fuente de alimentación regualda.
Bienvenidos a esta nueva práctica en la cual vamos construir y diseñar una fuente de alimentación básica con un pequeño filtro y que esté regulada, lo cual implica que si aumenta el valor de la tensión de entrada, a la salida se mantenga constante la tensión de la fuente de alimentación.
Los componentes que utilizaremos serán un circuito rectificador en puente, un filtro pasa altos que constará de un único condensador, pues para este tipo de fuente es suficiente, y un regulador de tensión Zener para formar una fuente de alimentación estabilizada.
Los componentes que utilizaremos te los muestro a continuación:
● 1 transformador reductor 230V / 15V a 0,3A es CE 10.064
● 1 puente rectificador B250C
● 1 diodo Zener C9V1PH
● 1 condensador y una resistencia que calcularemos más tarde.
Para el transformador, he decidido usar un reductor básico, disponible en cualquier equipo electrónico y que puedes encontrar en cualquier tienda de electrónica a un precio económico.
El rectificador en puente equivale a un rectificador de doble onda convencional. Rectifica la señal alterna de la salida del transformador y que nos proporciona una salida en el secundario de unos 15 voltios.
Este transformador, tiene una resistencia física en el secundario de 3,1Ω.
Puedes ver que la salida del transformador la he representado mediante una fuente de tensión alterna. Eso es lo único que he variado en el circuito. Pero debes de conectar el secundario del transformador a la entrada del puente rectificador.
Esta salida se aplica al puente rectificador, y a la salida se obtiene una tensión pulsante con componente continua, pero cuyo factor de rizado podría afectar a equipos que manejen pequeñas señales.
Fíjate que el puente rectificador está formado por un B250C y que tiene 4 patillas. A ambos lados observa que tiene dos símbolos de corriente alterna y son en las patillas en las que lo tienen en donde deberás de conectar la salida del secundario del transformador. También tiene un símbolo +, que indica que esa patilla es la positiva; por lo tanto la opuesta será la negativa.
Pero la salida del puente será también pulsante se tiene que aplicar a un filtro pasa altos que reducirá mucho el rizado de la tensión pulsante continua y hará que la tensión sea aún mucho más plana. Este filtro estará formado por un condensador electrolítico.
La última etapa está formada por un regulador de tensión que mantendrá la tensión de la fuente de alimentación estable a un valor fijo.
Para esta fuente he elegido el C9V1PH como diodo Zener cuya hoja de características nos dice que el diodo tiene una tensión Zener de 9,1 voltios, y que la máxima intensidad zener debe de ser de 32mA para una potencia de 300mW, lo que calcularemos el circuito para que trabaje el diodo en valores inferiores a esos.
Ten en cuenta que el transformador elegido proporciona unos 15 voltios pico a pico, pudiendo alcanzar valores de hasta 18 voltios en continua, por lo que tendremos que utilizar resistencias limitadoras.
Como puedes ver, y al igual que casi todos los diodos, una marca indica su cátodo (terminal negativo). He elegido este tipo de semiconductor, para que veas precisamente el efecto deseado de la regulación: La fuente, proporcionará casi el doble de la tensión que el diodo Zener necesita para conducir en inversa, por lo que el efecto se verá de manera significativa.
Calculo del circuito.
El cálculo del circuito implica las resistencias e impedancias que afectan al desarrollo del mismo. Un fallo en el cálculo de las mismas, podría inutilizar parte de sus componentes vitales, sobre todo el diodo Zener. Por ello, utilizaremos una resistencia limitadora de la intensidad que circulará por el Zener y así evitaremos que esté entre en avalancha descontrolada y se queme.
NOTA: Por norma general junto al diodo Zener se suele utilizar un transistor semiconductor que hará de conmutador al diodo, protegiéndolo de sobre tensiones de la fuente. No he considerado oportuno introducir este elemento en el circuito debido a que eso lo haremos en otras entradas futuras.
Empezando por el transformador, y teniendo en cuenta que su relación de espiras es de 15:1, si se introduce 230V, nos proporcionará de 15,3333V de alterna pico a pico, lo que significa que una vez rectificada por el puente tendremos una tensión continua de:
15,333 - 1,4V = 13,93V
Recuerda que restamos el valor de 1,4V que es el valor de la tensión de los diodos del circuito, y que el valor 15,333V es la tensión pico de la señal en el secundario.
El filtro pasa altos permite el paso de frecuencias altas, bloqueando las bajas frecuencias. Nuestra tensión continua, es pulsante, lo que significa que si la conectáramos a un altavoz, escucharíamos un montón de ruido que proviene de la corriente rectificada. Esta corriente pulsante, no nos molestaría, para trabajar con valores estáticos y cálculos de segmentos de circuitos, pero no nos serviría para usarlos en circuitos de radiofrecuencia, de audio, vídeo, comunicaciones, etc., etc.
Para calcular el filtro, debes de conocer la frecuencia de la señal. Recuerda que un rectificador de doble onda y en puente, rectificaban todo el ciclo de la señal, lo que conseguían que la frecuencia de salida fuese el doble de la de entrada, por lo que tenemos que la frecuencia de resonancia que queremos obtener del filtro es de 120Hz.
Un filtro pasa alto, a la baja frecuencia, ofrece baja resistencia a la señal, lo que la parte alterna de la corriente pulsante se deriva a masa, mientras que la parte continua continua al regulador mas filtrada. Para ello, necesitamos un condensador en serie con una inducción, y además que ambos estén en paralelo con la entrada de la fuente.
El valor del condensador para una reactancia capacitiva próxima a unos 3,1Ω (la resistencia de salida del condensador) para la frecuencia de resonancia:
C = 1 ÷ 2 x 3,1415 x 120Hz x 3,1Ω = 0,000427F
El valor del condensador para una reactancia de 3,1Ω a la frecuencia de resonancia es de 427µF. Vamos a utilizar en nuestro circuito un condensador de 330µF y 25V, que tendrá una reactancia de 4Ω a la frecuencia de resonancia.
La inductancia para la frecuencia de resonancia es de:
L = 2 x 3,1415 x 120Hz x 3 = ¡¡¡UNA BARBARIDAD!!!!
Aquí uno de los problemas de los filtros pasa altos para baja frecuencia. Necesitaríamos una bobina ENORME, y el circuito tiene que ser pequeño; por lo tanto, descartamos el filtro pasa alto con bobina y utilizaremos el filtro por condensador únicamente.
La solución para el uso de estos filtros conjuntos es realizar una fuente conmutada, en la cual la frecuencia de salida ya es de miles de hercios, y se pueden utilizar bobinas pequeñas para tal fin. Pero de momento esa es otra práctica que mas adelante podrás hacer.
Como te habrás dado cuenta, hemos hecho que la reactancia capacitiva del condensador que vamos a utilizar como filtro, tenga el mismo valor de resistencia que el secundario del transformador. Eso hará que la transferencia de energía sea máxima entre el secundario y el filtro, y así exista la mínima perdida de potencia en el filtro. En este instante, el rizado de la señal se ha aplanado bastante, y la tensión continua es mas o menos estable.
Ahora el problema es la intensidad. Hasta entonces, la intensidad dependía de la reactancia del filtro y la resistencia del secundario, lo que la hace demasiada alta para el Zener, ya que la baja reactancia del circuito anterior, dispara la intensidad. Vamos a utilizar una resistencia reguladora o lo que es una resistencia de fuente Rs.
Recuerda que en el curso de electrónica avanzada, hemos hablado que en una segunda aproximación, para que no haya que tener en cuenta la resistencia interna de la fuente (los 4Ω), la resistencia de fuente debe de ser por lo menos 100 veces mayor que ella para poder despreciarla. Entonces:
Rs = 100 x Ri = 100 x 4 = 400Ω
Lo cual utilizaremos una resistencia estándar de 510Ω de un cuarto de potencia (convencional). Esta resistencia nos limitará la intensidad a:
I = 13,93V / 510 = 27,3mA
Lo que está dentro del valor máximo de la corriente por el diodo (<32mA).Después de esta resistencia conectamos el diodo Zener por un extremo a la resistencia, y por el otro extremo a la masa del circuito.
NOTA: Se ha sustituido la salida del condensador por su tensión Thevenin.
Como paso final, nos queda introducir una carga en la cual se reflejará la caída de tensión del Zener. Para ello, y en paralelo con el Zener, introduce una carga, en este caso resistiva cuyo valor nos interesa que sea alto para que toda la tensión caiga en ella. Se suele calcular la resistencia para la máxima corriente por el diodo, pero eso haría que utilizaremos la carga como fuente de corriente, lo que no nos interesa. Para la carga, utilizaremos como ya hemos visto la formula de fuentes de tensión en la que dice que la resistencia de carga debe de ser cien veces superior a la resistencia de fuente, para que se produzca la máxima transferencia y poder despreciar ésta para el cálculo. Con esto:
Rc = 100 x Rs = 100 x 510 = 51KΩ
Esta es la carga mínima que necesitamos en nuestro circuito para que la fuente de alimentación pueda ser práctica. Como puedes ver con pocos componentes (5) hemos rectificado, filtrado y regulado la tensión alterna de entrada. Si, este circuito es demasiado simple, pero creo que es una buena práctica para empezar a crear fuentes de alimentación reguladas. Resumiendo, a continuación te muestro la placa para imprimir el circuito y el resumen de componentes.
● Vs = 15V ac
●Cs = 330uF
●Rs = 510Ω 1/2
●Dz = 9,1V
●Rc = 56KΩ1/2