En el proyecto anterior, se diseñó un circuito de alimentación constante de 12 V CC con una limitación de corriente de 1 A. En este proyecto se diseñará una fuente de alimentación dual simétrica con salidas de voltaje constante. Una fuente de alimentación simétrica dual puede proporcionar dos voltajes de salida simétricos con polaridad opuesta con respecto a una referencia de tierra común. Todo circuito electrónico necesita una fuente de alimentación adecuada en la entrada para su óptimo funcionamiento. La fuente de alimentación de cualquier dispositivo o circuito debe elegirse de acuerdo con sus requisitos de potencia. En este proyecto se diseña un circuito de alimentación regulado que puede producir voltajes constantes de 9V y -9V con una corriente máxima de 1A.
El circuito de energía diseñado en este proyecto utiliza reguladores de voltaje IC 7809 y 7909 y utiliza pasos de diseño de circuitos de energía convencionales, como reducir el voltaje de CA, convertir el voltaje de CA en voltaje de CC y suavizar el voltaje de CC para obtener entrada directa de la red AQUÍ.
Componentes necesarios –
Fig. 1: Lista de componentes necesarios para una fuente de alimentación simétrica constante de +/-9 VCC
Diagrama de bloques -
Fig. 2: Diagrama de bloques de una fuente de alimentación simétrica constante +/- 9 V CC
Conexiones de circuito –
El circuito está construido por etapas, cada una de las cuales tiene un objetivo específico. Para reducir los 230 V CA, se utiliza un transformador de 12 V - 0 -12 V. Los terminales de la bobina secundaria del transformador se conectan a un rectificador de puente completo y se toma un cable de la tira central del transformador para que sirva como. un terreno común. 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 los cátodos de D3 y el ánodo de D4 están conectados al otro terminal de la bobina. Se conectan los cátodos de D2 y D4, de los cuales un terminal se toma de la salida del rectificador y se conectan los ánodos de D1 y D3, de los cuales se toma otro terminal de la salida del rectificador de onda completa.
Se conecta un fusible de 1 A en serie a la salida del rectificador de onda completa para protección contra fuentes de CA. Los condensadores de 470 uF (que se muestran como C1 y C2 en los esquemas) están conectados a través de los terminales de salida de un rectificador de onda completa para fines de suavizado. Para la regulación de voltaje, los circuitos integrados LM-7809 y 7909 se conectan en paralelo con los condensadores de filtrado. La salida se toma de los terminales de salida de voltaje de los circuitos integrados del regulador. Los condensadores de 220 uF (que se muestran como C3 y C4 en los esquemas) están conectados a los terminales de salida del circuito de alimentación para compensar las corrientes transitorias.
Cómo funciona el circuito –
El circuito de potencia funciona en etapas, 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. Regulación de voltaje
5. Compensación de corrientes transitorias
6. 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 V CA, que debe reducirse aún más al nivel de 9 V para reducir 220 Vac a 9 Vca. , se utiliza un transformador reductor con regleta central. El uso del transformador de toma central permite el uso de polaridades positivas y negativas del voltaje de entrada. 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 9 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 12V-0-12V/2A. Este transformador reduce el voltaje de la línea principal a +/- 12 Vac, como se muestra en la imagen a continuación.
Fig. 3: Diagrama del circuito del transformador de 12-0-12V
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 24 VCA en 24 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 D3 conducen en serie, mientras que los diodos D1 y D4 tienen polarización inversa y la corriente fluye a través del terminal de salida pasando por D2, el terminal de salida y D3. Durante el semiciclo negativo del suministro, los diodos D1 y D4 conducen en serie, pero los diodos D3 y D2 tienen polarización inversa y la corriente fluye a través de D1, el terminal de salida y D4. 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
El suavizado es el proceso de 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 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, los condensadores de alto valor de 470 uF (que se muestran como C1 y C2 en los esquemas) están conectados 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
Regulacion de voltaje
Para proporcionar +/- 9 V regulados en la salida, se utilizan los circuitos integrados LM-7809 y 7909. Estos circuitos integrados son capaces de suministrar corriente de hasta 1 A. IC 7809 es un regulador de voltaje positivo que proporciona una salida estable de +9 V con un suministro de entrada positivo de 12 V. Para obtener un voltaje negativo en la salida, se utiliza un regulador de voltaje negativo 7909. Proporciona -9 V en la salida en una entrada de -12 V. IC 7809 proporciona un voltaje de salida en el rango de 8,6 V a 9,4 V con un rango de voltaje de entrada de 11,5 V a 24 V, mientras que IC 7909 proporciona un voltaje de salida en el rango de -8,6 V a -9,4 V con un rango de voltaje de entrada de -11,5 V a -23 V. La tierra común la proporciona el terminal central del transformador. Ambos circuitos integrados reguladores son capaces de regular la carga por sí solos. Proporcionan voltaje regulado y estabilizado en la salida, independientemente de la fluctuación en el voltaje de entrada y la corriente de carga.
Los circuitos integrados LM7809 y 7909 tienen internamente la siguiente disipación de potencia tolerable:
Pout = (Temperatura máxima de funcionamiento del IC)/ (Resistencia térmica, Unión-Aire + Resistencia térmica, Unión-Caja)
Puchero = (125) / (65+5) (valores según ficha técnica)
Puchero = 1,78W
Por lo tanto, ambos circuitos integrados reguladores de voltaje pueden soportar internamente una disipación de potencia de hasta 1,78 W. Por encima de 1,78 W, 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, el disipador de calor es necesario para disipar el calor excesivo de los circuitos integrados.
Compensación de corrientes transitorias
En los terminales de salida del circuito de alimentación, se conectan en paralelo condensadores de 220 uF (que se muestran como C3 y C4 en los esquemas). Estos condensadores ayudan a responder rápidamente a los transitorios de carga. Siempre que cambia la corriente de carga de salida, hay una escasez inicial de corriente, que este condensador de salida puede cubrir.
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 220 uF, por lo que
C = 220 uF
Isalida = 220u (0,1/100u)
Isal = 220 mA
De esta manera se puede concluir que el capacitor de salida responderá a un cambio de corriente de 220 mA durante un tiempo de respuesta transitorio de 100 us.
Fig. 8: Diagrama de circuito del compensador de corriente transitoria
Protección contra cortocircuitos
Se conecta un diodo D5 entre los terminales de entrada y salida de voltaje del IC 7809 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 C3 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 de un diodo a tierra. Esto salva al IC 7809 de la corriente inversa. De manera similar, se conecta un diodo D6 entre los terminales de entrada y salida de voltaje del IC 7909, que protege al IC de la descarga del capacitor C4 a través del regulador cuando la entrada está en cortocircuito.
Fig. 9: Diagrama del circuito de protección contra cortocircuitos
Pruebas y precauciones –
Se deben tomar las siguientes precauciones al ensamblar el circuito:
• 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 al hecho de que los circuitos integrados 7809 y 7909 experimentan 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 de salida máximo y debe estar en el límite del voltaje de entrada de los circuitos integrados del regulador. .
• 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 el IC del regulador sólo puede 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 ensamblado el circuito, se puede probar con un multímetro. Mida el voltaje de salida en los terminales de los circuitos integrados 7809 y 7909. Luego mida las salidas de voltaje cuando las cargas estén conectadas.
En el regulador IC 7809, el voltaje de entrada es de 12 V y el voltaje de salida es de 9,04 V. Con una carga de resistencia de 20 Ω, el voltaje de salida es de 8,03 V, lo que muestra una caída de voltaje de 1,01 V. La corriente de salida se mide a 400 mA, por lo que la disipación de potencia en la carga de resistencia de 20 Ω es la siguiente:
Puchero = (Vin – Vsalida)*Isalida
Puchero = (12–8,03)*0,4
Puchero = 1,58W
En el regulador IC 7909, el voltaje de entrada es -12 V y el voltaje de salida es -9,18 V. Con una carga de resistencia de 20 Ω, el voltaje de salida indica -9,11 V, lo que muestra una caída de voltaje de 0,07 V. La corriente de salida se mide a 455 mA, por lo que la disipación de potencia en la carga de resistencia de 20 Ω es la siguiente:
Puchero = (Vin – Vsalida)*Isalida
Puchero = (-12 – (-9,11)*0,455 (la disipación de energía no puede ser negativa)
Puchero = 1,3 W
De las pruebas anteriores, se puede ver que la disipación de potencia es siempre inferior a 1,78 W (límite tolerable interno de los IC 7809 y 7909). Aún así, se recomienda utilizar un disipador de calor para ayudar a enfriar el CI y aumentar su vida útil.
El circuito de fuente de alimentación diseñado en este proyecto se puede utilizar para alimentar conjuntos de chips que requieren una fuente de alimentación negativa, como amplificadores operacionales, amplificadores bipolares y circuitos multivibradores. El circuito también se puede utilizar como adaptador de corriente de 9V 1A.
Vídeo del proyecto