de un núcleo de hierro sobre el cual se han arrollado varias espiras (vueltas) de alambre conductor. Este conjunto de vueltas se llaman bobinas y se denominan: Bobina primaria o "primario" a aquella que recibe el voltaje de entrada y Bobina secundaria o Secundario" a aquella que entrega el voltaje transformado.

- La Bobina primaria recibe un voltaje alterno que hará circular, por ella, una corriente alterna.

- Esta corriente inducirá un flujo magnético en el núcleo de hierro.

- Como el bobinado secundario está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro, el flujo magnético circulará a través de las espiras de éste.

- Al haber un flujo magnético que atraviesa las espiras del "Secundario", se generará por el alambre del secundario una voltaje habría una corriente si hay una carga (el secundario está conectado a una resistencia por ejemplo)

La razón de la transformación del voltaje entre el bobinado "Primario" y el "Secundario" depende del número de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario. En el secundario habrá el triple de voltaje por ejemplo.

La fórmula:

Número de espiras del primario (Np) = Voltaje del primario (Vp)Número de espiras del secundario (Ns) Voltaje del secundario (Vs)

Entonces: Vs = Ns x Vp / Np

Un transformador puede ser "elevador o reductor" dependiendo del número de espiras de cada bobinado.

Si se supone que el transformador es ideal. (La potencia que se le entrega es igual a la que se obtiene de él, se desprecian las pérdidas por calor y otras), entonces:

Potencia de entrada (Pe) = Potencia de salida (Ps).

Pe = Ps

Si tenemos los datos de corriente y voltaje de un dispositivo, se puede averiguar su potencia usando la siguiente fórmula.

Potencia (P) = Voltaje (V) x corriente (I)

P = V x I (watts)

Aplicamos este concepto al transformador y:

P (bobinado primario) = P (bobinado secundario)

La única manera de mantener la misma potencia en los dos bobinados es que cuando el voltaje se eleve, la corriente se disminuya en la misma proporción y viceversa.

Entonces:

Número de espiras del primario (Np) = Corriente del secundario (Is)Número de espiras del secundario (Ns) Corriente del primario (Ip)

Así, para conocer la corriente en el secundario cuando tengo la corriente Ip (corriente en el primario), Np (espiras en el primario) y Ns (espiras en el secundario) se utiliza siguiente fórmula:

Is = Np x Ip / Ns

Representación esquemática del transformador:

2. RECTIFICACION:

Un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente continua. Esto se realiza utilizando diodos rectificadores, ya sea semiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio.

Rectificador con dos diodos

En el circuito de la figura, ambos diodos no pueden encontrarse simultáneamente en directa o en inversa, ya que las diferencias de potencial a las que están sometidos son de signo contrario; por tanto uno se encontrará polarizado inversamente y el otro directamente. La tensión de entrada (Vi) es, en este caso, la mitad de la tensión del secundario del transformador.

Tensión de entrada positiva

El diodo 1 se encuentra en directa (conduce), mientras que el 2 se encuentra en inversa (no conduce). La tensión de salida es igual a la de entrada. El diodo 2 ha de soportar en inversa la tensión máxima del secundario.

Tensión de entrada negativa

El diodo 2 se encuentra en directa (conduce), mientras que el 1 se encuentra en inversa (no conduce). La tensión de salida es igual a la de entrada pero de signo contrario. El diodo 1 ha de soportar en inversa la tensión máxima del secundario.

Puente de diodos o puente de Graetz

En este caso se emplean cuatro diodos, con la disposición de la figura. Al igual que antes, sólo son posibles dos estados de conducción, o bien los diodos 1 y 3 están en directa y conducen (tensión positiva) o por el contrario son los diodos 2 y 4 los que se encuentran en directa y conducen (tensión negativa).

A diferencia del caso anterior, ahora la tensión máxima de salida es la del secundario del transformador (el doble de la del caso anterior), la misma que han de soportar los diodos en inversa, al igual que en el rectificador con dos diodos.

Esta es la configuración usualmente empleada para la obtención de corriente continua.

Tensión rectificada

Como acabamos de ver, la curva de transferencia, que relaciona las tensiones de entrada y salida, tiene dos tramos: para tensiones de entrada positivas las tensiones de entrada y salida son iguales, mientras que para tensiones de entrada negativas, ambas son iguales pero de signo contrario. El resultado es que en la carga se ha eliminado la parte negativa de la señal de entrada trasformándola en positiva. La tensión máxima en el circuito de salida es, para igual tensión del secundario del trasformador:

Vo = Vi = Vs/2 en el rectificador con dos diodos.

Vo = Vi = Vs en el rectificador con puente de diodos.

En nuestro caso hemos usado el siguiente rectificador:

3. FILTRACION:

Un filtro de condensador es un circuito eléctrico formado por la asociación de diodo y condensador destinado a filtrar, o aplanar, una señal eléctrica de corriente continua cuya tensión NO varía en el tiempo. El circuito es el mismo que el empleado en la rectificación añadiendo un condensador, por lo que al igual que existen rectificadores de media onda y de onda completa existen filtros de condensador de media y onda completa.

En nuestra fuente de tensión esta etapa consta de unos condensadores de 2200F capaces de soportar hasta 30V

En esta etapa la función de estos condensadores es de “suavizar”, “alisar” o “reducir” a u mínimo la componente de rizo y elevar el valor promedio de tensión directa.

En nuestra fuente los condensadores de 2200 F pertenecen a una red filtro que puede soportar con mucha seguridad las pequeñas variaciones de carga y además no desprenden ningún tipo de zumbido durante el funcionamiento de la fuente

La utilización de estos condensadores es una alternativa más segura para el mejor desempeño de la fuente.

EL funcionamiento de la fuente es el siguiente:

La señal rectificada por cada ciclo, carga al capacitor levándolo al valor pico; cuando la amplitud del voltaje rectificado empieza a disminuir. El capacitor empieza a descargarse, su eficiencia depende de la constante de tiempo puesto que una carga de bajo valor pide más corriente haciendo que el capacitor se descargue mas rápidamente y el filtraje sea menor.

El capacitor es utilizado como filtraje puesto que tiene de su lado la característica de carga de cinco tiempos permitiéndonos que sea eficiente para el trabajo de filtro.

Fórmulas:

Vmaxt= 242 = 33,44V

VmaxA= 242 - 1,4 = 33,44 - 1,4 = 32,54 V

Vin min ref = Vout + 3 = 24 + 3 = 27 V

Vr = 2 (32,54 - 27,73) = 9,62 V

Lo que normalizado nos da un valor de C= 2200 F

Vr = Tensión de rizado, pico a pico.

I = Corriente continua en la carga.

f = frecuencia de la tensión de rizado.

C = Capacidad, valor de condensador para evitar rizado.

* ETAPA DE ESTABILIZACION DE VOLTAJE:

C= 22·60 ·9 ,52

=2000 μFVmaxA=Veft ·√2−2VdC= Idc

2 f·VrVr=2(VmaxA−Vdc )

Mantiene constante el voltaje de salida de la fuente contra variaciones de consumo de corriente de equipo o de carga conectada en los terminales de salida de la fuente.

El regulador de tensión es un circuito que a partir de una tensión rectificada, produce tensión de salida estable frente a posibles variaciones de la tensión de entrada y del valor de la carga.

Los reguladores de tensión fija proporcionan en la salida una tensión estabilizada de un valor constante, para proporcionar esa tensión de salida constante es necesario disponer de una tensión de referencia constante.

La patilla de Entrada (E), recibe la tensión positiva a estabilizar.

La patilla de Regulación (R), se utiliza para cambiar la tensión de salida al valor deseado.

La patilla de Salida (S), es de la que se obtiene la tensión estabilizada

Para la estabilización se utilizó un diodo zener.

* CIRCUITO DE PROTECCIÓN:

a) Indicador de Cortocircuitos:

Como su nombre lo dice este parte de la fuente nos será útil para poder detectar que en la salida esta en corto circuito o que tiene una sobrecarga instalada. El circuito es el siguiente:

b) Circuito de Protección:

Lo dicho anteriormente si bien avisa cuando existe un corto circuito o sobrecarga en los terminales de salida, sin embargo no protege al os dispositivos y componentes electrónicos conectados.

Para evitar el deterioro de la fuente de alimentación se le incorpora un circuito de protección consistente en un diodo de silicio (en este caso trabajamos con el diodo 1N914).

Al producirse un cortocircuito o sobrecarga en los terminales de salida de la fuente de alimentación ,el transistor señalado en esta protección(para este caso el BC549 ) pasa al estado de saturación encendiéndose el led rojo .Al mismo tiempo la corriente que sale del ajuste del circuito integrado LM317 (usado en esta ocasión) se deriva por el diodo 1N914 a tierra .Luego es por ello que no se dañara el circuito integrado .De ésta manera la corriente de salida se hace cero quedando inhabilitada la fuente de alimentación.

Para restablecer la condición de funcionamiento normal, bastara con quitar el cortocircuito o la sobrecarga conectada en los terminales de salida de la fuente.

NOTA:

El diodo 1N914 debe estar unido con el cátodo del Led rojo y con el emisor de transistor.

La potencia de la resistencia de 0.5 ohmios debe ser de 5 vatios para que pueda resistir la corriente de corto que pase por ahí.

El circuito es el siguiente:

4. REGULACION DE VOLTAJE:

En esta etapa se busca obtener un voltaje ajustable que permita al usuario hacer pruebas eléctricas y/o operar equipos electrónicos. Para el proceso de regulación se puede emplear transistores o circuitos integrados conectados a un potenciómetro lineal. En este caso nos ocuparemos de la regulación de voltaje con circuitos integrados por que, éste ha sido usado en el trabajo.

Regulador de voltaje ajustable

Los reguladores de voltaje también se hallan disponibles en configuraciones de circuito integrado que permiten establecer al usuario el voltaje de salida a un valor regulado deseado. El LM317, usado en nuestro caso, puede hacerse funcionar con el voltaje regulado de salida en cualquier especificación en el intervalo de voltaje de 1.2V a 37V. En la siguiente figura se muestra como se puede establecer el voltaje regulado de salida de un LM317.

Las resistencias R1 y R2 (resistencia variable) establecen la salida para cualquier voltaje deseado sobre el intervalo de ajuste (1.2 a 30 V) el voltaje de salida puede calcularse mediante.

V o=V ref (1+R2

R1)+ I adj R2

Con valores de CI típicos de

Vref = 1.25V y Iadj = 100A

Por ejemplo en nuestro caso para: R1 = 240, R2 = 5k

Vomin.= 1.25V y Vomax. = 27.79V.

II. CIRCUITO GENERAL

La fuente de alimentación de la figura mostrada tiene la característica de que posee un sistema constituido por un led verde, una resistencia de 1.5 K y un diodo 1N4148.

Que en la gráfica se encuentra en la parte superior del circuito integrado (este diodo conectado desde la salida hasta el led, de forma que este polarizado inversamente desde el led hasta la salida) este sistema nos permite saber si la fuente esta prendida o apagada, encendiéndose el led amarillo en el primer caso y permaneciendo apagado en el segundo. La fuente construida tiene la capacidad de avisar cuando haya un corto circuito o sobrecarga en las terminales de salida. También posee la capacidad de evitar el daño de los dispositivos que se encuentran dentro.

Para evitar el daño del circuito integrado se incorpora un dispositivo de protección tal como el diodo de silicio (1N914) conectado de forma tal como esta en el grafico.

Al producirse un corto circuito o sobrecarga en las terminales de salida de la fuente de alimentación, el transistor BC549 pasa al estado de saturación encendiéndose el led rojo, al mismo tiempo que la corriente que circula por la se desvía hacia el diodo 1N914 a tierra; de este modo seresistencia de 240 protege el circuito integrado, ya que ninguna corriente circulara a través del circuito integrado por lo que la salida se hace cero y de esta manera la fuente queda inhabilitada.

IV. MATERIALES Y CARACTERISTICAS

NOMBRE SIMBOLO CARACTERISTICAS GRAFICO COSTO ($)

1 Plumón de tinta indeleble

Se usa para hacer marcas en la

fuente.

2.50

1 Transformador 220 20 – 0 - 20

Se utilizo de este instrumento la característica de disminuir el nivel de voltaje eficaz que nos proporciona 200V a 30V, ya que los elementos no pueden soportar demasiada energía.

8.00

1 Caja Se uso para cubrir todo el circuito.

7.00

1 Cordón 220v y 1 enchufe

Se uso para al conexión.

1.10

2 bananos Son para conexión.

0.50

Transistor chapa 2n3055 Este dispositivo es

usado en este caso particular para que cuando este polarizado inversamente ceda el paso de la corriente en corto circuito hacia el terminal de tierra.

2.50

1 Potenciómetro 5 KΩ En ese caso el

potenciómetro nos sirve para controlar la cantidad de voltaje de salida, para variarla desde un mínimo hasta un máximo voltaje.

1.50

1 Condensador 2200 µF – 35v En este caso los

condensadores electrolíticos han sido usados como un filtro después del proceso de rectificación, haciendo que el voltaje de riso tienda a cero.

1.00

1 Transistor BD135 Este dispositivo es

usado en este caso particular para que cuando este polarizado inversamente ceda el paso de la corriente en corto circuito hacia el terminal de tierra.

0.60

1 Transistor BC549 Este dispositivo es

usado en este caso particular para que cuando este polarizado inversamente ceda el paso de la corriente en corto circuito hacia el terminal de tierra.

0.20

4 Diodos BY127La característica principal aprovechada en esta fuente respecto a este diodo fue la de RECTIFICACION, convirtiendo el nivel de C.A. en C.C.

0.40

1 Diodo LED (verde) Este dispositivo

conectado con una resistencia en serie (para controlar la corriente que pasa por el diodo) sirve como símbolo de que la fuente de alimentación esta encendida o en la posición de trabajo.

0.50

1 Diodo LED (rojo) Este dispositivo nos

comunica que en la salida se ha producido un corto circuito, el color rojo simboliza el peligro de esta acción.

0.50

1 Resistencia 0.5Ω - 5W Se oponen al paso

de la corriente eléctrica, sirven para controlar la corriente que puede pasar por un dispositivo electrónico.

0.40

1 Diodo Zener 22v – ½ W Se aprovecho este

diodo para usarse como circuito cerrado o circuito abierto debido a la polarización ofrecida por la corriente.

0.30

1 Diodo 1N914 – 1N4148 Se aprovecho este

diodo para usarse como circuito cerrado o circuito abierto debido a la polarización ofrecida por la corriente.

0.10

2 Resistencias ½ W Se oponen al paso

de la corriente eléctrica, sirven para controlar la corriente que puede pasar por un dispositivo electrónico.

0.10

Resistencias de 1.8KΩ;470Ω Se oponen al paso

de la corriente eléctrica, sirven para controlar la corriente que puede pasar por un dispositivo electrónico.

0.20

1 Resistencia 1.5K – 1W Se oponen al paso

de la corriente eléctrica, sirven para controlar la corriente que puede pasar por un dispositivo electrónico.

0.10

1 Disipador transfiriere el calor de la parte caliente

que se desea disipar al aire. Este proceso se propicia

aumentando la superficie de

contacto con el aire permitiendo una eliminación más rápida del calor

excedente.

2.00

1 Placa 10x15 Es la tarjeta de circuitos impresos

que sirve como medio de conexión

1.50

2 Porta LED

0.40

1 VoltímetroEste instrumento nos permite hacer una lectura analógica respecto de la cantidad de voltaje que hay en la salida de la fuente.

2.30

1Switch Este dispositivo sirve para cambiar del estado de apagado al encendido de un circuito dejando pasar a la corriente.

1.00

Estaño (3m)

Se usan para fundir.

1.00

2 Fusibles El fusible s un dispositivo que protege a los elementos del sistema de un exceso de energía(corto circuito)

0.70

Hornillas 0.40

Cables Conductor de electricidad.

0.60

Acido

1.00

Tornillos Empleado para la unión desmontable de distintas piezas, aunque también se utiliza como elemento de transmisión.

0.60

IV. DIAGRAMA ESQUEMATICO.

VALORES DE SALIDA DE VOLTAJE EMETIDOS POR LA FUENTE

VI.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIÓN

Durante el proceso de búsqueda de información acerca de las fuentes de alimentación se ha encontrado multiplicidad de fuentes de alimentación, desde fuentes que cumplen las etapas básicas de una fuente de alimentación hasta aquellas mas sofisticadas que requieren mucho mas materiales y dispositivos para su elaboración. El uso de determinados dispositivo permite hacer fuentes que ofrecen ciertas ventajas frente a otros, como tener salidas reguladas ajustables, tener protección contra cortocircuito, etc.

Los materiales y dispositivos encontrados en el mercado presentan una alta tolerancia en sus valores indicados, lo cual no contribuye a tener una buena precisión en los resultados, sin embargo se tiene que considerar que si se desea tener materiales y/o dispositivos con menos tolerancia el costo aumenta y éste también es una dificultad.

Los valores de voltajes de salida obtenidos, en el caso del voltaje minino es del orden de 2.4V que es mayor al valor esperado para la salida de un circuito integrado como el LM317 que es de 1.25V aproximadamente, sin embargo hay que tener en cuenta que todo dispositivo electrónicos tienen una determinada tolerancia que hace que no se tenga un valor tan próximo al teórico, además, también hay que considerar que el potenciómetro utilizado su resistencia mínima no es realmente cero con lo cual se justificaría el valor obtenido. En el caso del valor máximo se ha obtenido un valor aproximado de 27V, que comparado con el valor teórico de 27.79V se puede considerar un error aceptable, las razones de la diferencia serian las mismas a las expuestas para el caso del valor mínimo, depero en este caso el potenciómetro no tendría exactamente 5 resistencia.

BIBLIOGRAFÍA

Electrónica: Teoría de Circuitos, Boylestad Robert

http://www.arrakis.es/~fon/simbologia/

http://www.unicrom.com/cir_fuenteconlm317T.asp

http://www.steren.com.mx/diagramas/diagramas_int.asp?categoria=proy

http://www.soloelectronica.net/F%20ALI%204_a_28_v.htm

http://enciclopedia.us.es/index.php/Transformador

http://atschool.eduweb.co.uk/trinity/projects/fusetest/resistor.gif

www.jvgavila.com/ ventas.htm

www.totalstyles.fr/ images/

http://www.chu.cam.ac.uk/~JRS47/switch.jpg

members.aon.at/ sunbeam/2N3906.htm

www.astrosurf.com/ astronosur/accesorios2.htm

www.hispavila.com/ 3ds/lecciones/lecc3.htm

www.laercio.com.br/.../ hard-052/hard-052.htm

www.pisotones.com/ Articulos/Construc.ht