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PROYECTO DE LABORATORIO No2. Fuente de tensión dual regulada. Julián Cifuentes, Verónica Jiménez, Paula Andrea Osorio. Universidad Autónoma de Occidente, Facultad de Ingeniería. Santiago de Cali, Colombia. [email protected] [email protected] [email protected]

Resumen – El actual laboratorio se realiza con el objetivo de diseñar, simular e implementar una fuente dual que regule voltaje entre 1 y 30 volts en un circuito con configuración de puente de diodos integrado. Anteriormente se trabajaba con los transformadores ubicados en el laboratorio de electrónica, en el presente se trabaja con la salida de las conexiones de la universidad a 110Vrms por lo que se requiere un trasformador propio. Para su realización se llevaron a cabo los cálculos y las simulaciones pertinentes a través de Pspice.

El regulador LM337 se usa para regular la tensión para la parte negativa de la fuente, además se deben en cuenta la configuración de los terminales

INTRODUCCION Para realizar una fuente dual de voltaje, es necesario conocer los datasheets de los elementos que se pretenden usar para el montaje de la misma, ya que estos brindan información de gran importancia para el cálculo y uso de valores de condensadores y resistencias. Uno de los reguladores de voltaje utilizado es el LM317, el máximo de corriente que puede suministrar es de 1.5A, otra ventaja que sin duda tiene es que el circuito simple, es decir, tras el puente de diodos y un condensador de filtro o cuando la corriente suministrada ya ha sido rectificada antes, ocupa el espacio de un pulgar, eso sí, hay que prestar atención a disipar correctamente el calor que genera.

Figura 2. Información terminales regulador LM337, circuito típico usado Teniendo en cuenta el valor de salida del voltaje se pueden calcular los componentes presentes en el circuito para garantizar la salida positiva y negativa de voltaje y el valor de la corriente, uno de los circuitos básicos utilizados para el montaje de la fuente regulada es la que se muestra en la figura 3.

Otra consideración importante en el uso del regulador LM317 es la forma en que van conectados los terminales al circuito.

Figura 3. Circuito básico de una fuente regulada con salida de voltaje de 20V Figura 1. Información terminales regulador LM317, circuito simple para el uso de este La importancia de la fuente dual que incluye el LM317 y el LM337, es permitir un arreglo dual para obtener voltajes regulados positivos y también negativos. Indispensable para el diseño de circuitos de amplificadores operacionales y otros circuitos integrados que requieran doble alimentación

Un potenciómetro es un componente electrónico similar a los resistores pero cuyo valor de resistencia en vez de ser fijo es variable, permitiendo controlar la intensidad de corriente a lo largo de un circuito conectándolo en paralelo ó la caída de tensión al conectarlo en serie. Un potenciómetro es un elemento muy similar a un reóstato, la diferencia es que este último disipa más potencia y es utilizado para circuitos de mayor corriente.

regulador negativo LM337 de 3 amperios. Funcionamiento del Circuito El transformador es reductor por lo que entrega 24 voltios simétricos, este voltaje se lleva a un puente de diodos rectificadores y luego pasa por los condensadores de 2200uF que forman el circuito de rizado encargándose de suavizar la señal

Figura 4. Componentes del potenciómetro Los disipadores de calor son unos elementos complementarios que se usan para aumentar la evacuación de calor del componente al que se le coloque hacia el aire que lo rodea. Esto trae como consecuencia que se reduce la temperatura de trabajo del componente ya que la cantidad de calor que se acumula en él es menor que sin disipador. REQUERIMIENTOS

Los componentes siguientes conforman la etapa de regulación y se encargan de eliminar al máximo el voltaje de rizado y de establecer entonces el valor a la salida. Los condensadores de 1uF tienen una función primordial de minimizar el rizado restante El voltaje a la salida se puede ajustar por medio de los potenciómetros de 5K y los diodos en paralelo a los reguladores LM protegen este circuito integrado cuando los bornes de la salida se ponen en corto. En la figura 5 se muestra la configuración del circuito.

Para diseñar, simular e implementar la fuente de tensión dual regulada para un circuito de onda completa en puente de diodos, se requiere que el voltaje de salida esté entre 1 y 30 volts, que el circuito se alimente directamente desde las conexiones eléctricas universitarias a 110 Vrms y de un transformador con tap central 24-0-24. Para la regulación de la tensión en positivo y negativo se conecta el arreglo de reguladores LM317t y LM337 respectivamente y a su salida un diodo LED que indique la presencia de tensión regulada, y se ubican condensadores para realizar un filtro adecuado. Los elementos electrónicos utilizados para realizar la implementación fueron: Transformador de 120VAC/24VAC con derivación central. Puente de diodos integrado Diodos rectificadores: D1N4007 Capacitores (filtros). Reguladores de tensión LM317T y LM337 Diodo LED: blanco a 20mA. Resistencias de carga (reóstato) Potenciómetros de 5K MARCO TEÓRICO Con el actual circuito se puede construir una fuente de tensión variable como su palabra lo indica, podrá obtener valores de voltaje entre 1 y 30 voltios.

Figura 5. Configuración circuito de fuente dual y regulador de voltaje. [1] DESARROLLO DE CONTENIDO

El análisis teórico realizado para la configuración del circuito ya mencionado se realizó a partir de las ecuaciones planteadas para cada proceso. Con la relación del transformador planteada para cada configuración y la tensión en el arrollamiento primario, se calcula la tensión en el secundario del transformador.

V s=

N2 V N 1 pr

Que la fuente sea regulable indica que puede mantener un valor de voltaje estable en la salida del circuito ante las variaciones de tensión a la entrada y las condiciones de la carga que se conecte a su salida

La tensión pico del secundario se obtiene así.

La regulación se hace a través de los circuitos integrados LM317 y LM337 que pueden manejar corrientes de hasta 1 Amperio. Para corrientes mayores se pueden utilizar el regulador positivo LM350 o LM338 de 3 y 5 amperios y el

Hay que tener en cuenta que este valor de tensión va tanto para el arreglo positivo como para el negativo.

V p=24 V RMS∗ √2

Con esta tensión pico es posible determinar la tensión pico rectificada.

V prect =V p −Vdiodos

C

El nivel de tensión directa entregada por el rectificador y el filtro es:

V V DC =V p rect − rpp 2

Los diferentes valores de las resistencias se hallan de la siguiente manera, sabiendo que la corriente de salida ideal es de 1 A y el voltaje de salida ideal es de 30 volts. Para determinar las condiciones en la parte de la carga, específicamente en el diodo Led, se usan las caracterísitcas específicas dependiendo del Led a usar:

R Led =

∆V I out

El valor de la resistencia de la carga se obtiene mediante la siguiente relación.

R L=

I out

Vout I out

Led

R Led Vout sin carga Vout con carga

2200 μf blanco

1.4 K Ω 30.12v 31.15v

Tabla 1. Base teórica completa de cálculos para la realización de simulaciones y montajes posteriores. Teniendo éstos resultados se procede a realizar las simulaciones pertinentes para cada configuración, para realizar un informe detallado del proceso para la obtención de los datos se anexará el avance en cuanto a proceso, simulación y medición se refiere. (VERIFICABLE EN ANEXOS) Luego de realizar el análisis teórico se procede a realizar el montaje con los valores mas cercanos a los antes mencionados. En la imagen 1 se muestra el circuito montado.

Luego de obtener el valor de la carga se opta por hallar la potencia necesaria por medio de P=V*I obteniendo de este modo una potencia de 30W. Teniendo ésta base teórica, se procede a realizar el cálculo para cada una de las configuraciones de circuito. Configuración Puente- Onda Completa - Tap Central, Variables ONDA COMPLETA - Puente Frecuenci 60 H Z a

Vs

24 V RMS

Vp

16.97 V

V prect

33.54 V

%r

10

V rpp

3.29V

V DC

30.9V

RL

30 Ω

Sin carga Iout Con carga:

1A 1.12 A

Imagen 1. Montaje de fuente dual con reguladores LM317t y LM337 En la anterior imagen se aprecia el circuito ya terminado con los valores de los elementos estimados en los cálculos, se procede a comprobar los valores de salida de voltaje y de corriente, ya que estos reguladores soportan un máximo de 1A, se les pone un disipador de potencia para evitar cualquier daño en el circuito. Luego se lleva a cabo el montaje en PCB. En la imagen 2 se muestra la plaqueta PCB finalizada.

de amplificadores operacionales y otros circuitos integrados que requieran doble alimentación. 

Con respecto a los disipadores de calor, se pudo corroborar que efectivamente éstos cumplen una función muy importante en el circuito ya que equilibran al regulador con la finalidad de que no sufra ruptura, el calor pasa al disipador permitiendo que el regulador cumpla con su función a cabalidad.



Se logró identificar que a mayor tamaño de disipador, mayor es el calor que logra disipar permitiendo que el circuito se mantenga en funcionamiento durante mucho más tiempo sin sufrir daños.



En la experimentación se logró evidenciar claramente la función de los reguladores LM317 y LM337, ya que debido a una mala conexión y como los reguladores mencionados soportan máximo 1.5 amperios éstos no sufrían de ruptura externa pero si interna y al momento de variar el voltaje a través del potenciómetro éstos no cambiaban, al cambiar los reguladores por unos nuevos y verificar las conexiones en la configuración, el potenciómetro varió perfectamente.



Dentro de las aplicaciones que se diferencian para los reguladores de voltaje, está en los circuitos de instrumentación ya que estos por lo general necesitan corrientes muy pequeñas y por esto las fuentes de poder se pueden colocar dentro de un instrumento. Los dispositivos que han hecho posible esto son los reguladores de voltaje de circuito integrado como el LM317.



Es de suma importancia en el cálculo teórico conocer las especificaciones técnicas (datasheets) de los elementos que se pretenden usar para la configuración del circuito mismo ya que a partir de éstos datos se establecen limitaciones de corriente entrante y demás, como en el caso de los reguladores LM317 y LM337, a simple vista son iguales, sin embargo su aplicación en la configuración varía y una incorrecta conexión de ellos arriesgaría el circuito completo. La mayoría de éstos son de uso muy sencillo y están bien documentados por sus fabricantes.

Imagen 2. Montaje final en plaqueta PCB, del circuito. Ya que los valores de salida del voltaje y la corriente varían dependiendo de la carga se hace una tabla comparativa de valores. Comparacion Vout Iout Con carga Sin carga

I out

1.11

1.04

V out

30,8 30.3 Tabla 2. Relación de datos obtenidos dependiendo de la carga. Las posibles causas de error con respecto a esto se deben a la variabilidad de la corriente de entrada y a los cálculos teóricos, por ejemplo se plantean 24Vrms cuando en realidad entraba 24,8Vrms y en la parte teórica, los cálculos son estimaciones de los reales y por tanto se procura que los valores sean lo más cercano posible a los encontrados teóricamente sin embargo no siempre son precisos. En lo anterior se pudo corroborar que los valores obtenidos son aproximados a los deseados en el laboratorio. El desfase se debe a las pequeñas alteraciones en el voltaje estimado y por lo tanto en la corriente, esto surge desde el transformador, ya que no sacaba el voltaje que se esperaba. De lo contrario se hubiese podido conseguir mayor precisión en los valores obtenidos. A través de las simulaciones para la configuración, se observó de manera muy sencilla y entendible el voltaje de salida que regulaba el circuito por medio de sus diferentes fases. Con esto se comprueban los datos obtenidos tanto teóricamente como experimentalmente. CONCLUSIONES. 

La práctica realizada es un arreglo dual para obtener voltajes regulados positivos y negativos, éstos son indispensables en el diseño de circuitos

REFERENCIAS [1] Malony, Timothy J. “Electrónica industrial moderna” 5ta edición, México. PEARSON EDUCACIÓN 2006. [2] Estudio Electrónica, Ingeniería eléctrica y proyectos PICmicro. “Fuente de poder dual variable”. Ciudad de México Disponible el día 28 de Marzo de 2014. Enlace: http://www.electronicaestudio.com/docs/fd30catalogo.pdf

[3] Rodriguez, Francisco, J. Pedroza, Alexis. Olmos Casanova, Dirseo. “Fuente dual variable de voltaje”. SENA. Centro de electricidad y automatización industrial “CEAI”. Santiago de Cali. 2010. Publicado por Alexis Pedroza. Disponible el día 28 de Marzo de 2014. Enlace: http://es.scribd.com/doc/50244260/Fuente-de-Dual-Variable-deVoltaje [4] Texas Instruments Incorporated, 1999-2013. “LM317/LM337 – N3- Terminal Adjustable Negative Regulators”. Revisado en Abril del 2013. Disponible el día 28 de Marzo de 2014. Enlace: http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/lm137.pdf [5] Electrónica en casa, en el sonido e industrial. “LM317Regulador de voltaje variable”. Publicado en Agosto 27 de 2013.

Disponible el día 28 de Marzo de 2014. http://electronicaengeneral.wordpress.com/tag/lm317/

Enlace:

[6] Bertuccio Alberto,”Cálculo de disipadores de calor”. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica. Materia 66.10, Circuitos Electrónicos II. Disponible el día 28 de Marzo de 2014. Enlace: http://materias.fi.uba.ar/6610/Apuntes/Calculo%20de %20disipadores%20de%20calor.pdf [7] Stanley Wolf, Richard F.M. Smith, Pearson Education. “Guía para mediciones electrónicas y prácticas de laboratorio”. Pags: 366-373.

ANEXO 1: Circuito fuente de tensión dual variable con sus diferentes elementos

Imagen 3. Circuito original. Descripción progresiva de los datos obtenidos en la práctica para la configuración del circuito de fuente dual.

Imagen 4. Simulación con valores teóricos.

Imagen 5. Simulación en Pspice para la salida de voltaje estimado.