Practica 1: Fuente de alimentación

Objetivo: El alumno repasará el uso de algunos componentes electrónicos pasivos como resistencias,

capacitores y transformadores. De igual manera aplicará los conocimientos aprendidos sobre los diversos

tipos de diodos en un circuito rectificador de media onda, onda completa y la regulación de voltaje.

En el caso de los elementos pasivos se hará cierto recordatorio en la parte teórica ya que el aprendizaje de

estos elementos se realizó en un curso anterior. Los elementos pasivos, por el contrario, se están viendo en

clase recientemente.

Introducción: En esta práctica el alumno ensamblará una fuente de voltaje de CC (corriente continua,

también conocida como CD o corriente directa). Esta fuente se podrá conectar a una toma de pared de 127 V

CA (corriente alterna) como la que proporciona la toma de pared doméstica. Esta fuente podrá ser empleada

por el alumno como alimentación de los circuitos para varias (la mayoría) de las prácticas siguientes en este

curso. El alumno será capaz de diseñar fuentes con salidas de diversos voltajes y tendrá la opción de

ensamblarla si así lo desea.

1 El transformador

El primer elemento sobre el que repasaremos es el transformador de corriente alterna. Como recordará, el

transformador de corriente es un componente eléctrico pasivo conformado por dos bobinas aisladas entorno a

un núcleo de material ferromagnético. Una de las bobinas es llamada primario, normalmente aquella

conectada a la fuente de alimentación de CA, y la otra llamada secundario, normalmente conectada como

alimentación de nuestros circuitos.

Por medio de la interacción de campos magnéticos, debidos a la variación de corriente, la bobina del primario

inducirá una corriente en la bobina del secundario y por ende será posible detectar una tensión en las

terminales de dicha bobina del secundario y una corriente al colocar una resistencia de carga entre ellas.

Es muy importante destacar dos características definitorias en el comportamiento del transformador. En

primer lugar, por el principio de conservación de la energía, idealmente la potencia de entrada al

transformador es igual a la potencia de salida, es decir, la potencia en la bobina del primario es igual a la

potencia en la bobina del secundario:

(1)

Siendo la potencia P el producto de la tensión E en voltios por la corriente I en amperios, estos valores son

RMS1, recordando que tratamos con corriente alterna. Por lo que

(2)

1 El valor RMS es una medida de la energía promedio de una señal en un intervalo de tiempo en el apéndice encontrará la

manera de calcular este valor para una señal.

La segunda característica definitoria del transformador es la que establece, por el fenómeno de inducción

electromagnética, descubierta y demostrada por el físico Michael Faraday, que la corriente inducida en el

secundario dependerá del número de líneas de campo “atravesadas” por la bobina del secundario, por unidad

de tiempo. Esto significa que la corriente o tensión depende del número de hilos de las bobinas del primario y

el secundario. De acuerdo con la siguiente relación.

(3)

Donde N representa el número de hilos o espiras en la bobina del primario y secundario y a m se le conoce

como razón de transformación.

(4)

Para esta práctica el transformador que se sugiere permite obtener 12V CA en las terminales del secundario al

conectar a 127V ca las terminales del primario. Por lo que la razón de transformación será:

(5)

(6)

El valor de la razón de transformación y la tensión de salida o entrada de un transformador deberían definir

por si mismos las características de este, sin embargo, es necesario también establecer la potencia que se

demandará del mismo. Normalmente un transformador, de manera comercial, es solicitado por medio de la

tensión de entrada y salida y la corriente a la salida, en la bobina del secundario.

En esta práctica se sugiere el uso de un transformador de 300mA.

A partir de estos datos, y usando la ecuación (4), la corriente de entrada será de _______A, en un

transformador donde la tensión del primario es 127V, del secundario es aproximadamente 12V y la corriente

del secundario es 300mA.

2 Diodo Rectificador y rectificador de media:

Una vez que se conecta un transformador con las características descritas a una toma de 127V CA, tendremos

a la salida 12V CA. Debemos recordar que la mayoría de los componentes electrónicos funcionan con

corriente directa regulada proveniente de una fuente de igual manera regulada en tensión. En este caso los

12V CA deberán ser rectificados y regulados a 12V CD. La primera parte, la rectificación se realizará por

medio de los conocidos diodos rectificadores.

Como se vio en clase, un diodo rectificador es un dispositivo electrónico formado por dos tipos de elementos

semiconductores designados como material p y material n.

Símbolo del diodo rectificador

No se redundará demasiado en el marco teórico de este componente ya que, a diferencia del transformador, es

tema de clase. Baste decir que al polarizar un diodo de manera directa (es decir positivo a p y negativo a n) el

diodo se comporta como un circuito cerrado, conduce electricidad. Al polarizar un diodo de manera inversa

(es decir positivo a n y negativo a p) el diodo se comporta como un circuito abierto, no conduce electricidad.

Cabe destacar que en la polarización directa, existe una pequeña caída de tensión en el diodo que va de 0.2 a

0.7 voltios (algunos llaman a esta caída el precio a pagar). Cuando se maneja el modelo de diodo ideal no se

considera esta caída de potencial.

Así analicemos el comportamiento del siguiente circuito:

Circuito rectificador de media onda

Ensamble el circuito. Utilizaremos un diodo 1N4004 en primera instancia. El transformador T de baja de

127V a 12V de 300mA en el secundario. Se sugiere una resistencia RL de 10K a47K ohm

El circuito se conoce como rectificador de media onda. Con ayuda de un multímetro tome la medición de

voltaje CA de tierra (terminal negra) al punto a. Tome la medición de CC en el mismo punto y repita de tierra

al punto b. complete la tabla como se muestra.

a b

Alterna

Continua

Si se realizarán las mediciones en los puntos a y b con un osciloscopio podríamos observar las formas de onda

de las señales. En el caso del punto a, la señal aparecería desplegada, idealmente, como se bosqueja a

continuación.

Forma de onda sinusoidal

Notaríamos que, efectivamente la amplitud de la señal sinusoidal es mayor al valor obtenido por el

multímetro. Recordemos que el multímetro nos arroja el voltaje RMS o valor eficaz:

√ (7)

Para una onda sinusoidal. Donde V representa la amplitud de la señal del osciloscopio y VRMS representa la

medición del multímetro.

De acuerdo con la medición RMS que realizó con el multímetro en el punto a, aplicando la ecuación (7) ¿Cuál

es el voltaje pico o la amplitud de la onda sinusoidal en el secundario del transformador?________ V.

Al realizar la medición con un osciloscopio en el punto b la forma de la señal aparecería desplegada,

idealmente, como se bosqueja a continuación.

Salida del rectificador de media onda

Explique a qué se debe esta forma de onda, es decir, ¿cuál es el efecto del diodo en el circuito?

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Cabe destacar o recordar que el diodo real, a diferencia del diodo ideal, tiene una pequeña caída de potencial

en sus terminales cuando es polarizado directo por lo que la cresta de la salida rectificada es un poco menor

de la cresta de la salida del transformador.

Invierta la posición del diodo como se muestra en la figura y repita las mediciones para completar la tabla

Rectificador de media onda invertido

a b

Alterna

Continua

Bosqueje la forma de onda de esta señal

¿Qué deduce de estas mediciones?

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3 Rectificador de onda completa (puente de diodos):

Modifique el circuito como se muestra a continuación. Los cuatro diodos son 1N4004

Rectificador de onda completa

El circuito mostrado es un circuito rectificador de onda completa que cuenta con un puente de diodos.

La salida de este circuito (midiendo con un osciloscopio de tierra al punto b) es como se bosqueja a

continuación

Forma rectificada de onda completa

En sus palabras ¿Cuál es el comportamiento de este circuito?

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Midiendo igual que en el circuito anterior, complete la siguiente tabla de voltajes

a b

Alterna

Continua

Este circuito permite un mejor aprovechamiento del voltaje ya que se rectifica tanto la parte positiva como la

negativa de la onda sinusoidal.

Ambos circuitos rectificadores generan un nivel de voltaje de inestable. Faltan un par de detalles para obtener

un nivel de voltaje estable. Primeramente se debe reducir el llamado “rizo”, esto es la variación súbita de la

cresta de voltaje al nivel de voltaje cero.

4 Capacitor:

Para reducir este rizo utilizaremos un capacitor o condensador. Debemos recordar que un capacitor es un

pequeño almacén de energía eléctrica cuya capacidad de almacenamiento depende de la capacitancia. El

capacitor se cargará en la cresta y se descarga lentamente, dependiendo de la capacitancia y la resistencia de

carga, permitiendo que el voltaje sea más estable. En la siguiente práctica se verá otra aplicación del capacitor

como almacén de carga.

Modifique el circuito como se muestra a continuación. Agregue el capacitor C como se muestra. Asegúrese de

conectar de acuerdo con la polaridad correcta. El valor del capacitor es de 1000 a 2200 uF. El cálculo de este

valor no es complicado como se muestra en la siguiente fórmula (aplica solo para rectificador de onda

completa)

(8)

Donde I es la corriente máxima de la fuente, en este caso limitada por el transformador (300mA sugerido), F

es la frecuencia, en este caso 60 Hz y Vr es el porcentaje de caída del rizo permisible, en este caso 20% de

12V, es decir 2.4V

Manejaremos un valor de capacitor de 2200 µF. Esto permitirá cambiar el transformador posteriormente a uno

de 1A sin sufrir pérdidas en la calidad de la señal Ensamble el circuito como se muestra.

Rectificador de onda completa con puente de diodos

La salida de este circuito sería aproximadamente como se bosqueja a continuación.

Forma de onda con corrección de rizo

El despliegue en un osciloscopio sería muy similar al bosquejado con línea continua. Podemos ver que el

voltaje se encuentra estabilizado peor aún requiere ser regulado.

Al tomar la medición de voltaje de CD con su multímetro en el punto b del circuito, ¿qué lectura muestra?

________ V.

¿Existe diferencia con respecto a la medición anterior? Explique en sus palabras a que se debe esto

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5 Diodo Zener:

Finalmente, solo falta el paso de regulación de voltaje, ahora que se encuentra más o menos estabilizado.

Incluiremos un elemento que permite regularlo a un valor de voltaje fijo. Este elemento es conocido, en

primera instancia como diodo Zener. En realidad la fuente no trabajará con este tipo de diodo como elemento

regulador, una vez terminada ya que la regulación por Zener limita mucho la cantidad de corriente que puede

ser extraída de la fuente, sin embargo es importante que se verifique de manera práctica el comportamiento de

este.

Agregue el diodo Zener como se muestra en la imagen. Al emplear un diodo Zener como regulador de voltaje

es muy importante agregar una resistencia limitadora de corriente, esta es la razón por la cual la regulación

por Zener, aunque económica, es poco útil para consumos mayores de corriente. En este caso, con fines

ilustrativos asumiremos una corriente de 0.05A o 50mA.

La resistencia limitadora se calcula con este valor como

(9)

Por lo que

Usaremos una resistencia Rs 100Ω. ¿Cómo estimaría la potencia que esta resistencia disipará?

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Ensamble el circuito como se muestra. Observe la polarización inversa del Zener.

Fuente regulada con diodo Zener

El diodo Dz es el diodo Zener que se empleará, en este caso será el 1N4742A de 12V a 1W. Note en el

diagrama que el diodo parece estar conectado en polarización inversa. Esto es indispensable para que el diodo

funcione como regulador, como se vio en clase. De otra manera el diodo Zener actuaría como un simple

rectificador

¿Cuál es el voltaje de cd que se mide con el multímetro en el punto b? ______________ V.

Ahora se empleará, en lugar de un diodo Zener un circuito integrado regulador de voltaje 7812.

Este circuito integrado permite la regulación del voltaje con buena precisión y estabilidad y un manejo hasta

de 1A de corriente, lo que lo vuelve una mejor opción que el Zener. Cabe destacar que este circuito integrado

contiene un gran número de diodos Zener como componentes principales.

Finalmente agregaremos una resistencia con un LED para que tener un testigo de que la fuente está

energizada. Normalmente se recomienda una resistencia de 330Ω a 1KΩ para limitar la corriente en el LED.

En este caso emplearemos la resistencia de 1KΩ.

Este circuito lo podrá usar como fuente regulada a 12V en siguientes prácticas.

Opcionalmente se sugiere el uso de un puente de diodos 2w005m que ya cuenta con los cuatro diodos

rectificadores y es más compacto. También se sugiere un capacitor de 0.01µF=10nF a la salida del regulador

para eliminar efectos de ruido a la salida del regulador. Finalmente se puede incorporar más reguladores 78xx

para obtener, en escalada, la regulación de distintos voltajes de salida como se muestra en el siguiente

circuito:

Reto:

¿Cómo se podría diseñar una fuente simétrica para ±12V o ±9V?

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Obtén tus conclusiones

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Apéndices de práctica

Valor eficaz o RMS para una onda sinusoidal

RMS se define como el valor de una corriente rigurosamente constante (corriente continua) que al circular por

una determinada resistencia óhmica pura produce los mismos efectos caloríficos (igual potencia disipada) que

dicha corriente variable (corriente alterna).

Se calcula mediante la siguiente fórmula:

√

∫

Donde T es el intervalo de tiempo en el cual se desea conocer el valor eficaz de una señal.

Si V(t)=Vsen(ωt)

√

∫

Desarrollando la integral

∫

∫

∫ [ ]

[∫

∫

]

[

]

[

]

Siendo

[

]

[

]

[

]

[

]

Sustituyendo en la raíz

√

√

√

Material:

1 transformador de 127V a 12V, 300mA

4 diodos rectificadores 1N4004

1 diodo Zener 1N4742A

1 capacitor electrolítico 2200µF a 25V

3 capacitor cerámico 10nF (103)

1 resistencia 10KΩ

1 resistencia de 1KΩ

1 resistencia de 100Ω

1 regulador de voltaje 7812

1 regulador de voltaje 7808

1 regulador de voltaje 7805

1 LED (preferentemente verde)

1 puente rectificador 2W005M

Protoboard, cable y multímetro

Tablilla impresa para circuito (PCB)