Fuente de alimentación de banco triple (Parte 8/13)

En diseños anteriores se fabricaban fuentes de alimentación regulables y fuentes de alimentación simétricas a tensión constante. En este proyecto se diseñará una fuente de alimentación asimétrica. La fuente de alimentación de banco triple actúa como fuente de alimentación proporcionando tres voltajes constantes diferentes. Los diferentes niveles de tensión se extraen mediante un único transformador. La fuente de alimentación de banco triple diseñada en este proyecto proporciona 5V, 9V y 12V en la salida con 1A como límite máximo de corriente para cada voltaje. Los voltajes de salida son fuentes reguladas independientes de fluctuaciones no deseadas en el voltaje de entrada.

El circuito de alimentación diseñado en este proyecto utiliza reguladores de voltaje IC 7805, 7809 y 7812 para producir suministros regulados de 5V, 9V y 12V. Para ensamblar el circuito de banco triple se emplean los pasos de diseño del circuito de potencia convencional, 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.

Fig. 1: Lista de componentes necesarios para la fuente de alimentación de banco triple

Diagrama de bloques -

Fig. 2: Diagrama de bloques de fuente de alimentación de banco triple

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 un suministro de 5 V, 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 100 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-7805 se conecta en paralelo con el condensador de suavizado. La salida se toma del terminal de salida de voltaje del 7805 IC. Un condensador de 10 uF (que se muestra como C2 en el esquema) está conectado a la salida de la fuente para compensar las corrientes transitorias.

Para un suministro de 9 V, nuevamente 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 100 uF (que se muestra como C3 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-7809 se conecta en paralelo con el condensador de suavizado. La salida se toma del terminal de salida de voltaje del 7809 IC. Un condensador de 10 uF (que se muestra como C4 en el esquema) está conectado a la salida de la fuente para compensar las corrientes transitorias.

De manera similar, para el suministro de 12 V, nuevamente 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 100 uF (que se muestra como C5 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. Un condensador de 10 uF (que se muestra como C6 en el esquema) está conectado a la salida de la fuente para compensar las corrientes transitorias.

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 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, los condensadores de 100 uF (que se muestran como C1, C3 y C5 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. Estos condensadores actúan como un condensador de filtrado que desvía toda la CA que pasa a través de ellos a tierra. En la salida, la tensión continua media restante es más suave y sin ondulaciones.

Regulacion de voltaje

Los voltajes de salida se toman de los tres circuitos integrados reguladores. Para obtener tres voltajes diferentes en la salida se utilizan tres reguladores. La salida de 5 V se toma del IC 7805, la salida de 9 V se toma del IC 7809 y la salida de 12 V se toma del IC 7812. Estos circuitos integrados proporcionan un voltaje de salida constante y regulado. En consecuencia, cualquier fluctuación y pico no deseado en el voltaje de entrada no afecta el voltaje de salida.

IC 7805 proporciona un voltaje de salida en el rango de 4,75 V a 5,25 V con un rango de voltaje de entrada de 7 V a 20 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. IC LM7812 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. Los circuitos integrados tienen un límite de corriente máximo de 1A.

Fig. 8: Tabla que enumera el voltaje de entrada y salida de los circuitos integrados reguladores de voltaje 7805, 7809 y 7812

Estos circuitos integrados tienen la siguiente disipación de potencia tolerable internamente:

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, 7805, 7809 y 7812 pueden soportar internamente hasta 1,78 W de disipación de energía. Por encima de 1,78 W, estos 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 10 uF (que se muestran como C2, C4 y C6 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 estos condensadores de salida pueden 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 = 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. 9: Diagrama de circuito del compensador de corriente transitoria

Protección contra cortocircuitos

Los diodos D5, D6 y D7 están conectados entre los terminales de entrada y salida de voltaje de los IC 7805, 7809 y 7812 respectivamente, de modo que puedan evitar que los condensadores externos (C2, C4 y C6 respectivamente) se descarguen a través de los respectivos IC durante una cortocircuito de entrada. Cuando la entrada está en cortocircuito, el cátodo del diodo está en potencial de tierra. El terminal del ánodo del diodo está a alto voltaje ya que el capacitor respectivo 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 CI regulador de corriente de retroalimentación respectivo.

Fig. 10: Diagrama del circuito de protección contra cortocircuitos para fuente de alimentación de banco triple

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 7805, 7809 y 7812 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 voltaje de entrada. límite de circuitos integrados reguladores.

• 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 el condensador después de un IC regulador de voltaje, para evitar que el IC entre en contracorriente durante la descarga del condensador.

• 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 los circuitos integrados reguladores sólo pueden 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 7805, 7809 y 7812. Luego mida las salidas de voltaje cuando las cargas estén conectadas.

En el regulador IC 7805, el voltaje de entrada es de 12 V y el voltaje de salida es de 5,06 V. Con una carga de resistencia de 5 Ω, el voltaje de salida es de 3,43 V, lo que muestra una caída de voltaje de 1,63 V. La corriente de salida se mide en 590 mA. Con una carga de resistencia de 10 Ω, el voltaje de salida se lee como 4,08 V, lo que muestra una caída de voltaje de 0,98 V. La corriente de salida se mide a 370 mA. Entonces, la disipación de potencia en una carga de resistencia de 10 Ω es la siguiente:

Puchero = (Vin – Vsalida)*Isalida

Puchero = (18–4,08)*0,370

Puchero = 5,2 W

En el regulador IC 7809, el voltaje de entrada es de 12 V y el voltaje de salida es de 9,15 V. Con una resistencia de carga de 20 Ω, el voltaje de salida es de 8,18 V, lo que muestra una caída de voltaje de 0,97 V. La corriente de salida se mide a 400 mA. Con una carga de resistencia de 10 Ω, el voltaje de salida es de 7,38 V, lo que muestra una caída de voltaje de 1,77 V. La corriente de salida se mide en 680 mA. por lo que la disipación de potencia en una carga de resistencia de 20 Ω es la siguiente:

Puchero = (Vin – Vsalida)*Isalida

Puchero = (18 –8,18)*0,4

Puchero = 3,9W

En el regulador IC 7812, el voltaje de entrada es de 12 V y el voltaje de salida es de 12,22 V. Con una resistencia de carga de 20 Ω, el voltaje de salida se lee como 10,86 V, lo que muestra una caída de voltaje de 1,36 V. La corriente de salida se mide a 490 mA. Con una carga de resistencia de 10 Ω, el voltaje de salida se lee como 9,02 V, lo que muestra una caída de voltaje de 3,2 V. La corriente de salida se mide a 830 mA. Entonces, la disipación de potencia con una resistencia de carga de 20 Ω es la siguiente:

Puchero = (Vin – Vsalida)*Isalida

Puchero = (18 – 10,86)*0,490

Puchero = 3,5 W

Durante las pruebas del circuito se analizó que cuando la demanda de corriente aumenta en la salida, el voltaje de salida comienza a disminuir. A medida que aumenta la demanda actual, los circuitos integrados 7805, 7809 y 7812 comienzan a calentarse y experimentan más caídas, lo que reduce los voltajes de salida. Según la experiencia práctica anterior, la disipación de potencia en los circuitos integrados es superior a sus límites internos tolerables. Por lo tanto, se recomienda utilizar disipadores de calor para ayudar a enfriar los circuitos integrados y aumentar la vida útil de estos circuitos integrados reguladores de voltaje.

El circuito diseñado en este proyecto se puede utilizar como fuente de alimentación regulada e instalar como adaptadores de corriente estándar. Se puede utilizar para polarizar chips integrados que requieren voltajes diferenciales.

Diagrama de circuito-Triple banco-Fuente de alimentación