Question

La empresa Enegislluciones S.A. solicita un ingeniero que sea capaz de diseñar un circuito que le permita alimentar varios dispositivos electrónicos con 9 voltios D.C. para grupos pares y con 5 voltios D.C. para grupos impares. Las restricciones de diseño son las siguientes:
 Un transformador
 Se deben emplear 4 diodos para grupos pares y 2 diodos para grupos impares
 Se debe acoplar un circuito que permita filtrar el voltaje A.C. convirtiendo su salida a una señal continua
 Debe incluir también un regulador que permita mantener el voltaje de salida estable

Answer 1

En esta resolución se va a encarar un desarrollo de tipo fuente de alimentación lineal, consistente en transformador, etapa rectificadora y filtrado. De acuerdo al enunciado, se distinguen dos tipos de desarrollo:

• 9 voltios de salida y 4 diodos en la etapa rectificadora para grupos pares. El circuito se adjunta en la imagen "par".
• 5 voltios de salida y 2 diodos para grupos impares. El circuito se adjunta en la imagen "impar".

Vamos a dividir la respuesta en dos:

9 voltios de salida y 4 diodos:

Regulador de voltaje: Aquí puede emplearse el regulador LM7809, el cual soporta una corriente de 1,5A y una tensión de entrada de 11 a 35V. Por lo que la tensión filtrada tiene que ser de al menos 11V.

Etapa de filtrado: Del punto anterior se desprendió que la tensión filtrada ha de ser de al menos 11V. Vamos a aplicarle un 30% de factor de seguridad, para cubrir variaciones de tensión de línea.

$V_{filt}=11V.1,3=14,3V$

Con lo que para la tensión del capacitor vamos a estimar un 50% más de este último valor.

$V_{cap}=V_{filt}.1,5=14,3V.1,5=21,45V$

Tomamos una tensión de 25V para el capacitor. El valor se obtiene de las curvas de Schade para onda completa, pero en este ejercicio vamos a tomar como valor aproximado 2000uF por cada amperio de corriente de salida y una corriente de 1A, con lo que queda que el filtro consiste en un capacitor de 2200 μF a 25V. Su función es convertir la tensión pulsante entregada por los rectificadores en tensión continua.

Transformador: La tensión filtrada en teoría es el valor pico de la tensión alterna del transformador, pero en la práctica y a plena carga puede estimarse en el 80% de este valor pico, por lo que nos queda.

$V_{filt}=V_{p}.0,8=V_{tr}.0,8\sqrt{2} \\\\V_{tr}=\frac{V_{filt}}{0,8\sqrt{2}}=\frac{14,3V}{0,8\sqrt{2}}=12,6V$

Y como se usan cuatro diodos, el transformador es de salida simple. Con lo que el transformador es de 220Vca-13Vca a 1A de corriente salida, secundario simple.

Etapa de rectificación: La consigna dice que se usan 4 diodos, la configuración a emplear es la de puente rectificador, el cual es de onda completa (convierte la tensión alterna en tensión pulsante de 100Hz). Si se adopta 1A de corriente, los diodos son de 1A de corriente. Ahora la tensión inversa que va a soportar cada diodo es la amplitud de la tensión alterna del transformador con un factor de seguridad.

$V_{inv}=V_{tr}.\sqrt{2}.1,5$

$V_{inv}=13V\sqrt{2}.1,5 =27,5V$

Con lo que se pueden usar diodos tipo 1N4001 que son de 1A de corriente y 50V de tensión inversa.

9 Voltios de salida y 2 diodos:

Regulador de voltaje: Aquí vamos a emplear el LM7805, el cual requiere que la tensión de entrada sea al menos 2V mayor que en la salida, por lo que la tensión filtrada tiene que ser de al menos 7V.

Etapa de filtrado: Consiste en un capacitor, cuyo valor se obtiene de las curvas de Schade pero aquí vamos a tomar como aproximación 2000 uF por cada amperio de corriente de salida, la tensión filtrada la tomamos con un factor de seguridad del 30%.

$V_{filt}=(V_0+2V).1,3=7V.1,3=9,1V$

Y la tensión máxima del capacitor la estimamos con un factor del 50% por encima de esta:

$V_{cap}=V_{filt}.1,5=9,1V.1,5=13,65V$

Con lo que el capacitor de filtro queda en 2200uF a 16V.

Transformador: Como se emplean dos diodos, estos se conectan en configuración de rectificador bifásico y se usa un transformador con toma central, la tensión filtrada en teoría es el valor de cresta de la tensión alterna del transformador, pero en la práctica, a plena carga se puede estimar en un 80% de este valor cresta. Nos queda:

$V_{filt}=V_{p}.0,8=0,8V_{tr}\sqrt{2}\\\\V_{tr}=\frac{V_{filt}}{0,8\sqrt{2}}=\frac{9,1V}{0,8\sqrt{2}}=8,04V$

Con lo que queda que el transformador va a ser de 8V+8V, ó 16V con toma central, a 1A por rama.

Etapa rectificadora: Como dijimos más arriba, es una configuración de rectificador bifásico, el cual es de onda completa (convierte la tensión alterna en una tensión pulsante de 100Hz) pero requiere tener en la entrada dos tensiones alternas cuyos fasores son iguales y opuestos. por eso usamos un transformador de punto medio. Los diodos son de 1A pero la tensión inversa es el doble de la amplitud de cada fase con un factor de seguridad, tengo:

$V_{inv}=2V_{tr}\sqrt{2}.1,5 =2.8V\sqrt{2}.1,5 =33,9V$

Con lo que queda que podemos usar como rectificadores los diodos 1N4001 que soportan 1A de corriente directa y 50V de tensión inversa.