ACT 11: EVALUACIÓN FINAL POR PROYECTO Periodo Académico: 2014-2 Nombre de curso: Electrónica Básica 201419. Temáticas revisadas: Voltaje, Corriente, Rectificadores, Filtro con capacitor de entrada, Regulador Zener, Conversión AC DC, Frecuencia, Periodo, Valor Promedio, Pico y RMS, Rizado, Simulación de circuitos, Fuentes de alimentación, Datasheet. Aspectos generales: Participación individual de cada estudiante para la solución las actividades planteadas con la realización de aportes significativos y oportunos en el espacio de interacción, finalmente el grupo debe entregar un documentoinforme, como consolidado de las tareas propuestas. Estrategia de aprendizaje: Aprendizaje Colaborativo. Peso evaluativo: 125 Puntos. Equivale al 25% de la nota definitiva del curso. Cronograma de actividades: Inicio: 13/NOV/2014 Cierre: 07/DIC/2014 Producto esperado: Informe final grupal formato.pdf Director de Curso: Jairo Luis Gutiérrez Torres Propiedad moral: La edición de las guías del curso Electrónica Básica, diseñado por el Ingeniero Jairo Luis Gutiérrez Torres, del programa Ingeniería Electrónica estuvo a cargo de la ECBTI de la Universidad Nacional Abierta y a Distancia (UNAD). Derechos reservados: 2013, Universidad Nacional Abierta y a Distancia - UNAD Vicerrectoría de Medios y Mediaciones Pedagógicas, Bogotá D.C. Teléfono: 3443700 Sede Nacional: Calle 14 Sur No. 14 23.
GUÍA DE ACTIVIDADES LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN La mayor parte de los circuitos electrónicos prácticos trabajan a partir de un voltaje de alimentación de CC. Este último puede ser suministrado, por ejemplo, por una batería. Las baterías ofrecen varias ventajas, siendo la más importante su naturaleza portátil. Sin embargo, existen situaciones en las cuales el uso de baterías puede resultar muy costoso. En estos casos, debe recurrirse al uso de fuentes de alimentación, las cuales operan desde la red pública de corriente alterna AC y proporcionan voltajes de corriente continua CC más económicos, estables y potentes. Voltaje AC Circuito Rectificador Filtro con Capacitor Regulador de voltaje Carga Figura No. 1 Estructura de una fuente de alimentación Una fuente de alimentación, en general, tiene la estructura mostrada en la figura 1: El voltaje de AC de entrada, proveniente de la red pública, se aplica a un transformador, el cual se encarga de reducir su valor, por ejemplo, de 120VAC a 20VAC para adaptarlo a las necesidades de la carga. El voltaje de AC, obtenido en el devanado secundario o de salida del transformador, alimenta entonces un circuito rectificador, el cual se encarga de convertirlo en un voltaje de CC pulsante. Este último, aunque ya tiene una polaridad +/- definida, presenta notables variaciones de amplitud, las cuales deben ser filtradas para conseguir un voltaje de CC uniforme, Esta función la hace un filtro, conformado generalmente por uno o más condensadores. El voltaje de salida del filtro puede aplicarse a la carga en forma directa o a través de un regulador Zener. Este último es un circuito electrónico que se encarga de mantener constante el voltaje sobre la carga, independientemente de las variaciones en el voltaje de entrada o de la corriente demandada por la carga. Las fuentes provistas de regulador se denominan fuentes reguladas. El elemento final de cualquier fuente de alimentación es la carga, es decir el componente o circuito que recibe la potencia de CC.
Suponga que trabaja para una compañía que diseña, prueba, fabrica y comercializa varios instrumentos electrónicos, incluyendo fuentes de alimentación de CC. Su primera asignación es, desarrollar y probar en el simulador PSpice Student 9.1 (o cualquier otro simulador) una fuente de alimentación rectificada por puente de diodos y regulada por diodo Zener con base en el conocimiento que ha adquirido hasta ahora. La Fuente de Alimentación debe satisfacer las siguientes especificaciones: Corriente de carga sin regular (Max): 50mA Corriente de carga regulada: 20mA Voltaje de salida regulado 4.7V CC Nota: Tenga en cuenta que en PSpice no se cuenta con el transformador por esta razón utilice el símbolo VSIN, asumiéndolo como el devanado secundario (Vsec) y este entrega un valor de 20VAC Pico a una frecuencia de 60Hz. Figura No. 2 FASE 1 RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA TIPO PUENTE Conociendo que el voltaje del devanado secundario es de 20VAC Pico se inicia el diseño del circuito rectificador de onda completa tipo puente. Dada las Formulas Relacionadas al Rectificador de Onda Completa tipo puente: V rms = V P / 2 PIV = V P (Sal) + 0.7V V rms = V P x 0.707 V Prom = 2V P / π V P (Sec) = V P (Sal) + 1.4V
Definiciones: V rms (sec): Valor eficaz del voltaje del secundario. V Prom (sec): Valor promedio del voltaje del secundario. V P (Sal) : Valor pico de salida. PIV: Voltaje de Pico Inverso. 1.1 Complete luego de los cálculos la siguiente tabla: V rms(sec) V Prom(sec) V P(Sal) PIV 1.2 Cuál de los valores anteriormente calculado es que mostraría un voltímetro digital común? 1.3 Qué ventaja tiene el usar un rectificador de onda completa tipo puente frente a uno de onda completa con derivación central? 1.4 Es la siguiente afirmación falsa o verdadera? La frecuencia de la onda de salida en un rectificador de onda completa tipo puente es la mitad del valor de la entrada FASE 2 FILTRADO CON CAPACITOR En esta etapa del diseño se debe encontrar el mínimo valor del condensador que se debe colocar en paralelo con la salida del circuito rectificador para lograr el filtrado de la corriente pulsante y también lograr un mínimo rizado. Esta variación se denomina rizado (ripple) y tiene la misma frecuencia del voltaje rectificado. Su amplitud pico a pico (V rpp ) está dada, en forma aproximada, por la siguiente fórmula: V rpp = I L / f C
En práctica, debe buscarse que la amplitud del rizado V rpp sea lo más pequeña posible ya que este voltaje alterno puede manifestarse como un ruido por ejemplo en los amplificadores de audio. Para ello, el valor del condensador de filtro (C) debe ser escogido de tal modo que el producto R c C, llamado la constante de tiempo del circuito T C, sea mucho mayor que el período de la señal de entrada ( T=1/f ), por lo menos diez veces. 2.1 Teniendo en cuenta la información anterior y recordando que la máxima corriente que debe manejar nuestra fuente es 50mA. Encuentre el valor del condensador para lograr una tensión de rizado de 0.3 V PP. C 2.2 El condensador se carga aproximadamente al valor pico de la salida del rectificador tipo puente V P (Sal) teniendo el valor de la corriente 50mA por ley de Ohm se conoce valor de R c y de este modo se logra calcular un valor aproximado de la constante de tiempo R c C complete la siguiente tabla: T T C 2.3 Se cumple la condición de que T C debe ser al menos 10 veces mayor a T? Si No FASE 3 REGULADOR ZENER En este punto del diseño de la fuente alimentación regulada se debe elegir un diodo Zener cuyo valor de Voltaje Zener sea aprox al valor de tensión que se desea mantener constante a la carga en este caso 4.7V CC a 20mA.
Dadas las Formulas: P z = V z I z I zmáx = P z / V z I zmín = I zmáx 0,15 R Smín = (V S V Z ) / I zmáx R Smáx = (V S - V Z ) / (I zmín + I RL ) R S = (R Smín + R Smáx ) / 2 R Smín <R S <R Smáx V S = V P (Sal) I RL = V L / R L I Z = I S I RL I S = I Z + I RL I S = (V S - V Z ) / R S Definiciones: V S : Valor de la fuente de tensión no regulada V Z : Voltaje Zener (parámetro en hoja del fabricante) P Zmáx : Potencia máxima soportada por el Zener (parámetro en hoja del fabricante) P Z : Potencia disipada por el Zener I Z : Corriente en el Zener R S : Valor óptimo para el resistor limitador de corriente R Smín : Mínimo valor para el resistor limitador de corriente R Smáx : Máximo valor para el resistor limitador de corriente R L : Carga R Z : Resistencia del Zener I RL : Corriente necesitada en la carga I Zmín : Corriente Mínima Zener I Zmáx : Corriente Máxima soportada por el Zener (parámetro en hoja del fabricante) I S : Corriente en el resistor limitado 3.1 Completar luego de los cálculos La siguiente Tabla: R S R L I S I Z P Z
Ingeniería Electrónica FASE 4 SIMULACIÓN DEL CIRCUITO Finalmente se debe construir en el Simulador Pspice Student 9.1 el circuito de la fuente de alimentación regulada utilizando los valores para cada componente antes calculados. 4.1 Grafique los voltajes como se indica en el circuito mostrado en la siguiente figura: Figura No. 3 (Debe anexar pantallazo de la gráfica que arroja la simulación) 4.2 Grafique las corrientes como se indica en el circuito mostrado en la siguiente figura: Figura No. 4 (Debe anexar pantallazo de la gráfica que arroja la simulación)
Ingeniería Electrónica FASE 5 FUENTE DE VOLTAJE VARIABLE CON ARREGLO DE TRANSISTORES Una fuente de voltaje puede ser regulada pero también se puede lograr diseñar para que se pueda variar el voltaje de salida dependiendo de lo requerido por la carga a conectar. Suponga que su segunda asignación en la compañía es probar el siguiente circuito: Figura No. 5 5.1 Usando el valor de C anteriormente calculado, simule el circuito propuesto y complete la siguiente tabla para los valores sugeridos de R3 R3=500Ω R3=1KΩ R3=3KΩ R3=5KΩ R3=8KΩ 5.2 cuál es el rango de voltaje variable de la fuente. ESPECIFICACIONES DEL DOCUMENTO FINAL: Nombre del Archivo a subir: 201419_# de Grupo.pdf (adjuntarse) en el foro: ENTREGA FINAL. y debe subirse Documento escrito: Trabajo de construcción grupal que incluya: Portada con los nombres de los integrantes del grupo Introducción Contenido Conclusiones Referencias usadas. Deben tener formato APA. Tamaño del archivo final: El tamaño NO debe superar los 2MB.