Práctica 4

Instituto Tecnológico de Querétaro

Electrónica Analógica

Eduardo Pecina González

Álvarez Melgar José Francisco

Noguez Cruz Héctor

Iñiguez Lomelí Francisco Javier

CONTENIDO

Introducción......................................................................................................................................................2

Marco teórico....................................................................................................................................................2

Fuentes de alimentación lineales...................................................................................................................2

Conexión a la red eléctica..........................................................................................................................2

Fusible........................................................................................................................................................2

Filtro de red...............................................................................................................................................2

Transformador...........................................................................................................................................3

Rectificador................................................................................................................................................3

Filtro..........................................................................................................................................................4

Regulador...................................................................................................................................................5

Desarrollo del proyecto.....................................................................................................................................6

Pruebas y analisis de resultados......................................................................................................................10

Simulacion en Multisim................................................................................................................................10

Mediciones fisicas........................................................................................................................................12

Bibliografía.......................................................................................................................................................16

Anexos.............................................................................................................................................................16

INTRODUCCIÓN

111Equation Chapter (Next) Section 1En esta práctica se hará el diseño de una fuente de alimentación lineal que sea capaz de convertir el voltaje entregado de manera nominal (127 V CA, 60 Hz), a un voltaje de 5, ±12 V fijos y ± 17 V variable, todos en CD. Esta fuente de alimentación debe ser construida con un filtro de transitorios en la entrada, un filtro LC tras el rectificador y debe tener capacidad de soportar una corriente de 1 A.

MARCO TEÓRICO

FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES

Este tipo de fuente fue el primero en utilizarse. Generalmente las podremos encontrar siguiendo el esquema de transformador, rectificador, filtro, regulación y salida. Podemos afirmar que todas las fuentes diseñadas basándose en este esquema son de un diseño relativamente sencillo comparado con otros tipos de fuentes, por ejemplo, las conmutadas.

Figura 1. Diagrama de bloques de una fuente de alimentación lineal.

CONEXIÓN A LA RED ELÉCTICA

Está formada por el enchufe, bornes o cualquier dispositivo físico, que nos permite conectar nuestra fuente de alimentación a la red eléctrica. Los parámetros que hay que tener en cuenta a la hora de elegir el enchufe es que soporte la tensión de la red y la corriente que va a consumir el circuito. Los mismos parámetros utilizaremos para elegir el cable de alimentación.

FUSIBLE

Si nuestra fuente de alimentación tuviera un fallo y se cortocircuitara, producirá una subida muy fuerte en el consumo de corriente, las consecuencias de esta subida son impredecible. El fusible es un dispositivo que cuando la corriente que circula por él es superior a su corriente nominal se funde interrumpiendo el suministro de corriente.

FILTRO DE RED

Este dispositivo no es estrictamente necesario ya que su función es la de eliminar las posibles perturbaciones electromagnéticas que puedan llegar a nuestra fuente de alimentación desde la red eléctrica, pero su uso es imprescindibles si queremos hacer a nuestro equipo inmune a dichas interferencias.

TRANSFORMADOR

En la Figura 1 lo podemos encontrar en la entrada de la misma con la función de reducir la tensión de red a la tensión necesitada por el equipo. Hay que aclarar que los transformadores solamente son capaces de trabajar con corrientes alternas, por lo que nos

vamos a encontrar que tanto la tensión de entrada como la de salida serán siempre alternas.

RECTIFICADOR

El rectificador es el encargado de convertir la tensión alterna que sale del secundario del transformador en tensión continua existen diversas configuraciones para realizar esta como puede observarse en la Figura 3.

Figura 3. Configuraciones de un rectificador de onda completa.

Cuando se le suministra tensión alterna a la entrada de un rectificador y no existe nada conectado a su salida de tensión continua, se dice que está trabajando en vacío. Cuando a dicha salida se le conecta algún equipo se dice que funciona en carga.

La configuración de los cuatro diodos se denomina puente rectificador y en el mercado existen puentes rectificadores que integran en un mismo encapsulado los 4 diodos. En la Figura 4 vemos algunos de componentes reales.

Figura 4. Encapsulados de puentes rectificadores

Figura 2 Símbolo de un transformador

Normalmente estos componentes tienen impresos el nombre de las patillas siendo + y – las salidas en continua y ~ las entradas de alterna. Para seleccionar el puente rectificador (o diodos) que necesitamos, necesitamos determinar la tensión y la corriente máxima de trabajo, que han de ser suficientes para nuestro circuito.

FILTRO

La mayor parte de los equipos electrónicos necesitan una verdadera tensión continua, siendo la misma aquella donde la magnitud de Vmax sea constante en todo momento (similar a la que es producida por una batería). Para lograr esto se usa la etapa de filtrado.

Figura 5. Diferencias en la tensión antes y después del filtrado.

Una de las desventajas con las que nos vamos a encontrar a la hora de utilizar el filtro RC lo constituye la pérdida de tensión en cada resistencia empleada. Esto hace que la utilización del mismo sea adecuada solamente para cargas pequeñas, por ejemplo, circuitos digitales. Puede hacerse uso de la ley de Ohm para calcular la caída de tensión en cada resistencia.

Cuando nos encontremos con que la corriente que demanda la carga es grande y necesitamos que la caída de tensión continua sea pequeña, vamos a poder optar por el diseño de filtros LC. Estos últimos presentan una mejora con respecto a los anteriormente explicados, los filtros RC.

Estos filtros son nombrados LC debido a que su construcción se basa en una bobina y un condensador. A continuación se representa el esquema de un circuito mostrando la utilización de este filtro.

Figura 6. Filtro LC en una fuente de alimentación

Se puede apreciar que el diseño es igual que el filtro RC pero, en este caso, se sustituye la resistencia por una bobina, es por eso que la caída de tensión es menor ya que solo interviene la resistencia del enrollado. A la hora de confeccionar o elegir las bobinas a utilizar, tendremos que tener en cuenta que, mientras más grandes sean estas, mejor. Es normal ver en muchas fuentes de alimentación como estos enrollados suelen tener una proporción y aspecto casi igual a la del transformador.

REGULADOR

Como vemos en la Figura 5, la salida filtrada presenta una pequeña ondulación, para eliminar esta ondulación y controlar la tensión para que esta no cambie ante variaciones de corriente en la carga, utilizamos un regulador de tensión. El circuito regulador se encarga de reducir el rizado de la onda así como de proveer una tensión de salida con la magnitud exacta que se desee.

Aunque el diseño y construcción de estos reguladores de tensión no es una tarea difícil, vamos a poder encontrar en el mercado una variedad enorme de ellos integrados en un solo encapsulado. Entre los que podemos encontrar, están aquellos que presentan tres terminales.

Los reguladores fijos de tensión positiva de la serie 78xx se caracterizan porque la tensión presente entre los terminales 2 y 3 (tierra y salida) es la indicada en "xx". Es por eso que si tenemos el regulador 7805, regulará a 5V, el 7812 lo hará a 12V y así sucesivamente. Existen reguladores de esta serie para diferentes tensiones como son: 5, 6, 8, 9, etc. De ahí que se denominen reguladores fijos, ya que una vez fabricados para una tensión determinada, esta no se podrá variar.

Los reguladores fijos de tensión negativa de la serie 79xx son análogos a los de la serie 78xx excepto en la distribución de los terminales y en que la tensión de salida es negativa.

Esta serie de reguladores se suele usar mucho en combinación con los de la 78xx con el objetivo de suministrar tensiones simétricas. Se dice que una fuente de alimentación es simétrica cuando va a ser capaz de suministrar una tensión de + xx Voltios y otra de – xx voltios respecto a masa. Para esto se utiliza un transformador con doble secundario igual al empleado en el rectificador de onda completa con derivación central. A continuación se puede ver un ejemplo del uso de esta combinación de reguladores:

Figura 9. Fuente de alimentación dual de ± 5V

Figura 7. Regulador de tensión de la familia 78XX en un encapsulado TO-220.

Figura 8. Regulador de tensión de la familia 79XX en un encapsulado TO-220.

Regulador ajustable de tensión positiva LM317. Este integrado es capaz de proporcionar, en su salida, una tensión variable. Para lograr esto, solamente basta con adicionarle al circuito una resistencia y un potenciómetro. A continuación tenemos un esquema donde se observa la distribución de los pines del LM317 así como una de las diferentes formas en que lo vamos a poder ver funcionando:

Figura 10. En la parte derecha: Regulador de tensión variable de la familia LM 317 en un encapsulado TO-220. En la parte izquierda: Ejemplo de uso de éste integrado

Si ajustamos el valor del potenciómetro (R2) a su menor valor (o sea una resistencia de 0 ohm) la tensión entre los terminales 1 y 2 será de 1,25V. En la misma media en que se aumente el valor del potenciómetro la tensión en la salida irá aumentando. Podemos llegar a la conclusión de que con este tipo de regulador la salida siempre será ajustada de 1,25V en adelante. Por otro lado tenemos que la selección de los valores de las resistencias R1 y R2 va a estar en dependencia de la tensión máxima que deseemos obtener. Un método muy utilizado es darle un valor fijo a R1 y calcular R2. El regulador de tensión negativa variable LM 337 funciona de manera similar.

DESARROLLO DEL PROYECTO

Se comienza con el supresor de transitorios el cual se coloca en paralelo, éste consiste en una resistencia de 100 Ω y un capacitor de 0.1 µF. Para determinar la potencia que debe disipar la resistencia, se procede a calcular la impedancia de ambos componentes en serie.

22\* MERGEFORMAT ()

La respectiva corriente que pasa por esa rama es:

33\* MERGEFORMAT ()

Así, la potencia que debe disipar la resistencia es de:

44\* MERGEFORMAT ()

Por lo que se considera que una resistencia de ¼ W es suficiente para disipar esa potencia. En cuanto al capacitor se consideró uno que pueda soportar al menos 500 V. Para la protección de toda la fuente se incorporó un fusible de 1.5 A.

El transformador utilizado tiene una relación de 120 a 36 V, es decir 10:3, por lo que el voltaje máximo en el secundario del transformador es:

55\* MERGEFORMAT ()

Dado que el puente rectificador no es alimentado con esta cantidad directamente, si no que se utiliza el TAP central, el voltaje máximo que entregará el puente es:

66\* MERGEFORMAT ()

La resta de 1.4 V proviene de las caídas en cada diodo. Se supondrá que la carga de la fuente es puramente resistiva, así que se procederá a calcular el filtro, se sabe que:

77\* MERGEFORMAT ()

Donde n es el número de armónico correspondiente (se usará dos, porque los otros son tan pequeños que pueden despreciarse) y ω es la frecuencia angular. Sustituyendo los valores conocidos en 7:

88\* MERGEFORMAT ()

No se conoce la resistencia a la que será sometido el circuito, sin embargo se conoce la carga de corriente máxima y el voltaje máximo que soportará el filtro, así:

99\* MERGEFORMAT ()

Finalmente sustituyendo 9 en 8 y despejando Ce, se obtiene:

1010\* MERGEFORMAT ()

Para efectos prácticos se utilizará un capacitor de 4700 µF.

En clase se demostró que el valor del capacitor y de la bobina del filtro vienen relacionados por:

1111\* MERGEFORMAT ()

En donde:

1212\* MERGEFORMAT ()

1313\* MERGEFORMAT ()

Sustituyendo las ecuaciones 12 y 13 en junto con otros valores conocidos en la ecuación 11 y despejando el valor de L se obtiene:

1414\* MERGEFORMAT ()

Se incluirá una resistencia de sangrado para que los capacitores de la fuente se descarguen cuando se desconecta la alimentación, se procede a calcular la potencia que disiparían estas resistencias si se suponen de 1 kΩ:

1515\* MERGEFORMAT ()

Entonces la potencia que disipará esta resistencia es de:

1616\* MERGEFORMAT ()

Se eligieron resistencias de 1 W para disipar esta potencia.

Otro parámetro a calcular fueron las resistencias de las fuentes variables de voltaje. De acuerdo con el fabricante los voltajes de entrada y salida para el regulador LM 317 vienen dados por:

1717\* MERGEFORMAT ()

Donde R1 y R2 son las resistencias mostradas en la Figura 10. Si se supone que la resistencia variable es de un máximo de 10 kΩ, y que el voltaje máximo de salida es de 17 V, se puede encontrar el valor de R1.

1818\* MERGEFORMAT ()

La fórmula para el regulador LM 337 es:

1919\* MERGEFORMAT ()

Dado que la ecuación 19 sólo difiere de la ecuación 17 por el signo negativo, éste se eliminará al recordar que Vout es negativo también, el resultado es el mismo que el visto en la ecuación 18, sin embargo en la implementación se tuvo que modificar ligeramente hasta un valor de 930 Ω.

Para el cálculo de los disipadores de calor se debe calcular la resistencia térmica del disipador al ambiente, ésta viene dada por:

2020\* MERGEFORMAT ()

En donde:

θSA Resistencia térmica del disipador al ambiente θJC Resistencia térmica entre la unión y el encapsulado. (Viene dado por el fabricante) θCS Resistencia térmica del encapsulado al disipador. (Se supondrá de 1 W/°C) TJ Temperatura de la unión TA Temperatura ambiente. PD Potencia de disipación permitida. El máximo de éste valor, de acuerdo al fabricante, viene dado

por:

2121\* MERGEFORMAT ()

En donde θJA es la resistencia entre la unión y el ambiente, este valor lo proporciona el fabricante. Entonces sustituyendo la ecuación 21 en 20 y simplificando se obtiene:

2222\* MERGEFORMAT ()

Recolectando los datos de las hojas de datos del fabricante se obtiene finalmente (Todas las resistencias térmicas vienen dadas en W/°C):

Integrado LM 7805 65 5 59

LM 7812 65 5 59

LM 7912 60 5 54

LM 317 50 4 45

LM 337 50 4 45

PRUEBAS Y ANALISIS DE RESULTADOS

SIMULACION EN MULTISIM

Figura 11. Simulación de las fuentes fijas.

Figura 12. Simulación de las fuentes variables en su valor mínimo.

Figura 13. Simulación de las fuentes variables en su valor máximo.

MEDICIONES FISICAS

Figura 14. Detalle de la fuente.

Figura 15. Vista superior de la fuente

Figura 16. Lectura de la fuente fija de 5 V.

Figura 17. Lectura de la fuente fija de +12 V.

Figura 18. Lectura de la fuente fija de – 12 V.

Figura 19. Lectura de la fuente variable de +17 V en su valor mínimo.

Figura 20. Lectura de la fuente variable de +17 V en su valor máximo.

Figura 21. Lectura de la fuente variable de -17 V en su valor mínimo.

Figura 22. Lectura de la fuente variable de -17 V en su valor máximo.

BIBLIOGRAFÍA

MCBtec. Diseño fuentes de alimentación lineales. V 1.1 - 22/01/2008

Higinio Bellon Corvo. Fuentes de alimentación lineales

ANEXOS

Anexo 1. Diagrama esquemático del circuito Anexo 2. Diseño de PCB Anexo 3. Colocación de los componentes en PCB