INTRODUCCION

La evolución de nuestra sociedad está ligada a la de la electrónica. Constantemente convivimos con la electrónica sin ni si quiera darnos cuenta.

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 es alterna. Es decir, no siempre disponemos de una fuente eléctrica continua.

En Ecuador 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 que son los encargados de adecuar los valores de la red de distribución a los valores necesarios para que los circuitos electrónicos funcionen adecuadamente y no sufran daños.

Limitar y controlar la corriente máxima de un circuito es generalmente uno de los requisitos indispensables en cualquier fuente regulada, así como también en algunos circuitos, que, al igual, pueden sufrir un cortocircuito.

No solamente buscamos prevenirlo (y confiar que durante el tiempo de alta corriente los componentes no sufrirán demasiado daño), sino también evitar excesos de corriente.

Por ejemplo si diseñamos una fuente capaz de entregar un máximo de 2A, que viene limitado por la naturaleza de los componentes, y la carga es capaz de absorber mas de 2A, con un transformador en condiciones de entregarlo, el circuito (sea fuente u otro) dejaría pasar tal corriente, a menos que contemos con un método de limitarla a un cierto valor.

RESUMEN

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.

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.

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 pueda 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.

Etapa de transformación de voltaje: Nuestra red de suministro en Ecuador, entrega aproximadamente 120 V de corriente alterna, los cuales reducimos a 24V por a través de un transformador. Recordemos que la corriente alterna en un momento es positiva y en otro negativa, por lo tanto el nodo A en un instante es (+) y B (-), en otro instante la polaridad en estos extremos se invierte.

Etapa de rectificación de voltaje: 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.

Etapa de filtrado de voltaje: Esta etapa, tiene como función, "suavizar" o "alizar" o "reducir" a un mínimo la componente de rizo y elevar el valor promedio de tensión directa.

Etapa de regulación de voltaje: 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.

Etapa de disipación de potencia: si a la salida de la fuente se produce un cortocircuito, la tensión en la salida tiende a 0V y la corriente de paso tiende a infinito (lo que de el transformador), esto hará que el circuito entre a conducir al máximo, aumentando así su temperatura, que a su vez producirá un incremento de corriente, lo que incrementará la temperatura del mismo produciendo el efecto avalancha y en décimas de segundo alcance su punto de destrucción por alta temperatura.

OBJETIVOS

Diseñar y montar una fuente DC regulada de 0 a 20 voltios - lineal.   Utilizando un regulador de estado sólido (Circuito integrado LM317K).   De modo variable y con una capacidad de corriente de hasta 2 amperios.

Conocer el funcionamiento y diseño de una fuente de voltaje a modo didáctico, analizando, midiendo y verificando cada uno de los posibles factores que pueden influir en el buen funcionamiento de la fuente.

Por medio del análisis matemático ser capaz de plantear cada una de las ecuaciones que rigen las mallas de la fuente; de este modo poder obtener cada uno de los valores tanto de las resistencias, condensadores como de las corrientes que actúan en el circuito.

Obtener las características de una fuente de poder dual no regulada determinando las formas de onda más relevantes y evaluar su modificación al utilizar reguladores de tensión integrados.

Apoyándonos en la teoría vista en el curso, tener la capacidad y el conocimiento necesario para saber que esta sucediendo y que fenómenos se presentan con el fin de ser críticos y objetivos al momento del análisis de lo que esta sucediendo físicamente.

Diseñar y montar una fuente de tensión regulada digital que permita obtener tensiones de 0 a 22[V] continuos de salida con una protección de sobrecorriente de hasta 2[A].

TEORIA Y ANALISIS MATEMATICO

El transformador: para una alimentación estabilizada debe ser, un transformador separador, esto quiere decir, que ha de disponer por seguridad, de dos devanados separados galvánicamente (eléctricamente), no es conveniente utilizar los llamados auto-transformadores los cuales como se sabe están construidos por una única bobina o devanado, el cual está provisto de diferentes tomas para obtener varias tensiones de salida, la verdad es que este tipo de 'transformador' actualmente no se ve muy a menudo.

Dependiendo de la aplicación a la que se destine la fuente de energía, deben tenerse en cuenta unos puntos concretos a la hora de decidir las características del transformador. La tensión en vacío del secundario debe multiplicarse por la raíz cuadrada de dos.

En cuanto a la intensidad haremos hincapié en la corriente que se le exigirá a la salida, es decir, si necesitamos 3A de consumo y el factor de tiempo, esto quiere decir, si el consumo va a ser continuado o tan solo es un consumo máximo esporádico, como punto medio, es buena idea aplicar el mismo criterio del factor raíz cuadrada de dos, lo que indica una intensidad sobre 4A.

Circuito rectificador de onda completa tipo puente:

Tanto la generación como la transmisión y conversión de energía eléctrica serealizan de una manera más simple y eficiente en corriente alterna. En efecto, lageneración de corriente alterna no requiere contactos móviles (colectores, escobillas)susceptibles de causar pérdidas energéticas y de sufrir desgastes. Asimismo, debido a la resistencia de los conductores que forman una línea de transmisión, es conveniente que la corriente sea lo menor posible, lo cual requiere, para una potencia dada, aumentar la tensión. Es sabido que los transformadores de corriente alterna permiten llevar a cabo esta conversión con alto rendimiento (bajas pérdidas energéticas). Luego, con un transformador en destino es posible reducir nuevamente la tensión a valores aceptables.

Sin embargo, dejando de lado los motores y los sistemas de iluminación, la granmayoría de los equipos con alimentación eléctrica funcionan con corriente continua. Seplantea entonces la necesidad de convertir la corriente alterna en continua, lo cual se logra por medio de la rectificación.

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, un caso particular es el de un cargador de baterías sencillo y económico, en todos los demás casos, es muy conveniente disponer de un rectificador de onda completa, para minimizar el rizado. Los diodos encargados de esta función han 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 adecuada refrigeración.

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 así mismo un margen para no verse afectado por los picos habituales de la tensión de red, en resumidas cuentas y sin entrar en detalles de cálculos, 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 Watios por  encima de lo calculado, como margen. En algún caso debe vigilarse la tensión de recubrimiento, pero eso es en caso muy concretos.

En el caso de un rectificador de onda completa los mismos cálculos arrojan los valores siguientes:

El condensador electrolítico o filtro: A la hora de diseñar una fuente de alimentación, hay que tener en cuenta algunos factores, uno de ellos es la corriente que se le va pedir, ya que éste es, el factor más importante después de la tensión. Para determinar el valor del condensador electrolítico que se ha de aplicar a la salida del puente rectificador en doble onda, para alisar la corriente continua; la regla empírica que se suele aplicar, suele estar sobre los 2.000 uF por Amperio de salida y la tensión del doble del valor superior estándar al requerido, o sea, según esto, para una fuente de 1'5 A a 15 V, el condensador electrolítico debe ser al menos de 3.000 uF/35V.

Como se ha mencionado la tensión del condensador, se debe sobre dimensionar, ésta debe ser al menos diez unidades 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 sólo depende de la tensión nominal, también hay tensiones parásitas que pueden perforar el dieléctrico, en caso

de ser muy ajustada la tensión de trabajo y si estamos tratando con una fuente balanceada

Supongamos que inicialmente el capacitor está descargado. Mientras vS crece hacia valores positivos, el diodo se polarizará en forma directa y por lo tanto conducirá. Dado que la resistencia de la fuente y la resistencia dinámica del diodo se han considerado idealmente nulas, la tensión de salida (igual a la caída en el paralelo RL//C) seguirá a la de la entrada. Este proceso continuará hasta el momento t1 en que la tensión de entrada disminuya más rápidamente que la descarga de C a través de RL, ya que en ese caso el diodo pasará a estar polarizado inversamente y dejará de conducir. A partir de ese momento la tensión de salida se desvincula de la de la entrada, siguiendo la evolución exponencial de la descarga del capacitor a través de la resistencia de carga. Mientras tanto, la entrada continuará con su variación senoidal, se hará negativa y luego volverá a ser positiva. En un instante t2 la caída exponencial de la salida se cruzará con el ascenso senoidal de la entrada, y a partir de entonces el diodo volverá a conducir, repitiéndose el proceso anterior.

Obsérvese que el diodo conduce sólo durante una fracción del período, por lo cual tanto su corriente de pico Ip como su corriente eficaz Irms pueden llegar a ser varias veces superiores a la corriente media, Imed. lo cual en general implica sobredimensionar los diodos.

Puede sorprender el hecho de que la corriente eficaz por el diodo sea mayor que la corriente eficaz por la carga (que para un rectificador con bajo ripple es aproximadamente igual a la corriente media). Esto se debe a que la fuente no está cargada siempre con la misma resistencia, a diferencia del rectificador completo incluido el capacitor, que está cargado con RL. Por eso, a pesar de que la fuente entrega a través del diodo la misma potencia media que termina recibiendo la resistencia de carga, su corriente eficaz es mayor.

En el análisis del funcionamiento de este rectificador con filtro no nos detuvimosen la influencia de la constante de tiempo = RLC, cuestión que trataremos ahora.Evidentemente, cuanto mayor sea , más lenta será la caída durante el intervalo de corte del diodo, lo cual significa que el valor alcanzado en el instante t2 será más alto, aproximándose, para >> T, al valor de pico Vp.

y para >> T también puede aproximarse por

en tanto que t2 está dado por

El valor medio está más cerca del valor de pico y vale, para << T,

y el valor eficaz del ripple es, similarmente, la mitad del correspondiente al rectificadorde media onda:

Por último, el factor de ripple porcentual se calcula como

CALCULOS TEORICOSSIMULACIONDATOS EXPERIMENTALES Y GRAFICOS D FORMA D ONDA

PCB INCLUYENDO NOMBRES EN COBRE

Placa de potencia

Placa de control

FOTOGRAFIAS% DE ERROR

LISTADO DE COMPONENTES Y PRECIO

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

BIBLIOGRAFIA