El LM317 se usa comúnmente para la regulación de voltaje en circuitos de CC. El IC es uno de los reguladores de voltaje positivo ajustable más populares que viene con características como protección contra sobretensión, limitación de corriente interna, protección contra sobrecarga, corriente de reposo baja (para una salida más estable) y compensación de área segura (sus circuitos internos limitan la disipación máxima de energía, por lo que no se autodestruye). Además de muchas funciones, se requieren menos componentes para que sea operativo. Por tanto, el regulador LM317 es fácil de usar y montar en un circuito.
En este proyecto, se diseña una fuente de alimentación ajustable que utiliza LM317, que alimenta las principales fuentes de CA (220 V-230 V CA) y genera un voltaje de CC inferior a 12 V. El LM317 tiene un voltaje de salida ajustable de 1,28 V a 11 V y consume un máximo de 1,5 A de corriente.
As etapas convencionais do circuito de potência projetado são seguidas durante a montagem deste circuito, incluindo redução da tensão CA, conversão da tensão CA em tensão CC, suavização da tensão CC, compensação de correntes transitórias, regulação de tensão, variação de tensão e proteção contra corto circuito.
Componentes necesarios –
Fig. 1: Lista de componentes necesarios para la fuente de alimentación ajustable basada en IC LM317
Diagrama de bloques -
Fig. 2: Diagrama de bloques de la fuente de alimentación ajustable basada en IC LM317
Conexiones de circuito –
El circuito se ensambla siguiendo los pasos de diseño de circuitos de potencia convencionales. Para reducir la corriente alterna de 230 V, se utiliza un transformador de 12 V – 0 -12 V. Un extremo de la bobina secundaria del transformador y su tira central están conectados a un rectificador de puente 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 el cátodo de D4 y el ánodo de D3 están conectados a la cinta central. Los cátodos de D2 y D3 están conectados, de los cuales un terminal se toma para la salida del rectificador y los ánodos de D1 y D4 están conectados, de los cuales se toma otro terminal para la salida del rectificador de onda completa.
Un condensador de 0,1 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, el LM317 se conecta en paralelo al condensador de filtrado. Se conecta una resistencia variable en configuración de divisor de voltaje resistivo con el regulador IC para ajustar el voltaje y se conecta un capacitor de 1 uF (que se muestra como C2 en los esquemas) en paralelo en la salida para compensar las corrientes transitorias. Hay un diodo conectado entre los terminales de voltaje de entrada y salida del IC 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.
Cómo funciona el circuito –
El circuito de alimentación diseñado aquí toma la entrada de las principales fuentes de CA y ensambla el circuito 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 es de aproximadamente 220-230 V CA, que debe reducirse al nivel de 12 V. Para reducir 220 V CA a 12 V CA, se utiliza un transformador reductor con tira central. El uso del transformador de toma central permite generar voltajes positivos y negativos en la entrada, sin embargo solo se extraerán voltajes positivos del transformador. 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 1,5 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: Símbolo del circuito del transformador de 12-0-12 V
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 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 D4 y D2 tienen polarización inversa y la corriente fluye a través de D1, el terminal de salida y D3. La dirección de la corriente en ambas direcciones a través del terminal de salida en ambas condiciones sigue siendo la misma.
Fig. 5: Imagen que muestra el ciclo negativo en el Rectificador de Onda Completa
Fig. 6: Imagen que muestra el ciclo positivo en el Rectificador de Onda Completa
Se eligen diodos SR560 para construir el rectificador de onda completa porque tienen una corriente directa máxima (promedio) de 2 A y, en condiciones de polarización inversa, pueden soportar un voltaje inverso máximo de hasta 36 V. Es por eso que en este diseño se utilizan diodos SR560 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 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. Se utiliza un condensador de 0,1 uF para suavizar la señal de CA.
Fig. 7: Diagrama del circuito del condensador de suavizado
Compensación de corrientes transitorias
En los terminales de salida del circuito de potencia, 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 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 1 uF, por lo que,
C = 1uF
Isal = 1 u (0,1/100u)
Isal = 1 mA
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 transitoria de 100 us.
Fig. 8: Diagrama de circuito para compensación de corriente transitoria
Regulacion de voltaje
LM317 se utiliza para la regulación de voltaje. LM317 es un CI regulador de voltaje positivo monolítico. Como es monolítico, todos los componentes están integrados en el mismo chip semiconductor, lo que hace que el CI sea pequeño, con menor consumo de energía y bajo costo. El IC tiene tres pines: 1) pin de entrada donde se puede suministrar un máximo de 40 V CC, 2) pin de salida que proporciona voltaje de salida en el rango de 1,25 V a 37 V y 3) pin de sintonización que se utiliza para variar el voltaje de salida correspondiente. al voltaje de entrada aplicado. Para entradas de hasta 40 V, la salida puede oscilar entre 1,25 V y 37 V.
Hay un OPAM (amplificador operacional) integrado en el IC cuya entrada inversora está conectada al pin de sintonía. La entrada no inversora está definida por una referencia de voltaje de banda prohibida cuyo voltaje es independiente de la temperatura, la fuente de alimentación y la carga del circuito. Por lo tanto, el LM317 proporciona un voltaje de referencia estable de 1,25 V en su pin de sintonización. El voltaje de referencia de 317 puede ser de 1,2 V a 1,3 V. El voltaje de salida de 317 se puede ajustar dentro de un rango definido utilizando un circuito divisor de resistencia entre la salida y tierra.
Para establecer el voltaje deseado en la salida del LM317, se utiliza un circuito divisor de voltaje resistivo entre el pin de salida y tierra. Por el efecto de esta configuración, se puede ajustar el voltaje en el pin de salida. El valor del divisor de voltaje resistivo debe elegirse de tal manera que pueda proporcionar el rango de voltaje requerido en la salida. El circuito divisor de voltaje tiene una resistencia de programación que tiene una resistencia fija (que se muestra como R1 en los esquemas) y otra es una resistencia variable (que se muestra como R2 en los esquemas). Al establecer una relación perfecta entre la resistencia de retroalimentación (resistencia fija) y la resistencia variable, se puede obtener el voltaje de salida deseado correspondiente al voltaje de entrada.
El 317 proporciona un voltaje de referencia estable de 1,25 V en el pin de sintonización. Esto significa que también hay una caída de voltaje constante en R1. La corriente en el pin de sintonización también es constante y está en el rango de 50 uA a 100 uA. Por lo tanto, fluye una corriente constante tanto por R1 como por R2. Por lo tanto, la suma de la caída de voltaje en R1 y R2 da Vout de la siguiente manera:
Vsalida = Vref*(1+(R2/R2))
Una cierta cantidad de corriente de reposo también fluye desde el sintonizador; esta corriente agrega algún término de error en la ecuación anterior que hace que la salida sea inestable. Es por eso que el IC está diseñado de tal manera que la corriente de reposo debe permanecer en microamperios para que la salida sea estable.
Vsal = Vref*(1 + (R2/R2)) + Iq*R2
Dónde,
Iq = corriente de reposo es la corriente que fluye desde el pin de sintonización cuando el circuito no está impulsando ninguna carga.
Como Iq es 100 uA, el término Iq*R2 es muy pequeño y puede despreciarse en la ecuación.
El LM317 proporciona una corriente de carga mínima de 10 mA. Por lo tanto, para mantener un voltaje de referencia constante de 1,25 V, el valor mínimo de la resistencia de retroalimentación es
R1 = 1,25/min
R1 = 1,25 V/0,010 = 125 ohmios
El rango de la resistencia variable R1 es de 125 ohmios a 1000 ohmios y el valor típico de R1 es de 220 ohmios a 240 ohmios para una mejor estabilidad. Usando la ecuación anterior, también se puede calcular el valor de R2.
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
Por lo tanto, el LM317 puede soportar internamente una disipación de potencia de hasta 2 W. Por encima de 2 W, el IC no tolerará la cantidad de calor generado y comenzará a arder. Esto también puede causar un grave riesgo de incendio. Por lo tanto, se requiere un disipador de calor para disipar el calor excesivo del CI.
Ajuste de voltaje
El voltaje de salida se puede variar usando el pin de sintonización del LM317 IC. La resistencia variable R1 se utiliza para variar el voltaje de salida de 1,28 V a 11 V.
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 C2 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.
Fig. 9: Diagrama de circuito para 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 el IC 317 experimenta 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 del IC 317. LM317.
• 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 regulador IC sólo puede consumir corriente hasta 1,5 A, es necesario conectar un fusible de 1,5 A. Este fusible limitará la corriente en el regulador hasta 1,5 A. Para corrientes superiores a 1,5 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 1,5 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 los terminales de salida el voltaje de entrada era de 12 V y al ajustar la resistencia variable, el voltaje de salida estaba entre 1,28 a 11 V cuando no había carga conectada.
Después de configurar el voltaje de salida en 11 V y conectar una carga de 20 ohmios, el voltaje de salida se lee como 10,4 V y la corriente de salida se mide como 520 mA, por lo que la disipación de potencia en la carga de resistencia de 20 Ω es la siguiente:
Puchero = (Vin – Vsalida)*Isalida
Puchero = (12-11) * 0.520
Puchero = 0,52 W
Al probar el circuito, se descubrió que cuando la demanda de corriente aumenta en la salida, el voltaje de salida comienza a disminuir. A medida que aumenta la demanda actual, el IC 317 comienza a calentarse y el IC experimenta más caídas, lo que reduce el voltaje de salida. Aunque según la experiencia práctica anterior, la disipación de energía en el IC está dentro de los límites internos tolerables, aún así se recomienda utilizar un disipador de calor para ayudar a enfriar el IC y aumentar su vida útil.
El circuito de potencia diseñado en este proyecto se puede utilizar como fuente reguladora de corriente constante o como fuente de alimentación regulable desde 1,25 V a 37 Vdc.
Diagramas de circuito
| LM317_fuente_de_potencia |  |