Fuente de alimentación lineal

Fuente de alimentación lineal

Actualizado hace un año

Una fuente de alimentación es el primer circuito que debe conocer un eléctrico, es la base del funcionamiento del resto de cosas. Como este blog se centra en amplificadores de sonido, voy a diseñar una fuente de alimentación lineal la cual tenga una etapa principal que alimenta el amplificador, una etapa secundaria para alimentar un preamplificador y una etapa auxiliar para alimentar algún reproductor  de sonido bluetooth.

Si lo vemos en un diagrama de bloques seria algo asi.

 

Fuentes de alimentación lineal

 

El circuito lo voy a diseñar con kicad y lo simulare con ngSpice, las PCB y todo lo demas lo podran encontrar en la seccion de descargas una vez termine de armar y probar todo.

Condiciones de diseño

La fuente que quiero debe estar protegida contra cortocircuitos, sobretensión y debe tener las siguientes características:

Principal:  +/-50V a 3A 

Secundario: +/-15V a 1A

Auxiliar: 5V a 0.5A

Ambas fuentes deben tener un rizado de 2 Vpp y se debe usar un transformador toroidal con el objetivo de reducir el tamaño y aprovechar todo el rendimiento.

Cálculos de características del transformador toroidal

Lo primero de que debemos hacer es definir el transformador para poder comprarlo, pedir que lo fabriquen o fabricarlo. para esto necesito conocer el voltaje AC del transformador usando la siguiente ecuación:

Vrms=V2

Por lo que el voltaje de los transformadores en AC serán los siguientes:

Primario: 35 Vrms

Secundario: 10 Vrms

Transformador Toroidal
El voltaje RMS es aquí que se observa en el multímetro al colocarlo el AC

Circuito de fuente de poder lineal

El circuito que usare es el siguiente, haré un puente de diodos usando 4 diodos rectificadores, esto con el fin de que todos puedan conseguir los componentes sin problemas locamente, para simular usare 2 fuentes alternas de 50 Vpp o 35.4 Vrms

Fuente de alimentación lineal simétrica

Análisis de fuente de poder lineal

En el primer semiciclo la corriente fluye por D1 y D4. V1 se refleja en C1 cargando el capacitor al voltaje pico menos la caída del capacitor, lo mismo ocurre con V2 el cual se refleja en C2, el voltaje de salida final es:

Vop = V1 - VD4

Vop = 50 V - 0,7 V = 49,3 V

ciclo positivo en fuente lineal simetrica

Si no considero el efecto del capacitor la señal de salida se verá de la siguiente forma:

gráfica rectificador de anda completa
Gráfica sin considerar efecto del capacitor

 

Como el voltaje es de 49,3 debo subir un par de voltios más la especificación del transformador con lo cual tendremos ahora un transformador de +/-52 Vpp o 36 Vrms

Ahora el circuito para el ciclo negativo el flujo de la corriente cambia de sentido lo cual nos deja el siguiente circuito:

ciclo negativo en fuente lineal simétrica

 

y de esta forma tenemos el rectificador de onda completa.
Sin considerar el efecto del capacitor. La señal roja pertenece a V1 y la azul a V2

 

De esta forma ya tendre 50V cada vez que la señal esté en el ciclo positivo y -50 V cada vez que la señal vaya en el ciclo negativo. 

La gráfica se vería de la siguiente forma, sin considerar el efecto del capacitor. La señal roja pertenece a V1 y la azul a V2

Calculando el rizado o ripple de fuente lineal

El capacitor juega un papel importante en este circuito, la función es linealizar la señal, cargandose y descargandose a través de la resistencia. estos componentes definen el rizado.

Primero, tengo que asumir que la fuente entrega 3A máximos, de esta forma puedo tener 150W y 150W lo que suma los 300W las condiciones iniciales.

La ecuación para calcular el rizado es la siguiente: 

Vppr=ImaxC×F

Donde:

  • Imax = corriente máxima
  • C = Valor del capacitor
  • F = Frecuencia de trabajo (120Hz porque es un rectificador de onda completa)
  • Vppr = Voltaje pico - pico de rizado

 

Despejo C  y Reemplazo los valores en la ecuación

C=ImaxVppr×F

C=3A2V×120Hz=12500uF

12500 uF para esta fuente es una locura para mi, esto me indica que debo aumentar el valor del ripple para tener un valor más aceptable de capacitancia o asumir la corriente de trabajo más baja, si aumento el rizado a 4Vpp la capacitancia es 6250 uF lo que sí me parece un valor razonable para, claro a cambio de inestabilidad en la fuente pero recordemos que esto es valores máximos, significa que cuando trabaje en condiciones normales digamos a 1.5A el ripple será de 2Vpp

Puedes usar los 12500 uF calculados inicialmente sin problema, para mi me parece exagerado por la función que voy a darle a la fuente, sin embargo si quieres una fuente que entregue esta corriente de forma estable es necesario esta capacitancia

 

Fuente usando 6250 uF y 3A de carga

Para evitar que los capacitores se calienten debido a la resistencia serie equivalente, debemos colocar varios capacitores en paralelo, mientras más mejor, así el valor de la RSE tiene menor impacto en el circuito.

Tenemos que recordar que la capacitancia en paralelo se suman, entonces con 3 capacitores de 2200 uF podría conseguir 6600 uF por "rama" ya con esto tendría toda la información para completar el circuito.

El voltaje de los capacitores debe ser mayor 50V,  puede ser 63V o 80V o 100V, cualquiera que encuentren sirve. 

Fuente de poder simétrica
Las resistencias están para generar una carga de 3A no forman parte del circuito final, lo uso solo para las simulaciones. 

Seleccionar diodo rectificador

Con esto ya tendríamos prácticamente listo el circuito de la fuente, como la corriente máxima que pasará por los diodos es de 3A debemos escoger un diodo que pueda soportar entre 5A a 6A de corriente en directa. 

Algunas alternativas:

  • 6A10
  • P600M
  • MUR4100

 

Diodo rectificador de 6A

 

Estos diodos vienen un formato bien gordo, así que debo tener cuidado al momento de hacer la PCB. 

Fuente de alimentación secundaria

Esta fuente debe entregar +/-15 V a 1A. el circuito es exactamente igual al anterior, solo que en este caso se usan valores de diodos y capacitancias más bajas, de esta forma el circuito esta quedando de la siguiente forma. 

fuente de alimentación lineal simétrica con auxiliar
Recuerden que los voltajes que considero en V1, V2, V3 y V4 son picos, no es voltaje RMS

 

La salida de voltaje que nos entrega entrega esta fuente es la siguiente:

Si ven esos feos ripples es porque estamos usando la potencia máxima. 

Cálculo de la fuente auxiliar de 5V

Para finalizar implementare una fuente lineal con el famoso 7805, aunque ahora hay bastantes fuentes switching simples que tienen mejor rendimiento, pero no importa, lo haré con un regulador lineal simple aprovechando que no necesito muchas potencia, tan solo 500 mV.

Usare la salida de 15V para colocarlo en la entrada del 7805. Segun datasheet puedo colocar 15V a la entrada sin problema.

hoja técnica del lm7805

Como ya se que el circuito soporta este voltaje continuo con el diseño. este integrado recomienda el uso de un par de capacitores adicionales, por lo que no me pondré a inventar más y simplemente usaré este.

circuito de aplicación LM7805

Circuito de protección

Uno de los alcances era que la fuente tenga protección contra cortocircuitos y sobretensión a la entrada. veamos cómo hacer esto… 

 

 

Referencia:

https://www.iesvalledelsol.es/files/Carmen/1%C2%BA%20IT/EAP/1_IT_EAP_U_T_5_-_Fuentes_de_alimentacin.pdf

 

 

 


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