Fonts estabilitzades

Fonts regulades

Fonts commutades

Exemples de Fonts d’Alimentació

 

Fonts estabilitzades

Introducció

Les fonts d’alimentació converteixen les tensions i corrents que lliuren les fonts primàries en altres formes i valors d’energia elèctrica adaptada a les necessitats dels receptors que la utilitzen.

Existeixen fonts AC-AC, DC-DC, AC-DC i DC-AC, però nosaltres només estudiarem aquelles que transformen el corrent altern en corrent continu.

Normalment consten de les següents parts principals:

I, en funció de les necessitats, d’algun dels següents circuits:

Estabilització amb Zener i resistència limitadora

Per moltes aplicacions interessa que la tensió de sortida de la font d’alimentació es mantingui el més estable possible i que el arrissat sigui mínim. Mitjançant díodes Zener, transistors o circuits integrats dissenyats per a tal efecte, es pot aconseguir que la tensió de sortida es mantingui constant tot i que la tensió d’entrada fluctuï entre certs límits, o que la intensitat sol · licitada per la càrrega variï o fins i tot s’anul·li.

Per dissenyar un estabilitzador amb zener se sol partir de la tensió de sortida i la intensitat màxima absorbida per la càrrega.

Es tria un Zener adequat a la tensió de sortida i s’anoten la seva intensitat mínima de manteniment i la intensitat màxima que suporta.

Per exemple, per a una tensió de sortida de 9.1 V i una intensitat màxima en la càrrega de 27 mA, podem triar el Zener ZP9.1 la tensió de Zener és de 9.1 V i té una intensitat mínima de manteniment de 5 mA i suporta una intensitat màxima de 30 mA.

El circuit de la font d’alimentació amb el estabilitzador Zener seria el de la figura:

On la tensió en la resistència limitadora serà de:

Quan la càrrega sol · liciti els 27 mA, hem de preveure una intensitat en el Zener major que 5 mA, per exemple 8 mA. La intensitat en la resistència seria:

Per tant el valor màxim possible per a la resistència serà de:

Un valor més gran de R podria fer baixar la intensitat pel Zener per sota de la intensitat mínima de manteniment. Podem prendre el valor comercial més proper per sota del calculat, per exemple 220 ​​ohms.

Prenem R = 220 ohms.

La intensitat en la resistència per a aquest valor serà de:

La potència que dissipa aquesta resistència serà de:

Podem comprovar que la intensitat pel Zener està compresa entre el valor mínim de manteniment i la màxima que pot suportar:

5 mA <8,77 mA <30 mA

En el cas de no conèixer amb seguretat la intensitat que va a absorbir la càrrega, s’ha de preveure una resistència limitadora que mantingui la intensitat del Zener entre els seus límits en qualsevol circumstància.

En el circuit de la figura següent es pot veure una simulació on per una resistència de càrrega de 460 ohms (potenciòmetre a zero) la intensitat de càrrega és de 19,79 mA i el corrent pel Zener tot just arriba als 5 mA de corrent mínima de manteniment.

En elevar la resistència de càrrega a 10460 ohms (potenciòmetre al màxim), la intensitat per la càrrega és molt petita, d’uns pocs microampers, elevant el corrent pel Zener a 23,81 mA, encara per sota del seu corrent màxim admissible de 30 mA.

Es pot observar que en tot el marge de variació de la càrrega, la tensió en la mateixa es manté gairebé constant, conservant el valor de la tensió de Zener d’uns 9,1 V.

El valor mínim de la resistència limitadora no haurà de superar la intensitat màxima del Zener tot i que la tensió d’entrada sigui màxima i per la càrrega circuli la mínima intensitat.

El valor mínim ha de ser tal que mantingui la intensitat mínima en el Zener tot i que la tensió d’entrada sigui mínima i la càrrega sol · liciti el màxim corrent.

Les intensitats mínima i màxima que circularan pel Zener per a la resistència escollida seran:

Per exemple, per dissenyar una font de 9,1 volts si la tensió a l’entrada de l’estabilitzador varia entre 15 i 17 volts i la intensitat de càrrega ho fa entre 0 i 15 mA, podem utilitzar el Zener de 9,1 V amb intensitats mínima i màxima de 5 mA i 30 mA respectivament:

DADES

Marge per R

Marge per a I Z

 

V min

=

15 V

V màx

=

17 V

I min

=

0 mA

I màx

=

15 mA

V Z

=

9,1 V

I Zmin

=

5 mA

I Zmax

=

30 mA

Valor triat per R

R = 280   W

(Que estan entre 5 mA i 30 mA)

Estabilització amb transistor polaritzat per Zener

Els estabilitzadors per Zener i resistència limitadora tenen l’inconvenient de l’alta potència que es dissipa en aquesta resistència quan el corrent de sortida és alta el que implica un baix rendiment.

Si el corrent de sortida és alta, es pot utilitzar un circuit d’estabilització compost per un transistor i un díode Zener que fixa el nivell de la tensió de sortida.

La tensió de sortida serà la tensió del Zener menys la tensió base-emissor del transistor, que, mentre es trobin polaritzats correctament, es mantindran pràcticament constants, independentment de les variacions de la tensió d’entrada o del corrent de sortida.

La intensitat de sortida:

La tensió col · lector-emissor és:

i la potència dissipada pel transistor:

La intensitat de base en el transistor si tenim en compte que el transistor BD139 té un guany de 40, pren el valor:

Triant una intensitat per al Zener compresa entre la mínima de manteniment i la màxima que pot suportar, per exemple 10 mA, podrem calcular la intensitat per la resistència:

La tensió en la resistència:

i el valor de la mateixa:

Podem utilitzar doncs una resistència de 390 ohms.

Estabilització amb circuit integrat

En l’actualitat existeixen circuits integrats que contenen tots els elements necessaris per estabilitzar la tensió. Entre els més senzills destaquen els LM78XX per tensions positives i els LM79XX per a les negatives, representant XX el valor de tensió de sortida.

A la figura es pot veure un integrat per 12 volts de sortida. Disposa d’un terminal comú, una entrada i una sortida. A l’entrada s’acompanya d’un condensador de desacoblament per evitar oscil · lacions internes ia la sortida un altre per eliminar possibles transitoris de la tensió subministrada.

Existeixen circuits estabilitzadors integrats per a tensions de, per exemple, 5, 12 o 15 volts i intensitats de fins 5 A .

Per obtenir corrents superiors a les suportades pel integrat es pot col · locar un transistor que governat pel corrent del regulador subministri en paral · lel la intensitat extra sol · licitada per la càrrega.

La resistència de polarització del transistor s’ha de dimensionar perquè abans que el integrat arribi a la seva màxima intensitat suportada, el transistor comenci a conduir.

A la figura s’ha dimensionat la resistència perquè el transistor condueixi quan la intensitat del integra sigui de 0,85 A ja que aquest només suporta 1 A .

També es poden utilitzar dos integrats complementaris, un de tensió positiva i un altre de tensió negativa, per obtenir una font d’alimentació simètrica.

 

Fonts regulades

Fonts estabilitzades de tensió ajustable

Moltes vegades és necessària una font d’alimentació amb tensió de sortida sigui ajustable entre certs marges. Això és el que passa amb les fonts de laboratori que han de servir per alimentar diferents tipus de circuits que funcionen amb diverses tensions.

Regulació amb transistors

Para diseñar una fuente de tensión regulable podemos partir de una fuente estabilizada de tensión fija y cambiar el circuito de tensión de referencia, normalmente constituido por un diodo zener , por un potenciómetro que nos permita ajustar su caída de tensión. Al variar la tensión de referencia, el transistor variará la corriente máxima en la carga reflejando ese cambio en la tensión de salida.

Regulación con circuito integrado

Para hacer más fácil el trabajo de diseño y abaratar costes, los fabricantes de componentes electrónicos han puesto en el mercado un gran número de reguladores integrados.

Los reguladores integrados se fabrican en diversos formatos de encapsulado y normalmente deben asociarse a disipadores de calor que eviten su destrucción por aumento de temperatura. Constan de tres patillas, la entrada, la salida regulada y el terminal común al que debe aplicarse la tensión de referencia.

Para aplicar la tensión de referencia al terminal común se coloca una resistencia fija y otra regulable entre el terminal de salida y masa, conectando el terminal común entre ambas resistencias tal como se ve en la figura.

En extremos de la resistencia fija (R1=1.2k) aparecerá invariablemente la tensión nominal del regulador (Vn=12V) mientras que la tensión de salida se verá incrementada además por la caída de tensión en la resistencia (R) regulable.

Por ésta última circulará una intensidad:   I R   = IQ+Vn/R1.Sent IQ la intensidad que circula por el terminal común del regulador.

La tensión de salida tomará el valor:   Vsal=Vn+R·(IQ+Vn/R1).

Como se puede observar la tensión de salida depende de los valores de R1 y del ajuste realizado a R.

Fuentes conmutadas

Funcionamiento

Las fuentes de alimentación conmutadas son más complejas y caras que las convencionales, pero consiguen unos rendimientos mucho mejores, de un 80%, frente al 40% o 50% de las otras. Esto, unido al progresivo avance de la integración de circuitos, ha conseguido que se utilicen en multitud de equipos electrónicos de consumo: TV, equipos Hi-Fi , videojuegos, ordenadores, etc..

Como se puede apreciar en el esquema de bloques, se rectifica la corriente alterna de la red para alimentar un circuito de conmutación, éste, mediante un transistor u otro elemento semiconductor trabajando al corte ya la saturación, genera una onda rectangular de una frecuencia de entre 20 y 50 kHz. La señal de alta frecuencia es nuevamente rectificada y filtrada para obtener la tensión final de salida.

Para regular la salida se utiliza un lazo de realimentación que mediante un circuito de control ajusta la frecuencia de la onda rectangular o la duración de sus semiperiodos de corte y de conducción.

Un problema presentado por este tipo de fuentes es la aparición de interferencias electromagnéticas debidas al uso de altas frecuencias. Por ello se deben prever los filtros y apantallamientos adecuados.

Bloques de una fuente conmutada típica

Describiremos el funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada con la que suelen trabajar la gran mayoría de los ordenadores clónicos del mercado.

Debido a la continua integración de componentes y el afán de "empequeñecer todo" lo mas posible, los transformadores de tensión siempre han sido los componentes pasivos más difíciles de acomodar dentro de los equipos electrónicos.

Básicamente constan de dos bobinas totalmente aisladas entre sí a través del cuerpo de hierro dulce, una llamada primaria y otra llamada secundaria. La primaria es la que recibe la corriente de entrada que proviene de la red y la induceelectromagnéticamente a la secundaria que es la que entrega la tensión reducida y la intensidad aumentada al equipo eléctrico.

Pues bien, en este fenómeno, interviene la frecuencia de entrada de la red, que doy por supuesto que todos sabéis que estamos hablando de corriente alterna.

Esta frecuencia en nuestro país es de 50 Hercios (Hz). Como la intensidad de salida es directamente proporcional a la frecuencia de entrada, se llegó a la conclusión de que aumentando la frecuencia de entrada de un transformador, éste podía dar más intensidad de la nominal, con la consiguiente posibilidad de reducir el tamaño del mismo. Así comenzaron a fabricarse las llamadas fuentes conmutadas.

La fuente conmutada consta de cinco bloques fundamentales:

El circuito rectificador de entrada, que consta de un conversor de alterna a continua básico (puente de diodos, filtro) y es el encargado de preparar la tensión al oscilador principal.

El circuito oscilador de frecuencia, que transforma los 50hz de la red en aproximadamente 18.000 hz para entregárselos al transformador de corriente también llamado chopper .

El transformador Chopper , un transformador con varios bobinados para generar las diferentes tensiones de la fuente de alimentación.

Un circuito de rectificación por salida de cada bobinado del chopper , porque si recordamos, la corriente de entrada se rectifica para entregársela al oscilador de entrada, pero este le vuelve a entregar al chopper una onda que si bien no es senoidal , es parecida al diente de sierra con lo que no es válida para su uso sin volver a convertirla en continua.

Estabilizadores de tensión en cada salida para evitar que repercutan en el equipo las fluctuaciones de la red.

 

Pues bien, todo esto en conjunto y siguiendo ese mismo orden, forman una fuente de alimentación conmutada con diferentes salidas dependiendo del tipo que sea y cuyas tensiones en el caso de los ordenadores son:

Cable   Negre 
Cable   Groc 
Cable   Vermell 
Cable   Blanc 
Cable   
Blau

GROUND 
+ 12 V 
+ 5 V 
- 5 V 
- 12 V


10 Amperios 
25 Amperios 
0.5 Amperios 
0.5
Amperios

 

Ejemplos de Fuentes de Alimentación

Se revisarán los puntos más importantes a tener en cuenta para construir una fuente de alimentación estabilizada, con unas características adecuadas para alimentar un circuito electrónico con especificaciones digitales.

El disseny de fonts d’alimentació estabilitzades mitjançant reguladors integrats monolítics (reguladors fixos), resulta summament fàcil. Concretament per 1A (ampere) de sortida, en el comerç amb encapsulat TO-220, es disposa dels més populars en les següents tensions estàndard de sortida:

Tipus 1A positiu

Tensió / Sortida

UA7805

5

UA7806

6

UA7808

8

UA7809

9

UA7812

12

UA7915

15

UA7818

18

UA7824

24

UA7830

30

UA79XX

Versió negatiu =

 

Tots aquests reguladors tenen en comú que són fixos i que proporcionen adequadament refrigerats un corrent màxima, de 1 A . Veurem un exemple en l’esquema bàsic d’una font d’alimentació de 5 V i 500 mA a la figura 1.

 
figura 1

A més d’aquests, al mercat es poden trobar els reguladors ajustables de tres patilles o més, amb diferents encapsulats en TO-220AB, TO-3 i SIL, segons la potència. Els més populars són els 78MG, LM200, LM317, LM337 i LM338, etc.

Els fabricants dels reguladors recomanen que la tensió lliurada pel secundari del transformador ha de ser com a mínim 3 V superior a la tensió nominal del regulador (per a un 7812, la tensió del secundari mínima serà de 15V o major), això també té a veure amb la intensitat que se li exigeixi a la sortida de la font.

 

El Transformador

El transformador per a una alimentació estabilitzada ha de ser, un transformador separador, això vol dir, que ha de disposar per seguretat, de dos enrotllaments separats galvànicament (elèctricament), no és convenient utilitzar els anomenatsautotransformadors els quals estan construïts per una única bobina o debanament , el qual està proveït de diferents sortides per obtenir diverses tensions de sortida, la veritat és que aquest tipus de transformador actualment no es veu molt sovint. Per tant, a la tensió que li vulguem demanar a la font d’alimentació, hem afegir al voltant de El Condensador electrolític.

 

A l’hora de dissenyar una font d’alimentació, cal tenir en compte alguns factors, un d’ells és el corrent que se li va demanar, ja que aquest és, el factor més important després de la tensió. Per determinar el valor del condensador electrolític que s’ha d’aplicar a la sortida del pont rectificador en doble ona, per allisar el corrent continu, la regla empírica que se sol aplicar, sol estar sobre els 2.000 uF per Ampere de sortida i la tensió del ordre del valor superior estàndard al requerit, és a dir, segons això, per a una font de 1 ‘ 5 A a 15 V, el condensador electrolític ha de ser de 3.000 uF / 35V.

 

Com s’ha esmentat la tensió també es deu dimensionar, aquesta ha de ser almenys deu unitats més gran que la tensió que es reculli en el secundari del transformador o la més aproximada a aquesta per sobre (estàndard en els condensadors).Aquest és el marge de seguretat exigible, ja que en moltes ocasions els valors de tensió a què s’exposen no només depenen de la tensió nominal, també hi ha tensions paràsites que poden perforar el dielèctric, en cas de ser molt ajustada la tensió de treball i més encara si estem tractant amb una font balancejada, aquest és un altre cas.

 

 

El Regulador

 

En el cas de necessitar corrents superiors a 1A, poden utilitzar els reguladors de la sèrie 78HXX, LM3XX, en càpsula TO-3, capaços de subministrar 5A. El problema és que només es disposen de 5V, 12V i 15V, que en la majoria dels casos és suficient.

 

En el supòsit de necessitar una tensió regulable (ajustable) des 1’7V a 24V. El regulador a utilitzar podria ser un de la sèrie LM317, LM350 o LM338, la diferència amb els anteriors és que el terminal comú, en lloc d’estar connectat a massa, és del tipus flotant i per tant això permet ajustar en tensió.

 

A la figura 2, es presenta l’esquema bàsic millorat. Els condensadors C1 i C2, s’empren per tal d’eliminar tensions alternes residuals i el díode D1, per seguretat del regulador, contra tensions inverses.

 
figura 2

Finalment a la figura 3 es presenta una font d’alimentació regulable de 1,7 V a 28 V, respectant els valors de la mateixa.Per evitar malmetre el regulador, per excés de calor, es recomana refrigerar mitjançant un dissipador d’alumini adequat que es troba en els comerços especialitzats del ram. El potenciòmetre ajustable R2, permet ajustar la tensió de sortida que es desitgi en cada moment. El díode D1, protegeix al regulador de corrents inverses, mentre que el díode D3, evita que una connexió fortuïta causi problemes a la font per polaritat invertida. Aquesta font de tensió regulada ajustable no disposa de sistema curtcircuitable extern, per la qual cosa caldrà portar compte de no produir cap curtcircuit.

 
figura 3

Un circuit integrat bastant utilitzat per realitzar fonts d’alimentació ajustables, és el popular UA723PC encapsulat DIL de 14 patilles, el qual admet una elevada tensió d’entrada de 40V que dopándola pot arribar sobre els 120V donant una sortida ajustable entre 2V i 37V a 150 mA , però en alguns casos com en fonts per a transmissió, es torna bastant inestable.

 

En certes revistes especialitzades del sector, es poden trobar esquemes molt més elaborats als quals se’ls pot exigir més prestacions, com ara que, la sortida parteixi de 0V i no de 1’7V, que sigui curtcircuitable, ajustable en corrent de sortida, entre d’altres.

 

La placa de circuit imprès o PCB, amb el pont rectificador i el condensador electrolític, es poden apreciar a la figura 4. El regulador LM317, s’ha de muntar directament sobre la nevera, aplicant-li silicona de contacte i per seguretat un separador aïllant i connectar al PCB mitjançant fil de 2 mm 2   de secció, les pistes de connexió generals es representen amb més gruix, es veu clarament que ha de ser d’uns 3 mm d’ample doncs suporten més intensitat, les sortides per el potenciòmetre que estarà en el panell, es faran amb fil de connexió de 1.25 mm 2   de secció. El LED, haurà instal · lar en el panell.

 
figura 4

Els traços més gruixuts, representen les pistes del circuit imprès i són les úniques de la placa pcb.

 

De vegades es necessita una font d’alimentació regulada amb diverses tensions, sent el més habitual trobar en el comerç les tensions de +12 V i-12V. Ara repassarem l’esquema d’una font d’aquestes característiques que ens proporcioni a la seva sortida un corrent de 1A en cada sortida. Bàsicament, utilitzarem dues parts de l’esquema de la fig. 1.

 
Fig. 5

El transformador necessari, ha de disposar de dos secundaris de 18V i 1,5 A, cada un, com es veurà aquests estan sobredimensionats per seguretat.


Els ponts rectificadors són del mateix tipus metàl · lic amb terminals faston, el terminal positiu té un ressalt a la caixa a part d’estar marcat al costat d’aquest. Els terminals amb una (S) han de connectar cada un, mitjançant fil de secció de 2 mm2  
a cada terminal del mateix secundari, l’altre rectificador, es connectarà de la mateixa manera a l’altre secundari del transformador, amb això disposem de dos tensions més o menys iguals en les respectives sortides de dos rectificadors.

 

D’altra banda, hem de preparar un dibuix de les pistes que s’ajusti a l’esquema adjunt, sobre una placa de fibra de vidre de manera que ens pugui donar millors resultats i sigui més fiable. Cada un pot traçar les pistes com millor li sembli, però, ha de guardar certes regles, una de les més importants és la separació entre pistes no ha de ser inferior a 2 mm en el pitjor dels casos, una altra és el gruix, cal observar que les pistes amb major consum, han de suportar més pas de corrent i han de ser de major gruix uns 2 o 3 mm serà suficient per l’exemple i procurar traços el més curts possible, les cantonades sense pics. 

Algú pot decidir-se per traçar les pistes pel sistema de rombes, cubs i rectangles, perquè el porta menys feina, encara que això no és important. 
Això, consisteix a traçar unes línies entre el que seran els terminals dels diferents components, separant d’aquesta manera els traços que representen les pistes, les dites línies, seran el coure que es menjarà la solució àcida que s’utilitzi per a la seva realització.

 

Necessitem tres condensadors electrolítics (són els que tenen polaritat), amb una capacitat en aquest cas concret de 2.000m F/63V, per evitar en el possible l’arrissat d’alterna, s’utilitza aquesta alta capacitat per a més seguretat, quan s’exigeixi el màxim de corrent.

 

La tensió de +5 V, l’obtindrem del pont que representa el punt més positiu en el muntatge, com s’aprecia en l’esquema general.

 

Els reguladors que utilitzarem en aquesta ocasió, són de 5V i 12V, amb les referències 7805, 7812 i 7912 l’encapsulat, del tipus TO220AB, d’aquesta manera es poden cargolar sobre dissipadors diferents, Atenció cadascun per separat, llevat que es disposi entre cada càpsula i el dissipador un separador aïllant, en aquest cas pot usar-se un dissipador únic, ja que elterminal central dels reguladors 7812 i 7912, és de signe de tensió diferent i es farien malbé immediatament si no es respecten aquestes regles.

 
Fig 6

La imatge anterior consta de dues parts, a la superior, el fons negre, representa el coure de la placa de fibra de vidre o baquelita si s’escau, les línies blanques són les separacions entre components, les quals, és el que l’àcid ‘ traurà ‘, els traços de color són les siluetes dels components i els cubs blancs són els pads, per a les patilles dels components, els quadrats de les cantonades, són per als passadors dels cargols que subjectaran la placa al xassís. A la part inferior es presenta el negatiu, vist per la part de les pistes.

 

La imatge anterior només és una de les tres parts que componen el circuit general de la figura 1, en ​​fer-ho d’aquesta manera, podrem disposar de més llibertat a l’instal · lar en una caixa que els contingui. Per cert, atenció a l’hora de connectar els diferents cables d’alterna i de sortida contínua de cada placa a la sortida comuna.


Ull!. 
El punt comú de massa, es refereix a les tensions de +12 V i-12V, les quals es diu que són simètriques, en canvi la sortida de +5 V és independent.

 

Fonts d’Alimentació Regulables

 

Les fonts d’alimentació de potència

 

El joc de paraules regulada, fixa i ajustable, respon a tres conceptes ben diferenciats en la pràctica, ja que la part de regulada, es refereix a l’operació interna (del xip) que s’encarrega de realitzar les auto correccions necessàries perquè a la sortida lliuri la tensió establerta com a tal, el terme de fixa, respon al fet que representa en si mateixa que la tensió de sortida no varia en ± el que preveuen les especificacions del fabricant que pot ser al voltant de 0,05 V i finalment el terme d’ajustable evidència que l’usuari pot ajustar la tensió de sortida al nivell que en cada moment necessiti.

 

Moltes vegades necessitem una font d’alimentació que ens proporcioni més de 1A i això pot esdevenir un problema que augmenta, si a més volem, per seguretat, que aquesta curtcircuitable. Bé, el primer pas és de relativa senzillesa i l’abordarem sobre la marxa.

 

La solució és afegir un transistor de potència o els que siguin necessaris perquè ens proporcioni el corrent desitjada.

 

La funció d’aquest transistor de potència consisteix a assumir el fet de suportar l’alta corrent que necessitem, vegem com es fa això. Si apliquem convenientment la tensió de sortida del regulador per ex. De 12V 1A a la base del transistor de potència, és clar que aquest ens proporcionarà més corrent a la seva sortida i estarà regulada per una altra part pel fet que el regulador és curtcircuitable en certa mesura , tenim la solució desitjada.

 

No obstant això, l’efectivitat que ens proporciona el regulador per a la funció de curtcircuit, no la podem donar per bona a l’hora de aplicar-lo al transistor de potència, ja que és un circuit afegit i pot ser que no respongui amb la rapidesa suficient i per evitar aquests inconvenients, intervindrem en aquest apartat amb un circuit afegit.

Fig. 7 Principi d’Alimentació Regulable

 

Fins ara, hem vist les fonts de regulació o estabilització fixa. En aquesta part, anem a abordar el que s’entén per una font d’alimentació regulable i el que comporta aquest fet.

 

Els avantatges que aporta una font regulable bàsicament són, la possibilitat d’assolir en la seva sortida una tensió contínua exacta a l’especificada pel circuit examinat o sota prova. Això que al principi sembla una ximpleria, no ho és tant quan hem de variar la tensió en nivells d’un volt o fins i tot menys en certs casos i si a més necessitem que aquesta font siguicurtcircuitable, això pot complicar una mica.

 

Una font d’alimentació senzilla pot ser un dels exercicis que millor il·lustren una lliçó d’electrònica pràctica i, això precisament és el que realitzarem. Proposem estudiar com construir una font d’alimentació que ens serveixi per a la majoria de les aplicacions que habitualment realitzem en les pràctiques de les escoles, laboratoris i acadèmies d’ensenyament sobre electrònica.

 

A la figura 8, es presenta l’esquema d’una alimentació les característiques poden considerar àmplies en l’aspecte de cobrir les necessitats més habituals que es poden presentar en la majoria dels casos.

 

Segur que en moltes ocasions hem necessitat una font capaç de subministrar diverses tensions dins d’un ampli marge de valors. De la mateixa manera i per causa dels diferents marges de consum, hauria estat útil que aquesta font incorporés un limitador de corrent ajustable, per exemple; per carregar bateries Ni/Cd, cal mantenir constant el corrent de càrrega i que fos curtcircuitable per usar- en circuits el consum desconeixem.

 

Generalment, per a cacharrear n’hi ha prou amb una font d’alimentació senzilla. En algunes aplicacions serà necessari que el corrent subministrat per la font sigui elevada i en gairebé tots els casos una font regulable de 30V capaç de subministrar 5A serà més que suficient per poder alimentar tots els prototips i equips de laboratori.

Fig. 8 

 

   
Fig. 9

 

En elles es presenta un esquema d’una font senzilla construïda, entorn d’un regulador μA78HG o el LM338, tots dos són reguladors ajustables de 5 A i càpsula metàl · lica TO-3.

 

Com dèiem, però el problema es presenta en el moment d’alimentar amplificadors operacionals, els quals requereixen d’alimentació simètrica, com els amplificadors d’àudio amb entrada diferencial. Els quals requereixen una alimentació positiva respecte a massa i una altra negativa respecte a la mateixa massa, havent de ser del mateix valor, d’aquí el de simetria.

 

Mitjançant aquest muntatge podrem disposar d’una font estabilitzada i capaç de lliurar un corrent de fins a 5A i una tensió regulable de ± 5V i ± 20V.

 

El circuit és senzill a causa de la utilització de dos reguladors de tensió els quals proporcionen al muntatge alta fiabilitat, robustesa i característiques gairebé immillorables. Un dels reguladors (μA78HG) s’encarrega de la branca positiva i l’altre(μA79HG), s’encarrega de la branca negativa.

 

No passarem a contemplar la constitució de cada un d’ells, ja que considerem que entra a la part més teòrica i pretenem ajustar-nos a l’essencial i pràctic.

 

L’ajust de la tensió de sortida es fa mitjançant l’actuació sobre un potenciòmetre i una resistència (R2) per mantenir el valor mínim, de 5V que especifica el fabricant. Per tal de millorar la resposta als possibles transitoris, evitar acte oscil·lacions i millorar el filtrat, s’utilitzen uns condensadors electrolítics de baixa capacitat a l’entrada i sortida de cada regulador, com s’aprecia en la figura 8.

 

A la figura 10, es pot apreciar el circuit complet corresponent a la font d’alimentació simètrica.

fig. 10

 

La tensió subministrada pel secundari del transformador T1, constituït per dos secundaris simètrics (del mateix valor de 24V), es rectifica mitjançant el pont rectificador PR, i posteriorment es filtra mitjançant els condensadors electrolítics idèntics C1 i C2 els quals es carregaran a la tensió de bec, la tensió obtinguda entrada dels reguladors serà d’aproximadament 33’8V.

 

Mitjançant els potenciòmetres P1 i P2 es pot ajustar independentment la sortida de cada regulador al valor desitjat, en el marge de 5 a 28V. Els condensadors C5 i C6, milloren la resposta dels reguladors davant dels transitoris de commutació a la sortida.

 

 

Muntatge

El muntatge queda reduït i compacte en utilitzar un circuit imprès (PCB). S’ha de prestar especial atenció a no invertir la posició dels condensadors electrolítics, així mateix, no intercanviar els reguladors, es pot apreciar que els patillajesdifereixen entre ambdós ja que es destrueixen immediatament.

 

Les zona de contacte entre els reguladors i la nevera ha aïllar i impregnar de silicona especial que ajudarà a dissipar la calor, posar especial cura a aïllar tots els terminals dels mateixos ja que igualment es destruirien.

 

Els cables de connexió s’han de posar de suficient secció com per no oposar cap resistència (2 o 3 mm ) I així evitar caigudes de tensió a la sortida. Per poder controlar en tot moment el valor de la tensió de sortida subministrada per la font, recomanem incorporar a la caixa dos indicadors (galvanòmetres) com voltímetres i dos com amperímetres.

 

Utilització

En acabar el muntatge, la font queda disposada per a la seva immediata utilització, sense necessitat de cap ajust, excepte l’ajust de P1 i P2 per obtenir la tensió desitjada a la sortida.

 

En cas de curtcircuit, el corrent màxim quedarà limitada a 7A segons el mateix fabricant evitant d’aquesta manera la seva destrucció. Es recomana no provar si això és cert, a causa del alt cost d’aquests reguladors i la hipotètica possibilitat que no actuï el sistema de desconnexió interna.

 

Fonts d’Alimentació per Laboratori

Quan necessitem disposar d’una font d’alimentació amb certes característiques, és bona pràctica prendre un temps meditant les necessitats que volem abastar, és a dir, hem de considerar els marges de tensió entre els quals podem veure’ns obligats a utilitzar, entre els quals és molt convenient disposar sempre d’una tensió mínima de 0 Volts fins al que ens permeti l’economia, és a dir, intervé el preu del transformador separador, el qual representarà aproximadament del 55 al 60% del cost de la font d’alimentació de laboratori, un cop haguem decidit la tensió que ‘podem’ utilitzar (pensar que a la sortida del transformador cal afegir aproximadament 4V, revisa lliçons anteriors).

El transformador és la part més important de la font d’alimentació i potser el més car, el segon objecte a tenir molt en compte és el o els condensadors electrolítics, per la seva mida a l’hora de l’espai i cost, no hi ha dubte. En segon pla queden la resta de components passius així mateix com el regulador de potència (transistors de sortida en aquest cas) que depèn del tipus, jo recomano si és possible el encapsulat TO-3 per la seva robustesa i fàcil dissipació (alerta: s’ha d’aïllar cadascun elèctricament mitjançant un separador de mica o niló), amb l’esmentat nevera d’alumini, la caixa metàl · lica i els instruments com ara el Voltímetre i el Miliamperímetre, en aquest cas utilitzem dos micro amperímetres (μA) de 100 μA.

Les característiques del transformador han de decidir-se depenent de la tensió que desitgem a la sortida de la nostra font d’alimentació.

1. La tensió de sortida màxima a plena càrrega pot considerar aproximadament igual a la tensió nominal del secundari.

2. Per a la corrent de sortida es pot calcular que, el transformador ha de proporcionar un corrent altern igual al producte de 1.4242 pel corrent màxima exigida a la seva sortida. Podem dir que, per un corrent de sortida de 3A el transformador ha de subministrar 4A.

Per estabilitzar una tensió, pot optar entre dos procediments: l’estabilització en paral · lel o l’estabilització en sèrie. En el primer cas, es munta el transistor de regulació en paral · lel amb la càrrega, mentre que en el segon, el transistor es col · loca en sèrie amb la càrrega. El més estès de tots dos mètodes és el segon per la seva major control i és el que adoptarem en el nostre circuit, no hi ha doncs, res de nou fins ara. És en el tipus de regulació en on radica la novetat.

 

Comencem per examinar l’esquema de la font d’alimentació de precisió de la figura 8, en el qual s’aprecien dos amplificadors operacionals IC1 i IC2, un transistor T de potència de pas en sèrie, una font de corrent de referència (UREF i R) i un potenciòmetre P1.

 
Fig 11

 

 

Diagrama de blocs de la font d’alimentació.

 

L’essencial del circuit és la font de tensió UREF amb una resistència R. A causa que com bé se sap, un amplificador operacional tendeix a anul · lar la diferència de potencial entre les seves entrades, regulant el senyal de sortida reinjectat a l’entrada inversora, així, la tensió de sortida és sempre igual a la tensió existent en l’entrada no inversora.

 

La resistència en sèrie R, ja que està col · locada entre les dues entrades de l’amplificador operacional. Tanmateix, a causa de l’alta impedància que ofereixen les entrades, si més no teòrica, cap corrent podrà penetrar en l’amplificador operacional.Llavors, el corrent derivada de la font de referència seguirà el recorregut que mostra la línia de traços en el diagrama de blocs.

 

Com que U1=U2 (l’amplificador operacional s’encarrega que es compleixi) el corrent serà constant, independentment de la posició del potenciòmetre P1 i també, del valor de la resistència de càrrega. El valor d’aquest corrent serà UREF/R, el que genera una tensió a extrems del potenciòmetre P1 que l’amplificador operacional corregeix en la seva sortida, mentre que el corrent de referència es compensa mitjançant la càrrega. La qual cosa ens proporciona un circuit que ens lliura un corrent de referència constant fins i tot a 0 volts, mitjançant una font de tensió i una resistència.

 

 

El circuit

 

El circuito de la fuente de alimentación, mostrado en la figura 9, está compuesto por dos fuentes de alimentación que de alguna manera son independientes entre sí. La potencia de la etapa de salida la proporciona el secundario del devanado S2 de 35V/4A y la potencia para la fuente de referencia y alimentación de los amplificadores operacionales, la proveerá el secundario de S1 de 12V/0’5A, en el caso de utilizar un transformador de dos secundarios, en caso de dos transformadores, S2 = Tr1 y S1 = Tr2.

La alimentación de 12V está constituida por Tr1 un rectificador en puente B1 y dos condensadores C1 y C2. La tensión de referencia será suministrada por el µA723 (IC1), los componentes asociados a él se han elegido para proporcionar una tensión de referencia de 7’15V. Esta última aparece en la unión R4/R5 (R en el teórico), R15/R16 y R9 e IC2 (IC2 en el teórico).

 

En la figura 12, se presenta el esquema general de la fuente de alimentación para laboratorio.

 

figura 12

 

Las Salidas + Us positiva y - Us negativa, son las correspondientes a los hilos sensores, en caso de que la toma de tensión o corriente sea muy larga y alta corriente, debería ponerse, para compensar las pérdidas.

 

En la figura 10, se presenta la placa de circuito impreso (PCB) y algún detalle de montaje.

 
figura 13

Las resistencias R17 a R22 deben escogerse de cerámica y de 3W para disipar el calor. Los Transistores T2 a T5 deben montarse sobre un radiador de aluminio mediante sus respectivos aisladores de mica o nylon, además de utilizar pasta de silicona si es posible, para que el calor se transfiera más rápidamente al radiador. No se me ocurre ningún detalle más que mencionar.

 

En cuanto al ajuste, las resistencias R4 y R16 se montarán durante el ajuste ya que su valor final depende de la tensión y corriente de salida.

 

Poner P1, en posición máxima, alimentar el circuito y conectar un polímetro a su salida. Mediante aproximaciones sucesivas o tanteo, determinar el valor de R4 en paralelo con R5, esto proporcionará la tensión máxima de salida, entonces podrá soldarse R4 en su lugar.

 

Ahora consiste en repetir el paso anterior con P2 y R16 (en paralelo con R15), hasta hallar el valor adecuado para la corriente máxima. Poner la salida en cortocircuito y girar P2 al máximo y proceder a tantear como antes, proceder a soldar R16.

 

Finalmente ajustemos los potenciómetros P3 y P4 los utilizaremos como potenciómetros de ajuste para calibrar la tensión y corriente de salida que podremos visualizar por medio de los galvanómetros dispuestos a tal fin.

LISTADO DE COMPONENTES 

 

Resistores

 

Valor

R1,R3,R6,R8,R12,R13,R14

=

4k7 Ohms

R2

=

22 Ohms

R4,R16

=

ver texto

R5

=

10k

R7,R10

=

1k

R9

=

2k2

R11

=

470 Ohms/1W

R15

=

15k

R17

=

10 Ohms/1W

R18,R19,R20

=

0,22 Ohms/3W

R22

=

4k7/1W

R23,R24

=

47 Ohms

R25

=

5k6

R26

=

270k

P1

=

potenciómetro 50k

P2

=

potenciómetro 1k

P3

=

pot . ajustable 2k5

P4

=

pot . ajustable 250k

Capacitores

 

Valor

C1,C2

=

100 µf/35V

C3,C7,C12

=

100 nf/63V

C4

=

100 pf/63V

C5

=

10 µf/35V

C6

=

1 nf/63V

C8

=

56 pf/63V

C9

=

47 µf/63V

C10

=

4700 µf /63V

C11

=

820 pf/63V

Semiconductores

B1

=

Puente rectificador B40C1000

B2

=

Puente rectificador B80C5000/3300

D1,D8

=

Diodo rectificador 1N4007

D2...D5

=

Diodo Schotkly 1N4148

D6

=

Diodo zener de 3V3 400mW

D7

=

Diodo Led   rojo

T1

=

BC559C transistor

T2

=

BD241 transistor

T3 ,T4,T5

=

2N3055 transistor con disipador común

IC1

=

µA723C regulador

IC2,IC3

=

µA741

Diversos

S1

=

Interruptor bipolar

M1,M2

=

Galvanómetro 100 µ A

Tr1

=

Transformador de red 2x12V/0.5A

Tr2

=

Transformador de red 33V/4A

F1

=

Fusible

Da

=

Disipador de Aluminio 2N3055