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r- L-

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L

L.

P

Y

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Casa abierta al tiempo UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA

UNIDAD: IZTAPALAPA

" DIVISIóN: División de Ciencias Básicas e Ingeniería

CARRERA: Ingeniería Biomédica

/ TÍTULO: Fuente de Alimentación Variable (+- 20V) y Fija de 5 Volts a 1.5 Amperes.

FECHA: 20 marzo 1998

( ALUMNO: Marlynkdrígwz De La Cruz

Asesor: Salvador Carrasco Sosa.

L

P

L

I ru

I. FUENTE DE ALIMENTACIóN REGULADA SIMÉTRICA DE ( (+ -) 1.2 a ( + -) 20 V) Y DE 5~ A 1.5 AMPERES

ANTECEDENTES

Todos los equipos electrónicos necesitan de fbentes de alimentación, que son responsables por la conversión de la energía de la forma alterna, disponible en la corriente, a la energía en forma de corriente continua, según las necesidades de cada proyecto.

En numerosas ocasiones se precisa disponer de algún sistema de alimentación que proporcione la tensión continua necesaria para el fbncionamiento de un determinado equipo. Muchas veces se recurre a utilizar pilas o baterías, pero aparte de los problemas de descarga que exigen estar muy pendientes de ellas, aparecen otros referentes a la dificultad de conseguir con este procedimiento el valor de tensión requerido, ya que en algunos casos bastará con situar varias pilas de 1 . W en serie, pero en otros, el número de éstas puede ser tan elevado que no puede llevarse a cabo en la práctica. También hay que tener en cuenta el consumo de corriente que se va a necesitar, ya que es otro factor que podría invalidar el procedimiento anterior porque con intensidades elevadas se agotarían las pilas rápidamente, haciendo que el coste kera muy alto.

Por otra parte y considerando que todos los aparatos electrónicos van alimentados a un voltaje específico, resulta particularmente interesante disponer de algún equipo que pueda suministrar esta tensión con objeto de tener la posibilidad de hacer todas las pruebas y ajustes necesarios sobre el aparato en cuestión, antes de proceder a su utiíización, ya que de esta forma se contará con la garantía de que hnciona perfectamente. Los equipos que cumplen los requisitos exigidos son las fbentes de alimentación, en las que puede elegirse la tensión continua que se necesite mediante un mando externo y son capaces de suministrar intensidades de corriente relativamente elevadas, disponiendo según los modelos de un segundo control externo que puede limitar la corriente al valor que se desee, lo que resulta particularmente interesante en aquellos casos en los que exista un cortocircuito o sobrecarga en el equipo que se está probando que pueda ocasionar mayores daños en otros componentes.

- ? , e *

ct

L

REQUERIMIENTOS DE LA FUENTE

1 .- Debe Proporcionar de 1.2 volts a 20 volts a una corriente de 1. 5 Amperes 2.- Debe proporcionar de - 1.2 volts a -20 volts a una corriente de l. 5 amperes 3 .- Debe proporcionar 5 volts a 1.5 amperes 4.- La fuente debe ser en circuito impreso 5.- Darle un acabado y montarlo en una caja.

DESCRIPCIóN GENERAL

P-

L

c 'm

I L

P'

L

c

L

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L.

c-

c

L-

C"

L"

P"

Todo circuito electrónico requiere de un voltaje constante ( que se conoce como DC) para su hncionamiento adecuado. La obtención del voltaje DC puede hacerse a través de una batería, la cual hay que

reemplazar cada vez que se desgasta. Aún cuando se utilizaran baterías recargables, una vez que se ha bajado su voltaje, deben recargarse. Además, éstas tienen un tiempo de vida útil y cuando éste ha transcurrido, también deben cambiarse.

Otra forma de lograrlo es tomando la energía que se encuentra en cualquier tomacorriente o enchufe. Esta energía se presenta como un voltaje no constante (denominado AC ), el cual será transformado en DC mediante el proceso de conversión AC-DC, que es la hnción de este producto, y que se describirá a continuación.

Podemos ver que la señal de AC varía en el tiempo, cambiando su valor alternadamente del positivo (+) al negativo (-). La forma que se muestra se repite indefinidamente.

En la figura 1 se muestra la forma de onda que tiene el voltaje AC:

AMPLITUD

TIEMPO (SEG.)

Figural.-Forma de onda de una seital AC.

La amplitud que presenta es muy elevada para aplicaciones en electrónica. El proceso de conversión encuentra su justificación en el hecho de que los circuitos integrados electrónicos requieren de voltajes y corrientes pequeñas y en DC.

L.

La transformación AC-DC se lleva a cabo mediante el proceso que se describe de la siguiente manera:

DIAGRAMA A BLOQUES DE LA CONVERsIdN AC-DC

Una fiente de poder lo que realiaa es una conversión AC-DC tomando como principio cada una de las partes de éste diagram. En la figura 2 se muestra un diagrama de bloques que contiene las partes de una &ente de poder y los voltajes en diversos puntos de la unidad. El voltaje ca, por lo general de 120 Vrms, se conecta a un transformador que eleva ese voltaje, o más comúnmente, reduce el nivel para la salida cd deseada.

Un rectificador con diodos proporciona despues un voltaje rectificado de media onda( o más generalmente de onda completa) que se aplica a un filtro para suavizar la variación de la sefial. A menudo, un simple filtro de capacitor es suficiente para proporcionar esta acción de suavizamiento. El voltaje resultante cd con algún rizo o variación de voltaje ca se proporciona despubs como entrada a un regulador de CI que produce como salida un nivel de voltaje cd bien definido, con un voltaje de rizo extremadamente bajo sobre un intervalo de carga.

c-

..-.

o Si el número de vueltas del primario es menor que el número de vueltas del secundario entonces, el voltaje de salida es mayor que el de la entrada.

En la fig. se muestran los símbolos eléctricos del transformador. En ésta se pueden ver dos representaciones diferentes, la segunda muestra una división en el secundario.

2 1 15Vac If- I L

SIN TAP CENTRAL CON TAPCENTRAL

Figura 3.- T R A N S ~ R ~ L ~ L X ) ~ ? E S

Esta división se hace físicamente con un alambre conectado en alguna parte del embobinado del secundario, permitiéndonos obtener una porción del voltaje de salida. Generalmente esta salida está conectada al centro del secundario, con lo cual dividimos la salida en dos.

RECTIFICACI~N

En esta etapa se acondicionará el voltaje para poder obtener las polaridades de salida que se quieran.

La rectificación consiste en convertir el voltaje secundario más bajo de ca del transformador en un voltaje pulsante de cd.

El rectificador es un arreglo de diodos conectados de tal manera que invierte o elimina los voltajes no deseados, utilizando la característica de switch de los diodos semiconductores. La figura muestra un diagrama eléctrico de un diodo.

Hay varias configuraciones para el rectificador. se pueden considerar a simple instancia los rectificadores de onda completa y media onda. La diferencia entre ambos está en la señal de salida.

Voltaje de entrada SERALES DE SALIDA

Onda Completa Positiva media Onda Positiva Onda Completa Negativa Media Onda Negativa

Forma:: Onda a la Salida de los Rectificadores

Como se puede notar, la sefial de salida del rectificador todavía no es DC, pero ya es de menor valor debido al transformador y con otra forma por los cambios ocurridos

Los rectificadores de onda completa toman distintas formas, las más comunes son: rectificador con dos diodos, puente rectificador y puente rectificador centrado en el tap. En la siguiente figura se muestran sus diagramas eléctricos.

* durante la etapa de rectificación.

c-

F-

i - -Vu: '+ Rectificador Onda Completa

Centrado en el Tap

Rectificador Onda Completa Con Puente p o s i i

_L - - P"

I L

F-

L

2 1 1 Wac F"

i I I -Vu:

Rectificador Onda Completa con 2 Diodos. Positivo

Dl 5

Rectificador Onda Completa Con Puente Negativo

F

6 Rectiicador Onda Completa con 2 Diodos,

Negativo L

c Los rectificadores de media o e ' ' '-1 son muy simples como puede verse en la figura. Rectificador Media

__ -

Onda positiw Rectifcador Media

Onda Negativo

En el rectflcador puente de onda completa Están conectados a las terminales 1 y 2 en el transformador. Cuando la terminal 1 es positiva con respecto a la terminal 2, los diodos D5 y D8 conducen. Cuando la terminal 2 es positiva con respecto a la terminal 1 , los diodos D6 y D7 conducen. El resultado es un voltaje de cd pulsante entre las terminales de salida.

C

L

P- FILTRADO

L-

C

L

c^4

L

e-

L

c

L

P-

L-

P

L

P

L-

IL-

P

L

F-

Para lograr una señal de corriente directa P C ) se requiere un elemento que permita la detección de un valor fijo de la señal. Este valor podría ser el valor promedio, pico o R M S de la señal rectificada. Como la señal cambia de valor, entonces se podría hacer un promedio de todos estos cambios y de esa forma obtener el valor promedio. El valor pico de una señal es el máximo que ésta puede tomar. Si fijamos este valor máximo obtenemos el valor pico de la señal. También podría utilizarse una función de probabilidad para obtener el valor RMS. Sin embargo, se utiliza la detección del valor pico por ser la más sencilla de todas. La sencillez consiste en la utilización de un solo componente (un capacitor) para la obtención. Esta forma de utilización es conocida como filtro. “El capacitor es un dispositivo de almacenaje de carga eléctrica. Está hecho con dos placas de material conductor separadas una cierta distancia y con algún material dieléctrico. El valor del capacitor depende de la separación y de los materiales que se utilicen”.

Un circuito filtro conocido es el circuito filtro simple con capacitor que se muestra en la figura 4. El capacitor está conectado a través de la salida del rectificador y se dispone de voltaje cd de salida a través del capacitor. La figura 5a. muestra el voltaje de salida rectificada de un circuito de un circuito rectificador de onda completa antes de filtrar la señal. La figura 5b. muestra la forma de onda resultante después de que el capacitor se conecta a través de la salida del rectificador. Como se muestra, este voltaje filtrado tiene un nivel cd con cierto factor de rizo sobrepuesto en él.

salida d e l circuito recdicador Fih’ipacitor

Fig. 4 Filtro con un simple capacitcw

T

Cuando no hay carga conectada al filtro, la onda de salida sería idealmente un nivel constante cd igual al valor del voltaje pico(Vp) del circuito rectificador. Sin embargo, el propósito de obtener un voltaje cd es proporcionar este voltaje para que sea utilizado por otros circuitos electrónicos, lo que constituye en consecuencia una carga en la fuente de voltaje.

c

L..

b

P

L

c

L

L..

cw

L..

c-

cy

L

c

L

Si el capacitor se descargara sólo ligeramente (debido a una carga pequeña), el voltaje promedio estaría muy cerca del valor óptimo de Vp. la cantidad de voltaje de rizo sería también pequeña para una carga de bajo valor. Esto muestra que el circuito filtro de capacitor proporciona un elevado voltaje cd con un rizo pequeño para cargas pequeñas( y un voltaje cd más pequeño con rizos más grandes para cargas mayores).

REGULACI~N

Una fbente de alimentación sin regulación tiene dos características indeseables: l . El voltaje de cd disminuye y 2. El voltaje de rizo de ca se incrementa conforme aumenta la corriente de carga.

Ambas desventajas pueden minimizarse al añadir una sección de regulación de voltaje a la fbente no regulada como en la figura 5. La fbente de alimentación resultante se clasifica como fbente de voltaje regulada.

Fig. 5 Una fuente no regulada m&s un regulador de voltaje produce una fuente de poder de volhje regulado.

Los reguladores de voltaje son un conocido grupo de CI lineales. Un CI regulador de voltaje recibe una entrada de voltaje cd casi constante y lo suministra como salida a un valor un poco más bajo del voltaje cd, al cual el regulador mantiene fijo o regulado dentro de un amplio intervalo de variación de la corriente de carga o voltaje de entrada.

REGULADORES DE VOLTAJE LINEALES EN CIRCUITO INTEGRADO

Clasificación

características: l . Polaridid negativos, positivos o bipolar. 2. Número de terminales: de tres terminales o multiterminales. 3. Voltaje de salihfijo o ajustable: Los voltajes fijos,estándar son +- 5,+-12, y +-15

4. Corriente de salida: las capacidades normales de la corriente de salida son

Los reguladores lineales de voltaje de CI se clasifican considerando cuatro

Volts. El intervalo ajustable suele ser de 1.2 a 37 V, o bien, -1.2 a -37 v.

0.1,0.2,0.25,0.5,1.5, y 3 A y las nuevas son de 5 y 10 A.

Características comunes Un voltaje instantáneo en la salida de un regulador CI siempre es mayor que el

voltaje de salida de cd por un valor que suele ser de 0.5 a 3V. Este requisito se denomina voltaje instantáneo mínimo de entrada-salida, caída de voltaje o, simplemente, voltaje extremo.

El voltaje mínimo es: VLmin = Voreg + espacio libre , donde el espacio libre es el voltaje entre las terminales de entrada y salida para garantizar la operación de los circuitos internos. Circuitos de autoprotección

Los circuitos internos de estos dispositivos detectan la corriente de carga. si esta corriente rebasa determinado valor, la corriente de salida queda automáticamente limitada hasta que se quita la sobrecarga. También miden la diferencia de voltaje de entrada-salida y la corriente de carga, para asegurarse de que no ocurra una combinación no permitida. Y so ocurre, el regulador se apaga. A esta característica se le llama protección de área segura.

Finalmente, estos reguladores pueden medir su propia temperatura para comprobar si el usuario realiza adecuadamente la extracción de calor. Si la temperatura interna del integrado pasa de 150 a 175 O C, se apagan. Si se elimina la falla, el regulador vuelve a hncionar. Protección externa

se pueden dañar por mal uso, sabotaje o ciertas fallas de los circuitos externos.

reducción del rizo Los fabricantes de reguladores lineales en circuitos integrados especifican su comportamiento en corriente alterna mediante un parámetro denominado rechazo de rizo. Es la razón del voltaje pico a pico de la onda de entrada Vounreg entre el voltaje de rizo pico a pico de la onda de salida Voreg. Suele ser de 60dB o más. Esa es una reducción en el voltaje de rizo de 1000: 1 por lo menos. Por ejemplo, si 5V de rizo se encuentran en la entrada del regulador, menos de 5mV aparecen a través de la carga.

Pese a que los circuitos de protección interna están bien diseñados, los reguladores

Las medidas de protección vienen en la hoja de datos de cada regulador.

Seleccibn del transformador El primer componente que hay que tener es el transformador. En el mercado hay

transformadores con y sin tap central, como se vio en la descripción general. Para la realización de la hente se requirió un transformador con tap central, ya que

se requería una hente con ambas polaridades. Cuando se utiliza un transformador con tap central, para proporcionar un sblo

voltaje, entonces, debe conectar únicamente dos de las tres terminales del secundario y aislar la no utilizada, tomando en cuenta el voltaje requerido para las etapas de rectificación y regulación.

Las características de salida del transformador deben escogerse con dos criterios, el

Criterio para el voltaje de salida del transformador de voltaje y el de corriente.

Para el voltaje deben considerarse las caídas de tensión en el rectificador, y los voltajes de entrada y salida del regulador. Las caídas de tensión en el rectificador dependen de la configuración y de los componentes utilizados. Se toma el voltaje en directa (VI) del diodo que se vaya a utilizar y se multiplica por el ntimera de diodos que conducen en cada ciclo. Para un puente rectificador (KBpo2) se tiene una caída de tensión de

Vrectificador = 1.2 V

A la caída de tensión del rectificador debe sumársele la caída del regulador. En este caso, para el LM317(regulador positivo) , el LM337( regulador negativo) , y el LM309 , es de 3 Volts máximo. Además debe tomarse en cuenta el voltaje de salida que se quiere, esto es, los dos idtimos dígitos del regulador. estos voltajes que se obtienen son voltajes DC. Para obtener el voltaje RMS ( que es como se piden los transformadores) se requiere dividir el resultado entre raíz de 2. Así es como se obtiene la siguiente tabla:

TABLA PARA LA SELECCIbN DEL VOLTklE DEL TRANSFORMADOR

salidal onda 2 I 4.29 5 6.38 6 7.07 8

19.79 24 18.38 22 15.55 18 13.43 15 11.31 12 9.89 10 9.19 9 8.48

? del sec

Didos 4.94 7.07 7.78 9.19

10.60 12.02 14,14 16.26

, 19.09 20.50

Onnn(

' 9.89

U 9 mbrio

6.50 7.21 8.62 9.33

10.04 11.45 13.57 15.69 18.52 19.94

Se utiliza el transformador comercial de valor inmediato superior al encon- trado en la tabla. Debe tomarse en cuenta que si se uti- lizan dos polaridades, cada una debe cumplir l o s requerimientos mínimos de voltaje según la tabla, consideran- do que el tap central es la referencia. Sin embargo, no se aconseja que el voltaje de salida del transformador sea mucho más grande que el voltaje de salida del regulador. Pues el calor generado durante la regulación de voltaje aumenta, -do la cali- dad de la señal regulada con lo que se forza a utilizar un disipador de calor para el regulador.

Si se desea una fuente de (+-) 20 Volts, debe duplicarse el voltaje de salida del transformador(secundario) según la tabla anterior.

Para nuestro caso, tenemos

18.52 x 2 = 37.04

.

Esto puede aproximarse al valor comercial siguiente superior que será de 40 Volts. Es IMPORTANTE mencionar que no debe cometerse el error de sumar las dos salidas de voltaje deseadas, por ejemplo,

ya que en la tabla se sugiere un voltaje de secundario de 19.92 para polarizar un solo regulador de 22 volts. Y no 37.04 para polarizar dos reguladores de 20 Volts.

20 + 20 = 40 volts,

Criterio para la corriente de salida del transformador

características de salida y de la corriente que maneje el regulador. Para el LM3 17, LM3 3 7 y el LM309 las corrientes de salida son de 1.5 Amperes. Por lo tanto, la comente de salida del transformador depende del número de reguladores y de la corriente para la que esté diseñado. Por ejemplo, si se va a hacer una fbente de una polaridad con un regulador de 1 SA, el transformador recomendado será de 1 , 5 4 pero si se tiene una fbente de dos polaridades con reguladores de l . 5 4 el transformador será de 3A( 1.5A para cada una de las polaridades.).

Se recomienda utilizar un margen de seguridad en la corriente, para lo cual aumente un 25% a las necesidades de salida regulada.

La corriente de salida del transformador se encuentra dependiendo de las

Selección del rectijcudor Para la selección del puente integrado, se debe tomar en cuenta la corriente de salida de la &ente. En este caso las corrientes máximas serán de 1.5 A . Por lo que se requiere un puente de 2Amperes debido a que es la mayor capacidad de corriente que se pueda demandar.

Seleccih delfiltro Un capacitor de valor adecuado es suficiente para detectar el valor pico de la señal

rectificada, visto de otra forma fbnciona como un filtro pasa bajas que elimina las componentes de alta fiecuencia de la señal. El cálculo del valor de este capacitor se puede hacer a partir de la siguiente fórmula:

C = 2.4Icc / Vrizo Si se fija el voltaje rizo a lVpp entonces la corriente de salida es la que determina el

Se recomienda la utilización de capacitores de 2200pf o más, ya que con éstos se valor del capacitor.

logra una buena atenuación del voltaje de rizo.

Vr = ( I / 4(3)" fC ) = ( 1 .5Amp / (4(3)'"( 120Hz)(2200pf))) - = 0.8 volts

% Vr = (Vr / Vsal(pic0) ) x100 - = 2.05 %

Los cálculos son sidares para la fbente de voltaje negativa y para la fbente de 5 volts.

Debe. tomarse en cuenta al escoger el capacitor que cualquier variación en el voltaje de línea va a presentarse en el secundario del transformador.

Por ello, el voltaje que soporte el capacitor debe ser suficiente de acuerdo a los rangos de tolerancia de la Comisión federal de Electricidad. Para salidas de 22V y 24 V se recomienda un capacitor de 36 volts, en el resto de los caws un capacitor a 25 volts es suficiente.

Los valores sugeridos anteriormente son los recomendables como mínimo, pero si se cuenta con un capacitor de voltaje mayor se puede utilizar con toda confianza.

Seleccidn del Regulador Para requerimientos de potencia relativamente bajos, el regulador de CI es mucho

más económico que los componentes discretos necesarios para hacer una &ente regulada, y proporciona mejor regulación (+-0.01%), protección de sobrecarga y confiabilidad.

Los reguladores de voltaje que proporcionan un voltaje regulado fijo posiho dentro de un intervalo de corrientes de carga se representan esquemáticamente en Ia figura 6 .

Diferencial de voltaje / desalidaatrada \ corriente de carga

+ ID

Voltaje de entrada mreguw Voltaje de

V- salida regulada VO

i IntRvalo d e l

voltaje de entrada 1 Regulación de carga

Regulación de línea

Figura 6.- Representacibn en bloques de un regulador de voltaje de tres terminales

El regulador de voltaje fijo tiene un voltaje no regulado, Vent, (aplicado a una terminal) entrega un voltaje de salida regulado, Vo, desde una segunda terminal, con la tercera terminal conectada a tierra. Debe mantenerse un voltaje diferencial de salida-entrada para que el CI opere, lo que significa que la variación de voltaje de entrada debe siempre mantenerse lo suficientemente grande para conservar una caida de voltaje a través del CI que permita la operación adecuada del circuito interno

Un grupo de reguladores de voltaje son, las series 7800 y 7900 de paquetes de reguladores en CI están disponibles de inmediato. los últimos dos dígitos del número de parte de€ CI indican la tensión de salida del dispositivo. A s í por ejemplo, un CI 7808 produce una salida de 8volts regulados. La serie 7900 es el complemento de la 7800, pues ambas proporcionan tensiones reguladas negativas.

Los reguladores de voltaje se disponen también en configuraciones de circuito que permiten al usuario establecer el voltaje de salida para un valor regulado que se desee. Estos tipos de reguladores heron los utilizados para la realización de la fuente, el LM3 17 (tensión positiva) y el LM337(tensión negativa). Para la fbente fija de SVolts se utilizó el LM309.

REGULADOR DE VOLTAJE POSITIVO AJUSTABLE DE TRES TERMINALES (EL LM317HI/) Y REGULADOR DE VOLTAJE NEGATIVO (EL LM337m9

El LMll7 y LM137 son excelentes dispositivos con todos los circuitos de protección interna descritos al hablar de los reguladores. Por ser tan flexibles , se utilizan en aplicaciones hostiles; de ahí que convenga incorporar los circuitos de protección externa.

REGULADOR DE VOLTAJE POSITIVO AJUSTABLE (EL M 3 1 7 m 9 El regulador de voltaje positivo LM3 17 ajustable, tiene sólo tres terminales, como

se muestra en la figura 7(a). La instalación es sencilla, como se muestra en la figura 7(b). El LM3 I7 mantiene exactamente 1.2 V entre sus terminales de salida y ajuste. Este voltaje se llama Vref y puede variar de circuito a circuito desde 1.20 a 1.30. Una resistencia de 240R, R1, se conecta entre esas terminales para conducir una corriente de 1.2 V / 240R = 5 m A . Esta corriente de 5mA fluye a través de R2. Si R2 es ajustable, la caída de voltaje a través de ella, V2, será igual a R2 x 5 m A . El voltaje de salida del regulador se establece por vR2 más la caída de 1.2 V a través de R1. En términos generales, Vo está dado por

Normalmente, R1= 240R . Por tanto, cualquier valor deseado de voltaje regulado de salida se establece mediante el ajuste fino de R2 a un valor determinado por

VO= 1.2V/R1 (R1 +R2)

Características del LM3 17HVK

El LM3 17HVK proporcionará una corriente de salida regulada hasta de 1.5 A, siempre que no esté sujeto a disipación de potencia de más de 15W ( encapsulado TO-3). Esto significa que debe estar aislado eléctricamente de, y sujeto a, un gran disipador de calor tal como el chasis de metal de la hente de alimentación. Una pieza de aluminio de 5 por 5 pulgadas también forma un disipador de calor adecuado.

El LM3 17 requiere un voltaje mínimo de “caída” a través de sus terminales de entrada y salida o se saldrá de regulación. Por tanto, el límite superior Vo es 3V abajo del voltaje mínimo de entrada desde la hente no regulada.

Es bueno conectar capacitores en derivación(“0 y pass”) C1 y C2 (pf de tantalio) como se muestra en la figura 7(b). C1 minimiza los problemas causados por terminales largas entre el rectificador y el LM3 17. CZ mejora la respuesta transitoria. Cualquier voltaje de rizo del rectificador se reducirá por un factor de más de 1000 si R2 está derivado por un capacitor de tantalio de 1pf o un capacitor electrolítico de aluminio de 1OpF.

Entrada w Encapsuhdo Ajuste

LM317

E-da "--da Ajuste

a) Diagrama de conexibn para el M 3 1 7y con encapsulado de acero TO-3 y esquema del circuito

+

AI puente no regulado con filtro de

3a60V

"r b) Conexibn d e l LM317HKV para actuar como

regulador del W a j e positivo, ajustable

+" 1 - ~ . Vent

sin regular -3a-5QV

R2$ c1 - JiIE LM337HVK

+

Vo= 1.2V(I + R21240Q)

1.2 a 5N

a 1.5A

I+ V0=-1.2V(1 +R2/12OQ)

RL -1.2 a 47V

a 1.5A

b) Conexi611 del LM337HKV para actuar como regulador del voltaje negativo

Figura 7.- Reguladores de circuito integrado de Mil UM) de tres terminales positivo (Lrn317) y negatw (LM333).

El LM3 17 se protege por sí mismo contra sobrecalentamiento, demasiada disipación interna de potencia y demasiada corriente. Cuando la temperatura de la tableta alcanza 175"C, el 3 17 se apaga, Si el producto de la corriente de salida y el voltaje de entrada a salida excede de 15 a 20 W, o si se requieren corrientes mayores de 1.5 A, el LM3 17 también se apaga.

Cuando se elimina la condición de sobrecarga, el LM3 17 simplemente reasume la operación. Todas estas características de protección son posibles por la notable circuitería interna del LM3 17.

REGULADOR DE VOLTAJE NEGATIVO ( l i M 3 3 7 m ) Un regulador de voltaje negativo ajustable con tres terminales también está

disponible (vea el LM337HVK en la figura 7 (c)). El regulador negativo opera con el mismo principio que el regulador positivo excepto que R1 es una resistencia de 120 0 y el voltaje máximo de entrada se reduce a 50 V. El voltaje Vo está dado por la ecuación

Si R1 = 120 W, entonces Vo depende de R2 de acuerdo con

VO = 1.25V + (1 OmA)R2 Protección externa

Se acostumbra conectar C1 y C2 a un regulador figura 8 por las mencionadas anteriormente. Todo regulador debería estar equipado con un diodo Dl para protegerlo contra cortos en la entrada; de lo contrario, la capacitancia de carga puede enviar comente hacia su salida y destruirlo.

Se incorporó el capacitor C3 para mejorar notablemente el rechazo del voltaje de rizo de ca. Sin embargo, para el caso en que se produzca un corto circuito en la salida del regulador, el capacitor intentará enviar otra vez la comente hacia la terminal de ajuste. En cambio, el diodo D2 dirige esta corriente hacia el cortocircuito.

REGULADOR DE VOLTAJE POSITIVO EL M 3 0 9 El LM309 es un regulador de 5V fabricado en un singular chip de silicón. Es

diseñado para regulación en tarjetas lógicas digitales, eliminando los problemas de distribución con un sólo punto de regulación.

El LM309 es TO-3 de acero y debe tener un disipador de calor para que la resistencia térmica entre el encapsulado y el ambiente sea de 6"CN o menos. Esto significa que se debe emplear una rondana de mica aislante de 0.002 pulg de espesor junto con un compuesto que garantice una buena juntura térmica entre el encapsulado TO-3 y el disipador de calor( o bien utilizar el chasis como disipador de calor).

El LM309K puede entregar un máximo de l. 5 A. Tiene una corriente interna límite de 2.1 A para la operación conmutada. Cuenta también con una protección de área

segura que protege su transistor de salida. Dispone de una protección de apagado térmico a temperatura de juntura de 150°C para evitar que se queme. El diodo adicional protege al regulador contra cortocircuitos que puedan ocurrir en sus terminales de entrada.

Selección de Disipadores Para corrientes menores de 1 A, es suficiente la utilización de disipadores

comerciales y pasta. En aplicaciones de baja corriente no es indispensable el disipador , pero se debe tomar en cuenta que utilizar el disipador prolonga la vida del regulador. Aunque estos reguladores estén protegidos contra un corto circuito, requieren que el calor generado durante éste, pueda ser disipado.

El disipador de calor depende del empaque del regulador. Hay muchas y muy variadas formas para éstos. Algunos son:

Empaque del regulador

Tipo de disipador

TO-92 Botella con 8 aletas

TO-202 Peine de 4 aletas estriadas

TO-220 Rectangular de 12 aletas estriadas

Debe tenerse,cuidado que los disipadores no se toquen cuando se utilizan ambas polaridades, ya que puede producirse un corto, pues cada uno está conectado a diferente voltaje.

Selección de Disipadores Los capacitores de salida minimizan el ruido de alta frecuencia y el manual del

fabricante de fuentes de poder recomiendan un capacitor de 0.1 pf en la serie del 78Lxx y 79Lxx. En el resto de los reguladores se recomienda utilizar un capacitor de 0.22pf o mayor.

Todos los componentes antes descritos deben ser seleccionados para las necesidades específicas de cada aplicación. Aunque, también hay algunos componentes de la &ente que, generalmente pueden ser iguales, como son los capacitores y diodos. El regulador y el transformador son los que habrá que seleccionar con mayor cuidado ya que habrá que tomar en cuenta las corrientes máximas que podría llegar a utilizar su aplicación.

comNEmsuTILIzADos

COMPONENTES UTILIZADOS

Para la &ente de 5 volts se utilizó un puente rectificador de onda completa para una corriente de salida de 1.5 A. La lista de material para este caso es:

1 Transformador de 127 a %oh, 2 amperes de salida. 1 Puente rectificador a 4amperes. 1 Capacitor electrolítico de 2200pF /25V. 1 Regulador LM309. 1 Disipador de calor TO-220 Rectangular de 12 aletas estriadas. 1 Capacitor de cerámica de O. 1 pF. 1 Diodo 1N 4002 para protección contra cortocircuitos.

Para la &ente bipolar de +- 1.2 a +-20 Volts :

1 Transformador de 127 a 24Volts a 3 amperes de salida con derivación central. 1 Puente rectificador a 6 amperes KBP06. 2 Capacitores electrolíticos de 2200pF /50V. 1 Regulador LM3 17. 1 Regulador LM337. 2 Disipadores de calor TO-220 Rectangular de 12 aletas estriadas. 2 Capacitores de cerámica de O. 1 pF. 2 Capacitores de 10 pF para disminuir el voltaje de rizo. 2 Potenciómetros de 2Kohmns de caña corta para un voltaje regulado que fluctúe entre (- +)1.2 y (+ - ) 20V 2 Diodos 1N 4002 para protección contra cortocircuitos.

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DIAGRAMA DE LA FUENTE VARIABLE DE PODER

LM309HVK

+ ; V s a l = - 1 . 2 V a - 2 0 V -

ARMADO DE LA FUENTE

En primer lugar la &ente se armó en una tablilla de experimentación, conectando cada uno de los componentes de acuerdo al diagrama de ésta. Después se realizaron las pruebas necesarias colocando cargas que requirieran el voltaje y la corrientes necesarias. Una vez estando seguros de la eficiencia de la hente se realizaron los pasos necesarios para llevarla a cabo en circuito impreso y finalmente su armado en un chasis.

Un circuito impreso es una tablilla de algún material aislante, generalmente de fibra de vidrio o fenólica, con una o varias cubiertas de cobre que tienen grabadas las conexiones( cableado) de algún circuito de electrónica. Este método de montaje además de dar soporte a los componentes y dispositivos electrónicos, permite reducir los tamaños de los equipos. Una vez hecha la hente en el circuito impreso se realizan pruebas finales para así

poder colocar la hente en el gabinete.

CIRCUITO IMPRESO DE LA FUENTE SIMÉTRICA

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APLICACIONES Y SUGERENCIAS

Las eliminac

aplicaciones de este circuito impreso son muchas, puede utilizarse como ior de baterías, fbente de laboratorio, fbente para circuitos lógicos, fbente para

OPAMS, Incluso puede incluirse en los prototipos que se esté desarrollando, o en algún proyecto. Para localizar fallas cuando los componentes ya han sido conectados requiere únicamente un multímetro para la medición de continuidad y de voltajes: El análisis se puede dividir en las siguientes partes: 0 Continuidad entre las pistas del circuito impreso y los pines de los componentes

soldados. Debe verificarse que estén haciendo buen contacto todas las conexiones(so1daduras).

0 Debe haber continuidad entre las pistas del circuito impreso. Verificar que ninguna de las pistas esté rota o cortada. Que ninguno de los componentes se haya quemado.

Para ello se pueden seguir las siguientes indicaciones: Transformador: Debe haber continuidad entre las terminales del primario. ' también debe haber continuidad entre las terminales del secundario. NO DEBE HABER CONTINUIDAD ENTRE PRIMARIO Y SECUNDARIO. Diodos: Debe haber continuidad si se utiliza la punta positiva conectada en el ánodo y la negativa en el cátodo(6ste es el extremo donde va indicada la banda). Debe estar en circuito abierto si la conexión se hace al revés. Capacitores Electrolíticos: cumplen con las condiciones de los diodos si el capacitor no se ha descargado. Capacitores cerárnicos: Debe existir continuidad entre sus terminales sin importar la polaridad en que se conecten las puntas. Reguladores: en este caso no hay forma alguna efectiva de verificarlo, pero si se han checado los demás componentes, Incluyendo los voltajes de entrada, salida y de.caída en éste y se sigue teniendo error, debe cambiarse el regulador.

SUGERENCIAS DE SOLDADO

limpia, y de preferencia en forma de cincel. Lo rxincipal para una buena soldadura es contar con un cautín que tenga una punta

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c El Material y Equipo necesario para el armado de la hente es el siguiente:

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1 Chasis 3 Bornes para plug rojos 2 Bornes para plug negros 1 Switch de encendido de dos pasos 1 clavija 1 Fusible tipo Europeo 2A acción rápida. 3 Micas aislantes para los reguladores 6 Tornillos para reguladores 6 Aislantes para los tornillos 2 Perillas para los potenciómetros 1 Galvanómetro 1 clavija 6 Gomas Cables (rojo,negro,verde,azul) calibre 20. Pasta disipador de calor Cautín Pinzas de corte Soldadura

Los componentes se colocan por la parte superior de la placa. Por la parte de atrás se encuentran las pistas. y se introducen a través de las pedoraciones hasta asentar perfectamente.

El componente que se debe soldar primero es el puente, teniendo cuidado con las polaridades, se puede proseguir con la colocación de los capacitores. Teniendo de igual forma cuidado con las polaridades en que se conecta.

Se puede continuar soldando los cables correspondientes a la clavija, switch de encendido, voltajes de salida y tierra. Teniendo cuidado de colocarlos en los lugares adecuados.

Se prosigue con la colocación y soldadura de los reguladores y dejando el transformador al final. Este orden se sugiere para que no sea dificil mover la placa y apoyarla en la mesa de trabajo durante el proceso de soldar. Colocar los disipadores antes de soldar los reguladores, ya que al tratar de colocarlos

una vez soldados puede provocar que se rompan las terminales de los reguladores. Es importante no olvidar aplicar la pasta disipadora de calor, para asegurar una buena conducción térmica.

Una vez que la &ente está armada, se requiere conectarse a la línea de suministro eléctrico, por lo cual es recomendable tener cuidado, ya que se corre el riesgo de una descarga eléctrica.

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No colocar el cautín sino hasta que éste haya alcanzado su temperatura de operación. Esto se puede verificar cuando al poner la soldadura en contacto con la punta del cautín, esta se hnda de inmediato.

Utilizar una esponja humedecida-exprimiendo previamente el exceso de agua- para la limpieza de la punta del cautín, la cual deberá pasarse por la esponja para dejar allí el exceso de soldadura y ceniza que se van acumulando durante el soldado de los componentes. Estas esponjas son especialmente diseñadas para resistir la temperatura del cautín, y se pueden adquirir en cualquiera de las tiendas de electrónica.

La punta del cautín se coloca haciendo contacto simultáneamente con la terminal ( o patita) del componente y la peca de conexión. Después de unos cuantos segundos se acerca la soldadura por el lado contrario y sin tocar la punta del cautín, solamente la peca de conexión y la terminal. La soldadura deberá de hndirse y fluir hacia el cautín rodeando la terminal y cubriendo la peca en su totalidad. En ese instante se deberá de retirar tanto la soldadura como el cautín , sin mover el circuito impreso ni el componente que se acaba de soldar o su terminal, para evitar una soldadura en falso o cuarteada. La operación antes descrita deberá durar sólo unos cuantos segundos, para proteger el circuito impreso y los componentes.

Hay que tener cuidado de no aplicar el cautm durante períodos prolongados en una misma peca del circuito impreso ya que esta corre el riesgo de desprenderse. Además de que hay componentes semiconductores muy sensibles al calor, dichos componentes cuentan incluso con una temperatura y un tiempo máximos de exposición al calor. Estos datos pueden encontrarse en las hojas de especificaciones técnicas de los fabricant:- bajo el concepto "Lead Soldering Temperature".

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BIBLIOGRAFÍA

1 .- Amplificadores Operacionales y Filtros Activos Teoría, Proyectos y Aplicaciones Prácticas. Antonio Pertence Junior Mc Graw Hill

2.- Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales Coughlin, Driscall Prentice Hall 4a. Edición

3 .- Diseño Electrónica Circuitos y Sistemas Savant, Roden, Capenter Addison- Wesley Iberoamericana 2a, Edición

4.-Manual de Circuito Impreso Para Fuente Universal Texas Instruments

5 .- Manuales Motorola, National y Texas Instruments.