ELECTRONICA [ETN-340]: PROYECTO FUENTE REGULABLE

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES

FACULTAD DE INGENIERIA

INGENIERIA ELECTRONICA

PRESENTACION DE INFORME

DOCENTE: ING. JUAN CARLOS DUCHEN MATERIA: ETN 340 [PROYECTO I]

ESTUDIANTE: Willy Vladimir Laura Saniz CI.: 8437779 LP.

INFORME PROYECTO I

FUENTE REGULABLE DE ENERGIA

1. OBJETIVO.

* Realizar una fuente de energía regulable de 1 a 37 Vcc.

2. FUNDAMENTO TEORICO.

Introducción

La evolución de nuestra sociedad está ligada a la de la electrónica. Constantemente convivimos, muchas veces sin ni si quiera darnos cuenta, con todo tipo de elementos electrónicos. A diario, se utiliza un coche, un teléfono o se ve la televisión sin saber que todo ello funciona gracias a la electrónica. Hay una interminable lista de cosas que hacen la vida mucho más fácil y en las que la electrónica juega un papel crucial.

En general casi todos los circuitos electrónicos funcionan con alimentación continua, sin embargo por su facilidad de generación, transporte, transformación y uso, la electricidad de la que se dispone, con más facilidad, es alterna, en sus diversas formas. Es decir, no siempre disponemos de una fuente eléctrica continua, por lo que nos vemos obligados a convertir la electricidad alterna. República Dominicana disponemos en cualquier toma de un domicilio de 120 VAC-RMS, que deben ser tratados para poder alimentar los circuitos electrónicos que contienen los equipos de música, el aire acondicionado, un ordenador, un microondas, etc. Este es el punto de partida de las fuentes de alimentación y reguladores electrónicos, que son los encargados de adecuar los valores de la red de distribución a los valores necesarios para que funcionen adecuadamente y no sufran daños dichos circuitos electrónicos, entre otros usos.

Fuente de Tensión Regulada

Definición

En general, se entiende por fuente de alimentación de un equipo eléctrico, la parte del mismo destinada a adecuar las características y parámetros de la energía disponible para la alimentación del mismo, o fuente de alimentación primaria, con el fin de proveer un funcionamiento estable y seguro.

Puesto que casi todos los circuitos electrónicos trabajan con corriente directa, es necesario realizar la conversión de la corriente alterna que se transmite en el país. Para convertir la tensión alterna en continua se utilizan los circuitos rectificadores. Sin embargo, la tensión continua disponible a la salida del filtro del rectificador puede que no sea lo suficientemente buena, debido al rizado, para una aplicación particular o que varíe su magnitud ante determinados tipos de perturbaciones que puedan afectar al sistema como por ejemplo variaciones de la carga, de la temperatura o de la red hasta un 10%. En estos casos se precisan circuitos de estabilización o de regulación para conseguir que la tensión continua a utilizar sea lo más constante posible.

De aquí, el concepto de fuente regulada de alimentación, como un dispositivo electrónico encargado de suministrar un voltaje o una corriente continua, lo más estable posible, a los distintos elementos que se conecte a el.

Fuente regulada de alimentación

Una fuente de tensión regulada utiliza normalmente un circuito automático de control que detecta, prácticamente de un modo instantáneo, las variaciones de la tensión de salida y las corrige automáticamente. En general, todo sistema de control requiere los siguientes elementos básicos:

Elemento de referencia: Para saber si una magnitud ha variado se precisa una referencia, que deberá ser lo más estable posible.

Elemento de muestra: Su misión es detectar las variaciones de la magnitud en cuestión (tensiones, temperaturas, presiones, etc.).

Elemento comparador: Su finalidad es comparar, en todo momento, la referencia con la muestra de la magnitud que pretendemos controlar.

Amplificador de señal de error: La señal de error, que no es más que la diferencia entre la referencia y la muestra, puede ser de un nivel tan bajo que no puedan accionar el elemento. En este caso, debe amplificarse.

Elemento de control: Que interpretada la señal de error, amplificada o no, de modo que contrarreste las variaciones producidas en las magnitudes de salida.

Estos elementos básicos integran normalmente cualquier sistema de control, sea electrónico, mecánico, hidráulico, etcétera.

Transformación de voltaje

En algunos casos, es necesario reducir o aumentar el voltaje o la corriente disponible para alimentar un circuito determinado. Para estos fines, se emplea un dispositivo eléctrico conocido como el transformador de poder. Existen un sin fin de tipos de transformador de poder. El transformador permite obtener voltajes mayores o menores que los producidos por una fuente de energía eléctrica de corriente alterna, por lo general entre 105 y 120 voltios RMS.

Un transformador se compone de dos enrollamientos o embobinados eléctricamente aislados entre sí, devanados sobre el mismo núcleo de hierro o de aire. Una corriente alterna que circula por uno de los devanados genera en el núcleo un campo magnético alterno, del cual la mayor parte atraviesa al otro devanado e induce en él una fuerza electro- motriz también alterna. La potencia eléctrica es transferida así de un devanado a otro, por medio del flujo magnético a través del núcleo. El devanado al cual se le suministra potencia se llama primario, y el que cede potencia se llama secundario. En cualquier transformador, no todas las líneas de flujo están enteramente en el hierro, porque algunas de ellas vuelven a través del aire.

Rectificación

Un circuito rectificador convierte corriente alterna en corriente directa pulsante que luego puede filtrarse en corriente directa pura, emulando la producida por las baterías. Para hacerlo, el rectificador debe conducir corriente con el mínimo de resistencia en dirección hacia la carga y bloquear su flujo en dirección inversa. El diodo, dispositivo semiconductor con sus características de corriente unidireccional y unipolar, es muy adecuado para rectificar.

Rectificador de media onda

El circuito para rectificar media onda se muestra en la siguiente figura. Durante el semiciclo positivo el diodo queda polarizado en directo, permitiendo el paso de la corriente a través de él.

Si el diodo es considerado como ideal, este se comporta como un cortocircuito, (ver gráfico), entonces toda la tensión del secundario aparecerá en la resistencia de carga.

Durante el semiciclo negativo, la corriente suministrada por el transformador querrá circular en sentido opuesto a la flecha del diodo. Si el diodo es considerado ideal entonces este actúa como un circuito abierto y no habrá flujo de corriente.

La forma de onda de salida de un rectificador de media onda será como se muestra en la siguiente figura.

Rectificador de onda completa

En este circuito con puente de diodos, los diodos, D1 y D3 son polarizados en directo en el semiciclo positivo, los diodos D2 y D4 son polarizados en sentido inverso. Ver que la corriente atraviesa la carga RL.

El semiciclo negativo, la polaridad del transformador es el inverso al caso anterior y los diodos D1 y D3 son polarizados en sentido inverso y D2 y D4 en sentido directo. La corriente como en el caso anterior también pasa por la carga RL en el mismo sentido que en el semiciclo positivo.

Filtros

Los filtros son dispositivos eléctricos que tienden a adecuar una tensión alterna para utilizarla como alimentación continua de cualquier circuito. Los filtros de alimentación son sólo una de las aplicaciones de estos pero, debido a su utilidad y simplicidad, vamos a comenzar con ellos.

Filtro con condensador

La tensión de salida del rectificador de 1/2 onda anterior (una onda pulsante) no muestra con claridad un voltaje en corriente continua que se pueda aprovechar (no es constante). Pero si incluimos a la salida de este y antes de la carga un condensador, este ayudará a aplanar la salida.

Cuando el diodo conduce (semiciclo positivo) el condensador se carga al valor pico del voltaje de entrada. En el siguiente semiciclo, cuando el diodo está polarizado en inversa y no hay flujo de corriente hacia la carga, es el condensador el que entrega corriente a la carga (el condensador se descarga a través de la resistencia de carga). El condensador al entregar corriente a la carga se descarga (disminuye el voltaje en sus terminales).

Tensión de rizado

A la variación del voltaje ("V) en los terminales del condensador debido a la descarga de este en la resistencia de carga se le llama tensión de rizado. La magnitud de este rizado dependerá del valor de la resistencia de carga y al valor del condensador.

En el semiciclo positivo el transformador entrega corriente, a través del diodo, al condensador C y a la resistencia R. En el semiciclo negativo es el condensador el que entrega corriente a la resistencia (se descarga).

Si el condensador es grande significa menos rizado, pero aún cumpliéndose esta condición el rizado podría ser grande si la resistencia de carga es muy pequeña (corriente en la carga es grande).

Filtrado de onda completa

La salida del rectificador de onda completa es pulsante y para "aplanarla" se pone un condensador en paralelo con la carga. Este condensador se carga a la tensión máxima y se descargará en RL mientras que la tensión de salida del secundario del transformador disminuye a cero ("0") voltios, y el ciclo se repite.

Filtro RC

La figura muestra dos filtros RC entre el condensador de entrada y la resistencia de carga. El rizado aparece en las resistencias en serie en lugar de hacerlo en la carga. Unos buenos valores para las resistencias y los condensadores serían:

R = 6,8 ohmios

C = 1000 micro faradios

Con estos valores cada sección atenúa el rizado en un factor de 10, y pueden ser empleadas varias etapas en cascada.

La desventaja principal del filtro RC es la pérdida de tensión en cada resistencia. Esto quiere decir que el filtro RC es adecuado solamente para cargas pequeñas. Es muy útil cuando tienes un circuito digital controlando relés, en ocasiones estos relés crean ruidos en la alimentación provocando el mal funcionamiento del circuito digital, con una sección de este filtro para la alimentación digital queda solucionado el problema.

Filtro LC

Cuando la corriente por la carga es grande, los filtros LC de la figura presentan una mejora con respecto a los filtros RC. De nuevo, la idea es hacer que el rizado aparezca en los componentes en serie, las bobinas en este caso. Además, la caída de tensión continua en las bobinas es mucho menos porque solo intervienen la resistencia de los arrollamientos.

Los condensadores pueden ser de 1000 µF y las bobinas cuanto más grandes mejor. Normalmente estas últimas suelen ocupar casi tanto como el transformador y, de hecho, parecen transformadores, menos mal que con una sola sección ya podemos reducir el rizado hasta niveles bajísimos.

Regulación

El concepto de fuente de alimentación engloba el conjunto de transformación, rectificación y regulación de la fuente eléctrica primaria. El regulador es el componente de la fuente que se intercala entre la fuente de alimentación con salida no regulada, es decir rectificada y filtrada, y la carga.

El regulador es un dispositivo activo en el que se producen los cambios pertinentes para que la salida permanezca estable. Esto se consigue comparando la salida con una referencia de buena estabilidad y utilizando el resultado de dicha comparación para producir los cambios internos precisos. El regulador opera, por lo tanto, como un servomecanismo cuyo tiempo de respuesta es finito y cuyo error en la estabilidad es función de la ganancia del bucle de realimentación.

Clasificación y tipos de reguladores

Existen fundamentalmente dos clases de reguladores

Reguladores lineales
Reguladores conmutados

Los reguladores lineales operan con corriente continua a la entrada de un nivel siempre superior a la salida deseada, y equivalen a una resistencia cuyo valor se ajusta automáticamente, y está conectada entre la entrada y la salida que, por efecto Joule, disipa en forma de calor el exceso de potencia eléctrica disponible en la fuente primaria, lógicamente siempre superior a la que exige la carga. Su rendimiento energético es por tanto siempre inferior a la unidad, pues lo contrario significaría la inexistencia del regulador.

Los reguladores conmutados operan de forma absolutamente diferente, con el fin de no desperdiciar energía en forma de calor. Para ello se hace intervenir un parámetro no eléctrico: el tiempo.

Como su nombre indica, su principio de funcionamiento está basado en un conmutador que interrumpe el suministro de corriente en la fuente primaria, a intervalos de duración variable con respecto a los de conducción, haciendo automáticamente que el valor medio de la energía conducida coincida con las necesidades de la carga. Como no existe en ellos ninguna pérdida intencionada de energía, el rendimiento teórico será la unidad. Además, en algunos casos, pueden funcionar con corriente continua pulsante como es una señal alterna rectificada sin filtrar.

Los reguladores conmutados pueden funcionar a frecuencia fija o variable, pues lo importante es la relación de tiempos de conducción y bloqueo. No obstante, su control resulta más fácil si la frecuencia es constante, de un valor que en principio puede ser cualquiera. Cuando se utiliza la red como fuente primaria, resulta muy cómodo utilizar su frecuencia, que ya está disponible, y como la simplificación es importante, se debe proceder a la rectificación simultáneamente con la regulación.

Diagrama de bloques de una fuente de alimentación con regulador electrónico lineal

Diagrama de bloques de una fuente de alimentación con regulador electrónico conmutado

Reguladores lineales básicos

Existen dos tipos:

Reguladores lineales en serie con la carga
Reguladores lineales en paralelo con la carga

Aunque ambos reguladores operan con la misma eficacia, bajo consideraciones energéticas existe entre ellos una diferencia fundamental. Mientras que en el regulador serie la energía sobrante, disipada intencionadamente en forma de calor, aumenta en proporción directa con la carga a que es sometida la fuente; en el regulador paralelo la energía disipada en el regulador disminuye cuando aumenta la carga. Esto es un contrasentido cuando se demande de la fuente una carga muy inferior a sus posibilidades. Además, el regulador paralelo tiene un elemento más que también disipa calor, una resistencia por la que circulan las corrientes de carga y del propio regulador.

Diagrama de bloques de un regulador electrónico serie y otro paralelo

Por tanto, sea cual sea la situación, una fuente primaria con un regulador paralelo entrega siempre una potencia igual o superior a una fuente primaria con un regulador serie funcionado en las mismas condiciones, es decir el rendimiento del primero es inferior o igual al del segundo. Esto se debe a que en la resistencia que acompaña al regulador paralelo, se disipa la misma potencia que en el regulador serie.

Por otro lado, el regulador paralelo impide que las variaciones de corriente de la carga aparezcan en la fuente primaria. Esto le proporciona una facultad de aislamiento entre la carga y la fuente primaria que es importante en ciertos casos en que se manejan frecuencia elevadas y diferentes cargas.

En caso de sobrecarga, los reguladores serie reciben el impacto directo de dicha sobrecarga por lo que son más frágiles que los reguladores paralelo.

Prácticamente los reguladores en paralelo se ven relegados a un segundo plano, usándose sólo en casos de bajo consumo de energía o cuando es muy importante la interacción entre equipos o secciones del mismo alimentadas por una única fuente primaria. El caso más conocido es el de un circuito regulador con diodo zéner.

3. MATERIALES.

RESISTENCIAS

R1=2,7 Kohms (Rojo-Violeta-Rojo)
R2=220 Ohms (Rojo-Rojo-Marrón)
R3=Potenciómetro 10 Kohms Lineal

CAPACITORES

C1=4700 μF 63V (Electrolítico)
C2=10 μF 63V (Electrolítico)
C3=22 μF 63V (Electrolítico)
C4=100 nF 100V (Poliester)

SEMICONDUCTORES

IC1=LM317HVK
D1 a D6=1N5404
D7=1N4148
L1=Led verde 5mm

VARIOS

Transformador 220/40V 2A
Disipador para IC1

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Los diodos D1 a D4 forman un rectificador de onda completa, en cuya salid tenemos el capacitor C1 que trabaja como filtro A la salida del filtro encontramos el circuito integrado con sus componente asociados. R2 y R3 forman el divisor resistivo que se utiliza para variar la tensión d salida de la fuente.

El diodo D5 protege al circuito integrado de la descarga de C2.C3 y C4 eliminan todo tipo de parásitos y oscilaciones de la salida de la fuente. El led se utiliza para indicar que la fuente está encendida.

En caso de producirse un cortocircuito a la salida, IC1 comenzará a elevar s temperatura hasta llegar a un punto en donde comienza a actuar el circuito interno d protección, el cual desconecta a IC1, con lo cual la temperatura irá descendiendo hasta alcanzar el nivel normal. Este circuito de protección solo dejará de funciona cuando desaparezca el cortocircuito.

La máxima corriente de salida es de 1,5 A.

NOTAS DE MONTAJE

1- El circuito integrado se montará sobre un disipador del tipo 1 grado C/W aislado delo mismo mediante mica, niples y grasa siliconada.

2- Características del disipador:Resistencia térmica= 2,9 ºC / W

3- R2 y D5 se montan fuera de la plaqueta, directamente sobre los terminales de del circcuito integrado IC1.

4- Si se desea se puede colocar en serie con el cable de salida (+) un fusible d 2A como protección.

5- El Led se coloca fuera de la plaqueta, en el frente del gabinete.

6- La máxima diferencia de tensión que soporta IC1 entre su salida y su entrada es de 60 Vcc.

4. GRAFICO DEL CIRCUITO.