fuente simetrica(calculos)

Fuente Simétrica (sin reguladores integrados)

Américo Álvarez S. Página 1

RESUMEN

Una fuente de alimentación es un componente de vital importancia en el transcurso de la vida de un electrónico, es un componente primordial al

momento de armar circuitos electrónicos.

En este trabajo se presenta el análisis teórico con todo lo aprendido en las materias básicas de electrónica analógica. Este trabajo no pretende ser un

proyecto de una fuente de alimentación final (existen muchos proyecto actuales que son de lejos mucho mejores), más bien este trabajo pretende ser

de guía a estudiantes de materias básicas de electrónica, para que puedan apreciar la metodología de diseño básico de un instrumento de laboratorio

tan utilizado como es este.

INDICE

o Red Eléctrica Página 2

o Transformador Página 2

o Rectificador onda completa(+calculo de diodos) Página 3

o Rectificador onda completa simétrica Página 3

o Filtro Página 4

o Regulador(o pre-regulador) Página 5

o Regulador con AO Página 6

o Modo Arreglo Darlington Página 7

o Protección Corto-Circuito Página 8

o Circuito Parte positiva Página 9

o Circuito Final Página 9

o Mejoras Página 11

Fuente

Américo Álvarez S.

FUENTE DE ALIMENTACION SIMETRICA

Red Eléctrica:

Teórico: 220[V] a 60 Hz. Voltios Electropaz Vpk= 1.4142*220=311.127[V] voltaje

Real: el voltaje en laboratorios de flujtuaba de 200V hasta los 230V

Transformador:

Teórico: 220[V] entrada, 12-0vendedor (visualmente no tiene Real: Aproximando por medicionesS= 3cm*2.5cm=7.5cm2 Pa=(S/Kt)^2=(7.5/1.5)^2= 25[W]Pr=0.8*Pa= 20[W] Ahora como el transformador es de 12recordamos que Is1/Is2=(D1)^2/(D2)^2 Observando muy bien los cables del secundario(cables amarillos), verificamos que estos son iguales teniendo mismo D1=D2 y considerando misma densidad de carga por cada cable Is1=Is2 tendríamosPr=20=Is1*Veff1+Is2*Veff2 20=Is1*24 Is1=0.8A Is2=0.8A Teniéndose un cálculo total de 1.6A para el teórico proporcionado con el vendedor efectivamente ocorrecto. Para datos prácticos de la fuente tomaremos Is1=Is2=0.75A en cada rama de 12v

e Simétrica (sin reguladores integrados)

FUENTE DE ALIMENTACION SIMETRICA ANALISIS COMPLETO

220[V] a 60 Hz. Voltios eficaces proporcionada por

Vpk= 1.4142*220=311.127[V] voltaje máximo-Voltaje piko

el voltaje en laboratorios de medición se observo que flujtuaba de 200V hasta los 230V

0-12[V] a la salida de 1.5 A. Dato proporcionado por el vendedor (visualmente no tiene ningún dato escrito en el transformador)

Aproximando por mediciones

Pa=(S/Kt)^2=(7.5/1.5)^2= 25[W]

como el transformador es de 12-0-12

Observando muy bien los cables del secundario(cables amarillos), verificamos que estos son iguales teniendo mismo diámetro D1=D2 y considerando misma densidad de carga

tendríamos

total de 1.6A para el transformador. Si lo comparamos con el valor proporcionado con el vendedor efectivamente observamos que nuestro

de la fuente tomaremos Is1=Is2=0.75A en cada rama de 12v

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12[V] a la salida de 1.5 A. Dato proporcionado por el

. Si lo comparamos con el valor bservamos que nuestro cálculo es

de la fuente tomaremos Is1=Is2=0.75A en cada rama de 12v

Fuente


Rectificador Onda completa(+

Rectificador de onda completa con 2 diodosTeoría: F.R.= 0.48 (dato estándar) PIV=2*Vm= 2*16.9=33.8v En t=0 el capacitor esta en corto, entonces procedemos a calcular la corriente que circula por rf del diodo en t=0 el peor de los casosVmax=16.9[V] la resistencia del diodo es aproximadamente 10 [Ohms] (mas o menos) entonces la corriente máxima la resistencia del diodo rf es mássoportar aumenta. Entonces debemos comprar diodos de 3A con 33.8 de PIV. Valor normalizado Diodo: EL diodo comercial de 3 amperio1n5408. No tome como referencia el piv al momento de comprar comerciales están entre 100 y 6000 volt's

Rectificador Onda completa

Utilizando el mismo método para realizar la rectificación en positivo. Se lo hizo en negativo. Se utilizara los mismos diodos de 3A


Rectificador Onda completa(+cálculos de diodos)

Rectificador de onda completa con 2 diodos

capacitor esta en corto, entonces procedemos a calcular la corriente que circula por rf del diodo en t=0 el peor de los casos Vmax=16.9[V] la resistencia del diodo es aproximadamente 10 [Ohms] (mas o menos)

que los diodos deberán soportar es de: Idm=16.9/10=1.69A si más pequeña de 10 ohms entonces el amperaje que

Entonces debemos comprar diodos de 3A con 33.8 de PIV.

EL diodo comercial de 3 amperios que se pudo encontrar fue el No tome como referencia el piv al momento de comprar ya que los pív de diodos

entre 100 y 6000 volt's así que sería absurdo preguntar diodos por el piv.

Rectificador Onda completa simétrica :

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capacitor esta en corto, entonces procedemos a calcular la corriente que circula

Vmax=16.9[V] la resistencia del diodo es aproximadamente 10 [Ohms] (mas o menos) soportar es de: Idm=16.9/10=1.69A si

pequeña de 10 ohms entonces el amperaje que deberá

s que se pudo encontrar fue el ya que los pív de diodos

absurdo preguntar diodos por el piv.

Fuente


Filtro:

Podemos filtrar con capacitor, o inductor, o ambos. Yo del capacitor. Hallamos un filtro y por Vc(t)=Vf-(Vf-Vi)*e^(t/RC) Carga del capacitor VB-dVB=VB-(VB-VA)*e^(t1/rf*C1)Descarga del Capacitor VA=0-(0-VB)*e^(t2/rf*C1) el periodo de la señal de rizo sera de T=t1+t2 entonecuaciones y reemplazando (recordamos que T=1/f)T=rf*C1*ln(VA*(VB-VA)/(VB*dVB)) =1/fcomo la f=120hz, pondré K por el valor dentro del neperianoC1=1/(f*rf*ln(K)) ahora todo depende de nuestro criterio si por ejemplo querementonces 0.01=(VB-VA)/(2*1.732) tenemos 2 ecuaciones con 2 incógnitas Valor práctico: Decidí hacer un rizo de 0.003 enanteriores seria 0.003=[16.9-(16.9*e^(-1/120*10*C1)] / (2*1.732)1/(120*10*C1)=6.15118*E-4 C1= 1.3547 F entonces C1=1354.7 mF


Podemos filtrar con capacitor, o inductor, o ambos. Yo recurrí a la manera másun filtro y por simetría en la parte negativa será el mismo capacitor.

VA)*e^(t1/rf*C1)

el periodo de la señal de rizo sera de T=t1+t2 entonces despejando de las anteriores ecuaciones y reemplazando (recordamos que T=1/f)

VA)/(VB*dVB)) =1/f K por el valor dentro del neperiano

de nuestro criterio si por ejemplo queremos que nuestro rizo sea 0.01V

incógnitas

hacer un rizo de 0.003 entontes por cálculos de las ecuaciones

1/120*10*C1)] / (2*1.732)

C1= 1.3547 F entonces C1=1354.7 mF

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más sencilla a la el mismo capacitor.

ces despejando de las anteriores

os que nuestro rizo sea 0.01V

de las ecuaciones

Fuente


Para datos prácticos utilizare un capacitor comercial de 2200 mF x 50v. que de rizo de 3.2mV.

¿Por qué pongo un capacitor de 50v y no de 25v?secundarios (antes analizado), tenemosun capacitor comercial de 25v que lo aguanta y ni lo carga completamente, el diseño tenemos que analizar el peor de los casos, y en esta antes del capacitor seria...? pues claro los diodos o transformador. Si por alguna cable medio del transformador(tierra, peor caso), El capacitor una tensión superior a los 24v. Yacomo punto de tierra, y el transformador 33.94[V]. pero aun en esta situaciónaguantarían a la perfección los 33.94central? Pues solo un capacitor debería

Regulador (o pre regulador ):

Vi=Vcap1>Vz1 Vcap1min-Vz=R1(I1max-Izmin)Como Izmax=10*Izmin

Utilizamos un zener por ejemplo de 7.5V de 1w(valor comercial)Pmax=Vz*Izmax Izmax= 0.133A entonces Izmin=0.0133Ay recordando del filtro el voltaje y también consideramos que a la salida tenemos una corriente de I1max=1Aentonces reemplazando en la ecuaciónnormalizando al menor utilizaremos 6.8 Kohms Desventaja: la desventaja de este reguladorque el diodo zener debe de absorbercorriente que la carga no requiera


utilizare un capacitor comercial de 2200 mF x 50v. que dará

pongo un capacitor de 50v y no de 25v? Teóricamente como a las salidas de los , tenemos un voltaje máximo de 16.97 [V] lo más obvio seria poner

un capacitor comercial de 25v que lo aguanta y ni lo carga completamente, así que ni calienta. En el diseño tenemos que analizar el peor de los casos, y en esta situación lo único que pudiera fallar antes del capacitor seria...? pues claro los diodos o transformador. Si por alguna razóncable medio del transformador(tierra, peor caso), El capacitor estaría recibiendo entre sus bornes

Ya que el transformador utilizaría el secundario de abajo(dibujo) como punto de tierra, y el transformador estaría alimentando al circuito con un voltaje

situación tenemos 2 capacitores en serie ambos de 25V que se los 33.94[V], y si fallaría un capacitor antes de que falle el cable

debería de soportar todo el voltaje.

ador (o pre regulador ):

Izmin)

un zener por ejemplo de 7.5V de 1w(valor comercial)

Izmax= 0.133A entonces Izmin=0.0133A y recordando del filtro el voltaje máximo es de Vcap1min=16.8887

consideramos que a la salida tenemos una corriente de I1max=1A ecuación hallamos R1=9.5 [Kohms]

normalizando al menor utilizaremos 6.8 Kohms

la desventaja de este regulador, es absorber toda la

corriente que la carga no requiera

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dará un Voltaje

como a las salidas de los obvio seria poner que ni calienta. En que pudiera fallar

razón se abre el recibiendo entre sus bornes

el secundario de abajo(dibujo) alimentando al circuito con un voltaje máximo de

es en serie ambos de 25V que se or antes de que falle el cable

Fuente


Regulador con AO:

Utilizando el amplificador operacional como

Podríamos acoplar directamente al Vz (voltaje zener como voltaje de referencia Vref. pero no podríamos regular hasta 0 voltios por solucionamos con un divisor de voltaje con un Pot , Ra , Rb podemos poner cualquier valor, a nuestro agrado. Por ejemplo podemos hacer que la salida sea de muchos voltamp op. Entonces en definitiva tendríamosregulador (con ao)


eracional como comparador

acoplar directamente al Vz (voltaje zener como voltaje de referencia Vref. pero regular hasta 0 voltios por más que variemos Ra o Rb entonces lo

solucionamos con un divisor de voltaje con un potenciómetro Pot , Ra , Rb podemos poner cualquier valor, a nuestro agrado. Por ejemplo podemos hacer que la salida sea de muchos volts.. Solo tener en cuenta la alimentación (ósea

tendríamos nuestro arreglo: el pre-regulador (con zener)+ el

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acoplar directamente al Vz (voltaje zener como voltaje de referencia Vref. pero que variemos Ra o Rb entonces lo

Pot , Ra , Rb podemos poner cualquier valor, a nuestro agrado. Por ejemplo podemos hacer VCC) del

regulador (con zener)+ el

Fuente


Modelo arreglo darlington :

Como la corriente de salida del ao. short circuit), y tenemos que sacar configuración darlington

IC=Hfe*IB Hfe= hfe1*hfe2 El transistor Q1 trabaja con una corriente en base muy baja. potencia ya que la corriente de base es muy grande ya que la corriente de base de Q2 es igual a la corriente en colector de Q1. En la práctica utilizamos un transistor Bc548 con un 2n3055entonces en los cálculos BC548: hfe1=250 2N30554: hfe2=10 entonces nuestro arreglo tendrási nuestra corriente a la salida del operacional es de 1mA entonces: IC = 2.5A suficiente.. Además consideremos que el hfe no es constante es componente.. En el peor de los casis tendrepara nuestro proyecto a presentarObservación: se puso una resistencia a la salida del operacional como si fuera una resistencia interna de una fuente de Utilice un valor mucho menor, 330 ohms


Modelo arreglo darlington :

Como la corriente de salida del ao. Es muy baja (por ejemplo: el lm741 tiene 25mA en short circuit), y tenemos que sacar más de 800mA en la salida. Entonces recurrimos a la

El transistor Q1 trabaja con una corriente en base muy baja. El transistor Q2 deberápotencia ya que la corriente de base es muy grande ya que la corriente de base de Q2 es igual a la corriente en colector de Q1.

utilizamos un transistor Bc548 con un 2n3055

tendrá un Hfe= 2500 si nuestra corriente a la salida del operacional es de 1mA entonces: IC = 2.5A

consideremos que el hfe no es constante es variado de componente a el peor de los casis tendremos una corriente de salida de 1.2A suficiente

para nuestro proyecto a presentar : se puso una resistencia a la salida del operacional como si fuera una

resistencia interna de una fuente de alimentación(ver grafico). En el grafico se muestra 1k.un valor mucho menor, 330 ohms

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lo: el lm741 tiene 25mA en recurrimos a la

deberá ser de potencia ya que la corriente de base es muy grande ya que la corriente de base de Q2 es

si nuestra corriente a la salida del operacional es de 1mA entonces: IC = 2.5A más que de componente a

mos una corriente de salida de 1.2A suficiente

: se puso una resistencia a la salida del operacional como si fuera una el grafico se muestra 1k.



Protección cortocircuito:

Los circuitos de protección se diseñan para estar inactivos en condiciones de funcionamiento NORMAL, y activarse inmediatamente ocurra alguna condición no normal, en esta caso cuando a la salida exista algún cortocircuito. Este circuito es muy conocido como limitador de corriente, si excedemos una corriente establecida el circuito se enciente(por así decirlo). Si cortocircuitamos la salida, la corriente que circula por la carga(cable cortocircuitador) es muy grande así que es un circuito muy utilizado en fuentes de alimentación Podremos utilizar el circuito más sencillo limitador de corriente, o el foldback vean la grafica:

Ahora bien nosotros utilizaremos el flodback

2

21

2

21

2

1

RRR

RVI

RRRRV

RRRVI

SC

BESC

SCBE

SCOFB

Si tenemos un VBE de 0.7V, y utilizamos un RSC de 10 ohms de 10wats por que pasara una corriente de 1ª por la resistencia cuando este en cortocircuito la fuente.

Fuente


Entonces por cálculos tenemos una

R1= 12 K ohms

R2= 1 K ohms

RSC= 10 ohms de 10 watts

CIRCUITO PARTE POSITIVA:

Uniendo todas las partes expuestas anteriormente, tenemos una fuente de regulable de voltajes positivos

CIRCUITO FINAL:

Ahora bien como necesitamos una fuente positiva - El ampo de la parte negativa da un voltaje de referencia sobre el el voltaje de referencia. - La alimentación del ampop de la parte negati- Se usa los complementarios en la parte negativa, si usamos un bc548, 2n3055 en la parte positiva(arreglo darlington) en la parte negativa usaremos los complementos, bc558, y el MJ2955.Lo mismo ocurre con l- A la salida se aumentaron 2 capacitores para qu


Entonces por cálculos tenemos una

CIRCUITO PARTE POSITIVA:

Uniendo todas las partes expuestas anteriormente, tenemos una fuente de alimentaciónregulable de voltajes positivos

Ahora bien como necesitamos una fuente simétrica, pues simplemente reflejamos la parte

de la parte negativa también es controlado por el pre-regulador arreglo zener que da un voltaje de referencia sobre el potenciómetro, miren los pines 2 y 3, y vean donde va

del ampop de la parte negativa (VCC, VEE), es inverso a la parte positivaSe usa los complementarios en la parte negativa, si usamos un bc548, 2n3055 en la parte

positiva(arreglo darlington) en la parte negativa usaremos los complementos, bc558, y el MJ2955.Lo mismo ocurre con los limitadores de corriente.

la salida se aumentaron 2 capacitores para que filtren el ruido a la salida.

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alimentación

, pues simplemente reflejamos la parte

regulador arreglo zener que , miren los pines 2 y 3, y vean donde va

va (VCC, VEE), es inverso a la parte positiva Se usa los complementarios en la parte negativa, si usamos un bc548, 2n3055 en la parte

positiva(arreglo darlington) en la parte negativa usaremos los complementos, bc558, y el

Fuente



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MEJORAS

1.- En la parte del pre-regulador con zener. Podríamos utilizar un arreglo con transistores como pre-regulador.

2.- La parte negativa, utiliza el mismo pre-regulador zener, y esto hace que la fuente sea simétrica utilizando un mismo potenciómetro. Si queremos 2 voltajes uno positivo y otro negativo variable sin que dependan, podemos hacer un pre-regulador similar pero complementario en la parte negativa si tener 2 potenciómetros para controlar tanto parte negativa como positiva.

3.- En el arreglo Darlington, en el emisor del primer transistor. Agregar una resistencia.

4.- Agregar un trimer en la realimentación del amp.op. 2 de la parte negativa. Así poder ajustar un valor simétrico tanto en la parte positiva como en la negativa.

5.- En la parte del filtrado. Realizar el filtrado en serie también con bonina. Esto nos servirá también para cuidar nuestros componentes anteriores.

6.- Agregar diodos donde se vea necesario: por ejemplo a la salida de los amp.op.

7.- Agregar capacitores donde se vea necesario. A la salida del potenciómetro, en las salidas de la parte positiva y negativa.

Reguladores Integrados

En este trabajo se analizo una fuente con todos los cálculos necesarios para esta, una mejora de las fuentes actuales es que tenemos a disposición los reguladores de voltaje integrados, y que los diseños actuales utilizan estos. Que dan muchas más prestaciones.

Un integrado que personalmente me gusta utilizar es el lm317 un integrado antiguo pero que aun sigue vigente y hay mucha información sobre este.



MONTAJE

Presento a continuación la muestra del montaje de este circuito que tuve que presentar en laboratorio. En una placa agujereada.

fuente simetrica(calculos)

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