Departamento de Elctrica y ElectrnicaCarrera de Ingeniera MecatrnicaElectrnica De Potencia

Informe de Laboratorio

Tema:FUENTE REGULADA DC 12[V]-1[A] SIN TRANSFORMADOR

Autores:Bruno Almeida Cevallos Cristian A. Garca Ojeda

Sangolqu, 16 de julio de 20141. TEMA:Fuente regulada DC 12[V]-1[A] sin transformador.2. OBJETIVOS:2.1. General Disear una fuente de voltaje de 12 [VDC] y 1[A] sin transformador.

2.2. Especficos Dimensionar cada uno de los elementos del circuito de la fuente para que esta funcione correctamente. Armar el circuito de la fuente sobre el protoboard y medir los valores de corriente y voltaje a la salida de la fuente en vaco y con carga. Analizar e interpretar los resultados obtenidos de los valores de corriente y voltaje que se obtuvieron a la salida de la fuente. Aprender las diferentes maneras de convertir corriente A.C. a D.C., con sus respectivas ventajas y desventajas.

3. MARCO TERICO:Este es un tema bastante robusto y extenso si nos basamos en las distintas bases matemticas dadas por los libros, lo que se tratar de hacer es dar una idea de la forma de cmo hacer una fuente de voltaje D.C. a partir de una alimentacin A.C. de 110V a 220V RMS. Bsicamente la funcin de los circuitos que se mostrarn a continuacin es bajar la tensin elctrica, filtrar y corregir el rizado de la seal alterna que llega de la red, para entender este concepto se describir el funcionamiento de una fuente con transformador y posteriormente se dar a conocer el funcionamiento de una fuente sin este elemento.Fuente de alimentacin D.C. con transformadorEl funcionamiento de estas fuentes se basa en cuatro etapas crticas reduccin del nivel de voltaje, rectificacin, filtrado y por ltimo regulacin.Reduccin del nivel de voltajeLa reduccin del nivel de voltaje se logra gracias al transformador, este dispositivo permite alterar el nivel de voltaje que le sea entregado, sin modificar la potencia. Este elemento se compone de dos bobinas cuya interaccin entre ambas se hace por medio de induccin electromagntica, como bien se sabe el flujo de una corriente en una bobina genera un campo magntico, el cual induce una corriente elctrica en la otra bobina del transformador, disminuyendo o aumentando los niveles de voltaje, dependiendo de las caractersticas de dichas bobinas, tales como el ncleo que las compone, el nmero de espiras, el material que las que estn hechas, etc.Siempre se debe tener en cuenta que un transformador no puede entregar ms potencia de la que se le suministra ni ms corriente de la que a ste fue diseado; una falla comn es usar un transformador reciclado para trabajar en proyectos propios, por ejemplo el tomar uno de esos viejos y robustos cargadores de celular o conectores de consolas o radios y conectarlos a un circuito propio, recuerden siempre antes de hacer esto, revisar las especificaciones que dan del dispositivo, porque si el transformador de este elemento est hecho para trabajar a 9 voltios D.C. con una corriente de 20mA y se le pone una carga que consuma 40mA, sin duda alguna el voltaje va a caer.Tal como se muestra en la figura 1, el transformador reduce el nivel de voltaje hacindolo "manejable", tngase en cuenta que entre mayor voltaje, mayor ser la corriente, suponiendo que la carga siempre la misma.

Figura 1. Efecto del transformador en la seal de la red elctrica.Rectificacin de la ondaExisten muchas formas de rectificar una onda, ya sea de media onda o de onda completa, pero para este caso se va a mencionar la forma ms eficiente y usada en este tipo de fuentes, la rectificacin de onda completa por medio de un puente de diodos. Con esto se logra obtener un nivel de corriente D.C. igual al mximo valor de la seal de entrada menos la cada de voltaje en los diodos, tal como se muestra en la figura 2.

Figura 2. Seal de onda rectificada por el puente de diodos.Filtracin o correccin de rizadoEn este punto lo que se hace es usar filtros, consiguiendo as que la variacin de la seal en el tiempo sea lo menor posible, para llegar a este objetivo se aprovecha del fenmeno causado por el almacenamiento de energa en el condensador; como bien se sabe este dispositivo se carga elctricamente y demora un determinado tiempo en descargarse por completo, cerca de 5. Si a este elemento se le induce una corriente alterna o en este caso una seal de voltaje rectificada, lo que ocurrir es que en el primer semiciclo de la seal el condensador se cargar completamente, mientras pasa de un semiciclo a otro este se descargar, pero no lo suficiente para llegar a cero, pues volver a cargarse cuando llegue nuevamente la cresta del siguiente semiciclo y as consecutivamente, tanto que la seal variar su valor muy poco en el tiempo, para darse una mejor idea de lo que ocurre en este punto por favor revisar la figura 3.

Figura 3. Seal filtrada por medio de condensadores.Tal como podemos apreciar en la seal filtrada, la oscilacin en el tiempo es menor, y el nivel de voltaje es cada vez ms claro, sin embargo, an es necesario un voltaje ms preciso por esto se hace una mejora sencilla pero muy efectiva: la regulacin.RegulacinEste es el ltimo paso a seguir, la regulacin consiste en dejar la seal completamente fija, sacrificando un poco de potencia, por medio de diodos zener, los cuales se polarizan en inverso con un voltaje mayor al nominal de estos, y ms si se utilizan en circuitos integrados tal como lo son la serie 78XX y 79XX, la primera fija voltajes positivos y la segunda fija voltajes negativos. Para dar un ejemplo ms claro, en el caso del C.I. 7805, se requieren de 6.3V en adelante para su correcto funcionamiento, de lo contrario se arriesga a que el integrado no funcione de la forma deseada.Por ltimo, es recomendable usar un filtrado adicional, para as evitar ruidos causados por la carga, pues recuerde que en el caso de elementos como los motores, se forman corrientes contrarias a la generada por la fuente, esto debido al comportamiento elctrico de las bobinas internas de dichos elementos.Antes de proseguir se destacarn las ventajas y desventajas de las fuentes de alimentacin con transformador:Ventajas de las fuentes con transformador1. Se encuentran desacopladas a la red elctrica gracias al transformador, disminuyendo considerablemente la susceptibilidad que tendr el circuito ante eventos adversos, tales como picos de corriente.2. La unin de todos estos elementos hacen que la seal a entregar a la carga sea la ms estable, cosa muy importante al trabajar con circuitos que son altamente sensibles a las fluctuaciones elctricas, tales como procesadores, microcontroladores, sistemas de radiofrecuencia, etc.Desventajas de las fuentes con transformadorSu gran tamao y peso hacen que cualquier circuito, por simple que sea, pesado y grande, cosa que hoy en da es un gran inconveniente.Poseen un alto costo principalmente por causa del transformador, pues para cada proyecto los parmetros son diferentes, haciendo muy difcil encontrar un transformador ideal a menos que se mande a hacer.Fuentes de voltaje sin transformadorEste tipo de fuentes no cumplen con todos los pasos anteriormente explicados, pues se benefician de las caractersticas elctricas de algunos componentes pasivos para as lograr la regulacin de la seal entregada por la red elctrica. Existen varias fuentes de este tipo, cada una con sus propias ventajas y desventajas, las cuales sern expuestas una vez sean explicadas y puestas a prueba; cabe resaltar que estas lneas estn basadas principalmente por el documento mencionado al comienzo de este artculo.Fuente de alimentacin capacitiva sin transformadorEste tipo de fuente cuenta con tres etapas crticas:1. Limitacin del paso de la corriente elctrica por medio de la resistencia R1, figura 4.2. Filtracin de la seal con el fin de establecer un nivel de corriente D.C. esta funcin la cumple el condensador C1.3. Regulacin de la seal filtrada gracias al diodo zener D1 de 5.1 voltios.Adems de estas etapas se agregan un par de elementos ms, el diodo D2 y el capacitor C2, esto para impedir que corrientes inversas afecten el circuito de la alimentacin, provocando ruidos indeseables sobre la red elctrica, y para filtrar la seal de corriente que se encontrar circulando en la carga, respectivamente.

Figura 4. Diagrama del circuito de la fuente de alimentacin capacitiva sin transformador.Fuente. AN954. [Online]. Reston Condit, Microchip Technology Inc. 2004.

Las siguientes consideraciones se deben de tener muy en cuenta para que el circuito funcione de la manera como se espera: La corriente de entrada (IIN) tiene que ser mayor a la corriente de salida (Iout), esta ltima est dada por la carga a conectar (Iout= Vout/RL), mientras que la primera se calcula por medio de la ecuacin 1.

Ecuacin 1

Consideraciones de potenciaEs crtico tener en cuenta las consideraciones de potencia de cada elemento; para esto se sugiere tomar dos veces la potencia mxima (Pmx) calculada para cada elemento, es decir si nuestra Pmx calculada para una resistencia es de 0.5W, en el montaje se dispondr de una de 1W, esto se hace para evitar inconvenientes con los sobre voltajes transitorios que puedan haber. Los respectivos clculos de la potencia disipada por cada elemento son: Para R1 la potencia es equivalente al valor de la corriente al cuadrado multiplicado por su valor nominal es decir:PR1 = I2*R = (VRMS * 2fC)2 * R1Para este caso en particular:PR1 = (21.3 mA)2 * (470 x 1.1) = 0.23W (asumiendo el resistor +10%)Teniendo en cuenta la consideracin antes expuesta una resistencia a 0.5W sera la ms acertada. Asumiendo un valor de 120VRMS de entrada, el voltaje del condensador C1 ser de 250V, debido a lo explicado anteriormente. Hay que considerar que por D1 circular ms corriente sin carga que con esta; en el peor de los casos la corriente que tendr que soportar ser de 21.3mA (tal como se demostr anteriormente), esto al ser multiplicado con 5.1V (voltaje que caer sobre el diodo), da como resultado 0.089W, recomendando, implcitamente, que el diodo zener a 1/2W es una buena opcin. En D2 la corriente que circular ser IINMX, esto multiplicado por su cada de voltaje, 0.7V aproximadamente (si es de silicio), da como resultado una potencia de 0.011W, lo que significa que con un diodo a 1/8W es suficiente. Y por ltimo para C2 se recomienda que soporte dos veces el valor del diodo zener, as pues, con uno a 16V es ms que suficiente.Fuente de alimentacin resistiva sin transformadorEste tipo de fuente se caracteriza principalmente por su tamaa reducido y su simple diseo, est compuesta por dos etapas crticas, limitacin del paso de corriente con una resistencia y regulacin con un diodo zener. Al igual que el montaje anterior el voltaje ser estable siempre y cuando la corriente de salida se menor que la corriente de entrada.

Figura 5. Diagrama del circuito de la fuente de alimentacin resistiva sin transformador.Fuente. AN954. [Online]. Reston Condit, Microchip Technology Inc. 2004.Ecuacin 2

La ecuacin 2 se usa para determinar la corriente de entrada; para las corrientes IINMIN e IINMAX se calculan asumiendo R1 un 10%.Consideraciones de potenciaNuevamente es crtico tener en cuenta las consideraciones de potencia de cada elemento; y tal como se mencion anteriormente, usar elementos que soporten dos veces la potencia mxima calculada. Para este caso los clculos de la potencia disipada por cada elemento son: Para R1 la potencia es equivalente al valor del voltaje al cuadrado dividido en su valor nominal es decir:PR1 = V2/RPara este caso en particular:PR1 = (120 VRMS)2 / (2K x 0.9) = 8W (asumiendo el resistor -10%)Para efectos prcticos se puede usar un resistor a 10W. Sin carga la corriente que circular en D1 ser la misma que la de R1; por ende la potencia disipada por D1 ser:PD1 = VD1 * (VRMS / R1)Para este caso en particular:PD1 = 5.1V (120VRMS / 2K * 0.9) = 0.34WEl diodo zener ser de 5.1V a 1W En D2 la corriente que circular ser IINMX, esto multiplicado por su cada de voltaje, 0.7V aproximadamente (si es de silicio), da como resultado una potencia de 0.032W, lo que significa que con un diodo a 1/8W es suficiente. Y por ltimo para C2 se recomienda que soporte dos veces el valor del diodo zener o VOUT, as pues, con uno a 16V es ms que suficienteFuente de alimentacin de resistiva con puente rectificador sin transformadorEste tipo de fuente bsicamente es la misma que la descrita anteriormente, con la diferencia de que se agrega un puente rectificador, tal como se muestra en la figura 6, esto para que se suministre corriente en ambos semiciclos de la seal del voltaje de la red elctrica, consiguiendo incrementar un 141% la corriente de salida.

Figura 6. Diagrama del circuito de la fuente de alimentacin resistiva con puente rectificador sin transformador.Fuente. AN954. [online]. Reston Condit, Microchip Technology Inc. 2004.

Consideraciones de seguridad

Figura 7. Diagrama del circuito de la fuente de alimentacin capacitiva sin transformador con consideraciones de seguridad.Fuente. AN954. [Online]. Reston Condit, Microchip Technology Inc. 2004.

Figura 8. Diagrama del circuito de la fuente de alimentacin resistiva sin transformador con consideraciones de seguridad.Fuente. AN954. [Online]. Reston Condit, Microchip Technology Inc. 2004.Las consideraciones de seguridad que se tienen en cuenta, y que se pueden observar en ambos montajes (Figura 7 y 8), son las siguientes: El uso de un varistor (VR1): este elemento provee una proteccin ante sobre voltajes transitorios, pues en el momento de aumentar abruptamente el voltaje, su resistencia disminuye tanto que forma un corto circuito, garantizando que la corriente fluya nicamente entre el fusible y este, garantizando que el fusible se queme antes de que el sobre voltaje ataque el diseo principal. Fusible: este elemente abre el circuito en el momento de que este ltimo incremente el consumo de corriente por encima del valor nominal del fusible. Para la fuente de alimentacin capacitiva se agrega una resistencia R2 en paralelo creando un filtro para atenuar la interferencia electromagntica o EMI de retorno sobre la lnea. Para la fuente de alimentacin resistiva se divide la resistencia de 2K en dos de 1K con el fin de reducir la posibilidad de que en un transitorio se vea afectado el circuito principal. Y de igual forma se implementa un filtro, R3 y C3, para evitar que el EMI emigre sobre la lnea.

4. PROCEDIMIENTO: Arme en el protoboard el circuito que se muestra en la figura de abajo.

Figura 9. Diagrama del circuito de la fuente de alimentacin sin transformador con consideraciones de seguridad.

Sujete el motor y alimente la fuente con 120 VAC / 60Hz. Mida los valores de corriente y voltaje a la salida de la fuente y tabule. Retire el motor y mida el voltaje en vaco a la salida de la fuente.4.1. Materiales: 4 diodos 1N5408 1 capacitor no polarizado de 12uF/250V 1 capacitor no polarizado de 10uF/250V 1 resistencia de 1M a 1/2W 1 diodo zener de 12V a 1/2W 1 capacitor electroltico de 680uF/50V 1 transistor TIP31 1 resistencia de 1K a 1/2W 1 resistencia de 10 a 5W Motor DC Protoboard Cables de conexin

4.2. Equipo: Voltmetro Ampermetro Fuente de voltaje

4.3. Circuito armado

Prctico

Figura 10. Circuito de la fuente de alimentacin sin transformador montada en el protoboard.

Recoleccin de datos:ParmetroFuente con cargaFuente sin carga

Voltaje [V]10.0711.23

Corriente[A]0.86-

Tabla 1. Datos medidos

Fotografas

Voltaje

Figura 11. Voltaje a la salida de la fuente con carga (motor)

Figura 12. Voltaje a la salida de la fuente sin carga

Corriente

Figura 13. Corriente a la salida de la fuente con carga (motor)5. ANALISIS:5.1. Clculos Voltaje a la salida del puente rectificador

Clculo de capacitancia C1 para obtener una corriente de salida (IOUT) de 1 [A]

Sabiendo que:

Adems se debe de considerar que la corriente de entrada es aproximadamente la corriente de salida.

Por disponibilidad en el mercado utilizamos dos capacitores de 10 [F] y 12 [F] conectados en paralelo para obtener una capacitancia equivalente de 22 [F].

Clculo de la IOUT con los capacitores adquiridos.

Clculo de voltaje de C1Se recomienda por lo menos un capacitor del doble del voltaje de alimentacin. Es decir que necesitaremos un capacitor de 240 VAC. Se ha aproximado a un valor comercial de 250VAC.

Clculos del capacitor de filtrado C2

V=VcdNL+ 20%VcdNL=12 + (0.2*12) [V] =14.4 [V]Vp=14.4=20.36 [V]Por lo tanto, debido a que el mnimo valor a utilizar es 496 F, se adquiri un capacitor de que era el ms cercano al valor calculado.

5.2. Comparaciones Medido, calculadoParmetroCalculado Medido

Voltaje [V]1211.23

Corriente[A]0.9250.86

5.3. ErroresErrores de medicin con respecto al valor calculado:

Error en la medicin de corriente:

Error en la medicin de voltaje:

5.4. Justificacin de errores

Estos errores se presentan debido a que en el dimensionamiento de los materiales a utilizar dan como resultados valores ideales y que en su mayora no son comerciales, y que para la realizacin experimental se utilizaron elementos existentes en el mercado, por esta razn existen errores altos. Pese a esto los errores obtenidos son considerables dentro de un rango experimental. Una posible solucin a este problema sera sobredimensionar los valores de algunos elementos para as obtener los parmetros requeridos. Por ejemplo, para asegurar 1 [A] en la fuente de voltaje lo aconsejable sera aumentar la capacitancia de C1 en aproximadamente 25uF con lo que se estara compensando la perdida de corriente en las resistencias u otros elementos.

6. CONCLUSIONES: Las fuentes de alimentacin sin transformador son instrumentales en tener costos bajos en aplicaciones basadas en microcontroladores alimentados de la pared. Las fuentes de alimentaciones resistivas y capacitivas ofrecen un ahorro sustancial de costo y de espacio sobre las alimentaciones basadas en transformador y conmutacin. Las fuentes de alimentacin capacitivas ofrecen una solucin eficiente de energa, mientras las fuentes de alimentacin resistivos ofrece un incremento del ahorro en costo. Pudimos determinar que la corriente de salida de la fuente es directamente proporcional a la capacitancia del condensador C1, es decir que para obtener una corriente de 1 [A] se necesita al menos 23 uF, y si se necesitase una fuente de mayor corriente como por ejemplo 2 [A] entonces deberemos aumentar la capacitancia de C1 a aproximadamente 46 uF. Observamos que al colocar una carga muy pequea como la es del motor (25 []) el voltaje en la salida de la fuente cae. Este fenmeno siempre ocurrir en cualquiera tiempo de fuente puesto que al colocar una carga pequea, la corriente que pasa por esta es muy grande produciendo as una cada de tensin. Observamos adems mediantes las formulas y la implementacin prctica que una fuente con rectificador de onda completa nos brinda mayor corriente de salida que una fuente con rectificador de media onda. Esta informacin es de gran ayuda cuando se requiere realizar una fuente de alta potencia. Comprobamos que para obtener un menor porcentaje de rizo a la salida de la fuente lo que debemos hacer es subir la capacitancia de C2, ya que son directamente proporcionales. Existen errores altos debido a que en el dimensionamiento de los materiales a utilizar dan como resultados valores ideales y que en su mayora no son comerciales, y que para la realizacin experimental se utilizaron elementos existentes en el mercado, por esta razn existen errores altos. Este tipo de fuentes se realizan como aplicacin de la electrnica de potencia en donde se evita la utilizacin de ciertos dispositivos y para este caso en especfico se neg la utilizacin de un trasformador. Uno de los motivos que se hizo nfasis en obtener una fuente que entregue 1 amperio de corriente, es porque en electrnica de potencia se necesitan mover cargas altas.

7. RECOMENDACIONES: A pesar que el diagrama del circuito no lo tenga, es recomendable siempre usar un fusible, as en caso de un accidente, como un corto circuito, no se dae el circuito principal o en el peor de los casos alguna persona se electrocute, claro est que si toma el cable directamente a la red el fusible ser intil. Procurar no hacer las pruebas slo, recuerden que se estar trabajando con alta potencia y se corren ciertos riesgos. Un acompaante podra socorrerlo en caso de un percance. Si se tiene el espacio suficiente en el montaje final, recomendamos cambiar las resistencias de 5W por unas que soporten mayor potencia, esto no tanto por las caractersticas elctricas del circuito, sino para que puedan disipar ms calor, puesto que es un gran inconveniente la temperatura que estos elementos pueden llegar a tener. No implementar este tipo de fuentes en sitios industriales, debido a la susceptibilidad al ruido.

8. BIBLIOGRAFA: AN954. [Online]. Reston Condit, Microchip Technology Inc. 2004. Fuente de voltaje sin transformador [Online], extrado d el 28 de julio de 2014 desde :http://www.unicrom.com/cir_fuente_sin_trafo.asp

9. ANEXOS:

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADA ESPE LABORATORIO DE ELETRNICA DE POTENCIA