Curso electrónica proyectos No. 1.0: Fuente lineal positiva regulada en voltaje y corriente protegida

Curso electrónica proyectos No 01: Fuente lineal positiva regulada en voltaje y corriente protegida

Introducción teórica

Las fuentes en electrónica son necesarias para tener un margen de voltajes regulados y fijos independientes de las variaciones del voltaje de entrada.

Las fuentes pueden venir de diferentes formas como de aumento o reducción, pero su principal fin, es el de proporcionar una magnitud de energía constante.

Normalmente y hablando de las reductoras en una forma más común, en su composición, podemos ver que comienzan con una entrada de voltaje AC, normalmente de la red que puede ser de 110VAC o 220VAC, dependiendo del país donde se trate la red.

 Siguiente a está el transformador, que disminuye el voltaje a un margen más manejable de menor voltaje, dando un voltaje también AC, pero de menor magnitud. La siguiente es la zona de rectificación, de las cuales pueden a ver un diodo, un arreglo de estos o un puente rectificador de onda completa. Luego la zona de filtrado de señal de voltaje para disminución del ruido y aplanamiento de este voltaje. Una etapa de regulación, que nos permitirá obtener el voltaje deseado, independiente de las variaciones del voltaje de entrada y los cambios en la carga.

En la siguiente figura se muestran los diferentes bloques de las fuentes lineales.

Figura 1: Diagrama de bloques de las fuentes lineales básicas.

Introducción al proyecto

Diagrama de bloques

Partamos desde la concepción de la fuente regulada en voltaje como concepto básico, de esta forma se obtiene una forma de variar el voltaje de salida, pues esta salida es realimentada.

Figura 2: Diagrama de bloques de la fuente lineal básica regulada en voltaje únicamente. 

Vemos que este tipo de fuente tiene una topología de regulación en lazo cerrado con un amplificador operacional, en que es nombrado como U1A, que otorga un seguimiento amplificado del voltaje de entrada.

Este voltaje de entrada o más bien el voltaje de referencia estará dado por el arreglo de la resistencia RZ con el diodo DZ, que estará conectada a su vez en paralelo con el potenciómetro PVref. Este arreglo nos dará un voltaje que podrá ser variado desde 0V hasta 5V en la terminal de control del potenciómetro.

Lazo de realimentación o feedback para el voltaje

Esta terminal irá a la entrada no inversora del amplificador operacional, en conclusión, la referencia de voltaje, es la que da la variación de voltaje de la fuente entre 0V hasta Vout.

La salida del amplificador operacional irá conectada al circuito de potencia, este internamente estará construido por un arreglo de transistores.

Figura #: Circuito de feedback para ajuste de la ganancia de la fuente.

Ahora veremos la parte crucial de esta parte del circuito, que es el arreglo del la resistencia R1 de un 1K𝛀 y el trimmer R2 de 100K𝛀, este nos dará el factor de amplificación del voltaje que tenemos de referencia a través del feedaback, y como R2 es un trimmer, se podrá ajustar para que Vout sea la deseada.

La forma de ajustarlo es la poniendo en máximo PVref, de tal forma que sea igual a el voltaje de DZ, Vout tendrá que ser el voltaje máximo de la fuente.

La ecuación o fórmula que determinará el voltaje de salida es la siguiente:

En este ejemplo aplicamos los valores máximos y vemos el voltaje que nos da de la siguiente manera:

Vout=5.05V

Pero que pasaría si en caso contrario al de este ejemplo, bajáramos todo el potenciómetro, poniendo toda la resistencia en el lado de encima. Lo que daría como resultado una inconsistencia porque en la ecuación nos obligaría a dividir sobre cero, lo que en matemática sería algo erróneo.

Para solucionar este detalle, se decidió poner un tercer resistor, para así evitar esto. Cabe recordar que R2 es solo un trimmer y que nada más se usará de ajuste más no de control.

Figura X: Arreglo del feedback con la resistencia R3.

Con esto, la ecuación de ganancia cambia un poco.

En este caso los ejemplos hablan claro, llevando al circuito en valores máximos y mínimos.

Es obvio que no obtendremos 510 voltios en la salida de esta fuente, pero esto es simplemente para ilustrar como aumenta la ganancia del circuito en proporciones grandes.

Sin embargo, tenemos que saber cual sería el arreglo para que en nuestra fórmula podamos determinar la ganancia correcta, para nuestra fuente queremos un voltaje máximo de 25 voltios, lo cual se concluye con una ganancia de 5, ya que 5*5V=25V.

Sería muy complicado matemáticamente hablando resolver una ecuación para determinar instantáneamente la ganancia con un trimmer, pero por eso se decidió optar por un trimmer, para evitar la molestia de lidiar con diferentes resistencias. Solo que R1 y R3 se usan para acondicionar el valor de salida por valores estables.

Lazo de realimentación o feedback para la corriente

Para poder controlar la corriente, se necesita un circuito parecido al anterior, sin embargo, para lograr leer cuanto corriente pasa por el circuito, se usa lo siguiente.

Figura x: Lugar y forma de sensar la corriente circulante por las cargas.

En el circuito de la figura se tiene la salida de voltaje Vout, al que se le conecta una resistencia de 10Ω, que a su ves, se conecta a la salida de tierra o GND de carga.

Es de denotar que la tierra GNDcarga es muy diferente de la GND convencional de la fuente, pues ente estas dos tierras está conectadas las resistencias cada una de 5W de disipación, es decir R7, R8, R9, R10.

Como GNDcarga se conectará al circuito de carga de la fuente o salida de esta, no afecta para nada el funcionamiento del montaje de pruebas final.

Esta misma terminal, se usará para obtener el voltaje se sensor de corriente por el arreglo en paralelo de las resistencias de 5W de cada una 0.22Ω, como son 4, nos dará un equivalente de 0.055Ω. Esta la nombraremos como resistencia shunt.

Para obtener la medida de corriente suponiendo que circula por la carga una corriente de 1A, simplemente es aplicar la ley de ohm, lo cual es 0.055Ω*1A=0.055V, lo cual es prácticamente nada para restar de la fuente.

Este voltaje deberá ser amplificado y acondicionado para ser usado como referencia y control.