Práctica 2 Fuente regulada PDF

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA EINDUSTRIAS EXTRACTIVASDEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICAINDUSTRIALACADEMIA DE DISEÑO E INGENIERÍAS DE APOYOLABORATORIO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA YELECTRÓNICAPRÁCTICA 2: FUENTE VARIABLE REGULADA DECORRIENTE CONTINUA DE 1-33VTORRES LE...

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA INDUSTRIAL ACADEMIA DE DISEÑO E INGENIERÍAS DE APOYO LABORATORIO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA PRÁCTICA 2: FUENTE VARIABLE REGULADA DE CORRIENTE CONTINUA DE 1.2-33V TORRES LEDEZMA OMAR ALEJANDRO BOLETA 2020320750 PROFESOR JUAN ARTURO SÁNCHEZ PASCUALLI GRUPO: 2IM34

CICLO: 2021-2

Fuente variable regulada de corriente continua de 1.2 – 33V. OBJETIVOS GENERALES: *Al término el alumno conocerá las partes que integra una fuente de corriente continua de 1.2-33 volts y también su construcción físicamente. * Conocerá las aplicaciones que se le dan a la fuente de corriente continua y su funcionalidad. *En esta práctica se demostrará que la corriente continua se trasmite en forma de onda rectificada, ya sea cuadrática, diente de sierra, etc. *Se conocerán las especificaciones de dicha fuente de corriente directa, como son: -Tensión nominal de entrada: ______________________________________ -Frecuencia: ___________________ Hertz -Tensión de salida: ________________________________________________ MATERIAL EMPLEADO: ATENCION: El siguiente material es parte del Kit de SISCOM o IMORI Kits (no es necesario comprar las partes por separado) a menos que así se especifique, preferentemente adquiera la fuente SISCOM CON DISPLAY o bien la de Pigra (consulte a su profesor para las recomendaciones): Partes que contiene el KIT a). - T1 - Transformador con primario adecuado para la red eléctrica (120 Volts A.C.) y secundario de 28Volts C.A. a 1.5 Amperes. b). - IC1 – Circuito integrado LM317T (Regulador de tensión) y disipador c). - 4 diodos rectificadores para 1A y tensiones de 100V o más tipo 1N40021N4007 o similar. d). - C1 – 2 Condensadores o Capacitores Electrolítico (filtro) 1000F a 50V. Se montan en paralelo en la tarjeta para sumar 2000 F a 50V. e). - C2 – Condensador o Capacitor cerámico 0.1F a 50V. f). - C3 – Condensador o Capacitor electrolítico 10F a 50 v. g). - R1 – Resistencia de 3300  a ½Watt. h). - R2 o VR1 – Potenciómetro 5K lineal (no logarítmico). Nota: Los componentes a continuación SI deben ser conseguidos o adquiridos. i). - Multímetro digital (que sea capaz de medir mA y Amperes en modo C.A y C.C. j). - Pinzas de pequeñas para electrónica. k). - Desarmador plano ¼ l). - Soldadura y Pasta para Soldar 60/40. m). - Cautín de Punta para Soldar n). - Clavija con su cable de un metro de distancia. o). - Cinta de aislar. p). - 50 cm de cable calibre 22 (tipo para conexión de bocinas) para hacer conexiones, preferentemente rojo y negro.

CONSIDERACIONES TEÓRICAS. La presente práctica consiste en la elaboración de una fuente de corriente directa variable entre 1.25 V y 30-33 Volts se salida corriente directa o C.D. Inicialmente requerimos reducir el valor del voltaje de la línea eléctrica de suministro que usualmente es de 120 Volts corriente alterna o C.A. Para ello debemos emplear un transformador con las características adecuadas a los valores que habremos de ocupar, la selección del transformador es crucial para un proyecto exitoso, debe tenerse en cuenta los valores de voltaje y corriente que deseamos obtener a la salida de la fuente ya que, de otro modo, si la elección del transformador es incorrecta será muy difícil, sino que imposible su realización. En nuestro caso usaremos un pequeño transformador con un voltaje en el primario de 120 V C.A. (aunque puede elegirse otro valor si el suministro fuera diferente) la salida en el secundario debe ser de entre 24 y 28 V C.A. a 1.0 o 2.0 amperes. Con o sin derivación central (en este caso no se ocupa, pero algunos modelos la tienen incluida). Estos valores determinan el valor de potencia máxima a la que el transformador funciona y cuanta energía podemos esperar de él, si nuestras necesidades fuesen diferentes es indispensable seleccionar el transformador con valores adecuados a la carga que requerimos. A la salida del transformador obtendremos una señal senoidal que es indispensable rectificar para obtener corriente directa, esto se logra mediante un dispositivo conformado por cuatro diodos rectificadores configurados como puente rectificador, los diodos que lo constituyen debe soportar al menos el valor de corriente que deseamos obtener a la salida de la fuente, es decir, como mínimo un ampere y un voltaje inverso de al menos 2 veces el valor pico a pico de la salida del transformador o sea cuando menos 100 volts, los diodos de la serie 1N400X, donde X puede ser 1, 2 ,3,4,5,6 o 7 tienen valores de 100, 200, 300, 400 volts y así sucesivamente, todos a 1 ampere máximo, de modo que resultan adecuados para esta aplicación, en este caso cualquiera de ellos es adecuado para nuestro propósito, en caso de emplear un puente de diodos monolítico este debe poseer parámetros similares es decir corriente de 1 ampere y al menos 200 volts de voltaje inverso. A la salida del puente rectificador instalaremos uno o más capacitores de filtrado cuyo propósito es el de cargarse al valor pico de la salida del puente de diodos, posteriormente se describe el cálculo del valor adecuado de este componente, la función de estos es estabilizar los pulsos que se obtienen a la salida del puente rectificador.

A la salida de estos capacitores ya tenemos corriente directa, pero es muy elevada, recuerde que obtenemos el valor pico de la salida del transformador eso debe ser de aproximadamente 35 o 40 volts de C.D. La siguiente etapa es el regulador, en este caso usamos un circuito integrado monolítico de salida variable entre 1.25 y 30 volts del tipo LM 317T el cual requiere de una resistencia un potenciómetro (control) para ajustar su salida y dos capacitores que aseguran que su funcionamiento sea

estable. Observe la configuración de las patas de este componente para que sea colocado en forma correcta ya que de no hacerlo no operará o resultaría dañado, también debe tomarse muy en cuenta que este dispositivo DEBE ser enfriado ya que al operar a corrientes elevadas se calienta y es indispensable disipar ese calor por medio de una aleta enfriadora de aluminio de dimensiones adecuadas. El Rectificador. Los diodos rectificadores deben poder ser capaces de soportar de forma continua valores de corriente que, según que aplicaciones, puede llegar a ser elevada o muy elevada. Además, deben soportar picos de corriente varias veces mayores que su corriente nominal máxima de funcionamiento. En cuanto a las características de tensión, es normal que puedan trabajar con tensiones inversas de algunos cientos de volts. Para rectificar una tensión debemos tener muy claro el tipo de fuente que vamos a necesitar, en contadas ocasiones optaremos por una rectificación de media onda, en la mayoría de los casos, es muy conveniente disponer de un rectificador de onda completa, para minimizar el rizado. Los diodos rectificadores encargados de esta función deben de poder disipar la potencia máxima exigible además de un margen de seguridad. También están los puentes rectificadores que suelen tener parte de la cápsula en metálico para su adecuado enfriamiento, los diodos son de silicio (comercialmente llamados de silicón). En algunos casos los rectificadores están provistos de un disipador de calor adecuado a la potencia de trabajo, de todas formas, se debe tener en cuenta este factor. La tensión nominal del rectificador debe tener en sí mismo un margen para no verse afectado por los picos habituales de la tensión de red, para una tensión de secundario simple de 40V, debemos usar un diodo de 80V como mínimo, en el caso de tener un secundario doble de 40V de tensión cada uno, la tensión del rectificador debe ser de 200V y la potencia es algo más simple de calcular, ya que se reduce a la tensión por la intensidad y aplicaremos un margen de 10 a 30 Watts por encima de lo calculado, como margen.

Símbolo de un diodo

En nuestro caso usamos diodos tipo 1N400X Donde X, puede ser 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Este último digito relaciona el valor del voltaje máximo que tolera el diodo y es 1 para 100Volts 2 para 200 Volts 3 para 300 Volts, etc. Cualquiera de ellos es apto para soportar 1 ampere y el valor del voltaje de salida que usaremos en nuestra fuente. Observe que el diodo solo conduce en un sentido por lo que dejará pasar la corriente solo si el cátodo es más negativo que el ánodo y no conduce en sentido inverso, de aquí su uso como rectificador. Tomemos como ejemplo un diodo rectificador muy difundido, el 1N4007. Tiene aplicaciones en fuentes de alimentación de pequeña potencia de salida. Sus principales características son: *Picos repetitivos de tensión inversa: 1 000V máximo. *Picos no repetitivos de tensión inversa: 1 200V máximo. *Tensión inversa máxima de forma continua: 700V. *Corriente nominal directa máxima: 1A. *Picos de corriente directa no repetitivos: 30A máximo. De estos datos podemos deducir que este diodo puede ser usado a una corriente de 1 ampere máximo y un voltaje inverso de hasta 700 Volts, lo que resulta adecuado en nuestro caso. Los diodos también pueden ser configurados dentro de “paquetes” que contienen cuatro diodos conectados internamente como un puente el cual es usado como rectificador de onda completa principalmente. La configuración es la siguiente:

Fuente de Imori Kits

Existen varias capsulas para este dispositivo, aunque su función es muy similar, la diferencia básica es su capacidad de manejo de voltajes y corrientes. En el caso de nuestra fuente, los diodos son del tipo sencillo y es indispensable soldarlos correctamente para configurar el puente rectificador.

Como medir un diodo:

El circuito integrado regulador. El regulador. Como regulador de voltaje usamos un circuito tipo LM317, en su interior hay un circuito integrado complejo, sin embargo, para simplificar su uso solo tiene 3 pines que son una entrada de voltaje, una salida y el pin de ajuste. Este circuito es un regulador variable desde 1.2 hasta 35 volts aproximadamente y está protegido contra calentamiento excesivo y cortocircuito a la salida, sin embargo, se recomienda enfáticamente no someterlo a corto circuito a la salida y colocarle un disipador de calor adecuado a la potencia máxima que se maneja.

En el caso de necesitar corrientes superiores a 1A, pueden utilizarse los reguladores de la serie 78HXX, LM3XX, en cápsula TO-3, por ejemplo, el LM350K, capaces de suministrar hasta 5A. De izquierda a derecha y observando el dispositivo como muestra la figura tenemos la pata 1 es el ajuste, esta será responsable de proporcionar la referencia para la salida del regulador, observe el diagrama, se conecta a la salida por medio de una resistencia de 220 ohms y el control de 5 k ohms para hacer el ajuste. La pata del centro también está conectada a la parte metálica del componente tenga esto en cuenta para no cortocircuitar ya que es la salida del regulador, finalmente tenemos la pata 3 que es la entrada de voltaje no regulado la cual proviene de la salida del puente de diodos y después de los capacitores de filtrado. Este circuito integrado es muy resistente pero requiere de dos cosas muy importantes: La primera es que sea conectado conforme a sus especificaciones y en forma correcta y el segundo es proporcionarle un elemento metálico o disipador en el que pueda transferir el calor que genera cuando se le demanda corriente a su salida, esto debe ser una placa grande de aluminio de ser posible del tipo adecuado a este circuito integrado debe aislarse bien para que no se produzca cortocircuito y preferentemente usar grasa de transferencia térmica entre el encapsulado y el disipador metálico para facilitar la transferencia térmica. Si se cumplen estos requisitos el dispositivo es muy seguro y poco propenso a fallas o daños, es muy estable. Si lo que se desea es en valor fijo a la salida de la fuente, entonces puede emplearse otro tipo de circuito integrado el cual no tiene pata de ajuste, su conexión es más sencilla pero no habrá forma de variar el valor de la salida fácilmente. Existen en una gran variedad de valores de salida, incluso para regular voltajes negativos, en todos los casos se debe observar las conexiones correctas y un buen sistema para disipar el calor que generan en su operación, son extensamente usados en la electrónica y en la industria en general. El diseño de fuentes de alimentación estabilizadas mediante reguladores integrados monolíticos (reguladores fijos), resulta sumamente fácil. Concretamente para 1A (ampere) de salida, en el comercio con encapsulado

TO-220, se dispone de los más populares en las siguientes tensiones estándar de salida: Tipo UA7805 UA7806 UA7808 UA7809 UA7812 UA7915 UA7818 UA7824 UA7830 UA79XX

Voltaje de salida 5 6 8 9 12 15 18 24 30 Versión negativo TABLA 1

Todos estos tienen reguladores en común que son fijos y que proporcionan adecuadamente refrigerados una corriente máxima, de 1A. Además de estos, en el mercado se pueden encontrar reguladores ajustables a tres patillas o más, con diferentes encapsulados en TO-220AB, TO-3 y SIL, según la potencia y el fabricante. Los más populares son los 78MG, LM200, LM317, LM337 y LM338, etc. Los fabricantes de los reguladores recomiendan que la tensión entrada por el secundario del transformador debe ser como mínimo 3V superior a la tensión nominal del regulador (para un 7812, la tensión del secundario mínima será de 15V o mayor), esto también tiene que ver con la intensidad de consumo que se le exija a la salida de la fuente. En el supuesto de necesitar una tensión regulable (ajustable) desde 1.5V a 24V. El regulador a utilizar podría ser uno de la serie LM317, LM350 o LM338, la diferencia con los anteriores es que le terminal común, en lugar de estar conectado a masa (negativo), es del tipo flotante y por lo tanto esto permite ajustarle en tensión. Estos son los encapsulados típicos.

El transformador. El transformador para una alimentación estabilizada debe ser, un transformador separador, esto quiere decir, que ha de disponer por seguridad, de dos devanados separados (eléctricamente), algunos tienen una conexión central del devanado de salida que se llama center tap o derivación central que en nuestro caso no emplearemos y que es indispensable aislar si el transformador la tuviera. Otro requisito es que el valor de la tensión de salida debe necesariamente ser superior al valor de tensión regulada que especificamos como salida, esto es para tener un margen de regulación. Por consiguiente, a la tensión que le exijamos a la fuente de alimentación, hemos de añadirle entre 3 y 6V por las caídas de tensión producidas al rectificar y estabilizar la tensión e intensidad. Hay dos tipos de transformador, los de armadura F o E-I y los toroidales, estos últimos son muy eficientes, pero de un costo muy elevado. Como identificar el embobinado primario del secundario: con su multímetro colocado en la escala más baja de ohms ponga las puntas de prueba en las terminales del transformador, observe que tiene al menos dos pares de cables identificados con colores diferentes, mida los del mismo color, la pareja de cables en los que se obtenga la mayor lectura debería ser el primario, en este caso.

El condensador electrolítico. Para diseñar una fuente de alimentación, hay que tener en cuenta algunos factores, uno de ellos es la corriente que se le va a pedir, ya que este es el factor más importante además de la tensión. Para determinar el valor del condensador electrolítico que se debe aplicar a la salida del puente rectificador en onda completa para “alisar” la corriente pulsante a la salida del puente rectificador se aplica una regla empírica que dice: “Usar 2 000F por cada ampere de salida que se requiera” La tensión o voltaje de trabajo, así como el valor de temperatura debe ser de al menos 50% arriba del valor que esperamos como máximo en la salida del dispositivo rectificador (puente de diodos) la temperatura máxima en ningún caso debe alcanzar el 50 % del valor especificado en el capacitor. Debido a su construcción que es de fibras embebidas en un electrolito, estos dispositivos observan una polaridad que debe estar claramente marcada en el cuerpo del componente, debe tenerse especial cuidado en no invertir la polaridad

ya que los capacitores electrolíticos pueden estallar cuando se colocan con polaridad invertida, tenga especial atención en observar que este componente se coloque correctamente, si tiene dudas pregunte a su profesor.

Banda indicando la pata negativa

*Como calcular el valor del capacitor de filtrado para una fuente de voltaje C= 3Ct/Rint fte Dónde: C = Valor del capacitor en Farad Ct = Constante de tiempo Rint fte = Resistencia interna de la fuente Ct= 1/Frec Frec = frecuencia de operación, ya sea 50, 60, 100 o 120 Hertz (Usamos 60 X2=120 Hertz)

Rint fte= V/I Donde V = Voltaje RMS rectificado a la salida en volts corriente continua I = Corriente máxima nominal de operación o salida máxima del transformador. Despejando y simplificando: C= 3I/f x V Ejemplo: Si tenemos una fuente rectificando a ciclo completo y tenemos un voltaje de salida de 28 Volts y la corriente es de 1.5 Ampere. ¿Qué valor de capacitor deberíamos emplear? C= 3I/f x V = 3 (1.5)/120 * 28 = 4.5/3360 = 0.0013392 farad

O bien 1340 F a 40 V (al menos), para efectos prácticos de diseño consideraremos un valor mayor, o sea unos 2000 F. Este valor no es comercial, ya que estos componentes solo se encuentran en ciertos valores así que debemos usar el valor comercial superior más próximo o sea 2200F. Alternativamente y por costo tal vez resulte adecuado usar 2 capacitores de 1000F. En paralelo para sumar 2000F. De aquí resulta el empirismo de decir que por cada ampere que se desea obtener de la fuente se necesita colocar un capacitor de AL MENOS 2000 F por cada ampere. Como se ha mencionado la tensión se debe sobre dimensionar, esta debe ser al menos 50% mayor que la tensión que se recoja en el secundario del transformador o la más aproximada a ésta por encima (estándar en los condensadores). Este es el margen de seguridad exigible, ya que en muchas ocasiones los valores de tensión a los que se exponen no solo dependen de la tensión nominal, también hay tensiones parásitas que pueden perforar el dieléctrico. NOTA: La fuente IMORI, no tendrá nunca una salida de cero exacto, aun con el control al mínimo se va a leer un voltaje de 1.25 volts D.C. aproximadamente, esto es a causa del tipo de regulador de voltaje que se emplea en su construcción y es completamente normal.

DESARROLLO EXPERIMENTAL Experimento 1 En primer lugar, verificar que el kit tenga todo el material completo, que es: Semiconductores Regulador LM317 o sustituto equivalente. 4 diodos rectificadores 1N4001 a 4007. Diodo emisor de luz (LED) rojo. Resistores a ½ W. 3.3K a 4.7 K (naranja-naranja-rojo-oro). Potenciómetro 5K lineal. Resistencia de 220 ohms (rojo-rojo-café-oro). Capacitores. Electrolítico 2 de 1000 μF o uno de 2200 μF. Cerámico 0.1 a 0.18 μF. Electrolítico 1 a 10 μF. Varios

Transformador 127VCA a 28 V 1.5 A. Fusible 0.5 a 1 A. Disipador de calor. Hembra banana rojo y negro. Conector para puntas de Multímetro. Interruptor. Caja de plástico para contenerla y tornillos diversos. Clavija de conexión.

Diagrama esquemático.

Al concluir el montaje, verificar que no haya continuidad entre los terminales del LM317 y el disipador metálico, con el fin de prevenir un corto circuito. Fuente Regulada De todas las fuentes reguladas propuestas, esta es la más recomendable para los estudiantes, es sencilla. Se les recomienda que sean cuidadosos y eviten someterla a cortocircuitos, ya que de inmediato sobrecalientan los componentes rápidamente, en el mejor de los casos y si el cortocircuito es continuo se dañarán permanentemente. Si desea ampliar la corriente debe de incluir un transistor de paso y cambiar varios componentes más, consulte a su profesor si desea hacer este cambio. Esta fuente utiliza el circuito integrado LM317 (encapsulado TO 220) el cual permite variar la tensión de salida entre 1.25 y 33 V con corrientes hasta de Ampere. La única precaución que se debe tomar es montar IC1 en un buen disipador térmico.

EXPERIMENT...