Diseño de una fuente de alimentación simétrica de entre ±1.2V hasta ±37V

En esta entrada vamos a describir el proceso de cálculo de una fuente de tensión simétrica de ±20V que necesitaremos para el amplificador de audio que también está descrito en este blog. 
Aunque los cálculos que realice para esta fuente de alimentación son para una salida regulada de ±20V, se puede diseñar variando el valor de las resistencias una fuente de alimentación simétrica de entre ±1.2V hasta ±37V que es lo que permite los reguladores de tensión que vamos a usar, incluso si una de las resistencias la ponemos variable (por ejemplo un potenciómetro) la fuente de tensión será regulable mediante esta resistencia variable.
Los reguladores de tensión que vamos a utilizar son el LM337 y el LM317, ambos son reguladores ajustables siendo el LM317 para tensiones positivas y el LM337 para tensiones negativas.

Los cálculos los voy a desarrollar para la parte positiva de la fuente simétrica (regulador LM317), siendo similares para la parte negativa de la fuente.

Por lo general, una fuente de alimentación está formada como mínimo por los siguientes bloques:

el esquema que nosotros vamos a seguir es el siguiente:

En primer lugar decir que el regulador presenta una caída de tensión (tensión de "drop out") de  unos 3V por lo que para que tenga una salida de 20V necesitaremos como mínimo 23V de alimentación en el regulador (Vo2), por este motivo vamos a tomar un Transformador de 24V+24V aunque con uno de 18+18 tendríamos suficiente

Para transformar esta corriente alterna de 24V en continua necesitamos un puente de diodos rectificadores. En nuestro caso los diodos 1N4007 son suficientes, lo importante es que tengan una tensión inversa Vr>50V

Hasta ahora ya sabemos que la tensión Vsec será:

En el puente de diodos tenemos la caída clásica de un diodo que la consideraremos de unos 0.7V y como en cada semiciclo de la señal conducen los diodos de dos en dos tal y como se muestra en la imagen de abajo para el semiciclo positivo, la caída total será de 1.4V.

Contando con la caída de los diodos, la tensión de entrada al filtro será:

 Vo1=33.94V-1.4V=32.54V

Y la tensión de rizado máxima en el filtro por tanto será:

Vr=Vo1max -Vo2min=32.54V-23V =9.54 V 

(en nuestro caso para una entrada en el regulador mínima de 23V, si quereis que la fuente de alimentación proporcione, por ejemplo 22 Voltios, la tensión minima del regulador será de 25V.)

A continuación calculamos el valor del condensador necesaria para que la tensión de rizado sea la que hemos calculado o menor, para ello utilizamos las siguientes dos expresiones:

Con estas dos expresiones despejamos el valor de la capacidad necesario para que la tensión de rizado sea del valor calculado y después elegiremos un condensador comercial ligeramente superior. en nuestro caso hemos calculado el condensador y sale que tiene que ser superior a 1.79mF por lo que he elegido un condensador de 2200uF y 35V ya que la tensión a la que estará sometido como máximo será de 32.54 V.

Con el valor de condensador elegido volvemos a calcular el valor de la tensión media y el valor del rizado. en nuestro caso es el siguiente:

Vo2av=29.93V

Vr=7.78V 

como vemos el valor del rizado es menor al calculado ya que hemos cogido un condensador comercial algo mayor.

Aunque es opcional, para saber si nuestra fuente de alimentación está funcionando podemos incluir un diodo led. Estos diodos led suelen tener una caída de tensión de 2V y la corriente media que tiene que circular por ellos es de 10mA. 

Como hemos visto en una de las imágenes anteriores, el diodo LED irá en serie con una resistencia imitadora de corriente delante del condensador o detrás de el y el valor de la resistencia los calcularemos como:

Cogeremos una resistencia ligeramente superior que este comercialmente disponible por ejemplo una resistencia de 3.3KΩ.

Por último ya solo nos queda definir el bloque del regulador, en concreto las resistencias que ajustarán el voltaje del regulador. En las hojas de características podemos obtener la siguiente expresión que es la que sigue el regulador de tensión LM317:

Vo=1.25*(1+R2/R1)

20V=1.25*(1+R2/R1)

Por lo que R2/R1=15 podemos escoger las resistencias R2 y R1 que queramos siempre y cuando se cumpla la relación de que R2 ha de ser 15 Veces mayor que R1. Yo he escogido los valores de R2=22KΩ y R1=1.5KΩ teniendo así una relación de 14.66 en vez de 15  ya que disponía de estas resistencias, pero no importa porque aunque escojamos las resistencias mejor, al presentar tolerancias cada una de ellas, obtener la relación perfecta es imposible.

La parte negativa de la fuente correspondiente con el acondicionamiento de la tensión del regulador LM337 es idéntica a la que hemos calculado para el LM317 coincidiendo las resistencias, filtro y demás.

Una vez tenemos todo calculado nos dispondremos a la construcción física del sistema, en la siguiente lista tenemos los materiales necesarios para su construcción:

-1 Transformador 24V+24V

-4 diodos 1N4007

-2 Resistencias de 22KΩ

-2 Resistencias de 1.5KΩ

-1 Resistencia de 3.3KΩ

-1 Diodo led de color Rojo (el modelo varia poco yo he cogido el MV57642L505)

-1 Regulador LM337

-1 Regulador LM317

-2 condensadores electrolítico de 2200uF y 35V

-1 placa PCB Positiva 60mmx80mm

Próximamente subiré la placa ya diseñada, como insolarla. resultados finales y demás

(En Construcción)