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Pr06. Fuente de alimentación lineal [FAL]

Presentamos en esta ocasión una fuente de alimentación simple o lineal que nos permitirá obtener las tensiones más habituales para alimentar tanto la mayoría de los proyectos publicados en este sitio como muchos otros circuitos.

Esta fuente podréis incorporarla dentro de la caja del proyecto o utilizarla de forma externa (en su propia caja) y proporciona a su salida una tensión continua (DC) estable y de suficiente pureza a partir de la tensión alterna (AC) de la red eléctrica.

   
  
 El esquema eléctrico    

 

El esquema eléctrico se compone de dos partes bien diferenciadas: la fuente de alimentación básica (Esq.1a), de la que obtenemos ya una tensión continua y la parte reguladora/estabilizadora (Esq.1b), que nos va a permitir obtener a su salida diferentes niveles de tensión estable.

Aunque con la parte del Esq.1a sería suficiente para obtener una tensión continua a partir de la tensión alterna de la red, esta tensión no es demasiado pura (tiene un alto rizado) y es susceptible de inducir ruidos en los circuitos que se alimenten con ella.
Por otra parte, este tipo de circuitos tienen el problema de que la tensión de salida (Vs) que generan tiende a oscilar en función de la corriente que esté suministrando la fuente en cada momento. Así, si conectamos un voltímetro a la salida cuando alimentamos cualquier circuito, podremos observar que una tensión a la salida de 9 V puede, en ocasiones, llegar a bajar hasta 5 o 6 V o más incluso si la corriente que le solicita el circuito en ese momento es alta.  

Por estas razones es conveniente añadir un circuito regulador/estabilizador a su salida. Gracias a este tipo de circuitos podemos, además de fijar el valor de la tensión de salida, reducir significativamente el rizado de la fuente (haciendo así más pura su corriente continua) y también asegurar que la tensión no sufra altibajos aunque la demanda de corriente esté fluctuando.

Finalmente, el circuito que vamos a utilizar será la combinación de ambos (Esq.2):

Ahora que ya sabemos de que está compuesto, veamos como sacarle partido al asunto.

El circuito regulador/estabilizador utilizado en este proyecto es un popular circuito integrado de la familia: LM78XX, esto es, un regulador simple para la rama positiva (nº 78) cuyo valor de estabilización de la tensión de salida es la indicada en sus dos últimas cifras (nº XX).
Así, un LM7812 sería un regulador para la rama positiva (nº 78) que estabilizaría la tensión a 12 V (nº 12) … un LM7805 sería un regulador para la rama positiva (nº 78) que estabilizaría la tensión a 5 V (nº 05).
Todo lo que se ha dicho es cierto siempre y cuando la pata Com o de ajuste (pata 2 en el esquema) del LM78XX esté conectada, en este caso, a masa … es decir, a un nivel de 0 V.

¿Qué ocurre entonces si dicha pata no está a masa (0 V)?

Pues ocurre algo muy interesante que nos va a dar mucho juego.
Si en dicha pata hubiera 2 V en vez de 0 V, la tensión de salida de un 7812 pasaría a ser de 14 V y la de un 7805, a 7 V … es decir, en ambos casos, la tensión predeterminada de salida ha aumentado en 2 V.
Si en susodicha pata hubiera 4 V, las tensiones de salida aumentarían en 4 V.
Por lo tanto podemos concluir que, la tensión de salida de un 78XX será la del valor de sus dos últimas cifras (XX) más el voltaje existente en su pata común (pata 2):

V de salida de un 78XX = XX + V en pata Com.


Y con todo esto, ¿qué se puede hacer?

Se puede colocar una resistencia variable (R2) entre la pata Com del 78XX y masa, cosa que nos permita variar a voluntad la tensión en la pata Com (la cual hará variar la V de esa pata, Vr, entre 0 V y un valor X V mayor) y así conseguir sacar del regulador cualquier tensión que nos interese para alimentar los circuitos que le conectemos.  Sería, en resumidas cuentas, una fuente de alimentación variable la cual podríamos utilizar incluso como fuente de alimentación para laboratorio (aunque para eso hay mejores alternativas que esta).

Bien … y, ¿entre qué mínimo y máximo se podría regular la tensión de salida de esta fuente?
Con este circuito propuesto, el mínimo lo va a dar el tipo de regulador utilizado: 6 V para un 7806, 15 V para un 7815, etc. … y el máximo depende de la tensión que se le suministre, como ya veremos, pero en ningún caso va a ser superior a 35 V.

Hay que tener en cuenta que los circuitos reguladores funcionan realmente como recortadores, es decir, que si la V de entrada es mayor que la que deben proporcionar a la salida, la recortan al nivel oportuno y punto.  Pero, si la V que hay en la entrada es menor que la que deben proporcionar a la salida, su salida va a mostrar una V más baja de lo debido (ligeramente más baja que la de entrada) ya que no son capaces de hacer una elevación de la misma, cosa que sería necesaria para corregir estos casos.


Por lo tanto, para los reguladores de la familia 78XX, la tensión de entrada (Ve) ha de ser, como mínimo, superior en unos 3 voltios a la que deseemos obtener en su salida (Vs):

  V de entrada para un 78XX > V de salida del 78XX + 3 V.

 

   
  
 Diseño de la PCB    


Se ofrecen 2 versiones de montaje:
arriba (fig.A), si desea que la fuente pueda ser regulada y permita sacar tensiones iguales o superiores a la indicada en las cifras XX del 78XX utilizado … y, abajo (fig.B), para sacar una única tensión igual al valor de las XX del 78XX utilizado.


El diseño de las pista es común a ambos ya que sólo se trata de conectar o no la resistencia R1 y de utilizar la resistencia ajustable R2 o un puente que la substituya, según sea el caso.
En cualquier momento se puede cambiar el montaje de la versión A a la B o viceversa.

Como puede apreciarse, la PCB es muy sencilla de realizar y puede ser fácilmente pintada a mano o, incluso, hecha con una placa de cobre tipo preformateada o de matriz de puntos.

   
  
 Materiales y Montaje    

El circuito integrado que nos interesa para este montaje es del tipo 78XX, con encapsulado TO-220, el cual es capaz de ofrecer una corriente de salida de algo más de 1 Amperio, siempre que esté correctamente refrigerado.
Otros integrados similares como el 78MXX o el 78LXX los descartamos porque ofrecen corrientes de salida bastante menores: 500 mA y 100 mA, respectivamente.

El transformador (TRAFO) deberá ser capaz de suministrar una corriente en su secundario de 1 A o mayor y una tensión (Vt) suficientemente elevada como para poder obtener las tensiones de salida que se deseen en el 78XX.

El rectificador de doble onda (PTE) está formado por 4 diodos montados en puente. Aunque ya sabemos que hay puentes rectificadores a la venta, lo vamos a construir con 4 diodos rectificadores cualquiera, independientes, los cuales conviene que sean capaces de soportar corrientes superiores a 1 A cada uno, preferiblemente de 2 A.

El condensador C1 es el condensador de filtro de la fuente. Este condensador tendrá una capacidad de 2200 microfaradios y su tensión, ¡ IMPORTANTE !, ha de ser superior a la tensión de pico que sale del rectificador.

Por seguridad, mejor que el voltaje de dicho condensador sea próximo al doble de la tensión que sale del secundario del transformador (Vt).
Como ya sabemos, no hay problema con que la tensión de los condensadores sea de un valor más alto del  necesario.  

Con los condensadores C2 y C3 ocurre algo parecido, deben poder soportar una tensión superior a la existente en los puntos en los que van conectados.

En general, si todos los condensadores son capaces de soportar tensiones superiores a 60 V debería ser suficiente para cualquier variante de este montaje. 

Pasemos a ver ahora una sugerencia del conexionado:

En dicha imagen podemos ver un conector de red con toma de tierra (la cual va conectada a la parte metálica aprovechando el tornillo de fijación del transformador); F1, un porta-fusibles (con su correspondiente fusible de protección); el interruptor de encendido/apagado de la fuente; el transformador y la PCB con todos sus componentes.  Obsérvese que se ha dotado de una chapa metálica al 78XX para su mejor refrigeración.

En el mercado podemos encontrar conectores de red que ya llevan incorporado un porta-fusibles, con lo cual tendríamos toma de red y porta-fusibles en una sola pieza.

El valor de F1, como depende de la tensión de salida que ofrezca el secundario del transformador (Vt), será necesario calcularlo para el tipo de transformador utilizado, tal y como se indica en nuestra BIBLIOTECA en la lección: L.003 Cálculo de fusibles en una fuente de alimentación.

¿Quieres más protección?

Puedes colocar un fusible a la salida de la fuente, en este caso siempre de 1 A ya que esa es la corriente máxima que deberá dar en cualquiera de los casos.  Es este caso, dicho fusible, protegería la fuente contra consumos excesivos de cualquier cosa que le conectemos, incluidos los cortocircuitos.
De todos modos, el 78XX, es un circuito integrado que ya viene bastante protegido frente a perrerías varias … aún así, casi siempre toda protección suele ser poca.

Si deseamos un indicador luminoso de encendido/apagado de la fuente, deberemos buscar algún punto donde la tensión no varíe nunca (cosa que puede suceder en la salida si actuamos sobre R2).
Un primer punto interesante, que además nos informaría de la existencia de tensión de red (y del estado del fusible F1), sería entre los dos terminales de entrada (primario) del transformador.  Ahí tendremos la tensión alterna de red: 125 o 220V y podríamos colocar una lamparita de neón, que ya las hay adaptadas para conectar directamente a las tensiones de la red eléctrica sin necesidad de andar calculando nada.

En cualquier otro punto, después del secundario del transformador (y donde no vaya a variar la tensión, recordemos), podemos utilizar un diodo LED con su correspondiente resistencia de polarización, la cual podemos calcular tal y como se muestra en la lección de nuestra BIBLIOTECA:  L.002 Cálculo de la resistencia limitadora para un LED.

   
  
 Resumen    


Hemos dado un paseo teórico-práctico por los principales asuntos que me parecen interesantes acerca de este proyecto, aunque es posible que quien desee construirse esta fuente de alimentación no tenga demasiado claro a estas alturas qué valores de algunos componentes debe utilizar.

Evidentemente, para la realización de este proyecto no es necesario saberse todo eso, bastaría con publicar una lista de componentes con sus valores y a tirar millas. No obstante, cuando propongo algún proyecto, mi intención es la de, además de ofreceros algo bonito y funcional que podáis construir con vuestras manitas, que os ayude también a ir profundizando un poco más en este apasionante mundo de la electrónica.

Eso de ser capaces de montar circuitos sin saber apenas nada sobre ellos puede ser divertido pero no conduce demasiado lejos.
¿Habéis visto en algunos reportajes sobre fabricas de electrónica a esos trabajadores (mayoritariamente mujeres) con el soldador en la mano haciendo soldaduras en los aparatos?
¿Os ha dado la impresión de que, aparte de saber soldar, saben de qué va lo que tienen entre manos o, por el contrario, os ha parecido que lo hacían como algo tan rutinario semejante a apretar tornillos? …
Pues eso ;-)


En la tabla de arriba podemos observar las tensiones de entrada mínimas (Ve min.), las tensiones de entrada máximas (Ve max.), la corriente o intensidad máxima de salida (Is max.), la tensión de salida mínima (Vs min) y la tensión de salida máxima (Vs max.) correspondiente a cada uno de los reguladores más habituales de la familia 78XX. Esto nos permite saber que tensiones debemos aplicar a su entrada para obtener cualquier nivel posible de tensión en la salida.

P.ej. Utilizando un 7805, según la tabla, podemos obtener a su salida tensiones entre 5 y 17 V, siempre que le apliquemos a la entrada una tensión entre 7,5 y 20 V.

Podríamos entonces construir nuestra fuente real así: con un 7805. Aplicándole a su entrada (Ve) una tensión de 20 V podríamos obtener cualquier valor de salida (Vs) desde 5 a 17 V con sólo girar el cursor de la resistencia ajustable R2.

Ahora bien, si necesitamos 20 V en la entrada del 78XX (Ve), ¿cual debería ser la tensión en el secundario del transformador (Vt)?

Si nos fijamos en el esquema, la tensión de salida del transformador se aplica al puente rectificador de diodos y esto produce una pequeña caída de tensión. Siguiendo al puente de diodos nos encontramos con el condensador de filtro C1 y este, gracias a su capacidad de almacenamiento, provoca una elevación de la tensión por encima, incluso, del valor de salida del transformador (Vt). 
Por lo tanto, la Vt que buscamos va a tener que ser ligeramente menor que la Ve.

Sí, pero, ¿cual será su valor aproximadamente?

En nuestro caso, por utilizar un condensador de filtro de 2200 microfaradios (ojo, no será lo mismo si variamos la capacidad), el aumento de tensión va a ser del orden de 1,2 voltios aproximadamente por cada voltio medido en Vt.  Es decir, para obtener la Vt del transformador, deberemos dividir la Ve deseada entre 1,2.
Aunque no lo hayas entendido del todo sigue leyendo.

En el ejemplo ya comentado (usando un 7805) habíamos concluido que necesitábamos una Ve de 20 V, ¿verdad?. 
Dividiendo 20 entre 1,2 nos da el valor de 16,7 V ... esa sería la tensión necesaria para el secundario del transformador (Vt).
Si dicho transformador ofreciera en su secundario una tensión más típica, como la de 12 V (Vt), tendríamos una Ve para el 7805 de 14,4 V (12 x 1,2) y eso significaría que a su salida obtendríamos, como máximo, alrededor de 12 V (Vs).

     Entonces, con un transformador de 12 V / 1 A en su secundario y un regulador 7805, tendremos una fuente capaz de suministrar tensiones estables entre un mínimo de 5 V y un máximo de 12 V con corrientes de hasta 1 Amperio. Alimentación suficiente válida como para poder utilizarla con un montón de circuitos.

     En este caso, el fusible de entrada F1 debería tener un valor aproximado de 100 mA para una conexión de red de 125 V y alrededor de 60 mA cuando la tensión de la red sea de 220/230 V.


Llegados a este punto pensarás: “¿y no se podría haber dicho esto al principio, sin dar tantas vueltas?”

Respuesta:
“Sí, pero si lo hubiera hecho así desconocerías muchas cosas sobre el funcionamiento de este tipo de fuentes de alimentación y mi pretensión, como ya he dicho, es también la de que profundicéis en este apasionante mundo de la electrónica, ¿recuerdas? ;-) “


   
  
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