sábado, 7 de enero de 2012

Fuente de Voltaje Regulable Bipolar

Fuente de voltaje bipolar regulable
+15V, -15V, 1.5A

Para todo proyecto electrónico es necesario una fuente de voltaje, también conocida como fuente de alimentación, la cual nos proporciona la alimentación para que el circuito funcione, existen un gran número de tipos de fuentes de voltaje, en esta ocasión les presento una fuente simple una de las más sencillas que presenta las siguientes características:

Es una fuente regulable; esto indica que puede variar su voltaje de 0 a 15 voltios, el voltaje en el que funcionan la gran mayoría de proyectos.

Es una fuente bipolar; esto indica que la fuente proporciona dos voltajes; de 0 a 15 voltios positivos y de 0 a 15 voltios negativos, muy útil en proyectos con amplificadores operacionales.

• El amperaje es de 1.5A el cual es proporcionado por los reguladores, al menos la mitad de los circuitos electrónicos no necesitaran más de 1 amperio.

• Posee ventilador para que el circuito este refrigerado aparte de que los reguladores tengan su disipador.

• Es una fuente básica de uso general para circuitos electrónicos perfecta para un laboratorio personal ó para experimentación de prototipos.

Una fuente regulable consta de una perilla que ajusta el voltaje, posee dos bornes uno para positivo (+) y otro para negativo (-). El valor medido con un multimetro entre ambas borneras es la diferencia de potencial entre ellas.

¿Cómo funciona una fuente de voltaje?

Una fuente de voltaje funciona como una batería, ambos proporcionan alimentación a un circuito electrónico, pero una fuente de voltaje convierte el voltaje alterno que se suministra en un toma corriente a un voltaje menor y continuo, y debido a que se encuentra conectada a un toma corriente una fuente de voltaje no se descarga en comparación de una batería, pero claro la fuente debe de estar siempre conectada.

Para comprender el funcionamiento de la fuente de voltaje veremos que constan de varias etapas que son:


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Etapa del Transformador

El transformador permite disminuir el voltaje del tomacorriente (el cual es de 120VAC 60Hz en cualquier hogar) a un voltaje menor con la misma frecuencia para un mejor manejo (en este caso el transformador disminuye a 12VAC 60Hz). Un transformador está constituido por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce, el primer devanado se conoce como primario y el segundo devanado se conoce como secundario.

En la imagen anterior se aprecia como es el devanado primario y secundario de un transformador, el usado en este proyecto:

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Sus especificaciones son las siguientes:
Primario: 110-120 V AC
Secundario con center tap, algunos transformadores lo tiene otros no, la diferencia reside en que podemos obtener 12VAC ó 24VAC en el secundario debido al center tap.

Realizando la simulación en Livewire se observa en la siguiente imagen la disminución de voltaje de 120V a 12V. En la simulación se requirió el valor RMS que es el valor del voltaje en AC que produce el mismo efecto de disipación de calor que su equivalente de voltaje, por lo tanto:
Vpico=120V
Vrms=Vpico * 0.707 = 120V *0.707= 84.84V

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Etapa del Rectificado

Aun en la etapa del transformador tenemos una tensión alterna pero con un valor mucho menor, la etapa del rectificado se encarga de convertir el voltaje alterno en directo por medio de diodos, específicamente por medio de un puente de diodos ó rectificador de onda completa. En la entrada del puente tenemos un voltaje alterno mientras que en su salida se tendrá un voltaje directo con polo positivo y otro negativo.

Al ver la fotografía el transformador tiene en su salida 12V, ese voltaje es conocido como voltaje eficaz, y al medir con el multimetro estaremos midiendo el voltaje máximo ó voltaje pico, el cual viene dado por la siguiente ecuación:

Vmax = V * 1.4142
Vmax = 12V * 1.4142
Vmax = 16.97 V

Al ser este el voltaje aseguramos los 12V ya que todo componente por mínimo que sea consumirá voltaje, por ejemplo el rectificador está conformado por 4 diodos de silicio los cuales consumen 0.7V cada uno, haciendo la cuenta, al final tendremos 14.17V y aun así no baja de los 12V.

Cuando el voltaje del secundario se encuentra en el semiciclo positivo los diodos D3 y D2 conducen, siendo el voltaje de salida del puente de diodos positiva igual que el secundario. Cuando el voltaje del secundario se encuentra en el lado negativo D1 y D4 conducen, de manera que se invierte el voltaje de entrada del secundario haciendo que el voltaje de salida del puente de diodos sea positiva nuevamente. Aquí ya tenemos un voltaje positivo pero que aun no es continuo, como se ve en la imagen siguiente.

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Etapa del filtro

Como se aprecia en la imagen anterior el voltaje aumenta de cero a un valor pico para luego descender nuevamente a cero, este tipo de voltaje no es el adecuado para los diferentes circuitos electrónicos ahora este voltaje debe ser continuo para obtener esto se emplea un filtro ó condensador que también es conocido como capacitor electrolítico.

Cuando los diodos conducen el capacitor se carga al voltaje pico (Vmax), una vez que se rebasa el pico positivo el condensador se abre, ya que el capacitor tiene un voltaje Vmax en sus extremos y el voltaje en el secundario del transformador es un poco menor que Vmax, el cátodo de los diodos esta a mas tensión que el ánodo, debido a esto el capacitor inicia su descarga por medio de la carga, en ese tiempo el diodo no conduce y el capacitor tiene que “mantener” y hacer que el voltaje de la carga no baje de Vmax. Cuando el voltaje sea menor que el del secundario del transformador el diodo volverá a conducir y asi carga nuevamente el capacitor, por lo que el voltaje queda de la siguiente manera:


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Etapa Regulador

El regulador de voltaje permite estabilizar el voltaje reduciendo el rizado y proporciona un voltaje continuo a la salida de un valor determinado, el más común es el regulador de 3 pines de encapsulado TO-220, para esta fuente se utilizo el LM317 para el voltaje positivo y el LM337 para el voltaje negativo.

Ambos reguladores son de tensión ajustable capaz de suministrar 1.5A en un rango de 1.25 hasta 37 voltios, estos reguladores son los más usados en fuentes de voltaje básicas, estos poseen protección por sobrecarga.

Encapsulado LM337T e identificación de pines
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Encapsulado LM317T e identificación de pines
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Ventilador

El objetivo del ventilador es proporcionar un ambiente ventilado al circuito y ayuda a los reguladores para que tengan una buena temperatura. El ventilador consume 12 voltios 0.12A la resistencia que este debe de tener es:

R=V/I
R=12V/0.12A
R=100 Ohms

Pero al usar una de ese valor el ventilador trabaja al mínimo, en este caso, use una resistencia de 68 ohms y el ventilador trabaja a una velocidad regular. De que vateaje usar la resistencia?

P=IxIxR
P= (0.12x0.12)68
P= 0.97W = 1W

Se utilizo una resistencia de 2W ya que no se desea que la resistencia permanezca a una temperatura elevada.

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Diagrama del Circuito

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En vez de implementar un puente de diodos se pueden utilizar 4 diodos de uso general 1N4004 ó 1N4007 en cuanto a los capacitores todos deben ser mayor a 35 Voltios ya que deben de sobrepasar al voltaje utilizado que son 15 voltios.

El circuito del ventilador posee una configuración de diodo conocida como rectificador de media onda, en donde un diodo rectifica la señal de AC a DC y el capacitor se carga permitiendo al ventilador girar sin detenerse, posee su propio fusible por cualquier altecargado que pueda tener el ventilador.

Debido a que es una fuente de voltaje bipolar se utiliza las dos líneas del transformador como el center tap, ambas líneas entran al puente de diodos y el center tap es utilizado como común ó 0 voltios, una de las líneas será el lado positivo para el regulador LM317T y la otra línea el lado negativo (más negativo que 0 voltios) para el regulador LM337T.

Existe una fórmula para conocer el voltaje de salida del regulador:

Vout = 1.25V(1 + VR1/R2)

Y si R2 es fija con un valor de 220 ohm y deseamos un Vout= 16V nuestra resistencia variable VR1 deberá ser:
VR1= R2*((Vout/1.25V) – 1 )
VR1 = 220 * ((16V/1.25V) – 1)
VR1 = 2596 = 2.6Kohms

Así es cómo podemos variar el voltaje del LM317T con esta fórmula y claro que el transformador pueda proporcionar ese voltaje, de ser posible colocar ese valor de potenciómetro pero como no pude encontrarlo le coloque potenciómetros de 5K que fue el más pequeño que conseguí, es posible que proporcione mas voltaje inclusive que llegue a los 24V al variarlo pero se debe de tomar en cuenta que el voltaje podrá ser alto pero la corriente disminuye.

Circuito Impreso
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Material necesario para armar fuente de voltaje

1 Puente de diodos de 4A 200V
2 Capacitores electrolíticos 4700uF 35V
2 Capacitores de polyester 47nF 50V
1 LM317T encapsulado TO-220
1 LM337T encapsulado TO-220
2 Potenciometros de 3K
2 Resistencias 220 ohms 1/4W
3 Diodos 1N4004
2 Capacitore electrolítico 1uF 50V
2 Disipador para encapsulado TO-220
1 Resistencia 68 ohms 2W
1 Capacitor electrolítico 1000uF 35V
1 Ventilador 12V 0.12A
1 Fusible 1A
1 Portafusible para placa
2 Borneras triples para placa
1 Bornera doble para placa
1 Transformador 120V primario y 24V secundario con center tap
1 Placa de cobre (ver circuito impreso)

Materiales extra

3 borneras para empotrar (2 rojas y 1 negra)
1 Caja para instalar la placa y transformador
1 Cable de computador con conector para chasis
1 Interruptor de palanca (para encendido de la fuente)
1 Fusible de 3A (para la protección de la red)
1 Portafusible para empotrar en la caja

Fotografías del proyecto ya terminado

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En el siguiente link podra descargar la documentación completa, teoria, imagenes, diagrama y circuito impreso.

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