Autores de la página

  • Camilo Castro
    enero 6, 2012
  • Jose Durango
    diciembre 6, 2011

Fuente de alimentación D.C. sin transformador


INTRODUCCIÓN

Este documento se basa en el PDF llamado Fuente de alimentación sin transformador: Capacitiva resistiva. Este documento se revisó tanto de forma teórica como práctica, tal como se demostrará en las siguientes líneas.

Cabe aclarar el concepto de una fuente de voltaje D.C.; como bien se sabe, existen dos tipos de corrientes, una continua o D.C. y otra alterna A.C., la principal diferencia es que la primera es una corriente fija y continua en el tiempo, mientras la segunda no tiene un valor fijo y su variación es permanente en el mismo plano, tal como se puede apreciar en la figura 1.

Figura 1. Ilustración del comportamiento de la corriente directa (Izquierda) y la corriente alterna (derecha)


Fuente. Autores.

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

La corriente D.C. tiene una función diferente a la de alimentar hogares enteros, esta tiene como principal objetivo alimentar un circuito con un voltaje fijo, con la ventaja de que el comportamiento del circuito va a ser lo más lineal posible, por ejemplo si tomamos un motor D.C. y lo alimentamos con corriente directa, este se moverá en una sola dirección a una misma velocidad, mientras que si le aplicamos una corriente alterna este se moverá en ambos sentidos o se quedará quieto debido a la fluctuación de la misma corriente.

OBJETIVOS

  1. Entender la importancia de la corriente continua en los circuitos electrónicos.
  2. Aprender las diferentes maneras de convertir corriente A.C. a D.C., con sus respectivas ventajas y desventajas.
  3. Llevar de lo teórico a lo práctico los conocimientos adquiridos a través de este artículo.


MARCO TEÓRICO

Este es un tema bastante robusto y extenso si nos basamos en las distintas bases matemáticas dadas por los libros, lo que se tratará de hacer es dar una idea de la forma de cómo hacer una fuente de voltaje D.C. a partir de una alimentación A.C. de 110V a 220V RMS, pues cabe destacar que este proceso es innecesario si se cuenta con baterías eléctricas o paneles solares, por ejemplo. Para profundizar en este tema recomendamos leer el libro de Electrónica: Teoría de Circuitos Y Dispositivos Electrónicos escrito por Robert L. Boylestad y Louis Nashelsky, pues consideramos que es un excelente punto de referencia tanto para fuentes de voltaje y de corriente, como para teoría de semiconductores, osciladores y principios de amplificación como de modulación, en sí es un excelente libro para tener en sus bibliotecas.

Básicamente la función de los circuitos que se mostrarán a continuación es bajar la tensión eléctrica, filtrar y corregir el rizado de la señal alterna que llega de la red, para entender este concepto se describirá el funcionamiento de una fuente con transformador y posteriormente se dará a conocer el funcionamiento de una fuente sin este elemento.

Fuente de alimentación D.C. con transformador

El funcionamiento de estas fuentes se basa en cuatro etapas críticas reducción del nivel de voltaje, rectificación, filtrado y por último regulación.

Reducción del nivel de voltaje

La reducción del nivel de voltaje se logra gracias al transformador, este dispositivo permite alterar el nivel de voltaje que le sea entregado, sin modificar la potencia. Este elemento se compone de dos bobinas cuya interacción entre ambas se hace por medio de inducción electromagnética, como bien se sabe el flujo de una corriente en una bobina genera un campo magnético, el cual induce una corriente eléctrica en la otra bobina del transformador, disminuyendo o aumentando los niveles de voltaje, dependiendo de las características de dichas bobinas, tales como el núcleo que las compone, el número de espiras, el material que las que están hechas, etc.

Siempre se debe tener en cuenta que un transformador no puede entregar más potencia de la que se le suministra ni más corriente de la que a éste fue diseñado; una falla común es usar un transformador reciclado para trabajar en proyectos propios, por ejemplo el tomar uno de esos viejos y robustos cargadores de celular o conectores de consolas o radios y conectarlos a un circuito propio, recuerden siempre antes de hacer esto, revisar las especificaciones que dan del dispositivo, porque si el transformador de este elemento está hecho para trabajar a 9 voltios D.C. con una corriente de 20mA y se le pone una carga que consuma 40mA, sin duda alguna el voltaje va a caer.

Tal como se muestra en la figura 2, el transformador reduce el nivel de voltaje haciéndolo "manejable", téngase en cuenta que entre mayor voltaje, mayor será la corriente, suponiendo que la carga siempre la misma.

Figura 2. Efecto del transformador en la señal de la red eléctrica.

Efecto del transformador

Fuente. Autores.

Rectificación de la onda

Existen muchas formas de rectificar una onda, ya sea de media onda o de onda completa, pero para este caso se va a mencionar la forma más eficiente y usada en este tipo de fuentes, la rectificación de onda completa por medio de un puente de diodos. Con esto se logra obtener un nivel de corriente D.C. igual al máximo valor de la señal de entrada menos la caída de voltaje en los diodos, tal como se muestra en la figura 3.

Figura 3. Señal de onda rectificada por el puente de diodos.

Señal rectificada

Fuente. Autores.

Filtración o corrección de rizado

En este punto lo que se hace es usar filtros, consiguiendo así que la variación de la señal en el tiempo sea lo menor posible, para llegar a este objetivo se aprovecha del fenómeno causado por el almacenamiento de energía en el condensador; como bien se sabe este dispositivo se carga eléctricamente y demora un determinado tiempo en descargarse por completo, cerca de 5τ. Si a este elemento se le induce una corriente alterna o en este caso una señal de voltaje rectificada, lo que ocurrirá es que en el primer semiciclo de la señal el condensador se cargará completamente, mientras pasa de un semiciclo a otro este se descargará, pero no lo suficiente para llegar a cero, pues volverá a cargarse cuando llegue nuevamente la cresta del siguiente semiciclo y así consecutivamente, tanto que la señal variará su valor muy poco en el tiempo, para darse una mejor idea de lo que ocurre en este punto por favor revisar la figura 4.

Figura 4. Señal filtrada por medio de condensadores.

Señal filtrada

Fuente. Autores.

Tal como podemos apreciar en la señal filtrada, la oscilación en el tiempo es menor, y el nivel de voltaje es cada vez más claro, sin embargo, aún es necesario un voltaje más preciso por esto se hace una mejora sencilla pero muy efectiva: la regulación.

Regulación

Este es el último paso a seguir, la regulación consiste en dejar la señal completamente fija, sacrificando un poco de potencia, por medio de diodos zener, los cuales se polarizan en inverso con un voltaje mayor al nominal de estos, y más si se utilizan en circuitos integrados tal como lo son la serie 78XX y 79XX, la primera fija voltajes positivos y la segunda fija voltajes negativos. Para dar un ejemplo más claro, en el caso del C.I. 7805, se requieren de 6.3V en adelante para su correcto funcionamiento, de lo contrario se arriesga a que el integrado no funcione de la forma deseada.

Por último, es recomendable usar un filtrado adicional, para así evitar ruidos causados por la carga, pues recuerde que en el caso de elementos como los motores, se forman corrientes contrarias a la generada por la fuente, esto debido al comportamiento eléctrico de las bobinas internas de dichos elementos.

Antes de proseguir se destacarán las ventajas y desventajas de las fuentes de alimentación con transformador:

Ventajas de las fuentes con transformador

  1. Se encuentran desacopladas a la red eléctrica gracias al transformador, disminuyendo considerablemente la susceptibilidad que tendrá el circuito ante eventos adversos, tales como picos de corriente.
  2. La unión de todos estos elementos hacen que la señal a entregar a la carga sea la más estable, cosa muy importante al trabajar con circuitos que son altamente sensibles a las fluctuaciones eléctricas, tales como procesadores, microcontroladores, sistemas de radiofrecuencia, etc.

Desventajas de las fuentes con transformador

  1. Su gran tamaño y peso hacen que cualquier circuito, por simple que sea, pesado y grande, cosa que hoy en día es un gran inconveniente.
  2. Poseen un alto costo principalmente por causa del transformador, pues para cada proyecto los parámetros son diferentes, haciendo muy difícil encontrar un transformador ideal a menos que se mande a hacer.

Fuentes de voltaje sin transformador

Este tipo de fuentes no cumplen con todos los pasos anteriormente explicados, pues se benefician de las características eléctricas de algunos componentes pasivos para así lograr la regulación de la señal entregada por la red eléctrica. Existen varias fuentes de este tipo, cada una con sus propias ventajas y desventajas, las cuales serán expuestas una vez sean explicadas y puestas a prueba; cabe resaltar que estas líneas están basadas principalmente por el documento mencionado al comienzo de este artículo.

Fuente de alimentación capacitiva sin transformador

Este tipo de fuente cuenta con tres etapas críticas:

  1. Limitación del paso de la corriente eléctrica por medio de la resistencia R1, figura 5.
  2. Filtración de la señal con el fin de establecer un nivel de corriente D.C. esta función la cumple el condensador C1.
  3. Regulación de la señal filtrada gracias al diodo zener D1 de 5.1 voltios.

Además de estas etapas se agregan un par de elementos más, el diodo D2 y el capacitor C2, esto para impedir que corrientes inversas afecten el circuito de la alimentación, provocando ruidos indeseables sobre la red eléctrica, y para filtrar la señal de corriente que se encontrará circulando en la carga, respectivamente.

Figura 5. Diagrama del circuito de la fuente de alimentación capacitiva sin transformador.

Fuente capacitiva

Fuente. AN94. [online]. Reston Condit ,Microchip Technology Inc. 2004. <http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00954A.pdf>

Las siguientes consideraciones se deben de tener muy en cuenta para que el circuito funcione de la manera como se espera:

  • La corriente de entrada (IIN) tiene que ser mayor a la corriente de salida (Iout), esta última está dada por la carga a conectar (Iout= Vout/RL), mientras que la primera se calcula por medio de la ecuación 1.

Ecuación 1

Ecuación Iin
  • Calcular la corriente máxima y mínima de entrada al circuito con ayuda de la ecuacion 1 y asumiendo para C1 ±20% y para R1 un ±10%, para este caso en particular los resultados son:

Para el cálculo de la corriente mínima de entrada se debe asumir los valores mínimos de todos los componentes excepto de VZ, R1:

VRMS = 110VAC

VZ = 5.1V

f = 59.5 Hz

C = C1 = 0.47 μF x 0.8 = 0.38 μF (asumir +20% del valor original)

R = R1 = 470 Ω x 1.1 = 517 (asumir +10% del valor original)

IINMIN = 10.4mA

Para el cálculo de la corriente máxima de entrada se debe asumir los valores máximos de todos los componentes excepto de VZ, R1:

VRMS = 120VAC

VZ = 5V

f = 60.1Hz

C = C1 = 0.47 μF x 1.20 = 0.56 μF (asumir -20% del valor original)

R = R1 = 470 Ω x 0.9 = 423 (asumir -10% del valor original)

IINMAX = 16.0mA

Consideraciones de potencia

Es crítico tener en cuenta las consideraciones de potencia de cada elemento; para esto se sugiere tomar dos veces la potencia máxima (Pmáx) calculada para cada elemento, es decir si nuestra Pmáx calculada para una resistencia es de 0.5W, en el montaje se dispondrá de una de 1W, esto se hace para evitar inconvenientes con los sobrevoltajes transitorios que puedan haber. Los respéctivo calculos de la potencia disipada por cada elemento son:

  • Para R1la potencia es equivalente al valor de la corriente al cuadrado multiplicado por su valor nominal es decir:

PR1 = I2*R = (VRMS * 2πfC)2 * R1

Para este caso en particular:

PR1 = (21.3 mA)2 * (470Ω x 1.1) = 0.23W (asumiendo el resistor +10%)

teniendo en cuenta la consideración antes expuesta

una resistencia a 0.5W sería la más acertada.

  • Asumiendo un valor de 120V RMS de entrada, el voltaje del condensador C1 será de 250V, debido a lo explicado anteriormente.
  • Hay que considerar que por D1 circulará más corriente sin carga que con esta; en el peor de los casos la corriente que tendrá que soportar será de 21.3mA (tal como se demostró anteriormente), esto al ser multiplicado con 5.1V (voltaje que caerá sobre el diodo), da como resultado 0.089W, recomendando, implícitamente, que el diodo zener a 1/2W es una buena opción.
  • En D2 la corriente que circulará será IINMÁX, esto multiplicado por su caída de voltaje, 0.7V apróximadamente (si es de silicio), da como resultado una potencia de 0.011W, lo que significa que con un diodo a 1/8W es suficiente.
  • Y por último para C2 se recomienda que soporte dos veces el valor del diodo zener, así pues, con uno a 16V es más que suficiente.

Fuente de alimentación resistiva sin transformador

Este tipo de fuente se caracteríza principalmente por su tamaña reducido y su simple diseño, esta compuesta por dos etapas críticas, limitación del paso de corriente con una resistencia y regulación con un diodo zener. Al igual que el montaje anterior el voltaje será estable siempre y cuando la corriente de salida se menor que la corriente de entrada.

Figura 6. Diagrama del circuito de la fuente de alimetación resistiva sin transformador.

Fuente. AN94. [online]. Reston Condit ,Microchip Technology Inc. 2004. <http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00954A.pdf>

Ecuación 2


La ecuación 2 se usa para determinar la corriente de entrada; para las corrientes IINMIN e IINMAX se calculan asumiendo R1 un ±10%, en este caso en particular los resultados son:

Para la corriente mínima posible recuerde asumir el valor mínimo que puede tomar VRMS y los máximos de VZ y R1:

VRMS = 110VAC

VZ = 5.1V

R = R1 = 2 KΩ x 1.1 = 2.2 KΩ (asumir +10% del valor original)

IINMIN = 34.2 mA

Para la corriente máxima posible recuerde asumir el valor máximo que puede tomar VRMS y los mínimos de VZ y R1:

VRMS = 120VAC

VZ = 5V

R = R1 = 2 KΩ x 0.9 = 1.8 KΩ (asumir -10% del valor original)

IINMAX = 45.8 mA

Consideraciones de potencia

Nuevamente es crítico tener en cuenta las consideraciones de potencia de cada elemento; y tal como se mencionó anteriormete, usar elementos que soporten dos veces la potencia máxima calculada. Para este caso los calculos de la potencia disipada por cada elemento son:

  • Para R1 la potencia es equivalente al valor del voltaje al cuadrado dividido en su valor nominal es decir:

PR1 = V2/R

Para este caso en particular:

PR1 = (120 VRMS)2 / (2KΩ x 0.9) = 8W (asumiendo el resistor -10%)

Para efectos prácticos se puede usar un resistor a 10W.

  • Sin carga la corriente que circulará en D1 será la misma que la de R1; por ende la potencia disipada por D1 será:

PD1 = VD1 * (VRMS / R1)

Para este caso en particular:

PD1 = 5.1V (120VRMS / 2KΩ * 0.9) = 0.34W

El diodo zener será de 5.1V a 1W

  • En D2 la corriente que circulará será IINMÁX, esto multiplicado por su caída de voltaje, 0.7V apróximadamente (si es de silicio), da como resultado una potencia de 0.032W, lo que significa que con un diodo a 1/8W es suficiente.
  • Y por último para C2 se recomienda que soporte dos veces el valor del diodo zener o VOUT, así pues, con uno a 16V es más que suficiente.

Fuente de alimentación de resistiva con puente rectificador sin transformador

Este tipo de fuente básicamente es la misma que la descrita anteriormente, con la diferencia de que se agrega un puente rectificador, tal como se muestra en la figura 7, esto para que se suministre corriente en ambos semiciclos de la señal del voltaje de la red eléctrica, consiguiendo incrementar un 141% la corriente de salida.

Figura 7. Diagrama del circuito de la fuente de alimetación resistiva con puente rectificador sin transformador.

Cto fuente con puente de diodos

Fuente. AN94. [online]. Reston Condit ,Microchip Technology Inc. 2004. <http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00954A.pdf>

Consideraciones de seguridad

Figura 8. Diagrama del circuito de la fuente de alimetación capacitiva sin transformador con consideraciones de seguridad.

Fuente capacitiva con consideraciones de seguridad

Fuente. AN94. [online]. Reston Condit ,Microchip Technology Inc. 2004. <http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00954A.pdf>

Figura 9. Diagrama del circuito de la fuente de alimetación resistiva sin transformador con consideraciones de seguridad.

Fuente resistiva con consideraciones de seguridad

Fuente. AN94. [online]. Reston Condit ,Microchip Technology Inc. 2004. <http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00954A.pdf>


Las consideraciones de seguridad que se tienen en cuenta, y que se pueden observar en ambos montajes (Figura 8 y 9), son las siguientes:

  • El uso de un varistor (VR1): este elemento provee una protección ante sobrevoltajes transitorios, pues en el momento de aumentar abrúptamente el voltaje, su resistencia disminuye tanto que forma un corto circuito, garantizando que la corriente fluya únicamente entre el fusible y este, garantizando que el fusible se queme antes de que el sobrevoltaje ataque el diseño principal.
  • Fusible: este elemente abre el circuito en el momento de que este último incremente el consumo de corriente por encima del valor nominal del fusible.
  • Para la fuente de alimentación capacitiva se agrega una resistencia R2 en paralelo creando un flitro para atenuar la interferencia electromagnética o EMI de retorno sobre la linea.
  • Para la fuente de alimentación resistiva se divide la resistencia de 2KΩ en dos de 1KΩ con el fin de reducir la posibilidad de que en un transistorio se vea afectado el circuito principal. Y de igual forma se implementa un filtro, R3 y C3, para evitar que el EMI emigre sobre la linea.

MONTAJE PRÁCTICO

A continuación se pondrá a prueba las diferentes fuentes expuestas anteriormente por medio de un sencillo circuito basado en un micrcontrolador, el objetivo es experimentar la calidad de la re gulación de voltaje, ya que el PIC necesita una la alimentación exacta y que no sufra ni sobresaltos ni bajas de voltaje, de lo contrario este no tendrá un correcto funcionamiento.

Ahora bien, en primera instancia se explicará el funcionamiento del circuito ejemplo alimentado por medio de la fuente de voltaje capacitiva y posteriormente, se le suministrará, al mismo circuito, las otras fuentes, tomando medidas tanto de la corriente como del voltaje con carga y sin carga, de igual manera se presentará un pequeño video que muestre su funcionamiento práctico con el fin de dar una experiencia lo más fiel posible.

El circuito ejemplo consta de los siguientes elementos:

Para la fuente de alimentación

  • 1 condensador de 0.47μF
  • 1 condensador de 470μF
  • 1 diodo zener de 5.1V a 1/2W
  • 1 diodo 1N4001
  • 1 resistencia de 470Ω a 1/2W

Para el circuito ejemplo

  • 1 LED RGB
  • 1 conector de 6 pines
  • 1 resistencia de 10KΩ o más a 1/4W
  • 3 resistencia de 100Ω a 1/4W
  • 1 interruptor normal
  • 1 interruptor de dos posiciones
  • 1 microcontrolador PIC 16F84A
  • 1 cristal de cuarzo de 4MHz

Figura 10. Diagrama del circuito ejemplo alimentado por medio de una fuente capacitiva.

Cto. completo (Capacitiva)

Fuente. Autores.

El circuito ejemplo controla la luminosidad de cada color del LED RGB, el cual es representado por los LED's D3, D4 y D5, esto se logra al aplicar a cada color una modulación por ancho de pulso o PWM, debido a que este microcontrolador no posee ningún módulo CCP las señales se producen por medio de dos registros de ocho bits, los cuales varían el ciclo útil de la señal según sea el valor que tengan, por ejemplo, los dos registros tienen un valor máximo de 255, si se hace un conteo desde cero hasta este valor el PIC le tomará un tiempo determinado tanto por el reloj que tenga como los retrasos que se le agreguen por software, entonces si cargamos el registro que mantega la señal en alto, el cual llamaremos PWMA para efectos prácticos, con su valor máximo, la salida será igual a Vdd, pero si por el contrario cargamos con este valor el registro que mantenga en bajo la señal, para el caso lo llamaremos PWMB, la señal será igual a Vss mejor dicho 0V. Por último, si le damos un valor menor al máximo que puede tener un registro de ocho bits a PWMB y se lo restamos a 255, y adicionalmente cargamos este valor a PWMA y así sucesivamente, la señal final será una modulación por ancho de pulso tal como se muestra en la figura 11.

Figura 11. Modulación por ancho de pulso o PWM generado por dos registros de ocho bits.

PWMAB
Fuente. Autores.

Ya explicado el programa del microcontrolador, a continuación se expondrá un video con los resultados obtenidos a nivel práctico; en cuanto a las mediciones realizadas durante las pruebas se pueden observar en el cuadro 1.




Cuadro 1. Comparativa entre las distintas fuentes según su comportamiento con carga.

  Fuente con transformador (datos de control)
Fuente capacitiva
Fuente capacitiva con protección
Fuente resistiva
Fuente resistiva con protección
Fuente con puente rectificador
Voltaje5.05 V
4.60 V
4.57 V
4.65 V
4.84 V
5.33 V
Corriente7 mA
5.6 mA
7.6 mA
6 mA
7 mA
10 mA
Funcionamiento del circuito
Si
Si
Si
Si
Si
Si

Fuente autores.

Cabe aclarar el porqué de la diferencia de estos valores si el circuito aplicado o carga siempre fue el mismo, recuerden que los voltajes dependen del consumo de corriente del circuito, en el momento que el consumo sea mayor al que entrega la fuente, su nivel disminuirá, esto se debe a que la potencia disipada por el circuito se compensa de alguna manera. Y para la corriente su valor depende principalmente del estado del LED RGB, pues al encender sus tres colores al máximo su consumo es mayor, y del voltaje que la fuente entrgue, por cuestiones prácticas se tomó un valor promedio. Tener en cuenta que las medidas fueron hechas por medio de un multímetro digital marca Tech modelo TM-109, por esto recomendamos que hagan sus propias pruebas, pues no siempre el elemento de medición es idóneo.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

En conclusión, este tipo de fuentes son ideales para usarse en circuitos muy pequeños con alimentación dependiente, para alarmas por ejemplo, las cuales deben estar encendidas las 24 horas y adicionalmente requieren ocupar pequeños espacios para que no sean tan visibles. Personalmente recomendamos tanto por tamaño, precio y comportamiento eléctrico, la fuente basada en un puente rectificador, por supuesto, usando un circuito integrado para el puente de diodos; pero si necesitan algo supremamente pequeño dentro de las posibilidades el circuito resistivo es la siguiente opción a tener en cuenta, sugerimos la que tiene protección.

En cuanto a las recomendaciones:

  • A pesar que el diagrama del cicuito no lo tenga, es recomendable siempre usar un fusible, así en caso de un accidente, como un corto circuito, no se dañe el circuito principal o en el peor de los casos alguna persona se electrocute, claro está que si toma el cable directamente a la red el fusible será inutil.
  • Procurar no hacer las pruebas sólo, recuerden que se estará trabajando con alta potencia y se corren ciertos riesgos.
  • No trabajar en presencia de niños pequeños.
  • No hacer pruebas con circuitos muy costosos, por lo menos hasta que se esté seguro de que la fuente trabaje de manera correcta, haciendo pruebas con distintas cargas y realizando mediciones de corriente y voltaje, preferiblemente con osciloscopio.
  • Si se tiene el espacio suficiente en el montaje final, recomendamos cambiar las resistencias de 5W por unas que soporten mayor potencia, esto no tanto por las características eléctricas del circuito, sino para que puedan disipar más calor, puesto que es un gran inconveniente la temperatura que estos elementos pueden llegar a tener.
  • Escoger el varistor con cuidado, posteriormente tendremos más información de este elemento.
  • No implementar este tipo de fuentes en sitios industriales, debido a la suceptibilidad al ruido.

Por último, queremos aclarar que les quedamos debiendo las mediciones hechas con osciloscopio, en cuanto tengamos uno a disposición, las imágenes serán subidas a este artículo.

Todo artículo es susceptible a cambios, según sea necesario, para conseguir la información más verídica posible, gracias, dudas o sugerencias escribir a nuestro correo electrónico o a nuestra página de facebook.

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