Fuente Múltiple

Introducción.

Una fuente de alimentación se puede considerar una herramienta esencial para un laboratorio de electrónica. Hemos abordado distintas fuentes de alimentación con diversas características en otros artículos. Resulta muy útil una fuente de alimentación para alimentar diversas aplicaciones y circuitos en innumerables ocasiones.

Sin duda que lo dicho en el párrafo anterior es cierto, sin embargo, una fuente de alimentación con tensión fija y corriente fija no es suficiente para las necesidades básicas y es bueno tener una tensión variable porque distintos circuitos y componentes operan con diferentes tensiones y consumen diferentes corrientes. Este tema ya se ha tratado en estas páginas y no obstante aquí presento una nueva versión que considero casi necesaria, siga leyendo y descubrirá en motivo.

Componentes.
Características.
Descripción del circuito.
Ejemplo práctico.
Esquema inicial.
Esquema final.
Display.

LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN.

Cuando se trata del laboratorio de un técnico electrónico, es imprescindible tener una buena fuente de alimentación con características adicionales como disponer de tensión variable, y si además dispone de un indicador de tensión y corriente con pantalla LCD, ya podríamos considerar una fuente casi completa. En el mercado de la electrónica, las fuentes de energía no son económicas y suelen estar destinadas para fines profesionales e industriales.

Como apuntamos, si la fuente de alimentación incluye características funcionales como visualización del voltaje y corriente. Resulta muy útil, que uno pueda conocer el voltaje exacto en los terminales de salida y también la corriente consumida por la carga. Vayamos por partes.

Componentes.

Estos son los principales componentes genéricos necesarios para el proyecto.

Fuente de tensión fija.

Una fuente de alimentación muy utilizada es la fuente de tensión fija, la cual es construida entorno a unas características fijas y concretas que tratan de dar respuesta a unas necesidades establecidas de antemano. Entre estas fuentes podemos situar las que se construyen con unos componentes populares que todos tenemos por presentes: Un transformador, un rectificador (normalmente en puente), un diodo rectificador, unos diodos LED, unos condensadores, un interruptor y un interruptor-inversor. El siguiente es un esquema de la fuente fija.

 Fig. 1

Y este es un vídeo sencillo que muestra como funciona.

Como se aprecia en el esquema y el vídeo la fuente de alimentación es sencilla y lo único que aporta es el interruptor-inversor que nos permitirá cambiar la polaridad de salida aplicada a la carga sin necesidad de cambiar los cables conectados en los bornes de salida, esto puede ser práctico cuando se requiere invertir la polaridad.

Naturalmente, esta fuente puede funcionar sin necesidad del inversor, de modo que tendremos una fuente fija con un polo positivo a la salida del diodo D4 (cátodo) y el polo negativo en el punto de masa, en el esquema. La resistencia R3 debe ser de bajo valor, sin pasarse (con una corriente de 20mA, puede ser suficiente), sólo es para descargar los condensadores.

Características.

En este artículo, presento una eficiente fuente de alimentación de banco, económica eficiente y rentable que es capaz de proporcionar una tensión variable de 1,2 a 25 voltios con una corriente de hasta 5 amperios a través de un canal, por otro lado obtenemos una tensión de 5 voltios fijos y 1 amperio y una tensión de 12 voltios 1 amperio, a través de otros dos canales. Tenemos por lo tanto una de fuente variable y dos canales de suministro fijos.

Este proyecto es fácil de construir y portátil, esta fuente de alimentación de calidad, la puede construir incluso un principiante con facilidad y añadir a su laboratorio. Esta fuente utiliza componentes económicos y de fácil disponibilidad. Una característica que la distingue es su pantalla, en la cual presentará los parámetros de salida.

El diagrama de bloques.

El proyecto se compone de cuatro módulos, uno es el módulo de alimentación principal que consta de transformador reductor, rectificadores y filtrado. Un bloque, se encarga de regular la tensión fija de 5V 2A, con un módulo que se encargará de alimentar el microcontrolador, como ya veremos más adelante. Un segundo bloque regulará la tensión fija de 12V 2A. Y el tercer bloque se encargará de la regulación del suministro de una tensión ajustable que nos permitirá obtener tensiones desde 0V a 25V con 2A de corriente en cargas no inductiva.

Fig. 2

En el diagrama de bloques podemos apreciar, el módulo de alimentación principal que consta de reguladores de tensión lineales con rectificación y circuitos de filtrado para la generación y regulación del suministro, además de los reguladores fijos y un bloque de tensión regulada ajustable. También, se puede ver la alimentación del módulo Arduino.
Esquema general:

Descripción del circuito.

Para los módulos de suministro fijo se utilizan dobles reguladores de la serie 7805 económicos, para obtener los 5V y 2A. Del mismo modo para conseguir los 12V, se utilizan dos 7812 en paralelo para obtener los 2A. El módulo de tensión variable, requiere una descripción más profunda ya que en este caso utilizamos un LM338, el cual nos entrega una tensión variable de 1’2V a 32V.

Notas de aplicación.

En funcionamiento, el LM138 desarrolla una tensión nominal Vref, de referencia 1.25V, entre el terminal de salida y el de ajuste. El voltaje de referencia se impresionó a través del resistor R1 y el programa, ya que la tensión es constante, una corriente constante I1 fluye entonces a través de la resistencia R2 conjunto de salida, dando una tensión de salida de

R2

V_out = V_ref (1+—-) + I_adjR2 .      [1]

R1

La serie de reguladores de voltaje positivo ajustables LM338 de 3 terminales es capaz de suministrar un máximo de 5A en un rango de salida de 1.2V a 32V. Son excepcionalmente fáciles de usar y sólo requieren 2 resistencias para establecer la tensión de salida.

El cuidadoso diseño de circuitos ha dado lugar a la excepcional carga y regulación lineal comparable a muchas fuentes de alimentación comerciales. La familia LM338 se suministra en una cápsula transistor estándar TO-3 metálica de 3 terminales.

Atendiendo las recomendaciones del fabricante del LM338, según dice, «la Figura 3 muestra un LM338 con diodos de protección incluidos para su uso con salidas mayores de 25V y altos valores de capacitancia de salida.»

Cuando utilizamos condensadores externos con cualquier IC regulador, es necesario añadir diodos de protección para evitar que los condensadores se descarguen a través de puntos de baja corriente en el propio regulador. La mayoría de los condensadores 20 uF tienen resistencia interna en serie lo suficientemente baja como para incrementar picos de 20A, como un cortocircuito. Aunque el tiempo es corto, hay suficiente energía para dañar partes del IC.

Cuando un condensador de salida C1, está conectado a un regulador y la entrada Vin, está en 0 (cortocircuito), el condensador de salida se descarga sobre el regulador. La corriente de descarga depende del valor del condensador, la tensión de salida del regulador y la tasa de disminución de Vin. En el LM338, este camino de descarga es a través de una gran unión que sea capaz de soportar un incremento de corriente de 25A sin ningún problema. Esto no es cierto para otros tipos de reguladores positivos. Para condensadores de salida de 100 uF o menos, en la salida de 15V o menos, no hay necesidad de utilizar diodos.

El condensador de paso C2 en el terminal de ajuste se puede descargar a través de una unión D2 de baja corriente. La descarga se produce cuando está en cortocircuito la entrada o salida. Interno al LM338, una resistencia de 50Ω limita la corriente de descarga máxima. La Figura 3 muestra un LM338 con diodos de protección incluidos para su uso con salidas superiores a 25V y altos valores de capacitancia de salida.

El LM338 es capaz de proporcionar muy buena regulación de carga pero se necesitan algunas precauciones para obtener el máximo rendimiento. La resistencia de conjunto de corriente conectado entre el terminal de ajuste y el terminal de salida (generalmente 240Ω) debe estar vinculado directamente a la salida del regulador (caso) en lugar de cerca de la carga. Esto elimina aparezca la caída de línea efectivamente en serie con la referencia y degradando la regulación.

Por ejemplo, un regulador de 15V con una resistencia 0.05Ω entre el regulador y la carga tendrá una regulación de la carga debido a la resistencia de la línea de 0.05Ω x I_L. Si la resistencia de conjunto está conectado cerca de la carga de la resistencia de la línea efectiva será 0.05Ω (1+R2/R1) o en este caso, 11.5 veces peor.

Los reguladores de tensión ajustable de 5A, vienen encapsulados en los formatos TO-220 y TO-3, recomendable este último en metálico que, ofrece una mayor superficie de contacto lo que le da una mejor refrigeración. Debe tenerse en cuenta el tipo que se usa, puesto que el patillaje es distinto en la versión LM338 positivo que el LM337 negativo, véase la figura 4.

 Fig. 5

Aclarado el tema de los patillajes, seguimos. Volviendo a la forma de obtener la tensión ajustable, es necesario aprovechar/utilizar alguna forma de conexión para poder conseguir los 0V que indica el enunciado. El propio fabricante nos propone una solución, que podemos ver en la figura 5.

La idea es, aplicar una tensión negativa al terminal de ajuste del regulador LM338. Mas adelante, veremos el modo en que podemos utilizar la tensión de un secundario para este fin.

Ejemplo práctico.

Veremos un ejemplo práctico, pero antes, una rápida mirada a un esquema con 12V y 1A de consumo, simple y a la vez práctico. En el sencillo esquema que sigue, se pueden apreciar las partes de rectificación, filtrado, señalización y regulador fijo. Tener en cuenta los parámetros del transformador que, se muestran, para la simulación del programa y poder entender su comportamiento. Es cierto que hay un desvío de los valores de salida, creo que es debido al propio simulador.

Notas.

1. Un punto a tener en cuenta, se refiere al polo negativo del regulador que será el negativo de la fuente para todos los esquemas que veremos en este artículo.

2. Una vez más recordar que, la tensión máxima de entrada de un regulador se debe respetar, no rebasando los 40V en continua, del regulador LM317, de este modo obtendremos los mejores resultados incluso en el simulador Proteus.

Para la simulación con Proteus, he incluido, un amperímetro, una carga no inductiva en la salida, un interruptor y un voltímetro, para ver que ocurre en cada momento.

Pero sigamos, para el ejemplo practico comentado, deberíamos disponer de un transformador con dos secundarios preferiblemente de 24V + 24V y 2A. Después de rectificados y filtrados, obtendremos sobre los 34V en cada rama.

A continuación el listado del circuito practico, en el que utilizaremos el LM317, vamos a necesitar los siguientes componentes:

En esta ocasión vamos a ver como se comporta la fuente de alimentación realizada en torno al regulador LM317, el cual como sabemos puede entregar una tensión de salida ajustable entre 1’2V y 37V y una corriente máxima de 1,5A estando bien refrigerado.

El ensamblado es el típico con el potenciómetro Pot1 (de 10K) que permite el ajuste de la tensión requerida en la salida entre 1,2V y 34V. El regulador debe ser protegido contra las corrientes inversas, procedentes de las cargas inductivas o de una batería en carga, por dos diodos D1 y D2 (1N4007) conectándolos como se aprecia en la imagen.

El sentido de los diodos D1 y D2 reconducen las corrientes inductivas por el exterior del regulador que, es el dispositivo más sensible a estas corrientes.

El viejo esquema.

Hemos experimentado dos componentes importantes, de una fuente de alimentación, el transformador y el regulador. Ahora, vamos a modificar el esquema y contemplar como se comporta el nuevo circuito al utilizar un regulador ajustable como el LM317.

En el esquema, no he incluido la parte más elemental, lo importante para la simulación está en el esquema anterior, así podremos confirmar que la tensión regulada, se puede ajustar entre 1.26V y los aproximadamente 30V. Ahora daremos el paso definitivo.

LA SIMULACIÓN.

La simulación que se muestra a continuación se realiza sobre un circuito que veremos más adelante, por lo que, trataré de cernirme a la parte del LM317 que es lo que nos interesa en estos momentos. Para empezar la simulación en Proteus, activamos el botón avance. Vemos que las tensiones de la fuente indican los valores ± 36V. El condensador C1 de alta capacidad, permite una estabilidad adecuada frente al rizado de la tensión suministrada.

Con el potenciómetro al máximo tenemos 34V y si lo desplazamos al mínimo tenemos 1,26V, es lo que nos indica el fabricante. Al cerrar el interruptor de carga Int1, el amperímetro nos muestra la corriente que circula por la carga. Sin embargo, con Pot1 al mínimo, no podemos bajar de los 1’2V.

Como hemos visto más arriba (fig.5), según los datos del fabricante, aplicando una tensión negativa, a la patilla de ajuste, nos permite conseguir una tensión mínima de salida de 0V que es, lo que pretendemos.

En base a esto y después de unos ensayos, he logrado un divisor de tensión mediante dos diodos zener y una resistencia, como se puede apreciar en el circuito. De modo que si ajustamos la salida a los 24V, vemos que la caída de tensión es casi nula y la corriente es de 1A.

Para conseguirlo, primero abriré el interruptor Int2, que he puesto sólo para la simulación. Desplazando el esquema un poco arriba. Cerraré el interruptor Int3 de la tensión negativa de -36V, para que actúe como es de esperar.

Ahora, repetimos los pasos anteriores con el potenciómetro y vemos que se consiguen los 0V en el mínimo y los 34V en el otro extremo del Pot1.

Los diodos zener de 5V1 y 3V9 de 500mW junto con la R3 forman el divisor de tensión que se necesita, para obtener la tensión negativa que describe el fabricante. De este modo, se puede obtener el ajuste entre los 0V y los 34V o el máximo que permita el secundario.

Evidentemente, los interruptores (Int1/2/3) no son necesarios, se han incluido en el esquema sólo con fines didácticos, ya que mediante ellos, se puede entender mejor el funcionamiento de cada parte.

El esquema general.

Para la simulación del circuito con el programa Proteus, he utilizado dos fuentes de tensión continua de 36V. Observar en la imagen que, la posición del condensador C4 (resaltado en la imagen) está invertida, lo que no ocurre con la polaridad que es correcta.

El esquema presenta una primera fuente con un regulador positivo 7815 de +15V÷1A, que puede ser de otra tensión, con sólo cambiar el regulador por uno adecuado a nuestras necesidades.

Un segundo regulador es negativo 7915 de -15÷1A, también puede ser de otra tensión, con cambiar el regulador por uno adecuado a nuestras necesidades. Con estas dos fuentes, si es necesario, disponemos de una fuente simétrica de ±15V. Además de una fuente ajustable, como se describe más abajo. Sigamos:

Cuando el interruptor I1 se cierra, si la carga es de 30Ω, la corriente es de 0’5A, sin embargo si la carga es de 15Ω, la corriente es de 0’9A (según la simulación) y no de 1A, debido a que la tensión cae a 13’5V (aunque la simulación muestra unos valores algo distintos, son muy aproximados y no llegan a influir en el resultado).

Los mismo ocurre con la fuente negativa de -15V, en la realidad, el comportamiento de este tipo de reguladores es idéntico a los positivos. En cambio, en la simulación se produce un error, si reducimos la carga de esta fuente negativa. Error que, no es detectado por la propia simulación (bastante extraño, hice varios esquemas con idénticos resultados), por dicho motivo, no lo comentaré.

Un tercer regulador el LM317T, en este caso es un regulador ajustable, el cual nos puede entregar una tensión ajustable entre 1,2V y los 32V con una corriente máxima de 1,5A si está bien refrigerado. Para aplicaciones que requieran una mayor corriente vea las series LM150 (3A) y LM138 (5A), los negativos complementarios LM137.

Es recomendable utilizar la capsula metálica TO-3 siempre que pueda y un buen refrigerador aislado, vea como debe usar un refrigerador y como aislarlo. Tenga en cuenta que los 78XX la masa o negativo es la capsula (metal) y en los 79XX, la capsula es la entrada (INPUT) o positivo, por lo tanto no pueden compartir el mismo refrigerador si no están aislados.

En la fuente ajustable, el potenciómetro POT1 (5K) permite el ajuste de la tensión requerida en la salida entre 1,2 y 32V siempre que la carga lo permita.

Compruebe que los valores que aparecen en las simulaciones se corresponden con los valores esperados. Aunque las desviaciones son poco significativas, no deberían producirse; en cambio, se producen, entiendo que es complicado obtener mayores aproximaciones. De todos modos, es la mejor opción a la hora de simular un circuito electrónico.

Circuito final.

El circuito de la fuente ajustable es un poco más complejo de realizar, tiene la dificultad básica según el enunciado de la necesidad de partir de una tensión de 0 Voltios hasta el máximo que permita la tensión rectificada y filtrada. Además, la dificultad aumenta al no tratarse de una fuente independiente, quiero decir que, sus tensiones son las mismas de las otras dos fuentes.

La cuestión es, pensando que la figura 5, es la base de partida, me pregunté. ¿Como haría para obtener una tensión negativa que me permita reducir los 1’2V mínimos que presenta el LM317? No tenía que modificar el transformador (en absoluto), entonces un medio que me permita conseguir esa tensión negativa para obtener los 0V que, es la solución.

Y después de unos intentos que deseche, por último, he logrado un circuito que cumple con lo descrito, es el que se puede ver en la figura 9. Es bastante sencillo, una resistencia limitadora, un par de diodos zener y ahí está. Ahora, sólo tenemos que aplicarlo al resto del esquema.

En la imagen anterior, se aprecia las tensiones y la intensidad que circula por cada salida de cada una de las fuentes. En la siguiente figura se ha cambiado un poco la disposición de los componentes así como las tensiones de entrada que se han reducido a los +30V y -30V por razones de capacidad de los componentes.

Nada más que añadir a todo lo expuesto en los párrafos anteriores, considero que el tema ha sido tratado en suficiente profundidad, sin entrar en formulas que, si bien es cierto, son necesarias para un tratamiento teórico más completo, me he decidido por lo práctico y su correcto funcionamiento, también considero que la parte didáctica se ha cubierto con los ejercicios y ejemplos que vengo aplicando.

Una de las cosas importantes a observar durante el uso y diseño de las fuentes de alimentación es que los reguladores se calientan, en el caso de un exceso de corriente que se obtiene de ellos. Pueden ser manejados mediante el uso disipadores del tamaño adecuado para bajar el calor en los reguladores. Los LM7805 y LM7812, deben ir montados sobre su disipador y el LM338, sobre un disipador separado.

Es opcional, pero añadir un buen ventilador cerca de los disipadores de calor que desplazar el aire caliente circundante cerca del disipador de calor hacia el exterior del chasis. Sólo se tiene que conectar un ventilador de 12V DC, a la salida de CC no regulada de la fuente de alimentación, antes de que el regulador LM7805 que activará el ventilador y poner el ventilador muy cerca de los disipadores de calor.

No obstante, si hay alguna duda, pueden consultarme y trataré de responder en la mayor brevedad.

Display.

Aquí empieza una nueva etapa en este artículo que podemos considerar como una parte independiente, si bien, es posible integrarla en el contexto de la fuente de alimentación. De todos es sabido que cuanta más información se obtenga de un evento, mejores conclusiones podremos deducir, pues los datos sirven para tomar decisiones en todas las actividades humanas.

Se podría decir que en el apartado anterior, queda extensamente descrita una parte muy importante y completa de las pretensiones que hemos planteado al principio, sólo nos falta que nuestro dispositivo, muestre los valores por la pantalla, de los parámetros que se producen en la salida. No vamos a describir aquí, las características de estas pantallas ya que se dan por conocidas.

Como en otros artículos que hemos tratado en estas páginas sobre pantallas, vamos a utilizar una pantalla alfanumérica, este es, un típico equipo donde la aplicación de una pantalla de estas características nos proporcionará un importante servicio. La parte que abordaremos, no se limita a la aplicación de la pantalla a la presente fuente, ya que de igual manera, el técnico, la puede aplicar a otras fuentes, por dicho motivo no entraremos en demasiados detalles.

Cuando tratamos de medir una tensión (ver puentes de medida, debemos tener presente dos puntos muy importantes:

• ) El sistema de medida no debe influir (cargar) el punto bajo medida.
• ) El segundo punto, que nos muestre con la mayor exactitud la magnitud de la medida que intentamos realizar.

Actualmente, gracias a las nuevas tecnologías, tomar una muestra de la tensión en un punto de un circuito, casi no influye en éste, ya que la alta impedancia de los circuitos que utilizamos nos hacen fácil este punto. Así que, sería conveniente una escala de varios margenes, de modo que podamos utilizar el que mejor margen presente a la magnitud que esperamos encontrar.

Por supuesto que lo que nos interesa es medir los parámetros que se generan en la fuente ajustable. En la red hay diferentes códigos, usted es libre de aplicar el que más se adapte a su fuente, aquí le propongo uno concreto. El código que veremos se ha documentado en los propios comentarios que lo integran y poco más puedo añadir.

Este código dependiendo de la tensión mesurada, nos muestra el siguiente resultado:

 Fig. 15

Esto es solo un ejemplo de utilidad que usted puede implementar en la fuente de alimentación de su laboratorio. Ya puede aplicar este voltímetro a la fuente y dispondrá de una verdadera fuente de laboratorio. Espero haber cubierto las propuestas y que les sirva de referencia para sus futuros proyectos. En éste enlace tiene el circuito completo.

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