fuente de cd 1.2v a 20v - denshikairo
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Fuente de CD 1.2V a 20V
Introducción
El presente reporte se basa en la construcción de una fuente de voltaje regulable de 1.25 a 21
voltios. Para dicha construcción fue necesario tener ciertos conocimientos previos para poder
realizarla los cuales obtuvimos en clase. Este reporte se basa en un diseño bastante básico el
cual consta de 5 partes que presenta la idea conceptual de la fuente de voltaje. La fuente de
voltaje no es más que una conversión de corriente alterna a corriente directa pasando por dichas
fases que hacen que la salida de la fuente sea de corriente continua (no variable en el tiempo).
Esto es de mucha importancia en los circuitos digitales ya que estos funcionan con corriente
directa.
Este reporte tiene como finalidad mostrar cómo se realiza una fuente. En su contenido
explicaremos qué es una fuente, sus etapas de conversión, algunas técnicas de soldadura y
circuitos impresos, los resultados, algunas recomendaciones y conclusiones para que la persona
que lo lea pueda realizar una fuente sin mayor problema.
Objetivos
Comprender que es una fuente de poder.
Lograr entender el comportamiento de cada uno de los componentes en una fuente de
poder.
Lograr armar una fuente de poder sólida y estética que se pueda transportar sin necesidad de
volver armar el circuito.
Marco Teórico
La fuente de poder es sumamente importante para toda persona que se desarrolle en un
ámbito electrónico es por eso que nos enfocaremos en su estructura interna y de sus
componentes primordiales para el mejor entendimiento de la misma.
Fuente de Poder
Se conoce como fuente de poder al módulo encargado de energizar adecuadamente un
dispositivo electrónico. Para el caso específico de la electrónica, interesa alimentar circuitos
de relativamente baja potencia con corriente continua (invariante en el tiempo). De lo
anterior se deduce que existen básicamente dos formas de alimentar correctamente un
circuito electrónico: con pilas o baterías, y con convertidores de corriente alterna a corriente
continua.
Conversión a Corriente Directa
Comercialmente está a disposición el flujo de corriente alterna. Ésta normalmente es una señal
de 110Vrms a 60 Hz (aunque puede ser de 220Vrms y en 50 Hz para algunas regiones). Ya
que esta energía está disponible, se han diseñado toda suerte de dispositivos que convierten
esa forma de energía a una energía más adecuada para alimentar circuitos electrónicos. El
siguiente diagrama nos presenta la idea conceptual de la conversión.
El proceso de la conversión, en una fuente de poder consta de cuatro módulos básicos, y
uno opcional que se describen en él.
El valor nominal de tensión en la red eléctrica puede ser de 110Vrms o 220Vrms para una
instalación residencial o comercial. Los circuitos electrónicos necesitan como máximo de
valores en el intervalo de -30 a 30 VDC. Por esto es necesario reducir el valor del voltaje de
entrada. Para esto se utiliza un transformador de voltaje que es un dispositivo eléctrico que
utiliza propiedades magnéticas para cambiar el valor del voltaje de corriente alterna, ya sea
para disminuirlo o para aumentarlo. El símbolo para este dispositivo se muestra en el
Diagrama #2. El diagrama es así debido a que está compuesto de dos bobinas de alambre
enrollado con N1 vueltas en el embobinado de entrada o primario y N2 vueltas en el
embobinado secundario o de salida. La relación de conversión de voltaje se muestra al lado
del símbolo en el Diagrama #2. Esto quiere decir que para un trasformador con relación de
vueltas de 4:1 puede reducir el voltaje a la cuarta parte. Asimismo, un transformador con
relación de vueltas de 1:10 puede elevar el valor del voltaje diez veces más alto que el de
entrada.
No debe creerse que los transformadores crean energía de la nada. El principio de
conservación de la energía sigue presente. Si un transformador es usado para aumentar un
voltaje, por ejemplo, de 110Vrms a 1100Vrms, la corriente que puede demandarse del mismo
se reducirá en un factor de 10, es decir, que si la señal de entrada podía proporcionar una
corriente de 10 A, ahora solo podrá proporcionar 1 A como máximo.
Para la simulación de esta fuente fue necesario recurrir a un software ya que aunque las
mediciones que se obtienen por este medio sean distintas a las que se obtendrán en la práctica,
nos ayuda a tener una idea más clara de las posibles mediciones que pudiesen ser registradas,
el software elegido es Multisim de NI.
Transformador
En Multisim al utilizar un transformador es necesario definir la relación de vueltas del primario al
secundarioߙ, el cual viene de la formula
ೞ=
ே
ேೞ= .ߙ En la práctica el voltaje del secundario
registro 24.5V R.M.S de C.A., por otro en el devanado primario la entrada es de 120 V R.M.S de
C.A., de tal forma que suponiendo que estos valores no varían se procede a sustituirlo en la
formula anterior.
ೞ= ߙ =
ଵଶ
ଶସ.ହ=4.8979
Sin embargo en el software debe ser introducido la inversa de este valor, por lo que al tomar la
inversa, de tal forma que nos arroja un valor de 0.2041.
Ahora se desea obtener 3 A del transformador por lo que es necesario colocar un resistor, para
calcular el valor que debe tener se divide el voltaje del secundario (R.M.S) entre la corriente:
=
ܫ=
24.5
3= 8.1666 Ω
De lo anterior se observa que al colocar un resistor de 8.1 Ω lo cual se puede apreciar, no es un
valor comercial, en la práctica es necesario utilizar el valor próximo inferior ya que si el resistor
posee un valor más bajo se obtendría en a lo mucho toda la corriente que el transformador puede
entregar y se estaría limitado por esto, por otra parte en el simulador no ocurre lo mismo ya que
si se elige un resistor de valor más bajo nos entrega más corriente, esto es debido a que las
condiciones del software son sumamente ideales. Finalmente en la práctica se optó por un arreglo
de resistores de 4 resistores a 25 W de 6,8 Ω , en tanto que en Multisim si puede ser colocado el
valor de 8.1 Ω, dando como resultados lo siguiente:
Ya que el transformador adquirido no tiene una gran eficiencia, el valor máximo obtenido de
corriente fue de 2.3 A con el arreglo de resistores ya mencionado.
El voltaje pico del secundario es calculado por:
௦. = 24.5 ∗ √2 = 34.6483
Módulo Rectificador
El siguiente paso para la conversión consiste en eliminar los componentes alternantes en
el tiempo del voltaje (en el caso de que se desee un voltaje positivo, eliminar el
componente negativo de la señal). Existen dos formas muy populares de hacerlo utilizando
semiconductores (diodos). El rectificador de media onda (que solo suprime el ciclo negativo
de la señal) o el rectificador de onda completa, que vuelve positivos los ciclos negativos
de la señal. Véase el Diagrama #3.
Módulo de Filtrado
Hasta ahora ya se ha logrado hacer que la señal tenga un solo signo. Sin embargo, es
necesario "aplanarla" de modo que la salida de la fuente de voltaje sea de corriente directa
(lo más parecido a una batería). Para lograr esto se coloca un dispositivo que almacene
energía a la salida del rectificador, de modo que cuando la señal de salida del mismo
disminuya hacia cero, el dispositivo almacenador entregue la energía almacenada para que
la salida no perciba esa bajada a cero. Un dispositivo que puede lograr esto es el capacitor.
La cantidad de energía que éste puede almacenar dependerá de su capacitancia. De modo
que mientras mayor sea ésta, más parecida a una línea recta será la salida del filtro. Esto
se ejemplifica en el Diagrama #4.
En esta etapa fue necesario adquirir diodos que soportaran más de 3 A debido a que en ocasiones
existen picos de corriente al encender la fuente dado que los capacitores si son de un valor elevado
demandan una gran corriente, lo cual puede inclusive destruir los diodos si es que no se eligen los
correctos. También es necesario verificar cuál es el PIV o voltaje de pico inverso, que es el valor pico
que el diodo no deja pasar cuando se encuentra polarizado en inversa, el PIV es calculado con la
siguiente formula:
ܫ = ௦. + 0.7 = ൫24.5 ∗ √2൯+ 0.7 = 35.3482
El voltaje de bloqueo en inversa de los diodos tiene que ser un voltaje por encima del calculado, lo
cual aunado a los picos de corriente ya mencionados, se hace imperativo el uso de diodos de por
encima de 4 A.
Los diodos elegidos fueron los 6 A 6 ya que permiten manejar corrientes de hasta 6 Amperes y un
voltaje de bloqueo en inversa de 600 volts lo cual es más que suficiente para esta aplicación. Esta
información puede ser leída en la hoja de especificaciones del diodo, las cuales se incluyen al final
del trabajo.
Es importante mencionar que los voltajes umbrales de conducción de estos diodos al ser medidos
con un multímetro en el modo prueba de diodos nos presentaron valores de 500 mV y no de 700 mV
como normalmente se considera a los diodos de silicio. Esto fue considerado también en la
simulación cambiando el valor umbral de los diodos que vienen en la librería de Multisim, no obstante
en el simulador no se incluyen los diodos 6 A 6, de tal forma que se utilizaron los diodos 1N4004
debido a que por las condiciones ideales que rigen el simulador no hay problemas con respecto a
corrientes y voltajes de operación que superen a los valores nominales.
Los cálculos necesarios en esta etapa son los siguientes:
Voltaje pico rectificado
.ோ. = ௦. − 2 = (34.6482 − 1)=33.6482 V
Voltaje promedio o de CD
=.ೃ .∗ଶ
గ=
(ଷଷ.ସଶ)∗ଶ
గ= 21.4211V
Voltaje de rizo del rectificador sin filtro
(ܯ ) = 0.308 ∗ .ோ.=0.308(33.6482 V)=10.3636 V
Rizo
=ݎ(ܯ )
∗ 100 % =
10.3636 V
21.4211 V∗ 100% = 48.38%
Filtro con capacitor
Proponiendo un voltaje de riso RMS de 800 mV
(ܯ ) =ܫ
4√3 ∗ (ݖܪ60) ∗ ܥ∴ ܥ =
ܫ
4√3 ∗ (ݖܪ60) ∗ (ܯ )
ܥ =ܣ3
4√3 ∗ (ݖܪ60) ∗ 800= ܨߤ9021
Lo mas aproximado a este valor es un arreglo de 4 capacitores con valores de 2200 ,ܨߤ de tal forma
que se tendrían 8800 ,ܨߤ recalculando el voltaje rizo para este valor:
(ܯ ) =ܣ3
4√3 ∗ (ݖܪ60) ∗ ܨߤ8800= 820.0998
Nota este valor en la práctica y en la simulación tiende a ser menor dado que estas fórmulas
son solo aproximaciones de las cuales en las bibliografía consultada se informa que si se
desea obtener algo más apegado a un valor real se incline el usuario por los métodos
numéricos.
A pesar de que se pudo haber propuesto otro valor de voltaje de rizo más bajo o un capacitor de
mayor capacitancia no se decidió hacerlo ya que si se recurre a la formula anterior se ve claramente
que si el voltaje de rizo aumenta también lo hará la corriente, pero dado que la capacitancia es
inversamente proporcional al voltaje de rizo, si este valor crece el voltaje disminuye pero eso implica
que también la corriente lo haga.
Voltaje promedio del filtro con capacitor
= .ோ. −ܫ
4 ∗ (ݖܪ60) ∗ ܥ= 33.6482 V−
ܣ3
4 ∗ (ݖܪ60) ∗ ܨߤ8800= 32.2277
=ݎ(ܯ )
∗ 100 % =
820.0998
32.2277= 2.54%
Módulo de regulación de voltaje
Éste módulo tiene dos finalidades. La primera, que cuando se conecta una carga a la fuente,
el voltaje no decaiga dramáticamente. Debe ser de conocimiento del lector que, para
cualquier tipo de fuente, al conectar una carga que demande corriente, la tensión o voltaje
de la fuente decaerá.
La otra función del mismo, muy relacionada con la primera, consiste en regular el voltaje de
salida, es decir, establecerlo al valor deseado, pudiendo ser este un valor fijo o bien un valor
seleccionable. Esto porque los trasformadores proporcionan salidas fijas de voltaje. Por
ejemplo, para un transformador de salida de 12Vrms, se tendrá una salida del filtro de
alrededor de 15VDC. Si se desean alimentar circuitos digitales TTL, deberá disminuirse ese
valor a 5VDC. Esa es la función del regulador.
Existen muchas formas de regular el voltaje de salida de una fuente. La utilizada fue con un
LM338K
En las hojas de especificaciones del regulador lm338K se dan algunos ejemplos de las
aplicaciones típicas y formas de implementarlo, la configuración elegia fue la siguiente:
Las principales razones de su elección fue debido a que presento una mayor estabilidad a
cambios bruscos de voltaje en el potenciómetro, además de por medio de los diodos es
protegido el regulador de cualquier corriente inversa que los capacitores al dejar de cargarse
puedan proveer.
En las hojas de especificaciones también es mostrado otro circuito donde se muestra su
configuración primaria.
De igual forma se ofrece una ecuación la cual rige el comportamiento de esta configuración:
௨௧= ∗ ൬1 +ଶଵ൰+ ௗ∗ ଶ
De esta ecuación la única incógnita es R2 ya que es un resistor variable y el cual limita la
tensión de salida, la cual tiene un valor de 21 V. Algo que se debe resaltar es que en la hoja de
datos es mencionado que la corriente de ajuste es un término de error la cual ha sido diseñada
para ser lo más pequeña posible, por lo tanto tiene un valor constante el cual es de 50 ,ܣߤ de
igual forma el permanece constante en el resistor de 120 Ω , este voltaje es de 1.25V.
Este resistor no necesito ser de más de 1W ya que las corrientes manejadas en esta rama son
menores a 50 mA. Para poder saber el valor máximo de este resistor es necesario despejar de
la ecuación el valor de
ଶ =௨௧−
ଵ− ௗ
=21− 1.25
1.25120 Ω
− ܣߤ50= 1909.96 Ω
El potenciómetro con un valor más cercano comercialmente es de 2 K Ω, por lo tanto ese
valor fue el utilizado para la fuente.
Módulo de seguridad
Éste módulo es opcional, pues no es fundamental para el funcionamiento de la fuente,
pero es vital para la supervivencia de la misma. Dado que las terminales de salida de la
fuente están energizadas a valores de potencial distintos, si estas terminales llegaran a
juntarse por accidente, se produciría un corto circuito que destruiría todos los componentes
antes descritos.
Por esta razón se han ideado toda clase de circuitos que son capaces de des energizar las
terminales cuando perciben un incremento abrupto en la corriente de salida.
Dado que tenemos un transformador de 120v – 24v. Se usa la siguiente formula
Esta ecuación es muy útil para calcular la intensidad nominal del fusible de alimentación,ya que si tenemos, un transformador con 120v en el primario y 24v en el secundario yestamos consumiendo 3A en el secundario, podemos calcular la intensidad en el primariode la siguiente manera:
ଵܫ = ܣ3 ∗ଶସ
ଵଶ= ܣ0.6
A este valor se le agrega un 25% para que no quede muy justo :0.6*.25=.15el valor del fusible sera 0.6+0.15=0.75A
Técnicas de soldado y placas impresas
Después de conocer los módulos o fases de la conversión de Corriente Alterna a Corriente
Directa y montarlo en protoboard es indispensable para hacer un diseño estético y sólido
conocer algunas técnicas de soldado y diseño en placas impresas.
En este reporte se aprenderá la técnica que se utilizó para realizar nuestra placa, tanto el
diseño como la soldadura de las piezas en la placa.
Diseño en circuito impreso
Para diseñar nuestro circuito fue necesario utilizar un programa que simula circuitos
electrónicos llamado proteus, el cual es un programa que permite crear esquemas de circuitos
electrónicos y a partir de estos, obtener de una manera sencilla el diseño del circuito impreso
a una o dos caras.
Luego de tener claramente el diseño que se quiere imprimir observando cuidadosamente que
no haya errores se procede a aplicar imprimir el diseño para utilizar algún método en el
circuito impreso.
Preparación de la placa
Recortar el circuito que se imprimió.
Marcar sobre la placa de circuito impreso la zona que se recortará con la sierra.
Cortar la placa y retirar todas las imperfecciones que quedo del corte.
Pulir ligeramente la parte superior de la placa hasta que quede el cobre brillante.
Limpiar con alcohol la placa con un paño limpio para eliminar las impurezas.
Grabado de la placa
Terminado la fase de pulido y limpieza de la placa de cobre se pasa a la etapa del dibujo
que con un marcador de acetato (indeleble) se dibujan las pistas que fueron impresas en
el diseño para que a la hora de quemar la placa todo lo repasado por el marcador se quede
con cobre.
Quemado de la placa
Al terminar de dibujar todas las pistas en la placa de cobre en un recipiente plástico se echa
el ácido teniendo mucho cuidado y tratando de que el contenido que se eche sea suficiente
para que la placa de cobre quede sumergida. Luego se mete la placa y se hacen
Movimientos suaves provocando vibraciones en el ácido haciendo que el proceso de quemado
sea un poco más rápido y efectivo. Este paso durará unos 10 a 15 minutos dependiendo que
tanto cobre es lo que se debe quitar de la placa.
Luego de que la placa esté lista solamente con cobre donde se dibujó, se procede a limpiar
con alcohol todo el acetato para que las pistas queden únicamente con el cobre.
Perforado de la placa
Ya con la placa quemada se procede a perforar en todo nodo que se quiera para que de tal
forma se puedan soldar los componentes (tener cuidado que la broca a utilizar no sea de
mayor diámetro que el nodo a perforar).
Montaje y estañado de componentes
Este último paso es muy importante en la estética de la placa ya que es necesario soldar bien y
que los componentes queden muy firmes, para ello es necesario un cautín y estaño que servirá
para soldar los componentes a la placa. Terminado el trabajo está listo para probarlo.
Materiales
1 Transformador con de 110V a 24V de 3A
4 Capacitores de 2200uF/50V
2 de 1000uF/25V
4 Diodos 6A6
1 Potenciómetro 2k
1 Resistencias de 120 de 1/2 W
1 Integrado LM338k con disipador de calor
1 Fusibles de 750mA y 1 porta fusibles.
2 Resistencia de 1k
Placa de Cobre
Estaño para Soldar
1 Bote de ácido para placas de cobre
Pasta para soldar
Resultados
Para nuestro proyecto fue necesario comenzar con un diseño al cual guiarnos, este fue
necesario tanto para las pruebas previas para montarlo como para el diseño de placa
impresa.
Al ir montando el circuito nos encontramos con los 5 módulos para la conversión de
corriente alterna a directa y en cada módulo logramos observar las gráficas de salida en el
osciloscopio.
Al finalizar de armar los 5 módulos se procedió a montar el circuito en una placaimpresa la cual con la ayuda del software ares
A continuación se mostraran los pasos realizados para construir nuestra fuente.
Módulo de Filtrado
Diseño de placa en Ares
Observaciones
Con este proyecto se observó el funcionamiento interno de una fuente de voltaje, viendo el
comportamiento de la salida de cada módulo para la conversión de corriente alterna a
directa.
En el módulo de reducción de voltaje se observó que el transformador cumplía su función de
transformar el voltaje de entrada en uno menor, esto es debido a los dos bobinados del
transformador, el cual tiene una relación entre el alambre enrollado en las bobinas, este
módulo transformo los 110 voltios a 12 voltios de corriente alterna. En la gráfica en el
osciloscopio se observó una disminución de voltaje, siendo siempre una onda sinusoidal. En
esta etapa conectamos la corriente al transformador viendo en sus salidas la misma onda
sinusoidal solamente que reducida. *
En el módulo de rectificación se observó que el puente de diodos cumplía su función,
eliminando la parte negativa de la onda siendo siempre positiva quedando una serie de
montañas que no pasaban al lado negativo del eje x. En esta fase el puente de diodos elimina
los componentes alternantes en el tiempo del voltaje, esto quiere decir que elimina el
componente negativo de la señal. En este caso se utilizó un rectificador de media onda el
cual solo elimina el ciclo negativo de la señal como se puede observar en las gráficas de
rectificación.
En el módulo de filtrado, teniendo de entrada únicamente señal positiva hizo que la salida de
esta fase sea ya de corriente directa, esto lo hace "aplanando" la señal por medio de
capacitores los cuales por su descarga hace que la energía almacenada en el capacitor se
entregue sin que perciba esa bajada a cero. Estas gráficas se pueden observar en las gráficas
de filtrado no existiendo tanta diferencia con la fase anterior pero si se puede ver la diferencia
de descarga, ya que en estas gráficas se observan un tipo de olas que muestran la descarga
del capacitor.
En el módulo de regulación de voltaje se usó el lm338k En esta etapa se tenía por el
módulo de filtrado una recta de salida la cual era constante, que es lo que se quería, ya
teniendo en la entrada un voltaje directo (constante) se lograba regular gracias a este
integrado manejado por un potenciómetro en el común del integrado tal como se muestra
en la imagen de diseño.
Un el módulo de seguridad, es muy importante por modo de protección ya que se maneja
corriente y cualquier pico de voltaje provenido de la calle o cualquier cortocircuito puede
afectar y arruinar los componentes de la fuente. Es por ello que se conectan fusibles a la
entrada del voltaje por si sobrepasa el límite de corriente que puede llegar a soportar el
componente, hace un circuito abierto y al abrirse el filamento que contiene el fusible no
conduce corriente a los demás componentes.
Conclusiones
Es importante siempre pasar por el módulo de seguridad aunque no sea necesario es muy
importante para protección de los componentes.
La inexactitud de la medición de voltaje tanto para positivo como para negativo es debido
a la relación que existe entre el potenciómetro y la resistencia colocada en la etapa de
regulación.
La estética y el orden son factores muy importantes en el diseño de circuitos.
La etapa del quemado y perforado son muy delicadas por lo que se presta mucha atención a
eso.
Recomendaciones
En el desarrollo de la fuente se tuvieron algunos inconvenientes, uno de ellos fue que el
experimentador no se percató que el diseño tenía unos errores por lo que se hicieron dos
placas fallidas, esto es un trabajo que se puede evitar revisando detenidamente el diseño
antes de montarlo en placa, otro inconveniente que se produjo fue al conectar mal las
borneras con los potenciómetros y los voltímetros, ya que al variar el potenciómetro del
voltaje positivo, medía un voltaje negativo y en el voltímetro la aguja giraba hacia la izquierda.
Es recomendable organizarse bien para que el experimentador no esté apresurado a última
hora ya que es más probable que haga malas conexiones y que cometa errores que se pueden
evitar.
Se debe tener mucho cuidado con el quemado y perforado de la placa ya que el ácido es muy
tóxico y siempre se deben de tomar las precauciones necesarias. Al igual el perforado es muy
importante poner mucha atención ya que un mal movimiento se puede quebrar la broca y
echar a perder la placa, esto involucra tiempo y dinero perdido.
Es muy importante cuando se está haciendo las pruebas de colocar la polaridad correcta de
los componentes ya que hubo muchas malas conexiones en el laboratorio y los capacitores
explotaban.
Bibliografía
Fuente 1
Título: Dispositivos electrónicos
Autor: Thomas Floyd
Editorial: Pearson education
Fuente 2
Título Análisis y diseño de circuitos electrónicos
Autor Donald A. Neamen
Editorial McGraw-Hill
Fuente 3
Título: Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos
Autores: Robert Boylestad y Louis Nashelsky
Editorial: Pearson educación
Data sheets
Se usaron los data sheet para ver las especificaciones de los componentes.
