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• Jorge Morocho

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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA PRACTICA 2

TEMA: FUENTE DE CC ESTABILIZADA DUAL. OBJETIVOS:  Diseñar una fuente de CC estabilizada que entregue 2 salidas de voltaje: una fija y una variable.  Comprobar el funcionamiento de la fuente diseñada.  Investigar y entender el funcionamiento general de una fuente conmutada. MATERIALES:        

Transformador 110/12 VCA 1A Cable multipar Sonda de interfaz para el osciloscopio Project board Diodos 1A, 100V Resistencias (a definir según diseño) Multimetro, osciloscopio. … (completar la tabla de materiales según diseño, punto 2)

MARCO TEORICO. La CC pulsante obtenida hasta ahora con los diferentes circuitos de rectificación monofásica, resulta inaplicable a la mayoría de circuitos electrónicos. Las tarjetas electrónicas necesitan una CC pura (como la de una batería de acumuladores). Por lo que a los circuitos anteriores es necesario incluirles otros dispositivos electrónicos que filtren y estabilicen la tensión hasta obtener una CC pura. El diagrama en bloques de una fuente de CC pura puede ser el siguiente:

Transformador CA

Rectificación

Filtro

Estabilización

Carga CC Pura

El voltaje a la salida puede ser fijo positivo, fijo negativo o variable en un cierto rango; existen chips analógicos que se especializan en estos resultados últimos y son muy utilizados en las fuentes de CC estabilizadas.

1. Fuentes conmutadas Una fuente conmutada es un dispositivo electrónico que transforma energía eléctrica mediante transistores en conmutación. Mientras que un regulador de tensión utiliza transistores polarizados en su región activa de amplificación, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutándolos activamente a altas frecuencias (20-100 kilociclos típicamente) entre corte (abiertos) y saturación (cerrados). La forma de onda cuadrada resultante es aplicada a transformadores con núcleo de ferrita (los núcleos de hierro no son adecuados para estas altas frecuencias porque tienen muchas pérdidas debido a corrientes de Foucault y sobre todo por las grandes pérdidas por histéresis; hay que recordar que una curva de saturación normal de acero cocido corresponde a un material con característica dura y alta densidad de flujo) para obtener uno o varios voltajes de salida de corriente alterna (CA) que luego son rectificados (con diodos rápidos) y filtrados (inductores y condensadores) para obtener los voltajes de salida de corriente continua (CC). ELECTRONICA AD 2016

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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Las ventajas de este método incluyen menor tamaño y peso del núcleo, mayor eficiencia y por lo tanto menor calentamiento. Las desventajas comparándolas con fuentes lineales es que son más complejas y generan ruido eléctrico de alta frecuencia que debe ser cuidadosamente minimizado para no causar interferencias a equipos próximos a estas fuentes [1] Clasificación Las fuentes conmutadas pueden ser clasificadas en cuatro tipos: alimentación CA, salida CC: rectificador, conmutador, transformador, rectificador de salida, filtro. (Ej.: fuente de alimentación de ordenador de mesa) alimentación CA, salida CA: variador de frecuencia, conversor de frecuencia. (Ej.: variador de motor) alimentación CC, salida CA: inversor (Ej.: generar 220 v/50 ciclos a partir de una batería de 12 v) alimentación CC, salida CC: conversor de voltaje o de corriente. [2] (Ej.: cargador de baterías de celulares para auto Cómo funciona una fuente de alimentación conmutada Para entender el funcionamiento de una fuente conmutada, debemos separarla en bloques, y analizarlos paso a paso. De momento vamos a resumirlos, para ir profundizando en los siguientes artículos. Existen muchos tipos distintos de fuentes, y sería imposible explicar los detalles de cada uno. Por eso, he creído que lo más conveniente es centrarnos en los sistemas más comunes.

Figura 1 Circuito referencial de una fuente conmutada [3]

Filtro EMC. Su función es absorber los problemas eléctricos de la red, como ruidos, armónicos, transitorios, etc. También evita que la propia fuente envíe interferencias a la red. Puente rectificador. Solo deja pasar la corriente en un sentido, de modo que convierte la corriente alterna en corriente pulsante, es decir que oscila igual que la corriente alterna, aunque únicamente en un sentido. Corrector del factor de potencia. En determinadas circunstancias, la corriente se desfasa respecto a la tensión, lo que provoca que no se aproveche toda la potencia de la red. Puedes ver una explicación completa en este artículo de Xavi Ventura. El corrector se encarga de solventar este problema. Condensador. Amortigua la corriente pulsante para convertirla en corriente continua con un valor estable. Transistor. Se encarga de cortar y activar el paso de la corriente. De este modo se convierte a la corriente continua en corriente pulsante. Controlador. Activa y desactiva el transistor. Esta parte del circuito suele tener varias funciones, como protección contra cortocircuitos, sobrecargas, sobretensiones… También controla al circuito de corrección del factor de potencia. Además, mide la tensión de salida de la fuente, y modifica la señal entregada al transistor, para regular la tensión y mantener estable la salida. Transformador. Reduce la tensión, y además aísla físicamente la entrada de la salida. Diodo. Convierte la corriente alterna del transformador a corriente pulsante. Filtro. Convierte la corriente pulsante en continua. ELECTRONICA AD 2016

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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Optoacoplador. Enlaza la salida de la fuente con el circuito de control, pero manteniéndolos físicamente separados.[3]

2. Características del Lm317 El LM317 es un regulador de tensión positivocon sólo 3 terminales y con un rango de tensiones de salida desde los 1.25 hasta 37 voltios. Las patillas son: Entrada (IN), Salida (OUT), Ajuste (ADJ). Para lograr esta variación de tensión sólo se necesita de 2 resistencias externas (una de ellas es una resistencia variable). Entre sus principales características se encuentra la limitación de corriente y la protección térmica contra sobrecargas. La tensión entre la patilla ADJ y OUT es siempre de 1.25 voltios (tensión establecida internamente por el regulador) y en consecuencia la corriente que circula por la resistencia R1 es: IR1 = V / R1 = 1.25/R1. Esta misma corriente es la que circula por la resistencia R2. Entonces la tensión en R2: VR2 = IR1 x R2. Si se sustituye IR1 en la última fórmula se obtiene la siguiente ecuación: VR2 = 1.25 x R2 / R1. (Widlar, 1967) Como la tensión de salida es:  Vout = VR1 + VR2, entonces: Vout = 1.25 V. + (1.25 x R2/R1)V. Simplificando (factor común)  Vout = 1.25 V (1 + R2/R1) V. De esta última fórmula se ve claramente que si modifica R2 (resistencia variable), se modifica la tensión Vout. En la fórmula anterior se ha despreciado la corriente (IADJ) que circula entre la patilla de ajuste (ADJ) y la union de R1 y R2.

Figura 2 (National Semiconductor Linear Data Book, 1972, 1976. )

Esta corriente se puede despreciar, tiene un valor máximo de 100 uA y permanece constante con la variación de la carga y/o de la tensión de entrada. Para mejorar la regulación el resistor R1 se debe colocar lo más cercano posible al regulador, mientras que el terminal que se conecta a tierra del resistor R2 debe estar lo más cercano posible a la conexión de tierra de la carga. (Analog Device, 1975)

3. Regulador 78xx 78xx es la denominación de una popular familia de reguladores de tensión positiva. Es un componente ELECTRONICA AD 2016

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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA común en muchas fuentes de alimentación. Tienen tres terminales (voltaje de entrada, masa y voltaje de salida) y especificaciones similares que sólo difieren en la tensión de salida suministrada o en la intensidad. La intensidad máxima depende del código intercalado tras los dos primeros dígitos. (Walraven, 2003)

Figura 3 (Walraven, 2003)

3.1.

Características

Por ejemplo, el 7805 entrega 5V de corriente continua. El encapsulado en el que usualmente se lo utiliza es el TO220, aunque también se lo encuentra en encapsulados pequeños de montaje superficial y en encapsulados grandes y metálicos como el TO3. La tensión de alimentación debe ser un poco más de 2 voltios superior a la tensión que entrega el regulador y menor a 35V. Usualmente, el modelo estándar (TO220) soportacorrientes de hasta 1 A aunque hay diversos modelos en el mercado con corrientes que van desde los 0,1A. El dispositivo posee como protección un limitador de corriente por cortocircuito, y además, otro limitador por temperatura que puede reducir el nivel de corriente. Estos integrados son fabricados por numerosas compañías, entre las que se encuentran National Semiconductor, Fairchild Semiconductor y ST Microelectronics. El ejemplar más conocido de esta serie de reguladores es el 7805, al proveer 5V lo hace sumamente útil para alimentar dispositivos TTL. (Elektor)

3.2.

Especificaciones

Las características estándar de los principales modelos son las encontradas en la siguiente tabla. 7803 7833 7805 7806 7808 7809 7810 7812 7815 7818 7824 Vout

3V

3,3V

6V

8V

9V

10V

2,2V 30V

Vin - Vout Temperatura de operación

5V

000125 °C 125 °C 125 °C

Imax de salida 1A

1A

1A

12V

15V

18V

24V

1A

1A

2,5V 2,6V - 23V 20V 00125 °C 125 °C 1A 1A 1A Tabla 1 : (Elektor)

0125 °C 1A

1A

1A

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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA La serie 78TXX soporta una corriente de hasta 3A y la serie 78MXX soporta solo hasta 0.5ª

4. Condesador Un condensador eléctrico (también conocido frecuentemente con el anglicismo capacitor, proveniente del nombre equivalente en inglés) es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico.1 2 Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación deinfluencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por el vacío3 . Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total. (Atienza, 2012)

5. Funcionamiento La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de potencial entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a unadiferencia de potencial de 1 voltio, estas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio. La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en micro- µF = 10-6, nano- nF = 10-9 o pico- pF = 10-12 faradios. Los condensadores obtenidos a partir de supercondensadores (EDLC) son la excepción. Están hechos de carbón activado para conseguir una gran área relativa y tienen una separación molecular entre las "placas". Así se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una capacidad de 1/3 de faradio, haciendo innecesaria la pila. También se está utilizando en los prototipos deautomóviles eléctricos. (Montaje de componentes y periféricos microinformáticos)

Figura 4 (Montaje de componentes y periféricos microinformáticos)

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PROCEDIMIENTO Lista de materiales dimensionados para la fuente estabilizada dual: MATERIAL

CARACTERISTICAS (código) 1A, 100v, 1N4004, Silicio. 100µF, 50v, electrolítico 1µF, 50v, electrolítico 47nF, 50v, poliéster Verdes, 1.8V 1.5 A 1A 22Ω, 1/4 W 100Ω, 1/2W 1k Ω, 1/2W

6 Diodos 5 condensadores 1 condensador 1 condensador 2 leds Lm317T T7805 4 resistencias 1 resistencia 2 resistencias

6. Mediciones a vacío de fuente variable y fija. Voltaje en el secundario.

Figura 5 medición del voltaje ac en el secundario.

Voltaje en la salida del 7805

Figura 6 Voltaje cd en la salida del 7805

Voltaje en lm317 máximo y mínimo.

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Figura 7 Voltaje cd en la salida del lm317 con diferentes voltajes.

7. Mediciones con carga de fuente variable y fija. RC(Ω) 44 66 88 122 144

SALIDA 1 (fuente fija) Vs (V) I salida (mA) 5,17 0,12 5,18 74,1 5,20 56,4 5,22 41,3 5,29 35,9

SALIDA 2 (Pruébela con varios valores Vs) RC(Ω) Vs (V) I de salida (mA) 2200 8 3,67 2200 7 3,21 2200 6 2,76 2200 4,99 2,18 2200 3,96 1,81

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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Voltaje en el secundario

Figura 8 Onda a la salida del secundario del transformador.

Voltaje en el condensador filtro, antes de la estabilización.

Figura 10 Escala del eje x de la figura 9 Figura 9 Voltaje de cd en la entrada del regulador.

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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Voltaje en las diferentes salidas. (en la salida variable visualice el máximo y el mínimo)

Fuente Fija

Figura 12 escala del eje y de la figura 11. Figura 11 voltaje cd en la salida del 7805.

Fuente variable

Figura 14 Escala del eje y de la figura 13. Figura 13 Voltaje mínimo del regulador del lm317

Figura 16 Escala de la figura 15. Figura 15

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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA 8. Ondas producidas por el efecto de la ausencia del capacitor de entrada de la fuente.

Fuente variable

Figura 17 Voltaje en la entrada de la fuente del lm317 sin condensadores.

Figura 19 Escala del eje x de las figuras 17 y 18 del lm317

Figura 18 Voltaje en la salida del lm317 a la salida de la fuente sin condensadores.

Figura 20 Escala del eje y de las figuras 17 y 18 del lm317

Fuente Fija

Figura 21 Voltaje en la entrada del 7805 sin condensadores.

Figura 23 Escala del eje x de las figuras 21 y 22 del 7805

Figura 22 Voltaje en la salida del 7805 sin condensadores.

Figura 24 Escala del eje y de las figuras 21 y 22 del 7805

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Foto panorámica del circuito armado.

Figura 25 Circuito regulable y fijos armados en el protoboard.

10.Rateado

Figura 26 Ruteado del circuito con regulación fijo 7805.

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Figura 27 Ruteado del circuito con fuente variable

11.Conclusión y análisis de resultados. Mientras más amperaje demande la carga más capacitancia en la entrada se necesitara para los reguladores. Se deberá colocar un disipador de calor debido a la demanda de carga. Colocar un fusible de 1 A en caso de un corto circuito.

12. Bibliografía [1]N Semiconductor SMPS Power Supply Design Manual, 071104. (s.f.). [2]VILARDELL, E. N. (Mar 08 2015). FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS EN LA PRACTICA . Createspace Independent Publishing. [3]VIOLA, J. y. (2013). desarrollo de un convertidor electronico multinivel para aplicaciones de compensacion de potencia reactiva . corporacion CENACE. [4]National Semiconductor Linear Data Book. ( 1972, 1976. ). LM113 Data Sheet. [5]Analog Device. (1975). AD580 Data Sheet . [6]Atienza, F. B. (2012). España : Díaz de Santos. p. 307. ISBN 9788479782993. [7]Elektor. (s.f.). Tolerancias. En Elektor magazine (pág. 69). España: GrupoV (http://www.grupov.es/). [8]Montaje de componentes y periféricos microinformáticos. (s.f.). Google libros. [9]Walraven, K. (2003). Colección pequeños circuitos. En K. Walraven, Colección pequeños circuitos (pág. 46). [10]Widlar, R. J. (1967). An Exact Expression for the Thermal Variation of the Emitter-Base Voltage of Bipolar Transistors. Proc. IEEE.

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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA ANEXO 1 a. Simulaciones.

Figura 28 Simulación de la fuente regulable lm317

Figura 29 Simulación de la fuente regulable 7805

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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Anexo 2 Regulador fijo 7805

Figura 30 Voltaje con diferentes resistencias en el 7805.

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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Fuente regulable lm317

Figura 31 Voltaje regulado a diferentes niveles con la misma Resistencia de 2200 Ω

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