Fuente regulada DC 12[V]-1[A] sin transformador

1.     OBJETIVOS:

1.1.  General

·          Diseñar una fuente de voltaje de 12 [VDC] y 1[A] sin transformador.

1.2.  Específicos

·          Dimensionar cada uno de los elementos del circuito de la fuente para que esta funcione correctamente.

·          Armar el circuito de la fuente sobre el protoboard y medir los valores de corriente y voltaje a la salida de la fuente en vacío y con carga.

·          Analizar e interpretar los resultados obtenidos de los valores de corriente y voltaje que se obtuvieron a la salida de la fuente.

·          Aprender las diferentes maneras de convertir corriente A.C. a D.C., con sus respectivas ventajas y desventajas.

2.     MARCO TEÓRICO:

Este es un tema bastante robusto y extenso si nos basamos en las distintas bases matemáticas dadas por los libros, lo que se tratará de hacer es dar una idea de la forma de cómo hacer una fuente de voltaje D.C. a partir de una alimentación A.C. de 110V a 220V RMS.

Básicamente la función de los circuitos que se mostrarán a continuación es bajar la tensión eléctrica, filtrar y corregir el rizado de la señal alterna que llega de la red, para entender este concepto se describirá el funcionamiento de una fuente con transformador y posteriormente se dará a conocer el funcionamiento de una fuente sin este elemento.

Fuente de alimentación D.C. con transformador

El funcionamiento de estas fuentes se basa en cuatro etapas críticas reducción del nivel de voltaje, rectificación, filtrado y por último regulación.

Reducción del nivel de voltaje

La reducción del nivel de voltaje se logra gracias al transformador, este dispositivo permite alterar el nivel de voltaje que le sea entregado, sin modificar la potencia. Este elemento se compone de dos bobinas cuya interacción entre ambas se hace por medio de inducción electromagnética, como bien se sabe el flujo de una corriente en una bobina genera un campo magnético, el cual induce una corriente eléctrica en la otra bobina del transformador, disminuyendo o aumentando los niveles de voltaje, dependiendo de las características de dichas bobinas, tales como el núcleo que las compone, el número de espiras, el material que las que están hechas, etc.

Siempre se debe tener en cuenta que un transformador no puede entregar más potencia de la que se le suministra ni más corriente de la que a éste fue diseñado; una falla común es usar un transformador reciclado para trabajar en proyectos propios, por ejemplo el tomar uno de esos viejos y robustos cargadores de celular o conectores de consolas o radios y conectarlos a un circuito propio, recuerden siempre antes de hacer esto, revisar las especificaciones que dan del dispositivo, porque si el transformador de este elemento está hecho para trabajar a 9 voltios D.C. con una corriente de 20mA y se le pone una carga que consuma 40mA, sin duda alguna el voltaje va a caer.

Tal como se muestra en la figura 1, el transformador reduce el nivel de voltaje haciéndolo "manejable", téngase en cuenta que entre mayor voltaje, mayor será la corriente, suponiendo que la carga siempre la misma.

Figura 1. Efecto del transformador en la señal de la red eléctrica.

Rectificación de la onda

Existen muchas formas de rectificar una onda, ya sea de media onda o de onda completa, pero para este caso se va a mencionar la forma más eficiente y usada en este tipo de fuentes, la rectificación de onda completa por medio de un puente de diodos. Con esto se logra obtener un nivel de corriente D.C. igual al máximo valor de la señal de entrada menos la caída de voltaje en los diodos, tal como se muestra en la figura 2.

Figura 2. Señal de onda rectificada por el puente de diodos.

Filtración o corrección de rizado

En este punto lo que se hace es usar filtros, consiguiendo así que la variación de la señal en el tiempo sea lo menor posible, para llegar a este objetivo se aprovecha del fenómeno causado por el almacenamiento de energía en el condensador; como bien se sabe este dispositivo se carga eléctricamente y demora un determinado tiempo en descargarse por completo, cerca de 5τ. Si a este elemento se le induce una corriente alterna o en este caso una señal de voltaje rectificada, lo que ocurrirá es que en el primer semiciclo de la señal el condensador se cargará completamente, mientras pasa de un semiciclo a otro este se descargará, pero no lo suficiente para llegar a cero, pues volverá a cargarse cuando llegue nuevamente la cresta del siguiente semiciclo y así consecutivamente, tanto que la señal variará su valor muy poco en el tiempo, para darse una mejor idea de lo que ocurre en este punto por favor revisar la figura 3.

Figura 3. Señal filtrada por medio de condensadores.

Tal como podemos apreciar en la señal filtrada, la oscilación en el tiempo es menor, y el nivel de voltaje es cada vez más claro, sin embargo, aún es necesario un voltaje más preciso por esto se hace una mejora sencilla pero muy efectiva: la regulación.

Regulación

Este es el último paso a seguir, la regulación consiste en dejar la señal completamente fija, sacrificando un poco de potencia, por medio de diodos zener, los cuales se polarizan en inverso con un voltaje mayor al nominal de estos, y más si se utilizan en circuitos integrados tal como lo son la serie 78XX y 79XX, la primera fija voltajes positivos y la segunda fija voltajes negativos. Para dar un ejemplo más claro, en el caso del C.I. 7805, se requieren de 6.3V en adelante para su correcto funcionamiento, de lo contrario se arriesga a que el integrado no funcione de la forma deseada.

Por último, es recomendable usar un filtrado adicional, para así evitar ruidos causados por la carga, pues recuerde que en el caso de elementos como los motores, se forman corrientes contrarias a la generada por la fuente, esto debido al comportamiento eléctrico de las bobinas internas de dichos elementos.

Antes de proseguir se destacarán las ventajas y desventajas de las fuentes de alimentación con transformador:

Ventajas de las fuentes con transformador

1.     Se encuentran desacopladas a la red eléctrica gracias al transformador, disminuyendo considerablemente la susceptibilidad que tendrá el circuito ante eventos adversos, tales como picos de corriente.

2.     La unión de todos estos elementos hacen que la señal a entregar a la carga sea la más estable, cosa muy importante al trabajar con circuitos que son altamente sensibles a las fluctuaciones eléctricas, tales como procesadores, microcontroladores, sistemas de radiofrecuencia, etc.

Desventajas de las fuentes con transformador

Su gran tamaño y peso hacen que cualquier circuito, por simple que sea, pesado y grande, cosa que hoy en día es un gran inconveniente.
Poseen un alto costo principalmente por causa del transformador, pues para cada proyecto los parámetros son diferentes, haciendo muy difícil encontrar un transformador ideal a menos que se mande a hacer.

Fuentes de voltaje sin transformador

Este tipo de fuentes no cumplen con todos los pasos anteriormente explicados, pues se benefician de las características eléctricas de algunos componentes pasivos para así lograr la regulación de la señal entregada por la red eléctrica. Existen varias fuentes de este tipo, cada una con sus propias ventajas y desventajas, las cuales serán expuestas una vez sean explicadas y puestas a prueba; cabe resaltar que estas líneas están basadas principalmente por el documento mencionado al comienzo de este artículo.

Fuente de alimentación capacitiva sin transformador

Este tipo de fuente cuenta con tres etapas críticas:

1. Limitación del paso de la corriente eléctrica por medio de la resistencia R1, figura 4.

2. Filtración de la señal con el fin de establecer un nivel de corriente D.C. esta función la cumple el condensador C1.

3. Regulación de la señal filtrada gracias al diodo zener D1 de 5.1 voltios.

Además de estas etapas se agregan un par de elementos más, el diodo D2 y el capacitor C2, esto para impedir que corrientes inversas afecten el circuito de la alimentación, provocando ruidos indeseables sobre la red eléctrica, y para filtrar la señal de corriente que se encontrará circulando en la carga, respectivamente.

Figura 4. Diagrama del circuito de la fuente de alimentación capacitiva sin transformador.

Fuente. AN954. [Online]. Reston Condit, Microchip Technology Inc. 2004.

Las siguientes consideraciones se deben de tener muy en cuenta para que el circuito funcione de la manera como se espera:

·       La corriente de entrada (I_IN) tiene que ser mayor a la corriente de salida (I_out), esta última está dada por la carga a conectar (I_out= V_out/R_L), mientras que la primera se calcula por medio de la ecuación 1.

Ecuación 1

Consideraciones de potencia

Es crítico tener en cuenta las consideraciones de potencia de cada elemento; para esto se sugiere tomar dos veces la potencia máxima (P_máx) calculada para cada elemento, es decir si nuestra P_máx calculada para una resistencia es de 0.5W, en el montaje se dispondrá de una de 1W, esto se hace para evitar inconvenientes con los sobre voltajes transitorios que puedan haber. Los respectivos cálculos de la potencia disipada por cada elemento son:

·       Para R₁ la potencia es equivalente al valor de la corriente al cuadrado multiplicado por su valor nominal es decir:

P_R1 = I²*R = (V_RMS * 2πfC)² * R₁

Para este caso en particular:

P_R1 = (21.3 mA)2 * (470Ω x 1.1) = 0.23W (asumiendo el resistor +10%)

Teniendo en cuenta la consideración antes expuesta una resistencia a 0.5W sería la más acertada.

·       Asumiendo un valor de 120V_RMS de entrada, el voltaje del condensador C₁ será de 250V, debido a lo explicado anteriormente.

·       Hay que considerar que por D₁ circulará más corriente sin carga que con esta; en el peor de los casos la corriente que tendrá que soportar será de 21.3mA (tal como se demostró anteriormente), esto al ser multiplicado con 5.1V (voltaje que caerá sobre el diodo), da como resultado 0.089W, recomendando, implícitamente, que el diodo zener a 1/2W es una buena opción.

·       En D₂ la corriente que circulará será I_INMÁX, esto multiplicado por su caída de voltaje, 0.7V aproximadamente (si es de silicio), da como resultado una potencia de 0.011W, lo que significa que con un diodo a 1/8W es suficiente.

·       Y por último para C2 se recomienda que soporte dos veces el valor del diodo zener, así pues, con uno a 16V es más que suficiente.

Fuente de alimentación resistiva sin transformador

Este tipo de fuente se caracteriza principalmente por su tamaña reducido y su simple diseño, está compuesta por dos etapas críticas, limitación del paso de corriente con una resistencia y regulación con un diodo zener. Al igual que el montaje anterior el voltaje será estable siempre y cuando la corriente de salida se menor que la corriente de entrada.

Figura 5. Diagrama del circuito de la fuente de alimentación resistiva sin transformador.

Fuente. AN954. [Online]. Reston Condit, Microchip Technology Inc. 2004.

Ecuación 2

La ecuación 2 se usa para determinar la corriente de entrada; para las corrientes I_INMIN e I_INMAX se calculan asumiendo R₁ un ±10%.

Consideraciones de potencia

Nuevamente es crítico tener en cuenta las consideraciones de potencia de cada elemento; y tal como se mencionó anteriormente, usar elementos que soporten dos veces la potencia máxima calculada. Para este caso los cálculos de la potencia disipada por cada elemento son:

·       Para R₁ la potencia es equivalente al valor del voltaje al cuadrado dividido en su valor nominal es decir:

P_R1 = V²/R

Para este caso en particular:

P_R1 = (120 V_RMS)² / (2KΩ x 0.9) = 8W (asumiendo el resistor -10%)

Para efectos prácticos se puede usar un resistor a 10W.

·       Sin carga la corriente que circulará en D1 será la misma que la de R1; por ende la potencia disipada por D1 será:

P_D1 = V_D1 * (V_RMS / R₁)

Para este caso en particular:

P_D1 = 5.1V (120V_RMS / 2KΩ * 0.9) = 0.34W

El diodo zener será de 5.1V a 1W

·       En D₂ la corriente que circulará será I_INMÁX, esto multiplicado por su caída de voltaje, 0.7V aproximadamente (si es de silicio), da como resultado una potencia de 0.032W, lo que significa que con un diodo a 1/8W es suficiente.

·       Y por último para C₂ se recomienda que soporte dos veces el valor del diodo zener o V_OUT, así pues, con uno a 16V es más que suficiente

Fuente de alimentación de resistiva con puente rectificador sin transformador

Este tipo de fuente básicamente es la misma que la descrita anteriormente, con la diferencia de que se agrega un puente rectificador, tal como se muestra en la figura 6, esto para que se suministre corriente en ambos semiciclos de la señal del voltaje de la red eléctrica, consiguiendo incrementar un 141% la corriente de salida.

Figura 6. Diagrama del circuito de la fuente de alimentación resistiva con puente rectificador sin transformador.

Fuente. AN954. [online]. Reston Condit, Microchip Technology Inc. 2004.

Consideraciones de seguridad

Figura 7. Diagrama del circuito de la fuente de alimentación capacitiva sin transformador con consideraciones de seguridad.

Fuente. AN954. [Online]. Reston Condit, Microchip Technology Inc. 2004.

Figura 8. Diagrama del circuito de la fuente de alimentación resistiva sin transformador con consideraciones de seguridad.

Fuente. AN954. [Online]. Reston Condit, Microchip Technology Inc. 2004.

Las consideraciones de seguridad que se tienen en cuenta, y que se pueden observar en ambos montajes (Figura 7 y 8), son las siguientes:

·       El uso de un varistor (V_R1): este elemento provee una protección ante sobre voltajes transitorios, pues en el momento de aumentar abruptamente el voltaje, su resistencia disminuye tanto que forma un corto circuito, garantizando que la corriente fluya únicamente entre el fusible y este, garantizando que el fusible se queme antes de que el sobre voltaje ataque el diseño principal.

·       Fusible: este elemente abre el circuito en el momento de que este último incremente el consumo de corriente por encima del valor nominal del fusible.

·       Para la fuente de alimentación capacitiva se agrega una resistencia R₂ en paralelo creando un filtro para atenuar la interferencia electromagnética o EMI de retorno sobre la línea.

·       Para la fuente de alimentación resistiva se divide la resistencia de 2KΩ en dos de 1KΩ con el fin de reducir la posibilidad de que en un transitorio se vea afectado el circuito principal. Y de igual forma se implementa un filtro, R₃ y C₃, para evitar que el EMI emigre sobre la línea.

3.     PROCEDIMIENTO:

·       Arme en el protoboard el circuito que se muestra en la figura de abajo.

Figura 9. Diagrama del circuito de la fuente de alimentación sin transformador con consideraciones de seguridad.

·       Sujete el motor y alimente la fuente con 120 VAC / 60Hz.

·       Mida los valores de corriente y voltaje a la salida de la fuente y tabule.

·       Retire el motor y mida el voltaje en vacío a la salida de la fuente.

3.1.  Materiales:

o     4 diodos 1N5408

o     1 capacitor no polarizado de 12uF/250V

o     1 capacitor no polarizado de 10uF/250V

o     1 resistencia de 1MΩ a 1/2W

o     1 diodo zener de 12V a 1/2W

o     1 capacitor electrolítico de 680uF/50V

o     1 transistor TIP31

o     1 resistencia de 1KΩ a 1/2W

o     1 resistencia de 10Ω a 5W

o     Motor DC

o     Protoboard

o     Cables de conexión

3.2.  Equipo:

o     Voltímetro

o     Amperímetro

o     Fuente de voltaje

3.3.  Circuito armado

·          Práctico

Figura 10. Circuito de la fuente de alimentación sin transformador montada en el protoboard.

·          Recolección de datos:

Parámetro	Fuente con carga	Fuente sin carga
Voltaje [V]	10.07	11.23
Corriente[A]	0.86	-

Tabla 1. Datos medidos

·          Fotografías

·              Voltaje

Figura 11. Voltaje a la salida de la fuente con carga (motor)

Figura 12. Voltaje a la salida de la fuente sin carga

·              Corriente

Figura 13. Corriente a la salida de la fuente con carga (motor)

4.     ANALISIS:

4.1.  Cálculos

·          Voltaje a la salida del puente rectificador

  

·       Cálculo de capacitancia C₁ para obtener una corriente de salida (I_OUT) de 1 [A]

Sabiendo que:

Además se debe de considerar que la corriente de entrada es aproximadamente la corriente de salida.

  

Por disponibilidad en el mercado utilizamos dos capacitores de 10 [µF] y 12 [µF] conectados en paralelo para obtener una capacitancia equivalente de 22 [µF].

·       Cálculo de la I_OUT con los capacitores adquiridos.

·       Cálculo de voltaje de C₁

Se recomienda por lo menos un capacitor del doble del voltaje de alimentación. Es decir que necesitaremos un capacitor de 240 VAC. Se ha aproximado a un valor comercial de 250VAC.

·       Cálculos del capacitor de filtrado C₂

V=V_cdNL+ 20%V_cdNL=12 + (0.2*12) [V] =14.4 [V]

Vp=14.4 =20.36 [V]

Por lo tanto, debido a que el mínimo valor a utilizar es  496 µF, se adquirió un capacitor de  que era el más cercano al valor calculado.

4.2.  Comparaciones

·          Medido, calculado

Parámetro	Calculado	Medido
Voltaje [V]	12	11.23
Corriente[A]	0.925	0.86

5.     CONCLUSIONES:

·       Las fuentes de alimentación sin transformador son instrumentales en tener costos bajos en aplicaciones basadas en microcontroladores alimentados de la pared. Las fuentes de alimentaciones resistivas y capacitivas ofrecen un ahorro sustancial de costo y de espacio sobre las alimentaciones basadas en transformador y conmutación.

·       Las fuentes de alimentación capacitivas ofrecen una solución eficiente de energía, mientras las fuentes de alimentación resistivos ofrece un incremento del ahorro en costo.

6.     RECOMENDACIONES:

·       A pesar que el diagrama del circuito no lo tenga, es recomendable siempre usar un fusible, así en caso de un accidente, como un corto circuito, no se dañe el circuito principal o en el peor de los casos alguna persona se electrocute, claro está que si toma el cable directamente a la red el fusible será inútil.

·       Procurar no hacer las pruebas sólo, recuerden que se estará trabajando con alta potencia y se corren ciertos riesgos. Un acompañante podría socorrerlo en caso de un percance.

·       Si se tiene el espacio suficiente en el montaje final, recomendamos cambiar las resistencias de 5W por unas que soporten mayor potencia, esto no tanto por las características eléctricas del circuito, sino para que puedan disipar más calor, puesto que es un gran inconveniente la temperatura que estos elementos pueden llegar a tener.

·       No implementar este tipo de fuentes en sitios industriales, debido a la susceptibilidad al ruido.

7.     BIBLIOGRAFÍA:

·       AN954. [Online]. Reston Condit, Microchip Technology Inc. 2004.