Cuando nos iniciamos en la electrónica, lo primero que hemos de construirnos es una Fuente de Alimentación regulada hasta 30V y 1 Amp. para todos nuestros experimentos.
Fuente de alimentación regulada hasta 30V y 1 Amperios con LM317
Si usted es principiante en electrónica y desea tener una gran fuente de alimentación. Este proyecto es el diseño ideal para usted. Esta fuente de alimentación regulada, puede suministrar un voltaje desde 1,2V a 30V y la corriente en toda la gama es 1A.
Uno de los instrumentos más importantes en un laboratorio es la fuente de alimentación regulable, la cual permite alimentar cualquier circuito bajo prueba o desarrollo con la tensión y corriente que estos precisen.
Este es un diseño que requiere de poca experiencia por parte del principiante y le reportará muchos beneficios con la Fuente de Alimentación regulada hasta 30V.
Esta fuente de alimentación de CC es ideal para aquellos que quieren ajustar el voltaje de 1,25 V a 30V y corrientes de hasta 1A. Lo cual es suficiente para un uso normal, como es la fuente de alimentación en lugar de una pila AA de 1.5V o cuando desee escuchar música desde un amplificador de 30 vatios que requiere el voltaje de 24V 1A, se puede hacer fácilmente.
Hay muchos circuitos que podemos utilizar para construir una fuente de alimentación regulada hasta 30 V y con una corriente de 1 Amp. a transistores, pero seguramente saldrá más caro.
Este circuito se puede crear con un solo IC LM317 que es un regulador de voltaje positivo de 3 terminales ajustables y capaz de suministrar más de 1,5 Amp. sobre un un rango de salida desde 1,2 V a 37V, y tiene muchas características especiales como las siguientes:
• Tolerancia del voltaje de salida 1%
• Regulación en salida 0,01%
• Regulación de carga 0,3%
• Protección contra cortocircuitos.
• Máxima tensión de entrada de 40V
Funcionamiento de circuito
Comentamos a continuación el circuito de la Fuente de Alimentación regulada hasta 30V. El transformador T1 se alimenta a 220V AC ó a 110 según la tensión de RED y nos entrega una tensión en el secundario de 24V AC hacia el puente de diodos rectificadores D1 (1N4001) a D4 (1N4001) la tensión de corriente continua se filtra con el condensador de filtro C1 con un valor en tensión superior a 50 Voltios DC.
La tensión de salida de IC1 (LM317) dependiendo del ajuste de VR1 en el pin 1 (Adj) entregará un voltaje de salida.
El potenciómetro de ajuste VR1 es el control de la tensión de salida contínua desde 0 V (1,25 V) a 30V (32V) o 37V de tensión máxima en toda la gama y con una corriente de 1 Amp. ó 1.5A máx.
Calcular la tensión de salida LM317
Mediante una sencialla fórmula, podemos calcular la tensión de salida :
Vout = 1,25 x (1+ (Rp / R1))
– Vref = 1,25 V
– Normalmente R1 es de 220 ohmios o 240 ohmios como hoja de datos. Aquí usamos una R de 220 ohmios.
– Normalmente en la hoja de datos utilizan VR = 5K (Pontenciómetro), pero nosotros usamos una VR de 10K con R2 en paralelo de 12 K para que sea fácil de usar.
Rp = ((VR1 x R2) / (VR1 + R2))
Si calculamos, supongamos que ponemos VR1 al mínimo:
Vout = 1,25 x (1+ (0/220)) = 1,25 V
Pero cuando ajustamos VR1 a la máxima resistencia VR1 y R2 son paralelas entre sí. Rp = 5.46K = 5460 ohmios y aplicando la fórmula anterior:
Vout = 1,25 x (1+ (5460/220)) = 32.2V
A continuación, el condensador C3 mejora el rendimiento del filtro proporcionado por IC1.
El diodo D5 y D6 (puede ser un 1N4007 ó similar) es el protector de tensión inversa para proteger y evitar dañar a IC1.
Este circuito funciona a la perfección, recomendamos no alimentar el IC con una tensión superior a 37 Voltios DC para evitar quemarlo.
Recuerden que la intensidad máxima es de 1.5 Amperios y que para ello debemos de utilizar un radiador de tamaño considerable para evitar quemarlo por sobrecalentamiento.
Una corriente de 1 Amp. sería lo recomendable.
Con un poco de habilidad, nuestro diseño podría quedar como el siguiente gráfico:
Cálculo del disipador
Parte extraida de: lcardaba.com
La mayoría de fabricantes de semiconductores proporcionan los datos suficientes para poder calcular el disipador que necesitamos. Necesitamos como punto de partida, la temperatura máxima que puede alcanzar la unión del transistor ó IC en el caso de nuestra Fuente de Alimentación regulada hasta 30V.
Esta temperatura no se deberá alcanzar en ningún caso, para no destruir el componente. Normalmente el fabricante proporciona el «operating temperature range» por ejemplo, -65 to 200 °C indica que la temperatura máxima es de 200°C. Nosotros podemos tomar unos coeficientes de seguridad k como sigue:
k = 0.5 para un diseño normal con temperatura moderada.
k = 0.6 para economizar en tamaño de disipador.
k = 0.7 cuando el disipador permanezca en posición vertical y en el exterior (mejora de convección).
Con el coeficiente k, y tomando la temperatura máxima de funcionamiento como Tj, tenemos la expresión:
T = k Tj – Ta = w (Rjc + Rcd + Rda)
Donde w representa la potencia en watios (calor) que disipará el componente.
Si no disponemos de estos datos, podemos tomar como Tj = 135 °C para transistores de silicio, y Tj = 90°C para transistores de germanio.
El flujo de calor, desde la unión PN hasta el ambiente tiene que atravesar varios medios, cada uno con diferente resistencia térmica.
- Resistencia unión-cápsula (Rjc). Viene dado en manuales y tablas, y depende de la construcción de la cápsula. El tipo TO-3 disipa gran cantidad de calor.
- Resistencia cápsula-disipador (Rcd). Depende del encapsulado y del aislamiento, si lo hay, entre el componente y el disipador. El aislante puede ser mica, pasta de silicona y otros medios. Cada uno presenta diferente resistencia térmica.
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Resistencia disipador-ambiente (Rda). Este es el que tratamos de calcular.
Gráficos de disipadores de calor
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Ejemplo.- Vamos a utilizar un regulador de tensión LM317T con encapsulado TO-220 y cuyos datos son los siguientes: De la datasheet sacamos estos datos:
Tj = 125 °C
Rjc = 5 °C/w
De nuestro montaje y las tablas, deducimos:
Rcd = 1.4 °C/w (separador de mica)
Ta = 25 °C (tomamos este valor)
Cálculo de la potencia que disipa el LM317. La potencia que disipa el regulador es el producto de la V que existe entre la patilla de entrada y salida y la corriente que entrega el regulador.
Por mediciones obtenemos:
Vin = 12 voltios
Vout = 6.3 voltios
V = Vin-Vout = 5.7 voltios
I = 0.9A es la corriente que entrega el regulador.
Pot = 5.7 x 0.9 = 5.13 watios
Partimos de la expresión:
T = Tj – Ta = w (Rjc + Rcd + Rda)
Tenemos que calcular el valor de disipador que necesitamos, Rda. Despejamos y ponemos un k = 0.7 porque vamos a poner el disipador en el exterior y vertical.
Rda = [(k Tj – Ta) / w] – Rjc – Rcd = [(0.7·125 – 25)/5.13] – 5 – 1.4 = 5.78 °C/w
El disipador ideal
Buscamos en catálogo y encontramos el radiador siguiente:
Tiene una R = 5 °C/w, es suficiente, máxime teniendo en cuenta que ya hemos tomado un coeficiente k de seguridad igual a 0.7 y nos aseguramos de sobra. Con este radiador, podemos calcular la temperatura que alcanzará el mismo cuando el LM317 disipa 5.13 w de una forma muy sencilla:
| Td – Ta = Rda · w —> Td = Rda · w + Ta = 5 · 5.13 + 25 = 50.65 °C |
La elección del coeficiente k es arbritraria por nuestra parte. Podemos perfectamente elegir k=1 pero nos arriesgamos mucho. Es preferible en este caso subir la temperatura ambiente de diseño a 30 ó 35 grados, o incluso más para evitar que se destruya. Tener en cuenta que si el dispositivo está en una caja, la temperatura fácilmente sube a 40 grados y más.
Obsérvese cómo influye en el regulador de tensión la diferencia de tensión en entrada y salida para la disipación de potencia.
Este mismo radiador lo estoy utilizando con este regulador, que alimenta los filamentos de 3 válvulas tipos ECC82 y ECC83. El radiador está en el exterior y entrega 0.9A perfectamente, sin que hasta ahora haya tenido problemas.
Recuerden que el radiador en esta Fuente de Alimentación regulada hasta 30V, es parte fundamental de la vida de un semiconductor de potencia.