Las Fuentes de Alimentación 
(Lección 3)

Introducción.

El motivo de estas lecciones no pretende sentar las bases de los conocimientos sobre electrónica digital, sin embargo antes debemos revisar los conocimientos de la electrónica analógica. No obstante, si pueden aclarar algunos conceptos puntuales, que por cualquier motivo no se hayan retenido en su momento, si todo este trabajo lograra hacer entender un sólo concepto en alguno de los visitantes, ya me daría por satisfecho. De todos modos, GRACIAS, por anticipado.

En esta ocasión 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 diseño de fuentes de alimentación estabilizadas mediante reguladores integrados monolíticos (reguladores fijos), resulta sumamente fácil. Concretamente para 1A (amperio) de salida, en el comercio con encapsulado TO-220, se dispone de los más populares en las siguientes tensiones estándar de salida:

TABLA1
Tipo 1A positivo Tensión/Salida
UA7805 5
UA7806 6
UA7808 8
UA7809 9
UA7812 12
UA7915 15
UA7818 18
UA7824 24
UA7830 30
UA79XX Versión negativo =

Todos estos reguladores tienen en común que son fijos y que proporcionan adecuadamente refrigerados una corriente máxima, de 1A. Veremos un ejemplo en el esquema básico de una fuente de alimentación de 5 V y 500 mA en la Fig. 301


Fig. 301

Además de estos, en el mercado se pueden encontrar los reguladores ajustables de tres patillas o más, con diferentes encapsulados en TO-220AB, TO-3 y SIL, según la potencia y fabricante. Los más populares son los 78MG, LM200, LM317, LM337 y LM338, etc.

Los fabricantes de los reguladores recomiendan que la tensión entregada por el secundario del transformador debe ser como mínimo 3V superior a la tensión nominal del regulador (para un 7812, la tensión del secundario mínima será de 15V o mayor), esto también tiene que ver con la intensidad de consumo que se le exija a la salida de la fuente.

El Transformador

El transformador para una alimentación estabilizada debe ser, un transformador separador, esto quiere decir, que ha de disponer por seguridad, de dos devanados separados galvánicamente (eléctricamente), no es conveniente utilizar los llamados auto-transformadores los cuales como se sabe están construidos por una única bobina o devanado, el cual está provisto de diferentes tomas para obtener varias tensiones de salida, la verdad es que este tipo de 'transfo' actualmente no se ve muy a menudo.

Por consiguiente, a la tensión que le exijamos a la fuente de alimentación, hemos añadirle entre 3 y 6 V por las caídas de tensión producidas al rectificar y regular en tensión e intensidad si ese es el caso, todo esto como digo, puede tasarse empíricamente (no es el caso) en unos 4 voltios aproximadamente, lo que debe tenerse muy en cuenta. Hay dos tipos de transformador, los de armadura F o E-I y los toroidales O, estos últimos tienen un mejor rendimiento, no obstante no es determinante, por otra parte, es importante que los devanados estén separados físicamente y deben ser de hilo de cobre, no de aluminio. 

El Condensador Electrolítico.

A la hora de diseñar una fuente de alimentación, hay que tener en cuenta algunos factores, uno de ellos es la corriente que se le va pedir, ya que éste es, el factor más importante después de la tensión. Para determinar el valor del condensador electrolítico que se ha de aplicar a la salida del puente rectificador en doble onda, para alisar la corriente continua; la regla empírica que se suele aplicar, suele estar sobre los 2.000 uF por Amperio de salida y la tensión del orden del valor superior estándar al requerido, o sea, según esto, para una fuente de 1'5 A a 15 V, el condensador electrolítico debe ser al menos de 3.000 uF/35V.

Como se ha mencionado la tensión también se debe sobre dimensionar, ésta debe ser al menos diez unidades mayor que la tensión que se recoja en el secundario del transformador o la más aproximada a ésta por encima (estándar en los condensadores). Este es el margen de seguridad exigible, ya que en muchas ocasiones los valores de tensión a los que se exponen no sólo depende de la tensión nominal, también hay tensiones parásitas que pueden perforar el dieléctrico, en caso de ser muy ajustada la tensión de trabajo y máxime si estamos tratando con una fuente balanceada, este es otro caso.

El Rectificador.

Para rectificar una tensión debemos tener muy claro el tipo de fuente que vamos a necesitar, en contadas ocasiones optaremos por una rectificación de media onda, un caso concretos es el de un cargador de baterías sencillo y económico, en todos los demás casos, es muy conveniente disponer de un rectificador de onda completa, para minimizar el rizado. Los diodos encargados de esta función han de poder disipar la potencia máxima exigible además de un margen de seguridad. También están los puentes rectificadores que suelen tener parte de la cápsula en metálico para su adecuada refrigeración.

En algunos casos los rectificadores están provistos de un disipador de calor adecuado a la potencia de trabajo, de todas formas, se debe tener en cuenta este factor. La tensión nominal del rectificador debe tener así mismo un margen para no verse afectado por los picos habituales de la tensión de red, en resumidas cuentas y sin entrar en detalles de cálculos, para una tensión de secundario simple de 40V, debemos usar un diodo de 80V como mínimo, en el caso de tener un secundario doble de 40V de tensión cada uno, la tensión del rectificador debe ser de 200V y la potencia es algo más simple de calcular, ya que se reduce a la tensión por la intensidad y aplicaremos un margen de 10 a 30 Watios por  encima de lo calculado, como margen. En algún caso debe vigilarse la tensión de recubrimiento, pero eso es en caso muy concretos.

El Regulador

En el caso de necesitar corrientes superiores a 1A, como ya se ha dicho, pueden utilizarse los reguladores de la serie 78HXX, LM3XX, en cápsula TO-3, capaces de suministrar 5A. El problema reside en que sólo se disponen de 5V, 12V y 15V, que en la mayoría de los casos es suficiente.

En el supuesto de necesitar una tensión regulable (ajustable) desde 1'7V a 24V. El regulador a utilizar podría ser uno de la serie LM317, LM350 o LM338, la diferencia con los anteriores es que el terminal común, en lugar de estar conectado a masa, es del tipo flotante y por lo tanto esto permite ajustarle en tensión. Estos son los encapsulados típicos.

Fig.  302b - Cápulas de los reguladores ajustables

En la figura 302, se muestra el esquema básico mejorado. Los condensadores C1 y C2, se emplean con el fin de eliminar tensiones alternas residuales y mejorar el rizado de la rectificación, en cuanto a los diodos D1 y D2, sirven para la seguridad del regulador, contra tensiones inversas y evitar las tensiones parásitas que lo destruyan. Es muy recomendable siempre insistiré, se deben poner los mencionados diodos.


Fig. 302

Finalmente en la figura 303, se presenta una fuente de alimentación regulable de 1,7 V a 28 V, respetando los valores de la misma. Para evitar dañar el regulador, por exceso de calor, se recomienda refrigerarlo mediante un disipador de aluminio adecuado que se encuentra en los comercios especializados del ramo. El potenciómetro ajustable R2, permite ajustar la tensión de salida que se desee en cada momento. El diodo D1, protege al regulador de corrientes inversas, mientras que el diodo D3, evita que una conexión fortuita, cause problemas a la fuente por polaridad invertida. Esta fuente de tensión regulada ajustable no dispone de sistema cortocircuitable externo, por lo que habrá que llevar cuidado de no producir ningún cortocircuito en sus terminales de salida.

fig303.gif
Fig. 303

FUENTE REGULADA EN TENSIÓN Y CORRIENTE.

El circuito anterior, se puede mejorar considerablemente con sólo añadir un nuevo regulador que nos permita ajustar la corriente de salida de forma lineal mediante un potenciómetro P2 de 500W. Este regulador IC2, se conecta como regulador de corriente, lo que se consigue conectando la patilla 'flotante' o de masa, a la patilla de salida mediante una resistencia Rx, que en nuestro caso se encuentra en paralelo con el conjunto de resistencias de 1k y un potenciómetro de 500W para su ajuste lineal.

Además, para mejorarlo, hemos añadido una tensión negativa de -10V, limitada por una resistencia y un diodo zener de 1,2 V (LM385), que se encargará de proporcionar un punto de tensión negativa en la patilla 'flotante' o de masa del regulador IC1, encargado de proporcionar la tensión regulable mediante el potenciómetro P1, como ocurría en el anterior esquema, esto nos permitirá obtener una tensión de salida comprendida entre 0V y los 27V (tensión de margen). El esquema descrito se puede apreciar en la figura 303b.


Fig. 303b

Con estos ejemplos se dispone de unos esquemas sobre fuentes de alimentación reguladas que pueden servir como punto de partida para otros proyectos y porqué no, ellas mismas tal cual, pueden sacarnos de un apuro con unos pocos elementos y un poco de nuestro tiempo.

EL CIRCUITO PRÁCTICO.

Alguien puede decidirse por trazar las pista por el sistema de rombos, cubos y rectángulos, por que le lleva menos trabajo, aunque esto no es importante, siempre que admita la corriente máxima. Esto, consiste en trazar unas líneas entre lo que serán los terminales de los diferentes componentes, separando de esta manera los trazos que representan las pistas, dichas líneas, serán el cobre que se comerá la solución ácida que se emplee para su realización.

En la práctica, la placa de circuito impreso o PCB, con el puente rectificador y el condensador electrolítico, se pueden apreciar en la figura 304. El regulador LM317, se debe montar directamente sobre el refrigerador, aplicándole silicona de contacto y por seguridad un separador aislante y conectar al PCB mediante hilo de 2 m/m de sección, las pistas de conexión generales se representan con mayor espesor, se ve claramente, debe ser de unos 3 m/m de ancho soportan más intensidad, las salidas para el potenciómetro que estará en el panel, se harán con hilo de conexión de 1.25 m/m de sección. El led, deberá instalarse en el panel.

fig304.gif - PCB fuente con LM317
Fig. 304

Los trazos negros, representan las pistas del circuito impreso y son la únicas de la placa pcb. El transformador necesario, ha de disponer de dos secundarios de 18V y 1'5A, cada uno, como se verá estos están sobre dimensionados por seguridad.

Los puentes rectificadores deben ser del tipo metálico con terminales faston, el terminal positivo tiene un resalte en la caja a parte de estar marcado al lado de éste. Los terminales con una (S) deben conectarse cada uno, mediante hilo de sección de 2 m/m a cada terminal del mismo secundario, el otro rectificador, se conectará de igual modo al otro secundario del 'transfo', con esto disponemos de dos tensiones más o menos iguales en las respectivas salidas de ambos rectificadores.

Por otra parte, debemos preparar un dibujo de las pistas que, se ajuste al esquema adjunto, sobre una placa de fibra de vidrio de manera que nos pueda dar mejores resultados y sea más fiable. Cada uno puede trazar las pistas como mejor le parezca, pero, debe guardar ciertas reglas, una de las más importantes es la separación entre pistas no debe ser inferior a 2 m/m en el peor de los casos, otra es el espesor, debe observarse que las pista con mayor consumo, han de soportar más paso de corriente y deben ser de mayor espesor unos 2 o 3 m/m será suficiente para el ej. y procurar trazos lo más cortos posible, las esquinas sin picos.

Necesitamos tres condensadores electrolíticos (son los que tienen polaridad), con una capacidad en este caso concreto de 2.000 uf/63V, para evitar en lo posible el rizado de alterna, se utiliza esta alta capacidad para más seguridad, cuando se exija el máximo de corriente. La tensión de +5V, la obtendremos del puente que representa el punto más positivo en el montaje, como se aprecia en el esquema general.

Los reguladores que utilizaremos en esta ocasión, son de 5V y 12V, con las referencias 7805, 7812 y 7912 el encapsulado, del tipo TO220AB, de esta manera se pueden atornillar sobre disipadores diferentes, Atención cada uno por separado, salvo que se disponga entre cada cápsula y el disipador un separador aislante, en este caso puede usarse un disipador único, ya que el terminal central de los reguladores 7812 y 7912, es de signo de tensión diferente y se estropearían inmediatamente si no se respetan estas reglas.


Fig. 305

La imagen anterior consta de dos partes, en la superior, el fondo negro, representa el cobre de la placa de fibra de vidrio o baquelita en su caso, las líneas blancas son las separaciones entre componentes, las cuales, es lo que el ácido 'quitará', los trazos de color son las siluetas de los componentes y los cubos blancos son los 'pads', para las patillas de los componentes, los cuadrados de las esquinas, son para los pasadores de los tornillos que sujetaran la placa al chasis. En la parte inferior se presenta el negativo, visto por la parte de las pistas.

Este, es otro esquema fig. 305c con el cual podemos construir una fuente simétrica para nuestro propio laboratorio o taller de reparaciones. En ocasiones se necesita una fuente de alimentación regulada con varias tensiones, siendo lo más habitual encontrar en el comercio las tensiones de +12V y -12V. Ahora repasaremos el esquema de una fuente de estas características que nos proporcione a su salida una corriente de 1A en cada salida. Básicamente, utilizaremos dos partes del esquema de la fig. 302.

fig305.gif - Fuente de alimentación
Fig. 305c

El punto común de masa, se refiere a las tensiones de +12V y -12V, las cuales se dice que son simétricas, en cambio la salida de +5V es independiente.

EL CIRCUITO CON EL I.C. µA723

Un circuito integrado bastante utilizado para realizar fuentes de alimentación ajustables, es el popular µA723PC encapsulado DIL de 14 patillas, el cual admite una elevada tensión de entrada de 40V que dopándola puede llegar sobre los 120V dando una salida ajustable entre 2V y 37V a 150 mA, pero en algunos casos como en fuentes para transmisión, se vuelve bastante inestable, por lo que respecta a mi experiencia.

En ciertas revistas especializadas del sector, se pueden encontrar esquemas mucho más elaborados a los que se les puede exigir mayores prestaciones, tales como que, la salida parta de 0V y no de los 1' 7V, como que sea cortocircuitable, ajustable en corriente de salida, entre otras.

En la siguiente figura 306, se muestra el esquema básico de la alimentación propuesta con un LM723D y debajo el circuito de aplicación, visto por la cara de los componentes porque es muy sencillo consideramos que no requiere mayores descripciones.

Fig. 306b - Esquema de la fuente con el 723
Fig. 306 

Algunos Casos Especiales.

En algún caso, puede ocurrir que alguien que lea este manual y después de considerarlo se deprima, debido a que no tiene forma de hallar en el comercio o en su ciudad, los reguladores que se describen más arriba. Entonces, qué podemos hacer, voy a pensar que por lo menos si pueden localizar transistores de cierta potencia, como por ejemplo los 2N3055, no importa de que fabricante, este transistor, los fabricantes normalmente dicen que, bien refrigerados pueden dar 15A, yo quiero ser más realista y lo voy a dejar en 3 A a 45V, eso sí, requiere una corriente de base bastante apreciable, ya que su b (beta) es de tan solo 20.

Veamos, cómo podemos montar una fuente regulada de alimentación ajustable entre 0V y 30V con una salida de 0A a 3A.

Vamos a centrarnos en lo que es el esquema y los componentes que vamos a utilizar, dejando a un lado no menos importante elementos como el transformador, la caja donde ubicaremos el circuito impreso y los condensadores electrolíticos y también los refrigeradores, todas las piezas más grandes y de mayor peso del montaje.

Primero, debemos pensar que vamos a tratar con corrientes bastante importantes sobre los 3 o más amperios junto a unas tensiones relativamente bajas, sobre un máximo de 50V, fríamente estamos hablando de 150 W (vatios), una apreciable potencia a tener en cuenta.

Las pistas del circuito impreso deben soportar corrientes elevadas y por lo tanto tienen que tener cierto espesor, sobre 3 mm. Por otro lado los transistores que vamos a utilizar los 2N3055, tiene una cápsula metálica TO-3, los diodos rectificadores, deben soportar corrientes de 5A a 8A para tener cierta seguridad (BYX38 o similar) y si es posible refrigerarlos también (esto por su cuerpo, es más problemático), veremos cómo solucionarlo.

En cuanto a los transistores, vamos a utilizar un montaje en Darlington, este tipo de montaje tiene la ventaja de multiplicar su rendimiento según la b (beta o ganancia), lo que nos dará un mejor aprovechamiento de las características intrínsecas del transistor por sí mismo.

Montaje Darlington

fig311.gif - Circuito DarlingtonEn la figura de la derecha, puede apreciarse la sencillez del montaje en sí, es decir, los colectores unidos entre sí y el primer emisor atacará la base del segundo transistor, esto puede ampliarse, pero no vamos a entrar en ese punto más allá de lo que se ve en la figura, el diodo es de protección.

 

El primer transistor cuya base está libre, puede ser un transistor diferente, por ejemplo un BD245B con una b de 40
 y como segundo el 2N3055, en cambio la ganancia del 2N3055 es tan sólo de 20, (pueden usarse como primeros los Darlington TIP120 o TIP141B con cápsula TO-220, los cuales tienen una ganancia de 1000 y 750 respectivamente). Teniendo en cuenta esto, si utilizamos dos 2N3055 en Darlington obtendremos una ganancia de 400, que se puede considerar moderada y en nuestro caso casi aceptable. Por lo tanto, si utilizamos un TIP141B y un 2N3055, la ganancia lograda, es de 15000 aproximadamente, mas que suficiente. 

Fuente regulada sin I.C.'s.

Todo esto que hemos visto es muy interesante y cualquiera puede proponerse realizar un proyecto basándose en algún circuito o explicación de las descritas en este tratado. Sin lugar a dudas que siguiendo los pasos descritos y revisando bien lo que se hace, puede y debe lograrse el éxito en la realización y posterior puesta a punto.

Sin embargo, cuando un aficionado o incluso un técnico, debido a situaciones en las que nadie quiere entrar, por las cuales no dispone de un mínimo de dispositivos o dicho de otro modo, cuando no se dispone de circuitos integrados con los que realizar una simple fuente de tensión regulada, disponiendo tan sólo de unos transistores y me atrevería a decir unos pocos, para esos casos o circunstancias, he pensado (léase, me han pedido), que haga una pequeña descripción de un proyecto que les pueda servir, y en eso estamos.

No se puede describir con pocas palabras el funcionamiento de un circuito de una fuente auto-estabilizada, por lo que recurriré a un símil para explicar dicho funcionamiento. En la  figura 307, se muestra una sencilla fuente de tensión con transistor.

Fig.306b - Fuente simple
Fig.  307 - Fuente simple

Supongamos que a la salida de una fuente de tensión continua, conectamos un potenciómetro ideal, con el fin de obtener tensiones entre 0 y el máximo que nos proporciona dicha fuente, esto es un ajuste manual de la tensión. Ahora, seleccionamos cierta tensión con el potenciómetro y le conectamos una carga, debido al consumo de la carga, se produce una caída de tensión.

Para compensar la caída de tensión provocada por la carga, tendremos que variar la posición del potenciómetro a la misma velocidad que varía la carga, para estabilizar la tensión de salida. Es fácil de entender y también que es muy difícil de conseguir de forma manual, por este motivo se utilizan los sistemas electrónicos ideados para hacerlo fácil.

Descripción del circuito regulador

En la figura 307b, se pueden apreciar el circuito teórico de la fuente estabilizada ajustable y las tres partes de las que consta: Q1- regulador de potencia; Q2- amplificador (parte del darlington) y Q3- amplificador diferencial.

fig. 306c - Fuente ajustable estabilizada.
Fig. 307b - Fuente ajustable estabilizada

En este esquema teórico, podemos apreciar cómo el transistor Q3 compara, la tensión de referencia proporcionada por Dz2 (permaneciendo constante la tensión del emisor de Q3) y la tensión del "divisor de muestreo", formado por Dz1, R4 y P1.

El nivel de conducción de Q3, dependerá del resultado de dicho diferencial de tensiones ya descritas. La máxima conducción de este transistor, se obtiene con la posición del cursor del potenciómetro P1, cuando está cerca del ánodo del zener Dz1, en cuyo caso la tensión aplicada a la base de Q2 será mínima y esto proporciona la máxima impedancia (o sea, máxima tensión colector-emisor) de Q1, reduciendo así la tensión de salida al mínimo. Sigamos.

La auto-regulación.

Una forma de reducir el consumo de corriente en un circuito, consiste en reducir su tensión de alimentación de algún modo, esto digamos que, no es muy ortodoxo, ya que una reducción de tensión P1 produce un cambio de corriente y esto produce un cambio  (reducción de corriente) que hemos de corregir y a éste cambio le sigue otro cambio, de manera que resultaría del todo imposible modificar los cambios con la debida celeridad que exige. Ahora, veamos cómo podemos lograrlo de modo automático, es decir, compensando la caída de tensión por un medio electrónico con el que se corrijan y compensen las variaciones que se producen.

Al aplicar una carga a la salida de una fuente, inmediatamente se producirá una caída de tensión, proporcional a la carga que, tiende a reducir la tensión de salida. El divisor de tensión (o 'muestreo') del circuito, detecta esta caída de tensión, al compararla con la de base de Q3, esto hace que éste reduzca su conducción y aumente la tensión en la base de Q2 a través del partidor formado por R1 y R2, lo que repercute sobre Q1, reduciendo su impedancia entre colector-emisor a consecuencia de lo cual aumenta la tensión de salida de forma proporcional para compensar la mencionada caída producida por la carga.

Es evidente la similitud entre lo descrito en el párrafo anterior y el símil del potenciómetro. El tiempo de respuesta  ante una variación en la carga es de unos pocos microsegundos, lo que hace inapreciable la variación en la tensión de salida. Esto es en sí la auto-regulación. 

FUENTE CORTOCIRCUITABLE.

Con lo descrito hasta ahora, si a la salida de la fuente de la figura 307b se produce un cortocircuito, la tensión en la salida tiende a 0V y la corriente de paso tiende a infinito (bueno a lo que de el transformador), esto hará que Q1 entre a conducir al máximo, aumentando así su temperatura, que a su vez producirá un incremento de corriente, lo que incrementará la temperatura del mismo produciendo el efecto avalancha y en décimas de segundo alcance su punto de destrucción por alta temperatura. Veremos cómo evitar este efecto (o 'defecto') de forma sencilla y efectiva.

En el siguiente circuito figura 307c, vamos a describir cómo realizar una fuente de alimentación regulada y ajustable en tensión y corriente, que además sea cortocircuitable. 

fig. 306d - Fuente regulable y cortocircuitable
Fig. 307c - Fuente estabilizada ajustable y cortocircuitable.

Como puede observarse en la figura, el esquema pertenece a una modificación de la fuente descrita en estas mismas páginas, se trata del mismo circuito descrito para el cargador automático de baterías, sólo que en esta ocasión hemos quitado la parte que pertenece al detector de intensidad que afecta a la desconexión. Revisar el citado cargador automático para una mayor comprensión de lo expuesto. Recomiendo que las resistencias R11 a R13, sean de 0'1 a 0'3W 15W. Los cables de salida positivo y negativo, no deben ser excesivamente largos (1'5m) y sobre todo pensando que pueden soportar 3 Amperios o más, debe ser de 3 a 4 m/m de sección Ø.

Los componentes.

Los componentes necesarios para este tipo de fuentes son:

(1) transistor NPN, T1 = BD 139 o similar 50V -- 0'5 A

(2) transistor NPN, T2, T4 = BD 241B o similar 50V -- 1'5A

(1) transistor NPN, T3 = 2N3055 o similar  80V -- 3A

(3) diodos 1N4007

(1) diodo LED rojo 5 m/m

(1) condensador electrolítico C1 200 uf/63V

(1) condensador cerámico de 47 a 100nf

(1) puente rectificador de 5 A

(9) resistencias de 1/4 de vatio

(3) resistencias de 5 vatios 0'5 W

(2) potenciómetros de 10kW

(1) relé Rl de un contacto N.O.

(1) transformador de red 220V - 15V : 3 o 5 A

(1) pulsador M y refrigeradores adecuados.

Con esto, doy por suficiente la descripción en referencia a la explicación sobre esta fuente regulada y ajustable, si algún punto no está claro, envíame un e-mail con las dudas que tengas.

Las fuentes de alimentación de potencia.

Hemos visto lo sencillo que resulta el montaje de una simple fuente de alimentación fija en la parte anterior, también se vieron de pasada las fuentes ajustables (fig. 302 y fig. 303).

El juego de palabras regulada, fija y ajustable, responde a tres conceptos bien diferenciados en la práctica, ya que la parte de regulada, se refiere a la operación interna (del chip) que se encarga de realizar las auto correcciones necesarias para que a la salida entregue la tensión establecida como tal, el término de fija, responde al hecho que representa en sí misma que la tensión de salida no varía en ± lo previsto en las especificaciones del fabricante que puede ser alrededor de 0,05V y por último el término de ajustable evidencia que el usuario puede ajustar la tensión de salida al nivel que en cada momento necesite.

Aclarado el tema, sigamos. En muchas ocasiones necesitamos una fuente de alimentación que nos proporcione más de 1A y esto puede convertirse en un problema que aumenta, si además queremos, por seguridad, que esa cortocircuitable. Bien, el primer paso es de relativa sencillez y lo abordaremos sobre la marcha.

La solución es dopar (añadir) un transistor de potencia o los que sean necesarios para que nos proporcione la corriente deseada.

La función de este transistor de potencia consiste en asumir el hecho de soportar la alta corriente que necesitamos, veamos cómo se realiza esto. Si aplicamos convenientemente la tensión de salida del regulador por ej. de 12V 1A a la base del transistor de potencia, está claro que éste nos proporcionará más corriente a su salida y estará regulada por otra parte debido a que el regulador es cortocircuitable en cierta medida, tenemos la solución deseada.

No obstante, la efectividad que nos proporciona el regulador para la función de cortocircuito, no la podemos dar por buena a la hora de aplicarlo al transistor de potencia, ya que es un circuito añadido y puede que no responda con la rapidez suficiente y para evitar estos inconvenientes, intervendremos en este apartado con un circuito añadido.


Fig. 308

Principio de Alimentación Ajustable.

 Hasta el momento, hemos visto las fuentes de alimentación de regulación o estabilización fija. En esta parte, vamos a abordar lo que se entiende por una fuente de alimentación regulable y ajustable y lo que conlleva este hecho.

Las ventajas que aporta una fuente ajustable básicamente son, la posibilidad de alcanzar en su salida una tensión continua exacta a la especificada por el usuario o circuito examinado, bajo prueba. Esto que en un principio parece una simpleza, no lo es tanto cuando hemos de variar la tensión en niveles de un voltio o incluso menos en ciertos casos y si además necesitamos que dicha fuente sea cortocircuitable, esto puede complicarse un poco.

Una fuente de alimentación sencilla puede ser uno de los ejercicios que mejor ilustran una lección de electrónica práctica y, eso precisamente es lo que vamos a realizar. Proponemos estudiar cómo construir una fuente de alimentación que nos sirva para la mayoría de las aplicaciones que habitualmente venimos realizando en las prácticas de las escuelas, laboratorios y academias de enseñanza sobre electrónica (¡uf!, donde me estoy metiendo).

Vaya por delante mi total respeto por los formadores, una disciplina de lo más importante en nuestros días pero tan mal considerada, gracias a ellos los tiempos pueden y de hecho mejoran. Felicitaciones por dar lo que tienen, profesores. Sus conocimientos.

Volviendo donde estábamos. En la siguiente figura 309, se presenta el esquema de una alimentación cuyas características podemos considerar amplias, en el aspecto de cubrir las necesidades más habituales que se pueden presentar en la mayoría de los casos.

Fuente simétrica ajustable.

Seguro que en muchas ocasiones hemos necesitado una fuente capaz de suministrar diversas tensiones dentro de un amplio margen de valores. Del mismo modo y por causa de los distintos márgenes de consumo, habría sido útil que dicha fuente incorporara un limitador de corriente ajustable, por ejemplo; para cargar baterías Ni/Cd, en cuya carga es necesario mantener constante la corriente de carga y que fuera cortocircuitable para usarla en circuitos cuyo consumo desconocemos.

Generalmente, para 'cacharrear' es suficiente con una fuente de alimentación sencilla, nada más lejos de la realidad. En algunas aplicaciones será necesario que la corriente suministrada por la fuente sea elevada y en casi todos los casos una fuente regulable de 0V a 30V capaz de suministrar 5A será más que suficiente para poder alimentar todos los prototipos y equipos de laboratorio.


Fig. 309

En estas figuras, se presenta un esquema de principio de una fuente sencilla construida, entorno a un regulador µA78HG o el LM338, ambos son reguladores de cuatro patillas ajustables de 5 A  de salida y cápsula metálica TO-3. Se recomienda el LM338, ya que la serie de Fairchild es obsoleta desde hace muchos años.

Como decíamos, el problema se presenta en el momento de alimentar amplificadores  operacionales, los cuales requieren de alimentación simétrica, como los amplificadores de audio con entrada diferencial. La mayoría de los Op-Amp (amplificadores operacionales) requieren una alimentación positiva respecto a masa y otra negativa respecto a la misma masa, debiendo ser del mismo valor, de ahí lo de simetría.

Mediante la combinación de este montaje podremos disponer de una fuente estabilizada y capaz de entregar una corriente de hasta 5A y una tensión regulable de  ±5V y  ±20V, como luego veremos.

El circuito es sencillo debido a la utilización de dos reguladores de tensión los cuales proporcionan al montaje alta fiabilidad, robustez y características casi inmejorables. Uno de los reguladores LM338 (µA78HG) se encarga de la rama positiva y el otro LM337 (µA79HG), se encarga de la rama negativa.

No pasaremos a contemplar la constitución de cada uno de ellos, ya que consideramos que entra en la parte más teórica y pretendemos ajustarnos a lo esencial y práctico, el lector puede localizar las hojas de características si está interesado.

El ajuste de la tensión de salida se realiza mediante la actuación sobre un potenciómetro (P1) y una resistencia (R1) para mantener el valor mínimo, de 5V que especifica el fabricante. Con el fin de mejorar la respuesta a los posibles transitorios, evitar auto oscilaciones y mejorar el filtrado, se utilizan unos condensadores electrolíticos de baja capacidad a la entrada y salida de cada regulador, como se aprecia en la figura 309.

En la figura 310, se puede apreciar el circuito completo correspondiente a la fuente de alimentación simétrica. Los componentes necesarios, corresponden a la versión de la derecha con el LM337 y LM338, por seguir fabricándose en la actualidad. Se necesitan:

C1, C2 =3300µf/63V

IC1 =LM338(+1,2 a 32V)

R1, R2 =120 a 240W

C3, C4 =1000µf/63V

IC2 =LM337(-1,2 a 37V)

PR =80C3300

C5, C6 = 470µf/63V

P1, P2 =Pot. Lin 10kW

Tr=Transfo. 220V :24V+ 24V


Fig. 310

La tensión suministrada por el secundario del transformador T1, constituido por dos secundarios simétricos (del mismo valor 24V), se rectifica mediante el puente rectificador PR, y posteriormente se filtra mediante los condensadores electrolíticos idénticos C1 y C2 los cuales se cargarán a la tensión de pico, la tensión obtenida a la entrada de los reguladores será de aproximadamente 33,8V.

Mediante los potenciómetros P1 y P2, debe ser uno doble de modo que la tensión de salida sea idéntica en cada ramal, para lograrlo se debe retocar la posible diferencia con el potenciómetro de ajuste en serie. Si se desea, se puede ajustar independientemente la salida de cada ramal, al valor deseado utilizando dos potenciómetros independientes, en el margen de 5 a 28V. Los condensadores C5 y C6, mejoran la respuesta de los reguladores frente a los transitorios de conmutación a la salida.

En la siguiente figura presentamos una fuente simétrica ajustable que puede cubrir un amplio margen de usos en nuestro laboratorio o taller. Los valores están incluidos en la misma figura.

De nuevo mediante los potenciómetros P1 y P2 se puede ajustar independientemente la salida de cada regulador al valor deseado, en el margen de 0 a 30V. Los condensadores C5 y C6 de 47 a 100nf, mejoran la respuesta de los reguladores frente a los transitorios de conmutación a la salida.

Montaje

El montaje queda reducido y compacto al utilizar un circuito impreso (PCB). Se debe prestar especial atención a no invertir la posición de los condensadores electrolíticos, así mismo, no intercambiar los reguladores, en la práctica se puede apreciar que los patillajes de ambos difieren entre sí, lo que debe observarse con atención ya que su inversión los destruye inmediatamente. El transformador, según la línea de red y 5A de salida por secundario.

Las zona de contacto entre los reguladores y el refrigerador debe aislarse e impregnarse de silicona especial que, ayudará a disipar el calor, poner especial cuidado en aislar todos los terminales de los mismos ya que igualmente se destruirían por cortocircuito.

Los cables de conexión deben ponerse de suficiente sección 2 o 3 mm Ø,  para no oponer ninguna resistencia y así evitar caídas de tensión al cargar la salida. Para poder controlar en todo momento el valor de la tensión de salida suministrada por la fuente, recomendamos incorporar en la caja, dos indicadores (galvanómetros) uno por rama, como voltímetros y si se desea dos como amperímetros.

Utilización

Al terminar el montaje, la fuente quedará dispuesta para su inmediata utilización, sin necesidad de ajuste alguno, salvo el ajuste de los P1 y P2 para obtener la tensión deseada a la salida.

En caso de cortocircuito, la corriente máxima quedará limitada a 7A, según el propio fabricante evitando de este modo su destrucción. Se recomienda no probar si esto es cierto, debido al alto costo de estos reguladores y la hipotética posibilidad de que no actúe el sistema de desconexión interna.

F. Alimentación de Laboratorio.

Cuando necesitamos disponer de una fuente de alimentación con ciertas características, es buena práctica tomarse un tiempo meditando las necesidades que queremos abarcar, es decir, hemos de considerar los márgenes de tensión entre los que podemos vernos obligados a utilizar, entre los cuales es muy conveniente disponer siempre de una tensión mínima de 0 Voltios, hasta lo que nos permita la economía, es decir, interviene el precio del transformador separador, el cual representará aproximadamente del 55 al 60% del costo de la fuente de alimentación de laboratorio, una vez hayamos decidido la tensión que 'podemos' utilizar (pensar que a la salida del transformador hay que añadirle aproximadamente 4V, revisa lecciones anteriores).

El transformador es la parte más importante de la fuente de alimentación y talvez lo más caro, el segundo objeto a tener muy en cuenta es el o los condensadores electrolíticos, por su tamaño a la hora del espacio y el costo, no cabe duda. En segundo plano quedan el resto de componentes pasivos, así mismo, como la etapa de potencia (transistores de salida en este caso) que depende del tipo, yo recomiendo si es posible el encapsulado TO-3 por su robustez y fácil disipación (¡ojo!, debe aislarse cada uno eléctricamente mediante un separador de mica o nylon y silicona), con el mencionado refrigerador de aluminio, la caja metálica y los instrumentos tales como el Voltímetro y el Miliamperímetro, en este caso utilizamos dos micro amperímetros (µA), idénticos de 100µA.

Las características del transformador una vez más, deben decidirse dependiendo de la tensión que deseemos a la salida de nuestra fuente de alimentación.

  1. La tensión de salida máxima a plena carga se considerará aproximadamente igual al producto de la tensión nominal del secundario por la raíz cuadrada de 2 (1,4142).

  2. Para la corriente de salida puede calcularse que, el transformador debe proporcionar una corriente alterna igual al producto de 1.4142 por la corriente máxima exigida a la salida. Podemos decir que, para una corriente de salida de 3A el transformador suministrará 4A.

Para estabilizar una tensión, puede optarse entre dos procedimientos: la estabilización en paralelo o la estabilización en serie. En el primer caso, se monta el transistor de regulación en paralelo con la carga; mientras que en el segundo, el transistor se coloca en serie con la carga. El más extendido de ambos métodos es el segundo por su mayor control y es el que adoptaremos en nuestro circuito, no hay pues, nada nuevo hasta ahora. Es en el tipo de regulación en donde radica la novedad.

Comencemos por examinar el esquema de la fuente de alimentación de precisión de la figura 312, en el que se aprecian dos amplificadores operacionales IC1 e IC2, un transistor T de potencia de paso en serie, una fuente de corriente de referencia (Uref y R) y un potenciómetro P1. El segundo amplificador operacional (IC1 en el diagrama), es el responsable de la limitación de corriente de salida. La tensión a extremos de la resistencia de emisor Rs del transistor T es proporcional a la corriente de salida. Una parte de esta tensión de referencia se deriva por la posición de P2 y se compara con la tensión a través de Rs mediante el operacional IC1. Cuando la tensión en Rs se hace más alta que la establecida por P2, el amplificador operacional reduce la corriente de base de T hasta lograr que la diferencia sea cero. El diodo LED, situado a la salida de IC1, funciona como un limitador de corriente. 


Fig. 312 Diagrama de bloques de la fuente de alimentación.

La Tensión de Referencia

Lo esencial del circuito es la fuente de tensión Uref con una resistencia R. Debido a que como bien se sabe, un amplificador operacional tiende a anular la diferencia de potencial entre sus entradas, regulando la señal de salida reinyectada en la entrada inversora, así pues, la tensión de salida es siempre igual a la tensión existente en la entrada no inversora.

La resistencia en serie R, está efectivamente colocada entre las dos entradas del amplificador operacional. No obstante, debido a la alta impedancia que ofrecen dichas entradas, al menos teóricamente, ninguna corriente podrá penetrar en el amplificador operacional. Entonces, la corriente derivada de la fuente de referencia seguirá el recorrido que muestra la línea de trazos en el diagrama de bloques.

Puesto que U1 = U2 (el amplificador operacional se encarga de que se cumpla) la corriente será constante, independientemente de la posición del potenciómetro P1 así como, del valor de la resistencia de carga. El valor de esta corriente será Uref/R, lo que genera una tensión a extremos del potenciómetro P1 que el amplificador operacional corrige en su salida, mientras que la corriente de referencia se compensa mediante la carga. Lo cual nos proporciona un circuito que nos entrega una corriente de referencia constante incluso a 0 voltios, mediante una fuente de tensión de referencia y una resistencia.

EL ESQUEMA

El circuito de la fuente de alimentación, mostrado en la figura 313, 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 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 S1 (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. 

Los valores de R4 y R16 dependen directamente de la magnitud máxima de tensión y corriente de salida, sería conveniente utilizar un potenciómetro ajustable, mientras se realiza el calibrado de la fuente, luego se pueden sustituir por las resistencias de valores apropiados.

En la figura 313, se presenta el esquema general de la fuente de alimentación para laboratorio, esta fuente es la que utilizo personalmente en mi 'labo'. Por cierto, la hice siguiendo los pasos de una revista en la que salió hace bastantes años, como da muy buen resultado no creo que haga falta cambiar nada. En la figura, T2 (BD241) proporciona la corriente de base de los transistores T3, T4 y T5, conectados en paralelo, cuyas salidas (Emisores) están compensadas mediante las resistencias de alta potencia (3W), las cuales entregan la salida de la fuente de alimentación a través de R21 de 0'22W y 3W.

El haber empleado los 2N3055 conectados en esta forma, proporciona una corriente de 3 Amperios con suma facilidad y se puede considerar una forma bastante económica. 

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 de alta corriente, debería ponerse, para compensar las pérdidas.

EL CIRCUITO (PCB)

En la figura 314, se presenta la placa de circuito impreso (PCB) y algún detalle de montaje, más abajo la lista de componentes.

Las resistencias R17 a R22 deben escogerse de cerámica para disipar el calor, de 2W para la R17 de 10w, las demás de 3W, al instalarlas, tener la precaución de separarlas del circuito impreso. 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, como ya se ha mencionado. No se me ocurre ningún detalle más que mencionar.

En cuanto al ajuste, las resistencias R4 y R16 como ya se ha mencionado, se montarán durante el ajuste ya que su valor final depende de la magnitud máxima de la tensión y corriente de salida, a extremos de R9 debe haber 7'15V.

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, ya podemos 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.

Para adquirir el fotolito (dibujo o imagen) a imprimir para obtener la placa PBC, por 5 Euros, debe ponerse en contacto con el autor mediante correo-e [-admin-@hispavila.com] elimine los guiones de admin.

LISTADO DE COMPONENTES

Resistores   Valor Capacitores   Valor Semiconductores
R1,R3,R6,R8,R12R13,R14

=

 4k7W C1,C2 = 1000 µf/35V B1 = Puente rectificador B40C1000
R2 =  22W C3 = 100µf/63V B2 = Puente rectificador B80C5000/3300
R4,R16 =  ver texto C4,C7 = 100 pf/63V D1,D8 = Diodo rectificador 1N4007 
R5 = 10k C5 = 10 µf/35V D2...D5 = Diodo Schotkly 1N4148 
R7,R10 =   1k C6 =    1 nf/63V D6 = Diodo zener de 3V3 400mW 
R9 =   2k2 C8 =  56 pf/63V D7 = Diodo Led rojo 
R11 =  470W/1W C9 =  47 µf/63V T1 = BC559C PNP transistor
R15 = 15k C10 = 4700µf/63V T2 = BD241 NPN transistor
R17 = 10W/1W C11 = 820 pf/63V T3,T4,T5 = 2N3055 NPN transistor con disipador común
R18,R19,R20,R21 =  0,22W/3W C12 = 100nf/63V IC1 = µA723C regulador
R22 =  4k7/1W IC2,IC3 = µA741 OpAmp
R23,R24 =  47W
R25 =  5k6 Varios
R26 =  270k S1 = Interruptor bipolar
P1 = pot. 50k lin. M1,M2 = Galvanómetro 100 µ A
P2 = pot. 1k lin. Tr1 = Transformador de red 2x12V/0.5A
P3 = pot. ajustable 2k5 Tr2 = Transformador de red 33V/4A
P4 = pot. ajust. 250k F1 = Fusible 2'5 A
      Da Disipador de Aluminio 3x 2N3055 

REVISIONES:
 20/09/07  Modificar errores T1 es PNP y R17 es de 10  14/06/04  Mejoras en: la primera, segunda y tercera parte y figuras. 
 04/12/02. Cambios en los valores de C1 y C2 por los correctos.
 03/10/02. Mejoras en las imágenes del esquema electrónico y el PCB, mejorando calidad.
 18/05/01. Presentación de la lección.

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   Creado: Ago. 21, 2000
Revisado:20-09-2007