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UTPL. Luis Maita, Diego Ochoa. Diseño y construcción Fuente de Alimentación.

Diseño y construcción Fuente de Voltaje Fija y Variable

Diego Ochoa#1 Luis Maita #1,

1Profesionales en formación, Universidad Técnica Particular de Loja

Loja, [email protected]

Resumen— El presente documento muestra información referente a la construcción y cálculos de una fuente de alimentación Fija y Variable

Palabras clave— Fuente de Alimentacion,trasnformador, Rectificador,Filtro,Regulador.

I. INTRODUCCIÓN

Este trabajo fue realizado con la finalidad de conocer cómo se realiza una fuente de alimentación fija y variable. Además de mostrar todos los pasos a seguir para su realización y para su diseño posterior para su comprensión. Nos enfocaremos a la realización de los cálculos correspondientes con la finalidad de obtener una fuente ideal, para su aplicación. Detallando cuales han sido todos los materiales e inconvenientes durante su realización.

II. MATERIALES

Para la construcción de la fuente fija y variable se utilizó los siguientes materiales.Fija:

Transformador genérico de 6-0-6 Volts Puente de diodos Condensador de 4700 uf Electrolítico Condensador de 220 uf Electrolítico Fusible a 500 mA 2 borneras conectoras Regulador de Voltaje + 7805 Resistencia de Carga de 100 Ohms de Potencia Placa de fibra de vidrio Case

Variable: Transformador de 40 Volts Puente de diodos Condensador de 4700 uf Electrolítico Condensador de 220 uf Electrolítico Fusible a 1 Amper 3 borneras conectoras Regulador de Voltaje + Variable LM317 Diodos de protección del LM317 Resistencia de Carga de 100 Ohms de Potencia

Placa de fibra de vidrio Potenciómetro 10k a 1Amper Case

III. TRANSFORMADOR

El transformador es un dispositivo que consta de un circuito magnético compuesto por dos embobinados. Su función principal es de convertir un voltaje elevado de C.A. a un voltaje menor. Dicho voltaje para ser utilizado en circuitos electrónicos. En nuestro caso utilizamos dos transformadores distintos. El transformador genérico se muestra a continuación.

Fig1. Trasformador genérico de 6 Volts

En nuestro caso nosotros hicimos uso de ambos transformadores, los cuales no hicimos los cálculos. Los transformadores fueron comprados para una mayor exactitud. El cual el transformador de 6 volts por ser genérico votaba de 7.5 a 8 volts aproximadamente.

El transformador consta de dos arroyamientos sobre un mismo núcleo de hierro, ambos arroyamientos, primario y secundario, son completamente independientes y la energía eléctrica se transmite del primario al secundario en forma de energía magnética a través del núcleo. El esquema de un transformador simplificado es el siguiente:


Fig2. Esquema de un transformador. Fuente: electronica.webcindario.com/tutoriales/fuentes2.htm

“Para realizar su embobinado se puede utilizar las siguientes formulas. La corriente que circula por el arrollamiento primario (el cual está conectado a la red) genera una circulación de corriente magnética por el núcleo del transformador. Esta corriente magnética será más fuerte cuantas más espiras (vueltas) tenga el arroyamiento primario. Si acercas un imán a un transformador en funcionamiento notarás que el imán vibra, esto es debido a que la corriente magnética del núcleo es alterna, igual que la corriente por los arroyamientos del transformador” [1].

En el arroyamiento secundario ocurre el proceso inverso, la corriente magnética que circula por el núcleo genera una tensión que será tanto mayor cuanto mayor sea el número de espiras del secundario y cuanto mayor sea la corriente magnética que circula por el núcleo (la cual depende del número de espiras del primario).

Por lo tanto, la tensión de salida depende de la tensión de entrada y del número de espiras de primario y secundario. Como fórmula general se dice que:

V1 = V2 * (N1/N2)

Donde N1 y N2 son el número de espiras del primario y el del secundario respectivamente.

Así por ejemplo podemos tener un transformador con una relación de transformación de 220V a 12V, no podemos saber cuántas espiras tiene el primario y cuantas el secundario pero si podemos conocer su relación de espiras:

N1/N2 = V1/V2 N1/N2 = 220/12 = 18,33

Este dato es útil si queremos saber que tensión nos dará este mismo transformador si lo conectamos a 120V en lugar de 220V, la tensión V2 que dará a 120V será:

120 = V2 * 18,33 V2 = 120/18,33 = 6,5 V

Por el primario y el secundario pasan corrientes distintas, la relación de corrientes también depende de la relación de espiras pero al revés, de la siguiente forma:

I2 = I1 * (N1/N2)Donde I1 e I2 son las corrientes de primario y

secundario respectivamente. Esto nos sirve para saber quecorriente tiene que soportar el fusible que pongamos a la entrada del transformador, por ejemplo, supongamos que el transformador anterior es de 0.4 Amperios. Esta corriente es la corriente máxima del secundario I2, pero

nosotros queremos saber que corriente habrá en el primario (I1) para poner allí el fusible. Entonces aplicamos la fórmula:

I2 = I1 * (N1/N2)

0.4 = I1 * 18.33

I1 = 0.4 / 18.33 = 21,8 mA

Para asegurarnos de que el fusible no saltará cuando no debe se tomará un valor mayor que este, por lo menos un 30% mayor.

IV. RECTIFICACION

Nosotros tomamos la rectificación de onda completa ya que en ello aprovechamos ambos hemiciclos tanto el positivo y el negativo. Ambos pasan a un solo hemiciclo al entrar el flujo de corriente por el punto de diodos en t/2 obtenemos hemiciclo positivo. Al entrar nuevamente en el periodo t entra como una señal en un solo hemiciclo de la siguiente manera:

Fig3. Rectificación Onda completa. Fuente: http://es.slideshare.net/marcosuni/circuitos-rectificadores-

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Entonces nosotros vimos la eficiencia de la siguiente manera. Enfocándonos en que cuando fluye la corriente hay una mínima perdida. Lo cual nos enfocamos al igual que no vayan señales adheridas a la nuestra que debe ser una línea recta. Considerando que una señal rectificada de onda completa, el voltaje de salida es Vcd =0.636 Vm, y Vr(rms)=0.308Vm . Por lo cual nos basamos en la siguiente formula:

Rizo=Vr(rms)/Vcd * 100%

Por lo tanto nos da un rizo del 48% mucho mejor que el de una onda media. En suma, una señal rectificada de onda completa contiene menos rizo que una señal de media onda, por lo cual nos facilitó para su filtración. Por lo cual hemos


utilizado un puente de diodos con las características adecuadas para su aplicación.

“Es tan común usar este tipo de rectificadores que se venden ya preparados los cuatro diodos en un solo componente. Suele ser recomendable usar estos puentes rectificadores, ocupan menos que poner los cuatro diodos y para corrientes grandes vienen ya preparados para ser montados en un radiador. Este es el aspecto de la mayoría de ellos: [2]”

Fig.4 Clases de diodos. Fuente: http://es.slideshare.net/marcosuni/circuitos-rectificadores-

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Tienen cuatro terminales, dos para la entrada en alterna del transformador, uno la salida positiva y otro la negativa o masa. Las marcas en el encapsulado suelen ser:

~ Para las entradas en alterna+ Para la salida positiva– Para la salida negativa o masa.

Luego de haber visto todas sus especificaciones calculamos el voltaje nominal, voltaje pico, Vcd, Vrizo en nuestra fuente tanto la fija como la variable.

FIJAV.real = 7 volts

V.pico= 7 *(2)^(1/2)V.pico=9.89

Vcd=0.636*V. pico-1.4 Vcd= 0.636*9.89-1.4Vcd=5.399

VARIABLEV.nominal = 40 volts

V.pico= 40 *(2)^(1/2)V.pico=56,56

Vcd=0.636*V. pico-1.4 Vcd= 0.636*56,56-1.4Vcd=35,087

V. FILTRADO “La mayoría de los circuitos digitales trabajan con corrientes directas así que necesitan una señal lineal en vez de pulsos, debido a esto en el circuito de la fuente necesita integrar un bloque de filtrado el cual se encargara de hacer que las señales en forma de pulso se trasformen en una señal continua” [3].

La señal que deseamos es que sea pulsante continua que sea constante por lo cual utilizamos dos condensadores en ambas fuentes. Dichos condensadores utilizaran un voltaje externo recibido para que el rizo sea el menor posible. El cual lo calculamos de la siguiente manera:

FIJAVrizo= (2,4*Vcd/(RCarga*C))Vrizo= (2,4*5.39/0.1*4700))Vrizo= 0.0275

VARIABLEVrizo= (2,4*Vcd/(RCarga*C))Vrizo= (2,4*35,087/0.1*4700))Vrizo= 0,17916

VI. REGUALADOR DE CIRCUITO INTEGRADO

En este caso nosotros utilizamos para la fuente fija un regulador llamado 7805 que nos sirve para regular exactamente nuestros 5v. En el caso de la fuente variable utilizamos el LM317, el cual con un potenciómetro nos da un voltaje regulable de 1.25volts a 36,5 volts aprox.

Fig.5 Regulador de tipo 7805 fijo

Fig.6 Regulador Integrado LM317


VII. DISEÑO DE FUENTE EN PROTEUS

Nuestro diseño fue planificar una fuente fija y variable de poder que esté contenida en un solo case. Para su realización hicimos el siguiente diseño el cual es perfecto por su ocupa miento del espacio. Además le añadimos un fusible de 1Amper el cual nos garantizara que no se queme nuestra fuente.

ARMAMENTO DEL CASE Y TALADRADO

VIII.

CONSTRUCCION Y ARMAMENTO DE NUESTRA FUENTE

Fuente fija en nuestro Protoboard

Comprobación de los 5 Volts en fuente fija.

IMPRESIÓN DE NUESTRA FUENTE EN FIBRA DE VIDRIO

Fig6. Diseño de fuente de voltaje fija y regulable en proteus.


REFERENCIAS

[1] “Fuentes de alimentación - Transformador de entrada -- Página de electrónica de Carlos Díaz.” [Online]. Available: http://electronica.webcindario.com/tutoriales/fuentes2.htm.

[Accessed: 21-Jul-2014].http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica

[2] “Puente rectificador - Wikipedia, la enciclopedia libre.” [Online]. Available: http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_rectificador. [Accessed: 21-Jul-2014].

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