Fuente de alimentacion – Parte 1 – Voltaje Principal

Bueno, pues siguiendo con el deseo de tener una fuente lo suficientemente “pro” 🙂 Ahora analizaremos el modulo que nos proporcionara el voltaje y la corriente principal.

Este modulo de nuestra fuente esta formado por las ya clasicas secciones de ATENUACION-RECTIFICACION-FILTRADO

Atenuación

Esta parte se compone unicamente de un transformador y de un fusible, la verdad no requiere de mucha atencion, a excepto claro, de las caracteristicas del transformador.

Segun habiamos dicho, la fuente deberia tener 2 salidas/canales por que deberiamos sumistrar maximo 4 amperes por canal, eso nos da un total de 8 amperes de consumo, mas la parte del control digital, que supondremos (exagerando) consume 1 Ampere. Asi que el transformador debe por lo menos ser de 10 Amperes. Se que suena caro y de hecho lo es, pero vale la pena. El transformador es la parte mas cara de nuestra fuente (junto con los capacitores).  :S

En mi caso, tengo un transformador de 12Vac@15Amp 😉

transformador 12v15A

Lo compramos en “Servicio Perez”, estan ubicados en la calle de mesones, muy cerca del cruce con calle bolivar en el centro historico de la ciudad de México. Los telefonos estan en la foto. Tambien pueden preguntar en transformadores avila. En ambos casos si no lo tienen lo pueden mandar a hacer 😉

El fusible lo considere de 10 Amperes (si lo colocan a la salida de los capacitores, pero si lo colocan a la salida del transformador los picos de corriente podrian fundir el fusible aun con muy poca exigencia de corriente, mas adelante estan los detalles) o bien, de 1ampere (si lo colocan en el primario), recordemos que en México la alimentacion de linea es de aprox 110V60Hz. Pero la verdad no creo llegar a esos extremos (espero) ya que el control digital hará lo propio, pero bueno, mas vale prevenir…

Rectificacion y Filtrado

Estas 2 etapas se abordaran de manera conjunta ya que parte del analisis del filtrado nos dira las caracteristicas de la etapa de rectificacion.

La rectificacion que propongo es de onda completa, pero el analisis que hare sera con rectificador de media onda, la verdad el analisis es casi el mismo, pero, los dibujos y graficas se ven menos saturados usando el de media onda.

Aqui el circuito de analisis.

circuito1

Como ven es muy sencillo, pero tiene sus detalles. El voltaje V1 simula la salida del transformador, C1 es el capacitor que vamos a calcular y R1 representa la carga que alimentaremos. Por el momento los valores que tienen, carecen de importancia salvo para rellenar “ecuaciones” :S

La salida del rectificador de media (Vout en la figura anterior) de nuestro circuito, es la siguiente:

grafica1 media onda

La señal verde es el voltaje a la salida del transformador y la azul, es el voltaje a la salida del diodo, el voltaje aplicado a la carga (resistencia).

Como podemos observar, el voltaje maximo que se puede sumistrar a la carga, esta limitado por, ademas del transformador, el diodo que consume un voltaje de 0.7V (1.4V para rectificador de onda completa). Tambien se puede observar que el voltaje que se le suministrá a la carga tiene una oscilación o voltaje de rizo. Este voltaje de rizo tiene mas importancia de la que parece, ya que nos indica cuando se esta suministrando corriente en el sistema. Muchos comentemos el error de querer minimizar o desaparecer el voltaje de rizo, pero no hay una idea más mala que esa. Cuando se tiene un rizo tan pequeño, los diodos conducen la corriente durante lapsos muy cortos de tiempo, y en ese mismo tiempo  se debe sumistrar la corriente suficiente para cargar el capacitor y para suministrar la corriente a la carga.

En la siguiente figura se ve mejor:

grafica2

Como ven, a la grafica anterior, se le agregaron unas mediciones mas: las corrientes del diodo (rojo), del capacitor (verde agua?) y de la resistencia (morado). Tambien se puede apreciar que para la resistencia, la corriente es medianamente constante (aprox 30mA), pero los picos de corriente, suceden en el diodo y el capacitor. Estos picos de corriente son mas altos que la corriente nominal suministrada, ya que el diodo solo dispone de muy poco tiempo en cada periodo para cargar el capacitor y suministrar corriente a la resistencia, cuando deja de conducir, la energia almacenada en el capacitor alimenta la carga.

Para el caso del circuito mostrado, uno pensaria que para la carga usada, la corriente nominal (que es de ~30mA) nos daria la “medida tal cual” de corriente del puente rectificador, pero estariamos equivocados. Ahora imaginen que queremos eliminar completamente el voltaje de rizo del circuito anterior y aumentamos el valor del capacitor a digamos 1000uF 😛 el voltaje seguro quedara muy muy “lineal”

grafica3

Y asi fue, el voltaje casi no oscila, pero la corriente (la escala de corriente, lado dereho) aumentó!!!. Ya no son picos de corriente de 360mA, ahora son de poco mas de 1Ampere !!! :S Y eso que la corriente nominal en la carga sigue siendo de los ~30mA. Para corrientes mas grandes (reducimos la resistencia) digamos 1A…

grafica4

A pesar que el voltaje de rizo aumentó (aumentando el tiempo de conduccion del diodo) la corriente pico tambien. Y si queremos reducir el voltaje de rizo (aumentamos el capacitor)…

grafica5

Como se ve, cuando se suministra 1Ampere y se reduce el voltaje de rizo, los picos de corriente en los diodos llega a un poco mas de 15Amperes, asi que los puentes de diodos tendran que ser de capacidades de corriente mas grandes.

Ahora vienen las preguntas ¿Que capacitor uso? y ¿Que diodos uso?. Empecemos por el capacitor. Para tener un buen aprovechamiento de los diodos se recomienda que el voltaje de rizo este en el rango de 5% a 10% del voltaje maximo a la salida del diodo. Esto se debe a que a menos del 5% los picos de corriente son muy grandes y puden reducir rapidamente la vida util de los diodos o puentes rectificadores, ademas de provocar grandes calentamientos en los mismos; a mas del 10% el ruido a la salida de la regulacion es muy notorio y de hecho puede ser mas dificil regular el voltaje.

Ahora, la clave para determinar el capacitor es con el voltaje de rizo.

Analisis Vrizo1

El voltaje de rizo depende basicamente de la descarga del capacitor en la resistencia y el tiempo que toma, esto es: T_d

  • T_p es el periodo de la frecuencia de linea.
  • T_c es el tiempo de carga del capacitor (el tiempo en que los diodos conducen)

Si tomamos como inicio de tiempo el momento justo en el que se empieza a descargar el capacitor, la ecuacion de salida de voltaje queda como sigue:

V_{out}=V_{max}e^{(\frac{-t}{RC}) }

Por lo que el voltaje minimo (del rizo)es:

V_{min}=V_{max}e^{(\frac{-T_d}{RC}) }

Asi el voltaje de rizo es:

V_{rizo}=V_{max}-V_{min}=V_{max}(1-e^{(\frac{-T_d}{RC}) })

Si la parte exponencial la desarrollamos por series y nos quedamos con los terminos lineales:

e^{(\frac{-T_d}{RC}) }\cong 1-\frac{T_d}{RC}

El voltaje de rizo queda:

V_{rizo}\cong V_{max}(\frac{T_d}{RC})

Manejando el voltaje de rizo del 5% al 10% del voltaje maximo, entonces el tiempos de descarga T_d \gg T_c, asi podemos considetar al tiempo del periodo T_p \approx T_d

Con lo que:

V_{rizo}=V_{max}(\frac{-T_p}{RC})

Y como T_p esta en funcion de la frecuencia de linea (en el caso de México es 60Hz) T_p=\frac{1}{f_{linea}}=\frac{1}{60} para rectificador de media onda, para onda completa T_p=\frac{1}{2f_{linea}}=\frac{1}{120} ya que se duplica la frecuencia de “rizo” al rectificar el semiciclo negativo de la señal de entrada.

Asi, el voltaje de rizo resulta finalmente en:

V_{rizo}=\frac{V_{max}}{f_{linea}RC} y como \frac{V_{max}}{R}=I_{max}, pero como nos interesa mas el capacitor, lo despejamos de la ecuacion y resulta:

C=\frac{I_{max}}{f_{linea}V_{rizo}}  para rectificaor de media onda y

C=\frac{I_{max}}{2f_{linea}V_{rizo}} para rectificador de onda completa.

Es algo asi como 4000uF por cada Ampere dejando un voltaje de rizo de 2V y empleando un rectificador de onda completa 😛

Para el diseño que vamos a realizar el calculo queda (usando rectificador de onda completa y V_{max}=17V \Rightarrow V_{rizo}=1.7V):

\boxed{ C=\frac{9A}{2*60Hz*1.7V}=44120\mu F}

Uff!!!! es muy grande el valor! pero tambien es muy alta la corriente que pretendemos controlar.

Y eso lo hare con unos cuantos de estos:

capacitor electrolitico

Es importante recordar que el voltaje de los capacitores electroliticos, debe ser superior que el voltaje maximo a ultilizar, de hecho se recomienda el doble, más para estos casos.

Ahora bien, ya tenemos el capacitor, falta el puente rectificador. Ya no voy a dar mucho rodeo, menos para desarrollar la expresion que requiere mas tiempo, asi que para los picos de corriente del diodo, la formula es la siguiente:

\boxed{ I_{Dpico} \cong \left( \frac{V_{max}}{R} \right) \left( 1 + \pi \sqrt{ \frac{ 2V_{max} }{ V_{rizo} } } \right) }

Que sustituyendo valores y sabiendo que I_{max} = \frac{V_{max}}{R} :

\boxed{I_{Dpico}\cong 9A * \left( 1 + \pi \sqrt{\frac{2*17V}{1.7V}} \right) \cong 135.44A }

135.44 Amperes!!!!!!!   Wow!!! y eso pasa en unas fracciones de milisegundo!!!  bueno, teoricamente, pero aun asi, sabemos que los picos de corriente son lo suficientemente grandes como para destruir un puente rectificador que no sea el adecuado. Ademas de darnos una idea de por que los transformadores zumban! jejejeje 😛

Y ahora ¿Cual es el adecuado? sabemos que suministraremos hasta 9Amperes continuos y hasta 135.44 Amperes pulsantes. Para saber que puente rectificador usar, basta ver su hoja de especificaciones, yo elegi el KBPC3506, por un par de razones:

  • Su encapsulado lo hace muy bueno para colocarle un disipador de calor.
  • Sus capacidades de corriente.

KBPC3506

Echemos un vistazo a sus caracteristicas:

corriente pico puente

Como podemos ver puede conducir hasta 35 Amperes de corriente continua, y hasta 400Amperes en picos de corriente!!!  y asi este puente se convierte en nuestra opcion, ya que en un corto circuito, que espero que no hagamos, este puente puede soportarlo sin calentarse tanto.

De esta forma el diagrama, que de por si no era complicado, ya le podemos asignar valores mas definidos:

Modulo fuente principal

Uno podria pensar “cuanto tiempo para un transformador, un puente de diodos y un capacitor!!!”  y tendria razon 😉 pero despues del camino recorrido, en si solo se ocupan un par de formulas y muy pocos datos. Este desarrollo podemos aplicarlo en diferentes diseños pero ya sin sufrir nuevamente, ademas de saber que los valores son apropiados y convienen para no calentar de mas la fuente o el transformador en si. Arrastrar el lapiz antes de empezar a armar evita que estemos “parchando” nuestros circuitos y tambien evita un par de dolores de cabeza.

Si gustan armar este “modulo”, dejo los archivos (formato DipTrace)  link en la siguiente imagen:

fuente3d

En la siguiente parte trataremos de abordar los canales de salida, seran un poco mas complicados que esto, pero nada de que preocuparse.

Sin mas por el momento…

Argos

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2 pensamientos en “Fuente de alimentacion – Parte 1 – Voltaje Principal

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