En este momento estás viendo Diseño de una fuente de alimentación 01 – Transformador y filtrado

Diseño de una fuente de alimentación 01 – Transformador y filtrado

Índice

Fuente de alimentación

Esta guía va a enseñarte electrónica desde cero de una forma práctica. Para ello primero elegimos un proyecto electrónico a realizar. En este caso es una fuente de alimentación de corriente continua de 9 voltios. Aquí tenemos el esquema electrónico que vamos a necesitar:

rectificador de onda completa

Transformador

Empezamos el esquema de izquierda a derecha (como cuando leemos). Por tanto, vemos que vamos necesitar un transformador de 9V.

Novato: ¿Por qué?

Novata: Eso explícanos un poco más.

Te estarás preguntando quienes son estos. Olvidé contároslo. Son Novato y Novata, aquellos que se atreverán a hacer las preguntas que son consideradas tontas por ti.

Como hemos dicho, vamos a diseñar una fuente de alimentación de 9V de corriente continua. Por tanto, lo que necesitamos es transformar los 230V a 9V.

Transformador
Transformador

Novato: ¿Entonces ponemos el transformador y ya está el proyecto? ¡Qué fácil!

Novata: No creo que sea tan fácil. Déjalo seguir explicando.

Gracias, Novata. El circuito electrónico sólo acaba de empezar pero ya tenemos uno de los componentes más importantes del proyecto. El transformador permite reducir el voltaje (y aquí tenemos que meter un poco de matemáticas y fórmulas) y la relación de vueltas del transformador determina la cantidad de voltaje que reduce, mediante esta fórmula:

relación de transformación
Fórmula de la relación de transformación de un transformador
Transformador
Transformador
voltaje secundario de un transformador
Fórmula del voltaje secundario

Sabiendo que Npri es el número de vueltas en el Primario del transformador y Nsec, el número de vueltas en el Secundario del transformador, podemos calcular la relación de transformación. Vpri es el voltaje en el primario, la tensión de un enchufe que es 230V y Vsec (voltaje en el secundario) dependerá de lo que queramos reducir de voltaje. En nuestro caso es 9 voltios.

Debemos saber que los 9 voltios del transformador es de 9 voltios eficaces.

formula voltaje de pico
Fórmula para el voltaje de pico

Novato: Que nombre más raro, yo creí que había voltios como los de las pilas y ya está.

No exactamente, los 9V del transformador es 9V de corriente alterna que en continua equivale a 12,7 Voltios de pico.

Novato: ¿Corriente qué?

Quizás este paso me lo he saltado. Tenemos que saber que hay 2 tipos de corriente:

  • Alterna
  • Continua
Gráfica de la tensión alterna
Gráfica de la tensión alterna
Gráfica de la tensión continua
Gráfica de la tensión continua

Como podéis observar en las gráficas, la corriente continua es una línea recta, no como la alterna que es una onda. Nuestra fuente de alimentación se conectará a la red de 230V que es alterna, por tanto, tenemos que convertir esa corriente alterna de 230V en corriente continua de 9V.

Novata: Pero ahora sabemos que no son 9V de corriente continua sino 12,7 V.

Exacto, gracias, novata.  Aquí tenemos un vídeo demostrándolo con la placa que fabricaremos.

Ahora toca el siguiente paso al transformador. La rectificación.

Rectificación

Novato: Me está empezando a doler la cabeza, tanta palabra inventada. Parece muy complicado…

Novata: Vamos, no te desanimes tan pronto. ¿Cómo conseguimos eso?

Buena pregunta, Novata. Con un rectificador de onda media no conseguimos que la corriente sea del todo continua, como podéis observar en las imágenes siguientes:

Circuito del rectificador de media onda
Circuito del rectificador de media onda
Onda del rectificador de Media Onda
Onda del rectificador de Media Onda

Por ello, elegimos uno de onda completa:

Circuito del rectificador de Onda Completa
Onda del rectificador de Onda Completa
Onda del rectificador de Onda Completa

Novato: ¿Qué son las flechas que lleva el dibujo?

Novata: No son flechas. Son diodos.

Exactamente, son diodos rectificadores. Según los dispongamos en puente o un único, tendremos un rectificador de onda completa o media onda. Para nuestro proyecto usaremos 4 diodos en puente (llamados diodos rectificadores).

puente de diodos
Puente de diodos

Novato: ¿Qué es lo que hace un diodo exactamente?

Novata: Eso, explícanoslo porque yo ahí ya me pierdo un poco.

Un diodo sólo deja circular la corriente en un solo sentido.

Novato: ¿Has visto como sí son flechas, Novata?

Bueno en cierta manera, tenías razón, Novato. Ya que apuntan a la dirección donde dejan circular la corriente.

Novato: Vale pero y, ¿cómo conseguimos que haga esa corriente seguida?

Novata: Continua, se dice corriente continua.

Volvemos a las gráficas de la corriente alterna y continua.

Queremos rectificar una señal de corriente alterna para que siempre sea positiva y por lo tanto corriente continua, pero si te das cuenta, las ondas en corriente continua suelen ser ondas planas, como esta:

Gráfica de la tensión continua
Gráfica de la tensión continua

Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando sólo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente:

Funcionamiento de un Media Onda
Funcionamiento de un Media Onda

O de onda completa, donde como podéis observar los cuatros diodos en una disposición específica, en puente, llamada configuración de rectificación y ambos semiciclos son aprovechados:

Funcionamiento de un Onda Completa
Funcionamiento de un Onda Completa

Con los diodos en puente rectificador obtenemos, la siguiente onda:

Onda Completa
Onda Completa

Novato: Desde luego nuestra onda no es nada plana.

Por eso hay que convertirla en lo más plana posible para que sea auténticamente corriente continua y como la mayoría de las que se usan. Para eso vamos hacer un filtro de la onda mediante un condensador  y una resistencia (filtro RC).

Novato: ¿Un filtro? ¿Como los de casa?

Novata: Nooo… que fuste, Novato…

Filtro

Nosotros lo que queremos conseguir con el filtro es lo siguiente:

Ondas rectificadas y filtradas
Ondas rectificadas y filtradas

Novato: Sigo sin enterarme de nada

Veamos el circuito por separado primero:

Circuito filtro RC
Circuito Filtro RC

Fíjate que el condensador esta en paralelo con la salida que es RL.

Novato: ¿Por qué en paralelo y no en serie?

Novata: Sabemos que un condensador en serie no deja pasar la corriente continua. Sin embargo, en alterna si deja pasar.

Bien observado. Tenemos un condensador en paralelo con una resistencia, alimentados por una corriente alterna (fíjate en la forma de las ondas en el dibujo). Expliquemos que pasa en este circuito:

Funcionamiento filtro RC
Funcionamiento filtro RC

En el instante inicial el condensador está descargado y la tensión de alimentación lo carga. Al cabo de un tiempo en condensador estará completamente cargado.

Novato: ¿Qué pasa ahora?

Novata: No le interrumpas tanto y déjalo que lo explique seguido…

Ahora el condensador comienza a descargarse por la resistencia:

Descarga del condensador
Descarga del condensador

Novato: ¿Y ya está? No veo para qué sirve aún…

Novata: Déjale terminar…

Casi nada más empezar a descargarse el condensador, la corriente alterna empieza a cargar otra vez el condensador, por tanto, este nunca se descarga por completo:

El condensador vuelve a cargarse
El condensador vuelve a cargarse

Esto podemos calcularlo mediante la formula de carga y descarga de un condensador:

descarga de un condensador
Formula de la descarga de un condensador

También podemos calcular el valor del condensador C mediante esta fórmula:

Novato: Pero, ¿Cómo sabemos cuál es la tensión de rizado pico a pico?

Es una buena pregunta. Esto es lo primero que tenemos que calcular.

La onda de la tensión de salida será la misma que la de la gráfica siguiente, es decir, una onda rectificada:

Gráfica del rizado
Gráfica del rizado

Esta carga y descarga que es una variación del voltaje del condensador, se le llama Rizado y lo podemos calcular mediante la siguiente fórmula:

rizado
Rizado

Vp es lo que hemos calculado anteriormente que nos daba un resultado de 12,7 voltios.

Como sabemos, en un semiciclo la tensión pasará por 2 diodos, por tanto, tenemos:

La Vpico la sabemos que es 12,72V y la caída de tensión de un diodo es de 0,7V. Nuestro cálculo nos queda:

Por tanto. esos 11,32 V es la tensión máxima que vamos a tener. Como queremos una tensión media de 9V, entonces restamos para ver en cuanto se superan los 9V, quedádonos 2,32V. Hacemos el cálculo para tanto como tensión máxima como tensión mínima.

Novata: La tensión mínima es de: 9-2,32 quedándonos 6,67 V.

Muy bien, Novata. Ahora nos queda calcular la tensión de rizado pico a pico.

Por tanto, el rizado que tenemos es de 4,65V. Ya tenemos todos los datos necesarios para cacular el valor de nuestro condensador:

Despejamos la capacidad del condensador quedándonos:

Novata: Y, ¿qué función tiene la resistencia?

Durante la carga y descarga del condensador, al estar en paralelo con la resistencia, la señal de salida será igual a la del condensador. Este estará cargándose y descargándose constantemente. Este ciclo se repite constantemente. Si te fijas la señal de salida siempre será alta.

Como el condensador no opone resistencia y no limita la corriente, ponemos para ello también la resistencia.

Novato: ¿De qué valor la ponemos?

Pues lo tenemos que calcular según cuánto queremos limitar la corriente. También debemos saber que esta resistencia debe ser de bajo valor para que no disminuya la tensión de salida.

Novato: ¿Cuánto podemos limitar la corriente?

Eso es algo que nosotros podemos elegir y según las especificaciones del producto. Para este ejemplo supongamos que queremos limitar la corriente por el condensador a unos 5 Amperios.

Novato: Pues voy ya mismo a comprar la resistencia de 2,26 Ω.

Espera un momento, no puedes comprarla con ese valor exacto.

Novato: ¿Por qué?

Debemos saber que a la hora de ir a comprar una resistencia, no tienen el valor exacto que hemos calculado.

Novata: Hay unos valores estandarizados.

Eso es. Hay unos valores normalizados para las resistencias. En nuestro caso, elegimos una de 2,7 Ω.

Novato: ¿Y para el valor de los condensadores pasa lo mismo?

Exactamente para el condensador elegimos uno de 220 µF, ya que está más cerca del valor calculado.

Novato: Entonces, ¿ya tenemos terminada la fuente de alimentación?

Nos falta aún un último cálculo, el de la potencia que debe disipar la resistencia para no explotar. Usamos la siguiente fórmula:

Pero primero debemos saber la corriente que limitamos…

Novato ¿Pero eso no lo hemos calculado ya?

Novata: Si pero como hemos elegido un valor de resistencia estándar, la corriente que limitamos será de otro valor.

Eso es, Novata.

Por tanto, nuestro circuito limita la corriente a 4,19 Amperios. Ahora sabiendo el valor que limitamos de corriente, calculamos la potencia de la resistencia usando la Ley de Ohm:

Por tanto, con una resistencia de 1/8W o 1/4 W sería suficiente.

Novato: Entonces, ¿Ya puedo ir a comprar los componentes que necesitamos?

Puede ir pero aún nos falta unos componentes más para seguir diseñando nuestra fuente de alimentación-

El siguiente post hablaremos sobre los cálculos posteriores al filtrado y ya habremos terminado con los cálculos para la fuente de alimentación y podremos pasar al diseño de la misma.

Seguir con la parte 2: https://www.ginesparedes.com/guia-para-principiantes-en-electronica-diseno-de-una-fuente-de-alimentacion-02-estabilizador-o-regulador-zener/ 

Esta entrada tiene 4 comentarios

  1. HECTOR DANIEL CHUMPITAZ SOTO

    Muy bien, me gustó la explicación. Deberías de tener un canal de youtube y así poder explicarlo en vídeo y hacer más proyectos como este.

    1. ginespar

      Muchas gracias! Hay en el post un video en youtube demostrando una parte de lo explicado 🙂

  2. Luis

    Excelente explicación para realizar este trabajo de la fuente de poder

    1. ginespar

      Muchas gracias, Luis

Deja una respuesta