UNIVERSIDAD DEL VALLE DE GUATEMALA COLEGIO UNIVERSITARIO

Proyecto 1: Fuente de voltaje regulable

Lucía Álvarez 09084 Oscar Reyes 09565

Circuitos Eléctricos 1 Guatemala 2011

Introducción El presente reporte se basa en la construcción de una fuente de voltaje regulable de -15 a 15 voltios. Para dicha construcción fue necesario tener ciertos conocimientos previos para poder realizarla. Este reporte se basa en un diseño bastante básico el cual consta de 5 partes que presenta la idea conceptual de la fuente de voltaje. La fuente de voltaje no es más que una conversión de corriente alterna a corriente directa pasando por dichas fases que hacen que la salida de la fuente sea de corriente continua (no variable en el tiempo). Esto es de mucha importancia en los circuitos digitales ya que estos funcionan con corriente directa. Este reporte tiene como finalidad ser una guía para cualquiera que desee hacer una fuente regulable de -15 a 15 voltios. En su contenido explicaremos qué es una fuente, sus etapas de conversión, algunas técnicas de soldadura y circuitos impresos, los resultados, algunas recomendaciones y conclusiones para que la persona que lo lea pueda realizar una fuente sin mayor problema.

Objetivos • • •

Comprender que es una fuente de poder. Lograr entender el comportamiento de cada uno de los componentes en una fuente de poder. Lograr armar una fuente de poder sólida y estética que se pueda transportar sin necesidad de volver armar el circuito. Marco Teórico La fuente de poder es sumamente importante para toda persona que se desarrolle en un ámbito electrónico es por eso que nos enfocaremos en su estructura interna y de sus componentes primordiales para el mejor entendimiento de la misma. Fuente de Poder Se conoce como fuente de poder al módulo encargado de energizar adecuadamente un dispositivo electrónico. Para el caso específico de la electrónica, interesa alimentar circuitos de relativamente baja potencia con corriente continua (invariante en el tiempo). De lo anterior se deduce que existen básicamente dos formas de alimentar correctamente un circuito electrónico: con pilas o baterías, y con convertidores de corriente alterna a corriente continua. Conversión a Corriente Directa Comercialmente está a disposición el flujo de corriente alterna. Ésta normalmente es una señal de 110Vrms a 60 Hz (aunque puede ser de 220Vrms y en 50 Hz para algunas regiones). Ya que esta energía está disponible, se han diseñado toda suerte de dispositivos que convierten esa forma de energía a una energía más adecuada para alimentar circuitos electrónicos. El siguiente diagrama de bloques nos presenta la idea conceptual de la conversión.

El proceso de la conversión, en una fuente de poder consta de cuatro módulos básicos, y uno opcional que se describen en el Diagrama #1. El módulo opcional es el módulo de seguridad. Módulo de reducción de voltaje El valor nominal de tensión en la red eléctrica puede ser de 110Vrms o 220Vrms para una instalación residencial o comercial. Los circuitos electrónicos necesitan como máximo de valores en el intervalo de -30 a 30 VDC. Por esto es necesario reducir el valor del voltaje de entrada. Para esto se utiliza un transformador de voltaje que es un circuito que utiliza propiedades magnéticas para cambiar el valor del voltaje de corriente alterna, ya sea para disminuirlo o para aumentarlo. El símbolo para este dispositivo se muestra en el Diagrama #2. El diagrama es así debido a que está compuesto de dos bobinas de alambre enrollado con N1 vueltas en el embobinado de entrada o primario y N2 vueltas en el embobinado secundario o de salida. La relación de conversión de voltaje se muestra al lado del símbolo en el Diagrama #2. Esto quiere decir que para un trasformador con relación de vueltas de 4:1 puede reducir el voltaje a la cuarta parte. Asimismo, un transformador con relación de vueltas de 1:10 puede elevar el valor del voltaje diez veces más alto que el de entrada.

No debe creerse que los transformadores crean energía de la nada. El principio de conservación de la energía sigue presente. Si un transformador es usado para aumentar un voltaje, por ejemplo, de 110Vrms a 1100Vrms, la corriente que puede demandarse del mismo se reducirá en un factor de 10, es decir, que si la señal de entrada podía proporcionar una corriente de 10 A, ahora solo podrá proporcionar 1 A como máximo. Módulo Rectificador El siguiente paso para la conversión consiste en eliminar los componentes alternantes en el tiempo del voltaje (en el caso de que se desee un voltaje positivo, eliminar el componente negativo de la señal). Existen dos formas muy populares de hacerlo utilizando semiconductores (diodos). El rectificador de media onda (que solo suprime el ciclo negativo de la señal) o el rectificador de onda completa, que vuelve positivos los ciclos negativos de la señal. Véase el Diagrama #3.

Módulo de Filtrado Hasta ahora ya se ha logrado hacer que la señal tenga un solo signo. Sin embargo, es necesario “aplanarla” de modo que la salida de la fuente de voltaje sea de corriente directa (lo más parecido a una batería). Para lograr esto se coloca un dispositivo que almacene energía a la salida del rectificador, de modo que cuando la señal de salida del mismo disminuya hacia cero, el dispositivo almacenador entregue la energía almacenada para que la salida no perciba esa bajada a cero. Un dispositivo que puede lograr esto es el capacitor. La cantidad de energía que éste puede almacenar dependerá de su capacitancia. De modo que mientras mayor sea ésta, más parecida a una línea recta será la salida del filtro. Esto se ejemplifica en el Diagrama #4.

Módulo de regulación de voltaje Éste módulo tiene dos finalidades. La primera, que cuando se conecta una carga a la fuente, el voltaje no decaiga dramáticamente. Debe ser de conocimiento del lector que, para cualquier tipo de fuente, al conectar una carga que demande corriente, la tensión o voltaje de la fuente decaerá. La otra función del mismo, muy relacionada con la primera, consiste en regular el voltaje de salida, es decir, establecerlo al valor deseado, pudiendo ser este un valor fijo o bien un valor seleccionable. Esto porque los trasformadores proporcionan salidas fijas de voltaje. Por ejemplo, para un transformador de salida de 12Vrms, se tendrá una salida del filtro de alrededor de 15VDC. Si se desean alimentar circuitos digitales TTL, deberá disminuirse ese valor a 5VDC. Esa es la función del regulador.

Existen muchas formas de regular el voltaje de salida de una fuente. Las tres más populares son: con diodo Zener, con divisor de resistencias y con regulador de voltaje integrado. Módulo de seguridad Éste módulo es opcional, pues no es fundamental para el funcionamiento de la fuente, pero es vital para la supervivencia de la misma. Dado que las terminales de salida de la fuente están energizadas a valores de potencial distintos, si estas terminales llegaran a juntarse por accidente, se produciría un corto circuito que destruiría todos los componentes antes descritos. Por esta razón se han ideado toda clase de circuitos que son capaces de des energizar las terminales cuando perciben un incremento abrupto en la corriente de salida. Técnicas de soldado y placas impresas Después de conocer los módulos o fases de la conversión de Corriente Alterna a Corriente Directa y montarlo en protoboard es indispensable para hacer un diseño estético y sólido conocer algunas técnicas de soldado y diseño en placas impresas. En este reporte se aprenderá la técnica que se utilizó para realizar nuestra placa, tanto el diseño como la soldadura de las piezas en la placa. •

Diseño en circuito impreso Para diseñar nuestro circuito fue necesario utilizar un programa que simula circuitos electrónicos llamado livewire, el cual el programa es de la misma familia de Pcb Wizard el cual es un programa que permite crear esquemas de circuitos electrónicos y a partir de estos, obtener de una manera sencilla el diseño del circuito impreso a una o dos caras.

Luego de tener claramente el diseño que se quiere imprimir observando cuidadosamente que no haya errores se procede a aplicar imprimir el diseño para utilizar algún método en el circuito impreso.

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Preparación de la placa Recortar el circuito que se imprimió. Marcar sobre la placa de circuito impreso la zona que se recortará con la sierra. Cortar la placa y retirar todas las imperfecciones que quedo del corte. Pulir ligeramente la parte superior de la placa hasta que quede el cobre brillante. Limpiar con alcohol la placa con un paño limpio para eliminar las impurezas.

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Grabado de la placa Terminado la fase de pulido y limpieza de la placa de cobre se pasa a la etapa del dibujo que con un marcador de acetato (indeleble) se dibujan las pistas que fueron impresas en el diseño para que a la hora de quemar la placa todo lo repasado por el marcador se quede con cobre.

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Quemado de la placa Al terminar de dibujar todas las pistas en la placa de cobre en un recipiente plástico se echa el ácido teniendo mucho cuidado y tratando de que el contenido que se eche sea suficiente para que la placa de cobre quede sumergida. Luego se mete la placa y se hacen

movimientos suaves provocando vibraciones en el ácido haciendo que el proceso de quemado sea un poco más rápido y efectivo. Este paso durará unos 10 a 15 minutos dependiendo que tanto cobre es lo que se debe quitar de la placa. Luego de que la placa esté lista solamente con cobre donde se dibujo, se procede a limpiar con alcohol todo el acetato para que las pistas queden únicamente con el cobre.

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Perforado de la placa Ya con la placa quemada se procede a perforar en todo nodo que se quiera para que de tal forma se puedan soldar los componentes (tener cuidado que la broca a utilizar no sea de mayor diámetro que el nodo a perforar).

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Montaje y estañado de componentes Este último paso es muy importante en la estética de la placa ya que es necesario soldar bien y que los componentes queden muy firmes, para ello es necesario un cautín y estaño

que servirá para soldar los componentes a la placa. Terminado el trabajo está listo para probarlo.

Materiales 1 Transformador con Tab-central de 110V a 15+15V de 3A 2 Capacitores de 1uF/25V y otros 2 de 1000uF/25V 4 Diodos 1N5401 2 Potenciómetros 5k 3 Resistencias de 220 de ½ W 1 Integrado LM150 con disipador de calor 1 Integrado LM333 o LM133 con disipador de calor Espiga, dos metros de cable paralelo calibre 16. Lagartos 6 Fusibles de 3A y 3 portafusibles. 2 Resistencia de 1k Placa de Cobre Estaño para Soldar 1 Bote de ácido para placas de cobre Pasta para soldar Resultados Para nuestro proyecto fue necesario comenzar con un diseño al cual guiarnos, este fue necesario tanto para las pruebas previas para montarlo como para el diseño de placa impresa. Al ir montando el circuito nos encontramos con los 5 módulos para la conversión de corriente alterna a directa y en cada modulo logramos observar las graficas de salida en el osciloscopio.

Al finalizar de armar los 5 módulos se procedió a montar el circuito en un placa impresa la cual con la ayuda del software Livewire se hizo un diagrama en PcbWizard el cual nos construyo el diseño para proceder a dibujarlo en la placa. A continuación se mostraran los pasos realizados para construir nuestra fuente.

Diseño de fuente en livewire

Módulo Rectificador

Módulo de Filtrado

Módulo de regulación de voltaje

Diseño de placa en Pcb Wizard

Discusión Con este proyecto se observó el funcionamiento interno de una fuente de voltaje, viendo el comportamiento de la salida de cada modulo para la conversión de corriente alterna a directa. En el módulo de reducción de voltaje se observó que el transformador cumplía su función de transformar el voltaje de entrada en uno menor, esto es debido a los dos bobinados del transformador, el cual tiene una relación entre el alambre enrollado en las bobinas, este modulo transformo los 110 voltios a 12 voltios de corriente alterna. En la gráfica en el osciloscopio se observó una disminución de voltaje, siendo siempre una onda sinusoidal. En esta etapa conectamos la corriente al transformador viendo en sus salidas la misma onda sinusoidal solamente que reducida. * En el módulo de rectificación se observó que el puente de diodos cumplía su función, eliminando la parte negativa de la onda siendo siempre positiva quedando una serie de montañas que no pasaban al lado negativo del eje x. En esta fase el puente de diodos elimina los componentes alternantes en el tiempo del voltaje, esto quiere decir que elimina el componente negativo de la señal. En este caso se utilizo un rectificador de media onda el cual solo elimina el ciclo negativo de la señal como se puede observar en las gráficas de rectificación. En el módulo de filtrado, teniendo de entrada únicamente señal positiva hizo que la salida de esta fase sea ya de corriente directa, esto lo hace “aplanando” la señal por medio de capacitores los cuales por su descarga hace que la energía almacenada en el capacitor se entregue sin que perciba esa bajada a cero. Estas gráficas se pueden observar en las gráficas de filtrado no existiendo tanta diferencia con la fase anterior pero si se puede ver la diferencia de descarga, ya que en estas gráficas se observan un tipo de olas que muestran la descarga del capacitor. En el módulo de regulación de voltaje se hicieron con dos integrados, uno para el voltaje positivo y el otro integrado para el voltaje negativo. Estos integrados son los responsables de que en la salida podamos manejar el voltaje deseado de 0 a 15 voltios para el integrado lm 150 y de -15 a 0 voltios con el integrado lm 133. En esta etapa se observó en la gráfica que mientras graduábamos los potenciómetros de un lado a otro la gráfica en el osciloscopio también cambiaba. En esta etapa se tenía por el módulo de filtrado una recta de salida la cual era constante, que es lo que se quería, ya teniendo en la entrada un voltaje directo (constante) se lograba regular gracias a estos integrados manejados por un potenciómetro en el común de los integrados tal como se muestra en la imagen de diseño. En el módulo de seguridad, aunque no es indispensable para que la fuente funcione nos dio problemas ya que se basó en un diseño el cual estaba mal conectado, por lo que de cierta forma si no se conecta bien si influye a que no funcione todo lo conectado

anteriormente. Este módulo aunque no sea necesario es muy importante por modo de protección ya que se maneja corriente y cualquier pico de voltaje provenido de la calle o cualquier cortocircuito puede afectar y arruinar los componentes de la fuente. Es por ello que se conectan fusibles a la entrada del voltaje por si sobrepasa el límite de corriente que puede llegar a soportar el componente, hace un circuito abierto y al abrirse el filamento que contiene el fusible no conduce corriente a los demás componentes. *Las graficas de la fase de reducción de voltaje se hicieron con Victor ya que Lucía no llego a ese laboratorio por lo que no se pusieron en el reporte ya que Victor las tiene.

Conclusiones • • • •

Es importante siempre pasar por el módulo de seguridad aunque no sea necesario es muy importante para protección de los componentes. La inexactitud de la medición de voltaje tanto para positivo como para negativo es debido a la relación que existe entre el potenciómetro y la resistencia colocada en la etapa de regulación. La estética y el orden son factores muy importantes en el diseño de circuitos. La etapa del quemado y perforado son muy delicadas por lo que se presta mucha atención a eso. Recomendaciones En el desarrollo de la fuente se tuvieron algunos inconvenientes, uno de ellos fue que el experimentador no se percató que el diseño tenía unos errores por lo que se hicieron dos placas fallidas, esto es un trabajo que se puede evitar revisando detenidamente el diseño antes de montarlo en placa, otro inconveniente que se produjo fue al conectar mal las borneras con los potenciómetros y los voltímetros, ya que al variar el potenciómetro del voltaje positivo, medía un voltaje negativo y en el voltímetro la aguja giraba hacia la izquierda. Es recomendable organizarse bien para que el experimentador no esté apresurado a última hora ya que es más probable que haga malas conexiones y que cometa errores que se pueden evitar. Se debe tener mucho cuidado con el quemado y perforado de la placa ya que el ácido es muy tóxico y siempre se deben de tomar las precauciones necesarias. Al igual el perforado es muy importante poner mucha atención ya que un mal movimiento se puede quebrar la broca y echar a perder la placa, esto involucra tiempo y dinero perdido. Es muy importante cuando se esta haciendo las pruebas de colocar la polaridad correcta de los componentes ya que hubieron muchas malas conexiones en el laboratorio y los capacitores explotaban.

Bibliografía UVG. 2011. Proyecto 1 de Laboratorio, Fuente de Poder. Visitado el 10 de mayo de 2011 del sitio web: http://sakai.uvg.edu.gt/access/content/attachment/0ed76975-af55-48f1-97a44405b724dd0d/Assignments/13bfdf2d-8728-4f95-89c3753744f357a1/Circuitos%20El%C3%A9ctricos%201%20%20Proyecto%20de%20Laboratorio%202011v3.pdf Rey, F. 2009. Tutorial placas. Visitado el 10 de mayo de 2011 del sitio web: http://usuaris.tinet.cat/fmco/download/Tutorial_placas.pdf Datasheet catalog. 2011. LM350. Visitado el 10 de mayo de 2011 del sitio web: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/SGSThomsonMicroelectronics/mXuzzut.pdf Datasheet catalog. 2011. LM337. Visitado el 10 de mayo de 2011 del sitio web: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/DS009067.PDF