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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

PROYECTO BIMESTRAL DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DISEÑO DE UNA FUENTE REGULABLE DE VOLTAJE Y UNA FUENTE FIJA DE VOLTAJE INFORME Integrantes: Mario Sangucho Jairo Fernández Bryan Tupiza Santiago Lozada Aula: GR4 Periodo 2019-B

ÍNDICE I. OBJETIVOS II. MARCO TEÓRICO III. MATERIALES IV. DISEÑO V. IMPLEMENTACIÓN VI. DESCRBCION DEL FUNCIONAMIENTO VII. PRUEBAS Y EVALUACIONES DEL DISEÑO VIII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES IX. BIBLIOGRAFÍA

OBJETIVOS -

Diseñar una fuente de alimentacion con salidas de voltaje fija a 5 voltios y variblde de 1.25 a 30 voltios. Aplicar los conocimientos adquieridos para el calculo de los elemtops de la fuente de alimentacion. Verificar experimentalmente el funcionamiento de los circuitos integrados reguladores de voltaje, diodo, el transformador, condensadores y resistencia variable en la implementacion de la fuente regulada de voltaje. Familiarizarse con el uso de circuitos y componentes electrónicos para ganar destreza en la aplicación y experimentación de los dispositivos electrónicos.

MARCO TEORICO En electrónica, una fuente de voltaje variable con LM317 es un circuito convertidor de voltaje AC en un voltaje de salida DC cuyo valor puede ser ajustado por una resistencia variable, esta fuente puede ser empleada en aplicaciones experimentales que necesitan una entrada de voltaje variable DC en un rango de 1.25 V a 30 V con capacidad de entrega una corriente continua. Este dispositivo cuya funcion es convertir corriente alterna (CA), en una o varias corrientes continuas (CC), se encuentra implementado en varios artefactos electronicos de uso diario (computadora, televisor, impresora, router, etc.). los que en sus distintos circuitos internos operan con un voltaje continuo y requieren en varios casos distintos valores de corriente para su funcionamiento. En este informe se describirá los pasos a seguir para la construcción de una fuente de corriente directa, para lograrlo usaremos los conceptos vistos en clase e información de otras fuentes, esto lo haremos con la ayuda de imágenes para una mejor comprensión del trabajo realizado para el diseño y construcción de la fuente. Resistencias: limitar el paso de la corriente. Condensadores: La función de un capacitor es almacenar cargas eléctricas de forma instantánea y liberarla de la misma forma en el preciso momento que se requiera. En una fuente es utilizada para eliminar al máximo el rizado de voltaje a la salida del rectificador. Un capacitor electrolítico de 1uF se coloca a la salida para mejorar la respuesta transitoria, y un capacitor de 100nF se recomienda colocar en la entrada del regulador para evitar rizos de voltaje que puedan aparecer a la salida del capacitor electrolítico principal de 4700uF. LM7805: Es un circuito de tres terminales (IN, OUT, GND) que se encarga de reducir el rizado y de proporcionar una tensión de salida de la tensión exacta que queramos para este caso 5 voltios. LM317t: Es un regulador de tensión lineal ajustable capaz de suministrar a su salida en condiciones normales un rango que va desde 1,2 hasta 37 Voltios y una intensidad de 1,5 A. Sus pines son tres: ajuste (ADJ), entrada (IN) y salida (OUT). Una fuente de voltaje variable con LM317T es una fuente de voltaje ideal para personas que necesitan una salida de voltaje variable (1.5 V a 15.0 Voltios) con capacidad de entrega de corriente continua de hasta de 1.5 Amperios. Si se utiliza el LM317, sólo se obtienen 500 mA a la salida, suficiente para muchas aplicaciones, pero en este caso utilizamos el LM317T que porque puede entregar más corriente.

LM 317

El transformador: El transformador es un dispositivo utilizado para elevar o reducir elvoltaje. Está formado por dos bobinas acopladasmagnéticamente entre sí, más sus conexiones de entrada ysalida. El transformador debe de tener un secundario con un voltaje lo suficientemente alto como para que la entrada al regulador IN se mantenga 3 voltios por encima de su salida OUT a plena carga, esto debido a requisitos de diseño del circuito integrado.

Puente rectificador: Un puente rectificador es un arreglo de componentes electrónicos, que esta presente en la mayoría de las fuentes de voltaje; el puente esta formado regularmente por cuatro diodos comunes conectados de forma especifica, que convierten una señal con partes positivas y negativas en una señal únicamente positiva. Potenciómetro: Un elemento de circuito cuya característica eléctrica principal es que resiste. Es un dispositivo físico que puede variar su valor de resistividad o esta es ajustable. Tienen tres terminales, dos fijas y una móvil. Diodo led: Es un dispositivo semiconductor (diodo) que emite luz cuando se polariza de forma directa.

MATERIALES 

Transformador de 120/12 V C= 1 uF



C= 4700 uF Capacitores: C= 100 nF C=3300uF

R= 1k ohmios 

Resistencias:

R= 240 ohmios R= 10k ohmios



Potenciómetro: 10k ohmios

    

Fusible Diodos 1n4007 Iinterruptor de 3 posiciones Diodo led (azul, rojo) Lm317

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Lm7805 Amperímetro digital Voltímetro digital

DISEÑO El circuito de la fuente a diseñar fue dividida en tres partes: - Parte de transformación y duplicación de voltaje. - Fuente regulable con Lm317. - Funte fija con 7805. A continuacion se mostrarán los cálculos para cada parte:

Fig. 1 Etapa de duplicación de voltaje Para obtener un rizado de menos del 2% 𝑟= 0.02 =

1 4 ∗ √3 ∗ 𝐶 ∗ 𝐹 ∗ 𝑅𝑙 1

4 ∗ √3 ∗ 𝐶 ∗ 60 ∗ 1000 𝐶 = 120.2 [𝑢𝐹]

El capacitor mínimo requerido para garantizar un rizado de menos del 2% es de 120uF, en el caso de esta fuente fue utilizado uno de 4700uF con el objetivo de disminuir el rizado a un valor ínfimo y de garantizar que el filtro soporte los valores de voltaje entrantes que se requieren en la fuente.

Fig. 2 Fuente con el LM317 El valor de los elementos de la fuente regulable se obtuvo mediante las siguientes ecuaciones: Potenciómetro 𝑉𝑜𝑚𝑎𝑥 𝑅𝑝𝑜𝑡 = ( − 1) ∗ 𝑅3 1.25 30 𝑅𝑝𝑜𝑡 = ( − 1) ∗ 1000 1.25 𝑅𝑝𝑜𝑡 = 5520 [𝛺] Un valor comercial del potenciómetro es=10 [kΩ] Resistencia del diodo led: Voltaje led= 5[V] Corriente led= 20 [mA] 𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑙𝑒𝑑 𝑅1 = 𝐼𝑚𝑎𝑥 30 .2 − 5 𝑅1 = 20 ∗ 10−3 𝑅1 = 1260 [𝛺] Para que el voltaje en el led sea menor se coloca una resistencia comercial de 1.5 [KΩ] Capacitores Rizado=1% Rl=1K 1 𝑟= 4 ∗ √3 ∗ 𝐶 ∗ 𝐹 ∗ 𝑅𝑙 1 0.01 = 4 ∗ √3 ∗ 𝐶 ∗ 60 ∗ 1000 𝐶 = 240.56 [𝑢𝐹] Se recomienda colocar un valor igual o superior del capacitor en este caso se coloca de 470[uF] a la entrada y para mejorar la señal uno de 220 [uF] a la salida.

Fig. 3 Fuente con el LM7805 Resistencia del diodo led: Voltaje led= 1.8 [V] Corriente led= 20 [mA] 𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑙𝑒𝑑 𝐼𝑚𝑎𝑥 5 − 1.8 𝑅1 = 20 ∗ 10−3 𝑅1 = 160 [𝛺]

𝑅1 =

Para que el voltaje en el led sea menor se coloca una resistencia comercial de 150 [Ω] Capacitores Rizado=1% Rl=1K 1 𝑟= 4 ∗ √3 ∗ 𝐶 ∗ 𝐹 ∗ 𝑅𝑙 1 0.01 = 4 ∗ √3 ∗ 𝐶 ∗ 60 ∗ 1000 𝐶 = 240.56 [𝑢𝐹] Se recomienda colocar un valor igual o superior del capacitor en este caso se coloca de 4700[uF] a la entrada y para evitar el ruido en la señal de salida se coloca uno de 1 [uF].

IMPLEMENTACIÓN Para el caso del desarrollo de la fuente fue necesario implementar el circuito en el programa Proteus donde se comprobó el correcto funcionamiento de cada etapa. En las siguientes figuras se muestran los valores de voltaje y corriente de entrada salida de todo el circuito.

Fig. 4 Diagrama de la fuente de alimentación

Fig. 5 Funcionamiento de la fuente Variable

Fig. 6 Funcionamiento de la fuente fija

Fig. 7 Panel Frontal del circuito implementado

DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO. Para el diseño de la fuente regulable de 0 - 30[V] y la fuente regulada fija de 5[V]. El voltaje de alimentación es de 110[V] en corriente alterna y se utilizó un transformador para reducir el voltaje a 12[V] RMS equivalente a 16.98 [V]pico. Esta fuente de entrada estará enlazada a nuestras fuentes reguladas mediante un interruptor de 3 posiciones, este nos facilitará en el cambio de posición para la alimentación de cada una de nuestras fuentes (variable y fija). Para la elaboración de la fuente variable de 0 a 30[V], se implementó un duplicador de voltaje de onda completa dado que nuestra fuente de entrada es casi la mitad a la fuente que necesitamos a la

salida del circuito, de esta manera podemos regular la fuente de entrada y duplicar el valor de la misma de esta manera podemos obtener un voltaje de salida de 30 [V] en DC. Para mejorar la señal de entrada se utilizó en capacitor de 470[uF], el mismo que estará conectado al terminal del VI del circuito integrado LM317, este circuito integrado permite obtener un voltaje de salida de 1.2[V] hasta 37 [V] ;para nuestro circuito no facilitara con la obtención de 30[V] en la salida y con ayuda del potenciómetro que se encuentra conectado al terminal de adjuntara del CI nos permitirá regular el voltaje desde 0% a 100%. El terminal de salida Vo esta contado un capacitor hacia tierra para mejorar la señal de salida, este capacitor se encuentras conectado en paralelo a la resistencia donde será medido el voltaje de salida. Para nuestra fuente fija de 5 [V] se utilizó el circuito integrado LM7805, este circuito integrado tiene como característica un voltaje de salida de 5 [V], su terminal VI de igual manera está conectada al interruptor de 3 posiciones. El terminal GND se encuentra conectado directamente a tierra dado que se requiere de un voltaje fijo de 5[V] y el terminal de salida Vo esta contado un capacitor hacia tierra para mejorar la señal de salida y finalmente se encuentra una resistencia donde será medido el voltaje de salida.

PRUEBAS Y EVALUACIONES DEL DISEÑO Análisis de funcionamiento: Debido a que la diferencia de tensión entre las terminales ajustable y de salida del lm317 es siempre de 1.25 V se puede aprovechar esta diferencia para variar el voltaje de la salida del circuito desde 1.25 V hasta los deseados 30 V.

Fig 8. Esquema básico del LM317

Determinación de valores: Aplicando la ley de mallas de determina que la tensión de salida es la suma de los voltajes de la resistencia fija y la resistencia variable. Como en la resistencia fija 1 la diferencia de voltaje es siempre 1.25 V, el voltaje de salida dependerá del voltaje que, caída en la resistencia variable, el cual puede ser calculado por un divisor de voltaje entre ambas resistencias.

Fig 9. Esquema del diseño de la fuente de alimentación variable

De esta manera se puede deducir: 

Vout = 1.25 V (1 + R2/R1) V.

Para el caso concreto del circuito implementado se ha decidido utilizar una resistencia de 240 ohmios para el valor fijo entre las terminales ajustable y de salida, después de realizar los cálculos correspondientes se deduce que para conseguir el voltaje deseado el potenciómetro para la resistencia variable debe ser de al menos 5520 ohmios, siendo el valor comerciar aproximado de 10k ohmios. Con los valores ya establecidos se procedió a establecer el valor del voltaje de entrega que llegaría hasta el circuito integrado, debido a que el voltaje de salida del transformador es de 24 voltios pico es necesario encontrar una manera de aumentar el valor máximo que llega al circuito integrado, este valor además no debe presentar recortes o rizados, por lo que un filtro capacitivo se debe implementar a la fuente.

En corriente alterna A.C. debido a la inversión de polaridades cíclica se produce una pérdida de energía, esta energía puede ser aprovechada de mejor manera mediante etapas de conversión de voltaje alterno a continuo, las etapas aplicadas en ambas fuentes fueron la rectificación, filtrado, y regulado. En la etapa de rectificado se implementó un puente de diodos para asegurar que el voltaje

de ingreso sea siempre positivo y así conseguir aprovechar ambos ciclos de voltaje (negativo y positivo).

En la etapa de filtrado se emplearon dos capacitores de distintos tipos y valores uno electrolítico de 4700uF y otro cerámico de 100nF, el primer capacitor se encarga de sostener la onda rectificada en un valor único constante, cuanto mayor su capacitancia menor será el rizado del voltaje resultante, El segundo capacitor de 100nF es útil para mejorar la estabilidad de voltaje del circuito, pues previene picos y absorbe el ruido eléctrico que las fuentes de tensión pueden generar.

Cuando el voltaje que llega al circuito regulador es el deseado se procede a aplicar la acciones calculadas y medidas en simulación mediante las resistencias fijas y variables establecidas, además de que para evitar cualquier tipo de fallo por el aumento de temperatura se ha colocado un disipador de voltaje al LM317 de la fuente.

Tras estas etapas se logra convertir una señal alterna de 24v en una continua variable desde 1.25v a 30v, y el valor de voltaje continúo deseado puede medirse con o sin una carga que absorba la corriente resultante a la salida, es necesario agregar que en el desarrollo de la etapa de regulación se encontró el problema de que los potenciómetros se fundían al bajar su resistencia al mínimo valor, la manera más eficiente de solucionar este problema fue aumentar un capacitor cerámico de capacitancia baja para que absorbiera el voltaje remanente que llega desde el lm317 hacia el potenciómetro debido a que este dispositivo exige más corriente al bajar su resistencia de ajuste al mínimo.

En un primer instante se pensó en utilizar un tbj en configuración de emisor común para aumentar la señal de voltaje que llega al circuito, sin embargo, se encontró el problema de no tener una fuente dc externa para aplicar la ganancia a la señal ac y además de que esta configuración no tenía el efecto deseado en señales dc. Además, un doblador de voltaje se planteó en principio sim embargo este era innecesario si se aplicaban correctamente las etapas de rectificación y regulación, por lo que para optimizar espacio y materiales se optó por utilizar dos transformadores para cada fuente y aumentar la seguridad utilizando un capacitor cerámico además de un electrolítico de valor más alto para filtrar más eficientemente el voltaje de entrada al LM317.

Fig 10. Diseño de un duplicador de Voltaje descartado Para la fuente fija no fueron necesario aplicar una resistencia variable ya que el dispositivo utilizado, el lm7805, ya envía el voltaje deseado entre sus terminales el cual es de 5v, y no fueron necesarias correcciones mayores en esta fuente salvo que para mejorar la seguridad y la eficiencia del circuito integrado se le coloco un disipador de calor debido a que el voltaje desperdiciado cae directamente al LM7805 la de las etapas de filtrado y regulación.

Fig 11. Diseño de la fuente de alimentación de voltaje fijo

Para el circuito en general los valores de capacitancia fueron seleccionados para mantener la onda lo más estable posible, evitando variaciones y aprovechando al máximo su eficiencia para la regulación cada resistencia fue calculada en base a las fórmulas de los respectivos elementos para obtener el rango de voltaje deseado (1.25v a 30v), basándose en los fallos encontrados se procedió a encontrar métodos más efectivos de regular el voltaje al valor deseado.

Tablas de valores fuente variable:

Tabla 1 Valor de los capacitores 100nF 4700uF 1uF Tablas de valores fuente constante:

Voltaje resultante 31.9v 31.8v 30.01v

Tabla 2 Valor de los capacitores 3300nF 100nF 1uF

Voltaje resultante 32v 32v 5v

Porcentaje del potenciómetro vs voltaje de salida y corriente de salida Tabla 3 Porcentaje de resistencia 0% 25% 50% 75% 100%

Voltaje de Salida 1.26v 14.4v 27.5v 29.8v 30.01v

Corriente de Salida 0.57mA 14.5mA 27.5mA 29.5mA 29.7mA

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: CONCLUSIONES: 

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Se pudo implementar el diseño planteado para una fuente regulable de voltaje, siguiendo detenidamente ciertas consideraciones de elementos como los reguladores que tiene una conexión especial, para esto nos ayudamos con el datashet de estes elementos. En el circuito se hizo uso de dos diodos 1N4007 que son los encargados de proteger el rgulador de voltaje y evitar daños en el circuito. Se comprobó el perfecto uso del regulador de voltaje LM317t que es el elemento principal de nuestra fuente, así como también su funcionamiento en las simulaciones al momento de diseñar el circuito. Se observó que al bajar la resistencia de la carga el fusible al llegar a 1Amperio explotaba y nos demostraba que la protecion si estaba trabajndo.

RECOMENDACIONES: 

Al momento de diseñar el circuito que será impreso en la baquelita hacerlo detenidamene para no cometer errores en las conexiones

  

Cuando se vaya a soldar los elementos hacerlo con cuidado y siguiendo el diagrama diseñado para evitar errores en su construcción. Tener en cuenta la polaridad y correcta conexión de cada elemento a utilizar, esto para evitar errores de conexión que al final pueden termianar dañando nuestra fuente. Con la ayuda de un multimetro verificar que el voltaje y corriente de salida son los esperados.

BIBLIOGRAFÍA    

https://unicrom.com/fuente-de-voltaje-variable-con-lm317t/ http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/3/1/LM317.shtml http://electronicaml.blogspot.com/2012/04/fuente-de-alimentacion-regulada.html http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_capacitor/ke_capacitor_1.htm