Fuente Simétrica S imétrica (sin reguladores reguladores integrados)
RESUMEN Una fuente de alimentación es un componente de vital importancia en el transcurso de la vida de un electrónico, es un componente primordial al momento de armar circuitos electrónicos. En este trabajo trabajo se presenta presenta el análisis análisis teórico con con todo lo aprendid aprendido o en las materias básicas de electrónica analógica. Este trabajo no pretende ser un proyecto proyecto de una fuente fuente de alimentación alimentación final final (existen muchos muchos proyecto proyecto actuales que son de lejos mucho mejores), más bien este trabajo pretende ser de guía a estudiantes de materias básicas de electrónica, para que puedan apreciar la metodología de diseño básico de un instrumento de laboratorio tan utilizado como es este.
INDICE o
Red Eléctrica
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Transformador
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Rectificador onda completa(+calculo de diodos)
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Rectificador onda completa simétrica
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Filtro
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Regulador(o pre-regulador)
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Regulador con AO
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Modo Arreglo Darlington
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Protección Corto-Circuito
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Circuito Parte positiva
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Circuito Final
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Mejoras
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Amér Américo ico Álva Álvarrez S. S.
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Fuent Simétrica (sin reguladores integrados)
FUENTE DE ALIMENTACION SIMETRICA ANALISIS COMPLETO
Red Eléctrica:
Teórico: 220[V] a 60 Hz. Vol ios eficaces proporcionada por Electropaz Vpk= 1.4142*220=311.127[ ] voltaje máximo-Voltaje piko
Real: el voltaje en laboratorio de medición se observo que flujtuaba de 200V hasta los 230V
Transformador:
Teórico: 220[V] entrada, 12-0-12[V] a la salida de 1.5 A. Dato proporcionad por el vendedor (visualmente no tie e ningún dato escrito en el transformador) Real: Aproximando por medi iones S= 3cm*2.5cm=7.5cm2 Pa=(S/Kt)^2=(7.5/1.5)^2= 25 W] Pr=0.8*Pa= 20[W] Ahora como el transformador es de 12-0-12 recordamos que Is1/Is2=(D1)^2/(D2)^2 Observando muy bien los cab es del secundario(cables amarillos), verificamos que estos son iguales teniendo mi mo diámetro D1=D2 y considerando mism densidad de carga por cada cable Is1=Is2 tendríamos Pr=20=Is1*Veff1+Is2*Veff2 20=Is1*24 Is1=0.8A Is2=0.8A Teniéndose un cálculo total d 1.6A para el transformador. Si lo comparamos con el valor teórico proporcionado con el endedor efectivamente observamos que nuestr cálculo es correcto. Para datos prácticos de la fue te tomaremos Is1=Is2=0.75A en cada rama de 2v
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Fuent Simétrica (sin reguladores integrados)
Rectificador Onda completa(+cálculos de diodos)
Rectificador de onda complet con 2 diodos Teoría: F.R.= 0.48 (dato estándar) PIV=2*Vm= 2*16.9=33.8v En t=0 el capacitor esta en co to, entonces procedemos a calcular la corriente que circula por rf del diodo en t=0 el peor de los casos Vmax=16.9[V] la resistencia el diodo es aproximadamente 10 [Ohms] (mas o menos) entonces la corriente máxima que los diodos deberán soportar es de: Idm=16. /10=1.69A si la resistencia del diodo rf es ás pequeña de 10 ohms entonces el amperaje q e deberá soportar aumenta. Entonces debemos comprar diodos de 3A con 33.8 de PIV. Valor normalizado Diodo: EL diodo comercial de 3 amperios que se pudo en ontrar fue el 1n5408. No tome como referencia el piv al momento de comprar ya que los p v de diodos comerciales están entre 100 y 6000 volt's así que sería absurdo preguntar diodos por el piv.
Rectificador Onda completa simétrica :
Utilizando el mismo método para realizar la rectificación en positivo. Se lo hizo en negativo. Se utilizara los mismos diodos de 3A
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Filtro:
Podemos filtrar con capacitor, o inductor, o ambos. Yo recurrí a la manera m s sencilla a la del capacitor. Hallamos un fil ro y por simetría en la parte negativa será el mismo capacitor. Vc(t)=Vf-(Vf-Vi)*e^(t/RC) Carga del capacitor VB-dVB=VB-(VB-VA)*e^(t /rf*C1) Descarga del Capacitor VA=0-(0-VB)*e^(t2/rf*C1) el periodo de la señal de rizo era de T=t1+t2 entonces despejando de las anteriores ecuaciones y reemplazando (r cordamos que T=1/f) T=rf*C1*ln(VA*(VB-VA)/( B*dVB)) =1/f como la f=120hz, pondré K p r el valor dentro del neperiano C1=1/(f*rf*ln(K)) ahora todo depende de nuestr criterio si por ejemplo queremos que nuestro r zo sea 0.01V entonces 0.01=(VB-VA)/(2*1.732) tenemos 2 ecuaciones con 2 i cógnitas Valor práctico: Decidí hacer un rizo de 0.003 entontes por cálculos de las ecu ciones anteriores seria 0.003=[16.9-(16.9*e^(-1/120*10*C1)] / (2*1.732) 1/(120*10*C1)=6.15118*E-4 C1= 1.3547 F entonces C1=1 54.7 mF
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Fuent Simétrica (sin reguladores integrados) Para datos prácticos utilizare n capacitor comercial de 2200 mF x 50v. que d ará un Voltaje de rizo de 3.2mV. ¿Por qué pongo un capacitor de 50v y no de 25v? Teóricamente como a las salidas de los secundarios (antes analizado), t nemos un voltaje máximo de 16.97 [V] lo más obvi seria poner un capacitor comercial de 25v q e lo aguanta y ni lo carga completamente, así que i calienta. En el diseño tenemos que analizar e l peor de los casos, y en esta situación lo único que pudiera fallar antes del capacitor seria...? pue claro los diodos o transformador. Si por alguna ra zón se abre el cable medio del transformador(t ierra, peor caso), El capacitor estaría recibiendo en tre sus bornes una tensión superior a los 24v. a que el transformador utilizaría el secundario de bajo(dibujo) como punto de tierra, y el transf rmador estaría alimentando al circuito con un volt je máximo de 33.94[V]. pero aun en esta situ ción tenemos 2 capacitores en serie ambos de 25V ue se aguantarían a la perfección los 3.94[V], y si fallaría un capacitor antes de que fall el cable central? Pues solo un capacitor debería de soportar todo el voltaje.
Regulador (o pre reg lador ):
Vi=Vcap1>Vz1 Vcap1min-Vz=R1(I1max-Iz in) Como Izmax=10*Izmin
Utilizamos un zener por ejem lo de 7.5V de 1w(valor comercial) Pmax=Vz*Izmax Izmax= 0.133A entonces Izmin=0.0133A y recordando del filtro el volt je máximo es de Vcap1min=16.8887 y también consideramos que a la salida tenemos una corriente de I1max=1A entonces reemplazando en la cuación hallamos R1=9.5 [Kohms] normalizando al menor utilizaremos 6.8 Kohms
Desventaja: la desventaja de este regulador, es que el diodo zener debe de ab orber toda la corriente que la carga no requ era
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Regulador con AO:
Utilizando el amplificador op racional como comparador
Podríamos acoplar directame no podríamos regular hasta 0 solucionamos con un divisor Pot , Ra , Rb podemos poner que la salida sea de muchos v amp op.
te al Vz (voltaje zener como voltaje de referencia Vref. pero oltios por más que variemos Ra o Rb entonces lo e voltaje con un potenciómetro ualquier valor, a nuestro agrado. Por ejemplo p demos hacer lts.. Solo tener en cuenta la alimentación (ósea VCC) del
Entonces en definitiva tendríamos nuestro arreglo: el pre-regulador (con zene )+ el regulador (con ao)
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Modelo arreglo darli gton :
Como la corriente de salida d l ao. Es muy baja (por ejemplo: el lm741 tiene 5mA en short circuit), y tenemos que sacar más de 800mA en la salida. Entonces recu rimos a la configuración darlington
IC=Hfe*IB Hfe= hfe1*hfe2 El transistor Q1 trabaja con u a corriente en base muy baja. El transistor Q2 eberá ser de potencia ya que la corriente d base es muy grande ya que la corriente de bas de Q2 es igual a la corriente en colecto de Q1. En la práctica utilizamos un transistor Bc548 con un 2n3055 entonces en los cálculos BC548: hfe1=250 2N30554: hfe2=10 entonces nuestro arreglo tendr á un Hfe= 2500 si nuestra corriente a la salida del operacional es de 1mA entonces: IC = 2.5A más que suficiente.. Además consideremos que el hfe no es constante es variado de co ponente a componente.. En el peor de los casis tendremos una corriente de salida de 1.2 suficiente para nuestro proyecto a prese tar Observación: se puso una resistencia a la salida del operacional como si fuera una resistencia interna de una fue te de alimentación(ver grafico). En el grafico s muestra 1k. Utilice un valor mucho menor, 330 ohms
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Protección cortocircuito:
Los circuitos de protección se diseñan para estar inactivos en condiciones de funcionamiento NORMAL, y activarse inmediatamente ocurra alguna condición no normal, en esta caso cuando a la salida exista algún cortocircuito. Este circuito es muy conocido como limitador de corriente, si excedemos una corriente establecida el circuito se enciente(por así decirlo). Si cortocircuitamos la salida, la corriente que circula por la carga(cable cortocircuitador) es muy grande así que es un circuito muy utilizado en fuentes de alimentación Podremos utilizar el circuito más sencillo limitador de corriente, o el foldback vean la grafica:
Ahora bien nosotros utilizaremos el flodback I FB V O I SC
R1 R2 RSC
V BE
R1 R2
R2 RSC
V BE R1 R2
RSC R2
Si tenemos un VBE de 0.7V, y utilizamos un RSC de 10 ohms de 10wats por que pasara una corriente de 1ª por la resistencia cuando este en cortocircuito la fuente.
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Fuent Simétrica (sin reguladores integrados) Entonces por cálculos tenemos na R1= 12 K ohms R2= 1 K ohms RSC= 10 ohms de 10 watts
CIRCUITO PARTE POSITIVA:
Uniendo todas las partes expuestas anteriormente, tenemos una fuente de ali entación regulable de voltajes positivo
CIRCUITO FINAL:
Ahora bien como necesitamos una fuente simétrica, pues simplemente refleja os la parte positiva - El ampo de la parte negativa también es controlado por el pre-regulador arreglo zener que da un voltaje de referencia so re el potenciómetro, miren los pines 2 y 3, y vean donde va el voltaje de referencia. - La alimentación del ampop e la parte negativa (VCC, VEE), es inverso a la parte positiva - Se usa los complementarios en la parte negativa, si usamos un bc548, 2n3055 en la parte positiva(arreglo darlington) e la parte negativa usaremos los complementos, bc558, y el MJ2955.Lo mismo ocurre co los limitadores de corriente. - A la salida se aumentaron 2 apacitores para que filtren el ruido a la salida.
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MEJORAS
1.- En la parte del pre-regulador con zener. Podríamos utilizar un arreglo con transistores como pre-regulador.
2.- La parte negativa, utiliza el mismo pre-regulador zener, y esto hace que la fuente sea simétrica utilizando un mismo potenciómetro. Si queremos 2 voltajes uno positivo y otro negativo variable sin que dependan, podemos hacer un pre-regulador similar pero complementario en la parte negativa si tener 2 potenciómetros para controlar tanto parte negativa como positiva.
3.- En el arreglo Darlington, en el emisor del primer transistor. Agregar una resistencia.
4.- Agregar un trimer en la realimentación del amp.op. 2 de la parte negativa. Así poder ajustar un valor simétrico tanto en la parte positiva como en la negativa.
5.- En la parte del filtrado. Realizar el filtrado en serie también con bonina. Esto nos servirá también para cuidar nuestros componentes anteriores.
6.- Agregar diodos donde se vea necesario: por ejemplo a la salida de los amp.op.
7.- Agregar capacitores donde se vea necesario. A la salida del potenciómetro, en las salidas de la parte positiva y negativa.
Reguladores Integrados
En este trabajo se analizo una fuente con todos los cálculos necesarios para esta, una mejora de las fuentes actuales es que tenemos a disposición los reguladores de voltaje integrados, y que los diseños actuales utilizan estos. Que dan muchas más prestaciones. Un integrado que personalmente me gusta utilizar es el lm317 un integrado antiguo pero que aun sigue vigente y hay mucha información sobre este.
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MONTAJE
Presento a continuación la muestra del montaje de este circuito que tuve que presentar en laboratorio. En una placa agujereada.
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