Funetes De Voltaje

Teoría y construcción de fuentes de voltajes lineales

Imagen ilustrativa

En este artículo, voy a exponer la teoría y cálculos de fuentes de alimentación DC con reguladores lineales, por ser estos muy estables, de fácil utilización como de aplicación y que en comparación a los diodos zener, estos no dependen de la carga para ser calculados, esto con las siguientes condiciones:

1) Que la corriente que circula por el regulador lineal no sea mayor al estipulado en la hojas de datos (datasheet) del fabricante

2) Que la temperatura de trabajo del regulador, no sobrepasen los estipulados en las hojas de datos del fabricante.

Ahora para poder entender el diseño de una fuente DC, procedo a mostrar el siguiente esquemático.

En donde:

Esto simboliza la corriente alterna 120 o 220 volt AC rms (toma corriente o enchufe), este voltaje de trabajo depende de cada país.

Respecto a este componente no supone mucho problema en entenderlo, solo ahí que tener precaución porque es alto voltaje.

Para entender el concepto de corriente alterna (AC) y el por qué del voltaje rms (root mean square (valor cuadrático medio) véase en wikipedia), observen la siguiente gráfica.

La AC, es aquella que alterna su polaridad a través del tiempo, dicho de otra forma, esta corriente es positiva en un tiempo t1 y es negativa en un tiempo t2, igualmente el voltaje tiene el mismo comportamiento (la línea senoidal roja).

La linea verde que aparece en la gráfica es el valor eficaz o RMS (rms) de la corriente alterna (AC), este valor eficaz, es el que podemos observar en el multimetro cuando medimos el voltaje de un toma corriente o de un transformador.

El valor pico de la señal senoidal se obtiene multiplicando el valor rms por la raíz cuadrada de dos, ejemplo, el voltaje AC rms de mi país es de 120 v, entonces cual será su valor pico de la onda senoidal.

120v x sqrt(2) = 170 volt pico

En forma mas simplificada.

sqrt(2) = 1.4142

120v x 1.4142 = 170 volt pico

Entonces la gráfica anteriormente expuesta concuerda con estos cálculos realizados.

NOTA: El valor pico del voltaje AC, es estrictamente necesaria calcularla para la parte de rectificación.

Este esquema representa a un transformador eléctrico de núcleo de ferrita.

Un transformador eléctrico, cumple la función de tomar los 120 ó 220 volt AC rms del toma corriente (enchufe) y aumentar o reducir el voltaje dependiendo de si el transformador es elevador o es reductor de tensión respectivamente , la elevación y/o reducción de voltaje se hace mediante inducción magnética en dos devanados totalmente aislados electricamente, para entender esto muestro lo siguiente.

Por el devanado primario pasa una corriente "Ip" AC (alterna), esta corriente hace inducir un flujo magnético a través del núcleo que después lo recibe el devanado secundario convirtiéndolo de nuevo en corriente alterna "Ip", la diferencia está en que por el primario entra un voltaje, y si el transformador es reductor (la bobina secundaria tiene menos espiras que el devanado primario) reduce el voltaje respecto a la tensión de entrada, o sea, por ejemplo un transformador reductor que reduce 120 volt AC rms a 12 volt AC rms, y si es un transformador elevador (la bobina secundaria tiene mas espiras que el devanado primario ) simplemente la tensión se elevará, por ejemplo un transformador que eleva 120 volt AC rms a 220 volt AC rms. Ahora hablando de eficiencia, el transformador teóricamente 100% eficiente, en algunos libros de electrónica y electricidad se dice que su eficiencia es del 90%, pero a mi criterio y varias experiencias con dichos dichos dispositivos eléctricos les doy como un máximo de eficiencia del 65%, debido a que cuando el transformado lleva mucho tiempo encendido, su temperatura aumenta considerablemente si no se disipa adecuadamente, entonces su rendimiento decae casi exponencialmente.

Supongamos que vamos a trabajar en un ambiente casi ideal, entonces yo consideraría una eficiencia del 75% a 80%, por consiguiente un ejemplo:

- Se tiene un transformador reductor que en el secundario tiene una tensión de 12 volts AC rms a una corriente de 450 mA (miliamperios), entonces su potencia nominal seria 12volt x 0.450 Amp = 5.4 watts, como estamos considerando una eficiencia del 80% entonces por medio de una regla de tres simple directa calculamos la nueva potencia a ese porcentaje.

5.4 = 100%

X = 80%

X= (5.4 x 80)/100

X= 4.32 w

Entonces obtuvimos que la eficiencia del transformador al 80% es de 4.32 watts, ahora por ley de watt obtenemos la nueva corriente máxima del transformador.

P= V x I

Donde P= Potencia en watts ; V = Voltaje ; I = Corriente en Amperios

Despejando la corriente ("I"):

I= P / V

I= 4.32w / 12 volt

I= 0.36 amperios

I= 360 mA

Siendo esa la corriente máxima que nuestro transformador podrá suplir al circuito que este conectado.

En otro articulo hablaremos del diseño y construcción de un transformador, por lo tanto ahora nos limitaremos a los transformadores reductores de valores comerciales que añado en la siguiente tabla.

Los transformadores tienen una derivación central o tap central de cero (0) voltios, como siempre daré una explicación ilustrativa del caso.

Tenemos un transformador de 6-0-6 volt a 300 mA como el siguiente.

Si medimos de la siguiente manera, con un multimetro en modo Voltaje AC

Si medimos de esta otra manera

Y por último, en esta forma, los voltajes en AC se suman

Mas sin embargo, la corriente NO se suma, sigue siendo la misma 300 mA en este ejemplo, esto se cumple en absolutamente todos los transformadores.

Puente rectificador, son 4 diodos

Para entender el funcionamiento de un puente rectificador, primero se debe conocer la base sobre la cual esta construido, el diodo.

Para el calculo de diodos existen diversos métodos (pequeña señal, modelo exponencial, ideal, potencial constante, etc), en este artículo nos limitaremos a usar el método de potencial constante.

Un diodo es un elemento de naturaleza exponencial (no lineal), esto quiere decir que, de las dos variables (voltaje y corriente) que intervienen en el diodo (En condiciones ideales 25° Centigrados), una variable aumenta de forma exponencial respecto al aumento lineal de la otra variable.

Para un mejor entendimiento les muestro la gráfica de Corriente vs Voltaje (I vs V), de un diodo común en polarización directa

Se puede observar que un pequeño aumento de 0.1 voltios, hace que por el led circule casi dos veces la corriente que conduce cuando tiene 0.7 volts.

Esta gráfica se obtiene con base a corriente DC, mas sin embargo sirve para dar a entender que el diodo se puede entender como una fuente de voltaje de 0.7 volt a corrientes medias y altas (Estas corrientes medias y altas dependen del fabricante).

SÍMBOLO DEL DIODO

POLARIZACIÓN DEL DIODO

El diodo es unidireccional, esto es, que si el diodo se polariza en Directa, se permite el paso de corriente a través de él, como si fuera un interruptor cerrado, si se polariza en inversa, entonces la corriente que pasa por el diodo es tan pequeña (del orden de los nanoAmperios en diodos de silicio, y de los microAmperios en los diodos de germanio), que por ser tan pequeña, el diodo se podría considerar como un interruptor abierto.

ANALOGÍA

Para poder entender el diodo a groso modo, observe el siguiente esquema.

En este circuito tenemos una batería de 9 voltios DC, que alimenta a un diodo y resistencia de carga de 120 ohmios, la flecha roja señala un voltimetro que esta midiendo la tensión que tiene el diodo, se puede apreciar que es de aproximadamente 0.7 volts, el voltimetro señalado con la flecha negra, esta midiendo el voltaje que cae en la resistencia de 120 ohm, se puede apreciar que es de aproximadamente 8.3 volt, esto quiere decir que el diodo actúa como una fuente de voltaje que se le resta a la tensión de la fuente DC o AC según sea el caso.

EL DIODO COMO RECTIFICADOR

El diodo posee la propiedad de "convertir" una corriente alterna (AC) a una corriente continua pulsante (DC), dicha propiedad es usada para el diseño y construcción de fuentes de alimentación DC, de las que encontramos en nuestras PC´s, cargador de teléfonos, televisores, etc.

Para ilustrar el diodo como rectificador, atención a las siguientes imagenes

RECTIFICACIÓN MEDIA ONDA

Una fuente de tensión AC de 6 volt rms (o sea, 6v x 1.4142 = 8.5 voltios pico), alimenta una resistencia de carga por medio de un diodo. Cuando el voltaje AC pasa por el diodo, el diodo SOLO deja pasar la polaridad positiva de la tensión AC (porque es polarización directa), a este voltaje rectificado pico (8.5 volt pico), se le resta la caída tensión del diodo

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