Las fuentes de alimentación son la base de los circuitos electrónicos. Los circuitos de suministro de energía se pueden diseñar de varias maneras. Puede haber fuentes de alimentación regulables o fuentes de alimentación de tensión fija. Un circuito de alimentación se clasifica según el voltaje o rango de voltaje que proporciona y la corriente máxima que permite que una carga lo absorba. En segundo lugar, los hogares reciben voltajes CA como fuente de alimentación principal. Muchos aparatos eléctricos como ventiladores, lámparas fluorescentes y otros son capaces de utilizar voltajes de CA directamente, pero la mayoría de los dispositivos electrónicos requieren la conversión de voltaje de CA a voltaje de CC para su funcionamiento. Cualquier circuito de suministro de energía externo necesita convertir voltaje de CA en voltaje de CC para su uso en dispositivos electrónicos. En este proyecto, se diseña un circuito de alimentación ajustable que da entrada a la red eléctrica de CA y proporciona un voltaje de CC de 0 a 30 V 2 A como salida.
La fuente de alimentación diseñada en este proyecto es del tipo regulada linealmente, de modo que el voltaje de salida del circuito es constante y variado mecánicamente con la ayuda de una resistencia variable. En este tipo de fuente de alimentación, un elemento regulador lineal (una resistencia variable) en serie con la carga está conectado a la salida. Se utiliza un elemento lineal como BJT o FET para proporcionar las corrientes requeridas en la salida.
En el circuito de alimentación diseñado aquí, el transistor de unión bipolar 2N3055 funciona en modo lineal junto con una resistencia variable. La resistencia variable ayuda a proporcionar el voltaje de salida adecuado para cualquier corriente dentro del rango operativo. Las cargas alimentadas por el circuito pueden tener diferentes potencias. Las cargas de alta potencia consumen corrientes más altas. En este circuito de fuente de alimentación, el transistor 2N3055 ayuda a aumentar la corriente de salida de la fuente de alimentación hasta un límite de hasta 2 A.
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.
Componentes necesarios –
Fig. 1: Lista de componentes necesarios para la fuente de alimentación ajustable de 0 a 30V 2A DC
Diagrama de bloques -
Fig. 2: Diagrama de bloques de una fuente de alimentación ajustable de 0 a 30 V 2 A CC
Conexiones de circuito –
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 18 V – 0 – 18 V. La bobina secundaria del transformador está conectada a un puente rectificador completo. El puente rectificador completo se construye conectando cuatro diodos SR560 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 los cátodos de D4 y el ánodo de D3 están conectados a los otros extremos 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 conecta un fusible de 2 A en serie al terminal de salida en las uniones catódicas D2-D3 por seguridad.
Un condensador de 470 uF (que se muestra como C1 en el esquema) está conectado a través de los terminales de salida del rectificador de onda completa para fines de suavizado. Para regular el voltaje, se conectan dos diodos zener de 12 V y 18 V en serie y paralelo al condensador de filtrado. Se conecta una resistencia variable en serie a los diodos Zener para ajustar el voltaje y se conecta en paralelo un capacitor de 10 uF (que se muestra como C1 en el esquema) para compensar las corrientes transitorias. Dos transistores NPN (que se muestran como Q1 y Q2 en los esquemas) están conectados como amplificador de par Darlington en uno de los terminales de salida en serie para obtener las ganancias de corriente deseadas. La salida del par Darlington está además conectada a un transistor NPN (que se muestra como Q3 en los esquemas) y una resistencia (que se muestra como R3 en los esquemas) 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.
Cómo funciona el proyecto –
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. Amplificación actual
8. 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 30 V para reducir de 220 Vca a 30 Vca. Se utiliza un transformador reductor.
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 30 V requeridos. El transformador debe proporcionar una corriente de 2 A en la salida. El transformador reductor más adecuado que cumple con los requisitos de tensión y corriente mencionados es el 18V-0-18V/2A. Este transformador reduce el voltaje de la línea principal a 36 Vac como se muestra en la imagen a continuación.
Fig. 3: Diagrama del circuito del transformador 18-0-18V
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 36 V CA en 36 V CC. 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 SR560 se eligen para construir el rectificador de onda completa porque tienen una clasificación de corriente directa máxima (promedio) de 2 A y, en condiciones de polarización inversa, pueden sostener un voltaje inverso máximo de hasta 36 V. Es por eso que en este proyecto se utilizan diodos SR560 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 un condensador 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, un condensador (que se muestra como C1 en el esquema) de alto valor está conectado a la salida del circuito rectificador. Como la CC que debe rectificarse mediante el circuito rectificador tiene muchos picos de CA y ondulaciones no deseadas, se utiliza un condensador para reducir estos picos. Este condensador actúa como un condensador de filtrado que desvía toda la CA que lo atraviesa a tierra. En la salida, la tensión continua media restante es más suave y sin ondulaciones.
Fig. 7: Diagrama del circuito del condensador de suavizado
Compensación de corrientes transitorias
En los terminales de salida del circuito de potencia, también se conecta en paralelo un condensador (que se muestra como C2 en el esquema). Este condensador ayuda a responder rápidamente 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.
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 10 uF, por lo que
C = 10uF
Isalida = 10u (0,1/100u)
Isal = 10mA
De esta manera se puede concluir que el capacitor de salida responderá a un cambio de corriente de 10 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.
Fig. 9: Diagrama del circuito del regulador de voltaje para fuente de alimentación CC ajustable de 0 a 30 V 2 A
En este circuito, el voltaje máximo en la salida debe ser de 30V, por lo tanto un voltaje de diodo zener de 30V es perfecto para regular el voltaje de salida. Aquí se conectan en serie dos diodos zener de 12V y 18V que proporcionan un total de 30V en la salida. También se puede utilizar un diodo zener de 30 V de potencia nominal de 1 W o una combinación diferente de diodos zener para obtener 30 V en la salida.
Ajuste de voltaje
Para ajustar el voltaje de salida de 0 a 30 V, se conecta una resistencia variable (que se muestra como RV1 en el esquema) a la salida. La sonda variable de RV1 está conectada al colector del transistor de conmutación BC547 (que se muestra como Q3 en los esquemas). Al variar esta resistencia, el emisor del transistor de conmutación proporcionará un voltaje variable entre 0 y 30V.
amplificación actual
El diodo Zener sólo puede suministrar corriente en amperios. Por lo tanto, para obtener una corriente de carga alta en la salida, se debe conectar algún elemento lineal en serie con la carga que pueda consumir la corriente requerida. Este circuito utiliza un transistor de unión bipolar NPN como elemento lineal. Se utiliza un transistor BC547 (que se muestra como Q2 en los esquemas) para suministrar suficiente voltaje de base al transistor bipolar NPN 2N3055 (que se muestra como Q1 en los esquemas). El transistor 2N3055 es capaz de suministrar una corriente de 2A en la salida. Los transistores están conectados en una configuración de amplificador de par Darlington para generar las ganancias de corriente deseadas. En la configuración del par Darlington, la ganancia de corriente neta es una multiplicación de las ganancias de corriente de los dos transistores.
Ganancia de corriente total (hFE total) = ganancia de corriente del transistor 1 (hFE t1) x ganancia de corriente del transistor 2 (hFE t2)
Por lo tanto, la ganancia actual del BC547 es 800 y la del 2N3055 es de 20 a 70, tomando un promedio de 50. Entonces,
Ganancia actual total (hFE total) = 800 * 50 = 40 000
Esto es suficiente para elevar las corrientes desde mil amperios hasta niveles de amperios.
Protección contra cortocircuitos
Para protección contra cortocircuitos, un transistor de conmutación BC547 (que se muestra como Q3 en los esquemas) y una resistencia que se muestra como R2 en los esquemas se conectan en serie antes de la salida del circuito.
Pruebas y precauciones –
Se deben tomar las siguientes precauciones al ensamblar el circuito:
• La corriente nominal del transformador, puente rectificador y transistor debe ser mayor o igual al requisito de corriente de salida. Por lo tanto, sólo el circuito puede suministrar suficiente corriente en la salida.
• El voltaje nominal de un transformador reductor debe ser mayor que el voltaje de salida máximo requerido. Esto se debe al hecho de que el circuito experimenta una caída de voltaje debido a alguna pérdida resistiva. Por lo tanto, el voltaje de entrada del transformador debe ser de 2 a 3 V mayor que el voltaje máximo de salida.
• El condensador C1 en la salida del rectificador se utiliza para tratar el ruido de la red y eliminar las ondulaciones.
• El condensador C2 en los terminales de salida del circuito de potencia ayuda a lidiar con cambios transitorios rápidos y ruido en la carga de salida. El valor de este capacitor depende de la desviación de voltaje, las variaciones de corriente y el tiempo de respuesta transitoria del capacitor utilizado.
• Los condensadores utilizados en el circuito deben tener una tensión nominal superior a la tensión de entrada. De lo contrario, el condensador comenzará a perder corriente debido al exceso de voltaje en sus placas y explotará.
• Los diodos zener utilizados en el circuito deben tener una potencia nominal de 1W, de lo contrario se dañarán debido al calentamiento.
• A medida que aumenta la demanda actual en la carga de salida, el transistor 2N3055 comenzará a calentarse. Para superar este problema, se debe montar un disipador de calor adecuado para disipar el exceso de calor. De lo contrario, el transistor podría explotar.
• Como el circuito fue diseñado para consumir una corriente máxima de 2A en la salida, se debe conectar un fusible de 2A a la salida del rectificador de onda completa. Este fusible evitará que el circuito consuma una corriente superior a 2 A. Para una corriente consumida superior a 2 A, el fusible se fundirá primero, cortando la alimentación de entrada al circuito.
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.
Durante la prueba sin carga, el voltaje de salida en el ajuste de resistencia variable varió en valor entre 0,3 V y 30,3 V. Por lo tanto, al calcular el error, se obtiene el siguiente porcentaje de error:
% Error = (Valor experimental – Valor esperado)*100 /Valor esperado
% de error = (30,3 – 30)*100/30
%Error = 1%
Cuando se conecta una carga a la salida, el voltaje máximo se lee como 30 V. Con una carga de resistencia de 1K, el voltaje de salida se lee como 29,1 V, lo que muestra una caída de voltaje de 0,9 V. La corriente de salida se mide como 29,1 mA, por lo que la disipación de potencia en la carga con una resistencia de 1k es la siguiente:
Puchero = Isalida*Isalida*R
Puchero = 0,0291*0,0291*1000
Puchero = 0,84W
Si la resistencia de carga utilizada es de 470 ohmios, se mide un voltaje de 28,9 V, mostrando una caída de voltaje de 1,1 V, y la corriente medida es de 61,4 mA. Por lo tanto, la disipación de potencia con una carga de 470 ohmios es la siguiente:
Puchero = Isalida*Isalida*R
Puchero = 0,0614*0,0614*470
Puchero = 1,7W
Este circuito se puede utilizar como adaptador de corriente para admitir una amplia gama de aplicaciones electrónicas, como transmisiones, cámaras digitales, impresoras, computadoras portátiles y otros dispositivos electrónicos portátiles. También se puede utilizar como fuente de alimentación CC ajustable para dispositivos electrónicos.
Se habla poco sobre suministros futuros –
En un futuro próximo, la corriente continua de alto voltaje (HVDC) puede convertirse en un medio más popular de transmisión de energía a medida que aumente el enfoque en las energías renovables. HVDC se emplea comúnmente sólo para transmisiones de energía submarinas y a campo traviesa. Esto se hace para reducir las pérdidas de inductancia y capacitancia inducidas en largas distancias. La resistencia, inductancia y capacitancia de un cable prácticamente no se pueden cambiar. Para la transmisión de energía dentro del país, la CA es actualmente el método preferido. Se prefiere la corriente alterna para la transmisión de energía dentro del país a pesar de las pérdidas debidas a la inductancia y la capacitancia porque reducir el voltaje de CA es mucho más barato que reducir el voltaje de CC.
Un voltaje de CA se puede reducir fácilmente con la ayuda de un transformador. Por tanto, la energía que se suministra a los hogares actualmente es tensión alterna. Las estaciones generadoras proporcionan altos voltajes de CA para reducir las pérdidas de energía. Así como el voltaje de CA suministrado a las casas es de 230 V 50 HZ, la estación generadora suministra 2300 V a través del cable de transmisión, que se reduce a 230 V mediante un transformador intermedio. Posiblemente, el día en que el HVDC procedente de fuentes renovables se convierta en una fuente común de suministro de energía doméstica, se utilizarán circuitos de alimentación basados en semiconductores para la reducción y regulación del voltaje.
Diagramas de circuito
| Diagrama de circuito-Ajustable-0-30V-2A-DC-Fuente de alimentación |  |
Vídeo del proyecto
