Diseo y Construccin de una Fuente de alimentacin de +5V fija y +12V, -12V CD variable

Jonathan Andrs Flores Villacs, Nelson Emanuel Dvila Cabrera, lex Patricio Maza Beltrnjhonflores2303@hotmail.combn_davila@yahoo.comalexpatriciomaza@outlook.com

RESUMEN En este trabajo se describe terica as como tambin la implementacin prctica del proceso a seguir para la construccin de una fuente fija y variable. Una fuente de voltaje es uno de los instrumentos o equipos de mayor utilidad en la electrnica.PALABRAS CLAVE

Circuito, fuente fija, fuente variable, diodos, puente de diodos, transformador, Puente rectificador de diodos, Baquelita, Regulador, Potencimetro, condensador, Proteus.

ABSTRACT In this paper theoretical as well as practical implementation of the process to be followed for the construction of a fixed and variable source it is described. A voltage source is one of the tools or equipment more useful in electronics.

KEY WORDS

Circuit source fixed, variable source, diode, diode bridge, transformer, rectifier bridge diodes, Bakelite, regulator, potentiometer, capacitor, Proteus.

1. INTRODUCCIN

El circuito que se presenta a continuacin contiene una fuente de voltaje fijo y 2 fuentes de voltaje variable. Con la primera se puede obtener un voltaje de salida +5V. Las dems tienen un voltaje variable de +12V y -12V. Cada una de ellas puede manejar cargas hasta de 1A.

Modifica los niveles de tensin alterna a los requeridos por el circuito a alimentar. El trasformador de entrada reduce la tensin de red (generalmente 220 o 120 V) a otra tensin ms adecuada para ser tratada. Solo es capaz de trabajar con corrientes alternas, esto quiere decir que la tensin de entrada ser Transformador alterna y la de salida tambin. Una fuente de voltaje funciona como una batera, ambos proporcionan un circuito electrnico, 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 de una fuente de voltaje no se descarga en comparacin de una batera, 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:

Fig.1 Diagrama en bloques (para explicar el funcionamiento de una fuente convencional).

Etapa de transformacin

Esta etapa consta bsicamente de un transformador que est formado por un bobinado primario y uno o varios bobinados secundarios, que tiene como funcin principal, convertir la energa elctrica alterna de la red , en energa alterna de otro nivel de voltaje, por medio de la accin de un campo magntico. Adems provee una aislacin galvnica entre la entrada y la salida.

Etapa de rectificacinEsta etapa queda constituida por diodos rectificadores cuya funcin es de rectificar la seal proveniente del bobinado secundario del transformador. Existen 2 tipos de configuraciones que son rectificacin de media onda y de onda completa.

Fig. 2 Etapa de rectificacin con diodos rectificadores.

Etapa de filtrado

Esta etapa queda constituida por uno o varios capacitores que se utilizan para eliminar la componente de tensin alterna que proviene de la etapa de rectificacin. Los capacitores se cargan al valor mximo de voltaje entregado por el rectificador y se descargan lentamente cuando la seal pulsante desaparece. Permitiendo lograr una nivel de tensin lo ms continua posible.

Fig. 3 Etapa de filtrado

Etapa de regulacin

Esta etapa consiste del uso de uno o varios circuitos integrados que tienen la funcin de mantener constante las caractersticas del sistema y tienen la capacidad de mantener el estado de la salida independientemente de la entrada.Esta etapa se puede dividir en:Reguladores lineales y regulador de conmutacin

Fig. 4 Diagrama de bloques

2. MARCO TEORICO

Transformador

El transformador es un dispositivo que convierte la energa elctrica alterna de un cierto nivel de tensin, en energa alterna de otro nivel de tensin, basndose en el fenmeno de la induccin electromagntica. Est constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un ncleo cerrado de material ferromagntico, pero aisladas entre s elctricamente. La nica conexin entre las bobinas la constituye el flujo magntico comn que se establece en el ncleo. El ncleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de lminas apiladas de acero elctrico, aleacin apropiada para optimizar el flujo magntico. Las bobinas o devanados se denominan primarios y secundarios segn correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestin, respectivamente. Tambin existen transformadores con ms devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensin que el secundario. (Wikipedia., 2014)

Fig. 5 Transformador de 110 V a 12 V con Tap central El ncleo

El ncleo est formado por varias chapas u hojas de metal (generalmente material ferromagntico) que estn apiladas una junto a la otra, sin soldar, similar a las hojas de un libro. La funcin del ncleo es mantener el flujo magntico confinado dentro de l y evitar que este fluya por el aire favoreciendo las perdidas en el ncleo y reduciendo la eficiencia. La configuracin por lminas del ncleo laminado se realiza para evitar las corrientes de Foucault, que son corrientes que circulan entre lminas, indeseadas pues favorecen las perdidas.

Bobinas

Las bobinas son simplemente alambre generalmente de cobre enrollado en las piernas del ncleo. Segn el nmero de espiras (vueltas) alrededor de una pierna inducir un voltaje mayor. Se juega entonces con el nmero de vueltas en el primario versus las del secundario. En un transformador trifsico el nmero de vueltas del primario y secundario debera ser igual para todas las fases.

Relacin de transformacin

A la bobina del primario se le aplica una tensin alterna Vp y entonces aparece un flujo variable en el interior de la bobina. De acuerdo con la ley de Faraday la tensin en el primario es:

Ecuacin 1

Como el flujo que atraviesa cada espira es el mismo en las dos bobinas, la fem inducida en la bobina del secundario, y por tanto la tensin (voltaje) Vs en los bornes del secundario, ser:

Ecuacin 2Dividiendo las dos expresiones anteriores,

Ecuacin 3Esta ecuacin relaciona las tensiones en los bornes del primario y del secundario con el nmero de espiras del primario y del secundario. La razn entre el nmero de espiras del secundario Ns y del primario Np se denomina relacin de transformacin. (DEMO E-DUCATIVA CATEDU, 2014)

Condensador

Electroltico: usa un lquido inico conductor como una de sus placas, con ms capacidad por unidad de volumen que otros tipos de condensadores, son valiosos en circuitos elctricos con relativa alta corriente y baja frecuencia.

Cermico: tienen un mayor rango de valores de su constante dielctrica, pudiendo llegar a un valor de 50000 veces superior a la del vaco. Se basan en varias mezclas de xido de titanio y zirconio, o bien en titanatos o zirconatos de calcio, bario y otros.

Aunque desde el punto de vista fsico un condensador no almacena carga ni corriente elctrica, sino simplemente energa mecnica latente; al ser introducido en un circuito se comporta en la prctica como un elemento "capaz" de almacenar la energa elctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energa que cede despus durante el periodo de descarga. (Wikipedia., 2014)

Fig.6 Condensadores modernos.

Resistencia

Se denomina resistencia elctrica, R, de una sustancia, a la oposicin que encuentra la corriente elctrica para recorrerla. Su valor se mide en ohmios y se designa con la letra griega omega mayscula ().

Fig. 7 Resistencias

Led

Es un componente optoelectrnico pasivo y, ms concretamente, un diodo que emite luz.

Potencimetro

Limitan el paso de la corriente elctrica (Intensidad) provocando una cada de tensin en ellos al igual que en una resistencia, pero en este caso el valor de la corriente y la tensin en el potencimetro las podemos variar solo con cambiar el valor de su resistencia.

Fig. 8 Potencimetro

Regulador de Voltaje

Un regulador o estabilizador es un circuito que se encarga de reducir el rizado y de proporcionar una tensin de salida de la tensin exacta que queramos.

Fig. 9 Reguladores de tensin L7805 y LM317T

Puente de Diodos

El nivel de cd obtenido a partir de una entrada senoidal se puede mejorar 100% mediante un proceso llamado rectificacin de onda completa. La red ms conocida para realizar tal funcin aparece en la Figura 4 con sus cuatro diodos en una configuracin de puente. Durante el periodo t =0 para T/2 para la polaridad de la entrada es como se muestra en la figura 5. Las polaridades resultantes a travs de los diodos ideales tambin se muestran en la figura 6 para revelar que D2 y D3 estn conduciendo, mientras que D1 y D4 estn apagados. El resultado neto es la configuracin de la figura 7 con su corriente y polaridad indicadas a travs de R. Como los diodos son ideales, el voltaje de carga es vo= vi, como se muestra en la misma figura. (BOYLESTAD & NASHELSKY, 2009)

Fig. 10 Rectificador de onda completa en configuracin de puente.

3. OBJETIVOS

Generales

Construir una fuente de voltaje que mediante una entrada de voltaje de 110 V pueda transformarla y obtener un voltaje Fijo de 5V. Construir una fuente de voltaje variable que obtengamos de salida 12V y -12 V.

Especficos

Utilizar el software proteus para poder realizar las respectivas simulaciones del circuito. Realizar las respectivas pruebas en protoboard con la finalidad de verificar su correcto funcionamiento. Comprender el funcionamiento de los diferentes elementos que conforman la fuente de voltaje. Proporcionar una alimentacin para el correcto funcionamiento del circuito. Grabar el circuito en una baquelita, perforada y soldar sus componentes segn el modelo obtenido de Proteus-Isis. Probar el funcionamiento de la fuente de alimentacin, mediante un multmetro.

4. MATERIALES

1 Placa de Baquelita 1 Cautn 1 Estao 1 Pomada para cautin 1 Transformador de 110 V a 12 V con Tap central 1 Puente rectificador de diodos 5 Bornes 10 Cables de Protoboard 1 Caja de plstico negro. 1 Regulador 7805 (*5V/1A) 1 Regulador LM317T (+12V1A) 1 Regulador LM337T (-12V/1A) 2 Condensadores electroltico 2200F/25V 3 Condensadores cermicos 0,1F. 2 Potenciometros de 2k

5. PROCEDIMIENTO

1. Realizamos el circuito en el software Proteus Isis(Ver Anexo 1)2. Pasamos el circuito al software Proteus Ares3. Realizamos el procedimiento para grabar y soldar el circuito en la baquelita (ver Anexo 2)4. Colocar los componentes (el circuito y el transformador) en la caja metlica5. Soldar los terminales con los bornes de la caja metlica6. Medir el voltaje de salida con el multmetro

6. ANLISIS DE RESULTADOS

El voltaje rectificado de onda completa pico sin filtrado es:

7. CONCLUSIONES

El transformador es un dispositivo elctrico que disminuye o aumenta el voltaje de salida con respecto al voltaje de entrada dependiendo de su relacin de transformacin.

El transformador asla al circuito rectificador del voltaje de 110V ya que la transformacin de voltaje se produce por induccin magntica.

La conexin del bobinado secundario del transformador nos puede dar 2 voltajes, 24 V en la conexin de los extremos y 12V en la conexin de un extremo con el centro.

El puente rectificador de diodos realiza una rectificacin de onda completa.

Los puentes rectificadores de diodos pueden comprarse ya encapsulados, o se pueden realizar haciendo la conexin de 4 diodos, sin embargo se usa uno encapsulado por el ahorro de espacio que representa en una placa.

Los condensadores cumplen una funcin de filtrado, permitiendo lograr una nivel de tensin lo ms continua posible, sin embargo quedan pequeos rizos, que hacen que la corriente no sea 100% directa.

Los condensadores deben ir conectados a los lados del regulador de voltaje El de mayor capacitancia va en el lado de entrada y tierra, mientas que el de salida se recomienda por lo general poner de 0,1 F a 1F para mejorar la respuesta transitoria.

Los reguladores de voltaje se utilizan de acuerdo al data sheet de cada uno por ejemplo se escogi el 7805 ya que 78 nos indica que es de la serie positiva de 1 A y el 05 el voltaje al que se regula, mientras que el 7912 se escogi porque nos indica que es de la serie que regula voltaje negativo de 1 A y el 12 ya que queremos -12V (Ver anexo 3)

El regulador de voltaje tiene la propiedad de mantener constante el voltaje de salida sea cual sea el voltaje de entrada, siempre y cuando se encuentre dentro del voltaje mnimo del dispositivo electrnico marcado por el data sheet.

La fuente funciona de forma correcta.

8. RECOMENDACIONES

Recomendamos que antes de armar una fuente de voltaje debemos verificar los terminales de cada uno de los elementos, debido a que los circuitos integrados de la serie 78XX son diferentes a los de la serie 79XX.

Recomendamos que para lograr el voltaje necesitado en una mayor aproximacin, utilicemos un transformador con voltaje de salida ms cercano al establecido en el circuito.

Probar el circuito en un Protoboard antes de ensamblarlo en la baquelita.

Tener mucho cuidado con la polarizacin de los condensadores.

Si algunos de los elementos se calientan desconectar la fuente y revisar su polaridad y la corriente o voltaje estn recibiendo.

Realizar el diseo en la baquelita con cuidado de no cortocircuitar las pistas.

9. REFERENCIAS

DEMO E-DUCATIVA CATEDU. (1 de Diciembre de 2014). Obtenido de http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/3000/3234/html/4_transformadores.html

BOYLESTAD, R., & NASHELSKY, L. (2009). Electrnica:teora de circuitos y dispositivos electrnicos. Mxico: PEARSON EDUCACIN.

Wikipedia., C. d. (20 de Abril de 2014). Wikipedia, La enciclopedia libre. Obtenido de http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Diagrama_de_fase&oldid=71791016http://es.scribd.com/doc/7474514/Reguladores-de-Voltaje-78XX

http://es.wikipedia.org/wiki/78xx

http://www.ctr.unican.es/asignaturas/instrumentacion_5_IT/IEC_6.pdf

http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/288/A7.pdf?sequence=7

http://www.consumidor.gob.mx/wordpress/wp-content/uploads/2012/04/rc-333-regulador-voltaje.pdf

http://www.bolanosdj.com.ar/TEORIA/REGULADORES.PDF

http://paginas.fisica.uson.mx/horacio.munguia/aula_virtual/Cursos/Instrumentacion%20II/Documentos/Regulacion%20voltaje.pdf

http://quidel.inele.ufro.cl/~jhuircan/PDF_CTOSII/reguieee.pdf