Fuente de alimentación D.C. sin transformador.docx

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Fuente de alimentacin D.C. sin transformadorContenidos1. 1INTRODUCCIN2. 2OBJETIVOS3. 3MARCO TERICO1. 3.1Fuente de alimentacin D.C. con transformador1. 3.1.1Reduccin del nivel de voltaje2. 3.1.2Rectificacin de la onda3. 3.1.3Filtracin o correccin de rizado4. 3.1.4Regulacin5. 3.1.5Ventajas de las fuentes con transformador6. 3.1.6Desventajas de las fuentes con transformador2. 3.2Fuentes de voltaje sin transformador1. 3.2.1Fuente de alimentacin capacitiva sin transformador2. 3.2.2Fuente de alimentacin resistiva sin transformador3. 3.2.3Fuente de alimentacin de resistiva con puente rectificador sin transformador4. 3.2.4Consideraciones de seguridad4. 4MONTAJE PRCTICO5. 5CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

INTRODUCCINEste documento se basa en el PDF llamadoFuente de alimentacin sin transformador: Capacitiva resistiva. Este documento se revis tanto de forma terica como prctica, tal como se demostrar en las siguientes lneas.Cabe aclarar el concepto de una fuente de voltaje D.C.; como bien se sabe, existen dos tipos de corrientes, una continua o D.C. y otra alterna A.C., la principal diferencia es que la primera es una corriente fija y continua en el tiempo, mientras la segunda no tiene un valor fijo y su variacin es permanente en el mismo plano, tal como se puede apreciar en la figura 1.Figura 1. Ilustracin del comportamiento de la corriente directa (Izquierda) y la corriente alterna (derecha)

Fuente. Autores.

La corriente alterna se usa principalmente para que la energa elctrica recorra grandes distancias geogrficas con la menor cantidad de disipacin posible, en otras palabras, para que se mantenga en un mismo nivel en todos los hogares de una ciudad, cosa contraria sucede con la corriente directa, pues esta tiene el problema de generar prdidas considerables entre mayor sea la distancia que tenga que recorrer.

La corriente D.C. tiene una funcin diferente a la de alimentar hogares enteros, esta tiene como principal objetivo alimentar un circuito con un voltaje fijo, con la ventaja de que el comportamiento del circuito va a ser lo ms lineal posible, por ejemplo si tomamos un motor D.C. y lo alimentamos con corriente directa, este se mover en una sola direccin a una misma velocidad, mientras que si le aplicamos una corriente alterna este se mover en ambos sentidos o se quedar quieto debido a la fluctuacin de la misma corriente.OBJETIVOS1. Entender la importancia de la corriente continua en los circuitos electrnicos.2. Aprender las diferentes maneras de convertir corriente A.C. a D.C., con sus respectivas ventajas y desventajas.3. Llevar de lo terico a lo prctico los conocimientos adquiridos a travs de este artculo.

MARCO TERICOEste es un tema bastante robusto y extenso si nos basamos en las distintas bases matemticas dadas por los libros, lo que se tratar de hacer es dar una idea de la forma de cmo hacer una fuente de voltaje D.C. a partir de una alimentacin A.C. de 110V a 220V RMS, pues cabe destacar que este proceso es innecesario si se cuenta con bateras elctricas o paneles solares, por ejemplo. Para profundizar en este tema recomendamos leer el libro deElectrnica: Teora de Circuitos Y Dispositivos Electrnicos escrito por Robert L. Boylestad y Louis Nashelsky, pues consideramos que es un excelente punto de referencia tanto para fuentes de voltaje y de corriente, como para teora de semiconductores, osciladores y principios de amplificacin como de modulacin, en s es un excelente libro para tener en sus bibliotecas.

Bsicamente la funcin de los circuitos que se mostrarn a continuacin es bajar la tensin elctrica, filtrar y corregir el rizado de la seal alterna que llega de la red, para entender este concepto se describir el funcionamiento de una fuente con transformador y posteriormente se dar a conocer el funcionamiento de una fuente sin este elemento.Fuente de alimentacin D.C. con transformadorEl funcionamiento de estas fuentes se basa en cuatro etapas crticas reduccin del nivel de voltaje, rectificacin, filtrado y por ltimo regulacin.Reduccin del nivel de voltajeLa reduccin del nivel de voltaje se logra gracias al transformador, este dispositivo permite alterar el nivel de voltaje que le sea entregado, sin modificar la potencia. Este elemento se compone de dos bobinas cuya interaccin entre ambas se hace por medio de induccin electromagntica, como bien se sabe el flujo de una corriente en una bobina genera un campo magntico, el cual induce una corriente elctrica en la otra bobina del transformador, disminuyendo o aumentando los niveles de voltaje, dependiendo de las caractersticas de dichas bobinas, tales como el ncleo que las compone, el nmero de espiras, el material que las que estn hechas, etc.Siempre se debe tener en cuenta que un transformador no puede entregar ms potencia de la que se le suministra ni ms corriente de la que a ste fue diseado; una falla comn es usar un transformador reciclado para trabajar en proyectos propios, por ejemplo el tomar uno de esos viejos y robustos cargadores de celular o conectores de consolas o radios y conectarlos a un circuito propio, recuerden siempre antes de hacer esto, revisar las especificaciones que dan del dispositivo, porque si el transformador de este elemento est hecho para trabajar a 9 voltios D.C. con una corriente de 20mA y se le pone una carga que consuma 40mA, sin duda alguna el voltaje va a caer.Tal como se muestra en la figura 2, el transformador reduce el nivel de voltaje hacindolo "manejable", tngase en cuenta que entre mayor voltaje, mayor ser la corriente, suponiendo que la carga siempre la misma.Figura 2. Efecto del transformador en la seal de la red elctrica.

Fuente. Autores.Rectificacin de la ondaExisten muchas formas de rectificar una onda, ya sea de media onda o de onda completa, pero para este caso se va a mencionar la forma ms eficiente y usada en este tipo de fuentes, la rectificacin de onda completa por medio de un puente de diodos. Con esto se logra obtener un nivel de corriente D.C. igual al mximo valor de la seal de entrada menos la cada de voltaje en los diodos, tal como se muestra en la figura 3.Figura 3. Seal de onda rectificada por el puente de diodos.

Fuente. Autores.Filtracin o correccin de rizadoEn este punto lo que se hace es usar filtros, consiguiendo as que la variacin de la seal en el tiempo sea lo menor posible, para llegar a este objetivo se aprovecha del fenmeno causado por el almacenamiento de energa en el condensador; como bien se sabe este dispositivo se carga elctricamente y demora un determinado tiempo en descargarse por completo, cerca de 5. Si a este elemento se le induce una corriente alterna o en este caso una seal de voltaje rectificada, lo que ocurrir es que en el primer semiciclo de la seal el condensador se cargar completamente, mientras pasa de un semiciclo a otro este se descargar, pero no lo suficiente para llegar a cero, pues volver a cargarse cuando llegue nuevamente la cresta del siguiente semiciclo y as consecutivamente, tanto que la seal variar su valor muy poco en el tiempo, para darse una mejor idea de lo que ocurre en este punto por favor revisar la figura 4.Figura 4. Seal filtrada por medio de condensadores.

Fuente. Autores.Tal como podemos apreciar en la seal filtrada, la oscilacin en el tiempo es menor, y el nivel de voltaje es cada vez ms claro, sin embargo, an es necesario un voltaje ms preciso por esto se hace una mejora sencilla pero muy efectiva: la regulacin.RegulacinEste es el ltimo paso a seguir, la regulacin consiste en dejar la seal completamente fija, sacrificando un poco de potencia, por medio de diodos zener, los cuales se polarizan en inverso con un voltaje mayor al nominal de estos, y ms si se utilizan en circuitos integrados tal como lo son la serie 78XX y 79XX, la primera fija voltajes positivos y la segunda fija voltajes negativos. Para dar un ejemplo ms claro, en el caso del C.I. 7805, se requieren de 6.3V en adelante para su correcto funcionamiento, de lo contrario se arriesga a que el integrado no funcione de la forma deseada.Por ltimo, es recomendable usar un filtrado adicional, para as evitar ruidos causados por la carga, pues recuerde que en el caso de elementos como los motores, se forman corrientes contrarias a la generada por la fuente, esto debido al comportamiento elctrico de las bobinas internas de dichos elementos.Antes de proseguir se destacarn las ventajas y desventajas de las fuentes de alimentacin con transformador:Ventajas de las fuentes con transformador1. Se encuentran desacopladas a la red elctrica gracias al transformador, disminuyendo considerablemente la susceptibilidad que tendr el circuito ante eventos adversos, tales como picos de corriente.2. La unin de todos estos elementos hacen que la seal a entregar a la carga sea la ms estable, cosa muy importante al trabajar con circuitos que son altamente sensibles a las fluctuaciones elctricas, tales como procesadores, microcontroladores, sistemas de radiofrecuencia, etc.Desventajas de las fuentes con transformador1. Su gran tamao y peso hacen que cualquier circuito, por simple que sea, pesado y grande, cosa que hoy en da es un gran inconveniente.2. Poseen un alto costo principalmente por causa del transformador, pues para cada proyecto los parmetros son diferentes, haciendo muy difcil encontrar un transformador ideal a menos que se mande a hacer.Fuentes de voltaje sin transformadorEste tipo de fuentes no cumplen con todos los pasos anteriormente explicados, pues se benefician de las caractersticas elctricas de algunos componentes pasivos para as lograr la regulacin de la seal entregada por la red elctrica. Existen varias fuentes de este tipo, cada una con sus propias ventajas y desventajas, las cuales sern expuestas una vez sean explicadas y puestas a prueba; cabe resaltar que estas lneas estn basadas principalmente por el documento mencionado al comienzo de este artculo.Fuente de alimentacin capacitiva sin transformadorEste tipo de fuente cuenta con tres etapas crticas:1. Limitacin del paso de la corriente elctrica por medio de la resistencia R1, figura 5.2. Filtracin de la seal con el fin de establecer un nivel de corriente D.C. esta funcin la cumple el condensador C1.3. Regulacin de la seal filtrada gracias al diodo zener D1de 5.1 voltios.Adems de estas etapas se agregan un par de elementos ms, el diodo D2 y el capacitor C2, esto para impedir que corrientes inversas afecten el circuito de la alimentacin, provocando ruidos indeseables sobre la red elctrica, y para filtrar la seal de corriente que se encontrar circulando en la carga, respectivamente.Figura 5. Diagrama del circuito de la fuente de alimentacin capacitiva sin transformador.

Fuente. AN94. [online]. Reston Condit ,Microchip Technology Inc. 2004. Las siguientes consideraciones se deben de tener muy en cuenta para que el circuito funcione de la manera como se espera: La corriente de entrada (IIN) tiene que ser mayor a la corriente de salida (Iout), esta ltima est dada por la carga a conectar (Iout= Vout/RL), mientras que la primera se calcula por medio de la ecuacin 1.Ecuacin 1

Calcular la corriente mxima y mnima de entrada al circuito con ayuda de la ecuacion 1 y asumiendo para C120% y para R1un 10%, para este caso en particular los resultados son:Para el clculo de la corriente mnima de entrada se debe asumir los valores mnimos de todos los componentes excepto de VZ, R1:VRMS= 110VACVZ= 5.1Vf = 59.5 HzC = C1= 0.47 F x 0.8 = 0.38 F (asumir +20% del valor original)R = R1= 470 x 1.1 = 517 (asumir +10% del valor original)IINMIN= 10.4mAPara el clculo de la corriente mxima de entrada se debe asumir los valores mximos de todos los componentes excepto de VZ, R1:VRMS= 120VACVZ= 5Vf = 60.1HzC = C1= 0.47 F x 1.20 = 0.56 F (asumir -20% del valor original)R = R1= 470 x 0.9 = 423 (asumir -10% del valor original)IINMAX= 16.0mAConsideraciones de potenciaEs crtico tener en cuenta las consideraciones de potencia de cada elemento; para esto se sugiere tomar dos veces la potencia mxima (Pmx) calculada para cada elemento, es decir si nuestra Pmx calculada para una resistencia es de 0.5W, en el montaje se dispondr de una de 1W, esto se hace para evitar inconvenientes con los sobrevoltajes transitorios que puedan haber. Los respctivo calculos de la potencia disipada por cada elemento son: Para R1la potencia es equivalente al valor de la corriente al cuadrado multiplicado por su valor nominal es decir:PR1= I2*R = (VRMS* 2fC)2* R1Para este caso en particular:PR1= (21.3 mA)2* (470 x 1.1) = 0.23W (asumiendo el resistor +10%)teniendo en cuenta la consideracin antes expuestauna resistencia a 0.5W sera la ms acertada. Asumiendo un valor de 120V RMS de entrada, el voltaje del condensador C1ser de 250V, debido a lo explicado anteriormente. Hay que considerar que por D1circular ms corriente sin carga que con esta; en el peor de los casos la corriente que tendr que soportar ser de 21.3mA (tal como se demostr anteriormente), esto al ser multiplicado con 5.1V (voltaje que caer sobre el diodo), da como resultado 0.089W, recomendando, implcitamente, que el diodo zener a 1/2W es una buena opcin. En D2la corriente que circular ser IINMX,esto multiplicado por su cada de voltaje, 0.7V aprximadamente (si es de silicio), da como resultado una potencia de 0.011W, lo que significa que con un diodo a 1/8W es suficiente. Y por ltimo para C2se recomienda que soporte dos veces el valor del diodo zener, as pues, con uno a 16V es ms que suficiente.Fuente de alimentacin resistiva sin transformadorEste tipo de fuente se caracterza principalmente por su tamaa reducido y su simple diseo, esta compuesta por dos etapas crticas, limitacin del paso de corriente con una resistencia y regulacin con un diodo zener. Al igual que el montaje anterior el voltaje ser estable siempre y cuando la corriente de salida se menor que la corriente de entrada.Figura 6. Diagrama del circuito de la fuente de alimetacin resistiva sin transformador.

Fuente. AN94. [online]. Reston Condit ,Microchip Technology Inc. 2004. Ecuacin 2

La ecuacin 2 se usa para determinar la corriente de entrada; para las corrientes IINMINe IINMAXse calculan asumiendo R1un 10%, en este caso en particular los resultados son:Para la corriente mnima posible recuerde asumir el valor mnimo que puede tomar VRMSy los mximos de VZy R1:VRMS= 110VACVZ= 5.1VR = R1= 2 K x 1.1 = 2.2 K (asumir +10% del valor original)IINMIN= 34.2 mAPara la corriente mxima posible recuerde asumir el valor mximo que puede tomar VRMSy los mnimos de VZy R1:VRMS= 120VACVZ= 5VR = R1= 2 K x 0.9 = 1.8 K (asumir -10% del valor original)IINMAX= 45.8 mAConsideraciones de potenciaNuevamente es crtico tener en cuenta las consideraciones de potencia de cada elemento; y tal como se mencion anteriormete, usar elementos que soporten dos veces la potencia mxima calculada. Para este caso los calculos de la potencia disipada por cada elemento son: Para R1la potencia es equivalente al valor del voltaje al cuadrado dividido en su valor nominal es decir:PR1= V2/RPara este caso en particular:PR1= (120 VRMS)2/ (2K x 0.9) = 8W (asumiendo el resistor -10%)Para efectos prcticos se puede usar un resistor a 10W. Sin carga la corriente que circular en D1ser la misma que la de R1; por ende la potencia disipada por D1ser:PD1= VD1* (VRMS/ R1)Para este caso en particular:PD1= 5.1V (120VRMS/ 2K * 0.9) = 0.34WEl diodo zener ser de 5.1V a 1W En D2la corriente que circular ser IINMX, esto multiplicado por su cada de voltaje, 0.7V aprximadamente (si es de silicio), da como resultado una potencia de 0.032W, lo que significa que con un diodo a 1/8W es suficiente. Y por ltimo para C2se recomienda que soporte dos veces el valor del diodo zener o VOUT, as pues, con uno a 16V es ms que suficiente.Fuente de alimentacin de resistiva con puente rectificador sin transformadorEste tipo de fuente bsicamente es la misma que la descrita anteriormente, con la diferencia de que se agrega un puente rectificador, tal como se muestra en la figura 7, esto para que se suministre corriente en ambos semiciclos de la seal del voltaje de la red elctrica, consiguiendo incrementar un 141% la corriente de salida.Figura 7. Diagrama del circuito de la fuente de alimetacin resistiva con puente rectificador sin transformador.

Fuente. AN94. [online]. Reston Condit ,Microchip Technology Inc. 2004. Consideraciones de seguridadFigura 8. Diagrama del circuito de la fuente de alimetacin capacitiva sin transformador con consideraciones de seguridad.

Fuente. AN94. [online]. Reston Condit ,Microchip Technology Inc. 2004. Figura 9. Diagrama del circuito de la fuente de alimetacin resistiva sin transformador con consideraciones de seguridad.

Fuente. AN94. [online]. Reston Condit ,Microchip Technology Inc. 2004.

Las consideraciones de seguridad que se tienen en cuenta, y que se pueden observar en ambos montajes (Figura 8 y 9), son las siguientes: El uso de un varistor (VR1): este elemento provee una proteccin ante sobrevoltajes transitorios, pues en el momento de aumentar abrptamente el voltaje, su resistencia disminuye tanto que forma un corto circuito, garantizando que la corriente fluya nicamente entre el fusible y este, garantizando que el fusible se queme antes de que el sobrevoltaje ataque el diseo principal. Fusible: este elemente abre el circuito en el momento de que este ltimo incremente el consumo de corriente por encima del valor nominal del fusible. Para la fuente de alimentacin capacitiva se agrega una resistencia R2en paralelo creando un flitro para atenuar la interferencia electromagntica o EMI de retorno sobre la linea. Para la fuente de alimentacin resistiva se divide la resistencia de 2K en dos de 1K con el fin de reducir la posibilidad de que en un transistorio se vea afectado el circuito principal. Y de igual forma se implementa un filtro, R3y C3, para evitar que el EMI emigre sobre la linea.MONTAJE PRCTICOA continuacin se pondr a prueba las diferentes fuentes expuestas anteriormente por medio de un sencillo circuito basado en un micrcontrolador, el objetivo es experimentar la calidad de la re gulacin de voltaje, ya que el PIC necesita una la alimentacin exacta y que no sufra ni sobresaltos ni bajas de voltaje, de lo contrario este no tendr un correcto funcionamiento.Ahora bien, en primera instancia se explicar el funcionamiento del circuito ejemplo alimentado por medio de la fuente de voltaje capacitiva y posteriormente, se le suministrar, al mismo circuito, las otras fuentes, tomando medidas tanto de la corriente como del voltaje con carga y sin carga, de igual manera se presentar un pequeo video que muestre su funcionamiento prctico con el fin de dar una experiencia lo ms fiel posible.El circuito ejemplo consta de los siguientes elementos:Para la fuente de alimentacin 1 condensador de 0.47F 1 condensador de 470F 1 diodo zener de 5.1V a 1/2W 1 diodo 1N4001 1 resistencia de 470 a 1/2WPara el circuito ejemplo 1 LED RGB 1 conector de 6 pines 1 resistencia de 10K o ms a 1/4W 3 resistencia de 100 a 1/4W 1 interruptor normal 1 interruptor de dos posiciones 1 microcontrolador PIC 16F84A 1 cristal de cuarzo de 4MHzFigura 10. Diagrama del circuito ejemplo alimentado por medio de una fuente capacitiva.

Fuente. Autores.El circuito ejemplo controla la luminosidad de cada color del LED RGB, el cual es representado por los LED's D3, D4 y D5, esto se logra al aplicar a cada color una modulacin por ancho de pulso o PWM, debido a que este microcontrolador no posee ningn mdulo CCP las seales se producen por medio de dos registros de ocho bits, los cuales varan el ciclo til de la seal segn sea el valor que tengan, por ejemplo, los dos registros tienen un valor mximo de 255, si se hace un conteo desde cero hasta este valor el PIC le tomar un tiempo determinado tanto por el reloj que tenga como los retrasos que se le agreguen por software, entonces si cargamos el registro que mantega la seal en alto, el cual llamaremos PWMA para efectos prcticos, con su valor mximo, la salida ser igual a Vdd, pero si por el contrario cargamos con este valor el registro que mantenga en bajo la seal, para el caso lo llamaremos PWMB, la seal ser igual a Vss mejor dicho 0V. Por ltimo, si le damos un valor menor al mximo que puede tener un registro de ocho bits a PWMB y se lo restamos a 255, y adicionalmente cargamos este valor a PWMA y as sucesivamente, la seal final ser una modulacin por ancho de pulso tal como se muestra en la figura 11.Figura 11. Modulacin por ancho de pulso o PWM generado por dos registros de ocho bits.

Fuente. Autores.Ya explicado el programa del microcontrolador, a continuacin se expondr un video con los resultados obtenidos a nivel prctico; en cuanto a las mediciones realizadas durante las pruebas se pueden observar en el cuadro 1.Cuadro 1. Comparativa entre las distintas fuentes segn su comportamiento con carga.Fuente con transformador (datos de control)Fuente capacitivaFuente capacitiva con proteccinFuente resistivaFuente resistiva con proteccinFuente con puente rectificador

Voltaje5.05 V4.60 V4.57 V4.65 V4.84 V5.33 V

Corriente7 mA5.6 mA7.6 mA6 mA7 mA10 mA

Funcionamiento del circuitoSiSiSiSiSiSi

Fuente autores.Cabe aclarar el porqu de la diferencia de estos valores si el circuito aplicado o carga siempre fue el mismo, recuerden que los voltajes dependen del consumo de corriente del circuito, en el momento que el consumo sea mayor al que entrega la fuente, su nivel disminuir, esto se debe a que la potencia disipada por el circuito se compensa de alguna manera. Y para la corriente su valor depende principalmente del estado del LED RGB, pues al encender sus tres colores al mximo su consumo es mayor, y del voltaje que la fuente entrgue, por cuestiones prcticas se tom un valor promedio. Tener en cuenta que las medidas fueron hechas por medio de un multmetro digital marca Tech modelo TM-109, por esto recomendamos que hagan sus propias pruebas, pues no siempre el elemento de medicin es idneo.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESEn conclusin, este tipo de fuentes son ideales para usarse en circuitos muy pequeos con alimentacin dependiente, para alarmas por ejemplo, las cuales deben estar encendidas las 24 horas y adicionalmente requieren ocupar pequeos espacios para que no sean tan visibles. Personalmente recomendamos tanto por tamao, precio y comportamiento elctrico, la fuente basada en un puente rectificador, por supuesto, usando un circuito integrado para el puente de diodos; pero si necesitan algo supremamente pequeo dentro de las posibilidades el circuito resistivo es la siguiente opcin a tener en cuenta, sugerimos la que tiene proteccin.En cuanto a las recomendaciones: A pesar que el diagrama del cicuito no lo tenga, es recomendable siempre usar un fusible, as en caso de un accidente, como un corto circuito, no se dae el circuito principal o en el peor de los casos alguna persona se electrocute, claro est que si toma el cable directamente a la red el fusible ser inutil. Procurar no hacer las pruebas slo, recuerden que se estar trabajando con alta potencia y se corren ciertos riesgos. No trabajar en presencia de nios pequeos. No hacer pruebas con circuitos muy costosos, por lo menos hasta que se est seguro de que la fuente trabaje de manera correcta, haciendo pruebas con distintas cargas y realizando mediciones de corriente y voltaje, preferiblemente con osciloscopio. Si se tiene el espacio suficiente en el montaje final, recomendamos cambiar las resistencias de 5W por unas que soporten mayor potencia, esto no tanto por las caractersticas elctricas del circuito, sino para que puedan disipar ms calor, puesto que es un gran inconveniente la temperatura que estos elementos pueden llegar a tener. Escoger el varistor con cuidado, posteriormente tendremos ms informacin de este elemento. No implementar este tipo de fuentes en sitios industriales, debido a la suceptibilidad al ruido.Por ltimo, queremos aclarar que les quedamos debiendo las mediciones hechas con osciloscopio, en cuanto tengamos uno a disposicin, las imgenes sern subidas a este artculo.