Alimentador de 2 amperios. Elegir el transformador adecuado en función de los VAs.

Hola a todos!

En este artículo vamos a diseñar una fuente de alimentación de 12 voltios de salida y de 2 amperios máximo de funcionamiento.

Para dicho menester, necesitaremos un transformador que de la talla, pero… ¿cual elegimos? ¿Cuantos VAs? ¿El mayor de todos para así matar mosquitos a cañonazos… ?

Los transformadores suelen indicar la potencia que entregan en forma de potencia compleja (volt-amperios, que no vatios). No hay forma de averiguar que potencia vamos a consumir, ya que no solo está la que consume la carga, sino que también estará la que disiparemos en forma de calor en el radiador del regulador, en especial si sobre-dimensionamos en exceso la tensión de entrada con respecto a la de salida.

También hay que asegurar un margen de trabajo, no vamos a poner a trabajar al transformador al 100%, ya que su ciclo de vida seria no demasiado largo.

Para resolver este problema, usaremos el simulador para medir las tensiones y corrientes promedio y así poder hacer los cálculos.

Empecemos. Utilizaremos un regulador del tipo 78xx  como referencia de tensión y un transistor del tipo 2N3055 para llevar la carga de dicha fuente. 

Fijémonos a continuación en el siguiente esquema:

Esquema completo del alimentador lineal.

Como podemos ver, se hace uso de un transformador de 15 voltios eficaces:

V1=15 \sqrt{2} = 21.21 \, voltios \, de \, pico

La tensión V2 no es senoidal, mas bien es algo parecido a una “sierra”. Observe se la siguiente imagen en la que aparece la tensión en dicho punto y la corriente a través de rc.

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Como podemos apreciar, las dos curvas son prácticamente iguales y no hay desfase entre la corriente y la tensión. Este resultado es lógico ya que la carga es totalmente resistiva en este caso (6 ohmios).

Como dato anecdótico, vamos a calcular a la cuenta de la vieja la tensión promedio. Si añadimos un par de marcadores en el máximo y mínimo de la tensión V2, tendremos los siguientes valores:

Vamos a calcular de forma aproximada el valor medio de la tensión V2:

V2=\frac{19.36+14.85}{2}=17.1 \, voltios

IMPORTANTE: Este valor lo podemos obtener de forma real y directa mediante LTspice si pulsamos CTRL y hacemos clic (botón izquierdo) sobre el nombre de la gráfica (elegiremos “Average” ya que es una tensión continua).

LTspice nos calcula el valor promedio y el eficaz haciendo CTRL y clicando (botón izquierdo) en el nombre de la gráfica.

Como vemos hay cierta diferencia, que será mayor o menor dependiendo de las formas de las gráficas de las señales.

La corriente si nos fijamos es de prácticamente 2 amperios. Tenemos entonces que lo que consume el transformador es de:

Potencia=15.91 \times 2 = 31.82 \, vatios

Queremos que la fuente nunca este al 100% de la carga. Un buen valor es al 60% del valor máximo (cuanto menos mejor). Multiplicamos 31.82 por 1.67 y tendremos que nuestro transformador debería dar 53.14 vatios (usándolo como hemos dicho al 60%).

Elegiremos en este caso, uno que entregue 60 VA (volt-amperios). Esta es la potencia aparente (alterna), que siempre será mayor que la eficaz en una carga que no sea puramente resistiva. En nuestro caso la carga es una resistencia, así que con un transformador de 60 VA tendremos mas que suficiente.

El transformador que mas comúnmente se podría encontrar para tan elevada potencia, seria toroidal. Estos tienen un mejor rendimiento debido a la calidad del material férrico del núcleo. Véase la siguiente imagen:

Un transformador toroidal.

Si nos fijamos, el transistor 2N3055 se ha añadido para que soporte la corriente de la carga, en lugar de usar al regulador 7812 para tal fin. En este diseño usamos al regulador como referencia de tensión, no para entregar corriente.

La corriente que soportaría el transistor Q1 sería de 2 amperios, mientras que la tensión colector-emisor sería de 21.21 – 1.4 – 12 = 7.81 voltios.

La potencia que disiparía este transistor sería entonces de:

Potencia \, transistor=7.81 \times 2 = 15.62 \, vatios

Si nos fijamos en los valores máximos absolutos de dicho componente, vemos que esta muy por debajo del límite.

Valores máximos.

Se puede ver que para este diseño se ha elegido unos diodos (1N5408RL) que son mas robustos que los típicos 1N4007. En este caso, al tener un condensador de filtro, los diodos solo conducen un pequeño tiempo que sirve únicamente para cargar el condensador de filtro C2.

A continuación se muestra la corriente de los diodos (corriente de sobrecarga) :

Si nos fijamos en el datasheet del 1N5408RL, vemos que en ese aspecto estamos mas que sobrados (IFSM):

El condensador C2 es el mínimo necesario para obtener un buen rizado. Se puede poner mayor, pero para los dos amperios máximos de salida no es necesario.

Si el transformador es de 15 + 15 (una salida con toma media o dos salidas) se debería usar un rectificador de onda completa con dos diodos. Si lo hacemos de otra forma, la potencia que entregaría el transformador no sería la correcta.

Las resistencias en “minúsculas” no las uséis en el prototipo que hagáis, si es que os decidís a hacerlo, ya que su función es exclusivamente usarlas para poder medir la corriente que circula por ellas en el estudio del circuito y en la simulación.

El regulador 7812 no es necesario que lleve radiador ni que sea de mas de un amperio, ya que la carga la va a llevar el transistor Q1. El regulador fija una tensión de referencia y punto.

En la figura siguiente se muestra la corriente por el regulador cuando se consume dos amperios a la salida:

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Se puede apreciar que el valor absoluto de la corriente no llega a los 45 mili-amperios.

En cuanto a la tensión, fijémonos en la siguiente gráfica:

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Eligiendo el peor caso posible:

Tensión \, regulador= 19.3-12.92=6.38 \, voltios

Potencia=6.38 \times 0.043 = 0.274 \, vatios

Un regulador 78xx debería soportar unos 2 o 3 vatios, ya que la caída entre la entrada y la salida es de 2 voltios y la corriente máxima es de 1 e incluso hasta de 1.5 amperios, según el fabricante.

Se podría entonces utilizar un regulador mas económico que un 7812. Os lo dejo a vosotros para que lo investiguéis si así lo queréis.

Para terminar, se puede hacer una comparación entre el circuito del artículo y el regulador serie (seguidor de zener) que se muestra a continuación:

Un regulador serie

La tensión de salida sería la tensión de referencia (tensión zener) menos la caída de tensión VBE del transistor Q1. R1 sirve para polarizar y hacer que funcione el diodo zener.

La tensión de entrada (como debe de ser) es mayor que la de salida, mientras que la corriente colector y la de emisor es prácticamente la misma.

Y no hay nada mas que decir. Espero que este artículo haya sido de vuestro interés.

Datasheets:

1N5408RL | 1N4007 | 2N3055 | LM7812