ESCUELA MILITAR DE INGENIERIA MCAL. ANTONIO JOSE DE SUCRE ³BOLIVIA´
PERFIL DE PROYECTO FINAL
FUENTE DE ALIMENTACION SIMETRICA REGULADA DIGITALMENTE
LA PAZ, 2011
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ESCUELA MILITAR DE INGENIERIA MCAL. ANTONIO JOSE DE SUCRE BOLIVIA
PERFIL DE TRABAJO
FUENTE DE ALIMENTACION SIMETRICA REGULADA DIGITALMENTE
Modalidad: Proyecto final, presentado como requisito para la nota 3er parcial
TUTOR: ING. PEREIRA
LA PAZ
ii
ÍNDICE DE CONTENIDO
Pág. 1.
ANTECEDENTES........................ ANTECEDENTES .................................................. .................................................. ...................................... .............. 5 1.1. INTRODUCCION ......................................................................................................................... 5 1.2. FUENTE DE ALIMENTACIÓN SIMETRICA REGULADA .................................................................... 7 1.2.1 PRINCIPIO DE ALIMENTACION AJUSTABLE. ..................................................................................... 7 1.2.2 FUENTE SIMETRICA AJUSTABLE. ..................................................................................................... 7 1.3. FUENTE SIMETRICA AJUSTABLE DIGITALMENTE .......................................................................... 7
2.
PL ANTEAMIENTO DEL DEL PROB PROBL LEMA........................ EMA .................................................. .................................. ........ 8 2.1. 2.2.
3.
OBJETIVOS......................... OBJETIVOS.................................................. .................................................. ............................................... ...................... 8 3.1. 3.2.
4.
OBJETIVO GENERAL ................................................................................................................... 9 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................................. 9
JUSTIFICACÍON.......................... JUSTIFICACÍON .................................................. ................................................... ........................................ ............. 9 4.1. 4.2. 4.3. 4.4.
5.
JUSTIFICACIÓN TÉCNICA............................................................................................................. 9 JUSTIFICACIÓN METODOLÓGICA ................................................................................................ 9 JUSTIFICACÍON ECONÓMICA ...................................................................................................... 9 JUSTIFICACIÓN SOCIAL ............................................................................................................. 10
AL ALCANCE........................ CANCE .................................................. .................................................. ................................................ ........................ 10 5.1. 5.2. 5.3.
6.
ALCANCE TEMÁTICO ................................................................................................................ 10 ALCANCE TEMPORAL ............................................................................................................... 10 ALCANCE DEL ENTORNO .......................................................................................................... 10
HIPÓTESIS PÓTESIS.......................... .................................................. .................................................. .............................................. .................... 10 6.1. 6.2. 6.3.
7.
IDENTIFICACION DEL PROBLEMA ................................................................................................ 8 FORMULACION DEL PROBLEMA ................................................................................................. 8
IDENTIFICACION DE VARIABLES ................................................................................................ 11 OPERATIVIZACION DE VARIABLES ............................................................................................. 11 MATRIZ DE CONSISTENCIA ....................................................................................................... 11
MAR MARCO TEÓR TEÓRICO ICO .................................................. ............................................................................. .................................. ....... 11 7.1 COMPONENTES DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN .................................................................... 11 7.1.1 TRANSFORMADOR DE ENTRADA .............................................................................................. 12 7.1.2 RECTIFICADOR A DIODOS .............................................................................................................. 14 7.1.2 EL FILTRO ................................................................................................................................. 17 7.1.3 EL REGULADOR ........................................................................................................................ 23
8.
CRONOGR ONOGR AMA DE TR ABAJO .................................................. ................................................................. ............... 29 I
9.
RESULTADOS ESPER ADOS ................................................................... 29
9.1
RESULTADOS DIRECTOS ....................................................................... 30
9.2
RESULTADOS INDIRECTOS.................................................................... 30
10.
IMP ACTO .................................................................................................. 30
11.
ESTR ATEGIAS DE COMUNICACIÓN ...................................................... 30
12.
PRESUPUESTO........................................................................................ 31 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................... 32
ÍNDICE DE TABLAS
Pág. TABL A 1.Salas de cine que funcionan en la ciudad de La PazError!
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TABL A 2 Clasificación de las salas de cine............. Error! Bookmark not defined. TABL A 3 Capacidad de las de Cine Center ............ Error! Bookmark not defined. TABL A 4 OBEJTIVOS ESPECIFICOS Y ACCIONESError!
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defined. TABL A 5: OPER ATIVIZACION DE VARIABLES..... Error! Bookmark not defined.
ÍNDICE DE FIGURAS
Pág. III
FIGUR A 1: Venta de estr adas por películas analógicasError!
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defined. FIGUR A 2: Venta de entr adas por películas 3D...... Error! Bookmark not defined. FIGUR A 3: Participación en el mercado de cine ..... Error! Bookmark not defined. FIGUR A 4: Volumen de venta de entr adas por semanaError!
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IV
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1. ANTECEDENTES 1.1.
INTRODUCCION
Cuando tr abajamos con circuitos electrónicos, se requiere una necesidad básica que es proveer de una fuente eléctrica par a que funcione. Si esta toma de energía, el circuito no servirá de nada. El propósito principal de una fuente de alimentación, es hacer entrega de una o más tensiones eléctricas que pueden ser variables al circuito, con la suficiente capacidad par a mantener las condiciones de oper ación ideales. Hay muchos tipos de fuentes de alimentación, y pueden ser de tamaño y formas variadas. Se puede decir que todos los dispositivos electrónicos que conocemos tienen uno de estos apar atos integr ados, desde nuestro televisor , microondas, hasta el ordenador que tenemos en casa. Aunque cada fuente de alimentación tiene sus propias especificaciones y car acter ísticas individuales, todas ellas tienen ciertas cosas en común. Veremos las partes principales de las fuentes de alimentación y como funcionan todas juntas. Una fuente de alimentación básica consiste en tres secciones básicas. Dependiendo de los requerimientos de cada dispositivo, las secciones pueden ser simples o extremadamente comple jas. Cada parte sirve par a un o más propósitos, y son los siguientes:
FIGURA 1: Fuente de alimentación
Fuente: Electronica-basica.com
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y
Transformador ± En gener al, la corriente continua presente en las tomas de electricidad de nuestr as casa, no es la adecuada par a los circuitos electrónicos. Muchos de ellos necesitan un voltaje bastante menor , mientr as que otros requieren que sea mayor. El tr ansformador sirve par a convertir la tensión AC (corriente alterna), a un nivel de voltaje más apropiado par a las necesidades del circuito. Al mismo tiempo, también provee de aislamiento eléctrico entre la línea AC y el circuito que está siendo alimentado, lo cual es una consider ación de seguridad importante. Sin embargo, un tr ansformador de línea es gener almente gr ande y pesado, y más bien caro. Por este motivo, algunas fuentes de alimentación (por e jemplo de los PCs), están diseñadas de forma deliber ada par a oper ar directamente desde la línea AC sin un tr ansformador de línea. La salida del tr ansformador sigue siendo un voltaje AC, pero con la magnitud apropiada par a que el circuito pueda ser alimentado.
y
y
Rectificador ± El siguiente paso es for zar la corriente par a que vaya en una dirección, previniendo alter aciones que ocurren en el tr ansformador y la línea AC. Este proceso se conoce como rectificación , y el circuito que realiza la tarea es el rectificador. Hay configur aciones de rectificadores muy diferentes par a ser usados en situaciones muy distintas, dependiendo de lo que requier a el circuito. La salida del rectificador en una voltaje DC (corriente continua), que todavía conserva algunas variaciones de la línea AC y el tr ansformador. Filtro ± El voltaje DC del rectificador es gener almente no apropiado aun par a dar carga al circuito. Es una tensión de pulsaciones que normalmente var ían de cero voltios al pico de salida del tr ansformador. Por ello, insertamos un circuito par a almacenar energía dur ante cada pico de voltaje, y entonces liber ar lo cuando ese pico vuelve a bajar. Este circuito se llama filtro, y su tr abajo es reducir las pulsaciones del rectificador a un voltaje menor.
Cada una de los apartados que se han explicado tiene un número de variaciones, pero aparte de ellas, cumplen con las tareas que se les ha asignado. Sin embargo, algunos circuitos hacen su tr abajo más efectivamente que otros. Par a medir la efectividad de cada circuito, se compar a la magnitud del componente AC resultante, con el componente DC del total del voltaje de salida. El promedio del voltaje AC al DC se conoce como f actor ³ripple´. La meta de cualquier fuente de alimentación es reducir este f actor lo máximo posible, o al menos al punto donde la carga del circuito no se verá afectado por los restos de la corriente alterna. 6
1.2.
FUENTE DE ALIMENTACIÓN SIMETRICA REGULADA
1.2.1 PRINCIPIO DE ALIMENTACION AJUSTABLE. Las ventajas que aporta una fuente ajustable básicamente son, la posibilidad de alcanzar en su salida una tensión continua exacta a la especificada por el usuario o circuito examinado, bajo prueba. Esto que en un principio parece una simpleza, no lo es tanto cuando hemos de variar la tensión en niveles de un voltio o incluso menos en ciertos casos y si además necesitamos que dicha fuente sea cortocircuitable, esto puede complicar se un poco. Una fuente de alimentación sencilla puede ser uno de los e jercicios que me jor ilustr an una lección de electrónica práctica y, eso precisamente es lo que vamos a realizar. Proponemos estudiar cómo construir una fuente de alimentación que nos sirva par a la mayor ía de las aplicaciones que habitualmente venimos realizando en las prácticas de las escuelas, labor atorios y academias de enseñanza sobre electrónica.
1.2.2 FUENTE SIMETRICA AJUSTABLE. Seguro que en muchas ocasiones hemos necesitado una fuente capaz de suministr ar diver sas tensiones dentro de un amplio margen de valores. Del mismo modo y por causa de los distintos márgenes de consumo, habr ía sido útil que dicha fuente incor por ar a un limitador de corriente ajustable, por e jemplo; par a cargar bater ías Ni/Cd, en cuya carga es necesario mantener constante la corriente de carga y que fuer a cortocircuitable par a usar la en circuitos cuyo consumo desconocemos. Gener almente, es suficiente con una fuente de alimentación sencilla, nada más le jos de la realidad. En algunas aplicaciones será necesario que la corriente suministr ada por la fuente sea elevada y en casi todos los casos una fuente regulable de 0V a 30V capaz de suministr ar 5 A será más que suficiente par a poder alimentar todos los prototipos y equipos de labor atorio.
1.3.
FUENTE SIMETRICA AJUSTABLE DIGITALMENTE
La idea de una fuente digital
7
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 2.1. IDENTIFICACION DEL PROBLEMA En labor atorios de electrónica básica se recurrió al uso de una fuente de alimentación de voltaje DC, que en su mane jo se tuvo que ajustar el mismo voltaje con un control analógico que no er a más que un potenciómetro que variaba una resistencia determinada que er a dif ícil de calibr ar en voltajes puntuales habituales como +5,+9,+12 e incluso voltajes negativos, esto nos lleva a un error que si bien se puede despreciar por principios de electrónica como ser mucho mayor(>>) o mucho menor(<<), lo ideal ser ía recrear los circuitos como los simulados en Proteus, Multisim, Orcad y muchos otros, par a obtener datos exactos y sacar conclusiones precisas y concisas. Cuando se está empezando una carrer a en la que el análisis de circuitos electrónicos es indispensable, es ilógico pensar no se cometerá errores, es en cambio tan natur al como nuestros primeros pasos, uno de los errores más comunes en labor atorios de sistemas digitales y en otr as asignatur as es cortocircuitar un fuente debido al mal armado de un circuito debido a la gr an cantidad de componentes, siendo más específicos circuitos integr ados por esto este tema por ningún motivo puede pasar se por alto o tomado a la liger a. También se debe pensar que una fuente de alimentación al entregar corriente a un determinado circuito y dependiendo de la impedancia del mismo los componentes tienden a incrementar su temper atur a, en este caso se está for zado a instalar un sistema de ventilación que ayuden a disipar el calor hacia fuer a del circuito
2.2. FORMULACION DEL PROBLEMA El inconveniente de las fuentes de alimentación es la calibr ación del voltaje de salida, ser ía ideal llegar a un voltaje puntual sin tener que manipular un componente analógico ya que la tendencia de la tecnología es llegar a un sistema completamente digital. Cualquier fuente de alimentación tiene como car acter ística principal protección contr a cortocircuitos, la misma que en la mayor ía de las fuentes se visualiza en un led que a veces por descuido no vemos, que bueno ser ía que te indique que estas ocasionando un cortocircuito.
3. OBJETIVOS
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3.1. OBJETIVO GENERAL Diseñar una fuente simétrica regulada mediante un único teclado de control, con protección contr a cortocircuitos
3.2. y
OBJETIVOS ESPECÍFICOS Implementar un teclado matricial par a el control de todas las funciones que tendrá la fuente.
y
Analizar la
resistencia variable digitalmente
que
reemplazar a al
potenciómetro que regulaba el voltaje. y
Proteger la fuente con un sistema contr a cortocircuitos.
y
Realizar un sistema par a la disipación eficaz de temper atur a por encima de los parámetros especificados en los datasheets de los componentes.
y
Desplegar toda la información adquirida y gener ada dentro del control de la fuente simétrica.
4.
JUSTIFICAC ÍON
4.1.
JUSTIFICACIÓN TÉCNICA
4.2.
JUSTIFICACIÓN METODOLÓGICA
4.3.
JUSTIFICACÍON ECONÓMICA
En el mercado actual casi no existe una fuente simétrica que ser ía prácticamente digital, y si existe el valor de esta ascender ía hasta sobrepasar los 100$, lo que nos indica que equipar un labor atorio con estos equipos seria una inver sión que se deber ía tomar una como un lu jo innecesario, es por esto que nuestros labor atorios en nuestro país son deficientes debido a que no existe innovación en esta área.
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4.4.
JUSTIFICACIÓN SOCIAL
Esta fuente que se desarrollar a en este proyecto pretende ayudar al estudiante en el análisis de circuitos electrónicos, así también en la realización de proyectos ya que la misma es indispensable en el área de electrónica.
5. ALCANCE 5.1.
ALCANCE TEMÁTICO
El presente proyecto pertenece al área de investigación microprocesadores y electrónica lineal.
5.2.
ALCANCE TEMPORAL
El presente tr abajo se desarrollar a en el lapso del semestre académico, y tomará par a efectos de cálculos y realización de circuitos, la información disponible desde el año 2007 tomando en cuenta la relevancia de la misma en tiempos actuales.
5.3. y
ALCANCE DEL ENTORNO Par a el análisis se tomará en cuenta información obtenida en páginas de internet.
y
Ser a objeto de estudio y aplicación solo fuentes simétricas con regulación de voltaje, protección contr a cortocircuitos y disipación de calor , de jando de lado el control de regulación de corriente.
6.
HIPÓTESIS
El desarrollo de una fuente simétrica regulada digitalmente ayudar a a los estudiantes en la comprensión de circuitos electrónicos debido a su fácil mane jo mediante un solo teclado de control.
10
6.1.
IDENTIFICACION DE VARIABLES
6.2.
OPERATIVIZACION DE VARIABLES
6.3.
MATRIZ DE CONSISTENCIA PROBLEMA
Manipulación analógica de una fuente simétrica
OBJETIVO
Diseñar una fuente simétrica
regulada
mediante un único teclado de control, con
protección
contr a cortocircuitos
PRODUCE
Que la manipulación sea más sencilla y segur a
PARA
Par a proteger la fuente de los posibles errores que llegue a cometer
HIPOTESIS El desarrollo de una fuente simétrica regulada digitalmente ayudar a a los estudiantes en la comprensión de circuitos
PERMITIRA
Un me jor aprovechamiento de la fuente simétrica
7. MARCO TEÓRICO 7.1
COMPONENTES DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN
La función de una fuente de alimentación es convertir la tensión alterna en una tensión continua y lo mas estable posible, par a ello se usan los siguientes componentes: 1.- Tr ansformador de entr ada; 2.- Rectificador a diodos; 3.- Filtro 11
par a el rizado; 4.- Regulador (o estabilizador ) lineal. este último no es imprescindible.
7.1.1 TRANSFORMADOR DE ENTRADA El tr asformador de entr ada reduce la tensión de red (gener almente 220 o 120 V) a otr a tensión mas adecuada par a ser tr atada. Solo es capaz de tr abajar con corrientes alternas. esto quiere decir que la tensión de entr ada será alterna y la de salida también. Consta de dos arrollamientos sobre un mismo núcleo de hierro, ambos arrollamientos, primario y secundario, son completamente independientes y la energía eléctrica se tr ansmite del primario al secundario en forma de energía magnética a tr avés del núcleo. el esquema de un tr ansformador simplificado es el siguiente:
La corriente que circula por el arrollamiento primario (el cual esta conectado a la red) gener a una circulación de corriente magnética por el núcleo del tr ansformador. Esta corriente magnética será mas fuerte cuantas mas espir as (vueltas) tenga el arroyamiento primario. Si acercas un imán a un tr ansformador en funcionamiento notarás que el imán vibr a, esto es debido a que la corriente magnética del núcleo es alterna, igual que la corriente por los arrollamientos del tr ansformador. En el arroyamiento secundario ocurre el proceso inver so, la corriente magnética que circula por el núcleo gener a una tensión que será tanto mayor cuanto mayor sea el número de espir as del secundario y cuanto mayor sea la corriente magnética que circula por el núcleo (la cual depende del numero de espir as del primario). 12
Por lo tanto, la tensión de salida depende de la tensión de entr ada y del número de espir as de primario y secundario. Como fórmula gener al se dice que: V1 = V2 * (N1/N2) Donde N1 y N2 son el número de espir as del primario y el del secundario respectivamente. Así por e jemplo podemos tener un tr ansformador con una relación de tr ansformación de 220V a 12V, no podemos saber cuantas espir as tiene el primario y cuantas el secundario pero si podemos conocer su relación de espir as: N1/N2 = V1/V2 N1/N2 = 220/12 = 18,33 Este dato es útil si queremos saber que tensión nos dará este mismo tr ansformador si lo conectamos a 120V en lugar de 220V, la tensión V2 que dará a 120V será: 120 = V2 * 18,33 V2 = 120/18,33 = 6,5 V Por el primario y el secundario pasan corrientes distintas, la relación de corrientes también depende de la relación de espir as pero al revés, de la siguiente forma: I2 = I1 * (N1/N2) Donde I1 e I2 son las corrientes de primario y secundario respectivamente. Esto nos sirve par a saber que corriente tiene que soportar el fusible que pongamos a la entr ada del tr ansformador , por e jemplo, supongamos que el tr ansformador anterior es de 0.4 Amperios. Esta corriente es la corriente máxima del secundario I2, pero nosotros queremos saber que corriente habrá en el primario (I1) par a poner allí el fusible. Entonces aplicamos la fórmula: I2 = I1 * (N1/N2) 0.4 = I1 * 18.33 I1 = 0.4 / 18.33 = 21,8 m A Par a asegur arnos de que el fusible no saltará cuando no debe se tomará un valor mayor que este, por lo menos un 30% mayor.
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Como e jercicio puedes calcular la tensión que tendr íamos si, con el tr ansformador anterior , nos equivocamos y conectamos a la red el lado que no es, cualquier a mete la mano ahí... (por si acaso no pruebe a hacer lo en la realidad ya que el aislamiento del secundario de los tr ansformadores no suelen estar prepar ados par a tensiones tan altas)
7.1.2 RECTIFICADOR A DIODOS El rectificador es el que se encarga de convertir la tensión alterna que sale del tr ansformador en tensión continua. Par a ello se utilizan diodos. Un diodo conduce cuando la tensión de su ánodo es mayor que la de su cátodo. Es como un interruptor que se abre y se cierr a según la tensión de sus terminales:
El rectificador se conecta después del tr ansformador , por lo tanto le entr a tensión alterna y tendrá que sacar tensión continua, es decir , un polo positivo y otro negativo:
La tensión Vi es alterna y senoidal, esto quiere decir que a veces es positiva y otr as negativa. En un osciloscopio ver íamos esto:
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La tensión máxima a la que llega Vi se le llama tensión de pico y en la gráfica figur a como Vmax. la tensión de pico no es lo mismo que la tensión eficaz pero estan relacionadas, Por e jemplo, si compr amos un tr ansformador de 6 voltios son 6 voltios eficaces, estamos hablando de Vi. Pero la tensión de pico Vmax vendrá dada por la ecuación: Vmax = Vi * 1,4142 Vmax = 6 * 1,4142 = 8,48 V Rectificador a un diodo Rectificador en puente El rectificador mas usado es el llamado rectificador en puente, su esquema es el siguiente:
Cuando Vi es positiva los diodos D2 y D3 conducen, siendo la salida Vo igual que la entr ada Vi
15
Cuando Vi es negativa los diodos D1 y D4 conducen, de tal forma que se invierte la tensión de entr ada Vi haciendo que la salida vuelva a ser positiva. El resultado es el siguiente:
Vemos en la figur a que todavía no hemos conseguido una tensión de salida demasiado estable, por ello, será necesario filtr ar la después. Es tan común usar este tipo de rectificadores que se venden ya prepar ados los cuatro diodos en un solo componente. Suele ser recomendable usar estos puentes rectificadores, ocupan menos que poner los cuatro diodos y par a corrientes gr andes vienen ya prepar ados par a ser montados en un r adiador. Este es el aspecto de la mayor ía de ellos:
Tienen cuatro terminales, dos par a la entr ada en alterna del tr ansformador , uno la salida positiva y otro la negativa o masa. Las marcas en el encapsulado suelen ser: ~ Par a las entr adas en alterna + Par a la salida positiva - Par a la salida negativa o masa. 16
Caída de tensión en los diodos: Cuando hablábamos de los diodos decíamos que er an como interruptores que se abren y se cierr an según la tensión de sus terminales. Esto no es del todo correcto, cuando un diodo está cerr ado tiene una caída de tensión de entre 0,7 voltios y 1 voltio, dependiendo de la corriente que este conduciendo esta caída puede ser mayor. Esto quiere decir que por cada diodo que este conduciendo en un momento determinado se "pierde" un voltio aproximadamente. En el rectificador de un diodo conduce solamente un diodo a la vez, por lo tanto la tensión de pico Vmax de la salida será un voltio inferior a la de la Vmax de entr ada. Por e jemplo: supón que tienes un tr ansformador de 6 V y quieres saber la tensión de pico que te queda cuando le pones un rectificador de un diodo, la tensión de salida de pico Vmax será la siguiente: Vmax = 6 * 1.4142 - 1 = 7,5 V En el rectificador en puente conducen siempre dos diodos a la vez, se dice que conducen dos a dos, por lo tanto la tensión de pico de la salida Vmax será dos voltios inferior a la Vmax de entr ada. Por e jemplo: supón el mismo tr ansformador de 6 voltios y quieres saber la tensión de pico que te queda al poner le un rectificador en puente, la tensión de salida de pico Vmax será la siguiente: Vmax = 6 * 1.4142 - 2 = 6,5 V Quizás te extr añe que el rectificador en puente sea el mas usado pese a que "pierde" mas voltios. Pero ten en cuenta que la forma de onda del rectificador con un diodo y el rectificador en puente no son iguales y al final acaba rindiendo mucho me jor el puente de diodos.
7.1.2 El FILTRO La tensión en la carga que se obtiene de un rectificador es en forma de pulsos. En un ciclo de salida completo, la tensión en la carga aunmenta de cero a un valor de pico, par a caer despues de nuevo a cero. Esta no es la clase de tensión continua que precisan la mayor parte de circuitos electrónicos. Lo que se necesita es una tensión constante, similar a la que produce una bater ía. Par a obtener este tipo de tensión rectificada en la carga es necesario emplear un filtro. El tipo mas común de filtro es el del condensador a la entr ada, en la mayor ía de los casos perfectamente válido. Sin embargo en algunos casos puede no ser suficiente y tendremos que echar mano de algunos componentes adicionales. 17
Filtro con condensador a la entr ada: Este es el filtro mas común y seguro que lo conocerás, basta con añadir un condensador en par alelo con la carga (RL), de esta forma:
Todo lo que digamos en este apartado será aplicable también en el caso de usar el filtro en un rectificador en puente. Cuando el diodo conduce el condensador se carga a la tensión de pico Vmax. Una vez rebasado el pico positivo el condensador se abre. ¿Por que? debido a que el condensador tiene una tensión Vmax entre sus extremos, como la tensión en el secundario del tr ansformador es un poco menor que Vmax el cátodo del diodo esta a mas tensión que el ánodo. Con el diodo ahor a abierto el condensador se descarga a tr avés de la carga. Dur ante este tiempo que el diodo no conduce el condensador tiene que "mantener el tipo" y hacer que la tensión en la carga no baje de Vmax. Esto es prácticamente imposible ya que al descargar se un condensador se reduce la tensión en sus extremos. Cuando la tensión de la fuente alcanza de nuevo su pico el diodo conduce brevemente recargando el condensador a la tensión de pico. En otr as palabr as, la tensión del condensador es aproximadamente igual a la tensión de pico del secundario del tr ansformador (hay que tener en cuenta la caída en el diodo). La tensión Vo quedará de la siguiente forma:
La tensión en la carga es ahor a casi una tensión ideal. Solo nos queda un pequeño rizado originado por la carga y descarga del condensador. Par a reducir este rizado podemos optar por construir un rectificador en puente: el condensador se cargar ía el doble de veces en el mismo intervalo teniendo así menos tiempo par a descargar se, en consecuencia el rizado es menor y la tensión de salida es mas cercana a Vmax. 18
Otr a forma de reducir el rizado es poner un condensador mayor , pero siempre tenemos que tener cuidado en no pasarnos ya que un condensador demasiado gr ande origina problemas de conducción de corriente por el diodo y, por lo tanto, en el secundario del tr ansformador (la corriente que conduce el diodo es la misma que conduce el tr ansformador ). Efecto del condensador en la conducción del diodo: Como venimos diciendo hasta ahor a, el diodo solo conduce cuando el condensador se carga. Cuando el condensador se carga aumenta la tensión en la salida, y cuando se descarga disminuye, por ello podemos distinguir perfectamente en el gráfico cuando el diodo conduce y cuando no. En la siguiente figur a se ha representado la corriente que circula por el diodo, que es la misma que circula por el tr ansformador:
La corriente por el diodo es a pulsos, aquí mostr ados como rectángulos par a simplificar. Los pulsos tienen que aportar suficiente carga al condensador par a que pueda mantener la corriente de salida constante dur ante la no conducción del diodo. Esto quiere decir que el diodo tiene que conducir "de vez" todo lo que no puede conducir dur ante el resto del ciclo. Es muy normal, entonces, que tengamos una fuente de 1 Amperio y esos pulsos lleguen hasta 10 Amperios o mas. Esto no quiere decir que tengamos que poner un diodo de 10 amperios, Un 1N4001 aguanta 1 amperio de corriente media y pulsos de hasta 30 amperios. Si ponemos un condensador mayor reducimos el rizado, pero al hacer esto también reducimos el tiempo de conducción del diodo, Como la corriente media que pasa por los diodos será la misma (e igual a la corriente de carga) los pulsos de corriente se hacen mayores:
19
Y esto no solo afecta al diodo, al tr ansformador también, ya que a medida que los pulsos de corriente se hacen mas estrechos (y mas altos a su vez) la corriente eficaz aumenta. Si nos pasamos con el condensador podr íamos encontr arnos con que tenemos un tr ansformador de 0,5 A y no podemos suministr ar mas de 0,2 A a la carga (por poner un e jemplo). Valores recomendables par a el condensador en un RECTIFICADOR EN PUENTE: Si quieres ajustar el valor del condensador al menor posible esta fórmula te dará el valor del condensador par a que el rizado sea de un 10% de Vo (regla del 10%): C = (5 * I) / (f * Vmax) donde: C: Capacidad del condensador del filtro en f ar adios I: Corriente que suministr ará la fuente f: frecuencia de la red Vmax: tensión de pico de salida del puente (aproximadamente Vo) Si se quiere conseguir un rizado del 7% puedes multiplicar el resultado anterior por 1,4, y si quieres un rizado menor resulta mas recomendable que uses otro tipo de filtro o pongas un estabilizador. Ejemplo práctico: Se desea diseñar una fuente de alimentación par a un circuito que consume 150 m A a 12V. El rizado deberá ser inferior al 10%. Par a ello se dispone de un tr ansformador de 10 V y 2,5 VA y de un rectificador en puente. Elegir el valor del Condensador: 1.- Calculamos la corriente que es capaz de suministr ar el tr ansformador par a determinar si será suficiente, esta corriente tendrá que ser superior a la corriente que consume el circuito que vamos a alimentar 20
It = 2,5 / 10 = 250 m A Parece que sirve, como calcular lo resulta bastante mas complicado nos fiaremos de nuestr a intuición. Ten en cuenta siempre que el tr ansformador tiene que ser de mas corriente de la que quier as obtener en la carga. 2.- Calculamos la Vmax de salida del puente rectificador teniendo en cuenta la caída de tensión en los diodos (conducen dos a dos). Vmax = 10 * 1,4142 - 2 = 12,14 V Esta será aproximadamente la tensión de salida de la fuente. 3.- Calculamos el valor del condensador según la fórmula del 10%, la I es de 150 m A la f es 50 Hz en Europa y la Vmax es 12,14 V: C = (5 * 0,15) / (50 * 12,14) = 0,0012355 F C = 1235,5 µF tomaremos el valor mas aproximado por encima. Filtros Pasivos RC y LC: Con la regla del 10 por 100 se obtiene una tensión continua en la carga de aproximadamente el 10%. Antes de los años setenta se conectaban filtros pasivos entre el condensador del filtro y la carga par a reducir el rizado a menos del 1%. La intención er a obtener una tensión continua casi perfecta, similar a la que proporciona una pila. En la actualidad es muy r aro ver filtros pasivos en diseños de circuitos nuevos, es mas común usar circuitos estabilizadores de tensión. Sin embargo estos estabilizadores tienen sus limitaciones y es posible que no te quede mas remedio que usar un filtro pasivo. Filtro RC:
La figur a muestr a dos filtros RC entre el condensador de entr ada y la resistencia de carga. El rizado aparece en las resistencias en serie en lugar de hacer lo en la carga. Unos buenos valores par a las resistencias y los condensadores ser ían: 21
R = 6,8 O C = 1000 µF Con estos valores cada sección atenúa el rizado en un f actor de 10, puedes poner una, dos, tres secciones. No creo que necesites mas. La desventaja principal del filtro RC es la pérdida de tensión en cada resistencia. Esto quiere decir que el filtro RC es adecuado solamente par a cargas pequeñas. Es muy útil cuando tienes un circuito digital controlando relés, en ocasiones estos relés crean ruidos en la alimentación provocando el mal funcionamiento del circuito digital, con una sección de este filtro par a la alimentación digital queda solucionado el problema. La caída de tensión en cada resistencia viene dada por la ley de Ohm: V=I*R donde I es la corriente de salida de la fuente y R la resistencia en serie con la carga. Filtro LC:
Cuando la corriente por la carga es gr ande, los filtros LC de la figur a presentan una me jor a con respecto a los filtros RC. De nuevo, la idea es hacer que el rizado aparezca en los componentes en serie, las bobinas en este caso. Además, la caída de tensión continua en las bobinas es es mucho menos porque solo intervienen la resistencia de los arrollamientos. Los condensadores pueden ser de 1000 µF y las bobinas cuanto mas gr andes me jor. Normalmente estas últimas suelen ocupar casi tanto como el tr ansformador y, de hecho, parecen tr ansformadores, menos mal que con una sola sección ya podemos reducir el rizado hasta niveles bajísimos.
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7.1.3 El REGULADOR Un regulador o estabilizador es un circuito que se encarga de reducir el rizado y de proporcionar una tensión de salida de la tensión exacta que quer amos. En esta sección nos centr aremos en los reguladores integr ados de tres terminales que son los mas sencillos y bar atos que hay, en la mayor ía de los casos son la me jor opción. Este es el esquema de una fuente de alimentación regulada con uno de estos reguladores:
Si has seguido las explicaciones hasta ahor a no te costará tr abajo distinguir el tr ansformador , el puente rectificador y el filtro con condensador a la entr ada. Suele ser muy normal ajustar el condensador según la regla del 10% Es muy corriente encontr ar se con reguladores que reducen el rizado en 10000 veces (80 dB), esto significa que si usas la regla del 10% el rizado de salida será del 0.001%, es decir , inapreciable. Las ideas básicas de funcionamiento de un regulador de este tipo son: . La tensión entre los terminales Vout y GND es de un valor fi jo, no variable, que dependerá del modelo de regulador que se utilice. . La corriente que entr a o sale por el terminal GND es prácticamente nula y no se tiene en cuenta par a analizar el circuito de forma aproximada. Funciona simplemente como referencia par a el regulador. . La tensión de entr ada Vin deberá ser siempre unos 2 o 3 V superior a la de Vout par a asegur arnos el correcto funcionamiento.
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El valor de C puedes ajustar lo mediante la regla del 10%. Regulador ajustable LM317: Este regulador de tensión proporciona una tensión de salida variable sin mas que añadir una resistencia y un potenciómetro. Se puede usar el mismo esquema par a un regulador de la serie 78XX pero el LM317 tiene me jores car acter ísticas eléctricas. El aspecto es el mismo que los anteriores, pero este soporta 1,5 A. el esquema a seguir es el siguiente:
En este regulador , como es ajustable, al terminal GND se le llama ADJ, es lo mismo. La tensión entre los terminales Vout y ADJ es de 1,25 voltios, por lo tanto podemos calcular inmediatamente la corriente I1 que pasa por R1: 24
I1 = 1,25 / R1 Por otr a parte podemos calcular I2 como: I2 = (Vout - 1,25) / R2 Como la corriente que entr a por el terminal ADJ la consider amos despreciable toda la corriente I1 pasará por el potenciómetro R2. es decir: I1 = I2 1,25 / R1 = (Vout - 1,25) / R2 que despe jando Vout queda: Vout = 1,25 * (1 + R2/R1) Si consultas la ho ja de car acter ísticas del LM317 verás que la fórmula obtenida no es exactamente esta. Ello es debido a que tiene en cuenta la corriente del terminal ADJ. El error cometido con esta aproximación no es muy gr ande pero si quieres puedes usar la fórmula exacta. Observando la fórmula obtenida se pueden sacar algunas conclusiones: cuando ajustes el potenciómetro al valor mínimo (R2 = 0O) la tensión de salida será de 1,25 V. Cuando vayas aunmentando el valor del potenciómetro la tensión en la salida irá aumentando hasta que llegue al valor máximo del potenciómetro. Por lo tanto ya sabemos que podemos ajustar la salida desde 1,25 en adelante. En realidad el f abricante nos avisa que no pasemos de 30V. Cálculo de R1 y R2: Los valores de R1 y R2 dependerán de la tensión de salida máxima que quer amos obtener. Como solo disponemos de una ecuación par a calcular las 2 resistencias tendremos que dar un valor a una de ellas y calcularemos la otr a. Lo mas recomendable es dar un valor de 240O a R1 y despe jar de la última ecuación el valor de R2 (el potenciómetro). La ecuación queda de la siguiente maner a: R2 = (Vout - 1,25) * (R1/1,25) Por e jemplo:
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Queremos diseñar una fuente de alimentación variable de 1,25 a 12v. Ponemos que R1 = 240O. Solo tenemos que aplicar la última fórmula con Vout = 12 y obtenemos R2: R2 = (12 - 1,25) * (240 / 1,25) = 2064 O El valor mas próximo es el de 2 KO, ya tendr íamos diseñada la fuente de alimentación con un potenciómetro R2 de 2 KO y una resistencia R1 de 240 O. En teor ía podemos dar cualquier valor a R1 pero son preferibles valores entre 100O y 330O. Regulador Ajustable de potencia LM350:
El LM317 es muy útil par a conseguir tensiones variables, sin embargo no es capaz de suministr ar mas de 1,5 A a la carga. El LM350 es otro regulador variable que funciona exactamente igual que el LM317, con la diferencia de que este es capaz por si solo de suministr ar 3 A. Par a conseguir mas de 3 A podemos acudir al siguiente esquema que utiliza un tr ansistor de paso par a ampliar la corriente:
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En este circuito, la resistencia de 0,6 O se usa par a detectar la máxima corriente que pasará por el regulador. Cuando la corriente es menor de 1 A, la tensión en bornes de los 0,6 O es menor que 0,6 V y el tr ansistor está cortado. En este caso el regulador de tensión tr abaja solo. Cuando la corriente de carga es mayor de 1 A, la tensión en bornes de los 0,6 O es mayor de 0,6 V y el tr ansistor entr a en conducción. este tr ansistor exterior suministr a la corriente de carga extr a superior a 1 A. En definitiva, el regulador solamente conducirá una corriente poco superior a 1 A mientr as que el tr ansistor conducirá el resto, por ello podr íamos cambiar tr anquilamente en este circuito el LM350 por un LM317. La resistencia de 0,6 O será de 3 o 4 W dependiendo del tr ansistor empleado. Si montamos el circuito con un tr ansistor TIP32 podremos obtener 4 A, ya que el TIP32 soporta una corriente máxima de 3 A. Y si lo montamos con un MJ15016 podemos llegar hasta 16 A. Puedes usar cualquier otro tr ansistor de potencia PNP. Disipación de potencia en los reguladores: Cuando un regulador esta funcionando se calienta. Esto es debido a que parte de la potencia tomada del rectificador es disipada en el regulador. La potencia disipada depende de la corriente que se esté entregando a la carga y de la caída de tensión que haya en el regulador.
La figur a muestr a un regulador funcionando. La corriente que lo atr aviesa es la corriente de la carga IL. Recordemos también que par a que un regulador funcione correctamente la tensión de entr ada Vin tenia que ser mayor que la tensión de salida Vout. Por lo tanto la caída de tensión en el regulador Vr será: Vr = Vin - Vout Y la potencia disipada vendrá dada por la la siguiente ecuación: PD = Vr * IL
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Los reguladores que hemos visto son capaces de disipar una potencia de 2 o 3 W como mucho por si solos. Si se llega a esta potencia es necesario montar los sobre unos r adiadores adecuados, que serán mas gr andes cuanta mas potencia quer amos disipar. Par a evitar que la potencia disipada sea lo menor posible tendrás que procur ar que Vin no sea mucho mayor que Vout. Ejemplo 1: Tenemos una fuente de alimentación variable desde 1,25v a 15v y 0,5 A con un LM317. Como la tensión máxima de salida son 15v, la tensión de entr ada al regulador tendrá que ser de 18v mas o menos. Vamos a calcular la potencia que disipa el regulador cuando ajustamos la fuente a 15v, 4v y 2v En todos los casos la corriente de salida será 0,5 A. a 15v la caída de tensión en el regulador será de 18 - 15 = 3V, la corriente es 0,5 A luego: PD = 3 * 0,5 = 1,5 W a 4v la caída de tensión en el regulador será de 18 - 4 = 14v, la corriente es 0,5 A luego: PD = 14 * 0,5 = 7 W a 2v la caída de tensión en el regulador será de 18 - 2 = 16v, la corriente es 0,5 A luego: PD = 16 * 0,5 = 8 W Fíjate que hemos hecho los cálculos par a el me jor de los casos en el que nos hemos preocupado de que la tensión de entr ada al regulador no sea mas de la necesaria, aun así tenemos que poner un r adiador que pueda disipar poco mas de 8W. Es un r adiador bastante gr ande par a una fuente de medio amperio nada mas. Este es un problema que surge cuando queremos diseñar una fuente con un alto r ango de tensiones de salida. Prueba a hacer el cálculo par a una fuente variable hasta 30v y 1 A, salen mas de 30 W. Ejemplo 2: Queremos una fuente fi ja con una salida de 5V y 0.5 A, vamos a calcular la potencia que se disipa en el regulador usando un tr ansformador de 7 voltios y otro de 12 voltios.
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par a el tr ansformador de 7 voltios: La Vmax de salida del tr ansformador será 7 * 1,4142 = 9,9v descontando la caída en los diodos del puente serán 7,9v a la entr ada del regulador. Como la salida es de 5v la potencia disipada PD será: PD = (7,9 - 5) * 0,5 = 1,45 W par a el tr ansformador de 12 voltios: La Vmax de salida del tr ansformador será 12 * 1,4142 = 16,9v descontando la caída en los diodos del puente serán 14,9v a la entr ada del regulador. Como la salida es de 5v la potencia disipada PD será: PD = (14,9 - 5) * 0,5 = 4,95 W Con los dos tr ansformadores estar íamos consiguiendo una salida de 5v y 0,5 A, sin embargo, con el de 12V nos har ía f alta poner un r adiador en el regulador que nos podr íamos haber ahorr ado compr ando un tr ansformador de 7V.
8.
CRONOGRAMA DE TRABAJO 1 semestre 2011
Actividad Semanas
1
Febrero 2 3
4
1
Marzo 2 3
4
1
Abril 2 3
4
1
Mayo 2 3
4
1
Junio 2 3
4
Elaboracion Perfil TGI Presentacion del Perfil de TGI Revicion del Perfil Defensa del perfil de Trabajo de Grado Entrega perfil para elevar al Vicerctorado Elaboracion del Marco Teorico Presentacion del Marco Teorico Revicion por el Tribunal Defecsa del Marco Teorico Elaboracion del Marco Practico 1 parte Presenracion de Marco Practico 1parte Revicon por Tribunal Defensa del perfil de Marco Practico
9. RESULTADOS ESPERADOS En la elabor ación del proyecto se pretende reemplazar en control analógico de la fuente por un control digital, aplicando la teor ía aprendida en la parte del micro controlador.
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9.1
RESULTADOS DIRECTOS
Remplazando el potenciómetro lineal por uno digital se intenta obtener un sistema totalmente digital que sea fácil de manipular y efectivo a la hor a de la utilización del componente. Con el despliegue de información mediante un display LCD se pretende que estudiantes de nivel básico en electrónica tengan mayor seguridad en la realización de sus labor atorios y proyectos.
9.2
RESULTADOS INDIRECTOS
Analizando el control de voltaje se llego a la conclusión que un potenciómetro digital en nuestro país es casi imposible de conseguir , en el mercado interno no existe estos potenciómetros digitales que serian de la serie DS 2890, CAT5111, AD7376 etc. Por lo que se paso a realizar un potenciómetro con reles pero controlado digitalmente el cual funciona cortocircuitando resistencias independientes y grupales depende del código insertado en binario.
10. IMPACTO Con un sistema digital se tiende automatizar todo proceso que este su jeto al sistema del que dependa, en nuestro caso optimizar la realización de prácticas, labor atorios y proyectos en los que se requier a de la utilización de la fuente simétrica controlada digitalmente. Proporcionar seguridad a estudiantes o incluso a cualquier tipo de per sona que no tenga conocimientos de electrónica.
11. ESTRATEGIAS DE COMUNICACIÓN El siguiente proyecto se dará a conocer mediante la implementación del mismo, el cual se presentar a el día 15 de junio del 2011, ad judicando el perfil del proyecto, entregando al tutor que disponga de la información.
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12. PRESUPUESTO El presupuesto del proyecto se realiza con las siguientes consider aciones:
En el mercado de componentes electrónicos dentro del país es muy dif ícil de conseguir componentes, que en otros países son de los mas comunes. El precio en otros mercados, especialmente fuer a del país o incluso en diferentes departamentos puede variar. No se ad juntar an datasheets de componentes que sean demasiado comunes como capacitores, resistencias etc.
Se presenta el siguiente listado de componentes utilizados: 1.-2 resistencias de 5 Watts, 2 resistencias de 470k, 3 resistencias de 1k, 10 resistencias de 330. 2.- 2 capacitores de 470uF, 2 de 100 nF 3.-4 diodos 4006 de alta resistencia. 4.- 4 leds 5.- reguladores de voltaje: LM 317 y LM337. 6.- TIP 3055 y TIP 2955. 7.-fusible de 3 A. 8.- 8 tr ansistores BC548. 9.- 8 reles de 5v. 10.- teclado matricial de 4x4. 11.- PIC 16f877 y 16f84a. 12.- display LCD de dos filas. 13.- cooler 14.-tr anformador con toma intermedia de 15v, 15v de 4 A.
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