Fuente Alimentación

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 Si que lo es
• mirar quien determina la corriente maxima del circuito
• Desarollar caracteristicas fuentes lienales
• Explicación graficas de diagrama de bloques
• Explicar y desarollar filtro de red
• La Vo del efecto de rizado no se a cual se refiere ni como se obtiene
• Básicamente me falta saber con certeza como calcular la capacidad del condensador de filtrado. En la 2nd fórmula que es la que me encuentro en los libros de donate necesito saber la Vr(pp), que no se como saberla. En las demas formulas no se si estan bien los significados de cada incognita
• Repasar todas las fórmulas que esten bien

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

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

• Después de hacer los cálculos resumo:
  • la fuente cebek tiene un 16,32% de factor de rizado (creo que lo bueno es tener menos del 10%)
  • la tercera fórmula
    • La formula 3 calcula el valor d c con un factor de rizado concreto. Por eso si cambio el valor de c y intento calcular Vmax me da una rara. Es la Vmax que junto con el valor de condensador da un factor de rizado concreto. Lo q no me cuadra aun es que si calculo con esa formula la c y luego utilizo la formula xa saber el factor de rizado me sale un factor de 0.3% cuando en principio no deberia salir mas bajo que el 7%. Esto hay que buscarlo
  • La segunda fórmula me sale que es coherente

Valor Eficaz (V_RMS o V_ef)

Es el valor que tendría una corriente continua que produjera la misma potencia que la corriente alterna al aplicarla a una resistencia igual. Un voltímetro en modo c.a. mide la tensión eficaz de esa c.a. 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:

$V_{RMS}=\frac{V_p}{\sqrt{2}}$

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

$I_{RMS}=\frac{I_p}{\sqrt{2}}$

La potencia eficaz se expresa:

$P_{RMS}=V_{RMS}\cdot I_{RMS}=\frac{V_p}{\sqrt{2}}\cdot \frac{I_p}{\sqrt{2}}=\frac{V_p\cdot I_p}{2}$

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).

$V_p=V_{RMS}\cdot \sqrt{2}$

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:

$V_{pp}=V_{RMS}\cdot 2\cdot \sqrt{2}$

Valor Medio

El valor medio de una señal continua incluyen todos los valores positivos y negativos. Al hacer la media el valor es 0 debido a que lo valores positivos se compensan con los negativos. Un voltímetro en modo continua mide el valor medio de la corriente, por tanto al poner un voltímetro en modo continuo midiendo una señal alterna nos dará un valor de 0.

Para calcular el valor medio de una señal alterna se usa esta fórmula (esta fórmula es para un rectificador de doble onda):

$V_m=2\cdot \frac{V_p}{\pi }$

Para ser más exactos podemos tener en cuenta la tensión que cae en el puente de diodos (0,7V por cada diodo = 1,4V). Entonces la fórmula nos quedará así:

$V_m=2\cdot \frac{V_p-1,4}{\pi }$ Aplicando esta fórmula con el transfo que tengo y que mido 14Vef, me sale un Vm calculado de 11,71 V y si mido en modo cc después del puente me da 12,5V

Este $V_m$ equivale a la lectura del voltímetro en modo c.c. después del puente rectificador.

Ahora voy a poner un ejemplo:
Tenemos una tensión de entrada de 230V al que conectamos un puente rectificador. Vamos a calcular el valor de corriente continua que vamos a tener después del puente rectificador.

1. Calculamos el valor máximo de la c.a.
   

$V_{ef}=230V\to Vp=230\cdot \sqrt{2}=325,26V$

1. Con el valor máximo de la corriente alterna podemos calcular el valor medio después del puente rectificador con la fórmula que hemos visto:
   

$V_m=2\cdot \frac{325,26-1,4}{\pi }=206,18V$


La corriente media que medirá un amperímetro en medición de continua se calcula:
$I_m=\frac{V_m}{R_L}$

Esta corriente será la que fluya por la carga.

Tensión Máxima o $V_o$

Durante la lectura de las diferentes páginas me he ido encontrado que hablan de la tensión máxima ($V_{max}$), la tensión de carga ($V_L$) o la tensión $V_o$

Creo que todas estas tensiones son las mismas, y son la tensión dc después del puente rectificador.

Después del puente rectificador la tensión que tendremos es la $V_p$ del secundario menos la caída de tensión en el puente (que es de unos 1,4V)

Editar tambien esto porque esta mal. La tensión alterna después del tansfo y antes del puente es una, la de despues del puente ya es continua y es otra, la de después del condensador que hace de filtro es otra. La que llega a la carga no se aún cual es.

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:

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

Dónde:

• $V_{r(pp)}$: es la tensión de rizado de pico y tenemos que saber que $V_{r(pp)}=2\cdot \sqrt{2}\cdot V_{r(ef)}$
• $I$: 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:

$F_r=\frac{V_{r(ef)}}{V_o}\cdot 100$

En donde:

• $V_{r_{(}ef)}$: 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 eficaz del secundario transformada a tensión de pico $\to V_p=V_{ef}\cdot \sqrt{2}$
• $V_{r(p)}$: Es la tensión de rizado de pico
  

Ciclo o período y Frecuencia de la Corriente Alterna

• El período es el tiempo que transcurre en un ciclo completo.
• Se representa por la letra T y se mide en segundos.
• La frecuencia es el número de ciclos que se producen en un segundo.
• La fórmula que relaciona la frecuencia con el periodo es:

$f=\frac{1}{T}$

Tipos de fuentes

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

Explicación de las gráficas

En las gráficas he dibujado como los diferentes componentes de la fuente de alimentación manipulan la señal hasta dejarla continua.
En la primera gráfica se ve la señal sinusoidal de alterna. El transformador lo que hace es limitar la amplitud (los voltios) de esta señal pero sigue estando en alterna.
Luego viene el rectificador que convierte toda la señal en positiva y por eso tiene esa forma de "montañas". La señal ya ha dejado de ser alterna y ahora es continua.
Después de pasar por el puente rectificador se le aplica un filtro (normalmente es un condensador aunque hay de mas tipos) para poder dejar la señal más continua (más recta).
El regulador es el último paso. Este es un ci que se encarga de dejar lo mas continua posible la señal.

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 sin modificar la frecuencia.
La relación entre la tensión de entrada y la tensión de salida va en función de la relación de espiras del primario (N₁) y el secundario (N₂) y se llama relación de transformación (m). Se expresa mediante la fórmula:
$m=\frac{N_1}{N_2}$

Si está en vacio el transformador se cumple:
$m=\frac{V_1}{V_2}$

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). Poner grafica del libro pagina 169

Consideraciones para elegirlo

• Esto hay que reescribirlo porque esta mal e incompleto.
• Hay que dejar claro que un valor importante para elegir el diodo es la tensión inversa máxima que tendra que sorportar.
• Esta tensión sera la que nos entregue el transformador (grafica explicativa en pag 166 del libro).
• También es importante la corriente máxima que fluirá por el, que es la Ip que se calcula con el voltaje medio y la RL o creo que tambien con las caracteristicas del transformador que nos dan, los voltioamperios
• En el punto anterior digo que la intensidad que pasa por los diodos (Id) se calcula mediante la ley de ohm con la Rl (la resistencia de carga), pero debido a que la mitad de la tensión (la positiva) pasa por un par de diodos y la otra mitad (la negativa) pasa por el otro par, esta intensidad calculada (Il) se ha de dividir en dos para obtener la intensidad que pasa por un diodo (Id).

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.

Por tanto la tensión de salida del puente rectificador será la $V_p$ del secundario, restandole los 1,4V.

Características del datasheet

Para seleccionar los puentes rectificadores nos debemos fijar en:

• La corriente media directa - $I_{F(AV)}$
• La tensión inversa de trabajo máxima - $V_{RWM}$
• La corriente máxima de pico repetitivo - $I_{FRM}$

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.

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

• El $V_m$ después del condensador será más alto.

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

$C=\frac{Q}{V_{max}-V_{min}}=\frac{I_{max}\cdot T}{V_{max}-V_{min}}$

En donde:

• $V_{max}$: Es el valor máximo de la tensión de entrada que equivale al valor de pico del secundario del transformador $V_p$.
• $V_{min}$: Tensión mínima que queremos que tenga la tensión de entrada y que determina el rizado de la fuente. Se calcula: $V_{ef}+V_{diodos}\to V_{diodos}$ es la tensión que caen en los diodos del puente rectificador. Esto está sacado de esta web
• $I_{max}$: 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

Esta fórmula la he comprobado con un ejercicio resuelto encontrado en internet y es válida

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

En donde:

• $C$: Capacidad del condensador en faradios
• $I$: Intensidad en la carga
• $V_{r(pp)}$: 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.
  

En esta fórmula se puede establecer $V_{r(pp)}$ como el 10% de $V_p$ (ésta es la tensión que cae en el puente rectificador, que es la $V_{ef}\cdot \sqrt{2}$). Teniendo ya $V_{r(pp)}$ se puede calcular $C$

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 pico de salida del puente rectificador o la tensión eficaz del secundario transformada a tensión de pico y restandole la tensión que cae en los diodos$\to V_p=V_{ef}\cdot \sqrt{2}-V_{diodos}$

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 $V_{min}$ de la 1er fórmula no se si es la $V_{r(p)}$ o la $V_{r(ef)}$
  

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.

Cuanto mayor es la capacidad del condensador menor es el rizado que tenemos pero aparece un problema bastante importante.
El diodo conduce cuando el condensador se carga. En un tiempo el diodo tiene que dejar pasar la corriente hasta cargar el condensador. Si el condensador tiene una mayor capacidad de carga el diodo tendrá que dejar pasar mucha más corriente para cargarlo que si tuviera menor capacidad (el tiempo de carga para los dos es el mismo).
Podemos encontrarnos fuentes de 1 Amperio que tenga que conducir "de golpe" 10 Amperios para poder cargar el condensador. Esto no quiere decir que tengamos que poner un diodo de 10 amperios, tenemos que fijarnos en los picos de corriente que puede aguantar ese diodo.

Y esto no solo afecta al diodo, al transformador también, ya que a medida que los pulsos de corriente se hacen más estrechos (y más altos a su vez) la corriente eficaz aumenta. Si nos pasamos con el condensador podríamos encontrarnos con que tenemos un transformador de 0,5 A y no podemos suministrar mas de 0,2 A a la carga (por poner un ejemplo). $\leftarrow$ esto esta sacado tal cual de este documento porque no acabo de entenderlo del todo.

Esto son dos gráficas que muestran la comparación entre dos condensadores. En la primera gráfica la capacidad del condensador es menor que en la de la segunda.

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:

$V_{in}>V_o\Rightarrow$ 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".

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