FUENTE DE ALIMENTACIÓN REGULADA DE 0 – 30 v
I.
Planteamiento del problema La mayoría de los aparatos electrónicos que tenemos, televisores, computadoras de escritorio, tablets, e infinidad de aparatos electrónicos se conectan a la red eléctrica a 220V de tensión en corriente alterna, pero estos aparatos funcionan en corriente continua y además a tensiones más bajas. Es por eso que siempre llevan una fuente de alimentación o también llamada fuente de poder. Podemos definir fuente de alimentación como aparato electrónico modificador de la electricidad que convierte la tensión alterna en una tensión continua. Remontándonos un poco en la historia describiremos que en la industria no se contaba con equipos eléctricos, luego se empezaron a introducir dispositivos eléctricos no muy sofisticados por lo que no eran muy sensibles a sobretensiones, luego llegaron los equipo más modernos que necesitaban de bajos voltajes y por lo tanto eran muy sensibles a sobretensiones, cambios bruscos o ruido en las tensiones de alimentación por lo que se ha iniciado la construcción de fuentes de alimentación que proporcionaran el voltaje suficiente de estos dispositivos y que garanticen la estabilidad de la tensión que ingresa al equipo. Hoy en día los equipos electrónicos, en su mayoría, funcionan con corriente continua, así, el dispositivo que convierte la corriente alterna a corriente continua, en los niveles requeridos por el circuito electrónico a alimentar, se llama fuente de alimentación. En resumen la función de una fuente de alimentación es convertir la tensión alterna en una tensión en una tensión continua.
FUENTE DE ALIMENTACIÓN
II.
III.
Objetivos Diseñar una fuente regulada de 0-30 a 3 Amperes para el uso de nuestros proyectos electrónicos. Diseñar en una placa PCB Conocimientos sobre cómo funciona cada dispositivo en la Fuente Regulada Soldar los componentes en la placa
Marco Referencial (cómo funciona el circuito) Sabiendo que la Corriente Alterna es unas veces positiva y otras veces negativa, lo primero que tiene que hacer la fuente de alimentación es mantener la polaridad, es decir rectificar la corriente ara que sea siempre positiva, como lo es en Corriente Continua.
Para esto debemos rectificarla mediante diodos. Para rectificar la corriente usamos lo que se llama circuito de media onda : pero según el esquema el diodo solo conduce cuando la tensión en A es positiva, cuando en el extremo de arriba o el punto A es negativa el diodo está polarizado inversamente y no conduce.
Según el circuito la V1 es Corriente Alterna, pero como el diodo solo conduce la corriente en el sentido positivo, la onda resultante de la tensión en la salida V2 será rectificada. Cuando en alterna hay ondas negativas el diodo no deja pasar la corriente.
Nota: Si hubiéramos conectado el diodo al revés obtendremos la onda negativa en lugar de la positiva.
Ya hemos rectificado la onda de Corriente Alterna, pero con este circuito estamos derrochando energía, ya que solo usamos la mitad de la onda completa, por eso para este proyecto es preciso decir que se usará el Rectificador de Onda Completa.
Cuando el punto A sea positivo respecto al B, el diodo “D1” queda polarizado directamente y conduce a través de R (flechas verdes), sale de R hacia “D3”, que también conduce por que estará polarizado directamente y se cierra el circuito por el punto B. Cuando el punto A sea negativo respecto al B, la corriente sale del punto B (flecha azul), circula por el diodo “D4” que está polarizado directamente y la corriente va RI. Al salir de RI pasa por el diodo “D2” cerrando el circuito por el punto A. Esta configuración de 4 diodos se llama Puente Rectificador Nota: Los puentes de diodos se pueden construir o comprar ya montados
Desde luego nuestra onda no es nada plana, es una corriente continua pulsante, por eso hay que convertirla en lo más plana posible para que sea auténticamente Corriente Continua y como de la mayoría de las que se usan. Un ejemplo de lo que puede hacer un Filtro de Onda Mediante un Condensador nos muestra la siguiente figura.
Tenemos un condensador en paralelo con una resistencia, alimentados por una Corriente Alterna (fijarse en la forma de ondas en el dibujo). En el instante inicial el condensador está descargado y la tensión de alimentación lo carga. Al cabo de un tiempo el condensador estará completamente cargado. Y.. ¿Qué pasa ahora?, ahora el condensador comienza a descargarse por RL, pero casi nada más empezar a descargarse, el generador de alterna lo detecta y empieza a cargar otra vez el condensador por lo tanto “El condensador nunca se descargará por completo”. La tensión en RL o de salida, al estar en paralelo con el condensador, será la misma que tenga el condensador, por eso la onda de la tensión de salida será la de la gráfica, una onda rectificada, de tal forma que solo tendrá la cresta de la onda.
Vemos como el condensador se carga pero justo en el momento en que la señal de tensión en el condensador llega a la máxima, el condensador se descarga sobre la salida, suministrando la tensión de salida el propio condensador.
Durante la carga o descarga del condensador, al estar en paralelo con RL, la señal de salida será igual a la del condensador, será la media onda de la cresta. El condensador está cargándose y descargándose constantemente (este ciclo se repite constantemente). Nota: si nos damos cuenta la señal de salida siempre será alta, sin embargo aun así existen unas pequeñas variaciones en la tensión que se obtiene llamadas “TENSIÓN DE RIZADO” El Factor de Rizado, es la medida de la cantidad en que se suaviza la onda. Además se llama tensión de rizado a la variación alterna de la tensión de salida después de rectificada. Esta tensión de rizado es debida a la carga y descarga de los condensadores. “Para evitar las tensiones de RIZADO se usa un ESTABILIZADOR”
Hasta ahora ya hemos configurado nuestra señal en Corriente Continua y bien plana. Vamos a montar esta última parte en el “Circuito con el rectificado de Onda Completa”:
Se ha añadido un transformador a la entrada para disminuir la tensión antes de llegar al circuito. En nuestro caso queremos poner una fuente de alimentación que trabaje a 30V, deberíamos poner un transformador de 220V a
30V en alterna y después del circuito con el rectificador, el filtro por condensador, y el estabilizador, para que esos 9VAC se conviertan en 9VCC.
Las etapas o bloques para construir nuestra fuente viene muy bien explicada en el siguiente esquema.
IV.
Marco teórico ¿Qué es una fuente de alimentación? En electrónica, una fuente de alimentación es un dispositivo que convierte la corriente alterna en una o varias corrientes, prácticamente continuas, que alimentan los distintos circuitos del aparato al que se conecta. Las fuentes de alimentación, para dispositivos electrónicos, pueden clasificarse básicamente como fuentes de alimentación lineales y conmutadas. Las lineales tienen un diseño simple, que puede llegar a ser más complejo cuanto mayor es la corriente que deben suministrar, sin embargo su regulación de tensión es poco eficiente. Una fuente conmutada, de la misma potencia que una lineal, será más pequeña y normalmente más eficiente pero será más compleja y por tanto más susceptible a averías. Entre las fuentes de alimentación alternas, tenemos aquellas en donde la potencia que se entrega esta siendo controlada por transistores, los cuales son controlados en fase para poder entregar la potencia requerida a la carga. Otro tipo de alimentación de fuentes alternas, catalogadas como especiales son aquellas en donde la frecuencia es variada, manteniendo la amplitud de la tensión logrando un efecto de fuente variable en casos como motores y transformadores de tensión. ¿Para qué sirve una fuente de alimentación? La electricidad que llega hasta nuestros hogares u oficinas es del tipo conocido como "corriente alterna" y es suministrada habitualmente con una tensión que suele ser de alrededor de 115 o 230 voltios. Este tipo de corriente no es en absoluto adecuada para alimentar equipos electrónicos, en dónde es necesario
trabajar con "corriente continua" y voltajes mucho más bajos... Por tanto, este dispositivo es el que se encarga de reducir el voltaje mediante un transformador y posteriormente convertir la corriente alterna en continua con un puente de diodos para finalmente filtrarla mediante condensadores o capacitores electrolíticos. ¿Qué componentes son necesarios para armar una fuente de poder de 30v? Un transformador de 220 a 24v: Los transformadores son dispositivos electromagnéticos que permiten partiendo de una tensión alterna, obtener otra tensión alterna mayor o menor que la anterior en la salida. Constan esencialmente de un circuito magnético cerrado sobre el que se arrollan dos bobinados. El bobinado donde se conecta la corriente de entrada se denomina primario, y el bobinado donde se conecta la carga útil, se denomina secundario. La corriente alterna que circula por el bobinado primario magnetiza el núcleo de forma alternativa. El bobinado secundario está atravesado por un flujo magnético variable formando una señal senoidal y esta variación genera una tensión alterna en el bobinado
Reguladores de voltaje LM317 y LM337: El LM317 es un regulador de tensión ajustable de tres terminales, capaz de suministrar en condiciones normales 1.5 A, en un rango que va desde 1,2 hasta 37 voltios. Para su empleo solo requiere dos resistores exteriores para conseguir el valor de salida. Dispone de protección por limitación de corriente y exceso de temperatura, siendo funcional la protección por sobrecarga, incluso si el terminal de regulación está desconectado. El LM337T es un regulador de tres terminales de voltaje negativo capaz de entregar 100 mA y un rango de salida de 1.2 a 37 volts. Requiere solo dos resistores para fijar la tensión de salida, además las regulaciones de línea y de carga son mejores que la de los reguladores fijos.
Puente de diodos a 1amp: En electrónica, un rectificador es el elemento que permite convertir la corriente alterna en corriente continua. Esto se realiza utilizando diodos rectificadores. Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases. El tipo más básico de rectificador es el rectificador monofásico de media onda, constituido por un único diodo entre la fuente de alimentación alterna y la carga.
1 potenciómetro y 1 resistencia: Un potenciómetro es un resistor cuyo valor de resistencia es variable. De esta manera, indirectamente, se puede controlar la intensidad de corriente que fluye por un circuito si se conecta en paralelo, o la diferencia de potencial al conectarlo en serie. Normalmente, los potenciómetros se utilizan en circuitos de poca corriente. Se le llama resistencia a la mayor o menor oposición que tienen los electrones para desplazarse a través de un conductor. La unidad de resistencia en el sistema internacional es el ohm, que se representa con la letra griega omega (Ω).
Capacitores electrolíticos: Se llama capacitor a un dispositivo que almacena carga eléctrica. El capacitor está formado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios. En su forma más sencilla, un capacitor está formado por dos placas metálicas o armaduras paralelas, de la misma superficie y encaradas, separadas por una lámina no conductora. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa. Por su parte, teniendo una de las placas cargada negativamente y la otra positivamente sus cargas son iguales y la carga neta del sistema es 0.
Fusible: se denomina fusible a un dispositivo, constituido por un soporte adecuado, un filamento o lámina de un metal de bajo punto de fusión que se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda cuando la intensidad de corriente supere, por un cortocircuito o un exceso de carga, un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores de la instalación con el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de otros elementos.
Fuente Cuando nos encaminamos al estudio de la electrónica, y comenzamos a realizar circuitos, es necesario alimentarlos con voltajes específicos. Cada vez que hacemos un proyecto tenemos que pensar en la fuente que lo alimentará. Por esta razón es indispensable tener en nuestro laboratorio una fuente regulada variable, que nos permita ajustar el voltaje para el circuito o proyecto que queremos probar. Presentamos una fuente regulada variable, que puede entregar voltajes; desde 1.2 voltios, hasta 30 voltios DC, con una corriente máxima de 3 amperios. Una fuente regulada, es la que puede mantener un voltaje estable en su salida, a pesar de las variaciones del voltaje en la entrada y la carga a la que es expuesta. Para esta fuente hemos utilizado el regulador variable LM317. Este regulador entrega una corriente de hasta 1,5 amperios y voltajes entre 1,2 voltios hasta 32 voltios. Es muy sencillo de montar y los componentes que lo acompañan son muy pocos. Solo requiere un potenciómetro y una resistencia, para ajustar el voltaje de salida, y en este caso un transistor, para aumentar el manejo de corriente. La línea de carga y la regulación es de mejor calidad que la de los reguladores fijos, por ser un integrado más moderno. Está protegido contra las limitaciones de corriente, exceso de temperatura y por sobrecarga, Así el
terminal de regulación esté desconectado. Como la fuente rectificadora está en la misma tarjeta, no necesita muchos condensadores. A este tipo de regulador se las llama flotante. Quiere decir que el regulador solo ve la diferencial entre la entrada y la salida del voltaje, Esto permite utilizarlos para regular alto voltaje, siempre y cuando no supere más de 30 voltios la diferencia entre entrada/salida. La función del puente de diodos es la de invertir todos los ciclos negativos a ciclos positivos, desapareciendo la tensión negativa. El puente entrega los ciclos positivos a través de la pata marcada con un (+), Y la pata de la esquina contraria, será tierra (GND) o negativo. El valor del puente de diodos, depende de los requerimientos del circuito que se piensa alimentar, en este caso es de 4 amperios. El puente va acompañado de un condensador que rectifica la corriente, que el puente de diodos entrega, pero que aún no ha convertido totalmente en corriente continua. El condensador se carga y no deja que la corriente baje a cero, manteniéndola en un mismo voltaje. El valor mínimo de este condensador es de 2200 microfaradios. Si el circuito es de alto consumo, le recomendamos usar un condensador de 4.700 microfaradios. El voltaje entre el terminal o pata de ajuste y la pata de salida es de 1.25 voltios. Esto está determinado internamente por el regulador y por la corriente que circula por la resistencia de 240 ohmios que interconecta la pata de ajuste y la salida. El potenciómetro hace un divisor de voltaje en conjunción con la resistencia de 240 ohmios y al variar esta resistencia, cambia el voltaje a la salida del regulador. El potenciómetro es de 5K y debe ser lineal. Como el regulador LM317 entrega 1 amperio en condiciones normales de trabajo y hasta 1.5 amperios forzando el regulador, hemos implementado un transistor de potencia, para aumentar el manejo de corriente a 3 amperios. Si desea manejar más corriente, puede colocar en paralelo cuantos transistores desee. Puede utilizar cualquier transistor NPN de potencia, como por ejemplo el 2SC3055, TIP3055, TIP35, 2SC5200 o el poderoso 2SC3858. Transformador Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico decorriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores. El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el
núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético.
Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.
Funcionamiento Este elemento eléctrico se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética, ya que si aplicamos una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, debido a la variación de la intensidad y sentido de la corriente alterna, se produce la inducción de un flujo magnético variable en el núcleo de hierro. Este flujo originará por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en el devanado secundario. La tensión en el devanado secundario dependerá directamente del número de espiras que tengan los devanados y de la tensión del devanado primario. Relación de Transformación La relación de transformación indica el aumento o decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, la relación entre la tensión de salida y la de entrada. La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) , según la ecuación:
La relación de transformación (m) de la tensión entre el bobinado primario y el bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión.
Donde: (Vp) es la tensión en el devanado primario o tensión de entrada, (Vs) es la tensión en el devanado secundario o tensión de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario o corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario o corriente de salida.
Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las pérdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores. Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario, al aplicar una tensión alterna de 220 voltios en el primario, se obtienen 23.000 voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de transformación. Ahora bien, como la potencia eléctrica aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario:
El producto de la diferencia de potencial por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 amperios, la del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte).
V.
Diseño (Qué hemos aplicado, como lo he hecho) Primero que todo hemos comprobado nuestra Fuente Regulada por medio de Proteus como se muestra en la parte inferior si el proyecto era dable o no.
Al haber comprobado por medio de Proteus que nuestro proyecto funciona satisfactoriamente decidí diseñarla en ARES como se muestra en la foto inferior..
Una vez acabada mi PLACA VIRTUAL en ARES la pasé a mostrar en vista 3D y cómo quedaría en vista REAL. Vista por arriba con los componentes que van y vista por abajo guiado de las pistas.
Una vez hecha mi placa virtual y habiendo verificado que todo esté correctamente en el protoboard como se muestra en la figura siguiente
Pasamos a los siguientes pasos de planchar el papel sobre la placa por aproximadamente 7 minutos y luego introducirlo en el agua
Pasado los 7 minutos sacar el papel cuidadosamente y quedando de la siguiente manera
Ahora pasé a ponerlo en una vasija con ÁCIDO FÉRRICO y moviendo seguidamente por unos 7 u 8 minutos hasta que carcoma la mayoría del cobre
Como lo puse en conclusiones:, yo no le pasé ni acetona ni alcohol isopropilíco, yo usé una lija para madera la más fina posible para que quede así:
NOTA: OBSERVAMOS PARTES DE COBRE A LOS COSTADOS PERO ESO SERÁ CORTADO PARA QUE SOLAMENTE QUEDE LA PARTE RECTANGULAR.
Una vez soldado así quedaría nuestra fuente
VI.
Conclusiones y recomendaciones
El proyecto regulable es de gran importancia pues para todo proyecto en electrónica es imprescindible una fuente de alimentación y la fuente realizada además de ser útil tuvo un costo económico razonable
El uso de placas o circuitos impresos nos facilita la tarea de integrar los componentes del circuito además de asegurarlos pues los mismos ya son soldados a la placa, además de que se pueden corregir simplemente extrayendo el componente malogrado.
El circuito armado es el esquena base para cualquier tipo de fuente al mismo solo se le harían unas cuantas variaciones para poder armos otras fuentes de 2, 3,5 A.
Planchar el papel junto al PCB por aproximadamente 10 minutos y al pasarlo al ácido férrico moverlo constantemente por al menos 7 u 8 minutos.
Al hacer el planchado de la PLACA para pasar el papel a la placa, hay que pasarle sobre todo por los filos de la placa, muy fuerte ya que estas son las que llegan a fallar y no pegan completamente.
Si en caso no haya pegado todo el tóner y las pistas estén cortadas, pasarles un plumón indeleble.
He notado que en los tutoriales dicen pasarle ACETONA o ALCOHOL ISOPROPÍLICO, yo he usado ambos y no son tan efectivos como una lija para madera, ya que con el ALCOHOL O ACETONA tienes que aplastar fuerte y mover, con la lija ligeramente y va saliendo el toner, yo recomendaría usar LIJA PARA MADERA.
Al hacer el uso del ácido férrico y esté no haya terminado de comer el cobre por completo y esté unido con las pistas, con el uso del CUTTER separar las pistas.
Al soldar darse cuenta de que ninguna pista esté unida con una pista junto a ella, dado que me pasó que el estaño lo uní a las patas 2 y 3 del primer transistor y me fue incómodo limpiarla.
