´ ´ ELECTRONICA ANALOGICA PROYECTO UNIDAD 2: FUENTE DE VOLTAJE LINEAL Salinas Diego Luis Alberto, Rojo Pe˜na Daniel, Chavez Rivera Celso Miguel Divisi´on de Ingenier´ıa Mecatr´onica Instituto Tecnol´ogico Superior de Huichapan Dom. Conocido S/N., El Saucillo, Municipio de Huichapan, Hidalgo, M´exico
Abstract En este documento se reporta el desarrollo del proyecto de la unidad 2 de Electr´onica Anal´ogica, el cual es realizar el dise˜no, c´alculo y construcci´on de una Fuente de Voltaje del tipo Lineal, con determinadas especificaciones t´ecnicas.
1.
Introducci´on
Las fuentes de voltaje son dispositivos que convierten la corriente alterna de la red de suministro, en corriente directa, esto con la finalidad de suministrar energ´ıa a los circuitos y componentes que se encuentran dentro de aparatos electr´onicos que solo funcionan con este tipo de corriente.
2.
Objetivos
Figura 1: Forma Sinusoidal
Dise˜nar, calcular y construir una fuente de voltaje lineal variable con rango de 12V a -12V, ademas de 5 y 3.3V fijos.
3.
Marco Te´orico Corriente Alterna Se denomina a la corriente el´ectrica en la que la magnitud y el sentido var´ıan c´ıclicamente. La forma de oscilaci´on de la corriente alterna m´as com´unmente utilizada es la oscilaci´on senoidal con la que se consigue una transmisi´on m´as eficiente de la energ´ıa, a tal punto que al hablar de corriente alterna se sobrentiende que se refiere a la corriente alterna senoidal.
Figura 2: Representaci´on de la tensi´on en corriente continua.
Transformador Se denomina transformador a un dispositivo el´ectrico que permite aumentar o disminuir la tensi´on en un circuito el´ectrico de corriente alterna, manteniendo la potencia, bas´andose en el fen´omeno de la inducci´on electromagn´etica.
Corriente Directa Se refiere al flujo continuo de carga el´ectrica a trav´es de un conductor entre dos puntos de distinto potencial, que no cambia de sentido con el tiempo. A diferencia de la corriente alterna, en la corriente continua las cargas el´ectricas circulan siempre en la misma direcci´on.
∗ M.M
Luis Felipe Serna Hern´andez
Preprint submitted to Elsevier
Figura 3: Transformador de CA de 120 a 12V. 9 de noviembre de 2017
Derivaci´on, Tap o Toma Central La derivaci´on central es una conexi´on adicional en el bobinado secundario del transformador, que divide la tensi´on (voltaje) en este bobinado en dos voltajes iguales. Esta conexi´on adicional se pone a tierra. Capacitor Es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electr´onica, capaz de almacenar energ´ıa sustentando un campo el´ectrico.? Est´a formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de l´aminas o placas, en situaci´on de influencia total separadas por un material diel´ectrico o por el vac´ıo.
Figura 6: Simbolo del Diodo y sus Tipos.
Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga el´ectrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variaci´on de carga total.
Figura 7: Regulador de Voltaje LM317.
de electrones al moverse a trav´es de un conductor. La unidad de resistencia en el Sistema Internacional es el ohmio, que se representa con la letra griega omega.
Figura 4: Diferentes tipos de Capacitores.
Puente Rectificador Un puente rectificador de diodos, tambi´en llamado puente rectificador o puente de diodos, es un dispositivo formado por cuatro diodos ensamblados de forma que una corriente alterna (AC) conectada a dos de los diodos produce una corriente continua (DC) de salida en los dos diodos restantes.
Figura 8: Tipos de Resistencias.
Potenci´ometro o Resistencia Variable Un potenci´ometro es una resistencia variable mec´anica (con cursor y de al menos tres terminales). Conectando los terminales extremos a la diferencia de potencial a regular (control de tensi´on), se obtiene entre el terminal central (cursor) y uno de los extremos una fracci´on de la diferencia de potencial total, se comporta como un divisor de tensi´on o voltaje.
Figura 5: Puente Rectificador CA-CD.
Diodo Un diodo es un componente electr´onico de dos terminales que permite la circulaci´on de la corriente el´ectrica a trav´es de e´ l en un solo sentido. Regulador de Voltaje Un regulador de tensi´on o regulador de voltaje es un dispositivo electr´onico dise˜nado para mantener un nivel de tensi´on constante. Resistencia El´ectrica Se le denomina resistencia el´ectrica a la oposici´on al flujo
Figura 9: Potenci´ometro.
2
Valor Eficaz (RMS) Se denomina valor eficaz al valor cuadr´atico medio de una magnitud el´ectrica. El concepto de valor eficaz se utiliza especialmente para estudiar las formas de onda peri´odicas, a pesar de ser aplicable a todas las formas de onda, constantes o no. En ocasiones se denomina RMS (del ingl´es, root mean square).
5.
Equipo Osciloscopio Mult´ımetro
6.
Desarrollo
La fuente se desarrollo en el siguiente orden: dise˜no, calculo, construcci´on del prototipo en protoboard. 6.1.
el proyecto es crear una fuente que suministre voltaje negativo -12 y voltaje positivo +12 y que estos fuesen ajustables, ademas de incorporar otra salida que suministre 5 y 3.3V. Por lo que se plante´o la idea de crear una fuente de voltaje sim´etrica para utilizar menos componentes, y que fuese compacta, pero que tambi´en fuese funcional para distintas cargas como motores CD, por lo que se dise˜no con las siguientes caracter´ısticas para las distintas etapas:
Figura 10: Valor eficaz (VRMS) de una onda sinusoidal.
4.
Diseno ˜
Etapa de Transformaci´on En la etapa de transformaci´on se planteo el uso un transformador de CA de 120 a 12V a 1.2A con toma central, para que pudiera entregar la suficiente potencia al circuito de la fuente.
Materiales 1 Protoboard. 1 Interruptor I/O.
Etapa de Rectificaci´on Para la conversi´on de Corriente Alterna a Directa se planteo el uso de un Puente Rectificador en vez del uso de diodos, ya que estos son mas f´aciles y r´apidos de conectar. Por lo cual escogimos el W10G ya que soporta 1kV a 1.5A, lo cual es ideal para esta etapa.
1 Fusible. 1 Transformador de 120 a 12V con toma central. 1 Puente de Diodos W10M. 2 Capacitores Electrol´ıticos 3300uF a 50V
Etapa de Filtrado Para el filtrado se planteo colocar 3 capacitores por cada lado de la fuente (lado positivo y lado negativo de la fuente sim´etrica) esto con el fin de eliminar el rizado que se produce al rectificar la corriente. Se utilizaron capacitores del tipo electrol´ıticos, de 4700 y 3300 uF, los cuales son adecuados para este proceso.
2 Capacitores Electrol´ıticos 4700uF a 25V 2 Capacitores Electrol´ıticos de 10uF a 25V 2 Capacitores de L´amina de Poli´ester de 100nF a 63V 2 LED’s Verdes 2 Resistencias 3.3KOhms
Etapa de Regulaci´on Para la etapa de regulaci´on utilizamos los circuitos integrados LM317 y LM337, ya que estos son Reguladores de Voltaje Positivo y Negativo respectivamente, como nuestra fuente es sim´etrica debe de suministrar +12V y -12V, se utilizo el primero para el lado positivo y el segundo para el negativo. Para regular el voltaje se utilizo un arreglo resistivo con una resistencia variable (potenci´ometro) y un capacitor de lamina de poliester para filtrar aun mas la corriente.
2 Resistencias de 220Ohms 2 Potenciometros de 2KOhms 4 Diodos 1N4004 1 LM317T (Regulador de Voltaje ajustable +V) 1 LM337T (Regulador de Voltaje ajustable -V) 1 L7805 (Regulador de Voltaje a 5V)
Etapa de Salida Posterior a la etapa de regulaci´on se coloco para la salida una bornera de 3 terminales una con la salida de Voltaje Positivo de 12V, la otra con negativo de 12V y la ultima para la Tierra (GND), vease figura 11 y 12.
1 LF33CV (Regulador de Voltaje a 3.3V) 1 Placa fen´olica 4 Borneras 3
Etapa de Protecci´on Una vez ya dise˜nada la fuente se propuso a proteger el circuito ante cortocircuitos y corrientes inversas por lo que hicimos uso del diodo 1N4004 para proteger a los CIs, y un fusible de 10A para el transformador, esto para evitar cortos o picos de voltaje no muy grandes que llegasen a da˜nar los componentes.
6.2.
Calculo
Solo se realiz´o el calculo del arreglo resistivo para los reguladores de voltaje LM317 y LM337 para conocer los valores de R1 y R2 siendo esta ultima la resistencia variable para ajustar el voltaje de salida Vout. Se utilizo la siguiente formula:
Figura 13: Formula para Reguladores de Voltaje Lineales.
La cual nos dio los siguientes Resultados: Vin: 14.417V Vout: 12.714V Iout: 1.5A R1: 220Ohms Figura 11: Circuito en Proteus de la Fuente de Voltaje.
R2: 2kOhms Vref: 1.25V
Para las salidas de 5 y 3.3V se utilizaron los siguientes CIs, el L7805 y el LF33CV los cuales son reguladores de voltaje a 5 y 3.3V fijos respectivamente. Estos se conectaron desde la etapa de filtrado del lado positivo, v´ease figura 12, junto con otros capacitores para mejorar la calidad de la corriente. Para la salida se coloco una bornera con 4 terminales, los cuales se conectaron en el siguiente orden: 5V-GND-GND-3.3V. Adicionalmente se colocaron LED’s en todas las salidas para que se pudiese conocer si est´an en funcionamiento.
Iadj: 50uA Igualmente calculamos la Potencia disipada por el circuito, la cual fue de 3W por cada CI.
6.3.
Prototipo
Se construy´o el circuito de la fuente en una protoboard.
Figura 14: Fuente de Voltaje armada en el Protoboard.
6.4.
PCB
Se creo la PCB del circuito de la fuente para construir la version final de la fuente, se utilizo el software Eagle para realizar este proceso.
Figura 12: Fuente de Voltaje Completa.
4
Figura 15: PCB de la Fuente de Voltaje.
Figura 17: Medici´on de Voltaje en la salida de +V.
Figura 16: PCB impresa.
7.
Resultados y An´alisis
Una vez terminado el circuito en el protoboard se comprob´o con el Mult´ımetro de que en la salida entregara 12V (v´ease figura 17 ) y -12V (v´ease figura 18). Se probo el circuito con un servomotor como carga. El motor funcion´o de forma correcta, y en las terminales no hubo ca´ıda de tensi´on (figura 19 y 20) por lo que concluimos que la fuente era capaz de suministrar corriente a mas cargas. Los resultados fueron los siguientes
8.
Figura 18: Medici´on de Voltaje en la salida de -V.
Conclusiones
En esta proyecto se logr´o construir una fuente de voltaje lineal, con la caracter´ıstica de suministrar en una salida voltaje positivo y negativo regulables, ademas de tener una segunda salida con dos diferentes voltajes fijos, la cual se construyo con componentes b´asicos, y en cuatro etapas, por lo que fue capaz de suministrar corriente a varias cargas conectadas a la vez, sin tener ca´ıdas de tensi´on, y potencia disipada en forma de calor considerables. Electr´onica, Allan R. Hambley, 2da. Ed., Pearson Education, 2011, M´exico D.F.
9.
Referencias
Principios de Electr´onica, Albert Malvino, 7ma. Ed., Mc Graw Hill, 2007, Madrid Espa˜na. Electr´onica: Teor´ıa de Circuitos y Dispositivos Electr´onicos, Robert L. Boylestad, 10ma. Ed., Pearson, 2009, M´exico D.F.
5
Figura 19: Carga en la salida de +V.
Figura 20: Carga en la salida de -V.
6