II. OBJETIVOS
Crear una fuente de alimentacin variable fsica y virtual.
Familiarizarnos con el simulador virtual de circuitos (MULTISIM)
en cunto a todo el anlisis que se puede realizar, desde crear un
circuito con todos los dispositivos que se requiera hasta usar los
instrumentos de medida (multmetro, osciloscopio, etc.)
Demostrar en el circuito creado (fuente de alimentacin) cmo es
que vara las seales elctricas en el tiempo, transformando as la
corriente entregada AC en CC al insertar en el circuito un
capacitor.
III. INTRODUCCIN
En la presente prctica crearemos una fuente de alimentacin
variable (Powersupplyen ingls) es como su nombre indica, la
encargada de suministrar energa elctrica a los distintos elementos
que componen nuestro sistema informtico. Una fuente de alimentacin
es un dispositivo que convierte la corrientealterna, en una o
varias corrientescontinuas, que alimentan los distintos circuitos
delaparato electrnicoal que se conecta
(ordenador,televisor,impresora,router, etc.).La electricidad que
llega hasta nuestros hogares es del tipo conocido como
"corrientealterna" y nos es suministrada habitualmente con una
tensin (ovoltaje) que suele ser de alrededor de 115 o 230 voltios.
Este tipo de corriente no es en absoluto adecuada para alimentar
equiposelectrnicos, y ms concretamente dispositivos informticos, en
dnde es necesario trabajar con "corriente continua" y voltajes
mucho ms bajos.Por tanto, este dispositivo es el que se encarga de
"reducir" elvoltaje(mediante un transformador) y posteriormente
convertir la corrientealternaen continua (con un puente de diodos)
para finalmente filtrarla (mediante condensadores
electrolticos).Evidentemente el esquema es mucho ms complejo que el
comentado, ya que en su interior se encuentran muchos otros
componentes. Es por ello que en esta prctica construiremos este
esquema o circuito apoyndonos en un simulador virtual de circuitos
(MULTISIM) empezando por la construccin del mismo aadiendo todos
los componentes o dispositivos requeridos hasta el anlisis que se
puede realizar en l, como usar los instrumentos de medida
(multmetro, osciloscopio, etc.)NI Multisim(antesMultiSIM) es un
sistema electrnicode captura esquemticay simulacin del programa,
que forma parte de unconjuntode programas de diseo de
circuitos.Multisim es uno de los pocos programas de diseo de
circuitosbasado simulacin de software.Multisim fue originalmente
creado por una empresa llamadaElectronics Workbench, que ahora es
unadivisindeNational Instruments.Multisim incluye simulacin
microcontrolador (anteriormente conocido como MultiMCU), as como
las funciones integradas. Multisim es ampliamente utilizado en el
mundo acadmico y la industria para la educacin de circuitos, diseo
esquemtico electrnico, etc.
IV. FUNDAMENTO TERICO
4.1 Definicin
La funcin de una fuente de alimentacin es convertir la tensin
alterna en una tensin continua y lo ms estable posible, para ello
se usan los siguientes componentes: 1.- Transformador de entrada;
2.- Rectificador a diodos; 3.- Filtro para el rizado; 4.- Regulador
(o estabilizador) lineal.
Existen bsicamente dos tipos de fuente de alimentacin:
LA FUENTE CONMUTADA
LA FUENTE REGULADA
Cada una con sus caractersticas, sus ventajas y desventajas. Se
utiliza una de ellas de acuerdo al uso final que van a tener, es
decir, segn los requerimientos de estabilidad y rendimiento que
tenga la carga a alimentar.
4.2 Componentes Bsicos
4.2.1 Transformador de entrada:
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 alterna y la de salida tambin.
Consta de dos arroyamientos sobre un mismo ncleo de hierro,
ambos arroyamientos, primario y secundario, son completamente
independientes y la energa elctrica se transmite del primario al
secundario en forma de energa magntica a travs del ncleo.El esquema
de un transformador simplificado es el siguiente:
La corriente que circula por el arrollamiento primario (el cual
est conectado a la red), genera una circulacin de corriente
magntica por el ncleo del transformador. Esta corriente magntica
ser ms fuerte cuantas ms espiras (vueltas) tenga el arroyamiento
primario. Si acercas un imn a un transformador en funcionamiento
notars que el imn vibra, esto es debido a que la corriente magntica
del ncleo es alterna, igual que la corriente por los arroyamientos
del transformador.
En el arroyamiento secundario ocurre el proceso inverso, la
corriente magntica que circula por el ncleo genera una tensin que
ser tanto mayor cuanto mayor sea el nmero de espiras del secundario
y cuanto mayor sea la Corriente magntica que circula por el ncleo
(la cual depende del nmero de espiras del primario).
Por lo tanto, la tensin de salida depende de la tensin de
entrada y del nmero de espiras de primario y secundario. Como
frmula general se dice que:
V1 = V2 * (N1/N2)
Donde N1 y N2 son el nmero de espiras del primario y el del
secundario respectivamente.
As por ejemplo podemos tener un transformador con una relacin de
transformacin de 220V a 12V, no podemos saber cuntas espiras tiene
el primario y cuantas el secundario pero si podemos conocer su
relacin de espiras:
N1/N2 = V1/V2
N1/N2 = 220/12 = 18,33
4.2.2 Rectificador a Diodos:
El rectificador es el que se encarga de convertir la tensin
alterna que sale del transformador en tensin continua. Para ello se
utilizan diodos. Un diodo conduce cuando la tensin de su nodo es
mayor que la de su ctodo.
Es como un interruptor que se abre y se cierra segn la tensin de
sus terminales:
El rectificador se conecta despus del transformador, por lo
tanto le entra tensin alterna y tendr que sacar tensin continua, es
decir, un polo positivo y otro negativo:
La tensin Vi es alterna y senoidal, esto quiere decir que a
veces es positiva y otras negativa. En un osciloscopio veramos
esto:
La tensin mxima a la que llega Vi se le llama tensin de pico y
en la grfica figura como Vmax. La tensin de pico no es lo mismo que
la tensin eficaz pero estn relacionadas, Por ejemplo, si compramos
un transformador de 6 voltios son 6 voltios eficaces, estamos
hablando de Vi. Pero la tensin de pico Vmax vendr dada por la
ecuacin:
Vmax = Vi * 1,4142
Vmax = 6 * 1,4142 = 8,48 V
Ejemplos:
Rectificador a un diodo:
El rectificador ms sencillo es el que utiliza solamente un
diodo, su esquema es este:
Cuando Vi sea positiva la tensin del nodo ser mayor que la del
ctodo, por lo que el diodo conducir: en Vo veremos lo mismo que en
Vi, mientras que cuando Vi sea negativa la tensin del nodo ser
menor que la del ctodo y el diodo no podr conducir, la tensin Vo
ser cero.
Segn lo que acabamos de decir la tensin Vo tendr esta forma:
La tensin que obtenemos con este rectificador no se parece mucho
a la de una batera, pero una cosa es cierta, hemos conseguido
rectificar la tensin de entrada ya que Vo es siempre positiva.
Aunque posteriormente podamos filtrar esta seal y conseguir mejor
calidad este esquema no se suele usar demasiado.
Rectificador en puente:
El rectificador ms usado es el llamado rectificador en puente,
su esquema es el siguiente:
Cuando Vi es positiva los diodos D2 y D3 conducen, siendo la
salida Vo igual que la entrada Vi, cuando Vi es negativa los diodos
D1 y D4 conducen, de tal forma que se invierte la tensin de entrada
Vi haciendo que la salida vuelva a ser positiva. El resultado es el
siguiente:
Vemos en la figura que todava no hemos conseguido una tensin de
salida demasiado estable, por ello, ser necesario filtrarla
despus.
Es tan comn 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 mayora de ellos:
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.
Rectificador a dos diodos:
La forma de la onda de salida es idntica a la del rectificador
en puente, sin embargo este rectificador precisa de un
transformador con toma media en el secundario. Un transformador de
este tipo tiene una conexin suplementaria en la mitad del
arrollamiento secundario:
Normalmente se suele tomar como referencia o masa la toma
intermedia, de esta forma se obtienen dos seales senoidales en
oposicin de fase. dos seales de este tipo tienen la siguiente
forma:
El esquema del rectificador con dos diodos es el siguiente:
Tal y como son las tensiones en A y en B nunca podrn conducir
ambos diodos a la vez. Cuando A sea positiva (B negativa) el nodo
de D1 estar a mayor tensin que su ctodo, provocando que D1
conduzca. Cuando B sea positiva (A negativa) el nodo de D2 estar a
mayor tensin que su ctodo, provocando que D2 conduzca. Obtenindose
la misma forma de Vo que con el puente rectificador:
La ventaja de este montaje es que solo utiliza dos diodos y solo
conduce uno cada vez.
Cada de tensin en los diodos:Cuando hablbamos de los diodos
decamos que eran como interruptores que se abren y se cierran segn
la tensin de sus terminales. Esto no es del todo correcto, cuando
un diodo est cerrado tiene una cada de tensin de entre 0,7 voltios
y 1 voltio, dependiendo de la corriente que este conduciendo esta
cada puede ser mayor.Esto quiere decir que por cada diodo que este
conduciendo en un momento determinado se "pierde" un voltio
aproximadamente.En el rectificador de un diodo conduce solamente un
diodo a la vez, por lo tanto la tensin de pico Vmax de la salida
ser un voltio inferior a la de la Vmax de entrada. Por ejemplo:
supn que tienes un transformador de 6 V y quieres saber la tensin
de pico que te queda cuando le pones un rectificador de un diodo,
la tensin de salida de pico Vmax ser la siguiente:Vmax = 6 * 1.4142
- 1 = 7,5 VEn el rectificador en puente conducen siempre dos diodos
a la vez, se dice que conducen dos a dos, por lo tanto la tensin de
pico de la salida Vmax ser dos voltios inferior a la Vmax de
entrada. Por ejemplo: supn el mismo transformador de 6 voltios y
quieres saber la tensin de pico que te queda al ponerle un
rectificador en puente, la tensin de salida de pico Vmax ser la
siguiente:Vmax = 6 * 1.4142 - 2 = 6,5 VQuizs te extrae que el
rectificador en puente sea el ms usado pese a que "pierde" ms
voltios. Pero ten en cuenta que la forma de onda del rectificador
con un diodo y el rectificador en puente no son iguales y al final
acaba rindiendo mucho mejor el puente de diodos.
4.2.3 Filtro:
La tensin en la carga que se obtiene de un rectificador es en
forma de pulsos. En un ciclo de salida completo, la tensin en la
carga aumenta de cero a un valor de pico, para caer despus de nuevo
a cero. Esta no es la clase de tensin continua que precisan la
mayor parte de circuitos electrnicos. Lo que se necesita es una
tensin constante, similar a la que produce una batera.
Para obtener este tipo de tensin rectificada en la carga es
necesario emplear un filtro.El tipo ms comn de filtro es el del
condensador a la entrada, en la mayora de los casos perfectamente
vlido. Sin embargo en algunos casos puede no ser suficiente y
tendremos que echar mano de algunos componentes adicionales.
Filtro con condensador a la entrada:
Este es el filtro ms comn y seguro que lo conocers, basta con
aadir un condensador en paralelo con la carga (RL), de esta
forma:
Todo lo que digamos en este apartado ser aplicable tambin en el
caso de usar el filtro en un rectificador en puente. Cuando el
diodo conduce el condensador se carga a la tensin de pico Vmax. Una
vez rebasado el pico positivo el condensador se abre. Por qu?
debido a que el condensador tiene una tensin Vmax entre sus
extremos, como la tensin en el secundario del transformador es un
poco menor que Vmax el ctodo del diodo est a ms tensin que el nodo.
Con el diodo ahora abierto el condensador se descarga a travs de la
carga.
Durante este tiempo que el diodo no conduce el condensador tiene
que
"mantener el tipo" y hacer que la tensin en la carga no baje de
Vmax. Esto es prcticamente imposible ya que al descargarse un
condensador se reduce la tensin en sus extremos.
Cuando la tensin de la fuente alcanza de nuevo su pico el diodo
conduce brevemente recargando el condensador a la tensin de pico.
En otras palabras, la tensin del condensador es aproximadamente
igual a la tensin de pico del secundario del transformador (hay que
tener en cuenta la cada en el diodo). La tensin Vo quedar de la
siguiente forma:
La tensin en la carga es ahora casi una tensin ideal. Solo nos
queda un pequeo rizado originado por la carga y descarga del
condensador. Para reducir este rizado podemos optar por construir
un rectificador en puente: el condensador se cargara el doble de
veces en el mismo intervalo teniendo as menos tiempo para
descargarse, en consecuencia el rizado es menor y la tensin de
salida es ms cercana a Vmax.
Otra forma de reducir el rizado es poner un condensador mayor,
pero siempre tenemos que tener cuidado en no pasarnos ya que un
condensador demasiado grande origina problemas de conduccin de
corriente por el diodo y, por lo tanto, en el secundario del
transformador (la corriente que conduce el diodo es la misma que
conduce el transformador).
Efecto del condensador en la conduccin del diodo:
Como venimos diciendo hasta ahora, el diodo solo conduce cuando
el condensador se carga. Cuando el condensador se carga aumenta la
tensin en la salida, y cuando se descarga disminuye, por ello
podemos distinguir perfectamente en el grfico cuando el diodo
conduce y cuando no. En la siguiente figura se ha representado la
corriente que circula por el diodo, que es la misma que circula por
el transformador:
La corriente por el diodo es a pulsos, aqu mostrados como
rectngulos para simplificar. Los pulsos tienen que aportar
suficiente carga al condensador para que pueda mantener la
corriente de salida constante durante la no conduccin del diodo.
Esto quiere decir que el diodo tiene que conducir "de vez" todo lo
que no puede conducir durante el resto del ciclo. Es muy normal,
entonces, que tengamos una fuente de 1 Amperio y esos pulsos
lleguen hasta 10 Amperios o ms. Esto no quiere decir que tengamos
que poner un diodo de 10 amperios, Un 1N4001 aguanta 1 amperio de
corriente media y pulsos de hasta 30 amperios.
Si ponemos un condensador mayor reducimos el rizado, pero al
hacer esto tambin reducimos el tiempo de conduccin del diodo, Como
la corriente media que pasa por los diodos ser la misma (e igual a
la corriente de carga) los pulsos de corriente se hacen
mayores:
Y esto no solo afecta al diodo, al transformador tambin, ya que
a medida que los pulsos de corriente se hacen ms estrechos (y ms
altos a su vez) la corriente eficaz aumenta. Si nos pasamos con el
condensador podramos encontrarnos con que tenemos un transformador
de 0,5 A y no podemos suministrar ms de 0,2 A a la carga (por poner
un ejemplo).
4.2.4 Regulador:
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. En esta seccin nos centraremos en los
reguladores integrados de tres terminales que son los ms sencillos
y baratos que hay, en la mayora de los casos son la mejor
opcin.
Este es el esquema de una fuente de alimentacin regulada con uno
de estos reguladores:
Si seguimos las explicaciones hasta ahora no nos costar trabajo
distinguir el transformador, el puente rectificador y el filtro con
condensador a la entrada. Suele ser muy normal ajustar el
condensador segn la regla del 10%, Si no sabemos cmo repasa el
filtro con condensador a la entrada. Es muy corriente encontrarse
con reguladores que reducen el rizado en 10000 veces (80 dB), esto
significa que si usas la regla del 10% el rizado de salida ser del
0.001%, es decir, inapreciable.
Las ideas bsicas de funcionamiento de un regulador de este tipo
son:1. La tensin entre los terminales Vout y GND es de un valor
fijo, no variable, que depender del modelo de regulador que se
utilice. 2. La corriente que entra o sale por el terminal GND es
prcticamente nula y no se tiene en cuenta para analizar el circuito
de forma aproximada. Funciona simplemente como referencia para el
regulador. 3. La tensin de entrada Vin deber ser siempre unos 2 o 3
V superior a la de Vout para asegurarnos el correcto
funcionamiento.
Los tipos de reguladores que se suelen usar son: Reguladores de
la serie 78XX: Regulador ajustable LM317
4.3 Fuente de Alimentacin Variable
-Operan con c.c. a la entrada: VCC
-Equivalen a una resistencia con valor de ajuste automtico.
-Basan su funcionamiento en la cada de tensin en elementos
disipativos. Tienen bajo rendimiento.
4.3.1 Fuente regulada:
4.3.2 Tipos de reguladores Lineales:
Regulador en serie:
Esta configuracin suele utilizarse cuando la carga es
grande.
En la figura vemos el diagrama de bloques de un regulador en
serie.
Del diagrama deducimos que la potencia disipada ser:
Regulador en paralelo
Esta configuracin suele utilizarse cuando la carga es pequea. El
circuito est auto protegido frente a cortocircuitos.
En la figura vemos el diagrama de bloques de un regulador en
serie.
Del diagrama deducimos que la potencia disipada ser:
Diferencias esenciales
El regulador paralelo impide que las variaciones de la corriente
de carga aparezcan en la fuente 1 aislndose la carga de la fuente
1, que es bueno para frecuencias elevadas.
La energa disipada, en forma de calor, en el regulador serie
aumenta en proporcin directa con la carga, mientras que en el
regulador paralelo disminuye al aumentarla.El regulador paralelo
tiene un elemento ms, R, que evita la rotura del regulador si falta
la carga. R tambin disipa calor para una entrada, una salida
determinada y una carga idntica, la potencia entregada por la
fuente 1 de un regulador paralelo es mayor que la entregada por un
regulador en serie.El regulador paralelo tiene un rendimiento
inferior al regulador en serie.
V. MATERIALES Y EQUIPO
1 Protoboard (tablero de conexiones). 4 diodos 1N4004 o 1N4007.
resistencias de 100k, 10k y 1.5k * 1/2 watt. 1 capacitor de 2200 uF
* 25 voltios. 1 Fuente de Voltaje (AC.) 1 Multmetro. Cable para
puentes. Software MULTISIM 12
VI. PROCEDIMIENTO
1. Construccin de la fuente de alimentacin fsica para demostrar
la variedad y continuidad de la corriente a travs del tiempo.
Diagrama:
SIN CAPACITOR CON CAPACITOR
2. Construccin de una fuente de alimentacin variable
virtual.
Se procedi a construir una fuente de alimentacin variable en el
programa MULTISIM 12 con ayuda del profesor con las siguientes
caractersticas y como se muestra:
VII. RESULTADOS
1.- Se tomaron las medidas de las tensiones entregadas y salidas
de la fuente fsica armada.
CUADRO DE DATOS N 01Tensin entregada (V)Tensin de salida (V)
Sin capacitor10,48.61
Con capacitor 10,713.4
OBS: En el primer caso se analiza que el voltaje de salida es un
voltaje eficaz o Vrms y la corriente va variando, sin embargo con
el capacitor la corriente de salida alcanza tu pico mximo o Voltaje
de pico Vp, tomando en un diagrama la forma rizada con tendencia a
ser una corriente continua.
2.- Se realiz el anlisis de la fuente virtual construida en el
software MULTISIM.
1 rect o.c. 1k
1 rect o.c. 10K
2 rect oc sin capac out
2 rect mo sin capac out
3 rect oc sin capac sin carga out
4 rect oc sin capac in
4 rect oc sin capac out 1
5 rect oc con capac out
VIII. CONCLUSIONES
Queda demostrado que la fuente de alimentacin va a transformar
la corriente entregada (AC) en CC, esto qued comprobado en la
medicin virtual usando el osciloscopio denotndose como es que vara
las seales elctricas en funcin del tiempo.
Los componentes o elementos bsicos de una fuente de alimentacin
cumplen cada uno una funcin elemental para la trasformacin de la
corriente como se resume en la figura:
En el anlisis de la fuente creada fsicamente para el primer caso
se analiza que el voltaje de salida es un voltaje eficaz o Vrms y
la corriente va variando, sin embargo con el capacitor la corriente
de salida alcanza tu pico mximo o Voltaje de pico Vp, tomando en un
diagrama la forma rizada con tendencia a ser una corriente
continua.
Con el simulador virtual de circuitos (MULTISIM) se logr la
construccin y el anlisis virtual respectivo de la fuente de
alimentacin variable. En este programa se hizo adems un uso
multivariado de los instrumentos y dems comandos de medidas como
por ejemplo (multmetro, osciloscopio, generador de funciones,
vatmetro, etc.)
IX. REFERENCIAS
Dispositivos y circuitos electrnicos, Jacob Millman y Christos
C. Power Electronics Handbook, Muhammad H. Rashid. Halkias, Anaya,
Introduccin a la fsica de los semiconductores, Semiconductor.
Electronics Education Commitee (SEEC), Tomo 2, Editorial Revert.
Fundamentos de Electrnica Fsica y Microelectrnica, Albella, J.M. y
Martnez-Duart, J.M., Addison-Wesley/Universidad Autnoma de Madrid.
Semiconductor Devices. An introduction, Jasprit Singh, McGraw-Hill,
Electrical Engineering Series. Principios de Electrnica, Malvino,
A.P., McGraw-Hill. Manual de Diodos Semiconductores, Ruiz Vassallo,
Francisco, Ediciones CEAC. Electrnica Analgica. El diodo y fuentes
de alimentacin. E. Maeco, I. Doate, J. Campos, Edeb.
http://www05.abb.com/global/scot/scot209.nsf/veritydisplay/9146478e6e30e650c12574ec002bec1a/$file/1txa114004m0701.pdf
21
