ELECTRÓNICA DE POTENCIA CON LABORATORIO
“ Fuente Regulada ”
INDICE ÍNDICE
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OBJETIVO
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INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN A LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN NO REGULADA. Transformador de alimentación. Diodos rectificadores. Características de las fuentes positivas y negativas. Capacitor de filtrado. Carga. REGULACIÓN DE VOLTAJE DE CD. Variaciones en el voltaje da carga. Curva de la regulación de voltaje de CD. Modelo de CD de una fuente de alimentación. Porcentaje de regulación. Voltaje de rizo de CA. Cálculo del voltaje de rizo da CA. Frecuencia del voltaje de rizo y porcentaje de rizo. Cómo controlar el voltaje de rizo. PROCEDIMIENTO PARA DISEÑAR UNA FUENTE NO REGULADA CON UN PUENTE RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA. FUENTES DE ALIMENTACIÓN NO REGULADAS BIPOLARES Y DE DOS VALORES. PORQUÉ ES NECESARIA LA REGULACIÓN DE VOLTAJE. REGULADORES DE VOLTAJE LINEALES. FUENTES DE ALIMENTACIÓN PARA CIRCUITOS LÓGICOS . REGULADORES DE VOLTAJE AJUSTABLES DE TRES TERMINALES POSITIVO (LM317) Y NEGATIVO (LM337) AJUSTE DEL VOLTAJE DE CARGA.
2 2 3 4 5 5 6 6 7 8 9 9 9 10 11 11 11 13 13 15 16 17
DESARROLLO TEÓRICO.
20
DESARROLLO EXPERIMENTAL.
20
SIMULACIÓN.
23
DIAGRAMAS. Diagramas a bloques. Diagrama físico.
24 25
CONCLUSIONES.
35
BIBLIOGRAFÍA.
35
1
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“ Fuente Regulada ”
OBJETIVO : Diseñar y construir una fuente de alimentación de CD Regulada utilizando el transformador realizado anteriormente para tener la posibilidad de una variación de salida de 1.2 a 25 Volts y además unas salidas de ± 12 V y ± 5 Volts. INTRODUCCIÓN La fuente de alimentación de la que se dispone con mayor facilidad es el contacto de pared de 110 V CA y 60 Hz. Al circuito mediante el cual se convierte este voltaje de CA en un voltaje de CD se le conoce como fuente de alimentación de CD. La fuente de alimentación de CD más económica es una variedad del circuito rectificador. Lamentablemente, hay un voltaje de rizo en el voltaje de CD, por lo que el circuito rectificador no entrega corriente directa pura. Otra característica igualmente indeseable es la disminución del voltaje de CD conforme aumenta el consumo de corriente de la fuente. Dado que el voltaje de CD no está regulado (es decir, no es constante cuando se producen cambios en la corriente en la carga), a este tipo de fuente de alimentación se le considera como no regulada. Antes de poder eliminar o reducir a un mínimo las limitaciones de estas fuentes añadiendo la regulación, es conveniente saber en qué consiste dichas deficiencias. Además es necesario construir una fuente de alimentación no regulada antes de proceder a conectar a ésta un regulador de voltaje. INTRODUCCIÓN A LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN NO REGULADA. Transformador de alimentación. Es necesario disminuir el voltaje nominal de 115 V CA del contacto de pared al valor menor de CA que requieren transistores, circuitos integrados y otros dispositivos electrónicos. Los voltajes de los transformadores se dan en términos de valores RMS. En la figura 1, la especificación del transformador es de 115 a 24 V con derivación central (center tap, CT). Con 115 V RMS conectados a las terminales del primario, se obtienen 24 V RMS entre las terminales 1 y 2 del secundario. Se denomina “derivación central ” a una tercera terminal que está conectada a la parte central de las terminales del secundario. Entre las terminales CT y 1 o CT y 2 el voltaje RMS es de 12 V.
2
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“ Fuente Regulada ”
TRANSFORMADOR 115 V / 24 V CT
+ +
1 12 × 1.4 V
+
T1
115 V × 1.4 V
24 × 1.4 V -
115 V rms
+
CT 12 × 1.4 V
-
2
(a) Voltajes pico del semiciclo positivo.
TRANSFORMADOR 115 V / 24 V CT
1
-
-
T1
B
+
115 V rms 115 × 1.4 V +
12 × 1.4 V CT 24 × 1.4 V
12 × 1.4 V +
+ 2
(b) Voltajes pico del semiciclo negativo. FIGURA 1. Transformador de 115 V / 24 V CT. Mediante un osciloscopio podrán observarse los voltajes senoidales que se aprecian en la figura 1. el voltaje instantáneo máximo, Em, se relaciona con el valor RMS, ERMS, de la siguiente manera: Em = 1.4 ( ERMS ). Diodos rectificadores. Para la construcción de la fuente de alimentación de CD es necesario convertir el voltaje de CA secundario menor del transformador en un voltaje de DC. pulsante. Lo anterior se logra mediante diodos rectificadores de silicio. En la figura 2 (a) se pueden observar cuatro diodos rectificadores conectados en la forma que se conoce como puente rectificador de onda completa; están conectados con las
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“ Fuente Regulada ”
terminales 1 y 2 del transformador de la figura 1. Cuando la terminal 1 es positiva respecto a la terminal 2, los diodos D1 y D2 conducen; cuando la terminal 2 es positiva respecto a la terminal 1, conducen los diodos D3 y D4. Como resultado, se obtiene entre las terminales de salida un voltaje de CD pulsante. Terminal de salida de cd
De 115 V a 24 V 1 34 V = 1.4 × 24 V T1
ca
Em
+ 34 V
PD1
115 V rms 60 Hz
Em
TRANSFORMADOR
t
D- 3 D2
Voltaje del Secundario ca
D + 1
cd pulsante t
D4 Puente de Diodos
ca -
2 (a) El transformador y cuatro diodos reducen el voltaje primario de CA pico de 162 V a un voltaje de CD pulsante pico de 34 V.
+ o
Em
Semiciclo positivo
1
+
Voltaje de cd rectificado y filtrado
PD1
T T/2
D-3
t
D2
-
D + 1 D4
C Capacitor
Puente de Diodos
2
+ VL o
≅ Em = 34 V T/2
T
t
-
(b) El capacitor C filtra el CD pulsante en (a) para reducir un voltaje de carga de CD. FIGURA 2. Un transformador, diodos rectificadores y un capacitor de filtrado serán iguales a una fuente de alimentación no regulada. Características de las fuentes positivas y negativas. Es conveniente observar que el puente tiene dos terminales de entrada identificadas como AC. Las terminales de salida están señaladas por los signos (+) y (-), respectivamente. También hay que observar que el voltaje de salida de CD todavía no se puede designar como positivo o negativo. Se trata de una fuente flotante. Si lo que se desea es una fuente “positiva”, deberá “conectar a tierra” la terminal negativa.
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“ Fuente Regulada ”
El tercer alambre del cable de la línea de alimentación extiende la tierra física de la terminal que tiene forma de “U” del contacto de pared; por lo general hasta el chasis metálico. Esta conexión tiene por objeto proteger al usuario. Lo único que hay que hacer es extender la terminal de cable verde hasta la terminal negativa y designar a esta terminal como terminal común de la fuente de alimentación. Todas las mediciones de voltaje se hacen con respecto a la terminal común de la fuente de alimentación y en un diagrama se indica mediante un símbolo de tierra. Para construir una fuente negativa hasta con conectar a tierra la terminal positiva del puente. Capacitor de filtrado. El voltaje pulsante de CD de la fuente 2 (a) no es CD pura, por lo que hay que conectar un capacitor en las terminales de salida de CD del puente rectificador [véase la figura 2 (b)]. Este capacitor filtra las pulsaciones de CD y produce un voltaje de CD en la salida, VL, casi totalmente puro. VL es el voltaje no regulado que alimenta a la carga. Es característico que el capacitor de filtrado que se utiliza sea un capacitor electrolítico de 500 µF o más. Carga. Si en la figura 2 (b), lo único que se conecta en las terminales de salida de CD es el capacitor de filtrado. Se dice que la fuente de alimentación no regulada no tiene carga. Quiere decir que la corriente sin carga, o corriente de carga 0, IL, se toma de las terminales de salida. Por lo general, siempre se conoce el valor de la corriente de carga máxima esperada, o corriente a plena carga. El valor de la carga está determinado por el valor de la resistencia RL, como se muestra en la figura 3 (a). En el caso de una fuente no regulada el voltaje a través de la carga se modifica con los cambios que se producen en su corriente. A continuación se explicará por qué sucede esto. El punto medular de este análisis de la fuente de alimentación resulta evidente: el valor pico de voltaje CA secundario, Em, determina el voltaje de CD sin carga de VL. Terminal de Salida de CD + Al puente Rectificador
C 1000 µF
C Capacitor
IL = 1 A RL
R Resistencia
(figura 2) -
-
+ Voltaje a plena carga VL
Figura 3 (a) La resistencia de carga, RL, consume corriente de la fuente de alimentación.
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“ Fuente Regulada ”
VL (V) 40 -
VL sin carga = Vcd sin carga
30 -
VL a plena carga ∆VO = voltaje de rizo de ca medido con osciloscopio Vcd a plena carga = 24 V voltímetro de cd
24 20 10 0
A
B
| C | t (ms) 8.3 16.6 Figura 3 (b) el voltaje de carga cambia desde un valor de 34 V sin carga hasta un valor de 24 V más rizo a plena carga. FIGURA 3. Variación de carga de CD y del voltaje de rizo de CA desde un valor de corriente de carga cero hasta un valor de corriente a plena carga. REGULACIÓN DEL VOLTAJE DE CD. Variaciones en el voltaje de carga. Mediante un voltímetro conectado a las terminales de salida se mide el voltaje sin carga de IL, o Vcd sin carga = Em. Por ejemplo, en el caso de un transformador de 115 V / 24 V CT, el Vcd si carga tiene un valor de 34 V. En un osciloscopio lo que se observaría sería el mismo valor, pero sin voltaje de rizo de CA, como se muestra en la figura 3 (b). Supongamos ahora se conecta una carga RL para así obtener una CD a plena carga de IL = 1 A, como en la figura 3 (a). En el osciloscopio se vería ahora que el voltaje de carga, VL, tiene un promedio menor, o valor de CD, Vcd. Además, el voltaje de carga tiene también un componente de rizo de CA, ∆Vo, sobrepuesto al valor de CD. El valor promedio que se mide con un voltímetro de CD es de 24 V, al cual se le denomina Vcd a plena escala. Al voltaje de rizo pico a pico se le conoce como ∆Vo y mide 5 V en la figura 3 (b). Son dos conclusiones que pueden obtenerse de la figura 3(b). Primera, el voltaje de carga de CD. disminuye a medida que aumenta la corriente de carga de CD. Segundo, el voltaje de rizo de CA. aumenta desde el valor 0 V cuando no hay corriente de carga, hasta un valor alto correspondiente a la corriente a plena carga. De hecho, el voltaje de rizo de CA. aumenta directamente con el aumento de la corriente de carga.
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“ Fuente Regulada ”
Curva de la regulación de voltaje de CD. En el circuito de la fuente de alimentación no regulada de la figura 4 (a) se va modificando el valor de la carga, RL, y se “registran” los valores correspondientes de la corriente de carga y el voltaje de carga de CD. Los medidores de CD responden sólo a la corriente de carga o al voltaje promedio (CD). Al gráfica los valores de corriente y de voltaje, se obtiene la curva de regulación de voltaje de CD de la figura 4(b). Por ejemplo, el punto O representa la condición en la que no hay corriente de carga, IL = 0 y Vcd sin carga = Em = 34 V. El punto A representa la condición a plena carga, IL = 1 A y Vcd a plena carga = 24 V. A
115 V / 24 V
+
-
Amperímetro de cd T1
IL
PD1
115 V rms 60 Hz
-
+
+
+
R
Vcd
Resistencia
C
V
Capacitor
1000 µF
TRANSFORMADOR
Voltímetro de cd Pot
Puente de Diodos
Potenciómetro
RL
-
(a) Funcionamiento de la fuente de alimentación no regulada medido con un amperímetro y un voltímetro de C.D. VL (V)
IL, corriente de carga de cd (amperes).
40 O
Vcd en función de la corriente de carga sin carga
30 Voltaje de cd sin carga ≅Em
Corriente a plena carga A 1 20 Fuente + Amperímetro de IL 115V ac alimen10 tación de (a) 2 0 | 0.5
A R
+ V
Pot
RL
Voltímetro
Voltaje a plena carga
_
| 1.0
(b) Curva de regulación de voltaje de CD. FIGURA 4. El voltaje de carga de CD varía con la corriente de carga en (a) de acuerdo con la curva de regulación de voltaje de (b).
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Modelo de CD de una fuente de alimentación. En la figura 5 (a) se muestran los resultados obtenidos al hacer las siguientes mediciones: (a) sin voltaje de carga y sin corriente de carga; (b) voltaje y corriente a plena carga. Cuanto mayor sea el consumo de CD de la fuente, “algo” dentro de ésta provoca una caída de voltaje interna cada vez mayor, y también cada vez se proporciona menos voltaje a la carga. La explicación más sencilla de lo anterior es atribuido a una resistencia interna o de salida, Ro. Este comportamiento puede expresarse de la siguiente manera: Vcd NL = Vcd FL + IL FL Ro. Vcd FL = [RL / (Ro + RL)] [Vcd NL ] Con base en las mediciones de la figura 5, tanto para el caso sin carga, como para plena carga, y de acuerdo con la curva de regulación de voltaje de la figura 4, se mide el valor de Ro. IL = 0 +
Fuente de alimentación de cd
_
IL = 1 A
+ Fuente de alimentación de cd
Vcd NL = Em = 34 V
RL = 24 Ω
Vcd FL = 24 V _
(a) Voltaje de cd sin carga y a plena carga de una fuente de alimentación.
Vcd NL = 34 V
RO
+
-
RO
Vcd NL = 34 V
+ Vcd NL = 34 V
+ IL = 1 A
10 Ω Vcd FL
_
+ RL
24 V
_ (b) Modelo del circuito de cd para explicar las mediciones realizadas para obtener la gráfica de la curva del regulador de voltaje de cd de la figura 4. FIGURA 5. Modelo de cd para explicar las mediciones de voltaje de cd de una fuente de alimentación no regulada. Vcd NL = Vcd FL + IL RO. 8
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El valor de Ro es el que determina el efecto neto de las perdidas internas que se produce en la fuente de alimentación. Estas perdidas se deben al transformador, los diodos, el capacitor e, incluso, a los cables que sirven de conexión con el contacto de pared. No tiene caso determinar la cantidad con la que contribuye cada uno de ellos. Lo que interesa es su efecto total, Ro. Porcentaje de regulación. Otra forma de caracterizar el funcionamiento de CD es mediante una especificación conocida como porcentaje de regulación. Para ello, se mide el voltaje sin carga y el voltaje a plena carga de la fuente. Se procede a calcular el porcentaje de regulación de la siguiente manera: % de regulación = [Vcd NL - Vcd FL ] / Vcd FL × 100. VOLTAJE DE RIZO DE CA. Cálculo del voltaje de rizo de CA. En la figura 6 (b) se indica cómo medir la eficiencia de una fuente de alimentación, tanto de CA como de CD. La medición de valores de CD (valores promedio) se realiza con medidores de CD. Los valores medidos de CD, IL y Vcd, se resumen y grafican en la figura 4 (b), en la curva de regulación de voltaje (CD). El valor de CA pico a pico, ∆VO, se encuentra al centro del Vcd. El valor de ∆VO se calcula mediante la expresión:
∆VO ≈
IL 200C
En la que ∆VO está en volts, IL en amperes y C es el valor del capacitor de filtrado en farads. Si se mide el voltaje de carga, VL, utilizando un voltímetro común de CA, lo que se obtiene es el valor rms del voltaje de rizo Vrms. Mediante un capacitor de acoplamiento dentro del medidor se elimina la componente de CD. La relación que existe entre Vrms y ∆VO se expresa mediante la aproximación: ∆VO ≅ 3.5 Vrms. Una característica muy importante en el diseño de una fuente de alimentación de un regulador de voltaje se conoce como voltaje mínimo de carga instantánea, el cual se obtiene cuando existe plena carga. Como puede observarse en la figura 6 (b): VL mínimo = Vcd FL - ∆VO / 2. 9
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VL (V) 34 -
VL para IL = 0 A
“ Fuente Regulada ”
VL para IL = 0.5 A ∆VO = 2.5 V VL para IL = 1 A ∆VO = 5 V
30 20 10 0
t (ms) 8.3 ms
8.3 ms
8.3 ms
(a) Un acoplado directamente de cd muestra los componentes ca y cd de la carga de voltaje de VL. CRO para VL y ∆VO estimados
Voltímetro de ca para medir Vrms 115 V / 24 V
ca
T1
115 V ca
PD1 -
TRANSFORMADOR
IL A
+
Puente de Diodos
ca
+ _
Voltímetro de cd para medir Vcd
Amperímetro de cd C Capacitor
RL RESISTOR VAR
Común o tierra de la fuente de alimentación. (b) Circuito de prueba para evaluar el funcionamiento en ca y cd de una fuente no regulada. FIGURA 6. Mediante este circuito es posible medir simultáneamente el funcionamiento tanto en CA como en CD de una fuente de alimentación no regulada. Mediante un osciloscopio acoplado directamente se mide el voltaje de carga instantáneo, VL, y el voltaje de rizo pico a pico, ∆VO. Con medidores de CD se mide el voltaje de carga promedio Vcd (CD) y la corriente IL. Con un voltímetro de CA se mide el valor rms del voltaje de rizoVrms.
Frecuencia del voltaje de rizo y porcentaje de rizo. La frecuencia del voltaje de rizo de un rectificador de onda completa que cuenta con un capacitor de filtrado es de 120 Hz, o sea el doble de la frecuencia del voltaje de línea. Lo anterior se debe a que el capacitor debe cargarse y descargarse dos veces por cada ciclo del 10
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voltaje de línea. Como se aprecia en la figura 6 (a), el periodo de cada ciclo de voltaje de rizo es de 8.3 ms. El funcionamiento en CA de una fuente de alimentación también se especifica mediante una cantidad porcentual, midiendo el voltaje de rizo del peor caso, Vrms. Este voltaje se produce cuando se presenta la corriente a plena carga [véase la figura 6 (a)]. Después de medir Vcd FL se calcula el porcentaje de rizo mediante la expresión: % de rizo = ( Vrms a plena carga / Vcd FL ) × 100. Cómo controlar el voltaje de rizo. La ecuación ∆VO ≅ IL / 200 C nos dice que ∆VO depende directamente de la corriente de carga. Por lo tanto, suponiendo que el valor del capacitor de filtrado permanece constante, si se duplica la corriente de carga el voltaje de rizo también se duplica. La ecuación también indica que ∆VO es inversamente proporcional a C. Si C se duplica, el voltaje de rizo se reduce a la mitad (suponiendo que el valor de IL es el mismo). Una buena regla práctica consiste en reemplazar C por un valor de 1,000 µF en la ecuación, con lo cual se obtiene: ∆VO = (5 V) (IL en amperes). Cuando C = 1,000 µF. Si IL = 0.5 A, entonces ∆VO = 2.5 V. Si lo que se desea es reducir el valor de ∆VO a 2.5 V / 2 = 1.25 V, duplique el valor de C, es decir, a 2,000 µF. PROCEDIMIENTO PARA DISEÑAR UNA FUENTE NO REGULADA CON UN PUENTE RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA.
Especificaciones generales de diseño. La manera característica de especificar una fuente de alimentación es: “Se requieren 12 volts a 1 ampere”. Los valores anteriores se definen del siguiente modo: (1) Vcd FL = 12 V y (2) IL FL = 1 A. (Por cierto, RL –a plena carga- tiene el valor 12 V / 1 A = 12 Ω.). Las especificaciones de CA pueden formularse de varias maneras: (1) % de rizo menor al 5 %; (2) VL mínimo = 11 V; o (3) el valor de ∆VO a plena carga debe ser inferior a 2.1 V. FUENTES DE ALIMENTACIÓN NO REGULADAS BIPOLARES Y DE DOS VALORES.
Fuente de alimentación bipolar o positiva y negativa. Muchos dispositivos electrónicos requieren de voltajes de alimentación positivos (+) y negativos (-). Éstos se miden en relación con una tercera terminal común (o conectada a tierra).
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“ Fuente Regulada ”
Para obtener un voltaje positivo y negativo se utiliza un transformador con dos devanados secundarios, o bien un devanado secundario con derivación central. En la figura 8 se muestra un transformador con valores nominales de 115 V / 24 V DC (derivación central). Los diodos D1 y D2 hacen que la terminal 1 sea positiva en relación con la derivación central, DC. Los diodos D3 y D4 hacen que la terminal 2 sea negativa con respecto a la derivación central. Los voltajes de cd sin carga tienen un valor de 1.41*12 Drms = 17 V. Los capacitores C+ y C- filtran los voltajes de alimentación positivo y negativo, respectivamente. 1 = + VL
D1
D2
C+
IL
+ RL
VL≅17V -
115 V / 24 V DC
+
DC IL D3
C-
RL
D4
VL≅17V -
2 = - VL (a) Fuente de alimentación bipolar. 1 Fig. 8(a)
+ 17 V
DC
2
- 17 V
(b) Fuente de alimentación bipolar. 1 (c) Fuente positiva de dos valores.
Fig. 8(a)
DC
+ 34 V + 17 V
2 1 (d) Fuente de alimentación negativa de dos valores
Fig. 8(a)
DC
2
- 17 V - 34 V
FIGURA 8. Fuentes de alimentación bipolar o de dos valores.
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Fuente de alimentación de dos valores. Si se conecta a tierra la derivación central de la fuente de alimentación de la figura 8, lo que se obtiene es una fuente de alimentación bipolar, lo que se muestra de manera esquemática en la figura 8 (b). Si la terminal 2 se conecta a tierra, como se muestra en la figura 8 (c), lo que se obtiene es una fuente de alimentación positiva de dos valores. Por último, al conectar a tierra la terminal 1 de la figura 8 (d) lo que se obtiene es una fuente de alimentación negativa de dos valores. Lo anterior la versatilidad del transformador con derivación central. PORQUE ES NECESARIA LA REGULACIÓN DE VOLTAJE.
Anteriormente se ha indicado que la fuente de alimentación no regulada tiene dos características indeseables: al aumentar el consumo de corriente en la carga, el voltaje de CD disminuye mientras que el voltaje de rizo de CA. aumenta. Para atenuar estas desventajas se añade una sección de regulación de voltaje a la fuente no regulada, como en la figura 9. La fuente de alimentación así obtenida se clasifica como fuente regulada de voltaje. Fuente de alimentación de voltaje regulada.
115 V 60 Hz
Fuente de alimentación no regulada
VL 0
t
Regulador de voltaje
VL 0
Voltaje de cd
t
FIGURA 9. Una fuente de alimentación no regulada y un regulador de voltaje da como resultado una fuente de alimentación de voltaje regulado. REGULADORES DE VOLTAJE LINEALES.
Clasificación. Los reguladores de voltaje integrados se clasifican de acuerdo con cuatro características: 1. Polaridad: negativa, positiva o bipolares. 2. Cantidad de terminales: tres terminales o varias terminales. 3. Voltaje de salida fijo o ajustable: los voltajes estándares fijos son de ±5, ±12 y ±15 V. Los rangos ajustables característicos son de 1.2 a 37 V o de –1.2 a –37 V.
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4. Corriente de salida: el valor de las corrientes de salida características es de 0.1, 0.2, 0.25, 0.5, 1.5 y 3 A, y los más nuevos de 5 y 10 A. Características comunes. El voltaje instantáneo de entrada de un regulador integrado siempre debe exceder al voltaje de salida de CD por una cantidad que por lo general va de 0.5 a 3 V. A esta condición se le conoce como voltaje instantáneo mínimo de entrada – salida, voltaje de caída o, sencillamente, margen. Como se muestra en la figura 10 (a), el regulador de voltaje LM340-15 tiene un voltaje de salida de 15 V con una carga de 1 A. VL en función de t
Voltaje (V) 23
∆VO
20.5 18 Margen 15
VO reg en función de t
10 -
Vcd FL VL mín
5 0
| 16.7
8.3
t(ms)
(a) Margen mínimo de 3 V +
C1
3
I=1A +
0.22 µF Disco
C2
1 µF Tantalio
2
A la fuente no regulada VL
IN LM340 K-15 OUT GND
1
VO reg 15 V
RL
15 Ω
_
(b) FIGURA 10. Todos los reguladores de voltaje necesitan una diferencia aproximadamente de 1 a 3 V entre sus terminales de entrada y salida para asegurar el funcionamiento de los circuitos internos.
Supóngase que la fuente de alimentación no regulada que alimenta al regulador tiene un capacitor de 1,000 µF, y por lo tanto, ∆VO = 5 V. Como se aprecia en la figura 10 (a), lo que se necesita es un voltaje de entrada mínimo de:
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VL mín = Vo reg + margen. ó VL mín = 15 V + 3 V = 18 V. Quiere decir que el valor de Vcd FL debe ser de 20.5 V como mínimo. Aunque uno pudiera sentirse tentado a obtener un Vcd FL como un valor bastante alto para lograr así un margen amplio, hay que recordar que el calor disipado por el regulador en el peor de los casos es IL FL ( Vcd FL – VO reg ). Es aquí donde hay que hacer un compromiso. Un Vcd FL mayor disipa más calor en el regulador. Circuitos de autoprotección. Los circuitos internos de estos dispositivos detectan la corriente de carga. Si ésta rebasa un valor determinado, se limita automáticamente la corriente de salida hasta que se elimina la sobrecarga. Estos circuitos también miden la diferencia del voltaje y de la corriente de entrada y de salida para comprobar que no exista ninguna combinación no permitida. De haberla, el regulador se apaga. A esta característica se la conoce como protección de área segura. Por último, estos reguladores son también capaces de medir su propia temperatura para verificar que cuentan con una adecuada disipación de calor,. Si su temperatura interna es mayor a un rango de 150º C a 175º C, se apagan. Al eliminar la falla, el regulador vuelve a trabajar. Protección externa. No obstante que cuenten con circuitos de protección interna bien diseñados, los reguladores pueden dañarse por uso inadecuado, sabotaje o determinadas fallas que se produzcan en los circuitos externos. Las medidas que pueden adoptarse para protegerse contra estas eventualidades se indican en las hojas de datos de cada regulador. Disminución del rizo. Los fabricantes de los reguladores de circuito integrado especifican su funcionamiento de C. mediante un parámetro denominado rechazo de rizo. Es el cociente entre el voltaje de rizo de entrada pico a pico, ∆VO noreg, y el voltaje de rizo de salida pico a pico, ∆VO reg. Su valor característico es de 60 dB, o más, lo que implica una reducción en el voltaje de rizo de por lo menos 1,00:1. Por ejemplo, si a la entrada del regulador existe un voltaje de rizo de 5 V, en la carga aparecen menos de 5 mV. FUENTE DE ALIMENTACIÓN PARA CIRCUITOS LÓGICOS.
El circuito regulador. En la figura 11 se muestra una fuente de alimentación digital de +5 V para lógica TTL o ciertos microprocesadores. El encapsulado K del LM340-05 es TO-3 de acero y debe contar 15
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con un disipador de calor para que la resistencia térmica entre el encapsulado y el ambiente sea de 6o C / W, o menos. Lo anterior implica la necesidad de utilizar una rondana de mica aislante de 0.002 pulgadas de espesor junto con un compuesto que garantice el logro de una buena unión térmica entre el encapsulado TO-3 y el disipador de calor (o bien, usar el chasis como disipador de calor). El LM340K-05 produce una corriente máxima de 1.5 A. Su corriente interna límite es de 2.1 A, para operación en pulsos. Cuenta también con una protección de área segura que resguarda su transistor de salida. Dispone una protección de apagado térmico a temperatura de unión de 150o C para evitar que se queme. El diodo externo adicional protege el regulador contra cortocircuito que pudieran producirse en sus terminales de entrada. 1N4002
3
C1
C2
0.22 µF
1 µF
2
A la fuente de Alimentación no regulada VL mín = 8 V
IN LM340 K-05 OUT GND
1
A la carga, hasta 1.5 A
FIGURA 11. Fuente de alimentación regulada para lógica digital TTL (5 V a 1 A).
La fuente regulada. El VL mín para una fuente no regulada con un rectificador de onda completa debe permitir un margen de voltaje de 3 V y ser mayor que (3+5) V = 8 V (véase figura 11). Escoja un transformador de 12.6 V a 2 A (1.8×1 A). De acuerdo con lo mencionado en apartados anteriores: (1) Vcd NL = 12.6 V × 1.4 = 17.8 V. (2) Supóngase que RO = 6 Ω. Si IL FL = 1 A, entonces Vcd FL = 17.8 V – 6 Ω (1 A) = 11.8 V. (3) Elija un capacitor de filtrado de 1,000 µF que permita obtener un ∆VO = 5 V. Por lo tanto, VL mín tendrá que tener un valor por lo menos de 11.8 V – (5 V / 2) = 9.3 V, lo cual permite contar con cierto margen. Elija el capacitor con un voltaje WVDC ≥ 25 V y diodos con un voltaje pico inverso (VIP) de 25 V. El valor de la corriente de los diodos debe ser mayor a 1 A.
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“ Fuente Regulada ”
REGULADORES DE VOLTAJE AJUSTABLES DE TRES TERMINALES POSITIVO (LM317) Y NEGATIVO (LM337).
Se necesita lo siguiente: (1) Voltajes regulados que sean variables para usarlos como fuentes en los laboratorios. (2) Voltajes que no están disponibles como reguladores estándares de voltaje fijo. (3) Un voltaje ajustable de mucha precisión. (4) Ofrecer un precio más bajo a los usuarios que desean contar con una gran cantidad de un determinado tipo de regulador integrado para obtener varios voltajes regulados de salida. Las necesidades anteriores dieron lugar al desarrollo de las familias LM117 y LM137 de reguladores positivos y negativos ajustables de tres terminales, respectivamente. Son excelentes dispositivos que cuentan con todos los circuitos de protección interna descritos al hablar acerca de los reguladores en los apartados anteriores. Por ser tan flexibles se utilizan en aplicaciones que les son hostiles, de allí la conveniencia de incorporar los circuitos de protección externa. AJUSTE DEL VOLTAJE DE CARGA.
Ajuste del voltaje de salida regulado positivo. El regulador de voltaje positivo ajustable LM317HV sólo tiene tres terminales, como se muestra en la figura 13 (a). Su instalación es sencilla, como puede observarse en la figura 13 (b). El LM317 mantiene exactamente un voltaje de 1.25 V entre sus terminales de salida y ajuste. A este voltaje se le ha denominado Vref y puede variar de un circuito a otro, desde 1.2 a 1.3 V. Se conecta entre estas terminales una resistencia de 240 Ω, R1, para conducir una corriente de 1.2 V / 240 Ω = 5 mA. Esta corriente de 5 mA fluye a través de R2. Si ésta es ajustable, la caída de voltaje a través de ella, VR2, será igual a R2 × 5 mA. El voltaje de salida del regulador se ajusta con VR2 más la caída de 1.2 V a través de R1. En términos generales, VO está expresado por: VO =
1.2V (R1 + R2 ). R1
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“ Fuente Regulada ”
LM317
Entrada
3
VOUT
Salida
2
1
ADJ
VIN
Ajuste (a) Diagrama de conexiones del LM317K para el encapsulado de acero TO-3 y diagrama del circuito.
VOUT
2
+
ADJ
VIN
R1
1.2 V
240
1
+ Puente Rectificador de onda completa filtrado no regulado de 3 a 60 V -
LM317HV
3
C1
5 mA
C2
RL
VO
R2
VO = 1.2 V (1 + R2 / 240 Ω) 1.2 a 57 V a 1.5 A. (b) Conexión del LM317HVK para que funcione como regulador de voltaje positivo ajustable.
+
+ R2 C1
10 mA 1
Vent no regulada -3 a –50 V
VIN LM317HVK
VO = 1.2 V (1 + R2 / 120 Ω).
RL
VO
R1
ADJ
-
3
C2
120 VOUT
2
-1.2 a –47 V a 1.5 A.
(c) Conexión del LM337HVK para que funcione como regulador negativo ajustable. FIGURA 13. Es muy sencillo utilizar los reguladores integrados ajustables de tres terminales positivo (LM317) y negativo (LM337).
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“ Fuente Regulada ”
Normalmente, R1 = 240 Ω. Por lo tanto, para obtener cualquier valor deseado de voltaje de salida regulado, se ajusta R2 a un valor determinado por la ecuación: VO = 1.2V + (5mA)(R2 ). Por ejemplo, si lo que se necesita es un suministro de 5 V para la lógica TTL, haga R2 = 760 Ω. Si lo que se requiere es un suministro de voltaje de ±15 V para un amplificador operacional o un CMOS, haga R2 = 2,760 Ω. R2 = 2,160 Ω dará un voltaje de 12 V para automóvil. Si R2 = potenciómetro de 3 KΩ. VO se podrá ajustar a cualquier valkor de voltaje entre 1.2 V y 16.2 V. Características del LM317. El LM317HVK proporcionará una corriente de salida hasta de 1.5 A, siempre que haya disipación de potencia de más de 15 W (encapsulado TO-3). Esto significa que debe estar aislado eléctricamente de un gran disipador de calor, como el chasis de metal de la fuente de alimentación, normalmente atornillado a este. Una pieza de aluminio de 12.5 por 12.5 cm también puede servir como adecuado disipador de calor. El LM317 requiere de una caída de voltaje mínima a través de sus terminales de entrada y salida, ya que de lo contrario deja de regular. Por lo tanto, el límite superior VO es 3 V por abajo del voltaje mínimo de entrada de la fuente no regulada. Es una práctica recomendable conectar los capacitores de desvío C1 y C2 (1 µF de tantalio) como se muestra en la figura 13 (b). C1 reduce al mínimo los problemas causados por terminales largas que existen entre el rectificador y el LM317. C2 mejora la respuesta transitoria. Cualquier voltaje de rizo del rectificador se reducirá en un factor de más de 1,000 si R2 tiene un capacitor de desvío de tantalio de 1 µF, o un capacitor electrolítico de aluminio de 10 µF. El LM317HVK se auto protege contra sobrecalentamiento, disipación interna de potencia excesiva y sobre consumo de corriente. Cuando la temperatura del regulador alcanza los 175º C, el 317 se apaga. Si el producto de la corriente de salida y el voltaje de entrada a salida exceden el valor de 15 a 20 W, o si se requiere de corrientes mayores a aproximadamente 1.5 A, el LM317 también se apaga. Una vez eliminada la condición de sobrecarga, el LM317 reanuda su funcionamiento. Todas estas características de protección son posibles gracias a los notables circuitos internos del LM317. Protección externa. Se acostumbra conectar C1 y C2 a un regulador (figura 14) por las razones indicadas en anteriormente. Todos los reguladores deberían estar equipado con un diodo bipolar D1 para protegerse de cortos en la entrada; de lo contrario, la capacitancía de carga podría enviar corriente hacia su salida y destruirlo.
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D1
VOUT
2
+
R1
D2
240
1
Ala fuente de alimentación no regulada VL mín = 3V + máx VO
LM317HVK VIN ADJ
3
C1
C2
0.1 µF R2
C3
10 µF
1 µF
VO
tantalio
_
VO = 1.25 V (1 + R2 / 240 Ω). FIGURA 14. Fuente regulada de voltaje positivo variable con protección externa. D1 protege al regulador de los cortocircuitos de entrada. D2 protege al regulador de los cortocircuitos de salida.
Se incluyó el capacitor C3 para mejorar notablemente el rechazo del voltaje de rizo de CA. Sin embargo, en el caso de que se produzca un cortocircuito en la salida del regulador, el capacitor intentará enviar otra vez la corriente hacia la terminal de ajuste. En cambio, el diodo D2 dirige esta corriente hacia el cortocircuito.
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DESARROLLO TEÓRICO.
Una vez que sabemos como funciona una fuente procedemos a realizar el diseño que cumpla con las necesidades especificadas. Esta fuente debe tener las siguientes características: Una salida variable de 1.2 V a 25 V con una corriente máxima de salida de 1.5 A., una salida de + 5 V a 1.5 A., una salida de –5 V a 1.5 A., una salida de +12 V a 1 A. y una salida de –12 V a 1 A. Para poder cubrir estas características se tubo en cuenta las características propias del transformador realizado con anterioridad, las cuales son: un devanado secundario con derivación central de 14 V a 2 A y un segundo devanado secundario de 24 V a 2 A, así como con un reguladores de 5 volts (7805), un regulador de –5 V (7905), un regulador de 12 V (7812), un regulador de –12 V (7912), y por último, para la salida variable elegimos un LM317 para trabajar de 1.2 a 30 V con una corriente máxima de salida de 1.5 A. Con estas especificaciones elegimos utilizar tres puentes de diodos de 2 A para poder realizar la rectificación de onda completa requerida para el filtrado. El esquema diseñado se muestra en la parte de diagramas (diagrama físico). DESARROLLO EXPERIMENTAL.
MATERIAL: Circuitos Integrados: 1 LM7805. 1 LM7905 1 LM7812 1 LM7912 1 LM317. 1 Transformador (el realizado por nosotros) 3 Puentes de diodos a 2 A. 4 Capacitores de 1000 µF a 40 V. 1 Capacitor de 3300 µF a 35 V. 5 Capacitores de 100 nF. 4 Capacitores de 1 µF. 1 Capacitor de 10 µF. 2 Diodos 1N4002. 1 Resistencia de 220 Ω. 1 Potenciómetro de 2 KΩ. 1 Protoboard.
Cable para Protoboard (varios colores). Caimanes. 5 Bornes Rojos. 5 Bornes Negros. 1 Apagador Luminoso. 1 Perilla. Soldadura Pasta para soldar. 1 Placa Fenólica. Cloruro Ferrico. Plumón de aceite. 1 Caja metálica de 16 x 15 x 9 cm 1 Clavija. 2 Metros de cable duplex. 1 cinta aislante. 1 Triplan de 5 mm. de 16 x 15 cm. Pijas y Tornillos 3/16”.
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EQUIPO: 1 Multímetro digital. Pinzas Cautín. Lo primero que hicimos fue armar los diagramas de la fuente en el protoboard, para comprobar el funcionamiento correcto de cada diseño. Una vez que nos funcionaron, realizamos el diagrama para las pistas de las respectivas placas para los reguladores correspondientes. A continuación se muestran en la figura 15 los diagramas diseñados para las fuentes reguladas de ± 12 y ± 5 Volts.
FIGURA 15. Placas Diseñadas para el montaje de los elementos de las fuentes reguladas de ± 12 y ± 5 Volts.
Donde C1 es el capacitor de 1000 microfaradios, C2 es de 47 nanofaradios y C3 es de .1 microfaradio.
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Entonces se calco este diagrama sobre la placa, y se utilizó el plumón para marcar las pistas, metimos la placa al cloruro férrico y esperamos hasta que se diluyeran las partes no marcadas de la placa. Hicimos los agujeros correspondientes con el taladro y la broca especial, después de esto soldamos los elementos de cada circuito, con esto quedo por terminado cada placa La parte del circuito de voltaje variable la hicimos sobre una placa de nodos, soldando los elementos del circuito variable a esta. Entonces colocamos el transformador en la caja, lo atornillamos perfectamente y mandamos las salidas de este a cada una las placas teniendo mucho cuidado en la conexión de estas. También fijamos las placas a la caja, colocando primero el trozo de triplay de 16 cm. x 15 cm. y después utilizando empaques para evitar algún corto, con esto quedaron fijos a la caja y conectados entre si (transformador y las placas). Después de esto se colocaron los bornes en la caja y se soldaron a las correspondientes salidas de cada placas. La última parte fue la colocación del cable de alimentación y el switch de encendido, así como el potenciómetro de la fuente variable en el frente de la caja. Para finalizar se colocaron las etiquetas y se probo el funcionamiento de la fuente. Es importante recordar que pueden estar trabajar simultáneamente todos los voltajes con toda eficiencia.
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SIMULACIÓN
A continuación se muestra la parte de rectificación:
Ahora la sección de filtraje con el capacitor de 1000 microfaradios: Esta señal es la que finalmente entra a cada uno de los reguladores ya que es la que esta rectificada y filtrada.
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DIAGRAMA A BLOQUES.
120 VRMS
TRANSFORMADOR
ETAPA DE RECTIFICACIÓN.
ETAPA DE FILTRAJE.
CIRCUITO INTEGRADO REGULADOR
CARGA
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DIAGRAMA FÍSICO
El diagrama correspondiente a la fuente regulada de ± 5 V es el que se muestra a continuación.
Ahora el diagrama correspondiente a la fuente regulada de ± 12 V es el que se muestra a continuación.
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Por ultimo, el diagrama correspondiente a la fuente regulada de voltaje positivo variable de 1.2 a 25 V con protección externa es el que se muestra a continuación.
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“ Fuente Regulada ”
CONCLUSIONES
Al terminar la práctica número dos podemos concluir lo siguiente: *Para el diseño de una fuente de voltaje de CD es muy importante plantear las características requeridas para elegir los elementos adecuados. Las características mas importantes son: -La corriente máxima de cada una de las salidas -El voltaje de cada una de las salidas -El número de salidas *Es indispensable probar los circuitos en el protoboard antes de montarlos en una placa, para poder cambiar alguno de los elementos si es que llegara a fallar. *Es mas fácil trabajar con placas para montar el circuito, pero es necesario realizar un buen diseño de las pistas para optimizar la placa. *Hay que fijar perfectamente cada uno de los elementos que irán en la caja de la fuente, ya que esta estará en movimiento constantemente y si algo se afloja podría ocasionarnos algún daño en la fuente (hasta un corto circuito). *Es importante tener un diagrama de la fuente para poder encontrar una falla (si es que la hubiera) lo más rápido y sencillo posible. *Por último, es importante señalar que una fuente de voltaje es una herramienta muy necesaria para un estudiante de electrónica y no hay como tener una propia y saber la estructura interna de esta.
BIBLIOGRAFÍA.
Electrónica: Teoría de Circuitos. Robert L. Boylestad / Louis Nashelsky. Sexta Edición. Prentice Hall. Paginas 805 a 826. Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales. Robert F. Coughlin / Frederick F. Driscoll. Quinta edición. Prentice Hall. Paginas 441 a 467.
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