Fuente analógica

1. REPORTE DE PRÁCTICA
Práctica 4
Instituto Tecnológico de Querétaro
Electrónica Analógica
Eduardo Pecina González
Álvarez Melgar José Francisco
Noguez Cruz Héctor
Iñiguez Lomelí Francisco Javier

2. CONTENIDO
Introducción ....................................................................................................................................................... 2
Marco teórico..................................................................................................................................................... 2
Fuentes de alimentación lineales ................................................................................................................... 2
Conexión a la red eléctica........................................................................................................................... 2
Fusible ........................................................................................................................................................ 2
Filtro de red ................................................................................................................................................ 2
Transformador............................................................................................................................................ 3
Rectificador ................................................................................................................................................ 3
Filtro ........................................................................................................................................................... 4
Regulador ................................................................................................................................................... 5
Desarrollo del proyecto...................................................................................................................................... 6
Pruebas y analisis de resultados....................................................................................................................... 10
Simulacion en Multisim ................................................................................................................................ 10
Mediciones fisicas......................................................................................................................................... 12
Bibliografía........................................................................................................................................................ 16
Anexos.............................................................................................................................................................. 16

3. INTRODUCCIÓN
En esta práctica se hará el diseño de una fuente de alimentación lineal que sea capaz de convertir el voltaje
entregado de manera nominal (127 V CA, 60 Hz), a un voltaje de 5, ±12 V fijos y ± 17 V variable, todos en CD.
Esta fuente de alimentación debe ser construida con un filtro de transitorios en la entrada, un filtro LC tras el
rectificador y debe tener capacidad de soportar una corriente de 1 A.
MARCO TEÓRICO
FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES
Este tipo de fuente fue el primero en utilizarse. Generalmente las podremos encontrar siguiendo el esquema
de transformador, rectificador, filtro, regulación y salida. Podemos afirmar que todas las fuentes diseñadas
basándose en este esquema son de un diseño relativamente sencillo comparado con otros tipos de fuentes,
por ejemplo, las conmutadas.
Figura 1. Diagrama de bloques de una fuente de alimentación lineal.
CONEXIÓN A LA RED ELÉCTICA
Está formada por el enchufe, bornes o cualquier dispositivo físico, que nos permite conectar nuestra fuente
de alimentación a la red eléctrica. Los parámetros que hay que tener en cuenta a la hora de elegir el enchufe
es que soporte la tensión de la red y la corriente que va a consumir el circuito. Los mismos parámetros
utilizaremos para elegir el cable de alimentación.
FUSIBLE
Si nuestra fuente de alimentación tuviera un fallo y se cortocircuitara, producirá una subida muy fuerte en el
consumo de corriente, las consecuencias de esta subida son impredecible. El fusible es un dispositivo que
cuando la corriente que circula por él es superior a su corriente nominal se funde interrumpiendo el suministro
de corriente.
FILTRO DE RED
Este dispositivo no es estrictamente necesario ya que su función es la de eliminar las posibles perturbaciones
electromagnéticas que puedan llegar a nuestra fuente de alimentación desde la red eléctrica, pero su uso es
imprescindibles si queremos hacer a nuestro equipo inmune a dichas interferencias.

4. TRANSFORMADOR
En la Figura 1 lo podemos encontrar en la entrada de la misma con la función de reducir la
tensión de red a la tensión necesitada por el equipo. Hay que aclarar que los transformadores
solamente son capaces de trabajar con corrientes alternas, por lo que nos vamos a encontrar
que tanto la tensión de entrada como la de salida serán siempre alternas.
RECTIFICADOR
El rectificador es el encargado de convertir la tensión alterna que sale del secundario del transformador en
tensión continua existen diversas configuraciones para realizar esta como puede observarse en la Figura 3.
Figura 3. Configuraciones de un rectificador de onda completa.
Cuando se le suministra tensión alterna a la entrada de un rectificador y no existe nada conectado a su salida
de tensión continua, se dice que está trabajando en vacío. Cuando a dicha salida se le conecta algún equipo
se dice que funciona en carga.
La configuración de los cuatro diodos se denomina puente rectificador y en el mercado existen puentes
rectificadores que integran en un mismo encapsulado los 4 diodos. En la Figura 4 vemos algunos de
componentes reales.
Figura 4. Encapsulados de puentes rectificadores
Figura 2 Símbolo de
un transformador

5. Normalmente estos componentes tienen impresos el nombre de las patillas siendo + y – las salidas en continua
y ~ las entradas de alterna. Para seleccionar el puente rectificador (o diodos) que necesitamos, necesitamos
determinar la tensión y la corriente máxima de trabajo, que han de ser suficientes para nuestro circuito.
FILTRO
La mayor parte de los equipos electrónicos necesitan una verdadera tensión continua, siendo la misma aquella
donde la magnitud de Vmax sea constante en todo momento (similar a la que es producida por una batería).
Para lograr esto se usa la etapa de filtrado.
Figura 5. Diferencias en la tensión antes y después del filtrado.
Una de las desventajas con las que nos vamos a encontrar a la hora de utilizar el filtro RC lo constituye la
pérdida de tensión en cada resistencia empleada. Esto hace que la utilización del mismo sea adecuada
solamente para cargas pequeñas, por ejemplo, circuitos digitales. Puede hacerse uso de la ley de Ohm para
calcular la caída de tensión en cada resistencia.
Cuando nos encontremos con que la corriente que demanda la carga es grande y necesitamos que la caída de
tensión continua sea pequeña, vamos a poder optar por el diseño de filtros LC. Estos últimos presentan una
mejora con respecto a los anteriormente explicados, los filtros RC.
Estos filtros son nombrados LC debido a que su construcción se basa en una bobina y un condensador. A
continuación se representa el esquema de un circuito mostrando la utilización de este filtro.
Figura 6. Filtro LC en una fuente de alimentación
Se puede apreciar que el diseño es igual que el filtro RC pero, en este caso, se sustituye la resistencia por una
bobina, es por eso que la caída de tensión es menor ya que solo interviene la resistencia del enrollado. A la
hora de confeccionar o elegir las bobinas a utilizar, tendremos que tener en cuenta que, mientras más grandes
sean estas, mejor. Es normal ver en muchas fuentes de alimentación como estos enrollados suelen tener una
proporción y aspecto casi igual a la del transformador.

6. REGULADOR
Como vemos en la Figura 5, la salida filtrada presenta una pequeña ondulación, para
eliminar esta ondulación y controlar la tensión para que esta no cambie ante variaciones
de corriente en la carga, utilizamos un regulador de tensión. El circuito regulador se
encarga de reducir el rizado de la onda así como de proveer una tensión de salida con la
magnitud exacta que se desee.
Aunque el diseño y construcción de estos reguladores de tensión no es una tarea difícil,
vamos a poder encontrar en el mercado una variedad enorme de ellos integrados en un
solo encapsulado. Entre los que podemos encontrar, están aquellos que presentan tres
terminales.
Los reguladores fijos de tensión positiva de la serie 78xx se caracterizan porque la tensión
presente entre los terminales 2 y 3 (tierra y salida) es la indicada en "xx". Es por eso que si tenemos el
regulador 7805, regulará a 5V, el 7812 lo hará a 12V y así sucesivamente. Existen reguladores de esta serie
para diferentes tensiones como son: 5, 6, 8, 9, etc. De ahí que se denominen reguladores fijos, ya que una vez
fabricados para una tensión determinada, esta no se podrá variar.
Los reguladores fijos de tensión negativa de la serie 79xx son análogos a los de la serie
78xx excepto en la distribución de los terminales y en que la tensión de salida es negativa.
Esta serie de reguladores se suele usar mucho en combinación con los de la 78xx con el
objetivo de suministrar tensiones simétricas. Se dice que una fuente de alimentación es
simétrica cuando va a ser capaz de suministrar una tensión de + xx Voltios y otra de – xx
voltios respecto a masa. Para esto se utiliza un transformador con doble secundario igual
al empleado en el rectificador de onda completa con derivación central. A continuación
se puede ver un ejemplo del uso de esta combinación de reguladores:
Figura 9. Fuente de alimentación dual de ± 5V
Regulador ajustable de tensión positiva LM317. Este integrado es capaz de proporcionar, en su salida, una
tensión variable. Para lograr esto, solamente basta con adicionarle al circuito una resistencia y un
Figura 7. Regulador
de tensión de la
familia 78XX en un
encapsulado TO-220.
Figura 8. Regulador de
tensión de la familia
79XX en un
encapsulado TO-220.

7. potenciómetro. A continuación tenemos un esquema donde se observa la distribución de los pines del LM317
así como una de las diferentes formas en que lo vamos a poder ver funcionando:
Figura 10. En la parte derecha: Regulador de tensión variable de la familia LM 317 en un encapsulado TO-220. En la parte izquierda:
Ejemplo de uso de éste integrado
Si ajustamos el valor del potenciómetro (R2) a su menor valor (o sea una resistencia de 0 ohm) la tensión entre
los terminales 1 y 2 será de 1,25V. En la misma media en que se aumente el valor del potenciómetro la tensión
en la salida irá aumentando. Podemos llegar a la conclusión de que con este tipo de regulador la salida siempre
será ajustada de 1,25V en adelante. Por otro lado tenemos que la selección de los valores de las resistencias
R1 y R2 va a estar en dependencia de la tensión máxima que deseemos obtener. Un método muy utilizado es
darle un valor fijo a R1 y calcular R2. El regulador de tensión negativa variable LM 337 funciona de manera
similar.
DESARROLLO DEL PROYECTO
Se comienza con el supresor de transitorios el cual se coloca en paralelo, éste consiste en una resistencia de
100 Ω y un capacitor de 0.1 µF. Para determinar la potencia que debe disipar la resistencia, se procede a
calcular la impedancia de ambos componentes en serie.
(1)
     
 
 
1
2
1
100
2 60 Hz 0.1 F
26526 100
26526
T C RZ X X
R
jfC
j
j

 
 
 
  
  
 
La respectiva corriente que pasa por esa rama es:
(2)
127V
26526
4.78mA
T
V
I
Z





8. Así, la potencia que debe disipar la resistencia es de:
(3)      
2
2
4.78 mA 100
2.29mW
P I R
 

Por lo que se considera que una resistencia de ¼ W es suficiente para disipar esa potencia. En cuanto al
capacitor se consideró uno que pueda soportar al menos 500 V. Para la protección de toda la fuente se
incorporó un fusible de 1.5 A.
El transformador utilizado tiene una relación de 120 a 36 V, es decir 10:3, por lo que el voltaje máximo en el
secundario del transformador es:
(4) max 36 2 51VV  
Dado que el puente rectificador no es alimentado con esta cantidad directamente, si no que se utiliza el TAP
central, el voltaje máximo que entregará el puente es:
(5) max
1.4 24V
2
m
V
V   
La resta de 1.4 V proviene de las caídas en cada diodo. Se supondrá que la carga de la fuente es puramente
resistiva, así que se procederá a calcular el filtro, se sabe que:
(6)  
22 10
e
R n L
C n


 
Donde n es el número de armónico correspondiente (se usará dos, porque los otros son tan pequeños que
pueden despreciarse) y ω es la frecuencia angular. Sustituyendo los valores conocidos en (6):
(7)
     
10
2 2 60 Hze
R
C 

No se conoce la resistencia a la que será sometido el circuito, sin embargo se conoce la carga de corriente
máxima y el voltaje máximo que soportará el filtro, así:
(8) max
max
24V
24
1A
V
R
I
   
Finalmente sustituyendo (8) en (7) y despejando Ce, se obtiene:
(9)
 
     
10
10
552.62 F
240 Hz 24
eC
n R



 


9. Para efectos prácticos se utilizará un capacitor de 4700 µF.
En clase se demostró que el valor del capacitor y de la bobina del filtro vienen relacionados por:
(10) 2 2
1
nh
enc
e e
V
V
n L C


En donde:
(11) 2
4
3 2
m
h
V
V


(12)
0.2 m
enc
V
V


Sustituyendo las ecuaciones (11) y (12) en junto con otros valores conocidos en la ecuación (10) y despejando
el valor de L se obtiene:
(13)
        
2
2 2
2 2 6
4 0.2
3 2
0.2
2 60 2 4700 10
2.14mH
h enc
enc
m m
m
V V
L
n CV
V V
V









 
 
 

Se incluirá una resistencia de sangrado para que los capacitores de la fuente se descarguen cuando se
desconecta la alimentación, se procede a calcular la potencia que disiparían estas resistencias si se suponen
de 1 kΩ:
(14)
 max
24V
1000
24mA
m
R
V
I
R




Entonces la potencia que disipará esta resistencia es de:
(15)      
2
2
0.024 A 1000
0.576W
RP I R
 

Se eligieron resistencias de 1 W para disipar esta potencia.

10. Otro parámetro a calcular fueron las resistencias de las fuentes variables de voltaje. De acuerdo con el
fabricante los voltajes de entrada y salida para el regulador LM 317 vienen dados por:
(16) 1
2
1.25 1out
R
V
R
 
  
 
Donde R1 y R2 son las resistencias mostradas en la Figura 10. Si se supone que la resistencia variable es de un
máximo de 10 kΩ, y que el voltaje máximo de salida es de 17 V, se puede encontrar el valor de R1.
(17)
 
   
 
2
1
0.8 1
10000
0.8 17 1 V
794
out
R
R
V





 
La fórmula para el regulador LM 337 es:
(18) 1
2
1.25 1out
R
V
R
 
   
 
Dado que la ecuación (18) sólo difiere de la ecuación (16) por el signo negativo, éste se eliminará al recordar
que Vout es negativo también, el resultado es el mismo que el visto en la ecuación (17), sin embargo en la
implementación se tuvo que modificar ligeramente hasta un valor de 930 Ω.
Para el cálculo de los disipadores de calor se debe calcular la resistencia térmica del disipador al ambiente,
ésta viene dada por:
(19) J A
SA JC CS
D
T T
P
  

  
En donde:
 θSA Resistencia térmica del disipador al ambiente
 θJC Resistencia térmica entre la unión y el encapsulado. (Viene dado por el fabricante)
 θCS Resistencia térmica del encapsulado al disipador. (Se supondrá de 1 W/°C)
 TJ Temperatura de la unión
 TA Temperatura ambiente.
 PD Potencia de disipación permitida. El máximo de éste valor, de acuerdo al fabricante, viene dado
por:
(20)  max
J A
D
JA
T T
P



En donde θJA es la resistencia entre la unión y el ambiente, este valor lo proporciona el fabricante. Entonces
sustituyendo la ecuación (20) en (19) y simplificando se obtiene:

11. (21) SA JA JC CS     
Recolectando los datos de las hojas de datos del fabricante se obtiene finalmente (Todas las resistencias
térmicas vienen dadas en W/°C):
Integrado JA JC SA
LM 7805 65 5 59
LM 7812 65 5 59
LM 7912 60 5 54
LM 317 50 4 45
LM 337 50 4 45
PRUEBAS Y ANALISIS DE RESULTADOS
SIMULACION EN MULTISIM
Figura 11. Simulación de las fuentes fijas.

12. Figura 12. Simulación de las fuentes variables en su valor mínimo.
Figura 13. Simulación de las fuentes variables en su valor máximo.

13. MEDICIONES FISICAS
Figura 14. Detalle de la fuente.
Figura 15. Vista superior de la fuente

14. Figura 16. Lectura de la fuente fija de 5 V.
Figura 17. Lectura de la fuente fija de +12 V.

15. Figura 18. Lectura de la fuente fija de – 12 V.
Figura 19. Lectura de la fuente variable de +17 V en su valor mínimo.

16. Figura 20. Lectura de la fuente variable de +17 V en su valor máximo.
Figura 21. Lectura de la fuente variable de -17 V en su valor mínimo.

17. Figura 22. Lectura de la fuente variable de -17 V en su valor máximo.
BIBLIOGRAFÍA
MCBtec. Diseño fuentes de alimentación lineales. V 1.1 - 22/01/2008
Higinio Bellon Corvo. Fuentes de alimentación lineales
ANEXOS
 Anexo 1. Diagrama esquemático del circuito
 Anexo 2. Diseño de PCB
 Anexo 3. Colocación de los componentes en PCB