Fuente simetrica PDF

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fuente simetrica regulable ...

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MODELO “D” FUENTE DOBLE SALIDA VARIABLE (POSITIVA Y NEGATIVA)

INDICE 1.

Introducción…………………………………………………………………..

2.

Teoría…………………………………………………………………………

2.1.

Transformador……………………………………………………………….

2.2.

Diodo………………………………………………………………………….

2.3.

Condensador

2.4.

Regulador

2.5.

Transistor

3.

Aplicación

4.

Funcionamiento

4.1.

Transformación de entrada:

4.2.

Rectificación

4.3.

Filtrado

4.4.

Regulado

5.

Complejidad

6.

Objetivos

6.1.

Objetivo General

6.2.

Objetivos Específicos

7.

Diseño, análisis y montaje del proyecto

7.1.

Partes de su diseño

7.1.1. Diagrama de bloques 7.1.2. Explicación por partes del diagrama de bloque 7.1.2.1.

Circuito Rectificador

7.1.2.2.

Filtraje

7.1.2.3.

Estabilizador de voltaje:

1

7.1.3. Explicación del diagrama de bloques en conjunto 7.2.

cálculos

7.2.1. Cálculo de alimentación de energía 7.3.

Cálculos del Circuito

7.3.1. Cálculo de componentes 7.3.1.1.

Transformador

7.3.1.2.

Puente de Diodos

7.3.1.3.

Condensadores

7.3.1.4.

Regulador de Voltaje

7.4.

Diseño circuito en general

7.5.

Simulación de diseño acoplado en protoboard

7.5.1. Análisis de resultados 9.

Parámetros de diseño

9.1.

Alimentación del circuito

9.2.

Máximo trabajo

9.3.

Manual de uso

9.4.

Mantenimiento

9.5.

Cuidado en su funcionamiento

10.

Imágenes proyecto terminado

10.1. Foto en general con explicación 10.2. Foto a cada bloque 11.

Conclusiones

12.

Ideas para mejorar el proyecto

13.

Conocimientos adquiridos

14.

Informe adquisición de material

15.

Bibliografía

2

1. Introducción De todas las formas de energía que utilizamos hoy en día, la energía eléctrica es la más versátil, cómoda y limpia en su consumo, aunque no en su producción. La electricidad era la palabra mágica a finales del siglo XIX. Desde las tentativas iniciales de Benjamín Franklin o de Michael Faraday hasta la tecnología del telégrafo, las aplicaciones para la electricidad crecían continuamente, desde el uso en la iluminación hasta el uso en motores y electrodomésticos. Las centrales eléctricas se multiplicaban por Europa y Estados Unidos, la primera instalación para la producción eléctrica comercial del mundo fue de Thomas Edison. El sistema de Edison, que utilizaba la corriente continua (DC), era poco adecuado para responder las demandas en cuanto se popularizo el uso de la electricidad y los consumos subieron, por lo que la corriente continua fue sustituida por corriente alterna (AC), patentada por Nikola Tesla. El problema con las centrales eléctricas que distribuían electricidad en el sistema de corriente continua era el transporte, puesto que la transmisión interurbana de grandes cantidades de DC en 110 voltios era muy costosa y sufría enormes pérdidas por disipación en forma de calor, las pérdidas en la transmisión de electricidad dependían de la intensidad de la corriente que circulaba por la línea. Se calcula que entre el 20 y 30 % de la energía generada en corriente alterna se transforma en calor durante su transporte desde las centrales hasta los receptores de viviendas, industrias, alumbrados públicos entre otros Tesla argumento que, para la misma transmisión de potencia, y siendo esta producto de la intensidad por el voltaje (P=V*I), a mayor voltaje, menor intensidad de corriente es necesaria para transmitir la misma potencia y, por lo tanto, menores pérdidas. Y a diferencia de la DC, el voltaje de la AC se puede elevar con un transformador para ser transportado largas distancias con pocas pérdidas en forma de calor. Entonces, antes de proveer energía a los clientes, el voltaje se puede reducir a niveles seguros y económicos. En la actualidad toda Europa, Groenlandia y la mayor parte de América del Sur, junto a casi la totalidad de África, Asia y Oceanía usan corriente alterna a 230 V (±10%). Los demás países, principalmente Japón y el resto de América, usan de 100 a 127 V. En nuestros hogares nos llega energía en corriente alterna con un valor de 220 V y 50 Hz de frecuencia. Los electrónicos y electrodomésticos en nuestro hogar se alimentan con corriente continua pero el suministro que recibimos de la red llega en forma de corriente alterna. Los electrónicos más pequeños como ser una batería de celular o una computadora usan voltajes bajos en 3

corriente continua. Esto hace necesario que cada aparato necesite una fuente de energía capaz de rectificar las tensiones recibidas en AC en una línea recta DC y reducir el voltaje dependiendo del que necesite.

2. Teoría La fuente de alimentación (power supply en inglés) es como su nombre indica, la encargada de suministrar energía eléctrica a los distintos elementos que componen nuestro sistema informático. La electricidad que llega hasta nuestros hogares u oficinas es del tipo conocido como “corriente alterna” y nos es suministrada habitualmente con una tensión (o voltaje) que suele ser de alrededor de 115 o 230 voltios. Este tipo de corriente no es en absoluto adecuada para alimentar equipos electrónicos, y más concretamente dispositivos informáticos, en donde es necesario trabajar con corriente continua y voltajes mucho más bajos. Por tanto, este dispositivo es el que se encarga de “reducir” el voltaje (mediante un transformador) y posterior mente convertir la corriente alterna en continua (con un puente de diodos) para finalmente filtrarla (mediante condensadores electrolíticos).

2.1. Trasformador El trasformador de entrada reduce la tensión de red (generalmente 220 o 120 V) a otra tensión más adecuada para ser tratada. Sólo es capaz de trabajar con corrientes alternas, quiere decir que la tensión de entrada será alterna y la de salida también. El transformador cuenta con dos bobinados, llamados primario y secundario. Pueden transformar, aumentar o disminuir, el voltaje dependiendo del número de vueltas o espiras en cada bobinado.

El símbolo para un transformador es el siguiente:

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2.2. Diodo El diodo semiconductor es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede encontrar, prácticamente en cualquier circuito electrónico. Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio. Constan de dos partes, una llamada N y la otra llamada P, separados por una juntura llamada barrera o unión. Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el diodo de germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio. Un diodo solo conduce en un solo sentido, cuando está polarizado directamente, impidiendo la circulación de la corriente en sentido contrario. Los diodos tienen muchas aplicaciones, pero una de las más comunes es el proceso de conversión de corriente alterna a corriente continua. En este caso se utiliza el diodo como rectificador. Se puede usar un rectificador de media onda o de onda completa, la segunda es la más eficaz ya que con el de media onda estamos derrochando energía, ya que solo usamos la mitad de la onda completa. Usando un puente de diodos usado como un rectificador de onda completa obteniendo una onda pulsante, como se ve en el circuito siguiente:

Donde, para el primer semiciclo positivo de la entrada, D1 y D3 debe estar polarizado directamente, para que circule la corriente; D2 y D4 polarizados inversamente para que impidan que la corriente circule por ellos. Al rectificar al secundario se le restan las caídas de tensión de los diodos. 5

2.3. Condensador Se denomina condensador al dispositivo formado por dos placas conductoras cuyas cargas son iguales, pero de signo opuesto. Básicamente es un dispositivo que almacena energía en forma de campo eléctrico. La diferencia de voltaje es proporcional a la carga eléctrica que es capaz de almacenar el condensador. Esa proporcionalidad se mide mediante un valor conocido como capacitancia (C), cuya unidad es el Faradio. Existen muchísimos tipos de condensadores diferentes. En función de su capacitancia, del voltaje que soportan y del material con el que han sido construidos. Los más comunes son de electrolíticos, cerámicos y poliéster. Los condensadores electrolíticos tienen polaridad y tienen mayor capacitancia que los cerámicos y poliéster, los cuales no tienen polaridad. El símbolo de un condensador es:

2.4. Regulador Un regulador de tensión o regulador de voltaje es un dispositivo electrónico diseñado para mantener un nivel de tensión constante. Los reguladores electrónicos de tensión se encuentran en dispositivos como las fuentes de alimentación de los computadores, donde estabilizan las tensiones de corriente continua usadas por el procesador y otros elementos. El LM317 es un regulador de tensión lineal ajustable capaz de suministrar en su salida en condiciones normales un rango que va desde 1.2 hasta 37 (V) y una intensidad de 1.5 (A). Sus pines son tres: ajuste (ADJ), entrada (IN) y salida (OUT). El complemento al LM317, pero en tensión negativa es el circuito integrado LM337.

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2.5. Transistor El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El TIP3055 es un transistor de silicio NPN bipolar de 100 V de alimentación, diseñado para aplicaciones de conmutación de energía y para las funciones de amplificación de alta fidelidad. Es complemento del TIP2955 PNP.

3. Aplicación Las fuentes de alimentación se usan en diversos equipos electrónicos y electrodomésticos, desde las televisiones, cargadores de celular hasta componentes del computador, necesitan convertir la tensión que llega de la red eléctrica a una tensión que se pueda usar. En electrónica, toma más importancia ya que los circuitos en los cuales se trabajan son circuitos con voltajes bajos y en continua como ser 5V o voltajes negativos como -5V, por lo que entender y saber diseñar una fuente de alimentación es fundamental para nuestro ámbito profesional.

4. Funcionamiento 7

La función de una fuente de alimentación es convertir la tensión alterna en una tensión continua y lo más estable posible, para ello usa 4 fases o etapas:

4.1.

transformación de entrada

Esta etapa consiste básicamente en transformar, por medio de sus embobinados, el voltaje de 220 AC a voltajes más bajos que se necesitan como 24V o 12 V todos ellos en AC.

4.2. Rectificación Sabiendo que la corriente alterna tiene ciclos positivos y otros negativos, la fuente de alimentación debe mantener la polaridad, es decir rectificar la corriente para que sea siempre positiva, como lo es en corriente continua y quitar los valores negativos. El voltaje transformado que sale del transformador es rectificado por medio de diodos para que solo tenga valores positivos.

4.3. Filtrado Esta etapa queda constituida por uno o varios capacitores que se utilizan para eliminar la componente de tensión alterna que proviene de la etapa de rectificación. Los capacitores se cargan al valor máximo de voltaje entregado por el rectificador y se descargan lentamente cuando la señal pulsante desaparece. Permitiendo lograr un nivel de tensión lo más continua posible.

4.4. Regulado Esta etapa consiste del uso de uno o varios circuitos integrados que tienen la función de mantener constante las características del sistema y tienen la capacidad de mantener el estado de la salida independientemente de la entrada.

5. Complejidad Se realizará una fuente de voltaje simple, con las 4 fases principales más, algunas etapas de protección y etapas de refrigeración para un funcionamiento asegurado contra altas de tensión y calor producido por los componentes.

6. Objetivos 6.1. Objetivos generales Diseño y construcción de una fuente simétrica regulable de 2V a 12V y -2V a -12V y que soporte un amperaje máximo de 2A.

6.2. Objetivos específicos Comprender de forma práctica las diferentes etapas que se lleva a cabo para convertir corriente alterna en continua. 8

Diseñar el circuito en un simulador como Proteus o Multisim. Diseñar el circuito en placa PCB y soldar los componentes.

7. Diseño, análisis y montaje 7.1. Partes de su diseño 7.1.1. Diagrama de bloques

7.1.2.Explicación del diagrama de bloques: 7.1.2.1. Circuito rectificador Para convertir la corriente alterna en continua, necesitamos de un componente semiconductor, es decir que deja pasar la corriente solo bajo unas determinadas condicione. Se usa un puente de diodos de onda completa, los diodos se conectan de forma que inviertan el signo de uno de los semiciclos. De esta forma, en vez de eliminar un semiciclo, se consigue aprovechar, para sacar el máximo rendimiento de la corriente de entrada. Esta conexión de puentes se puede encontrar en integrados.

7.1.2.2. Filtraje El voltaje que sale del circuito rectificador aún está en forma de onda pulsante, aunque sin su parte negativa de la onda. En un ciclo de salida completo, la tensión en la carga aumentara de cero a un valor de pico, para caer después de nuevo a cero. Esta no es la clase de tensión continua que precisan la mayor parte de circuitos electrónicos. Lo que se necesita es una tensión constante, similar a la que produce una batería. Para obtener este tipo de tensión rectificada en la carga es necesario emplear un filtro. El tipo más común de filtro es el del condensador a la entrada, en la mayoría de los casos perfectamente válido. Sin embargo, en algunos casos puede no ser suficiente y tendremos que echar mano de algunos componentes adicionales. El valor de los mismos es calculado dependiendo de los valores de voltajes con los cuales se trabaja.

7.1.2.3. Estabilizador de voltaje

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La corriente aun no es una corriente continua por lo que se debe reducir los altibajos y convertir al voltaje requerido, por lo que se usa integrados los cuales sacaran el voltaje variable que requerimos y con corriente continua.

7.1.3.Explicación del diagrama de bloques en conjunto En conjunto, la entrada de la red eléctrica de 220 V se transformará a un voltaje menor aún en corriente alterna; el cual entrará a la siguiente etapa, el circuito rectificador conformado por un puente de diodos donde la onda sinusoidal se convertirá en onda pulsante. Posteriormente, entrará a la etapa de filtrado donde los condensadores convertirán la onda pulsante en una onda con pequeño rizado, esta entrara a la etapa de protección, el fusible, el cual se quemará si sobrepasa su corriente máxima, para luego entrar a la última etapa, el regulador de voltaje, el cual también regulara el voltaje al deseado.

7.2. Cálculos 7.2.1.Calculo de alimentación de energía

7.3. Cálculos del circuito 7.3.1.Cálculos de componentes 7.3.1.1. Transformador Medición del componente en el laboratorio

Medición Voltaje pico pico Voltaje máximo Voltaje mínimo Voltaje eficaz

Simbología Vpp Vmax Vmin Vrms

Valor 78.80 V 39.20 V -39.60 V 28 V

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Si comparamos con los valores teóricos tenemos: Vrms= Vrms=

Vmax √2

39.20 =27.72V ≈ 28 V √2

Para el transformador, no podemos saber cuántas espiras tiene el primario y cuantas el secundario, pero si podemos conocer su relación de espiras: 2

η= 2

η=

NP V P = N S V rms N P 220 = =7.86 N S 28

Por el primario y el secundario pasan corrientes distintas, la relación de corrientes también depende de la relación de espiras, pero al revés, de la siguiente forma: IS N P 2 = =η IP NS

Donde Ip e Is son las corrientes de primario y secundario respectivamente. Se conoce la corriente máxima del secundario, Is=2A Entonces: 2 =7.86 IP I P=0.254 A=254 mA La potencia de entrada es igual a la potencia de salida en un transformador por lo que se puede calcular la potencia del transformador con, P=I∗V P=I S ×V rms=2 A ×28 V =56 watts

7.3.1.2. Puente de diodos Para elegir el diodo correcto calculamos la corriente pico que pasara por el mismo: I picoD =

V maxDC R perdidas 11

Donde: R perdidas =

Entonces:

R pp η2

I picoD =

+ R ps +2 R pdiodo 12V

68.40 Ω +1.42 Ω+ 2 ( 1) Ω 7.86

=0.99 A

Por lo que el diodo que usaremos debe soportar mínimamente 0.99 A. Pero dado que la fuente debe soportar 2A usaremos diodos de 3A máx. para que nuestros diodos no trabajen a su máxima capacidad.

Haciendo uso del osciloscopio obtuvimos los siguientes valores: Medición Simbología Voltaje rectificado Vrect Frecuencia después Frect del rectificado

Valor 36.40 V 99.80 Hz

7.3.1.3. Condensadores Para la fuente, se necesita calcular la capacidad del condensador mediante la fórmula: C=

5× I f rect ×V rect

C=

5×3 =4.129 ×10−3 F=4129 μF 99.8× 36.40 Por lo que con el voltaje que se maneja es recomendable usar un capacitor mínimamente de 4129 μF, por lo que se eligió un capacitor electrolítico de valor superior al calculado.

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Para el modelo, se necesita dos condensadores electrolíticos, uno para la onda positiva y otro para la negativa que salen del diodo. Se usó dos condensadores electrolíticos de 4700 μF de 50 V máximo.

7.3.1.4. Regulador de voltaje La fuente debe poder entregar voltajes variables, por lo que se usará reguladores integrados de la serie LM317, para los positivos, y LM337 para los negativos. LM317 LM337

1.2 V a 37 V -1.2 V a -37 V

Tal y como lo recomienda el fabricante, con el propósito de mejorar el funcionamiento del regulador se pueden incorporar al diseño algunos elementos adicionales, un condensador cerámico de 0.1 μF, un condensador electrolítico de 10 μF en las patillas de salida (OUT) con el propósito de mejorar la salida a transitorios. Para tener control de la tensión que va a entregar el regulador, se pone un potenciómetro de 5k entre masa, y la patilla de ajuste del regulador. Se pone una resistencia de aproximadamente 220 ohms entre la patilla de ajuste y salida del regulador. Acoplamiento de transistor para mayores corrientes El LM317 soporta un amperaje máximo de 1.5 A para lo cual le añadiremos el transistor TIP3055, cuyo colector se conecta a la salida del bloque rectificador, a la salida del regulador se le agrega una resistencia de aproximadamente 10 ohms, mientras que el emisor será la nueva salida. También le agregamos diodos 1N4007 para proteger el regulador contra posibles cortos circuitos en la entrada del regulador. Lo mismo hacemos con el regulador LM337 conectándolo con un transistor PNP TIP 2955.

7.4. Diseño del circuito en general Con los componentes ya seleccionados se simuló el circuito primeramente en el programa Proteus siendo el esquema el siguiente:

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7.5. Simulación de diseño acoplado en protoboard

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11. conclusiones Una vez concluido el trabajo y analizando los resultados se puede sacar los siguientes resultados: Se aplicó los conocimientos adquiridos en Electrónica I sobre diseño de fuentes de alimentación. La fuente funciona a la perfec...