Circuito de alimentación ajustable de +/- 1,25 V a +/- 22 V 1 A (Parte 2/13)

En el proyecto anterior se diseñó un circuito de alimentación ajustable con un voltaje de salida en el rango entre 0V y 30V con una capacidad de corriente máxima de 2A. A menudo, la alimentación de CC requerida debe tener voltajes tanto positivos como negativos. En el diseño anterior, se podía suministrar voltaje negativo a un dispositivo simplemente invirtiendo manualmente las conexiones de los terminales. El circuito ingresará 220 V-230 V CA y generará un voltaje CC variable en el rango de +/- 1,25 V a +/- 22 V en la salida. Esta fuente de alimentación puede proporcionar una corriente máxima de 1A en la salida. Para crear una fuente de alimentación ajustable que tenga voltajes negativos y positivos, se debe emplear un transformador de tira central en el diseño del circuito.

En este proyecto se diseña una fuente de alimentación simétrica positiva y negativa regulada ajustable. Para reducir cualquier fluctuación y ondulación en la salida, es necesario regular el suministro para que pueda proporcionar un voltaje constante en la salida. Nuevamente, como en el diseño anterior, el voltaje se ajusta mediante una resistencia variable. Esta fuente de alimentación proporciona voltaje regulado y ajustable en la salida.

El diseño de un circuito de suministro de energía es un proceso paso a paso que implica reducir el voltaje de CA, convertir el voltaje de CA en voltaje de CC, suavizar el voltaje de CC, compensar las corrientes transitorias, regular el voltaje, variar el voltaje y amplificar la corriente y los cortocircuitos.

Fig. 1: Lista de componentes necesarios para la fuente de alimentación ajustable de +/- 1,25 V a +/- 22 V 1A

El circuito se monta en etapas y cada etapa tiene un propósito específico. Para reducir la tensión de 230 V CA, se utiliza un transformador de 24 V – 0 – 24 V. La bobina secundaria del transformador está conectada a un puente rectificador completo. El puente rectificador completo se construye conectando cuatro diodos 1N4007 juntos designados como D1, D2, D3 y D4 en los esquemas. El cátodo de D1 y el ánodo de D2 están conectados a una de las bobinas secundarias y el cátodo de D4 y el ánodo de D3 están conectados al otro extremo de la bobina secundaria. Se conectan los cátodos de D2 y D3, de los cuales un terminal se toma de la salida del rectificador y se conectan los ánodos de D1 y D4, de los cuales se toma otro terminal de la salida del rectificador de onda completa. Se tira un cable de la tira central del transformador que sirve como tierra para las salidas de CC positiva y negativa.

Se conectan condensadores de 100 uF (que se muestran como C1 y C2 en los esquemas) entre los terminales de salida del rectificador de onda completa y la tira central del transformador para fines de suavizado. Para la regulación de voltaje, LM317T y LM337 se conectan en paralelo al condensador de filtrado. Las resistencias variables están conectadas en serie a los circuitos integrados reguladores de voltaje para ajustar el voltaje y los capacitores de 10 uF (que se muestran como C5 y C6 en los esquemas) están conectados en paralelo en la salida para compensar las corrientes transitorias. Hay dos diodos conectados entre los terminales de voltaje de entrada y voltaje de salida de los circuitos integrados del regulador de voltaje para protección contra cortocircuitos.

Dibuje o imprima el diagrama esquemático en papel y realice cada conexión con cuidado. Sólo después de comprobar que cada conexión se realizó correctamente, conecte el circuito de alimentación a una fuente de CA.

El circuito de potencia opera en etapas bien definidas, cada etapa tiene un propósito específico. El circuito funciona en los siguientes pasos:

1. Conversión de CA a CA

2. Conversión de CA a CC: rectificación de onda completa

3. Suavizado

4. Compensación de corriente transitoria

5. Regulación de voltaje

6. Ajuste de voltaje

7. Protección contra cortocircuitos

Conversión de CA a CA

El voltaje de las fuentes principales (electricidad alimentada por el transformador intermedio después de reducir el voltaje de línea de la estación generadora) es de aproximadamente 220-230 Vca, que debe reducirse aún más al nivel de 24 V para reducir 220 Vca a 24 Vca. Se utiliza un transformador reductor con regleta central. El uso del transformador con toma central es generar voltaje positivo y negativo en la entrada. La franja central proporcionará tierra al circuito y los dos terminales restantes proporcionarán voltaje positivo y negativo.

El circuito experimenta una cierta caída en el voltaje de salida debido a una pérdida resistiva. Por lo tanto, es necesario utilizar un transformador con una clasificación de alto voltaje superior a los 22 V requeridos. El transformador debe proporcionar una corriente de 1 A en la salida. El transformador reductor más adecuado que cumple con los requisitos de tensión y corriente mencionados es el 24V-0-2 4V/2A. Este transformador reduce el voltaje de la línea principal a +/- 24 Vac, como se muestra en la imagen a continuación.

Fig. 3: Diagrama del circuito del transformador 24-0-24V

Conversión de CA a CC: rectificación de onda completa

El voltaje de CA reducido debe convertirse en voltaje de CC mediante rectificación. La rectificación es el proceso de convertir voltaje CA en voltaje CC. Hay dos formas de convertir una señal de CA a CC. Una es la rectificación de media onda y la otra es la rectificación de onda completa. En este circuito, se utiliza un puente rectificador de onda completa para convertir 48 VCA en 48 VCC. La rectificación de onda completa es más eficiente que la rectificación de media onda, ya que proporciona un uso completo de los lados positivo y negativo de la señal de CA. En la configuración de puente rectificador de onda completa, cuatro diodos están conectados de tal manera que la corriente fluye a través de ellos en una sola dirección, lo que genera una señal CC en la salida. Durante la rectificación de onda completa, dos diodos tienen polarización directa y otros dos diodos tienen polarización inversa.

Fig. 4: Diagrama del circuito rectificador de onda completa

Durante el semiciclo positivo del suministro, los diodos D2 y D4 conducen en serie mientras que los diodos D1 y D3 tienen polarización inversa y la corriente fluye a través del terminal de salida pasando por D2, el terminal de salida y D4. Durante el semiciclo negativo del suministro, los diodos D1 y D3 conducen en serie, pero los diodos D1 y D2 tienen polarización inversa y la corriente fluye a través de D3, el terminal de salida y D1. La dirección de la corriente en ambas direcciones a través del terminal de salida en ambas condiciones sigue siendo la misma.

Fig. 5: Diagrama de circuito que muestra el ciclo positivo del rectificador de onda completa

Fig. 6: Diagrama de circuito que muestra el ciclo negativo del rectificador de onda completa

Los diodos 1N4007 se eligen para construir el rectificador de onda completa porque tienen una corriente directa máxima (promedio) de 1 A y en condiciones de polarización inversa pueden soportar un voltaje inverso máximo de hasta 1000 V. Es por eso que en este diseño se utilizan diodos 1N4007 para la rectificación de onda completa.

Suavizado

Como sugiere el nombre, es el proceso de suavizar o filtrar la señal de CC mediante un condensador. La salida del rectificador de onda completa no es un voltaje CC constante. La salida del rectificador tiene el doble de frecuencia que las fuentes principales, pero aún contiene ondulaciones. Por lo tanto, es necesario suavizarlo conectando condensadores (que se muestran como C1 y C2 en los esquemas) en paralelo a la salida del rectificador de onda completa. El condensador se carga y descarga durante un ciclo, proporcionando un voltaje de CC constante como salida. Por lo tanto, los condensadores (que se muestran como C1 y C2 en los esquemas) de alto valor están conectados a la salida del circuito rectificador. Estos condensadores actúan como condensadores de filtrado que desvían toda la CA que pasa a través de ellos a tierra. En la salida, la tensión continua media restante es más suave y sin ondulaciones.

Los condensadores C3 y C4 están conectados con un pasador de ajuste. Estos condensadores evitan que la ondulación se amplifique a medida que aumenta el voltaje de salida.

Compensación de corrientes transitorias

En los terminales de salida del circuito de potencia, los condensadores C5, C6, C7 y C8 están conectados en paralelo a los terminales de salida. Los condensadores C5 y C6 ayudan en una respuesta rápida a los transitorios de carga. Siempre que cambia la corriente de las cargas de salida, hay una escasez inicial de corriente, que puede ser cubierta por este condensador de salida.

Los condensadores C7 y C8 son condensadores cerámicos, la impedancia o ESR de los cerámicos es baja en comparación con un condensador electrolítico. Por lo tanto, C7 y C8 se utilizan en paralelo con el condensador electrolítico sólo para disminuir la impedancia de salida equivalente.

La variación de la corriente de salida se puede calcular mediante

Corriente de salida, Iout = C (dV/dt) donde

dV = Desviación de voltaje máxima permitida

dt = tiempo de respuesta transitorio

Considerando dv = 100mV

dt = 100us

En este circuito se utiliza un condensador de 1 uF, por lo que,

C = 1uF

Isalida = 1u (0,1/100u)

Isal = 1mA

De esta manera se puede concluir que el capacitor de salida responderá a un cambio de corriente de 1 mA durante un tiempo de respuesta transitorio de 100 us.

Fig. 8: Diagrama de circuito del compensador de corriente transitoria

Regulacion de voltaje

El circuito de alimentación debe proporcionar una tensión regulada y constante, sin fluctuaciones ni variaciones. Para la regulación de voltaje, se requiere un regulador lineal en el circuito. El propósito de utilizar este regulador es mantener un voltaje constante en un nivel deseado en la salida. Para alimentar IC se utiliza LM317 regulado de 1,25V a 22V y para -1,25 a -22V en la salida se utiliza IC LM337. Ambos IC son capaces de entregar una corriente de 1,5 A, por lo que son adecuados para requisitos de corriente de 1 A. En este circuito, LM317 y LM337 proporcionarán un voltaje ajustable correspondiente a su voltaje de entrada. Ambos circuitos integrados son capaces de regular la carga. Proporcionarán voltaje regulado y estabilizado en la salida independientemente de la fluctuación en el voltaje de entrada y la corriente de carga.

LM317 es un regulador de voltaje positivo que proporciona salida en el rango de 1,25 V a 37 V con voltaje de entrada de hasta 40 V. A diferencia del LM317, el LM337 es un regulador de voltaje negativo que proporciona de -1,25 V a -37 V con un voltaje de entrada de hasta -40 V. En la salida, ambos pueden suministrar una corriente máxima de 1,5A según ficha técnica en condiciones ideales.

Para definir el voltaje deseado en la salida, se utiliza un circuito divisor de voltaje resistivo entre el pin de salida y tierra (regleta central del transformador). El circuito divisor de voltaje tiene una resistencia de programación (resistencia fija) y otra resistencia variable. Al tomar una relación perfecta entre la resistencia de retroalimentación (resistencia fija) y una resistencia variable, se puede obtener el valor deseado del voltaje de salida correspondiente al voltaje de entrada. En este circuito, las resistencias R1 y R2 se utilizan como resistencia de programación para 317 y 337 respectivamente. Las resistencias variables RV1 y RV2 se utilizan para variar el voltaje de salida en 317 y 337 respectivamente.

El LM317 tiene la siguiente disipación de potencia tolerable internamente:

Pout = (Temperatura máxima de funcionamiento del IC)/ (Resistencia térmica, Unión-Entorno + Resistencia térmica, Unión-Caja)

Puchero = (150) / (65+5) (valores según ficha técnica)

Puchero = 2W

Asimismo, el LM337 tiene la siguiente disipación de potencia tolerable internamente:

Pout = (Temperatura máxima de funcionamiento del IC)/ (Resistencia térmica, Unión-Entorno + Resistencia térmica, Unión-Caja)

Puchero = (125) / (70+3) (valores según ficha técnica)

Puchero = 1,7W

Por lo tanto, 317 y 337 internamente pueden soportar hasta 2W y 1,7W de disipación de potencia respectivamente. Por encima de 2W y 1,7W, los circuitos integrados no tolerarán la cantidad de calor generado y comenzarán a arder. Esto también puede causar un grave riesgo de incendio. Por lo tanto, se necesitan disipadores de calor para disipar el calor excesivo de los circuitos integrados.

Ajuste de voltaje

El voltaje de salida se puede variar usando el pin de sintonización de los IC 317 y 337. Las resistencias variables RV1 y RV2 proporcionan el voltaje de salida de 1,25 V a 22 V y -1,25 a -22 V respectivamente.

Protección contra cortocircuitos

Se conecta un diodo D5 entre los terminales de entrada y salida de voltaje del 317 IC para evitar que el capacitor externo se descargue a través del IC durante un cortocircuito de entrada. Cuando la entrada está en cortocircuito, el cátodo del diodo está en potencial de tierra. El terminal del ánodo del diodo tiene alto voltaje ya que C5 está completamente cargado. Por lo tanto, en este caso, el diodo tiene polarización directa y toda la corriente de descarga del capacitor pasa a través del diodo a tierra. Esto salva al IC LM317 de la corriente inversa.

De manera similar, se conecta un diodo D6 entre los terminales de entrada y salida de voltaje del 337 IC para evitar que el IC descargue el capacitor C6 a través del IC cuando la entrada está en cortocircuito.

Fig. 9: Diagrama del circuito de protección contra cortocircuitos

Figura 10:

• La corriente nominal del transformador reductor, los diodos puente y los CI del regulador de voltaje debe ser mayor o igual a la corriente requerida en la salida. De lo contrario, no podrá proporcionar la corriente requerida en la salida.

• La tensión nominal del transformador reductor debe ser mayor que la tensión de salida máxima requerida. Esto se debe a que los IC 317 y 337 sufren una caída de voltaje de alrededor de 2 a 3 V. Por lo tanto, el voltaje de entrada debe ser de 2 V a 3 V mayor que el voltaje máximo de salida y debe estar en el límite de los voltajes de entrada del LM317 y LM337.

• Los condensadores utilizados en el circuito deben tener una tensión nominal superior a la tensión de entrada. De lo contrario, los condensadores comenzarán a perder corriente debido al exceso de voltaje en sus placas y explotarán.

• Se debe utilizar un condensador a la salida del rectificador para que pueda hacer frente al ruido no deseado de la red eléctrica. Asimismo, se recomienda el uso de un condensador en la salida del regulador para hacer frente a cambios transitorios rápidos y ruido en la salida. El valor del capacitor de salida depende de la desviación de voltaje, las variaciones de corriente y el tiempo de respuesta transitoria del capacitor.

• Siempre se debe utilizar un diodo de protección cuando se utiliza un capacitor después de un CI regulador de voltaje, para evitar que el CI entre en contracorriente durante la descarga del capacitor.

• Para activación de carga de alto rendimiento, se debe montar un disipador de calor en los orificios del regulador. Esto evitará que el CI explote debido a la disipación de calor.

• Como los circuitos integrados reguladores sólo pueden consumir corriente hasta 1 A, es necesario conectar un fusible de 1 A. Este fusible limitará la corriente en el regulador a 1A. Para corrientes superiores a 1 A, el fusible se fundirá y esto cortará la alimentación de entrada al circuito. Esto protegerá el circuito y los circuitos integrados del regulador de corrientes superiores a 1 A.

Una vez montado el circuito, es hora de probarlo. Conecte el circuito a las fuentes principales y cambie la resistencia variable. Tome lecturas de voltaje y corriente en el terminal de salida del circuito de alimentación utilizando un multímetro. Luego conecte resistencias fijas como carga y verifique nuevamente las lecturas de voltaje y corriente.

En el lado LM317 del circuito, el voltaje de entrada era de 24 V y al ajustar la resistencia variable, el voltaje de salida estaba entre 1,25 y 22 V cuando no había carga conectada.

Cuando se conecta una carga a la salida, el voltaje máximo se lee como 20 V. Con una carga de resistencia de 50 Ω, el voltaje de salida es de 16 V, lo que muestra una caída de voltaje de 4 V. La corriente de salida se mide a 300 mA, por lo que la disipación de potencia en la carga de resistencia de 50 Ω es la siguiente:

Puchero = (Vin – Vsalida)*Isalida

Puchero = (24-16) *(0,3)

Puchero = 2,4W

En el lado LM337 del circuito, el voltaje de entrada era de -24 V y al ajustar la resistencia variable, el voltaje de salida estaba entre -1,25 y -22 V cuando no había carga conectada.

Cuando se conecta una carga a la salida, el voltaje máximo se lee como -20 V. Con una carga de resistencia de 50 Ω, el voltaje de salida es de 17,5 V, lo que muestra una caída de voltaje de 2,5 V. La corriente de salida se mide a 320 mA, por lo que la disipación de potencia en la carga de resistencia de 50 Ω es la siguiente:

Puchero = (Vin – Vsalida)*Isalida

Puchero = (-24 – (-17,5)) *(0,32) (la disipación de energía no puede ser negativa)

Puchero = 2,08 W

Durante las pruebas del circuito se analizó que cuando la demanda de corriente aumenta en la salida, el voltaje de salida comienza a disminuir. A medida que aumenta la demanda actual, los circuitos integrados 317 y 337 comienzan a calentarse y experimentan más caídas, lo que reduce los voltajes de salida. Según la experiencia práctica anterior, la disipación de potencia en ambos circuitos integrados es mayor que sus límites internos tolerables. Por lo tanto, se recomienda utilizar disipadores de calor para ayudar a enfriar los circuitos integrados y aumentar la vida útil de estos circuitos integrados reguladores de voltaje.

El circuito de alimentación diseñado en este proyecto se puede utilizar como adaptador de corriente para dispositivos electrónicos y se puede utilizar con conjuntos de chips que requieren una fuente de alimentación negativa. El circuito se puede utilizar para alimentar componentes electrónicos como OP-AMPS, amplificadores bipolares y reguladores de corriente constante.

Diagrama de circuito-Ajustable-1.25V-22V-1A-Fuente de alimentación