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FUENTE DE ALIMENTACIÓN CON REGULACIÓN DE VOLTAJE 46 – 52 V

Valle Altuve, Francisco Javier; Orellana Calles, José Ernesto; Navarrete Rodríguez, Francisco Antonio; Mendoza Hernández Milton Ignacio; López Chávez Fidel Ulises

Resumen: Mucha de los equipos utilizados en la

industria están diseñados para trabajar con corriente directa, además de trabajar a ciertos niveles de voltaje que no es proporcionado por una distribuidora eléctrica. Una fuente de alimentación es un dispositivo electrónico diseñado para convertir la corriente alterna en corriente directa, reduciendo el nivel de voltaje del suministro de red hasta un valor requerido para la conexión de dichos equipos.

Palabras clave: Rectificación, filtrado, regulación,

circuito electrónico.

1. Introducción

En el presente trabajo se muestra de manera detallada cada una de las etapas que conforman el proceso de conversión de corriente alterna a corriente directa, además de la funcionalidad de la fuente de alimentación. Se busco familiarizar al lector con conceptos preliminares, que rigen el fenómeno que se produce en cada una de las etapas: transformación, rectificación, filtrado y regulación; con lo cual se obtuvo un valor de voltaje que esta destinado a alimentar equipos en la industria que requieran un nivel de voltaje especifico para su funcionalidad.

2. Metodología

Una fuente de alimentación es un dispositivo eléctrico-electrónico, que realiza la función de transformar y convertir un nivel de voltaje de corriente alterna (AC) a otro nivel de voltaje en corriente directa (DC).Existen diversos tipos de fuentes de alimentación cada una de de las cuales ha sido construida para proporcionar el nivel de voltaje y corriente que el equipo conectado requiera. Internamente puede construirse utilizando diferentes elementos eléctricos y electrónicos, dejando claro que no existe una única forma de ser construidas. Aun así todas las fuentes de alimentación tienen la misma función.

Para llevar a cabo esta conversión, la construcción de una fuente con lleva varias etapas, las cuales se mencionarán a continuación:

Transformación: Esta etapa se produce utilizando un

transformador reductor (véase fig. 1). El transformador es una máquina electromagnética que esta formado por un núcleo ferro-magnético, en donde se colocan dos enrollamientos de cobre sobre el mismo. El devanado que recibe la tensión de entrada se denomina devanado primario y el devanado que proporciona la tensión transformada se denomina devanado secundario.

El transformador reductor reduce la tensión de entrada de la red de suministro (normalmente 220 V - 120 V), a una tensión más baja y más fácil de ser procesada por el circuito electrónico.

Fig. 1 Transformador Reductor de voltaje

Rectificación: En la etapa de rectificación se dispone

de un dispositivo electrónico que realiza la función de

rectificar la señal alterna proveniente del transformador.

El dispositivo electrónico utilizado es un rectificador de

puente de diodos (Véase fig.2), el cual consta de 4

diodos rectificadores. El diodo es un dispositivo

electrónico hecho de silicio, tiene la función de permitir

el paso de corriente en un único sentido, debido a esto,

la configuración de un puente de diodos brinda la

facilidad de obtener una señal de corriente continua al

reflejar el semi-ciclo negativo de la señal de corriente

alterna (Véase fig.3).

Fig.2 Rectificador de Puente de Diodos.

Fig.3 Rectificación: Corriente alterna a Corriente continua.

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Filtrado: Para la etapa de filtrado lo utilizó un

Condensador o también llamado Capacitor. El

capacitor cumple la función de filtrar la señal en

forma de pulsos proveniente del rectificador,

produciendo así una señal con un nivel de voltaje

aproximadamente constante.(véase fig. 4), como lo

son los voltajes proporcionados por baterías, la cual

es necesaria para la funcionalidad de los demás

elementos electrónicos que componen el circuito de

la fuente.

Fig.4 Filtrado de la señal rectificada

Regulación: Se implementa un circuito electrónico

regulador o estabilizador de la señal, que cumple la

función de reducir al máximo el rizo provocado por el

capacitor y proporcionar el rango del nivel de tensión,

para el cual la fuente de voltaje esta diseñada.

Un diagrama de bloques muestra de manera breve la

funcionalidad de cada una de las etapas de la fuente de

alimentación (véase fig. 5)

Fig. 5 Etapas de funcionamiento de la fuente de alimentación.

2.1 Construcción de la fuente de voltaje

Para llevar a cabo la construcción de la fuente es

necesario unir todas las etapas que se mencionaron

anteriormente en un solo circuito electrónico.

2.1.1 Etapa de transformación y rectificación

Con respecto a la etapa de transformación se trabajo

con un transformador reductor de 120 a 60 V (Vrms)

diseñado para soportar hasta un máximo de 5.2 A,

entregando un máximo de 600 W de potencia. Debido a

que se trabaja con una señal senoidal en la etapa de

rectificado es necesario conocer cuanto es la máxima

amplitud de tensión entregada por el transformador. El

valor máximo de la amplitud del voltaje es de 84.85 V

(Vp) y el valor máximo de corriente demandada al

circuito será de 5 A.

El rectificador puente de diodos realiza la función de

modificar la señal alterna haciendo positivo el semi-ciclo

negativo de la señal senoidal, convirtiendo así la

corriente alterna en corriente continua además de esto

duplica la frecuencia de la señal de 60 Hz a 120 Hz.

El siguiente diagrama muestra la conexión del

transformador con el puente rectificador:

Fig 6. Conexión del transformador con puente rectificador, para

la obtención de una señal de corriente continua.

(Diseño Circuit Maker)

2.1.2 Etapa de filtrado

Habiendo obtenido una señal de corriente continua es

necesario aproximarla a una señal de corriente directa,

ya que los equipos electrónicos utilizados en el circuito

de regulación únicamente trabajan con corriente directa.

Para ello se ocupa un filtro, para la construcción del

circuito. Se utilizó como filtro un capacitor de 3300 µF a

100 V, el capacitor proporciona una aproximación a un

valor constate del voltaje pico de la señal senoidal, por

medio de la acción natural de descarga lenta del

capacitor. Teniendo una señal de frecuencia alta

producirá una muy moderada disminución del valor de

voltaje del capacitor. Este efecto puede mejorar al

utilizar capacitores que tengan una mayor capacitancia.

Fig. 7. Implementación de un capacitor como filtro, para

producir una aproximación de una señal de corriente directa,

para funcionamiento de circuitos electrónicos. (Diseñado en

Multisim)

2.1.3. Etapa de pre-regulación y regulación

Después de obtener un valor de voltaje

aproximadamente constante, es necesario primero

realizar una etapa de pre-regulación. Esta etapa de pre-

regulación permite poder disipar cierto nivel de voltaje

para obtener un valor cercano al valor destinado para

los demás dispositivos electrónicos de la fuente. Este

3

proceso se realiza con la implementación de los Diodos

Zener.

Una característica de los diodos zener es que

dependiendo de su conexión, al igual que un diodo

rectificador, únicamente permitirá el paso de corriente

en un único sentido, pero este diodo únicamente

permitirá paso de corriente a un nivel de voltaje

determinado, provocando así que se mantenga fijo el

valor de voltaje para el que esta diseñado. Esto se

conoce como voltaje de rodilla. Además se implemento

un arreglo de transistores que proporcionarán una

protección a los componentes electrónicos del circuito

con respecto a la demanda de corriente, para esa

función se colocaron un transistor TIP 121 que es un

arreglo Darlington y un transistor 2N3055.

Fig. 8 Etapa de pre-regulado, necesario para protección de los

componentes electrónicos debido a la elevada demanda de

corriente, además de brindar una previa disipación de potencia

innecesaria. (Diseñado en Multisim)

En la etapa de regulación se busca obtener un rango de

variación del voltaje que será entregado por la fuente,

para esto se utilizo el componente integrado LM317 el

cual es un regulador de voltaje con la característica de

proporcionar un rango de variación de su nivel de voltaje

a la salida, por medio de un arreglo de resistencias y un

potenciómetro (resistencia variable).

Para un correcto funcionamiento del LM317 es

necesario tener especial cuidado en los niveles de

voltaje y corriente al cual estará expuesto. Con respecto

al voltaje la diferencia voltaje entre su terminal común

con respecto al de salida no debería estar fuera del

rango de 3 a 40 V, para esto se implemento

nuevamente el uso de diodos zener fijando un voltaje de

33 V en el terminal común.

Con respecto a la corriente, el LM317 esta diseñado

para soportar un valor máximo de corriente de 1 A

(algunos integrados soportan hasta 3A según la

denominación del mismo), debido a esto se implemento

el uso de un transistor 2N3055 destinado a proporcionar

la ganancia de corriente del circuito, evitando así que la

demanda recaiga sobre el LM317.

Fig. 9 Seccion de regulacion de la fuente, nivel de voltaje a la

salida 46 a 52 V con una demanda de corriente de 5 A

(Diseñado en Multisim)

Con el arreglo de trimpot (potenciómetros de chasis o

de tableta) y el potenciómetro se obtuvo un rango de

voltaje de 46 a 52 V a la salida del LM317.

3. Resultados

Con la implementación de este circuito para la

construcción de la fuente, se logro obtener una

manera segura de realizar pruebas de funcionamiento,

ya que el mayor de los inconvenientes recaiga en la

protección de los elementos electrónicos, que gran

parte de ellos, no esta diseñado para soportar niveles

de corriente muy elevados.

Fig. 10 Circuito electrónico de la fuente completo

(Conexión en puntos A y B)

Una de las primeras pruebas a realizar fueron

mediciones de voltaje a lo largo de todo el circuito,

etapa por etapa, obteniendo buenos resultados en

cada una de ellas.

Luego de realizadas las mediciones de voltaje, el

siguiente paso fue realizar pruebas de corriente de

C2

3300uF

V1

59 Vrms

60 Hz

0°

D4Q1

2N3055A

1

2

D160 V

TIP121R6

22kΩ 9

3

0

7

U1LM317AH

LINE VREG

COMMON

VOLTAGE

C1

1uF

50% Key = B

10kΩ

TRIMPOT

50% Key = A

5kΩ

TRIMPOTKey = E

10kΩ

R5

270 Ω

R8

2.2kΩ

Q22N3055A

12

R4

15 Ω

11

D233 V

15

13

10

4

C2

3300uF

V1

59 Vrms

60 Hz

0°

D4Q1

2N3055A

1

2

D160 V

TIP121R6

22kΩ 9

3

0

7

U1LM317AH

LINE VREG

COMMON

VOLTAGE

C1

1uF

50% Key = B

10kΩ

TRIMPOT

50% Key = A

5kΩ

TRIMPOTKey = E

10kΩ

R5

270 Ω

R8

2.2kΩ

Q22N3055A

12

R4

15 Ω

11

D233 V

15

13

10

4

4

demanda, para llevar a cabo dicha prueba era

necesario conectar un equipo que demandara la

corriente requerida ó algún elemento que tuviera una

baja resistencia, dando como resultado una demanda

de corriente de 5 A, un valor aproximado de 10 Ω a

un nivel de voltaje de 50 V a la salida de la fuente.

Fig. 9 Vista superior del interior de la fuente de alimentación,

se observa el dimensionamiento de la misma y sus

conexiones.

En efecto, se logro entregar una corriente de 5 A por

parte de la fuente, pero al prolongado tiempo de

conexión se produjo un sobrecalentamiento del

transformador. Teniendo en cuenta que la fuente

debía estar diseñada para un uso prolongado, era

necesario cambiar el transformador por otro de mayor

capacidad de corriente. Se obtuvo un segundo

transformador con una capacidad de demanda

máxima de 15 A para el mismo nivel de voltaje tanto

en primario como para secundario (120-60 V).

Fig 10. Conexión segundo transformador con mayor

capacidad de corriente, hasta un máximo de 15 A.

Además también se coloco un segundo diodo zener de

33 V, debido a que también se produjo una elevada

temperatura de disipación, con la implementación de

este segundo zener logró moderarse el

sobrecalentamiento.

4. Análisis de resultados y conclusiones

En base a la corriente que se exija a una fuente de

alimentación, así serán las consideraciones respecto a

la protección de los elementos utilizados para la

construcción del circuito. Se debe tener en cuenta la

implementación de técnicas como el uso de transistores

para desviar la demanda de corriente de los elementos

con menor capacidad de saturación de corriente.

De acuerdo a la investigación realizada, las diferentes

posibilidades de construcción de una fuente de

alimentación, presentan ventajas y desventajas que

dependen de las especificaciones del diseño. El uso de

transistores, con lleva un mejor manejo de la corriente

de carga demandada, pero proporciona inexactitud con

respecto a los niveles de voltaje. En cambio utilizando

integrados reguladores obtenemos una alta precisión

con los niveles de voltaje, pero presentan un bajo nivel

de manejo de corriente.

Se logro comprobar de manera experimental los

fenómenos que rigen el funcionamiento de una fuente

de alimentación, al colocar la resistencia de un valor

aproximado de 10 Ω se logro obtener una corriente de

carga 5A implementando la Ley de Ohm, además se

observó que esta resistencia produce una caída de

voltaje sobre la fuente, además de la disipación de

potencia determinado por efecto joule. También se

comprobaron cálculos realizados considerando

elementos ideales comparados con elementos reales,

verificando la linealidad de los elementos.

5. Referencias

Enrique Ras Oliva, Transformadores de potencia, de

medida y de protección, Marcombo-Boixareu, Barcelona 1994.

Stephen J. Chapman, Máquinas eléctricas; revisión

técnica José Demetrio Martínez, Juan Yedra Morón, McGraw-Hill, Bogotá 1987 Moeller-Werr, Electrotecnia general y aplicada, Editorial

Labor, Barcelona 1972. Aplicaciones tecnológicas-Electrónica practica,

Fuentes Reguladas. Disponible en:

http://www.hispavila.com/3ds/lecciones/lecc3.htm

Foros de electrónica, Electrónica Fácil, Fuentes de

alimentación. Disponible en:

http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Fuentes-alimentacion.php