Guía para principiantes en electrónica – Diseño de una fuente de alimentación

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.  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

Novata: Y, ¿qué función tiene la resistencia?

La tensión en la resistencia, al estar en paralelo con el condensador, será la misma que tenga el condensador. 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.

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.

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

Para nada, Novato. Ahora tocaría diseñar la placa electrónica de la parte rectificada.

Novato: ¿Qué necesitamos para ello?

Novata: Pues los componentes electrónicos de los que nos ha hablado, ¿no?

Exacto. Nuestro listado de material es:

Lista de material

Material
Transformador de 9 voltios
4 diodos rectificadores 1N4007
1 resistencia de 470Ω
1 Resistencia 1 KΩ
1 Resistencia de 10 KΩ
1 condensador de 10 µF
1 condensador de 220 µF
Pines
Placa perforada

 

Novato: Buaah, voy a comprarlos ahora mismo…

Novata: Espera un momento, Novato, ¿por qué 3 resistencias y 2 condensadores? ¿y por qué esos valores y no otros?

Muchas preguntas, bien hecho Novata. Empezamos por el valor de las resistencias. La primera de 470 Ω es la más importante. Calculamos la resistencia mínima mediante la fórmula de la Potencia disipada:

Potencia=Voltaje x Intensidad

En nuestro caso usamos resistencias de 1/2 Watio, por tanto, nos queda:

1/2=12,7 voltios x Intensidad

Despejamos la intensidad, quedándonos:

Intensidad=0.5/12,7=0,039 Amperios que son 39 mA. Ese es el valor máximo que aguantará nuestra resistencia sin quemarse.

Novato: Aún no entiendo entonces por qué son 470 Ω…

Novata: Yo creo que sí sé por dónde va, ¿aplicamos ahora la Ley de Ohm para calcular la resistencia?

Así es, Novata. Calculamos la resistencia mínima que tendremos que poner para que no se nos queme:

R=V/I=12,7/0,039=325 Ω

Novata: Pero eso no son los 470Ω

Novato: ¿Es por que si ponemos una de 325Ω entonces se nos quemaría?

Es exactamente eso, sí, bien pensado, Novato.

Novata: Vaya estoy sorprendida.

Novato: Creo que ya voy pillándole el truco a esto.

Debemos poner un valor de resistencia que trabaje a un 50% de lo que va a soportar.

Resistencia=(325*0.5)+325=487,5Ω

Novato: Pero nosotros usamos una de 470 Ω, ahora si que me he vuelto a perder…

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 470 Ω. El resto de resistencias son de valor superior para ver cómo se comporta el circuito ante corrientes menores.

Novato: ¿Y el valor de los condensadores?

Estos valores se pueden calcular pero lo que hemos hecho es elegir un condensador de poca capacidad (10 µF) frente a otro de mucha capacidad (220 µF). Así el de poca capacidad se cargará y descargará antes que si ponemos el de 220 µF.

Novato: ¿Entonces ya puedo ir a comprar los materiales?

Pues sí pero ya para el siguiente post explicaremos la construcción del circuito, que nos quedará así:

Placa circuito rectificador
Placa del circuito rectificador

 

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