Proyecto Fisica 1

Proyecto
Fuente de Voltaje Dual Variable de 1.25v a 15v
Fuente de alimentación lineal regulada que incluye el LM317 y el LM337 en un arreglo dual para
obtener voltajes regulados positivos y también negativos. Indispensable para el diseño de circuitos de
amplificadores operacionales y otros circuitos integrados que requieran doble alimentación.
Datos Técnicos.
Voltaje de salida: 1.2 a 15 V
Corriente Máxima de salida: 1 Amp
Reguladores: LM317, LM337.
REALIZACIÓN DE LA FUENTE
Diagrama Esquemático de la Fuente (Realizado con Multisim)
Diagrama de los Reguladores
LM317t
Regulador de 3 Pin’s- Ajustable de Voltaje Positivo
Salida de Voltaje: 1.2 – 37V
Salida Máxima de Corriente: 1.5A
1.
2.
3.
Adj = Ajustable
Vout = Voltaje de Salida
Vin = Voltaje de Entrada
LM337
Regulador de 3 Pin’s- Ajustable de Voltaje Negativo
Salida de Voltaje: 1.2 – 37V
Salida Máxima de Corriente: 1.5A
1.
2.
3.
Adj = Ajustable
Vin = Voltaje de Entrada
Vout = Voltaje de Salida
El Transformador a utilizar es de 110V/ 24V de 1 Amp.

Materiales Utilizados
1 Baquela universal
Fuente de Voltaje Alterna
Puente Rectificador
4 Condensadores de lenteja de 0.1 micro faradios, no tiene polaridad
2 Condensadores electrolíticos de 4700 micro faradios
2 Potenciómetros o resistencias variables de 5000 ohmios o 5k ohmios
2 Resistencias de 390 ohmios
Tierra.
3 bananas
1 Interruptor
2 Láminas de acetato
Alambre conductor
Procedimiento
Realizar el plano o
diagrama correspondiente
a la fuente a realizar con
ayuda de algún software
como Multisim
Conectar el transformador
a las entradas del puente
rectificador y la tierra
Introducir la baquela con
los componentes soldados
y el transformador en la
caja de acrílico
Ubicar los componentes
en su posición
correspondiente sobre la
baquela universal
Usar la pasta para limpiar
la suciedad en la
soldadura
Instalar las extensiones
(potenciómetros,
bananas, interruptor, etc)
Conectar el cautín y
dejarlo en su base hasta
que se encuentre lo
suficientemente caliente
Tomar la baquela, los
componentes y la
soldadura y con el cautín
comenzar a soldarlos uno
por uno.
Abrir los respectivos
agujeros en la caja de
acrílico para montar las
extensiones
adecuadamente.
Investigación elementos utilizados en la fuente:
Transformador
Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en
un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo,
en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida.
Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño,
tamaño, etc.
El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de
tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, por medio de interacción electromagnética. Está
constituido por dos o más bobinas de material conductor, aisladas entre sí eléctricamente y por lo
general enrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. La única conexión
entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo.
Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y
están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado,
fabricado bien sea de hierro dulce o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para
optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según
correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente.
Funcionamiento
Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, circulará por éste una corriente
alterna que creará a su vez un campo magnético variable. Este campo magnético variable originará,
por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del
devanado secundario.
Relación de Transformación
La relación de transformación nos indica el aumento ó decremento que sufre el valor de la tensión de
salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, por cada volt de entrada cuántos volts
hay en la salida del transformador.
La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza
electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de
espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns).
La relación de transformación (m) de la tensión entre el bobinado primario y el bobinado secundario
depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es
el triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión.
Donde: (Vp) es la tensión en el devanado primario ó tensión de entrada, (Vs) es la tensión en el
devanado secundario ó tensión de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario ó corriente de
entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario ó corriente de salida.
Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder efectuar el
transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las pérdidas por el efecto Joule
y se minimiza el costo de los conductores.
Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario, al
aplicar una tensión alterna de 230 voltios en el primario, se obtienen 23.000 voltios en el secundario
(una relación 100 veces superior, como lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de
vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o
relación de transformación.
Ahora bien, como la potencia eléctrica aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal,
debe ser igual a la obtenida en el secundario, el producto de la fuerza electromotriz por la intensidad
(potencia) debe ser constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el
primario es de 10 amperios, la del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte).
Rectificador
Es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente continua. Esto se
realiza utilizando diodos rectificadores, ya sea semiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o
válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio.
Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les
clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos
cuando se alimentan por tres fases.
Un diodo conduce cuando la tensión de su ánodo es mayor que la de su cátodo. Es como un
interruptor que se abre y se cierra según la tensión de sus terminales:
Ya que el rectificador se conecta después del transformador, entonces ingresa por él tensión alterna
y tendrá tensión continua a su salida, es decir, un polo positivo y otro negativo:
La tensión Vi es alterna y senoidal, esto quiere decir que a veces es positiva y otras negativa. En un
osciloscopio observaríamos la siguiente señal:
La tensión máxima a la que llega Vi se le llama tensión de pico y en la gráfica aparece como Vmax.
La tensión de pico no es lo mismo que la tensión eficaz pero están relacionadas, Por ejemplo, si
compramos un transformador de 6 voltios, entonces serán 6 voltios eficaces, estaríamos hablando de
Vi pero, la tensión de pico Vmax vendrá dada por la ecuación:
Vmax = Vi * 1,4142
Para el ejemplo Vi=6V entonces:
Vmax = 6 * 1,4142 = 8,48 V
Rectificador en puente:
El rectificador más usado es el llamado rectificador en puente y es que el usaremos en nuestra
fuente, su esquema es el siguiente:
Cuando Vi es positiva los diodos D2 y D3 conducen, siendo la salida Vo igual que la entrada Vi
Cuando Vi es negativa los diodos D1 y D4 conducen, de tal forma que se invierte la tensión de
entrada Vi haciendo que la salida vuelva a ser positiva.
El resultado es el siguiente:
Observamos en la figura que aún no se ha conseguido una tensión de salida estable, es por ello que
será necesario un filtro.
Filtro
La tensión en la carga que se obtiene de un rectificador es en forma de pulsos. En un ciclo de salida
completo, la tensión en la carga aumenta de cero a un valor de pico, para caer después de nuevo a
cero. Esta no es la clase de tensión continua que precisan la mayor parte de circuitos electrónicos.
Lo que se necesita es una tensión constante, similar a la que produce una batería. Para obtener este
tipo de tensión rectificada en la carga es necesario emplear un filtro.
El tipo mas común de filtro es el del condensador a la entrada, en la mayoría de los casos
perfectamente válido. Sin embargo en algunos casos puede no ser suficiente y tendremos que hacer
uso de algunos componentes adicionales.
Filtro con condensador a la entrada:
Este es el filtro más común y por ello mas conocido.
Basta con añadir un condensador en paralelo con la carga (RL), de esta forma:
Para hacer más abreviada la explicación sustituimos el diodo puente por un diodo común ya que se
comportaran de la misma manera. Cuando el diodo conduce el condensador se carga a la tensión de
pico Vmax. Una vez rebasado el pico positivo el diodo se abre. ¿Por que? debido a que el
condensador tiene una tensión Vmax entre sus extremos y la tensión en el secundario del
transformador es un poco menor que Vmax el cátodo del diodo esta a mas tensión que el ánodo. Con
el diodo ahora abierto el condensador se descarga a través de la carga, lo cual hace que disminuya
su voltaje, pero en el momento que el voltaje sea menor que el del secundario del transformador, el
diodo vuelve a conducir y consecuentemente a cargar al condensador. Nos podemos dar cuenta que
el proceso es repetitivo.
La tensión Vo quedará de la siguiente forma:
La tensión en la carga es ahora casi una tensión ideal. Solo nos queda un pequeño rizado (conocido
también como voltaje de rizado) originado por la carga y descarga del condensador. Para reducir
este rizado podemos optar por construir un rectificador en puente: el condensador se cargaría el
doble de veces en el mismo intervalo teniendo así menos tiempo para descargarse, en consecuencia
el rizado es menor y la tensión de salida es más cercana a Vmax. Otra forma de reducir el rizado es
poner un condensador mayor, pero siempre tenemos que tener cuidado en no pasarnos ya que un
condensador demasiado grande origina problemas de conducción de corriente por el diodo y, por lo
tanto, en el secundario del transformador (la corriente que conduce el diodo es la misma que
conduce el transformador).
El regulador:
Un regulador o estabilizador es un circuito que se encarga de reducir el rizado y de proporcionar una
tensión de salida de la tensión exacta que queramos. En esta sección nos centraremos en los
reguladores integrados de tres terminales que son los más sencillos y baratos que hay, en la mayoría
de los casos son la mejor opción.
Este es el esquema de una fuente de alimentación regulada con uno de estos reguladores:
Potenciómetros:
El Potenciómetro es un instrumento que se basa en este método para determinar el voltaje entre dos
terminales. A continuación vamos a estudiar su principio de funcionamiento.
Supongamos que tenemos un circuito como el de la Figura 1,
Y ahora deseamos determinar el voltaje entre los terminales A y B sin modificar en absoluto la
corriente I. Debido a esta última condición, no podemos conectar entre estos puntos ningún
instrumento de deflexión que tenga resistencia interna, ya que por grande que ésta sea, modificará la
corriente total entregada por la fuente. Supongamos ahora que tenemos una fuente de poder variable
Vf, calibrada con mucha exactitud. Entre los terminales A y B del circuito anterior vamos a conectar
dicha fuente y un galvanómetro, como podemos observar en la Figura a continuación
Si variamos el voltaje Vf hasta conseguir que la corriente por el galvanómetro sea igual a cero, se
cumplirá:
𝑉𝐴𝐵 = 𝑉𝐹
Por lo tanto utilizando este método podemos conocer el valor de 𝑉𝐴𝐵 con la misma exactitud que el
de Vf sin modificar la corriente I. Al no circular corriente por la rama donde se encuentra el
galvanómetro, la resistencia interna de éste y la de la fuente de poder Vf no tienen ninguna influencia
en la medición. Ahora bien, una fuente de poder variable, calibrada con mucha exactitud, es difícil de
obtener, por lo que en lugar de ella, se utiliza una fuente fija y una resistencia variable de precisión,
como podemos observar a continuación:
Et es una batería fija, denominada generalmente batería de trabajo. Rd es una resistencia de
precisión con un contacto deslizante. Por lo general esta resistencia está constituida por un alambre
que tiene una resistividad por unidad de longitud conocida y uniforme a lo largo de todo el alambre.
Además, anexa al alambre hay una escala calibrada en unidades de longitud, por lo que es sencillo
determinar la resistencia existente entre el contacto fijo y el deslizante si conocemos la posición de
éste último (mediante la escala mencionada).Rn es una resistencia de normalización de la que
hablaremos más adelante. Según como hemos especificado el circuito, para seguir teniendo
exactitud en el voltaje Vf, es necesario que además de la resistencia Rd, la batería de trabajo Et
también sea de precisión. Pero esto nos limitaría a diseñar instrumentos que tuvieran como voltaje
máximo el de las baterías patrones existentes en el mercado, lo cual restringe mucho las
posibilidades de un instrumento que puede ser de mucha utilidad en todas aquellas mediciones de
voltaje en las que se necesite gran exactitud. Para darle más flexibilidad a este sistema de medición
de voltajes procedemos de la siguiente forma,
Se V a utilizar como batería de trabajo una batería o fuente continua de uso común, de valor
apropiado para que el potenciómetro cubra la gama de valores que deseemos, y además vamos a
emplear una batería patrón cuya única condición con respecto a su voltaje nominal es que éste se
encuentre dentro del rango de valores especificados para el potenciómetro. Escogemos la resistencia
a la que vamos a hacer corresponder el voltaje de la batería patrón y colocamos el contacto
deslizante en esa posición.
Se conecta la batería patrón Vp entre los termínales A y B, como podemos observar en la figura
anterior, y ajustamos la resistencia Rn, de forma tal que por el galvanómetro no circule corriente. De
esta forma hemos fijado el voltaje que va a tener el potenciómetro cuando el contacto deslizante esté
en la posición C, y como la resistividad de Rd es uniforme a lo largo de toda su longitud, queda
determinado automáticamente el voltaje del potenciómetro en cualquier otra posición del contacto
deslizante. Como podemos observar la exactitud del voltaje entre los terminales del potenciómetro
depende ahora de la resistencia Rd y de la batería patrón, y no del valor de la batería de trabajo.
Veamos un ejemplo. Si contamos con una resistencia Rd de 1 m de longitud y una resistividad de
100 Ω /cm, con una batería patrón de 1V y con una fuente de trabajo de 20V, podemos hacer
corresponder el voltaje de 1V con la posición de 10 cm.
Al conectar la batería patrón y variar Rn hasta que el galvanómetro indique cero corriente, estamos
fijando la corriente i, que acostumbra a llamarse corriente de trabajo. El voltaje máximo que podemos
medir con este potenciómetro es de 10 V. Ahora bien, así como hemos hecho corresponder el voltaje
de 1Vcon la posición de 10 cm, podríamos haberlo hecho con cualquier otra posición, por ejemplo
con la de 20 cm., con lo cual el voltaje máximo sería 5 V, o con la de 2 cm., en cuyo caso el voltaje
máximo sería 50 V .Por lo tanto esta configuración del potenciómetro nos permite escoger la escala
del mismo según el valor máximo que deseemos medir, siempre y cuando este valor máximo no sea
superior al de la batería de trabajo. Al proceso que estamos estudiando se le llama generalmente
normalización. Cuando el potenciómetro que hemos normalizado lo utilizamos para medir un voltaje,
la corriente que circula por el circuito que contiene la batería de trabajo una vez que el galvanómetro
indica cero corriente, es la misma corriente de trabajo fijada durante el proceso de normalización.
Podemos observar además que la escala anexa a la resistencia Rd, que está en unidades de
longitud, la podemos calibrar en unida desde voltaje, con lo cual la medición es directa. El esquema
completo del Potenciómetro es el mostrado en la figura a continuación, que corresponde al esquema
completo del potenciómetro.
Podemos observar además que la escala anexa a la resistencia Rd, que está en unidades de
longitud, la podemos calibrar en unida desde voltaje, con lo cual la medición es directa. El esquema
completo del Potenciómetro es el mostrado en la Figura 6.Fig. 6.- Diagrama del Potenciómetro.
Resistencia eléctrica
Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico
cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones.
Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga,
resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica.
A.- Electrones fluyendo por un buen conductor eléctrico, que ofrece baja resistencia. B.Electrones fluyendo por un mal conductor. eléctrico, que ofrece alta resistencia a su paso. En ese
caso los electrones chocan unos contra otros al no poder circular libremente y, como consecuencia,
generan calor
Normalmente los electrones tratan de circular por el circuito eléctrico de una forma más o menos
organizada, de acuerdo con la resistencia que encuentren a su paso. Mientras menor sea esa
resistencia, mayor será el orden existente en el micromundo de los electrones; pero cuando la
resistencia es elevada, comienzan a chocar unos con otros y a liberar energía en forma de calor. Esa
situación hace que siempre se eleve algo la temperatura del conductor y que, además, adquiera
valores más altos en el punto donde los electrones encuentren una mayor resistencia a su paso.
Para calcular la resistencia ( R ) que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica, es necesario
conocer primero cuál es el coeficiente de resistividad o resistencia específica “ ” (rho) de dicho
material,
la
longitud
que
posee
y
el
área
de
su
sección
transversal.
A continuación se muestra una tabla donde se puede conocer la resistencia específica en
m, de algunos materiales, a una temperatura de 20° Celsius
· mm2 /
Material
Resistividad (
· mm2 / m ) a 20º C
Aluminio
0,028
Carbón
40,0
Cobre
0,0172
Constatan
0,489
Nicromo
1,5
Plata
0,0159
Platino
0,111
Plomo
0,205
Tungsteno
0,0549
𝑅=𝜌
𝐼
𝑠
De donde:
R = Resistencia del material en ohm (
).
= Coeficiente de resistividad o resistencia específica del material en
, a una temperatura dada.
l = Longitud del material en metros.
s = Superficie o área transversal del material en mm2.
La temperatura influye directamente en la resistencia que ofrece un conductor al paso de la corriente
eléctrica. A mayor temperatura la resistencia se incrementa, mientras que a menor temperatura
disminuye.
Sin embargo, teóricamente toda la resistencia que ofrecen los metales al paso de la corriente
eléctrica debe desaparecer a una temperatura de 0 °K (cero grado Kelvin), o "cero absoluto",
equivalente a – 273,16 ºC (grados Celsius), o – 459,69 ºF (grados Fahreheit), punto del termómetro
donde se supone aparece la superconductividad o "resistencia cero" en los materiales conductores.
En el caso de los metales la resistencia es directamente proporcional a la temperatura, es decir si la
temperatura aumenta la resistencia también aumenta y viceversa, si la temperatura disminuye la
resistencia también disminuye; sin embargo, si hablamos de elementos semiconductores, como el
silicio (Si) y el germanio (Ge), por ejemplo, ocurre todo lo contrario, pues en esos elementos la
resistencia y la temperatura se comportan de forma inversamente proporcional, es decir, si una sube
la otra baja su valor y viceversa.
Bibliografía:
http://es.scribd.com/doc/5869465/cap10-EL-POTENCIOMETRO
www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_resistencia/ke_resistencia_6.htm