Mini fuente de alimentación regulable de 0 a 15V 1A (Parte 3/13)

Este proyecto tiene como objetivo construir un circuito de alimentación regulable de 0 a 15V 1A. El circuito actuará como una mini fuente de alimentación portátil para la mayoría de los dispositivos electrónicos. El circuito se puede utilizar como adaptador de corriente para teléfonos inteligentes, dispositivos portátiles y dispositivos informáticos. En este proyecto se diseña una fuente de alimentación positiva simétrica regulada ajustable. Para reducir cualquier fluctuación y ondulación en la salida, es necesario regular el suministro para que pueda proporcionar un voltaje constante en la salida. Nuevamente, como en diseños anteriores, el voltaje se ajusta mediante una resistencia variable. Esta fuente de alimentación proporciona voltaje regulado y ajustable en la salida.
El circuito tendrá una entrada de 220 V-230 V CA y genera un voltaje CC variable en el rango de 0 V a 15 V en la salida. Esta fuente de alimentación puede proporcionar una corriente máxima de 1A en la salida.
O projeto de um circuito de fonte de alimentação é um processo passo a passo que envolve 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 –
Lista de componentes necessários para mini fonte de alimentação ajustável de 0 a 15 V 1A
Fig. 1: Lista de componentes necesarios para la mini fuente de alimentación ajustable de 0 a 15 V 1 A

Diagrama de bloques -

Diagrama de blocos da mini fonte de alimentação ajustável de 0 a 15 V 1A

Fig. 2: Diagrama de bloques de la mini fuente de alimentación ajustable de 0 a 15 V 1 A

Conexiones de circuito –
El circuito se monta en etapas y cada etapa tiene un propósito específico. Para reducir la corriente alterna de 230 V, se utiliza un transformador de 18 V - 0 -18 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 1N4007 juntos designados como D1, D2, D3 y D4 en los esquemas. El cátodo de D1 y el ánodo de D3 están conectados a una de las bobinas secundarias y el cátodo de D2 y el ánodo de D3 están conectados a la cinta central. 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.
Un condensador de 470 uF (que se muestra como C1 en el esquema) está conectado a través de los terminales de salida de un 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 serie al IC regulador de voltaje para ajustar el voltaje y se conecta un capacitor de 220 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 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. 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 (electricidad alimentada por el transformador intermedio después de reducir el voltaje de línea de la estación generadora) es de aproximadamente 220-230 Vca, que debe reducirse aún más al nivel de 15 V para reducir 220 Vca a 15 Vca. Se utiliza un transformador reductor con 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 15 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.
Diagrama de circuito do transformador 18-0-18V
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.
Diagrama de circuito do retificador de onda completa
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.
Diagrama de circuito mostrando o ciclo positivo do retificador de onda completa
Fig. 5: Diagrama de circuito que muestra el ciclo positivo del rectificador de onda completa
Diagrama de circuito mostrando o ciclo negativo do retificador 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
Como sugiere el nombre, es el proceso de suavizar o 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.
Diagrama de circuito do capacitor de suavização
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 las cargas de salida, hay una escasez inicial de corriente, que puede ser cubierta por este condensador de salida.
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.
Diagrama de circuito do compensador de corrente transitória
Fig. 8: Diagrama de circuito del compensador de corriente transitoria
Regulacion de voltaje
El circuito de alimentación debe proporcionar una tensión regulada y constante, sin fluctuaciones ni variaciones. Para la regulación de voltaje, se requiere un regulador lineal en el circuito. El propósito de utilizar este regulador es mantener un voltaje constante en un nivel deseado en la salida. Para proporcionar 0V a 15V regulados se utiliza IC LM317. El regulador de voltaje IC es capaz de suministrar una corriente de 1,5 A, por lo que es adecuado para el requisito de corriente de 1 A. En este circuito, el LM317 proporcionará un voltaje ajustable correspondiente a su voltaje de entrada. El IC es capaz de regular la carga por sí solo. Proporciona un voltaje regulado y estabilizado en la salida, independientemente de la fluctuación en el voltaje de entrada y la corriente de carga.
LM317 es un regulador de voltaje positivo que proporciona salida en el rango de 1,25 V a 37 V con voltaje de entrada de hasta 40 V. En la salida, puede suministrar una corriente máxima de 1,5 A según la hoja de datos en condiciones ideales .
Para definir el voltaje deseado en la salida, se utiliza un circuito divisor de voltaje resistivo entre el pin de salida y tierra (regleta central del transformador). El circuito divisor de voltaje tiene una resistencia de programación (resistencia fija) y otra resistencia variable. Al tomar una relación perfecta entre la resistencia de retroalimentación (resistencia fija) y una resistencia variable, se puede obtener el valor deseado del voltaje de salida correspondiente al voltaje de entrada. En este circuito, la resistencia R1 se utiliza como resistencia de programación para LM317. Las resistencias variables RV1 se utilizan para variar el voltaje de salida en el regulador de voltaje IC.
Diagrama de circuito do regulador de tensão baseado em IC LM317
Fig. 9: Diagrama de circuito del regulador de voltaje basado en IC LM317
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 2W. Por encima de 2W, 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 IC LM317. La resistencia variable RV1 se utiliza para variar el voltaje de salida de 0V a 15V. Dado que la salida mínima del LM317 es 1,25 V, se conectan dos diodos 1N4007 en serie con una resistencia de 1 K (que se muestra como R2 en los esquemas) para hacer que la salida mínima se acerque a 0 V. Cada diodo sufre una caída de 0,7 V y la caída restante la absorbe la resistencia de 1k. Así, en la salida obtenemos una tensión mínima de 0,3V y una tensión máxima de 15,35V.
Protección contra cortocircuitos
Se conecta un diodo D7 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.
En el circuito, dos diodos ya están conectados en serie en la salida, lo que evita que el CI entre en contracorriente. Por tanto, no es necesario conectar un diodo de protección en este circuito; Aún así, conectar un diodo de protección a través del regulador de voltaje solo proporciona una capa adicional de seguridad.
Diagrama de circuito de proteção contra curto-circuito
Fig. 10: 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 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 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 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 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 18V y al ajustar la resistencia variable, el voltaje de salida estaba entre 0,34 y 15,35V cuando no había carga conectada. Los valores esperados eran de 0V a 15V. Por tanto, el error porcentual acaba siendo –
%Error= (Valor experimental – valor esperado)*100/Valor esperado
% de error = (15,35 – 15)* 100/15
%Error = 2,3%
Cuando se conecta una carga a la salida, el voltaje máximo se lee como 15,35 V. Con una resistencia de carga de 470 Ω, el voltaje de salida es de 15,35 V y no muestra caída de voltaje. La corriente de salida se mide a 38,2 mA, por lo que la disipación de potencia en la carga de resistencia de 470 Ω es la siguiente:
Puchero = (Vin – Vsalida)*Isalida
Puchero = (18-15,35) *(0,0328)
Puchero = 86 mW
Con una carga de resistencia de 47 Ω, el voltaje de salida se lee a 15 V, lo que muestra una caída de voltaje de 0,35 V. La corriente de salida se mide a 310 mA, por lo que la disipación de potencia en la carga de resistencia de 47 Ω es la siguiente:
Puchero = (Vin – Vsalida)*Isalida
Puchero = (18-15) *(0,310)
Puchero = 0,93W
Con una carga de resistencia de 14,1 Ω, el voltaje de salida se lee a 13 V y muestra una caída de voltaje de 2,35 V. La corriente de salida se mide a 870 mA, por lo que la disipación de potencia en la carga de resistencia de 14 Ω, 1 Ω es la siguiente:
Puchero = (Vin – Vsalida)*Isalida
Puchero = (18-13) *(0,870)
Puchero = 4,35W
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. Según la experiencia práctica anterior, la disipación de potencia en el CI es mayor que sus límites internos tolerables. Por lo tanto, se recomienda utilizar un disipador de calor para ayudar a enfriar el CI y aumentar su vida útil.
El circuito de alimentación diseñado en este proyecto se puede utilizar como un adaptador de corriente portátil para aparatos y dispositivos electrónicos comunes. También se puede utilizar como central eléctrica para circuitos electrónicos y pruebas de componentes.

Diagramas de circuito

Diagrama de circuito-Ajustable-0-15V-1A-Mini-fuente de alimentación

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