CONTRUCCION DE UNA FUENTE REGULADA VARIABLE

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1 CONRUCCION DE UNA FUENE REGULADA VARIABLE Oscar Montoya Figueroa Introducción En este artículo, presentaremos el montaje de una fuente de alimentación regulada variable de 1 amperio, con un voltaje ajustable de 0 a 1 voltios, rango suficiente para la mayoría de aplicaciones en el servicio electrónico. Y, por supuesto, este montaje también puede ser de gran utilidad para el estudiante y el experimentador. La fuente de alimentación, uno de los equipos de prueba más utilizados en el taller o laboratorio, es un circuito capaz de transformar la corriente alterna de línea en una corriente directa con un valor manejable por dispositivos electrónicos. Como sabemos, las características e importancia de la fuente de alimentación son la capacidad de regulación del circuito, el voltaje de salida máximo, la corriente máxima proporcionada por el circuito y el nivel de rizo que presenta en la salida. Con el propósito de que usted pueda armar su propia fuente de voltaje fijo para valores muy específicos y de que se ahorre una buena parte de la circuitería, en el presente artículo haremos referencia a una fuente de 1 amperio, con un voltaje ajustable de 0 a 1 voltios y regulada para cada valor elegido. Descripción del circuito El diagrama completo del circuito de la fuente se muestra en la figura ELECRONICA y servicio

2 Diagrama esquemático de la fuente Figura 1 17 Vca Clavija F1 S1 A1 1 D1 D3 D D4 C1 C R D5 IC1 A D6 R1 () R3 R4 Y1 C3 C4 R6 VSAL (01V)CD R5 D7 P1 () La primera fase de un circuito de fuente, consiste en ajustar el voltaje de línea de 17 voltios de corriente alterna, a un voltaje menor y mayor que el que proporcionará como salida final. Para el diseño propuesto, deberá ser de 13 voltios aproximadamente. Se requiere entonces de un transformador de 17 a 13 voltios, a 1 amperio ; de acuerdo con lo que cada quien necesite, el transformador puede tener una corriente de menos voltios y sin que sea preciso hacer cambios en la circuitería posterior. El transformador está formado por dos bobinas, devanados sobre un núcleo de hierro. De esta manera, cuando por cada bobina circula la corriente eléctrica, aumenta la densidad de las líneas de fuerza magnéticas. A la bobina en que se aplica el voltaje de corriente alterna que se desea transformar, se le conoce como primario (entrada); a la bobina en que se recoge el voltaje ya modificado, se le conoce como secundario (salida). Cuando en el primario se aplica el voltaje de corriente alterna, se genera un campo magnético variable; es decir, éste se expande y se contrae continuamente conforme a las variaciones de la corriente aplicada. Al mismo tiempo, las líneas de fuerza magnética cortan al devanado secundario; entonces en éste se induce un voltaje, que puede calcularse con base en su propio número de vueltas, al número de vueltas del devanado primario y al voltaje aplicado. Esta relación se expresa como: E1/E = N1/N Donde: E1 es el voltaje en el primario. E es el voltaje en el secundario. N1 es el número de espiras o vueltas en el primario. N es el número de espiras o vueltas en el secundario. Sintetizando la fórmula, puede señalarse que: a) En un transformador en donde el número de espiras del devanado primario es menor al del devanado secundario, el voltaje de salida será mayor que el voltaje de entrada. Esto es a lo que se llama un transformador elevador (figura ). b) En un transformador en donde el número de espiras del devanado primario es mayor al del devando secundario, el voltaje de salida será menor que el voltaje de entrada. Esto es a lo que se llama un transformador reductor (figura 3). c) Cuando el número de espiras del devanado primario es igual al número de espiras del devanado secundario, el voltaje de salida será ransformador elevador Primario Secundario Núcleo Figura ELECRONICA y servicio 75

3 ransformador reductor Núcleo Primario Figura 3 Secundario onda de corriente alterna son aprovechados para formar la señal de corriente directa (figura 5). En el circuito de la figura 1, la señal de corriente alterna para el arreglo del puente rectificador, es entregada por el secundario de 1; en tanto, la salida del puente rectificador se conecta al capacitor electrolítico C1. Proceso durante los semiciclos de la onda de corriente alterna casi igual al voltaje de entrada. Esto es a lo que se llama un transformador igualador, transformador de paso o transformador uno a uno (figura 4). De igual manera, estas tres conclusiones se cumplen para la relación de corriente y número de espiras. Volvamos al diagrama de la figura 1. Observe que en el primario del transformador 1 se ha colocado en paralelo un foco piloto (F1), el cual tiene la función de indicar la presencia de la corriente alterna de línea en el circuito del transformador. El interruptor S1 controla la alimentación principal del circuito, y el fusible A1 interrumpe el paso de la corriente de alimentación en caso de que se produzca algún cortocircuito que pudiera dañar a todo el aparato. Si debido a la acción de 1 el valor del voltaje de línea se reduce, habrá que convertir la señal de corriente alterna en corriente directa; para ello se utilizan diodos en configuración de puente rectificador. Este puente tiene la propiedad de transformar una onda de corriente alterna en una señal de corriente directa pulsante de onda completa; es decir, los dos medios ciclos de la En la figura 6 se ha sintetizado el proceso que se lleva a cabo durante los semiciclos de la onda de corriente alterna: a) Cuando se presenta el semiciclo positivo de la onda de corriente alterna, el nodo A se hace negativo y el nodo B se hace positivo. Entonces los diodos D y D3 se polarizan de manera directa, permitiendo así el paso de la corriente; por su parte D1 y D4 se polarizan de manera inversa, con lo cual impiden que la corriente pase a través de ellos. De tal suerte, a la salida del circuito se tiene que el nodo C se hace positivo y que el nodo D se hace negativo. b) Cuando se presenta el segundo medio ciclo de la onda de corriente alterna, las polaridades en los nodos A y B se invierten; es decir, A se hace positivo y B se hace negativo. Con estas polaridades los diodos D1 y D4 se polarizan de manera directa, permitiendo así el paso de Rectificador de media onda Señal de entrada Señal de salida ransformador de paso Núcleo Rectificador puente de onda completa Señal de entrada Señal de salida Primario Secundario Figura 4 Figura 5 76 ELECRONICA y servicio

4 la corriente; por su parte D y D3 se polarizan de manera inversa, con lo cual impiden que la corriente pase a través de ellos. De tal suerte, a la salida del circuito se tiene que el nodo C se hace positivo y que el nodo D se hace negativo. La siguiente ecuación permite calcular el voltaje de salida, en términos de la resistencia al punto A (a la cual denominaremos RA): V salida = 1.5V[1 (RA / 40)] Observe que durante los dos medios ciclos, las salidas en los puntos C y D mantienen la misma polaridad. Con esto, la corriente alterna se transforma en corriente directa pulsante, a la que hacemos referencia enseguida. Corriente directa pulsante Como la corriente directa pulsante no es muy útil para la alimentación de los circuitos electrónicos, necesita ser filtrada para reducir las variaciones de intensidad que en ésta se producen. Primer proceso de filtrado Con este propósito, se emplea un arreglo de dos capacitores en paralelo (C1 y C). Los capacitores se cargan al nivel del voltaje de la señal aplicada a la entrada; cuando el voltaje desciende ligeramente, la diferencia de voltaje es compensada por el arreglo de capacitores, gracias a la carga almacenada en éste. Debido a las variaciones que en la resistencia total del circuito y en el consumo de corriente provocan las diferentes cargas conectadas en la salida de la fuente de alimentación, se generan fluctuaciones de voltaje. Por eso es necesario colocar un circuito compensador que mantenga el voltaje de salida en un nivel constante, sin importar la magnitud de corriente que consuma el circuito de salida. A este paso se le conoce con el nombre de circuito regulador de voltaje. Para el caso de la fuente mostrada en la figura 1, se ha elegido un regulador integrado; internamente, este dispositivo contiene una gran cantidad de circuitos discretos que le permiten realizar su función de regulado. El arreglo externo para el regulador, lo forman los diodos D5 y D6, el capacitor C3, el potenciómetro P1 y las resistencias R, R3, R4 y R5. En tanto, el voltaje de salida del circuito regulador, queda determinado por el valor de la resistencia conectada al punto A que se observa en el diagrama de dicha figura. Para dar una mayor versatilidad a la fuente, se ha colocado también una serie de resistencias de valor fijo y un potenciómetro como resistencia variable, los cuales pueden ser elegidos como resistencia RA mediante la llave de cambios Y1. Bajo estas circunstancias, si se elige a R como RA y R = 330 Ohms, el voltaje de salida será de aproximadamente.9 voltios; en la práctica, esto lo podemos redondear a 3 voltios. Según se indica a continuación, se eligieron valores de voltaje de salida representativos: R3 = 1 Kilohm para un voltaje de 6 voltios R4 = 80 Ohms para un voltaje de 5 voltios R5 = 1.5 Kilohms para un voltaje de 9 voltios Y como el potenciómetro P1 tiene un valor de resistencia máximo de 5 Kilohms, es posible ajustar el voltaje de salida a cualquier valor comprendido entre 1.5 y 1 voltios. Rectificador puente de onda completa D1 Corriente en el puente rectificador durante el segundo medio ciclo de la onda de corriente alterna I D D D3 D1 D3 I B B D4 D C D C D4 Figura 6 ELECRONICA y servicio 77

5 Segundo proceso de filtrado Un segundo proceso de filtrado de la corriente directa pulsante, está a cargo del capacitor C4. A la salida del circuito se ha colocado un diodo LED D7 y una resistencia R6, los cuales sirven como monitores que indican si hay o no voltaje en la salida del circuito. El LED monitor no encenderá, cuando el secundario del transformador se abra o el regulador IC1 falle. Proceso de transformación corriente alterna/corriente directa La síntesis del proceso de transformación de la corriente alterna en corriente directa, se muestra en el diagrama a bloques de la figura 7. El material utilizado se indica en la tabla 1. En la figura 8 también se muestra el lado de la soldadura y de los componentes del circuito impreso de la fuente. Esta puede construirse fácilmente, mediante la técnica de plumón indeleble o con calcomanías. E igualmente, se especifican algunas recomendaciones para ensamblar el circuito. 1 F1 A1 D1, D, D3, D4 ransformador reductor de 1 amperio, de 17 a 1 ó 13 voltios Foco piloto para 17 voltios Fusible con base para 17 voltios y 1.5 amperios Diodos rectificadores 1N4001 D5 y D6 Diodos rectificadores 1N400 D7 C1 C C3 C4 R1 R R3 R4 R5 R6 P1 1 Diodo emisor de luz, LED rojo Capacitor electrolítico de 1000 microfaradios a 5 voltios (o mayor) Capacitor cer má ico de 0.1 microfaradios a 5 voltios Capacitor electrolítico de 10 microfaradios a 5 voltios Capacitor electrolítico de 1 microfaradio a 5 voltios Resistor de 40 ohms a Resistor de 330 ohms a Resistor de 80 Ohms a Resistor de 1 Kilohm a Resistor de 1.5 Kilohms a Resistor de 1 Kilohm a Potenció metro lineal a 5 Kilohms Y Llave de cambios, de 1 polo y 5 tiros (o m sá ) abla 1 Metros de cable del número (para la salida del circuito y las conexiones de Y1) Metros de cable del número 14 (para la alimentació n de línea) 1 Clavija Diagrama a bloques de la fuente Voltaje de línea Reductor de voltaje Rectificador Filtrado 1 Regulador Filtrado Salida Selector de voltaje Circuito impreso de la fuente regulada regulable Lado componente Circuito impreso de la fuente Lado soldadura D5 AC Ent D1 D D3 D4 C1 C CI1 D6 R6 R1 R R3 R4 R5 Y1 C3 C4 DC Sal Figura 7 78 ELECRONICA y servicio

6 Circuito esquemático Símbolos 17 v Switch IN400 4X 1N400 LM317 40Ω () Diodo Cátodo Resistencia Anodo 1000µfd.1µ 330Ω 80Ω 1KΩ IN400 10µfd 1µfd (Ω ohms, KΩ Kilohms) Capacitor electrónico () () 3.5Ω Capacitor cerámico 5KΩ () Potenciómetro Conexiones Salida del transformador Diodos 1N µfd K 1.5K 10.1µfd (C) 1N400 S E 1N400 Llave de cambios V 5V 6V 9V variable 40Ω 10µfd 1µfd () () Salida de corriente directa regulada LM317 SE. Voltaje de entrada S. Voltaje de salida E. ierra Vista posterior de la llave de cambios Común (C) Llave de cambios Notas: Para mejorar el rendimiento de su fuente, coloque el regulador positivo LM317 sobre una placa de aluminio, de esta manera se disipa la temperatura del circuito integrado. Aísle las patillas del circuito usando termofit. ornillo Coloque silicón térmico entre el (JC) y la placa de aluminio. Este es un circuito integrado, lo cual significa que en su interior existen varios componentes discretos interconectados que realizan la función de regulación y filtrado. Estas características ofrecen un voltaje regulado, con un muy bajo nivel de ruido; además permiten el ahorro de muchos componentes externos. Coloque el termofit en la unión que desea aislar, luego, con un condensador o con el cautín, aplique calor a este punto hasta que el termofit se contraiga al máximo. Coloque un LED con una resistencia de 1KΩ a la salida del circuito, y móntelo en el gabinete para que actúe como monitor de encendido. () () Resistencia de 1KΩ Pata larga () Pata corta () Perfore las esquinas de la tablilla con un taladro, usando una broca cuyo diámetro sea igual al de los tornillos. Monte el transformador y la tablilla ya soldada dentro del gabinete, utilizando separadores de goma (glomers) para aislar los puntos soldados ransformador ornillos ablilla Glomers Placa del gabinete Figura 8 ELECRONICA y servicio 79