Revisión del 10:30 27 abr 2013

Que pretendo?

Aqui pretendo explicar las diferentes fuentes de alimentación. De momento empiezo por las fuentes lineales, que son las más sencillas. Voy a explicar de que componentes están formadas y que tener en cuenta para elegir los componentes. Al final quiero diseñar una fuente de alimentación lineal paso a paso para alimentar un Arduino Leonardo. Las características de alimentación de dicho Arduino son las siguientes:

Características Arduino:
V entrada : 7-12V
Consumo máximo sumando todas las patillas: 200mA

Glosario

Datos a averiguar

~~VoltiosAmperios~~
~~Tension cortocircuitable~~
~~Rizado máximo de carga~~
~~Módulo de rectificación de tensión~~
~~Módulo de regulación de tensión~~
Fuente de alimentación estabilizada
~~Puente retificador~~
~~en tensión de rizado poner el factor de rizado~~
explicar lo del efecto del condensador en la conducción del diodo rectificador
~~explicar que el valor eficaz es el valor de tension continua con el mismo poder calorifico que una alterna~~
mirar si el valor medio es el que mide el multimetro
~~mirar quien determina la corriente maxima del circuito~~

Según construyasuvideorockola.com el voltaje medido con multímetro en continua después del puente rectificador es el Vp - la caída de tensión en el rectificador

PowerPoint Fuentes de Alimentación Lineales:

Transformador
- Factor de regulación de carga <- en el documento dice que suele variar entre un 5 y un 10%
- La tensión del secundario se verá afectada por variaciones de la tensión de la red en un +-10%
Rectificador
- Aquí también definen el Vm (valor medio) como aqui, pero aún no se para que sirve este dato

Valor Eficaz (V_RMS)

Es el valor que tendría una corriente continua que produjera la misma potencia que la corriente alterna al aplicarla a una resistencia igual. En un transformador de 230V/9V (primario/secundario), el valor eficaz del secundario es 9V. La relación entre el valor eficaz de la tensión y la tensión de pico es la siguiente:

$V_{R M S} = \frac{V_{p}}{\sqrt{2}}$

La relación entre el valor eficaz de la corriente y el valor de corriente máxima es la siguiente:

$I_{R M S} = \frac{I_{p}}{\sqrt{2}}$

La potencia eficaz se expresa:

$P_{R M S} = V_{R M S} \cdot I_{R M S} = \frac{V_{p}}{\sqrt{2}} \cdot \frac{I_{p}}{\sqrt{2}} = \frac{V_{p} \cdot I_{p}}{2}$

Esta relación nos indica que la potencia eficaz es la mitad de la potencia de pico.

Valor de pico y Valor de pico a pico

La tensión de pico es la máxima tensión que hay en el punto mas alto de la onda sinusoidal de la corriente alterna. Se halla a través del valor eficaz (que nos lo dan las características del transformador).

$V_{p} = V_{R M S} \cdot \sqrt{2}$

La tensión de pico a pico es la suma de la tensión de pico positiva y la tensión de pico negativa. Se halla multiplicando por dos la tensión de pico:

$V_{p p} = V_{R M S} \cdot 2 \cdot \sqrt{2}$

Conjetura

Cuando mides con un voltímetro la salida del secundario en modo alterna te da el valor eficaz especificado por el fabricante.
Si luego mides en modo continua después del puente rectificador te da la tensión de pico del valor eficaz del transformador. Esa tensión es la que habrá a partir de ahora en el circuito de la fuente de alimentación. Lo que no se es porque cuando la tensión se rectifica y pasa a ser toda positiva aumenta en $\sqrt{2}$

Valor Medio

Es la que mediría un voltímetro en medición de continua, y se calcula (esta fórmula es para un rectificador de doble onda):

$V_{m} = \frac{2 V_{p}}{π}$

La corriente media que medirá un amperímetro en medición de continua se calcula:
$I_{m} = \frac{V_{m}}{R_{L}}$

Tipos de fuentes

Commutadas

Lineales

Características

Son más sencillas que las fuentes de alimentación commutadas

Diagrama de bloques

Dibujo de un diagrama de bloques con dibujo de la modificación de las señales

Componentes Fuentes Lineales

Fusible

El Fusible se coloca entre la entrada de 220V y el transformador. Su misión es interrumpir la electricidad si hay una subida de corriente para proteger la fuente (si el problema viniera de la instalación eléctrica) o la instalación eléctrica (si la fuente presentara un problema).

Consideraciones para elegirlo

El valor del fusible ha de ser el de la corriente nominal. Para calcularlo se usa esta ecuación:
$I_{1} = I_{2} \frac{V_{2}}{V_{1}}$
En donde:

$I_{1}$ es la intensidad que circulará por el fusible
$I_{2}$ es la instensidad que circulará por el secundario del transformador
$V_{1}$ es la tensión del primario del transformardor (usualmente 230V)
$V_{2}$ es la tensión del secundario del transformador

Con esta ecuación calculamos el valor del fusible y le tenemos que añadir un 30% al resultado.

Filtro de Red

Su función es la de eliminar las posibles perturbaciones electromagneticas que pueden llegar a la fuente a través de la red eléctrica. No he encontrado mas información y no he visto que se incluyan en pequeñas fuentes.

Transformador

Transforma una tensión alterna de entrada en una tensión alterna de salida.
La relación entre la tensión de entrada y la tensión de salida va enfunción de la relación de espiras del primario (N₁) y el secundario (N₂) y se expresa con esta ecuación:
$r = \frac{V_{1}}{V_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}}$
La potencia del primario será igual a la potencia del secundario porque un transformador tiene muy pocas perdidas. Según esto tenemos:
$P_{1} = P_{2} \Rightarrow V_{1} \cdot I_{1} = V_{2} \cdot I_{2} \Rightarrow \frac{V_{1}}{V_{2}} = \frac{I_{1}}{I_{2}}$
Esta ecuación nos sirve para poder calcular el valor del fusible, como hemos visto en el apartado anterior.

Tipos según bornes de salida

Un devanado con dos bornes para el secundario por la cual tendremos la tensión de salida
Un devanado con tres bornes. El tercer borne es una toma intermedia en el devanado que nos entrega la tensión del secundario en positivo y negativo
Dos devanados independientes que nos entrega dos tensiones secundarias diferentes

Puente rectificador

El puente rectificador es el encargado de transformar la corriente alterna (que es positiva y negativa) a corriente continua (solo positiva).

Consideraciones para elegirlo

Hay que tener en cuenta la tensión máxima ( $V_{p}$ ) y corriente máxima ( $I_{p}$ ) del secundario mas un 30% por seguridad.
También hay que tener en cuenta que en cada diodo hay una caída de tensión de 0,7V y por cada pareja de diodos que conducen de un puente rectificador hay una caída de tensión de 1,4V. Este valor se tiene que tener en cuenta al calcular las tensiones de salida.

Características del datasheet

Para seleccionar los puentes rectificadores nos debemos fijar en:

La corriente media directa - $I_{F (A V)}$
La tensión inversa de trabajo máxima - $V_{R W M}$
La corriente máxima de pico repetitivo - $I_{F R M}$

La explicación de estos datos está en el glosario

Filtro

Es el encargado de que la corriente con formas de semiciclos sea más lienal. Para ello se utiliza un condesador que se cargará mientras estemos en la parte de subida del semicilo y descargará la corriente almacenadas cuando estemos en la parte descendiente del semiciclo, consiguiendo así una corriente más uniforme.
Se utiliza un condensador para realizar esta función.

Tipos de filtros

Hay varios tipos de filtros:

Filtrado por bobina
Filtrado por bobina y condensador
Filtrado por condensador
- Esta es la mejor solución debido a que las bobinas son pesadas y voluminosas para frecuencias de 50/100Hz
- Hablan de algo llamado comportamiento no lineal
- Es la que voy a utilizar y explicar aquí

Consideraciones para elegirlo

Aqui he encontrado diversas fórmulas para calcular el valor del condensador. La fórmula que depende del valor de la tensión de rizado no la puedo hacer servir porque no conozco dicha tensión y buscando como calcular dicha tensión me he encontrado que se utiliza la misma fórmula. Por eso me puse a buscar en más páginas como calcular el valor del condensador y acabé dando con tres fórmulas. Voy a ponerlas las tres para que me queden como referencia.

1er Fórmula

$C = \frac{Q}{V_{m a x} - V_{m i n}} = \frac{I_{m a x} \cdot T}{V_{m a x} - V_{m i n}}$

En donde:

$V_{m a x}$ : Es el valor máximo de la tensión de entrada que equivale al valor de pico del secundario del transformador $V_{p}$ .
$V_{m i n}$ : Tensión mínima que queremos que tenga la tensión de entrada y que determina el rizado de la fuente.
$I_{m a x}$ : Intensidad máxima en el secundario, que equivale a la $I_{p}$ .
$T$ : Periodo de la señal de la red, para 50Hz y rectificador de onda completa son 10 ms. En media onda seria 20 ms.
$C$ : Capacidad del condensador de filtro en faradios.

2nd Fórmula

$C = \frac{I}{V_{r (p p)} \cdot f}$

En donde:

$C$ : Capacidad del condensador en faradios
$I$ : Intensidad en la carga
$V_{r (p p)}$ : Tensión de rizado de pico a pico
$f$ : Frecuencia de la onda pulsatoria (Hz). En el de media onda $f$ = 50 y en el de doble onda $f$ = 100.

3er Fórmula

$C = \frac{5 \cdot I}{f \cdot V_{p}}$

En donde:

$I$ : Es la corriente que suministra la fuente
$f$ : Es la frecuencia de la red (50Hz o 60Hz según el país)
$V_{p}$ : Es la tensión medida después del puente rectificador o la tensión eficaz del secundario transformada a tensión de pico $\to V_{p} = V_{e f} \cdot \sqrt{2}$

Esta fórmula establece el valor del condensador según la regla del 10%. Se llama así porque el valor obtenido del condensador hará que se tenga una tensión de rizado del 10% o inferior.
También hay una variante que si se quiere un valor de la tensión de rizado del 7% se calcula el condensador asi:

$C = \frac{5 \cdot I}{f \cdot V_{p}} \cdot 1, 4$

Conjeturas

Creo que la $I$ de la 2nd fórmula y la de la 1er fórmula es la misma
La $I_{p}$ de la primera fórmula no se si es la misma $I$ que las otras o es la intensidad de pico
La $V_{m i n}$ de la 1er fórmula no se si es la $V_{r (p)}$ o la $V_{r (e f)}$

Tensión de Rizado

La tensión de rizado es la componente de alterna que queda tras rectificarse una señal a corriente continua. El rizado se reduce después de filtrar la señal con un condensador. Si no se reduce esta tensión de rizado habrá un zumbido a 60 o 50 Hz muy molesto.

Por lo que he podido leer en un par de sitios, la tensión de rizado es correcta si es un 10% de la tensión $V_{o}$

Para calcular la tensión de rizado se utiliza la siguiente fórmula:

$V_{r (p p)} = \frac{I}{f \cdot C}$

Dónde:

$V_{r (p p)}$ : es la tensión de rizado de pico y tenemos que saber que $V_{r (p p)} = 2 \cdot \sqrt{2} \cdot V_{r (e f)}$
$I$ : es la intensidad que hay en la carga.
$f$ : es la frecuencia. Para un rectificado de doble onda $f$ = 100.
$C$ : es la capacidad del condensador que hace de filtro.

Esta fórmula es la misma que la del apartado 2nd Fórmula del Filtro

En una página he encontrado esta explicación de la tensión de rizado:
El rizado se cuantifica mediante el factor de rizado y se calcula como el valor eficaz del voltaje de rizado sobre el voltaje en continua medio, multiplicado por 100. El factor de rizado suele establecerse sobre el 10% o menos.
Fórmula:

$F_{r} = \frac{V_{r (e f)}}{V_{o}} \cdot 100$

En donde:

$V_{r_{(} e f)}$ : Es la tensión de rizado eficaz
$V_{o}$ : Es la tensión continua máxima real

Para hallar la $V_{o}$ se hace:

$V_{o} = V_{p} - V_{r (p)}$

En dodne:

$V_{p}$ : Es la tensión medida después del puente rectificador o la tensión eficaz del secundario transformada a tensión de pico $\to V_{p} = V_{e f} \cdot \sqrt{2}$
$V_{r (p)}$ : Es la tensión de rizado de pico

Efecto del condensador en la conducción del diodo rectificador

Este efecto está explicado en el pdf http://www.info-ab.uclm.es/. Aqui solo pongo la referencia a ese apartado pero no lo explico.

Regulador de tensión

LM137

LM78xx

Diodo

Esquema F.Alimentación

Aqui voy ha describir los pasos para crear una fuente de alimentación con la siguientes características:

Tensión de salida: 9V
Corriente de salida: 300mA
Fusible
Tiene que llevar regulador de tensión

Elegir Regulador de Tensión

Como la fuente que voy a realizar quiero que lleve un regulador de tensión para poder tener una tensión estable voy a elegir el regulador 7809. Este regulador entrega 9V positivos.
Una de las primeras cosas que tengo que tener en cuenta es que:

$V_{i n} > V_{o} \Rightarrow$ la tensión de entrada al regulador ha de ser mayor que la tensión de salida

Si sabemos que este regulador consume 3V, la tensión de entrada del regulador ha de ser de 11V como mínimo, sino el regulador no podrá "hacer bien su trabajo".

Elegir Condensador para el Filtro

Elegir Puente Rectificador

Elegir Transformador

Elegir Fusible

Documentación

txapuzas.blogspot.com - Paperduino de una fuente de alimentacion
electan.com - Transformador 9V 300mA de Cebek
pisotones.com - Circuito Ejemplo Fuente Alimentación 9V
electronicasi.com - Circuito Fuente Alimentación Regulable
construyasuvideorockola.com - Otro ejemplo de fuente de alimentación con el 78xx
forosdeelectronica.com - Reguladores de Voltaje 78XX en la práctica - Interesante documento que analiza mejoras en un circuito de fuente de alimentación con los reguladores 78xx
mcbtec.com - Teoría Fuentes Alimentación - Explicación bastante buena de los componenetes y configuración paso a paso de una fuente
info-ab.uclm.es - Teoría Fuentes Alimentación - Explicación muy completa de las fuentes de alimentación
electronicadpe - Calculo de la tensión de rizado
elrincondeloscircuitos.blogspot.com.es - Colección de circuitos de fuentes regulables
faxter.es - Fuente de alimentación con regulador 78xx variable en la salida (interesante para "sacar" voltajes diferentes)
Fuentes de alimentación lineales - monografias.com - Explicación muy completa

@@ Línea 19: / Línea 19: @@
 *<strike>en tensión de rizado poner el factor de rizado</strike>
 *explicar lo del efecto del condensador en la conducción del diodo rectificador
-*explicar que el valor eficaz es el valor de tension continua con el mismo poder calorifico que una alterna
+*<strike>explicar que el valor eficaz es el valor de tension continua con el mismo poder calorifico que una alterna</strike>
 *mirar si el valor medio es el que mide el multimetro
 *<strike>mirar quien determina la corriente maxima del circuito</strike>

Diferencia entre revisiones de «Fuente Alimentación»

Revisión del 10:30 27 abr 2013

Que pretendo?

Glosario

Datos a averiguar

Valor Eficaz (VRMS)

Valor de pico y Valor de pico a pico

Conjetura

Valor Medio

Tipos de fuentes

Commutadas

Lineales

Características

Diagrama de bloques

Componentes Fuentes Lineales

Fusible

Consideraciones para elegirlo

Filtro de Red

Transformador

Tipos según bornes de salida

Puente rectificador

Consideraciones para elegirlo

Características del datasheet

Filtro

Tipos de filtros

Consideraciones para elegirlo

1er Fórmula

2nd Fórmula

3er Fórmula

Conjeturas

Tensión de Rizado

Efecto del condensador en la conducción del diodo rectificador

Regulador de tensión

LM137

LM78xx

Diodo

Esquema F.Alimentación

Elegir Regulador de Tensión

Elegir Condensador para el Filtro

Elegir Puente Rectificador

Elegir Transformador

Elegir Fusible

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