En proyectos anteriores se diseñaron circuitos de alimentación regulables. A veces, ya se conoce el voltaje para accionar un circuito específico y es necesario diseñar el circuito de suministro de energía para producir un voltaje constante. En este proyecto, se diseña un circuito de alimentación constante de 12 V con el fin de alimentar circuitos LED. El circuito debe diseñarse de tal manera que esté libre de fluctuaciones u ondulaciones. El circuito tomará energía de las principales fuentes de CA y la convertirá en una fuente de CC de 12 V sin ondulaciones. El circuito será capaz de consumir una corriente máxima de 1A.
En los circuitos LED, el exceso de flujo de corriente a través de los LED que excede su clasificación de corriente directa puede aumentar su temperatura más allá del límite, dañándolos permanente o temporalmente. Por lo tanto, en tales casos se requiere una fuente de voltaje constante. Se puede conectar un solo LED o una combinación de LED que requieran una entrada neta de 12 V a la salida del circuito diseñado en este proyecto.
El circuito de alimentación diseñado en este proyecto utiliza el regulador de voltaje IC 7812 y utiliza pasos de diseño de circuitos de alimentación 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 de CA.
Componentes necesarios –
Fig. 1: Lista de componentes necesarios para el suministro de energía constante de 12 V para circuitos LED
Diagrama de bloques -
Fig. 2: Diagrama de bloques de fuente de alimentación constante de 12 V para circuitos LED
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 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. Se toma un cable de la tira central del transformador que sirve como tierra para las salidas de CC positiva y negativa.
Se conecta un fusible de 1 A en serie a la salida del rectificador de onda completa para protección contra fuentes de CA. 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, 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.
Cómo funciona el circuito –
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. Regulación de voltaje
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 Vac, que aún debe reducirse al nivel de 12 V para reducir 220 Vac a 12 Vac. 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 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
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 clasificación de 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 suavizar o filtrar la señal de CC utilizando 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.
Fig. 7: Diagrama del circuito del condensador de suavizado
Regulacion de voltaje
Para proporcionar 12 V regulados en la salida, se utiliza un IC LM7812. Este IC es capaz de entregar corriente hasta 1A. Proporcionará voltaje de salida regulado y estabilizado independientemente de las variaciones en el voltaje de entrada y la corriente de carga. El IC LM7812 puede tener voltajes de entrada de 14,8 V a 27 V y proporciona un voltaje de salida constante de 11,5 V a 12,5 V. El IC es capaz de proporcionar una corriente máxima de 1 A en la salida.
El LM7812 tiene internamente la siguiente disipación de potencia tolerable:
Pout = (Temperatura máxima de funcionamiento del IC)/ (Resistencia térmica, Unión-Entorno + Resistencia térmica, Unión-Caja)
Puchero = (125) / (65+5) (valores según ficha técnica)
Puchero = 1,78W
Por lo tanto, el LM7812 puede soportar internamente una disipación de energía de hasta 1,78W. Por encima de 1,78 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.
Fig. 8: Diagrama del circuito del regulador de voltaje para fuente de alimentación constante de 12 V
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 7812 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 de salida. (14,5 V-27 V) del LM7812.
• 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.
• 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 del IC 7812 y comience a probarlo con circuitos en serie LED.
Primero probemos el circuito con LED de 1,8 V. Se pueden conectar en serie un máximo de 6 LED de esta clasificación en la salida con una resistencia limitadora de 68 ohmios. Cada LED necesita aproximadamente 1,8 V para tener polarización directa y comenzar a brillar. El voltaje de entrada del circuito es de 12V,
Vin = 12V (desde 7812)
La caída de voltaje total en 6 LED será de 10,8 V,
V = 1,8 *6 = 10,8 V
La corriente de salida suministrada por esta fuente de alimentación/corriente consumida por el circuito será:
I = (Voltaje de entrada – caída de voltaje entre los LED) /R1
Yo = (12 – 10,8)/68
Yo = 17,6 mA
Para un LED de 1,8 V, se requieren aproximadamente 20 mA de corriente directa para una iluminación adecuada sin romper su límite de corriente directa. Sólo para este propósito se utiliza una resistencia en serie (en este caso 68 ohmios) para limitar la corriente.
La disipación de potencia del IC LM7812 con este circuito LED como carga será:
Disipación de energía
P salida = (Vin – Vsalida)*Isalida
Puchero = (12-10,8) *(0,0176)
Puchero = 21,12 mW
Fig. 9: Diagrama de circuito de la serie LED
Probar el circuito con LED de 2,2 V produce los siguientes resultados. Se pueden conectar en serie un máximo de 5 LED de esta clasificación en la salida con una resistencia limitadora de 47 ohmios. Cada LED necesita aproximadamente 2,2 V para tener polarización directa y comenzar a brillar. El voltaje de entrada del circuito es de 12V,
Vin = 12V (desde 7812)
La caída de voltaje total en 5 LED será de 11 V,
V = 2,2 *5 = 11V
La corriente de salida suministrada por esta fuente de alimentación/corriente consumida por el circuito será:
I = (Voltaje de entrada – caída de voltaje entre los LED) /R1
Yo = (12 – 11)/47
Yo = 21,2 mA
Para un LED de 2,2 V, se requieren aproximadamente 25 mA de corriente directa para una iluminación adecuada sin romper su límite de corriente directa. Sólo para este fin se utiliza una resistencia en serie (en este caso 47 ohmios) para limitar la corriente.
La disipación de potencia del IC LM7812 con este circuito LED como carga será:
Disipación de energía
P salida = (Vin – Vsalida)*Isalida
Salida P = (12-11) *(0,0212)
Salida P = 21,2 mW
Fig. 10: Diagrama de circuito de la serie LED
Probar el circuito con LED de 3,3 V produce los siguientes resultados. Se pueden conectar en serie un máximo de 3 LED de esta clasificación en la salida con una resistencia limitadora de 6 o 7 ohmios. Cada LED necesita aproximadamente 3,3 V para tener polarización directa y comenzar a brillar. El voltaje de entrada del circuito es de 12V,
Vin = 12V (desde 7812)
La caída de voltaje total en 3 LED será de 10 V,
V = 3,3 *3 = 9,9 V
La corriente de salida suministrada por esta fuente de alimentación/corriente consumida por el circuito será:
I = (Voltaje de entrada – caída de voltaje entre los LED) /R1
Yo = (12 – 9,9)/6
Yo = 350 mA
Para un LED de 3,3 V, se requieren aproximadamente 300-350 mA de corriente directa para una iluminación adecuada sin romper su límite de corriente directa. Sólo para este fin se utiliza una resistencia en serie (en este caso de 6 o 7 ohmios) para limitar la corriente.
La disipación de potencia del IC LM7812 con este circuito LED como carga será:
Disipación de energía
P salida = (Vin – Vsalida)*Isalida
Salida P = (12-9,9) *(0,350)
Salida P = 735 mW
Fig. 11: Diagrama de circuito de la serie LED
También se pueden probar otras combinaciones de LED, siempre que se utilice la resistencia limitadora de corriente correcta y considerando que el requisito de corriente de entrada del circuito (combinación de LED) no debe ser superior a 1A. De las pruebas anteriores, se puede ver que la disipación de potencia es siempre inferior a 1,78 W (límite interno tolerable de 7812). Aun así, se recomienda utilizar un disipador de calor para ayudar a enfriar el CI y aumentar su vida útil.
El circuito de potencia diseñado en este proyecto se puede utilizar para suministrar energía a tiras y cadenas de LED. También se puede utilizar para alimentar placas LED. En general, cualquier circuito que requiera un suministro constante de 12V DC con un límite de corriente de 1A puede ser alimentado con esta fuente de alimentación.
Diagramas de circuito
| Diagrama de circuito-Constante-12V-Fuente de alimentación-Circuitos-LED |  |
