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FACULTAD DE INGENIERIAS
Y TECNOLOGIAS.
PROYECTO DE ELECTROMAGNETISMO
MORON CORRALES VALERIA ALEXANDRA
VAZQUES ROJAS JULIO ELIAS
Trabajo presentado como requisito de evaluación parcial en la asignatura de
Electromagnetismo al profesor:
JUAN PACHECO FERNANDÈZ
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FACULTAD DE INGENIERIAS Y TEGNOLIGIAS
INGENIERIA ELECTRONICA
VALLEDUPAR
CESAR
2015
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FUENTE REGULADA DE VOLTAJE
1. OBJETIVO GENERAL.
Realizar una fuente regulada con voltajes específicos, teniendo en cuentas las leyes
de conservación, con el fin de que facilite la alimentación de dispositivos eléctricos y
electrónicos con un flujo contante y un margen de error mínimo.
2. MARCO TEORICO.
Para realizar este proyecto se necesitaron diversos conceptos, y leyes de conservación
que se irán planteando poco a poco al igual que sus respectivas formulas pero primero
deben plantearse los puntos principales que debe llevar una fuente regulada de voltaje:
FIGURA 1.
A nivel de diagrama se pueden contemplar las piezas o puntos básicos de una fuente
en la siguiente figura:
FIGURA 2.
(Piezas básicas y esenciales en una fuente reglada de voltaje)
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2.1 TRANSFORMADOR.
Para comenzar con este punto hay que empezar hablando de uno de los personajes
más importantes de la electricidad llamado Michael Faraday quien descubrió la
inducción electromagnética. Además de inventar el motor, con este fenómeno logro
el desarrollo de la maquina eléctrica más sencilla y más utilizada por la sociedad hoy
en día, el transformador (punto que se está tratando).
Si la corriente que circula por una bobina es constante el campo magnético que se crea
también lo es, pero, si la corriente es variable como en el caso de la alterna por ejemplo
su campo magnético también será variable y cuando un campo magnético varía
aparece voltaje en los conductores y bobinas cercanas, por ejemplo, si se enrollan dos
bobinas aisladas en un trozo de hierro que canalice el flujo magnético, al alimentar la
primera con tensión alterna, el flujo magnético variable producido por esta bobina va
a inducir un voltaje en la segunda como en la figura 3. Ese es el principio del
transformador.
FIGURA 3.
(Principio del transformador, ejemplo)
Un transformador está compuesto por núcleo de hierro que lleva en dos de sus
regiones un par de bobinas o devanados que constituyes los circuitos primarios y
secundarios.
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El funcionamiento de este consiste en que si se aplica una fuerza electromotriz en el
devanado primario circulara por este una corriente eléctrica que creara a su vez un
campo magnético variable y este campo ocasionara por inducción la aparición de una
fuerza electro motriz en el devanado secundario.
FIGURA 4.
(Circuitos del transformador)
Como se puede observar en la figura el transformador está formado por dos circuitos
eléctricos y un circuito magnético. Sobre el núcleo magnético se encuentran
enrollados los circuitos eléctricos primarios y secundarios cada uno con un número
determinado de espiras o vueltas.
El circuito que recibe la tensión que queremos transformar es el circuito primario,
mientras que el que proporciona la tensión ya transformada es el circuito secundario,
por lo que en medio de ambos se forma una variación que depende del número de
vueltas de cada circuito.
La relación de transformación que se presenta, es la expresión matemática que
describe la relación que existe entre los valores de los dos bobinados, que es la
siguiente:
FORMULA 1.
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El número de vueltas de la primera bobina sobre el número de vueltas de la segunda
bobina es igual al voltaje que entra sobre le voltaje que sale, entonces si la bobina
primaria tiene 2.000 vueltas y la segunda tiene 1.000 vueltas el voltaje de salida será
la mitad que el de entrada. Pero con la corriente ocurre lo contrario mientras que el
voltaje se transforma a la mitad la corriente se trasforma al doble.
En el caso de la potencia y teniéndola en cuenta según otro importante personaje
llamado Georg Simon Ohm quien la expreso como en la siguiente formula:
FORMULA 2.
(Fórmula de potencia según ohm)
En el caso de esta no varía es la misma en ambas partes V1xI1=V2xI2 pero esto
ocurre en un proceso ideal en la realidad suele perderse algo de potencia gracias a la
dispersión de flujo magnético en calor, de esta manera funciona la primera parte de la
fuente
regulada.
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2.2 PUENTE RECTIFICADOR DE DIODOS.
El puente de diodos se encarga de separar todos los semiciclos de corriente negativa
y positiva, pero no la convierte en corriente continua aun.
El diodo es un semiconductor, lo que significa que deja pasar las corrientes solo bajo
ciertas condiciones, por lo que es uno de los primeros pasos que la corriente debe
atravesar en la fuente.
Utilizando un solo diodo, durante un primer medio ciclo negativo los electrones
circularán por el circuito atravesando primero el diodo y a continuación el
consumidor. En ese instante, en los extremos del consumidor se podrá detectar una
corriente directa "pulsante" que responde a ese medio ciclo. En el medio ciclo
siguiente (esta vez positivo), los electrones cambiarán su sentido de circulación y no
podrán atravesar ni el consumidor, ni el semiconductor diodo, porque en ese instante
el camino estará bloqueado por el terminal positivo del diodo y no habrá circulación
de corriente por el circuito. A continuación y durante el medio ciclo siguiente
negativo, de nuevo el diodo vuelve a permitir el paso de los electrones, para
bloquearlo nuevamente al cambiar la corriente el sentido de circulación y así
sucesivamente mientras se continúe suministrándole corriente al diodo.
FIGURA 5.
(Trayectoria de conducción para la región positiva)
Por tanto, durante cada medio ciclo negativo de una fuente de corriente alterna
conectada a un diodo se registra una polaridad fija en los extremos de un consumidor
conectado al circuito de salida del propio diodo, mientras que durante el siguiente
medio ciclo positivo no aparecerá polaridad alguna debido al bloqueo que ofrece el
propio diodo al paso de los electrones en sentido inverso. De esa forma, a través del
consumidor circulará una corriente pulsante, pues en este caso el diodo actúa como
un rectificador de corriente alterna de media onda.
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FIGURA 6.
(Trayectoria de conducción para la región negativa)
Pero no es muy convenientes esta corriente pulsante ya que esta contiene demasiada
oscilaciones residuales por lo que se busca hacerla aún más lineal utilizando como
tal puente rectificador de diodos que es la combinación de dos a cuatro diodos
rectificadores ya sea de manera individual los cuales deben ir conectados de manera
ideal o encapsulada, de esta manera se obtiene una onda completamente rectificada.
El diagrama de conexión del puente se muestra a continuación aunque no es el único
diagrama del puente de diodos es el más común es como la FIGURA 7. Y el ciclo de
acompañado del ciclo de onda sinodal:
FIGURA 7.
(Diagrama más común para el puente rectificador de diodos)
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2.3 CAPACITORES O FILTROS.
Este punto está constituido por uno o varios capacitores que se utilizan para eliminar
la componente de tensión alterna que proviene de la etapa de rectificación. Los
capacitores se cargan al valor máximo de voltaje entregado por el rectificador y se
descargan lentamente cuando la señal pulsante desaparece. Permitiendo lograr una
nivel de tensión lo más continua posible, pero primero hay que conocer que es un
capacitor como está constituido y de qué manera logra lo se muestra en la figura 8.
FIGURA 8.
(Onda de tención a través del capacitor)
El capacitor es un componente pasivo eléctrico o electrónico que almacena pequeñas
cantidades de electricidad y su capacitancia se mide en faradios. La capacitancia se
puede definir como la magnitud y relación entre la carga almacenada (Q) y la tensión
a la que se encuentra (V).
Escribimos entonces:
FORMULA 3.
(Formula de capacitancia)
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Un conductor que, con la misma carga que otro, adquiera menor potencial, tendrá más
capacidad que el segundo, y viceversa.
La unidad de capacidad es el FARADIO. El faradio es una unidad sumamente grande
que no resulta en absoluto práctica por lo que se toma o se usan sus submúltiplos.
Los submúltiplos del Faradio son:
·
El microfaradio (m F) = 0,000001 F. (10-6 F )
·
El nanofaradio (nF) = 0,000000001 F. (10-9 F)
·
El picofaradio (pF) = 0,000000000001 F. (10-12 F)
Cuando se da la capacidad en "K", no quiere decir Kilofaradio, sino Kilopicofaradio
(1000 picofaradios); y como 1000 picofaradios es igual a 1 nanofaradio, cuando
alguien nos dice que un capacitor tiene 4K7, nos está diciendo que tiene 4,7
kilopicofaradio, que es lo mismo que decir 4,7 nanofaradio.
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2.3.1 TIPOS DE CAPACITORES.
2.3.1.1 CAPACITORES FIJOS.
Estos capacitores tienen una capacidad fija determinada por el fabricante y su valor
no se puede modificar. Sus características dependen principalmente del tipo de
dieléctrico utilizado, de tal forma que los nombres de los diversos tipos corresponden
con los nombres del dieléctrico usado.
De esta forma podemos distinguir los siguientes tipos:



Cerámicos.
Plástico.
Electrolíticos.
 Capacitores cerámicos
El dieléctrico utilizado por estos capacitores es la cerámica, siendo el material más
utilizado el dióxido de titanio. Este material confiere al capacitor grandes
inestabilidades por lo que en base al material se pueden diferenciar dos grupos:
Grupo I: caracterizados por una alta estabilidad, con un coeficiente de temperatura
bien
definido
y
casi
constante.
Grupo II: su coeficiente de temperatura no está prácticamente definido y además de
presentar características no lineales, su capacidad varía considerablemente con la
temperatura,
la
tensión
y
el
tiempo
de
funcionamiento.
Las altas constantes dieléctricas características de las cerámicas permiten amplias
posibilidades de diseño mecánico y eléctrico.
Las especificaciones de estos Capacitores son aproximadamente las siguientes:
·
Capacitancias en la gama de 0,5 pF hasta 470 nF
·
Tensión de trabajo desde 3 V. a 15.000 Volts o más.
·
Tolerancia entre 1% y 5%
·
Relativamente chicos en relación a la Capacitancia.
·
Amplia banda de tensiones de trabajo.
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·
Son adecuados para trabajar en circuitos de alta frecuencia.
·
Banda de tolerancia buena para aplicaciones que exigen precisión.
FIGURA 10.
(Capacitores cerámicos)
 Capacitores de plástico
Capacitores de plástico
Estos capacitores se caracterizan por las altas resistencias de aislamiento y elevadas
temperaturas
de
funcionamiento.
Según el proceso de fabricación podemos diferenciar entre los de tipo k y tipo MK,
que se distinguen por el material de sus armaduras (metal en el primer caso y metal
vaporizado en el segundo).
Según el dieléctrico usado se pueden distinguir estos tipos comerciales:
KS: styroflex, constituidos por láminas de metal y poliestireno como dieléctrico.
KP: formados por láminas de metal y dieléctrico de polipropileno.
MKP: dieléctrico de polipropileno y armaduras de metal vaporizado.
MKY: dieléctrico de polipropileno de gran calidad y láminas de metal vaporizado.
MKT: láminas de metal vaporizado y dieléctrico de teraftalato de polietileno
(poliéster).
MKC: makrofol, metal vaporizado para las armaduras y policarbonato para el
dieléctrico.
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FIGURA 11.
(Capacitores plásticos)
 Capacitores electrolíticos
En estos capacitores una de las armaduras es de metal mientras que la otra está
constituida por un conductor iónico o electrolito. Presentan unos altos valores
capacitivos en relación al tamaño y en la mayoría de los casos son polarizados.
Podemos distinguir dos tipos:


Electrolíticos de aluminio: la armadura metálica es de aluminio y el electrolito
de tetraborato armónico.
Electrolíticos de tántalo: el dieléctrico está constituido por óxido de tántalo y
nos encontramos con mayores valores capacitivos que los anteriores para un
mismo tamaño. Por otra parte las tensiones nominales que soportan son
menores que los de aluminio y su costo es algo más elevado.
Las principales características de los capacitores electrolíticos son:








Capacitancia en la gama de 1uF a 220.000 uF.
Tensiones de trabajo entre 2 y 1.000 V.
Tolerancia entre –20% y +50%, generalmente.
La corriente de fuga es relativamente alta o sea que la aislamiento no es
excelente.
Son polarizados, se debe respetar la polaridad.
La capacidad aumenta a medida que el capacitor envejece.
Tienen una duración limitada.
La Capacitancia varía ligeramente con la tensión.
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
Los capacitores electrolíticos no se usan en circuitos de alta frecuencia,
se usan en circuitos de baja frecuencia, uso general y corriente continuo.
Capacitor electrolítico: Tiene polaridad, normalmente se marca el negativo con
el signo - . El terminal negativo es el de menor longitud.
Hay que asegurarse de no conectar el capacitor entre dos puntos del circuito
cuya tensión supere la máxima que soporta el capacitor.
FIGURA 12.
(Capacitores electrolíticos)
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Esto con el fin de que no el que capacitor no estalle esto se debe a su composición.
FIGURA 13.
(Material dieléctrico)
En A los números 1 y 3 representan las dos
hojas
metálicas que
lo componen, generalmente de estaño; 2 y 4 corresponden al material dieléctrico
que las separa; en B se observa la forma en que se enrollan las hojas metálicas junto
con el dieléctrico, mientras que en C se puede ver el capacitor ya terminado.
Para la fuente los capacitores más apropiados, teniendo en cuenta las características
que se expusieron de cada tipo de capacitor son los capacitores electrolíticos, a
continuación en la figura 14. Se observara su estructura interna.
FIGURA 14.
(Corte seccional de un capacitor electrolítico polarizado)
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A. (1) Envoltura cilíndrica de aluminio, correspondiente al polo negativo () o cátodo.
B. (2) Película de óxido de aluminio (Al2O)
C. (3) Electrolito
D. (4) Electrodo de aluminio (Al), químicamente puro, correspondiente al
polo positivo (+) o ánodo.
E. (5) Compuesto sellador
F. (6) Terminales externos positivo (+) y negativo (–) para conectarlos
al circuito electrónico.
Primeramente vamos a plantear ese el circuito de la fuente sin capacitor. En este caso
la forma de onda de la intensidad es igual a la tensión en la resistencia.
El objetivo del capacitor es desviar parte de la corriente por él, para que sólo vaya por
la RL la componente continua de Fourier y el resto se cortocircuite a masa a través del
condensador.
Para que esto ocurra tenemos que ver la impedancia equivalente del condensador, y
ver así como afectan los diferentes valores de la frecuencia a esta impedancia.
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Como se ve, el valor de frecuencia más problemático es el de 50 Hz, ya que es el que
más depende de la capacidad, y por lo tanto el que tiene un mayor valor de la
impedancia. Si se consigue que a la frecuencia de 50 Hz tengamos un valor aceptable
de la impedancia, para el resto de las frecuencias funcionará bien.
Las ondas que tendríamos con y sin capacitor serán estas, comparadas con la onda del
secundario:
Al añadir el capacitor hay modificaciones en el comportamiento del circuito. Veamos
los pasos que se dan:
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


Inicialmente el C es un cortocircuito, y al enchufar el circuito a la red es C se
carga de 0 a VP2. Se cargará al ritmo del transformador porque el diodo es ideal,
con lo que es un cortocircuito.
Cuando el C se ha cargado del todo a VP2, a partir del valor máximo, el D entra
en inversa y deja de conducir (D conduce hasta VP2), con lo que empieza a
disminuir el valor de la tensión de salida.
Ahora se descargará el C a través de RL.
El C se va descargando hasta igualarse al valor de VL, entonces el D pasa a ON con
lo que se vuelve a cargar hasta VP2 y se repite el proceso.
Las series de Fourier constituyen la herramienta matemática básica del análisis de
Fourier empleado para analizar funciones periódicas a través de la descomposición de
dicha función en una suma infinita de funciones sinusoidales mucho más simples.
El análisis de señales en el dominio de la frecuencia se realiza a través de las series de
Fourier, por cuanto es muy común, reemplazar la variable x por ωt, resultando las
componentes:
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FORMULA 4. (Formula de la componente de Fourier)
Por lo tanto:
FORMULA 5. (Formula de la serie de Fourier)
2.4 REGULADOR DE VOLTAJE
FIGURA 15
(Regulador 7805)
La serie LM78xx de tres reguladores de terminal está disponible con varias tensiones
de salida fija que los hace útiles en una amplia gama de aplicaciones. Uno de ellos es
local en la regulación de la tarjeta, eliminando los problemas de distribución asociados
con la regulación de un solo punto. Las tensiones disponibles permiten que estos
reguladores para ser utilizados en sistemas de lógica, instrumentación, alta fidelidad,
y otros equipos electrónicos de estado sólido.
Aunque los reguladores de tensión fija diseñada principalmente como estos
dispositivos se pueden utilizar con componentes externos para obtener tensiones y
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corrientes ajustables. La serie LM78xx está disponible en un paquete de aluminio TO3 que permitirá que más de la corriente de carga 1.0A si se proporciona una adecuada
disipación de calor. Limitación de corriente está incluido para limitar la corriente de
pico de salida a un valor seguro. Protección de zona segura para el transistor de salida
está previsto para limitar la disipación de energía interna. Si la disipación de potencia
interna se vuelve demasiado alta para la disipación de calor proporcionado, el circuito
de apagado térmico se hace cargo de la prevención de la IC del
sobrecalentamiento. Un esfuerzo considerable se amplió para hacer la serie de
reguladores LM78xx fáciles de usar y minimizar el número de componentes
externos. No es necesario pasar por alto la salida, aunque esto mejorar la respuesta
transitoria. Derivación de entrada es necesaria sólo si el regulador se encuentra lejos
del condensador de filtro de la fuente de alimentación. Para la tensión de salida que
no sea 5V, 12V y 15V la serie LM117 ofrece un rango de voltaje de salida de hasta
57V.
 Características
Corriente de salida por encima de la protección de sobrecarga térmica 1A Interna No
hay componentes externos transistor de salida necesaria Protección zona segura límite
corriente de corto circuito interno disponible en el paquete de aluminio A-3
Vista inferior Número de pedido o LM7815CK Ver NS paquete Número KC02A
Si se requieren militar / aeroespacial dispositivos especificados, por favor
comuníquese con la Oficina Nacional Semiconductor Ventas / Distribuidores
disponibilidad y especificaciones. Voltaje de entrada (VO 5V, 12V y 15V) de
alimentación interna de disipación (Nota 1) Rango de temperatura de funcionamiento
(TT) 35V Internamente limitada a + 70 ° C
Temperatura de la unión máxima (K Package) (T Paquete) Temperatura de
almacenamiento Rango de temperatura de plomo (Soldadura, 10 seg.) A-3 Paquete K
TO-220 Paquete T
TJ 125 ° C menos que señalar lo contrario. Voltaje de entrada de salida (a menos que
se indique lo contrario) Salida Símbolo VO Parámetro Condiciones de tensión IO 1A
VMIN VIN VMAX VO Regulación de línea = 25 ° C VIN
Tj + 125 ° C VIN = 25 ° C VIN Tj + 125 ° C VIN VO Regulación de carga + 125 ° C
IQ Cambio Corriente quiescente Corriente quiescente IO 1A VMIN VIN VMAX IO
500 mA, Tj + 125 ° C VMIN VIN VMAX VN ruido de salida Tensión Rechazo Ripple
f 100 kHz Tj + 125 ° C VMIN VIN VMAX RO Dropout Voltaje de salida Resistencia
= 25 ° C, IOUT = 1 kHz
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2.5 SALIDA DEL VOLTAJE TRANSFORMADO
El transformador, es un dispositivo que no tiene partes móviles, el cual transfiere la
energía eléctrica de un circuito u otro bajo el principio de inducción electromagnética.
La transferencia de energía la hace por lo general con cambios en los valores de
voltajes y corrientes.
Un transformador elevador recibe la potencia eléctrica a un valor de voltaje y la
entrega a un valor más elevado, en tanto que un transformador reductor recibe la
potencia a un valor alto de voltaje y la entrega a un valor bajo.
El voltaje de salida a pasado por un proceso de cambio, rectificación y filtrado para
obtener un voltaje en forma de corriente directa, obteniendo así los voltajes deseados
de 5, 12, -12 voltios.
3. BIBLIOGRAFÍA
http://fidestec.com/blog/fuentes-de-alimentacion-conmutadas-03/
http://www.profesormolina.com.ar/electronica/componentes/capacitores/capac.htm
http://www.bolanosdj.com.ar/TEORIA/CAPACITORES1.PDF
http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_capacitor/ke_capacitor_4.htm
http://www.digchip.com/datasheets/parts/datasheet/321/LM7512C.php
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