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PRACTICA Nº 2

1. TEMA: FUENTE DE CC ESTABILIZADA DUAL

2. OBJETIVOS:

Diseñar una fuente de CC estabilizada que entregue 2 salidas de voltaje. Comprobar el funcionamiento de la fuente diseñada. Entender el funcionamiento general de una fuente conmutada.

3. MATERIALES:

Transformador 110/12 VCA 1A Cables de conexión con terminales tipo banana Cable multipar Sonda de interfaz para el osciloscopio Project board Diodos 1A, 100V Resistencias (a definir según diseño) Multimetro, osciloscopio. … (completar la tabla de materiales según diseño, punto 2)

4. MARCO TEORICO

La CC pulsante obtenida hasta ahora con los diferentes circuitos de rectificación monofásica, resulta inaplicable a la mayoría de circuitos electrónicos. Las tarjetas electrónicas necesitan una CC pura (como la de una batería de acumuladores). Por lo que a los circuitos anteriores es necesario incluirles otros dispositivos electrónicos que filtren y estabilicen la tensión hasta obtener una CC pura. El diagrama en bloques de una fuente de CC pura puede ser el siguiente:

El voltaje a la salida puede ser fijo positivo, fijo negativo o variable en un cierto rango; existen chips analógicos que se especializan en estos resultados últimos y son muy utilizados en las fuentes de CC estabilizadas.

4.1 Los condensadores de filtrado

Los condensadores que se usan son de tipo electrolítico, con un valor de capacidad que como mínimo suele ser de 1000uF. Deben poder soportar al menos una tensión doble de la tensión de pico que entregue el transformador. Así mismo, deben elegirse condensadores con poca corriente de fuga, ya que de lo contrario se tendría una disipación de potencia apreciable en dicho elemento, provocando que se calentase y, si alcanza temperaturas elevadas, llegado el caso estallase. También es deseable (imprescindible si se trata de la fuente primaria de un sistema de alimentación conmutado) elegir condensadores con una Resistencia Serie

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Equivalente (ESR) pequeña, ya que ello posibilitará que la fuente pueda entregar picos elevados de corriente ante demandas de la carga.

El condensador de filtro es el encargado de eliminar las pequeñas crestas que quedan después de haber rectificado una corriente alterna. Los diodos rectificadores se encargan de convertir la corriente alterna en corriente continua, pero ésta no es aún, totalmente pura, pues entre cada cresta de cada semionda positiva o negativa existe un intervalo donde la tensión decrece dada la forma de onda resultante después de pasar por los diodos, para eliminar este inconveniente, se añade al circuito rectificador, un condensador electrolítico de filtro.

Disposición de dos condensadores electrolíticos de filtro en un circuito de alimentación

En muchos montajes electrónicos pueden encontrarse condensadores electrolíticos montados en paralelo, de este modo se obtiene mayor capacidad, sumando el valor de todos ellos, evitando

el tener que poner un solo condensador de gran tamaño.

El funcionamiento básico del filtrado se puede comprender observando las tensiones y corrientes que se pueden ver en la figura. De ellas hay que destacar que la tensión en el condensador de filtro VC no es una continua pura ya que tiene un rizado no despreciable. Ello es debido a que el condensador se carga y se descarga en cada periodo de la tensión alterna.

También se observa que la forma de onda de la corriente es pulsante. El pulso lo produce la carga del condensador de filtro. Cuando la tensión del secundario desciende por debajo de la tensión del condensador, deja de circular corriente por el secundario, y entonces la corriente a la carga la suministra el condensador. El hecho de que la corriente en el transformador sea pulsante hace que su valor RMS sea superior al de una onda senoidal, y por tanto, la potencia aparente a la entrada de la fuente es considerablemente mayor que la potencia efectiva.

4.2 Estabilización

Estabilizar una fuente de alimentación (como puede ser un rectificador de doble onda con filtro) consiste en conseguir que la tensión de salida sea siempre lo más constante posible, no viéndose afectada por los cambios que puedan producirse en la señal de entrada (tensión de la red), en los componentes de la propia fuente o en la corriente de salida (dependiendo esta última variación por los diversos valores de la carga). Al mismo tiempo, la propia estabilización consigue reducir notablemente el factor de rizado y por tanto proporcionar una señal de valor más constante.

Para realizar la estabilización suele recurrirse al uso de diodos zener, transistores o circuitos integrados construidos para tal fin.

4.2.1 Diodo zener como estabilizador

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Como en el caso del diodo rectificador, el diodo zener también es un elemento semiconductor compuesto por dos pastillas tipo P y N (ánodo y cátodo). Si se polariza directamente se comporta como un diodo normal. Sin embargo, si se polariza inversamente presenta la característica de mantener entre sus extremos una determinada tensión, tensión de zener, de forma constante aun cuando aumente la tensión o la corriente en el circuito de aplicación.

4.2.2 C.I. Regulador

Un regulador o estabilizador es un circuito que se encarga de reducir el rizado y de proporcionar una tensión de salida de la tensión exacta que queramos. En esta sección nos centraremos en los reguladores integrados de tres terminales que son los más sencillos y baratos que hay, en la mayoría de los casos son la mejor opción.

Este es el esquema de una fuente de alimentación regulada con uno de estos reguladores:

Es muy común encontrarse con reguladores que reducen el rizado en 10000 veces (80 dB), esto significa que se usa la regla del 10% el rizado de salida será del 0.001%, es decir, inapreciable.

4.2.2.1 C.I. Tipo 78XX

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4.2.2.2 C.I. Tipo LM317

El LM317 es un circuito integrado monolítico, un regulador de voltaje de 3 terminales diseñado para suministrar hasta 1.5 amperes a una carga, con un ajuste de voltaje entre 1.2 y 37 volts, utiliza circuitos internos para limitar la corriente, protegerse térmicamente o para compensar, es barato y fácil de usar.

5. PROCEDIMIENTO

5.1. DISEÑAR y EXPLICAR una fuente de CC pura que cumpla con los bloques revisados en el marco teorico y que entregue a su salida 2 de las 3 siguientes opciones: 5V fijo, 10V fijo, una salida regulable; a una corriente de 500 mA, como minimo, para cada salida. Incluir en el informe los cálculos y los criterios que utilizo para el diseño . (Puede investigar un circuito prediseñado, identificar los diferentes bloques del sistema, calcular y explicar su funcionamiento general). Colocar un diodo LED con una R de 1KΩ, a cada salida para visualizar la existencia de voltaje. Agregue ademas un fusible general.

5.2. CIRCUITO Y CALCULOS:

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Datos (C.I. 7805):

Datos (C.I. LM317):

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5.3 EXPLICACION DETALLADA DEL FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUIT0 ESCOGIDO. (puede dividirlo en bloques y explicar cada uno)

C.I. 7805

En el primer bloque hemos utlizado un Transformador de 120V/12V/1A el que nos de a su salida (secundario) una tensión que oscila entre los 14V y 12V con el fin de hacer una Fuente De CC Estabilizada Dual, que a su salida nos proporcione dos opciones, la primera de 5V y la segunda de 12V.

En el segundo bloque se a colocado un Puente De Graetz como Rectificador, el objetivo de este es convertir la CA que llega desde el transformador en CC mediante sus diodos rectificadores, sin embargo no llega aun hacer corriente pura, existe un intervalo conocido como voltaje de rizo este se da debido a que el condensador se carga y se descarga en cada periodo de la tensión alterna. Por este motivo necesitamos del siguiente bloque.

El tercer bloque lo conforma el Filtro que viene hacer el Condensador Electrolítico, es el encargado de eliminar el voltaje de rizo que queda después de haber rectificado una CA, para nuestro diseño hemos optado por un condensador de en el calculo obtuvimos

un valor de pero hemos tomado el de mayor valor ya que es un valor comercial y nos da mayor fiabilidad a nuestro diseño, se recomienda que la tensión sea doble al valor pico del secundario, pero en nuestro caso es de 25V que es un valor adecuado para nuestra fuente ya que manejamos tensiones no muy altas.

El cuarto y último bloque que vendría hacer el Estabilizador ó Regulador lo conforma el CI 7805 para la primera salida, esta se encarga de que la tensión a su salida sea lo más pura ó constante posible que es nuestro proposito, hemos optado por este regulador para obtener un voltaje pequeño que se podría aplicar por ejemplo como cargador de celular. El CI 7805 es un regulador de tipo fijo y nos da una tensión positiva, ademas tambien exiten de tipo 79XX que nos da tensiones negativas.

Para terminar esta primera parte se a colocado un fusible de 0,5A para proteger nuestra fuente en caso de producirse un cortocircuito, un condensador de que ayuda al CI

7805 a mejorar el rizado de la rectificación y un diodo LED con una resistencia de para verificar que llega corriente a su salida.

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C.I. LM317

Para esta segunda parte tenemos los dos últimos bloques ya que en la primera hemos justificado los dos primeros para nuestro diseño.

Para utilizar el LM317 hemos tenido que indagar en fuentes confiables como el libro guía de Boylestad y fuentes de internet donde nos proponen algunas formas de utilizarlo en fuentes de CC nosotros optamos por la que está en nuestro diseño por que no se ocupa tanto material y fuera de eso es muy eficiente.

En la parte del filtro escogimos dos condensadores uno de y otro de

esto lo hicimos ya que el valor en nuestro calculo fue de y los condensadores anteriores son de valor comercial y tenemos la opción de sumarlos colocándolos en paralelo dándonos el valor de que justifica nuestro calculo, esto fue con el fin de eliminar tensiones alternas residuales y mejorar el rizado de la rectificación.

El LM317 lo utilizamos para la segunda salida, y nos hemos propuesto que entregue 12V para ese valor a sido diseñado.

Por último tenemos dos resistencias la R1 de y la R2 que calculamos de , en lo que hemos consultado la R1 es un dato impuesto pero con un valor bajo, que nos ayuda en el calculo de la R2 para que regular la tensión de salida que en nuestro caso oscila desde 0.5V a 12.7V. El condensador de y el LED con su resistencia de tienen el mismo fin que en la primera parte donde esta justificado.

5.4 Según el diseño anterior LLENAR el siguiente cuadro de lista de materiales dimensionados (valores comerciales):

Lista de materiales dimensionados para la fuente estabilizada dual:

MATERIAL CARACTERISTICAS (código)Transformador

FusiblePuente de Graetz

CondensadorCondensadorCondensador

2 Condensadores2 Resistencias

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ResistenciaPotenciómetro2 Diodos LED

CI 7805CI LM317

5.5 ARMAR de la manera más estética posible, el circuito diseñado y MEDIR con el multimetro los voltajes que comprueben el buen funcionamiento del diseño.

Voltaje de ingreso en alterna (en el secundario) = 12,2V Voltaje salida 1: 5,30V (a vacio) Voltaje salida 2 (máx.): 14,1V (a vacio) Voltaje salida 2 (min.): 1,29V (a vacio)

Si la fuente se diseño para entregar hasta 500mA, como máxima corriente a la carga. COLOQUE VARIAS CARGAS y mida la corriente para cada caso, acérquese lo más posible a la carga máxima permitida.

Por ejemplo: Si Vs = 5V a vacio en una salida, y usted coloca una resistencia de 100Ω como carga, esto significa que la carga absorberá 50mA (ley de Ohm) y mantendrá los 5V a la salida. Tenga cuidado de colocar las resistencias de carga de la potencia requerida para que estas no se calienten, por ejemplo la resistencia de 100Ω anterior debería tener una potencia de 0,25w o mas (ley de watt). Recuerde quela RC emula las condiciones a la cuales estará sometida la fuente ya en condiciones de trabajo reales. Llene el siguiente cuadro:

SALIDA 1 SALIDA 2RC Vs I de salida RC Vs I de salida

Ahora, usted con su buen criterio escoja otros valores a medir, esto dependerá del tipo de circuito que haya diseñado para la práctica. Podría medir algunos de los valores calculados.

Otras mediciones (o graficas):

ELEMENTO (MEDICION) VALORCondensador 2200𝜇𝑓Condensador 𝜇𝑓

C.I. 7805 ( )LM317 ( )LED 1

LED 2

6. GRAFICAR lo que se obtiene en el osciloscopio del laboratorio, para:

Voltaje de ingreso en alterna (en el secundario). Voltaje en el condensador filtro, antes de la estabilización.

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Voltaje en la carga a las diferentes salidas. (si es variable mida el máximo y el mínimo)

En cada forma de onda ACOTE los valores característicos.

SECUNDARIO:

Escalas para la onda obtenida en el secundario:

X: 5ms/DIV Y: 5V/DIV

CONDENSADOR FILTRO:

Escalas para la onda obtenida en el condensador filtro:

X: 5ms/DIV Y: 50mV/DIV

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SALIDA 1 (CI 7805)

Escalas para la salida 1:

X: 2ms/DIV Y: 5V/DIV

SALIDA 2 (LM317: Máx,Min.)

Escalas para la salida 2:

X: 2ms/DIV Y: 5V/DIV

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7. Pruebe que sucede quitando el filtro: observe, analice y presente las formas de onda antes y después de la estabilización.

FILTRO (ANTES DE ESTABILIZACION):

Escalas para la onda obtenida antes de estabilización:

X: 5ms/DIV Y: 5V/DIV

FILTRO (DESPUES DE ESTABILIZACION):

Escalas para la onda obtenida después de estabilización:

X: 5ms/DIV Y: 5V/DIV

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8. Tomarle una FOTO al circuito armado en el Project board, y presentarla impresa como parte de este informe.

9. CONCLUSIONES Y ANALISIS DE RESULTADOS.

Si utilizamos en el cálculo un valor de voltaje de rizo más pequeño obtendremos valores más altos en los condensadores pero tendríamos filtros que nos darían una corriente más constante, lo que nos ayuda a dar más fiabilidad a nuestro diseño.

Al colocar las diferentes cargas en ambos reguladores (7805, LM317), pudimos notar como la intensidad del LED variaba, debido a que cada carga toma una cantidad de corriente, pero su tensión se mantenía siempre sin importar el valor de la carga.

Para mayor protección de nuestra fuente colocamos un fusible de 0,5A el cual nos fue de gran ayuda ya que se nos quemaron tres de estos haciendo algunas pruebas, de esta manera protegimos nuestra fuente y nos ahorramos de gastar en otros materiales.

Es importante revisar como están dispuestas las entradas y salidas de los estabilizadores, en nuestro caso al colocar el LM317 colocamos de la misma forma que el 7805 pero, no son lo mismo por lo que este comenzó a calentarse de inmediato hasta que el fusible interrumpió el paso de corriente.

Al sacar el condensador antes de la estabilización obtenemos una señal pulsante debido a que no hay filtro entonces no hay transformación de CA a CC. Su forma es de media onda ya que solo cumple con un periodo de 8,33ms.

Al sacar el condensador después de la estabilización obtenemos una señal pulsante pero que su forma de onda se corta en 5V debido al estabilizador (7805) que tiene una tensión de salida de 5V eliminando cualquier tensión mayor ó menor a esta.

Los resultados que obtuvimos en el cálculo tienen coherencia con los valores de la práctica, se tiene una pequeña variación debido a que el voltaje en el secundario no es estable.

10. ANEXO:

10.1 FUENTES CONMUTADAS

Las fuentes conmutadas fueron desarrolladas inicialmente para aplicaciones militares y aerospaciales en los años 60, por ser inaceptable el peso y volumen de las lineales, se han desarrollado desde entonces diversas topologías y circuitos de control.

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Todo equipo industrial y de instrumentación tiene una fuente conmutada, más conocida como SMPS por sus siglas en ingles Switched Mode Power Supply. Estas fuentes tienen la característica que no realizan la transferencia de energía en forma continua sino en forma de paquetes mediante elementos reactivos que la hacen de acumuladores de energía.

10.2 FUNCIONAMIENTO DE UNA CONFIGURACION BÁSICA

Las fuentes conmutadas son de circuitos relativamente complejos, pero podemos siempre diferenciar cuatro bloques constructivos básicos:

En el primer bloque rectificamos y filtramos la tensión alterna de entrada convirtiéndola en una continua pulsante.

El segundo bloque se encarga de convertir esa continua en una onda cuadrada de alta frecuencia (10 a 200 kHz.), la cual es aplicada a una bobina o al primario de un transformador.

El tercer bloque rectifica y filtra la salida de alta frecuencia del bloque anterior, entregando así una corriente continua pura.

El cuarto bloque se encarga de comandar la oscilación del segundo bloque. Este bloque consiste de un oscilador de frecuencia fija, una tensión de referencia, un comparador de tensión y un modulador de ancho de pulso (PWM). El modulador recibe el pulso del oscilador y modifica su ciclo de trabajo según la señal del comparador, el cual coteja la tensión continua de salida del tercer bloque con la tensión de referencia.

En la mayoría de los circuitos de fuentes conmutadas encontraremos el primer y el tercer bloque como elementos invariables, en cambio el cuarto y el segundo tendrán diferentes tipos de configuraciones. A veces el cuarto bloque será hecho con integrados y otras veces nos encontraremos con circuitos totalmente transistorizados. El segundo bloque es realmente el alma de la fuente y tendrá configuraciones básicas: BUCK, BOOST, BUCK-BOOST.

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Buck: El circuito interrumpe la alimentación y provee una onda cuadrada de ancho de pulso variable a un simple filtro LC. La tensión aproximada es Vout = Vin * ciclo de trabajo y la regulación se ejecuta mediante la simple variación del ciclo de trabajo. En la mayoría de los casos esta regulación es

suficiente y sólo se deberá ajustar levemente la relación de vueltas en el transformador para compensar las pérdidas por acción resistiva, la caída en los diodos y la tensión de saturación de los transistores de conmutación.

Boost: El funcionamiento es más complejo. Mientras el Buck almacena la energía en una bobina y éste entrega la energía almacenada más la tensión de alimentación a la carga.

Buck−Boost: Los sistemas Flyback son una evolución de los sistemas anteriores y la diferencia fundamental es que éste entrada a la carga sólo la energía almacenada en la inductancia. El verdadero sistema Boost sólo puede regular siendo Vout mayor que Vin, mientras que el Flyback puede regular siendo menor o mayor la tensión de salida que la de entrada.

10.3 FLYBACK Y FORWARD (BOOST): Rango desde 50 hasta 250 vatios. Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20% Eficiencia del convertidor: h = 80% Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.4 Máx. corriente de trabajo en el transistor Máx. tensión de trabajo del transistor.

En el regulador flyback se puede variar sutilmente el modo de trabajo, continuo o discontinuo.

Modo Discontinuo: es el modo Boost estrictamente, donde la energía se vacía completamente del inductor antes de que el transistor vuelva a encenderse.

Modo Continuo: antes que la bobina se vacié enciende nuevamente el transistor. La ventaja de este modo radica en que el transistor sólo necesita conmutar la mitad de un gran pico de corriente para entregar la misma potencia a la carga.

El regulador Forward difiere del Flyback en que agrega un diodo más para ser usado como diodo de libre rodado en el filtro LC y un devanado más en el transformador para lograr el

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reestablecimiento. Gracias a todo esto puede entregar potencia a la carga mientras el transistor está encendido. El ciclo de trabajo no puede superar el 50%.

10.4 PUSH-PULL:

Rango desde 100 hasta 500 vatios. Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20% Eficiencia del convertidor: h = 80% Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8 Máxima corriente de trabajo en el transistor. Máxima tensión de trabajo del transistor: Configuración básica:

10.5 HALF-BRIDGE:

Rango desde 100 hasta 500 vatios. Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20% Eficiencia del convertidor: h = 80% Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8 Máxima corriente de trabajo en el transistor. Máxima tensión de trabajo del transistor.

10.6 FULL-BRIDGE:

Rango desde 500 hasta 1000 vatios. Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20% Eficiencia del convertidor: h = 80% Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8 Máxima corriente de trabajo en el transistor. Máxima tensión de trabajo del transistor.

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10.7 VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Esencialmente este tipo de fuente tiene algunas características que son ventaja frente a otras; entre ellas tenemos:

El bajo peso y tamaño reducido. Mayor frecuencia de salida facilitando el filtrado y disminuyendo el tamaño de los

elementos involucrados. El bajo costo debido a su reducido volumen y disipación tiene como beneficio que los

elementos pasivos y activos son pequeños, reduciendo así los dispositivos de disipación y el espacio físico que utilizan.

El amplio rango de tensión de entrada ya que variando el ciclo de trabajo, estas variaciones pueden ser fácilmente compensadas.

Como desventajas pueden considerarse su mayor complejidad de diseño, emisión de señales de interferencia de radiofrecuencia y menor velocidad de respuesta ante bruscas variaciones de carga.

10.8 APLICACIONES:

En la actualidad todo computador consta de una fuente de alimentación regulada y conmutada.

Los dispositivos de Conmutación de Corriente Continua a Corriente Continua (CC-CC) están presentes en aplicaciones como la televisión, tubos catódicos en Rayos X, osciloscopios para mediciones electrónicas y monitores de computadoras.

10.9 CONCLUSIONES:

Las fuentes conmutadas de CC son muy eficaces en equipos electrónicos, debido a que por su reducido tamaño y poco peso se pueden acoplar a espacios físicos más reducidos, además de tener mayor capacidad, eficiencia, y disminución de pérdidas.

Este tipo de fuente es de diseño complejo, ya que para realizar algún tipo de circuito, se requiere conocer las distintas formas que estos pueden tener, especialmente en el segundo bloque que es la parte más importante de la fuente conmutada.

Este trabajo nos dio la oportunidad de conocer las fuentes conmutadas de CC, sus diversas características, funcionamiento, circuitos empleados y aplicaciones, lo cual indica que existe una forma más eficaz de rectificar la corriente alterna a corriente continua que los métodos estudiados hasta ahora en la materia.

10.10 BIBLIOGRAFÍA:

http://www.electronicafacil.net/foros-rss.php file:///C:/Documents%20and%20Settings/Hernán/Mis%20documentos/Mis%20Webs/

miWeb/informacion_electronica_02.htm

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http://www.dbup.com.ar/Templates/index.htm http://www.educa.madrid.org

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