DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA FUENTE

Universidad Tecnológica de Querétaro
Firmado digitalmente por Universidad
Tecnológica de Querétaro
Nombre de reconocimiento (DN):
cn=Universidad Tecnológica de Querétaro,
o=Universidad Tecnológica de Querétaro, ou,
email=webmaster@uteq.edu.mx, c=MX
Fecha: 2013.06.20 13:39:56 -05'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Nombre del proyecto:
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA FUENTE CONMUTADA DE
ALIMENTACIÓN de +200V y ±15V.”
Empresa:
ELECTRONIC SOLUTIONS S. DE R.L. DE C.V.
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de:
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN MECATRÓNICA ÁREA
AUTOMATIZACIÓN
Presenta:
MORALES TZOMPANTZI SANDRA BERENICE.
Asesor de la UTEQ
Asesor de la Empresa
M. en C. Jorge Carlos Guas Noriega.
M. en C. Jorge Blancas Núñez
Santiago de Querétaro, Qro. Junio del 2013.
RESUMEN
El presente documento cuenta con la información necesaria para realizar una fuente
conmutada. La metodología utilizada para la elaboración de dicha fuente se explicará a
lo largo del mismo, ya que el propósito de dicha fuente es polarizar un micrófono y
alimentar un preamplificador de la marca Larson Davis. Se utilizó un circuito DC-DC
para obtener 200V que requiere el micrófono para funcionar y ±15V para el
preamplificador, todo esto con el fin de utilizar menos componentes de los que requiere
una fuente conmutada y evitando a la vez los armónicos de 60Hz que genera la
corriente eléctrica alterna; ya que estos armónicos pueden producir lecturas erróneas
en el intervalo de trabajo de la estación.
Palabras clave: Fuente conmutada, DC- DC, polarización, micrófono, preamplificador.
ABSTRACT
This document has the necessaryinformation to perform a switched power supply. The
methodology used for its construction will be explained along this document, since the
purpose of this source is to bias a microphone and supply a preamplifier from Larson
Davis Co. A DC-DC circuit was used to obtain 200V bias voltage requiring by the
microphone to operate and ±15V to supply the preamplifier, all this in order to use less
components that are required by a switched supply and at the same time avoiding the
60Hz harmonics generated by the altern current; because this harmonics can cause
erroneous readings in station’s working interval.
Keywords: Power supply, DC-DC, bias, microphone, preamplifier.
2
DEDICATORIAS
Este trabajo se lo dedico a todas las personas que han formado parte de mi vida,
familia y amigos. Gracias por estar allí en las buenas y en las malas.
Agradezco a la empresa Electronic Solutions S. de R.L. de C.V., por haberme aceptado
a formar parte de este proyecto. Aprendí mucho en el tiempo que estuve allí. A los
profesores Jesús Ricardo Tapia y Jorge Carlos Guas Noriega por incluirme al mismo.
AGRADECIMIENTOS
Papás: Gracias por el apoyo que me han dado, son una gran motivación para mí y son
mi motor para echarle ganas siempre. Gracias por ayudarme en todo, esto es de
ustedes, no saben cuánto los amo. Siempre voy a estar para lo que necesiten.
Tíos y tía: Les agradezco sus consejos y su apoyo incondicional, tomé de cada uno de
ustedes lo mejor. Gracias por todas esas experiencias, aprendí a ver la vida de manera
diferente. Los quiero mucho.
Fer: Gordo que te puedo decir que no sepas ya. Te quiero mucho, eres mi hermano y
te agradezco todo el apoyo que me has dado, tus consejos me han servido, sé que
cuento contigo para lo que sea. Gracias por ser ese ejemplo a seguir, si necesito algo
cuento contigo y sin duda eres de las personas que les dedico este gran logro.
Primos: No saben cuánto los quiero, me alegra que todos estemos cumpliendo
nuestras metas. Saben que estoy para lo que se les ofrezca, nunca los he olvidado me
3
encanta recordar nuestros juegos de niños. Los extraño y aunque por ahora no pueda
verlos sé que en algún momento nos volveremos a reunir.
Abuelitas: Gracias Dios por darme a las abuelitas más lindas del mundo, ustedes me
dan mucho amor cuando las veo y eso me llena de felicidad. Y miren su nieta ya casi
termina sus estudios, las quiero mucho.
Adrián: Gracias por todo el apoyo que me has dado, nunca me has dejado sola,
contigo me muestro como de verdad soy. Te agradezco las palabras que me dices
todos los días y el ánimo que siempre me brindas, has sido lo mejor en todo este
tiempo, como un maestro para mí. El tiempo que me dedicas lo valoro mucho porque
sé que eres de esas personas que no tiene chance de regalar su tiempo. Te quiero
mucho.
4
ÍNDICE
Página
Resumen………………………………………………………………………...
2
Abstract…………………………………………………………………………..
2
Dedicatorias……………………………………………………………………..
3
Agradecimientos………………………………………………………………..
3
Índice……………………………………………………………………………..
5
I.
INTRODUCCIÓN……………………………………………………….
6
II.
ANTECEDENTES………………………………………………………
6
III.
JUSTIFICACIÓN……………………………………………………......
7
IV.
OBJETIVOS……………………………………………………………..
7
V.
ALCANCE………………………………………………………….........
8
VI.
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA………………………………………
8
VII.
PLAN DE ACTIVIDADES………………………………………………
13
VIII.
RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS…………………………..
15
IX.
DESARROLLO DEL PROYECTO …………………………………....
17
X.
RESULTADOS OBTENIDOS………………………………………….
33
XI.
ANÁLISIS DE RIESGOS……………………………………………….
34
XII.
CONCLUSIONES……………………………………………………….
35
XIII.
RECOMENDACIONES………………………………………………...
36
XIV. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………………......
36
5
I. INTRODUCCIÓN
Se requiere elaborar dos fuentes conmutadas con las siguientes
características: Tensión de +200V @2mA para polarizar un micrófono Larson
Davis modelo 2575 que capta las señales sonoras provenientes de diferentes
fuentes de sonido y otra fuente de alimentación con tensión bipolar de ±15V
@10mA para alimentar a un preamplificador PRM902 de la misma marca que el
micrófono, encargado de amplificar la señal proveniente de éste y enviarla a
una tarjeta de adquisición de datos instalada en una computadora para su
análisis. [1]
II. ANTECEDENTES
La empresa necesita construir un banco de pruebas de calidad y
calibración para audiómetros clínicos desarrollado por ella misma, entre sus
componentes cuenta con un oído artificial en el cual se montan el micrófono y el
preamplificador mencionados en la introducción. Tanto el micrófono como el
preamplificador necesitan alimentarse con fuentes que se encuentren libres de
la interferencia de 60 Hz y sus armónicos, para que las pruebas de calidad
cumplan con los estándares establecidos. Las estaciones de este tipo son caras
y tienen una gran variedad de componentes, unos de los objetivos de este
proyecto es reducir la cantidad de componentes y los costos sin afectar la
calidad de las pruebas.
6
III. JUSTIFICACIÓN
Existe una gran variedad de fuentes que pueden proporcionar el voltaje
requerido y pudiera parecer mejor la opción de comprarlas. El motivo principal
por el que se decidió construir las fuentes de alimentación de esta estación, es
porque se requiere tener la menor interferencia posible y las que cumplen con
este requisito en el mercado son bastante caras, por ejemplo Larson Davis
cuenta con una fuente de alimentación modelo 2221 con un precio estimado en
el mercado de $190.00 USD. En Electronic Solutions se cuenta con el recurso
humano y los conocimientos para construir una fuente de alimentación con
características muy similares por una fracción del costo de las comerciales. [1]
IV.OBJETIVOS
 La estabilidad de la tensión de las fuentes debe de ser de ±1% respecto
al nivel proyectado de salida, para que no se afecten los resultados de
las pruebas de calidad que requiere el audiómetro.
 La fuente se alimentará con eliminador de 5V @1.5A regulados
ajustando los circuitos de las fuentes para evitar las interferencias de
60Hz y sus armónicos provenientes de la red de AC.
7
V. ALCANCES
Fase 1. Calcular los componentes necesarios para realizar los circuitos
pertinentes con respecto a las características de la fuente. De acuerdo con el
integrado a utilizar con las fórmulas que vienen en la hoja de datos del mismo.
Dibujar los circuitos antes calculados en el paquete de diseño de Altium
Designer 2009, con una clase de inducción al software. Realizar una lista de
componentes con sus precios para implementar la fuente. Montar los circuitos
en protoboard y probarlos para verificar su correcto funcionamiento o en su
caso realizar correcciones. Tiempo estimado: 7 horas.
Fase 2: Comprar los componentes electrónicos. Una vez probada la fuente
con las correcciones necesarias, se pide el material que haga falta basándose
en la lista realizada en la fase anterior. Tiempo estimado: 32 Horas.
Fase 3: Realizar pruebas y ajustes en las fuentes para comprobar su
correcto funcionamiento. Tiempo estimado: 8 Horas.
VI. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
En base al proyecto se requiere un glosario para que el lector pueda
familiarizarse con el contenido del reporte. A continuación se muestran las
palabras que son básicas para la comprensión del mismo.
8
Una fuente conmutada es un dispositivo electrónico que transforma
energía eléctrica mediante transistores en conmutación. Mientras que un
regulador de tensión utiliza transistores polarizados en su región activa de
amplificación, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutándolos
activamente a altas frecuencias (20-100 kHz típicamente) entre corte (abiertos)
y saturación (cerrados). La forma de onda cuadrada resultante es aplicada a
transformadores con núcleo de ferrita (Los núcleos de hierro no son adecuados
para estas altas frecuencias porque tienen muchas pérdidas debido a corrientes
de Foucault y a la alta densidad de flujo magnético) para obtener uno o varios
voltajes de salida de corriente alterna (CA) que luego son rectificados (con
diodos de recuperación rápida)y filtrados (Inductores y condensadores)para
obtener los voltajes de salida de corriente continua (CC). Las ventajas de este
método incluyen menor tamaño y peso del núcleo del transformador, mayor
eficiencia y por lo tanto, menor calentamiento. Las desventajas comparándolas
con fuentes lineales es que son más complejas y generan ruido eléctrico de alta
frecuencia que debe ser cuidadosamente minimizado para no causar
interferencias a equipos próximos a estas fuentes.
Tamaño y peso – las fuentes de alimentación lineales utilizan un
transformador funcionando a la frecuencia de 50 o 60 hertzios. Este
transformador de baja frecuencia es varias veces más grande y más pesado
que un transformador correspondiente de fuente conmutada, el cual funciona en
frecuencias típicas de 50 kilociclos a 1 megaciclo. La tendencia de diseño es de
9
utilizar frecuencias cada vez más altas mientras los transistores lo permitan
para disminuir el tamaño de los componentes pasivos (condensadores,
inductores, transformadores).
Voltaje de la salida – las fuentes de alimentación lineales regulan la salida
usando un voltaje más alto en las etapas previas y luego disipando energía
como calor para producir un voltaje más bajo, regulado. Esta caída de voltaje es
necesaria y no puede ser eliminada mejorando el diseño. Las fuentes
conmutadas pueden producir voltajes de salida que son más bajos que el
voltaje de entrada, más altos que el voltaje e incluso inversos al voltaje de
entrada, haciéndolos versátiles y mejor adaptables a voltajes de entrada
variables.
Eficiencia, calor, y energía disipada– Una fuente lineal regula el voltaje o la
corriente de la salida disipando el exceso de energía como calor, lo cual es
ineficaz. Una fuente conmutada usa la señal de control para variar el ancho de
pulso, tomando de la alimentación solamente la energía requerida por la carga.
En todas las topologías de fuentes conmutadas, se apagan y se encienden los
transistores completamente. Así, idealmente, las fuentes conmutadas son 100%
eficientes. El único calor generado se da por las características no ideales de
los componentes. Pérdidas en la conmutación en los transistores, resistencia
directa de los transistores saturados, resistencia serie equivalente en el inductor
y los condensadores, y la caída de voltaje por el rectificador bajan la eficiencia.
Sin embargo, optimizando el diseño, la cantidad de energía disipada y calor
10
pueden ser reducidos al mínimo. Un buen diseño puede tener una eficiencia de
conversión de 95%. Típicamente 75-85% en fuentes de entre 10-50W. Las
fuentes conmutadas más eficientes utilizan rectificación síncrona (transistores
Mosfet saturados durante el semiciclo adecuado reemplazando diodos).
Complejidad– un regulador lineal consiste en última instancia un transistor de
potencia, un CI de regulación de voltaje y un condensador de filtro de ruido. En
cambio una fuente conmutada contiene típicamente un CI regulador, uno o
varios transistores y diodos de potencia como así también un transformador,
inductores, y condensadores de filtro. Múltiples voltajes se pueden generar a
partir del mismo núcleo de transformador. Para ello se utiliza el control por
ancho de pulso de entrada aunque las diferentes salidas pueden tener
dificultades para la regulación de carga. Ambos necesitan una selección
cuidadosa de sus transformadores. En las fuentes conmutadas debido al
funcionamiento a altas frecuencias las pérdidas en las pistas del circuito
impreso por inductancia de perdida y las capacidades parásitas llegan a ser
importantes.
Interferencia por radiofrecuencia– La corriente en las fuentes conmutadas
tiene cambios abruptos, y contiene una proporción grande de componentes
espectrales de alta frecuencia. Cables o pistas largas entre los componentes
pueden reducir la eficacia de alta frecuencia de los filtros a condensadores en la
entrada y salida. Esta corriente de alta frecuencia puede generar interferencia
electromagnética indeseable. Filtros EMI y blindajes de RF son necesarios para
11
reducir la interferencia. Las fuentes de alimentación lineales no producen
generalmente interferencia, y se utilizan para proveer de energía donde la
interferencia de radio no debe ocurrir.
Ruido electrónico en las terminales de salida de fuentes de alimentación
lineales baratas con pobre regulación se puede experimentar un voltaje de CA
pequeño “montado” sobre la CC. De dos veces la frecuencia de alimentación
(100/120 Ciclos). Esta “ondulación” (Ripple en Inglés) está generalmente en el
orden de varios milivolts, y puede ser suprimido con condensadores de filtro
más grandes o mejores reguladores de voltaje. Este voltaje de CA pequeño,
puede causar problemas o interferencias en algunos circuitos; por ejemplo,
cámaras fotográficas análogas de seguridad alimentadas con este tipo de
fuentes pueden tener la modulación indeseada del brillo y distorsiones en el
sonido que produce zumbido audible. Las fuentes de alimentación lineales de
calidad suprimirán la ondulación mucho mejor. En cambio las Fuentes
conmutadas no exhiben generalmente la ondulación en la frecuencia de la
alimentación, sino salidas generalmente más ruidosas a altas frecuencias. El
ruido está generalmente relacionado con la frecuencia de la conmutación.
Ruido acústico– Las fuentes de alimentación lineales emiten típicamente un
zumbido débil, en la baja frecuencia de alimentación, pero ésta es raramente
audible (la vibración de las bobinas y las chapas del núcleo del transformador
suelen ser las causas). Las fuentes conmutadas con su funcionamiento mucho
más alto en frecuencia, no son generalmente audibles por los seres humanos (a
12
menos que tengan un ventilador, como en la mayoría de las computadoras
personales). El funcionamiento incorrecto de las fuentes conmutadas puede
generar sonidos agudos, ya que genera ruido acústico en frecuencia
subarmónica del oscilador. [2]
VII.PLAN DE ACTIVIDADES
En la figura 7.1 se observa la relación de los tiempos con respecto a las
actividades que el alumno requiere para la elaboración del proyecto, tomando
en cuenta, la fecha de inicio y la fecha en que terminó cada actividad realizada.
13
Figura 7.1 Gráfica de Gantt
14
VIII. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS
Para la elaboración de este proyecto se requirieron varios elementos,
herramientas y recursos humanos los cuáles se deglosan a continuación en las
figuras 8.1, 8.2, 8.3 y 8.4.
Lista de componentes de la fuente de +200V
C/u
Parte #
(Newark)
Número del fabricante
Descripción
3
42K1602
MUR130G
1N5819
Precio
Unitario
(USD)
$0.243(+1)
1
58K3820
MCMF0W4FF1803A50
R 180kΩ 250mW ±1%
$0.103(+1)
1
32K1595
CRL1206-FW-R750ELF
R 0.75 Ω 250mW
$0.077(+1)
1
59K8658
46P6352
1
39T8720
R 1.1kΩ 250mW 1%
CAPACITOR CERAMIC
820PF 50V 10%
CAPACITOR 22µF/250V
$0.118(+1)
1
MCMF0W4FF1101A50
MC0805B821K500A2.54
MM
250PX22MEFC10X16
3
58K3818
MCMF0W4FF1800A50
RESISTOR 180 Ω
$0.114(+1)
3
69K8199
107KXM010M
CAPACITOR 100µF/10V
$0.161(+1)
Lista de componentes de la fuente de -15V
CAPACITOR 1000pF/50V
A102J15C0GF5TAA
±5%
MC34063ADG
MC34063A
RESISTOR 1% 3R74
MRS25000C3748FCT00
600mW
CAPACITOR 68UF/25V
EEU-FR1E680
20%
Lista de componentes de la fuente de +15V
CAPACITOR ALUM ELEC
MCGPR25V476M5X11
47UF/25V 20%
MCCFR0W4J056JA50
R 5.6 Ω 250 mW 5%
$0.078(+1)
$0.455(+1)
1
05C3804
3
45J1208
2
97K5720
2
71T6999
2
70K9685
1
58K5060
2
15M3686
67WR2KLF
Trimmer 2k 10% 500mW
$2.97(+1)
1
38K0272
MCF 0.5W 15K
RESISTOR 15K 500mW
$0.040(+1)
1
74R9988
MCSCH895-182KU
Bobina 1.8mH
$0.583(+1)
1
74R9987
MCSCH895-152KU
Bobina 1.5mH
$0.583(+1)
1
75R0164
MCSD75-271KU
Bobina 270uH
$0.401(+1)
1
96K7588
B6252H7-NPP3G-50
JACK BNC
$3.66(+1)
1
56W4231
EXG.1B.307.HLN
LEMO 7 PIN
$40.84(+1)
Total
$0.196(+1)
$0.750(+1)
$0.067(+50)
$0.131(+1)
$0.079(+1)
$0.052(+1)
$15.856 USD
Figura 8.1.Lista de componentesde las fuentes
15
A continuación en la figura 8.2 se muestra la lista de herramientas y su
costoaproximado:
Herramientas
Item
Tiempo en uso
Costo Aproximado (MXP)
Computadora
6 Hrs. al día.
$5000
Cautín
3 a 4 Hrs.
$120
Libros de investigación
3 Hrs.
$150
Taladro
1 Hr.
$800
Brocas
1 Hr.
$15
Estaño
3 a 4Hrs.
$20
Pinzas
5 Hrs.
$35
Desarmadores
5 Hrs.
$20
Alcohol
2 Hrs.
$15
Total
$6,325.00 MXP = $486.538 USD
Figura8.2. Herramientas utilizadas.
La figura 8.3 muestra el salario quincenal que puede recibir el practicante
durante su estadía, tomando en cuenta que es un apoyo económico de la
empresa.
Recursos humanos
Practicante
Salario quincenal
$1,500 MXP = $115.384 USD
Figura8.3. Recursos humanos.
16
A continuación en la figura 8.4 se muestrael costo estimado de este
proyecto:
Rubro
Materiales
Herramientas
Recurso Humano
Total:
Costo en MXP/USD
$15.856 USD
$6,325.00 MXP = $486.538 USD
$1,500 MXP = $115.384 USD
$8,030.919 MXP = $617.763 USD
Figura 8.4. Costo estimado del proyecto.
IX. DESARROLLO DEL PROYECTO
En este capítulo se muestra el proceso que se realizó para la elaboración de las
fuentes de +200V,+15V y -15V, así como los cálculos realizados de acuerdo con
lascaracterísticas de cada fuente.
Para
desarrollar
las
fuentes
fue
necesario buscar
información en
el
libroAnalog/Interface ICsDevice Data Vol. 1 Motorola [1], a continuación se muestra el
proceso que se llevó acabo.

Investigación sobre fuentes conmutadas.
Esta información se encuentra en el capítulo VI. Fundamentación teórica de este
documento.

Esquemático del circuito.
A continuación la figura 9.1 muestra el esquema general de un circuito Step up
para generar +200V, su función es dar una tensión de salida mayor que la de su
entrada para polarizar un micrófono modelo 2575 de la marca Larson Davis.
17
Figura 9.1.Circuito Step-Up +200V

Cálculo Step-Up +200V
Con la referencia anterior, siguiente paso fue calcular un Step up a +200V como
se muestra a continuación:
Step – up +200V
Las características de esta fuente son:
VOUT 200V, IOUT
VF = 0.7V
2mA VIN 5V – 7.4V, Período (T) = 20µs, Frecuencia = 50kHz,
VSAT = 0.8V (Véase en la figura 4 página 3-440 del libro Analog/Interface
ICsDevice Data Vol. 1 Motorola)
Para comenzar con el cálculo de la fuente de +200V se requiere conocer la
relación entre el tiempo arriba ( ) y el tiempo abajo (
), con la siguiente
fórmula:
tON
tOFF
tON
tOFF
VOUT VF VIN(min)
VIN min VSAT
200V 0.7V 5V
5V 0.8V
18
6.6
A partir de este resultado determinamos el valor de
tON
500kH
tOFF
tON
tON
tOFF
Una vez obtenido
1
1
6.6
tOFF
20 10 6
10-5 1 .6-6
78
20 10 6
1
20 10 6
T
tOFF
20 s
20 s
1 .6 10 6 tON
1 .6 s
se calcula el valor del capacitor del oscilador:
CT
CT =
20 10 6
500 10
20 10 6
T
T tOFF
6.6tOFF
1
T
y
10 5 tON F
10-12 F seleccionamos el arreglo del capacitores en paralelo
de 680pF 100pF para obtener 780pF.
Utilizando
fuente.
Ipk(switc )
y
se obtiene el pico de corriente máximo que tendrá la
2IOUT(ma
)
tON
1
tOFF
2 2 10 A
1 .6 10 6
Para obtener la resistencia RSC se utiliza
fórmula:
RSC
0.
Ipk(switc )
RSC
20 10 6
1
1 0mA
en la siguiente
0.
1 0 10
1.57Ω
Para comprobar que la tensión de salida sea la que se necesita se utiliza la
siguiente fórmula:
VOUT
1.25 1
R2
R1
IVOUT 1.25 1
180kΩ
1.1kΩ
19
205.7 apro imadamente 206V
El cálculo para obtener el inductor de la fuente es el siguiente:
L(min)
VIN min VSAT
t
Ipk(switc ) ON(ma
)
L(min)
5V 0.8V
1 .6 10 6
1 0mA
26 H
el valor del inductor debe de ser apro imado por e emplo 70 H
El capacitor Co se obtiene con la siguiente fórmula:
Co
IOUT tON
Vripple pp
2 10
1 .6 10 6
0 10
21.
10 6 el valor comercial del
condensador es de 22 F a 250V
Vripple pp
0mV
A continuación la figura 9.2 muestra el esquema general de un circuito Step up
para generar +15V, su función es dar una tensión de salida mayor que la de su entrada
para alimentar a un preamplificador PRM902 de la marca Larson Davis.
Cálculo del Step-up +15V
 Esquemático del circuito.
La figura 9.2 muestra el esquema general de un circuito Step-up, su función es
dar una tensión de salida mayor que la de su entrada.
Figura 9.2. Circuito Step –Up +15
20
Las características de esta fuente son:
VOUT
15V, IOUT
10mA VIN 5V – 7.4V, Período = 32µs, Frecuencia = 31.250kHz,
VF = 0.7V
VSAT = 0.8V (Véase en la figura 4 página 3-440 del libro Analog/Interface
ICsDevice Data Vol. 1 Motorola)
Para comenzar con el cálculo de la fuente de +15V se requiere conocer la
relación entre el tiempo arriba ( ) y el tiempo abajo (
), con la siguiente
fórmula:
VOUT VF VIN(min)
VIN min VSAT
tON
tOFF
tON
tOFF
15V 0.7V 5V
2.5
5V 0.8V
A partir de este resultado determinamos el valor de
tON 2.5 tOFF
1.250kH
tOFF
tON
1
T
1.250 10
2 10 6
T
tON
tOFF
2.5
tOFF
1
2 10 6
T tOFF
Una vez obtenido
.0
10-5 22. 7 10-6
18 10-12 F
paralelo de 820pF
Utilizando
fuente
y
1
10 6
.0
6
2 10 6 T
tOFF
.0
22. 7 10 6 tON
2 s
s
22. 7 s
se calcula el capacitor del oscilador:
CT
CT =
1
10 5 tON F
seleccionamos el arreglo de capacitores en
100pF para obtener el condensador deseado.
se obtiene el pico de corriente máximo que tendrá la
21
Ipk(switc )
2IOUT(ma
)
tON
1
tOFF
2 10 10 A
22. 7 s
1
.0 s
Para obtener la resistencia RSC se utiliza
fórmula:
RSC
0.
Ipk(switc )
RSC
70mA
en la siguiente
0.
70 10
.2Ω
El cálculo para obtener el inductor de la fuente es el siguiente:
L(min)
VIN min VSAT
t
Ipk(switc ) ON(ma
)
L(min)
5V 0.8V
22. 7 10 6
70mA
1. 7mH
El capacitor Co se obtiene con la siguiente fórmula:
Co
IOUT tON
Vripple pp
10 10
22. 7 10 6
0 10
51.68 F
Vripple pp
el valor comercial es 68 F a 25V
0mV
A continuación la figura 9.3 muestra el esquema general de un circuito Voltage
inverting convert para generar -15V, su función es dar una tensión de salida mayor que
la de su entrada pero con polaridad negativa para alimentar al preamplificador de la
marca Larson Davis mencionado en el paso anterior.
Cálculo del Inversor -15V

Esquemático del circuito.
La figura 9.3muestra el esquema general de un circuito Inversor, su función es
dar una tensión de salida con polaridad negativa.
22
Figura 9.3. Circuito Inversor -15V
Las características de esta fuente son:
VOUT 15V, IOUT
VF = 0.7V
10mA VIN
5V – 7.4V, Período = 32µs, Frecuencia = 31.250kHz,
VSAT = 0.8V (Véase en la figura 4 página 3-440 del libro Analog/Interface
ICsDevice Data Vol. 1 Motorola)
Para comenzar con el cálculo de la fuente de -15V se requiere conocer la
relación entre el tiempo arriba ( ) y el tiempo abajo (
), con la siguiente
fórmula:
tON
tOFF
tON
tOFF
VOUT VF
VIN min VSAT
15V 0.7V
5V – 0.8V
. 0
A partir de este resultado determinamos el valor de
tON
. 0tOFF
23
y
1.250kH
1
2 10 6
tON
tOFF
.
1
1
tOFF
Comprobamos la relación
tON
tOFF
.
10-6
Utilizando
fuente:
y
Ipk(switc )
10 6
7.27 s
tON
2 .7
s
el resultado es satis actorio
se calcula el capacitor del oscilador:
10 5 tON F
CT
10-5 2 .7
2 .7
tOFF
2 s
nuevamente
2 .7 s
7.27 s
Una vez obtenido
CT =
7.27 10 6
2 10 6 7.27 10 6
T tOFF
2 10 6 T
1.250 10
T
tOFF
tON
1
T
8
10-12 F
seleccionamos el valor comercial de 1nF
se obtiene el pico de corrientemáximo que tendrá la
2IOUT(ma
)
tON
1
tOFF
2 10 10 A
2 .7 s
1
7.27 s
Para obtener la resistencia RSC se utiliza
fórmula:
RSC
0.
Ipk(switc )
RSC
88mA
en la siguiente
0.
88 10
.75.Ω
El cálculo para obtener el inductor de la fuente es el siguiente:
L(min)
VIN min VSAT
t
Ipk(switc ) ON(ma
)
L(min)
5V 0.8V
2 .7
88mA
10 6
1. 2mH
El capacitor Co se obtiene con la siguiente fórmula:
Co
IOUT tON
Vripple pp
10 10
2 7
0 10
10 6
55.6
24
F
el valor comercial es 68 F a 25V
Vripple pp

0mV
Lista de componentes.
Ésta se encuentra en el capítulo VIII. Recursos materiales y humanos.

Curso introductorio sobre diseño usando Altium Designer
2009.
El objetivo de esta capacitación es conocer la plataforma del software,
para realizar el diseño esquemático de las fuentes acuerdo con las librerías
correspondientes con las que cuenta el programa.

Pruebas y ajustes.
A continuación se describen las pruebas que se realizaron en cada fuente.
Fuente de +200V @2mA:
Al alambrar el circuito en un protoboard se realizó un rediseño de la fuente
debido a que no se contaba con el material completo, el cambio se muestra en
la figura 9.4.
25
Ajustes
Figura 9.4 Circuito prueba de la fuente de +200V @2mA.
Una vez realizado el cambio prosiguieron las pruebas con el osciloscopio
que se muestran a continuación.
En la figura 9.5 se observa la salida de tensión que tiene dicha fuente con
el osciloscopio en DC, aproximadamente se cuenta con 205V y se encuentra
acorde con lo calculado.
+200V
Figura 9.5. Tensión de +200V
26
La siguiente prueba fue verificar que el Vripple estuviera aproximado con
lo calculado ubicando el osciloscopio en AC.
Como
se
observa
en
la
figura
9.6
el
Vripple
se
encuentra
aproximadamente en 25mV y el calculado fue de 15mV como se muestra a
continuación.
Co
Vripple pp
IOUT tON
Vripple pp
IOUT tON
Co
1 .6 10 6
2 10
15 10
10 10
2 7
22 F
10 6
22 10
16mV
Este resultado nos indica que la fuente esta en los parametros correctos.
Figura 9.6. Vripple de 25mV.
27
Fuente de +15V @10mA:
En esta fuente el diseño de prueba quedó de la siguiente forma:
Ajustes
Figura 9.7. Diseño de prueba para fuente +15V.
A continuación la figura 9.8 muestra la amplitud de señal en el
osciloscopio con una señal DC.
+15V
Figura 9.8 Fuente de +15V.
28
Se realizaron modificaciones a este diseño debido a que el Vripple de
salida generaba ruido y este afectaría a la estabilidad de la fuente. El capacitor
calculado era de 68 F, la figura 9.9 muestra el Vripple con este capacitor.
Figura . Vripple con 68 F.
Al cambiar el capacitor por uno de 70 F se obtuvo un mejor Vripple de
salida (Figura 9.10)
Figura .10. Me ora del Vripple con 70 F.
29
Fuente de -15V @10mA:
Al realizar la prueba con el diseño (figura 9.11) de la fuente de -15V en el
osciloscopio se notó un Vripple con ruido como lo muestra la figura 9.12 esto es
debido a que al manejar la tensiones negativas aumenta el ruido armónico.
Figura 9.11. Circuito de -15V antes del filtro.
La tensión que nos muestra el osciloscopio es aproximadamente de 14.8V
debido al ruido antes mencionado.
30
-15V
Figura 9.12. Amplitud de señal de -15V.
Al cambiar el osciloscopio a AC se observó el Vripple que se estaba
generando (Figura 9.13), para solucionar este problema se agrego al diseño un
filtro para desaparecer los picos que generaban ruido.
Figura 9.13. Vripple sin filtro en el osciloscopio.
31
En el diseño de la figura 9.14 se muestra que para el filtro fue utilizado un
inductor más y un capacitor, diseño que el mismo fabricante recomienda para
limpiar la señal de salida.
Figura 9.14. Diseño de la fuente con filtro.
Posteriormente en el osciloscopio se demostró que al ubicar el filtro la
salida de tensión mejoró teniendo a si un mejor Vripple a la salida. La figura
9.15 muestra esta mejora.
32
Figura 9.15. Vripple con filtro
X. RESULTADOS OBTENIDOS
A continuación se muestran los resultados obtenidos con respecto a los
objetivos.
En primer objetivo se habla de una estabilidad de las fuentes, en el cuál
cada una debe de tener ±1% respecto al nivel proyectado de salida.
Fuente de +200V @2mA:
El ±1% de 200V es 2, esto quiere decir que la fuente no debe de caer
debajo de 2V.
Esto se cumple ya que la fuente no cae debajo de 200V.
Fuente de +15V @10mA:
33
El ±1% de +15V es 3, esto quiere decir que la fuente no debe de caer
debajo de 3V.
Esto se cumple debido a que la caída de tensión de esta fuente es de 15V
constantes.
Fuente de -15V @10mA:
El ±1% de 15V es 3, esto quiere decir que la fuente no debe de caer
debajo de 3V.
Esto se cumple debido a que la caída de tensión de esta fuente es de
14.8V.
El segundo objetivo es alimentar los circuitos con un eliminador de 5V a
@1.5A, el cálculo se realizo con dicha tensión ajustando el circuito para evitar
las interferencias de 60Hz y sus armónicos provenientes de la red de AC. Se
cumple esto con el Vripple mostrado a la salida del osciloscopio en cada fuente.
XI. ANÁLISIS DE RIESGOS
Los riesgos que pudieron haber detenido el proyecto son:
 La falta de algún componente para completar la placa de las
fuentes.
 Que el material requerido no llegue a tiempo.
 Un diseño incorrecto de la fuente.
34
 Fallas por soldaduras frías en el montaje de las placas.
 Un rediseño de las fuentes porque el cálculo no sea el esperado.
 Que el material calculado reaccione diferente a lo esperado y
difieran de las tensiones que se requieren.
XII. CONCLUSIONES
Con este proyecto aprendí utilizar varias herramientas que puedo aplicar
más adelante en la continuación de mis estudios, por ejemplo: montar
componentes de montaje superficial, diseñar circuitos de manera más
profesional y saber cómo seleccionar un componente comercial según se
requiera. Con respecto a mis conocimientos teóricos el uso de fuentes
conmutadas y el diseño de tres fuentes de este tipo fue algo nuevo para mí,
requerí de ayuda para comprender el funcionamiento de la fuente y la manera
en que la conectaría. Un gran reto sin duda, fue utilizar la plataforma de diseño
en Altium Designer 2009 ya que no tenía los conocimientos básicos como por
ejemplo, elegir el componente de acuerdo a su huella (footprint). Otro punto
importante es que hay que revisar bien cualquier datasheet que se vaya a
utilizar, ya que la característica del integrado puede afectar de manera
importante el resultado esperado.
35
XIII. RECOMENDACIONES
Mejorar la fuente cambiando el diodo de recuperación rápida MUR120,
utilizando un diodo schottky.
Las características del transistor MJE13007 quedan muy grandes para
este circuito ya que su tensión es de 400V a @8A, se debería cambiar por un
TIP47 que nos da 250V de tensión a @1A ya que es de la familia switching.
En la fuente de
200V debe de llevar una bobina de
aproximadamente.
XIV. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] http://www.larsondavis.com. Larson Davis.
[2]http://es.wikipedia.org/wiki/Fuente_conmutada. Wikipedia.Fuente
conmutada.
[3]http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/MUR120-D.PDF. ON
SEMICONDUCTOR. MUR130-1N5819.
[4]http://www.newark.com/pdfs/datasheets/spc/TA-666.pdf. Multicomp.
Resistor de 180k.
[5]http://www.bourns.com/data/global/pdfs/CRL.pdf. Bourns.Resistor
0.75.
36
H
[6]http://www.farnell.com/datasheets/1523000.pdf. Multicomp.Resistor
1.1k.
[7]http://www.farnell.com/datasheets/1682253.pdf.Multicomp. Capacitor
cerámico de 820pF.
[8]http://www.rubycon.co.jp/en/catalog/e_pdfs/aluminum/e_px.pdf.
Capacitor electrolítico de 22uF.
[9]http://www.newark.com/pdfs/datasheets/spc/TA-666.pdf. Multicomp.
Resistor de 180.
[10]http://www.farnell.com/datasheets/1691214.pdf. VISHAY. Capacitor
cerámico de 1000pF.
[11]http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/MC34063A-D.PDF. ON
SEMICONDUCTOR MC34063A.
[12]http://www.farnell.com/datasheets/483924.pdf. VISHAY. Resistor 3.4.
[13]http://www.farnell.com/datasheets/1382864.pdf. PANASONIC.
Capacitor electrolítico de 68uF.
[14]http://www.farnell.com/datasheets/169381.pdf. Multicomp. Capacitor
electrolítico 47uF
[15]http://www.newark.com/pdfs/datasheets/spc/TA-668.pdf. Multicomp.
Resistor 5.6.
37
[16]http://www.farnell.com/datasheets/666527.pdf. BJ. Trimmer de 2k.
[17]http://www.farnell.com/datasheets/296758.pdf . Resistor 15k.
38