fuente de alimentacion discreta regulada variable

DISPOSITIVOS ELECTRONICOS

Fuente de alimentación regulada, variable con protección

PROFESOR: Ing. Ramos, Gustavo

JTP: Ing. Agnelo, Ariel

ALUMNO: Cortez, MarianaRomero, Federico

FACULTAD: Regional del Neuquén

FECHA DE ENTREGA: 06/08/12

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL. FACULTAD REGIONAL DE NEUQUÉN


OBJETIVO

Realizar un trabajo final el cual integre los conocimientos adquiridos durante la cursada realizando una integración horizontal con las demás materias del año.

Alumnos: CORTEZ - ROMERO 2



INDICE

Etapa de Reducción…………………………………………………………………….4

Etapa de Rectificación………………………………………………………………….4

Etapa de Filtrado……………………………………………………………………….5

Etapa de Regulación……………………………………………………………………7

Espejo de Corrientes

Par Diferencial………………………………………………………………….8

Protección………………………………………………………………………………9

Oscilador……………………………………………………………………….11

Diseño de Esquemático y PCB………………………………………………………...11

Bibliografía…………………………………………………………………………….13




ETAPA DE REDUCCION

La fuente es alimentada por al tensión de red (220 Vrms), la primera acción consiste en reducir ese valor a unos 18 Vrms.Esto se logra a través de un transformador reductor, que consta de un bobinado primario con mayor cantidad de espiras que el bobinado secundario.Para nuestro caso utilizamos un transformador de polos homólogos que son los más comunes del mercado y suficientes para nuestra aplicación. A continuación se muestra en la figura 1 una simulación para una mejor comprensión.

Figura 1

ETAPA DE RECTIFICACION

Como sabemos la tensión alterna recibe su nombre ya que cambia su polaridad cada determinado tiempo, en nuestro caso ese tiempo es 10 ms que corresponde a medio periodo de una onda de 50 Hz. Es necesario de alguna manera suprimir ese cambio de polaridad logrando una tensión continua pulsante. Existen dos posibilidades una consiste en suprimir el semiciclo negativo y la otra es invertir su polaridad, esta ultima es la mas conveniente y la mayormente usada.Explicaremos el funcionamiento de un puente de diodos acompañados de gráficas simples y muy útiles.

Primero analizaremos el semiciclo positivo de nuestra tensión. En él, los diodos “D1” y “D3” se encuentran polarizados en directa, mientras que “D2” y “D4” se encuentran polarizados en inversa. La flecha de la figura 2 nos muestra como es el sentido de circulación de corriente.

Figura 2

Para nuestro semiciclo negativo ahora ocurre todo lo contrario, los diodos “D1” y “D3” se encuentran polarizados en inversa, mientras que “D2” y “D4” ahora se encuentran polarizados en directa. Se puede apreciar en la figura 3 el sentido de circulación de




corriente y los signos de las polaridades con respecto a la tensión. Es importante notar como se invirtió en el secundario del transformador, pero se mantuvo sobre la resistencia de carga, esto es lo que se buscaba.

Figura 3

La forma de onda final que alimenta a la resistencia de carga es como se muestra en la figura 4.

Figura 4

Es importante aclarar al lector que la frecuencia inicial se ve modificada en el doble de su valor. Por lo tanto ahora nuestra forma de onda tiene una frecuencia de 100 Hz.

ETAPA DE FILTRADO

Realizado el rectificado, tenemos una onda continua pulsante que debemos aproximar mucho más a una señal continua. Esto se logra por medio del filtrado, el cual lo realizamos con un capacitor.El funcionamiento es sencillo, mientras la onda recorre su aumento, el capacitor se carga, hasta llegar al valor máximo de la onda. Luego la misma comienza a decrementar su valor, en este momento el capacitor comenzará a descargarse, pero mucho más despacio que la onda formando una onda mucho más suavizada, como vemos que se muestra en la figura 5.

Figura 5




Esa pequeña onda que queda definida sobre la tensión filtrada se conoce como tensión de rizado ó ripple y es importante que se entienda como se calcula, como se mejora y que inconvenientes puede traer el querer reducirla demasiado.La forma de calcularla es:

DondeIdc = Corriente pedida a la fuente [mA]f = Frecuencia luego de la rectificación [Hz]C = Valor del capacitor de filtrado [μF]RL = Resistencia de carga a la salida [kΩ]Vdc = Valor de continua a la salida de la fuente [v]

Mirando la formula de calculo es evidente que para obtener un menor ripple o una tensión continua de “mejor” calidad debemos aumentar el valor de capacitor. Pero es importante entender que sucede al cambiar el capacitor porque podemos ocasionar fallas al querer mejorar nuestra fuente.El capacitor afecta a la corriente pico que debe entregar los diodos rectificadores, por otro lado sabemos que la corriente promedio extraída de la fuente debe ser la misma que la corriente promedio en el diodo, podemos llegar a entender de una mejor manera con la figura 6.

Figura 6

Como podemos apreciar en la gráfica de la izquierda tenemos un capacitor de menor valor que en la gráfica de la derecha, como la corriente a entregar es la misma, necesariamente para periodos menores de trabajo el diodo de entregar mayores picos de corrientes, corriendo el riego de dañarse.La fuente responde a la ecuación:




Despejando para conocer la corriente que debe entregar el diodo obtenemos:

Lo que nos demuestra el aumento de la corriente del diodo (Ipico) a medida que reducimos el tiempo de trabajo del diodo.

ETAPA DE REGULACION

Una de las etapas mas complejas es la de regulación de tensión y esto ocurre porque si se realiza una mala regulación, la fuente presentará variaciones de tensiones para diferentes cargas cuando este efecto es indeseado. Por lo tanto hay que prestar especial atención a esta etapa y diseñarla lo mas “estable” posible.Se optó por colocar un espejo de corrientes, el cual es ampliamente utilizado para realizar polarizaciones. Su uso se debe a la gran estabilidad que presentan, debido a su alta inmunidad a las variaciones de tensiones de polarización y las variaciones en las temperaturas sobre los componentes.

ESPEJO DE CORRIENTESu funcionamiento se basa en dos transistores que poseen la misma caída de tensión sobre la juntura base - emisor (VBE). Como podemos ver en la figura 7 el transistor Q1 está funcionando como un diodo, de esta manera polarizará a su vecino Q2.

Figura 7

Para continuar con nuestro análisis es conveniente recordar la ecuación de IC que desarrollamos a través de Ebers-Moll para un transistor en su zona activa.




Recordando que ambos transistores tienen las misma VBE y por lo tanto la misma IS

podemos ver entonces que corrientes de colector serán iguales hecho por el cual, el circuito recibe su nombre de espejo.De la gráfica también podemos sacar algunas relaciones

Por otro lado podemos realizar la siguiente analogía

Si despejamos IC de la ecuación de Iref realizando los reemplazos necesarios, obtenemos la siguiente situación

Si tenemos en presente que β>>1 podemos despreciar el cociente en el denominador quedando IC=Iref.De esta manera queda demostrado como es el control sobre la corriente del segundo transistor tornándola muy estable, casi invariante.

En nuestra fuente, el espejo de corriente alimenta a un par diferencial.

PAR DIFERENCIALEste circuito consiste en dos transistores unidos por el emisor y alimentados por una fuente de corriente (en nuestro caso, el espejo de corriente explicado anteriormente) como el mostrado en la figura 8.

Figura 8




Para poder entender el funcionamiento de este circuito debemos ver que ambos están alimentados por una fuente de corriente sobre los emisores y tienen una fuente de tensión compartida para los colectores.Para nuestro caso en particular podemos decir que el circuito puede funcionar como una llave de conmutación entre los transistores o pueden funcionar en simultáneo.Cualquier tipo de variación que veamos a una de las bases de cualquier transistor modificará el circuito en todo su conjunto reproduciendo la misma señal sobre la otra base que no se tocó, de este fenómeno nos vamos a valer para el funcionamiento de nuestra fuente.

PROTECCION

Inicialmente se nos pidió que la fuente conste con una protección del tipo Fold-Back, la misma actúa realizando una reducción de la corriente y tensión de salida en simultáneo protegiendo de esta manera todos los componentes internos.El circuito correspondiente a esta protección se puede apreciar en la figura 9 y la gráfica de su funcionamiento se muestra en la figura 10.

Figura 9 Figura 10

El primer inconveniente que surgió al querer implementar esta protección es que la misma consta de un divisor resistivo para la polarización del transistor que produce el “repliegue” de corriente y tensión, en la figura 9 es el transistor Q2.Este divisor toma una porción de la tensión de salida y la inyecta a la base del transistor, pero la fuente que estábamos diseñando es variable, lo que significaba que para distintos valores de tensión de salida, la tensión en la base del transistor Q2 variaba, volviendo a la protección inútil de operar.

Ante el inconveniente presentado optamos por otro tipo de protección para nuestra fuente.El mismo se basa en “sensar” la corriente de salida. Cuando llegue a su valor máximo e intente superarlo, poniendo en riego el correcto funcionamiento de la fuente, la protección actúa sacando de servicio a la salida de la fuente y avisando por medio de una señal sonora y lumínica. Una vez que el usuario identifique el motivo del disparo de la protección podrá reincorporar el funcionamiento de la fuente por medio de un botón de reset.Para el sensado se utilizó una resistencia de muy bajo valor, de manera tal de que al circular la corriente máxima permitida, genere una caída sobre esta resistencia, necesaria para activa un opto transistor. Este último activa un tiristor que seba la bobina de un relay doble inversor, a uno de los contactos se lo utilizó para sacar de servicio la




fuente y al segundo para encender un temporizador (LM 555) que trabaja como oscilador para alimentar un buzzer (señal sonora) y un led (señal visual).En la figura 11 se muestra el esquema de la protección diseñada.

Figura 11

El opto transistor elegido fue un 4N37 y según la hoja de datos del fabricante la tensión de funcionamiento del foto diodo típica es de 1.15 v. Ese datos mas la corriente máxima que entrega nuestra fuente (5a) son necesarias para conocer la resistencia de sensado que se colocó sobre la línea de salida de la fuente.

Como 0.23 Ω no es un valor comercial vamos a construirla con dos resistencias que si se puedan adquirir, las cuales colocamos en paralelo para obtener un valor muy cercano, la deducción es solo un despeje de la resistencia equivalente de un paralelo de resistencias.

Con este simple despeje lo único que resta es tomar un valor comercial de resistencia, cercano al valor deseado y calcular el otro, buscando que sea muy próximo a un valor comercial.Para nuestro caso elegimos como resistencia 0.27 Ω y la resistencia calculada fue 1.5 Ω, dos valores comerciales simple de conseguir en el mercado.

OSCILADOR (TEMPORIZADOR LM555)




Para poder conectar el buzzer, necesitamos una señal pulsante y optamos por la utilización de este integrado económico y de fácil uso que el mismo fabricante en su hoja de datos nos provee de las ecuaciones necesarias para los cálculos de las resistencias y capacitares necesarios para su funcionamiento.El esquema de conexiones provisto por el fabricante es el de la figura 12.

Figura 12

La frecuencia del oscilador será:

Donde:

Decidimos que queríamos una frecuencia de 2 Hz y un duty cycle (tiempo de ciclo) del 50 % aproximadamente, fijamos el capacitor C y calculamos RA.

Para el valor de RB realizamos algunos cálculos y nos decidimos por el valor 150 kΩ que arroja un tiempo aproximado de 0.26 seg (para nuestro temporizador mas que suficiente.

DISEÑO DE ESQUEMATICO Y PCB

Para una futura confección de la fuente utilizamos el software Eagle 5.11 professional para la realización del PCB (disposición del los componentes en la plaqueta).Mostramos una captura de pantalla tanto del esquemático como del pcb.




Las medidas de la placa quedarían de 83 mm de largo por 55 mm de alto.




BIBLIOGRAFÍA

Electrónica Básica para Ingenieros – Gustavo Robledo Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos – Boylestad Nashelsky Principios de Electrónica – Malvino Fuentes de Corriente Continua Reguladas – Apunte de la FRLP Datasheets de los fabricantes buscados en internet

FAIRCHILDMCC (Micro Commercial Components)NATIONAL SEMICONDUCTORMOTOROLA
