El circuito de alimentación diseñado en este proyecto es un duplicador de voltaje. Un duplicador de voltaje genera un voltaje dos veces mayor que su voltaje de entrada. Por tanto, este circuito de alimentación proporciona un máximo de 23V en la salida con un voltaje de entrada de 11,5V. El circuito está diseñado utilizando un IC 555 con algunos diodos y condensadores. Los condensadores ayudan a proporcionar el doble de voltaje en la salida en comparación con el voltaje de entrada. El condensador almacena la carga del voltaje de entrada y la transfiere a la salida de tal manera que en la salida se obtiene el doble del voltaje de entrada.
Las secciones importantes del circuito diseñado en este proyecto incluyen reducción de voltaje de CA, conversión de voltaje de CA a voltaje de CC, suavizado de voltaje de CC, compensación de corriente transitoria, protección contra cortocircuitos y duplicación de voltaje usando 555 IC y capacitores.
Componentes necesarios –
Fig. 1: Lista de componentes necesarios para el duplicador de voltaje basado en 555 IC
Diagrama de bloques -
Fig. 2: Diagrama de bloques del duplicador de voltaje basado en 555 IC
Conexiones de circuito –
En primer lugar, para reducir los 230 VCA, se utiliza un transformador de regleta central 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 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 a la cinta central 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.
Para regular el suministro al nivel de 12 V, primero se conecta un condensador de 470 uF (que se muestra como Cin en el esquema) a través de los terminales de salida del rectificador de onda completa para fines de suavizado. Para regular el voltaje, el IC LM-7812 se conecta en paralelo con el condensador de suavizado. La salida se toma del terminal de salida de voltaje del 7812 IC. Un condensador de 1 uF (que se muestra como Cout en el esquema) está conectado a la salida del regulador de voltaje para compensar las corrientes transitorias. Un diodo D5 está conectado entre los terminales de voltaje de entrada y voltaje de salida del regulador de voltaje IC para protección contra cortocircuitos. Un circuito multivibrador astable en el 555 IC está montado en el terminal de salida del regulador de voltaje con un capacitor de carga de 22 nF conectado a los terminales de salida de la fuente. El circuito multivibrador carga y descarga el condensador para producir doble voltaje.
Cómo funciona el circuito –
El funcionamiento del circuito se puede dividir en las siguientes operaciones:
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. Protección contra cortocircuitos
7. Duplicación de voltaje mediante multivibrador astable
Conversión de CA a CA
El voltaje de las fuentes principales es de aproximadamente 220-230 Vac, que debe reducirse al nivel de 12 V. Para reducir 220 Vac a 12 Vac, se utiliza un transformador reductor con una regleta central. El uso del transformador de toma central permite generar voltajes positivos y negativos en la entrada, sin embargo, solo se extraerá del transformador el voltaje positivo. 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 12 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 18V-0-18V/2A. Este transformador reduce el voltaje de la línea principal a +/- 18 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 VCA en 36 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
Figura 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, un capacitor de 470 uF (que se muestra como Cin en el esquema) 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. El condensador actúa como un condensador de filtrado que desvía toda la CA que pasa a través de él a tierra. En la salida, la tensión continua media restante es más suave y sin ondulaciones.
Fig. 7: Diagrama de circuito del condensador de suavizado para duplicador de voltaje basado en 555 IC
Regulacion de voltaje
El regulador de voltaje IC 7812 se utiliza para obtener 11,5 V constantes del voltaje de entrada. El IC 7812 puede tener voltajes de entrada de 14,5 V a 27 V y proporciona un voltaje de salida constante de 11,4 V a 12,6 V. El IC tiene un límite de corriente máximo de 1 A. En la salida del LM7812, está conectado un potenciómetro RV1. La sonda variable de RV1 está conectada a la entrada de 555 IC. Este potenciómetro ayuda a proporcionar el voltaje de entrada variable al 555 IC. El rango de voltaje de salida de este RV1 es de 5V a 12V. Por tanto, se obtiene una tensión variable en la salida.
Compensación de corrientes transitorias
En los terminales de salida del regulador de voltaje, se conecta en paralelo un condensador uF (que se muestra como Cout en el esquema). El condensador ayuda 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 10 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 del circuito del compensador de corriente Transeint
Protección contra cortocircuitos
El diodo D5 está conectado entre los terminales de entrada y salida de voltaje del IC 7812, para evitar que los capacitores externos (Cout en los esquemas) se descarguen 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 el capacitor 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 guarda el regulador de corriente de retroalimentación IC.
Fig. 9: Diagrama del circuito del diodo de protección contra cortocircuitos
Circuito multivibrador
En la salida del regulador de voltaje se utiliza IC 555 en modo multivibrador astable. En modo astable, el 555 genera una onda cuadrada en la salida. En modo astable, el multivibrador no tiene un estado estable y su salida continúa oscilando entre dos estados inestables. Por lo tanto, a la salida el multivibrador obtiene una onda cuadrada.
El período de tiempo o frecuencia de la onda cuadrada se obtiene mediante la constante de tiempo resistencia-condensador.
La frecuencia de onda cuadrada para un multivibrador astable se puede determinar mediante la siguiente fórmula:
F = 1,44/ (R1+ (2*R2))*C1
Poniendo todos los valores,
F=2,7kHz
En el circuito, el pin 3 es la salida del IC 555, por lo que hay disponible una onda cuadrada de frecuencia 2,7 kHz en el pin 3 del IC. En este pin se produce una onda con un ciclo de trabajo del 50% (período de tiempo igual para nivel alto y bajo). Hay dos condensadores (C3 y C4) y dos diodos (D6 y D7) conectados al pin 3 que ayudan a suministrar el doble de voltaje de entrada a la salida. Cuando el pin 3 del IC está en bajo voltaje, el diodo D6 está polarizado directamente y el capacitor C3 comienza a cargarse a través de D6 desde 0 V hasta el voltaje establecido obtenido del potenciómetro.
En la segunda mitad del ciclo, cuando el pin 3 está en alto voltaje, el diodo D6 se polariza inversamente. Esto evita que el condensador C3 se descargue y el diodo D7 permanezca en una condición de polarización directa. Por lo tanto, C4 comienza a cargarse a través de C3 (C3 se cargó completamente en la etapa anterior) y también a través de la potencia de entrada del potenciómetro de 12 V. El voltaje del capacitor C3 y la fuente de entrada se suman y, por lo tanto, el voltaje de carga de C4 es el doble del voltaje de suministro de entrada. Por lo tanto, en la salida se obtiene el doble del voltaje de entrada.
Fig. 10: Diagrama de circuito del duplicador de voltaje basado en 555 IC
Pruebas y precauciones –
Se deben tomar las siguientes precauciones al ensamblar el circuito:
• El voltaje de entrada del NE555 no debe exceder los 16 V, de lo contrario podría dañar el IC.
• La tensión nominal de los condensadores C3 y C4 debe ser el doble de la tensión de entrada (es decir, la tensión de salida máxima ajustable).
• El voltaje de salida no es exactamente el doble del voltaje de entrada debido a la caída de voltaje en el circuito mismo.
• Los diodos de salida (D6 y D7 en los esquemas) deben tener una caída de tensión directa baja, de lo contrario reducirán la tensión de salida. Se pueden utilizar diodos Schottky como el 1N5819 porque tienen una baja caída de tensión directa.
• El voltaje nominal de un transformador reductor debe estar entre 14,5 V y 27 V, que es el voltaje de entrada requerido para el LM-7812. Sólo en este rango el 7812 podrá proporcionar un voltaje de salida constante regulado entre 11,4 V y 12,6 V. Esto se debe al hecho de que el LM-7812 experimenta una caída de voltaje de alrededor de 2 a 3 V.
• Siempre se debe utilizar un diodo de protección cuando se utiliza el condensador después de un IC regulador de voltaje, para evitar que el IC entre en contracorriente durante la descarga del condensador.
• 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.
• 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.
Una vez ensamblado el circuito, ajuste el voltaje de entrada usando un potenciómetro y mida el voltaje de salida. Durante la prueba del circuito, se observaron las siguientes lecturas:
Fig. 11: Tabla que enumera las características de salida del duplicador de voltaje basado en 555 IC
Por lo tanto, el voltaje de salida es casi el doble del voltaje de entrada.
Fig. 12: Gráfico de voltaje de entrada y salida del duplicador de voltaje basado en 555 IC
Este circuito se puede utilizar en el contador Geiger para producir alto voltaje para el tubo Geiger-Muller. También se puede utilizar en detección de voltaje y ajuste de voltaje de referencia (especialmente en convertidores analógicos a digitales).
Diagramas de circuito
| Diagrama de circuito-555-IC-Based-Voltage-Doubler |  |