PRÁCTICA DE LABORATORIO – ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Fuente de alimentación lineal
Puente rectificador, filtro capacitivo y regulador 7805
Décimo año · CTP – Costa Rica · Laboratorio práctico
Propósito
Construir, analizar y comprobar experimentalmente una fuente de alimentación que convierta una tensión alterna de 24 VCA en una tensión continua regulada de 5 VCD.
1. Objetivos de aprendizaje
Al finalizar la práctica, el estudiante será capaz de:
- Identificar las etapas de una fuente de alimentación lineal.
- Construir un puente rectificador con cuatro diodos.
- Explicar la función del capacitor de filtrado.
- Calcular el voltaje pico y el voltaje DC aproximado.
- Medir el rizado utilizando un osciloscopio.
- Identificar la función del regulador de tensión 7805.
- Comparar los resultados teóricos con las mediciones reales.
2. Materiales y equipos
| Material | Cantidad |
|---|---|
| Transformador 120 VCA / 24 VCA | 1 |
| Diodos rectificadores 1N4007 | 4 |
| Capacitor electrolítico 1000 µF / 50 V | 1 |
| Regulador 7805 | 1 |
| Capacitor cerámico 330 nF | 1 |
| Capacitor cerámico 100 nF | 1 |
| Resistencia de carga 100 Ω / 2 W | 1 |
| Protoboard o placa de montaje | 1 |
| Multímetro digital | 1 |
| Osciloscopio | 1 |
| Cables de conexión | Según necesidad |
Para esta práctica, se recomienda estudiar primero la etapa rectificadora y de filtrado de 24 VCA. Para obtener los 5 V regulados, utilizar un convertidor reductor DC-DC previo, ajustado a unos 9-12 V, o sustituir el transformador por uno de 9-12 VCA cuando se quiera estudiar el 7805 directamente.
No se debe conectar el 7805 directamente a la salida de 24 VCA rectificada sin verificar previamente su tensión de entrada y disipación térmica.
3. Diagrama eléctrico
A. Etapa de rectificación y filtrado
El circuito tiene las siguientes etapas:
- Transformador: reduce y aísla la tensión de alimentación.
- Puente rectificador: convierte la corriente alterna en corriente pulsante unidireccional.
- Capacitor: reduce las variaciones de tensión.
- Resistencia: representa la carga conectada a la fuente.
B. Etapa reguladora de 5 V
Conexiones del 7805, observándolo de frente (cara con inscripción hacia el estudiante, encapsulado TO-220):
| Terminal | Conexión |
|---|---|
| Pin 1 – IN | Alimentación DC previamente reducida |
| Pin 2 – GND | Tierra o negativo |
| Pin 3 – OUT | Salida regulada de +5 V |
El capacitor de 330 nF se conecta entre entrada y tierra; el de 100 nF entre salida y tierra. Se recomienda respetar las recomendaciones de la hoja de datos del fabricante.
C. Esquema funcional completo
TRANSFORMADOR
24 VCA
~ ~
| |
| PUENTE RECTIFICADOR
+----|>|---+---------- +VDC
| | |
| |<| |
| | |
| |>| |
| | |
+----|<|---+---------- 0V
|
+-----+------+
| |
+| R carga
C 1000 µF 100 Ω
-| |
| |
+-----+------+
|
0V
Esquema conceptual de la etapa rectificadora. Para el montaje físico, identificar correctamente los terminales + y − del puente y los cuatro diodos antes de energizar.
4. Explicación del funcionamiento
Una fuente de alimentación lineal realiza cuatro procesos:
Etapa 1. Transformación
El transformador recibe 120 VCA en el primario y entrega 24 VCA en el secundario.
La tensión secundaria es alterna y cambia de polaridad 60 veces por segundo en cada semiciclo.
Etapa 2. Rectificación
Los cuatro diodos forman un puente rectificador.
- En el semiciclo positivo conducen dos diodos.
- En el semiciclo negativo conducen los otros dos.
- La corriente a través de la carga mantiene la misma dirección.
Por esta razón, se obtiene una señal de onda completa.
Etapa 3. Filtrado
El capacitor electrolítico se carga cerca del valor máximo de la señal rectificada.
Cuando la tensión del rectificador comienza a disminuir, el capacitor entrega energía a la carga.
Esto evita que la tensión caiga inmediatamente a cero y produce una tensión DC con pequeñas oscilaciones llamadas rizado.
Etapa 4. Regulación
El regulador 7805 mantiene aproximadamente 5 VDC en su salida, siempre que:
- Su tensión de entrada esté dentro de los límites permitidos.
- Exista suficiente margen entre entrada y salida.
- No se excedan sus límites de corriente y temperatura.
5. Cálculos teóricos
Se utilizarán los siguientes datos de diseño:
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Tensión secundaria | 24 VCA RMS |
| Frecuencia | 60 Hz |
| Diodos en conducción | 2 |
| Caída aproximada por diodo | 0,7 V |
| Capacitor | 1000 µF |
| Carga de referencia | 100 Ω |
5.1. Cálculo del voltaje pico
La tensión de 24 VCA corresponde al valor eficaz (RMS).
La fórmula es:
Sustituyendo:
Vp = 33,94 V
Este es el voltaje pico antes de los diodos.
5.2. Voltaje después del puente rectificador
En cada semiciclo conducen dos diodos.
VDC(pico) = 33,94 − 1,4
VDC(pico) ≈ 32,54 V
Este es el máximo aproximado de la señal rectificada, considerando una caída de 0,7 V por diodo.
5.3. Voltaje DC después del capacitor
El capacitor mantiene la tensión cerca del máximo rectificado.
Sin considerar todavía el rizado:
Con carga, la tensión promedio será inferior.
Para una aproximación con rizado relativamente pequeño:
El valor exacto depende de la carga, capacitancia, resistencia interna del transformador y características de los diodos.
5.4. Cálculo del rizado
En un rectificador de onda completa:
fr = 2(60) = 120 Hz
La fórmula aproximada del rizado pico a pico es:
Para un ejemplo de diseño, supongamos una corriente de carga de 100 mA y un capacitor de 1000 µF:
Conversión:
Sustituyendo:
Vr(pp) ≈ 0,83 V
La tensión DC promedio aproximada sería:
VDC(prom) ≈ 32,13 V
Este resultado supone una corriente de carga constante de 100 mA. No representa necesariamente el comportamiento real del circuito.
5.5. Cálculo de la resistencia de carga
Si se conecta una resistencia de 100 Ω directamente a la salida filtrada:
I = 32,13/100
I ≈ 0,321 A
Potencia:
P = 32,13²/100
P ≈ 10,32 W
Por lo tanto, una resistencia de 100 Ω / 2 W no es adecuada para conectarla directamente a esa salida.
Recomendación: para el montaje de 24 VCA, utilizar una carga de 1 kΩ / 2 W, siempre verificando la tensión real, la corriente y la potencia disipada. Para esa resistencia, la corriente teórica aproximada sería de 32 mA.
6. Procedimiento de montaje
El docente debe preparar y verificar el transformador. Los estudiantes trabajarán únicamente con el secundario aislado de 24 VCA. Nunca deben manipular el primario conectado a 120 VCA.
Paso 1. Identificación de componentes
- Identificar los cuatro diodos 1N4007.
- Identificar el ánodo y el cátodo.
- Identificar la polaridad del capacitor.
- Identificar los terminales del transformador.
Paso 2. Construcción del puente
- Conectar los cuatro diodos en configuración de puente.
- Identificar los dos terminales de entrada AC.
- Identificar las salidas positiva y negativa.
Paso 3. Conexión del transformador
- Conectar los dos terminales del secundario de 24 VCA a las entradas AC del puente.
- Revisar las conexiones antes de energizar.
Paso 4. Conexión del capacitor
- Conectar el positivo del capacitor a la salida positiva del puente.
- Conectar el negativo del capacitor a la salida negativa.
- Utilizar un capacitor de 1000 µF / 50 V.
Paso 5. Conexión de la carga
- Conectar la resistencia de 1 kΩ / 2 W entre positivo y negativo.
- Revisar que no existan cortocircuitos.
Paso 6. Energización
- Solicitar al docente que revise el montaje.
- Energizar el transformador.
- Medir la tensión de salida.
- Registrar los valores obtenidos.
Paso 7. Estudio del regulador 7805
Para comprobar la regulación, se debe disponer de una alimentación DC previamente reducida a 9-12 V. Conectar el 7805 con sus capacitores de desacoplamiento y verificar los 5 V de salida.
No conectar directamente los aproximadamente 32 VDC del filtro a la entrada del regulador.
7. Mediciones antes y después del capacitor
El estudiante realizará tres observaciones fundamentales.
Medición A. Salida del puente sin capacitor
Conexión del osciloscopio:
- Punta de prueba: salida positiva del puente.
- Referencia de tierra: salida negativa.
- Acoplamiento: DC.
- Sonda: configurar 10X si se utiliza esa posición física y seleccionar también 10X en el osciloscopio.
Observar:
- Forma de onda rectificada.
- Voltaje pico.
- Frecuencia de los pulsos.
- Ausencia de semiciclos negativos.
Medición B. Salida después del capacitor
Observar:
- Tensión continua.
- Rizado residual.
- Diferencia entre voltaje máximo y mínimo.
- Variación de la señal al conectar la carga.
Medición C. Salida del regulador 7805
Medir:
- Tensión de entrada del 7805.
- Tensión de salida.
- Estabilidad de la tensión.
- Temperatura del regulador durante el funcionamiento.
8. Tabla para registrar resultados experimentales
Los estudiantes deben completar esta tabla durante el laboratorio. Los espacios quedan en blanco porque los resultados deben obtenerse mediante mediciones reales.
| Punto de medición | Valor teórico | Valor medido |
|---|---|---|
| Secundario del transformador (VCA RMS) | 24 V | |
| Voltaje pico del transformador | 33,94 V | |
| Salida del puente (voltaje pico) | 32,54 V aprox. | |
| Salida del puente (sin capacitor) | Onda completa | |
| Salida del capacitor (VDC) | Depende de carga y rizado | |
| Rizado pico a pico | Según carga y capacitor | |
| Entrada del 7805 | 9-12 VDC recomendados para esta práctica | |
| Salida del 7805 | 5 VDC nominales |
Registro de formas de onda
| Punto | Forma de onda observada | Observaciones |
|---|---|---|
| Transformador | ||
| Puente rectificador | ||
| Después del capacitor | ||
| Salida del 7805 |
Registro del rizado
El estudiante debe medir utilizando el osciloscopio:
| Parámetro | Resultado |
|---|---|
| Voltaje máximo | |
| Voltaje mínimo | |
| Rizado medido (Vpp) | |
| Frecuencia del rizado | |
| Capacitor utilizado | |
| Resistencia de carga |
Comparación: ¿El rizado medido coincide con el cálculo teórico? Explique las posibles diferencias.
9. Cinco preguntas de evaluación
Cada pregunta vale 4 puntos. Total: 20 puntos.
Pregunta 1. El transformador entrega 24 VCA RMS. ¿Cuál es el voltaje pico aproximado?
A. 24 V
B. 33,94 V
C. 48 V
Pregunta 2. ¿Cuál es la función principal del puente rectificador de cuatro diodos?
A. Regular la tensión a 5 V.
B. Convertir la corriente alterna en corriente continua pulsante.
C. Eliminar completamente el rizado.
Pregunta 3. ¿Qué sucede cuando conectamos un capacitor el
FUENTE DE ALIMENTACIÓN LINEAL
Transformación · Rectificación · Filtrado · Regulación
Electrónica Industrial | Décimo año | CTP Costa Rica
Módulo teórico y laboratorio
1. Introducción a las fuentes de alimentación
Los circuitos electrónicos necesitan una alimentación eléctrica estable para funcionar correctamente. Muchos dispositivos trabajan con corriente continua (DC), mientras que la red eléctrica suministra corriente alterna (AC).
Una fuente de alimentación lineal transforma la corriente alterna en corriente continua mediante cuatro procesos:
- Transformación de tensión.
- Rectificación.
- Filtrado.
- Regulación.
Aplicaciones
- Tarjetas electrónicas.
- Circuitos de control industrial.
- Sistemas digitales.
- Microcontroladores.
- Equipos de instrumentación.
2. Conceptos eléctricos fundamentales
2.1 Corriente alterna (AC)
La corriente alterna cambia periódicamente de magnitud y dirección. En Costa Rica, la frecuencia nominal de la red eléctrica es 60 Hz.
2.2 Corriente continua (DC)
La corriente continua mantiene una polaridad definida. Su tensión puede ser constante o presentar pequeñas variaciones.
2.3 Voltaje RMS
El valor eficaz o RMS representa el valor de tensión alterna equivalente, en términos de potencia sobre una resistencia, a una tensión continua.
V RMS = V pico / √2
V pico = V RMS × √2
2.4 Frecuencia y período
Para 60 Hz:
T = 1 / 60 = 0,01667 segundos
T = 16,67 ms
3. Transformador
El transformador es una máquina eléctrica estática que transfiere energía entre dos circuitos mediante inducción electromagnética.
Partes principales
- Devanado primario.
- Devanado secundario.
- Núcleo magnético.
Relación de transformación
- Vp: tensión del primario.
- Vs: tensión del secundario.
- Np: número de vueltas del primario.
- Ns: número de vueltas del secundario.
Ejemplo
Transformador de 120 VCA a 24 VCA.
El primario tiene cinco veces más espiras que el secundario, en el modelo ideal.
4. Diodo semiconductor
El diodo es un componente semiconductor que permite el paso de corriente principalmente en una dirección.
Terminales
- Ánodo (A).
- Cátodo (K).
La banda pintada en un diodo rectificador convencional identifica el cátodo.
Polarización directa
El ánodo se conecta a un potencial mayor que el cátodo. El diodo puede conducir.
Polarización inversa
El cátodo se encuentra a un potencial mayor que el ánodo. El diodo bloquea la corriente, dentro de sus límites eléctricos.
Caída de tensión
Un diodo de silicio convencional presenta una caída directa aproximada de 0,7 V bajo determinadas condiciones de corriente. El valor real depende del componente y de la corriente.
Caída total aproximada = 1,4 V.
5. Puente rectificador de onda completa
El puente rectificador utiliza cuatro diodos para aprovechar los dos semiciclos de la señal alterna.
Funcionamiento
- En el semiciclo positivo conducen dos diodos.
- En el semiciclo negativo conducen los otros dos.
- La corriente mantiene el mismo sentido en la carga.
Frecuencia de salida
f salida = 2 × 60 = 120 Hz
La señal rectificada tiene dos pulsos por cada ciclo de entrada.
6. Capacitor electrolítico de filtrado
El capacitor almacena energía en un campo eléctrico. En una fuente rectificada se utiliza para reducir el rizado.
Principio de funcionamiento
- Se carga cuando la tensión rectificada aumenta.
- Almacena energía cerca de los máximos de la señal.
- Entrega corriente a la carga cuando la tensión del rectificador disminuye.
- Se recarga en el siguiente máximo.
Polaridad
El capacitor electrolítico tiene terminal positivo y negativo. Debe conectarse respetando su polaridad.
Unidades
| Unidad | Equivalencia |
|---|---|
| 1 mF | 1000 µF |
| 1 µF | 0,000001 F |
| 1000 µF | 0,001 F |
7. Rizado de tensión (Ripple)
El rizado es la variación periódica de tensión continua que permanece después del filtrado.
Voltaje pico a pico
Fórmula aproximada de rizado
- I carga: corriente de carga en amperios.
- f r: frecuencia del rizado en Hz.
- C: capacitancia en faradios.
Ejemplo resuelto
Datos:
- Corriente: 0,1 A.
- Frecuencia de rizado: 120 Hz.
- Capacitor: 1000 µF = 0,001 F.
Vr(pp) = 0,83 V aproximadamente.
8. Regulador de tensión 7805
El 7805 es un regulador lineal de tensión positiva cuya salida nominal es de 5 V.
Terminales del 7805
| Pin | Función |
|---|---|
| 1 | Entrada |
| 2 | Tierra (GND) |
| 3 | Salida de 5 V |
Funcionamiento
El regulador mantiene aproximadamente 5 V a su salida, compensando variaciones de entrada y carga dentro de sus condiciones especificadas.
Disipación de potencia
Ejemplo: entrada de 10 V, salida de 5 V y corriente de 0,1 A.
P = 0,5 W
El regulador debe disipar aproximadamente 0,5 W como calor. La temperatura dependerá del encapsulado, ventilación y disipador.
9. Resistencia de carga
La resistencia de carga representa el dispositivo que consume energía de la fuente.
Ley de Ohm
Potencia eléctrica
P = V² / R
Ejemplo
Con 5 V y una resistencia de 100 Ω:
I = 50 mA
P = 5² / 100 = 0,25 W
Se selecciona una resistencia con potencia nominal superior a la potencia calculada, considerando un margen adecuado.
10. Instrumentos de medición
10.1 Multímetro digital
Permite medir tensión alterna, tensión continua, corriente, resistencia y comprobar diodos, dependiendo del modelo.
Medición de tensión alterna
- Seleccionar V~.
- Colocar las puntas en los terminales del secundario.
- Leer el valor RMS.
Medición de tensión continua
- Seleccionar V⎓.
- Punta roja al positivo.
- Punta negra al negativo.
- Registrar el valor.
10.2 Osciloscopio
Permite observar cómo cambia la tensión con el tiempo. Es fundamental para comparar las señales antes y después del capacitor.
Configuración inicial
- Acoplamiento DC.
- Seleccionar correctamente la atenuación de la sonda.
- Ajustar VOLTS/DIV.
- Ajustar TIME/DIV.
- Utilizar el disparo (Trigger) para estabilizar la imagen.
11. Desarrollo matemático completo
Datos de diseño
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Tensión secundaria | 24 V RMS |
| Frecuencia | 60 Hz |
| Caída por diodo asumida | 0,7 V |
| Capacitor | 1000 µF |
Paso 1. Voltaje pico
Paso 2. Salida pico del puente
V puente = 32,54 V
Paso 3. Frecuencia de rizado
Paso 4. Rizado
Se debe conocer la corriente real de carga y utilizar la capacitancia expresada en faradios.
12. Diagramas de señales
Señal alterna
Rectificación de onda completa
Señal después del capacitor
Los gráficos son representaciones didácticas. La forma de onda real depende de la carga, capacitancia y características de los componentes.
13. Procedimiento de laboratorio
- Verificar el transformador y medir su salida.
- Identificar ánodo y cátodo de los diodos.
- Construir el puente rectificador.
- Medir la salida del puente sin capacitor.
- Desenergizar antes de modificar el montaje.
- Conectar el capacitor respetando su polaridad.
- Conectar la resistencia de carga apropiada.
- Medir la tensión DC.
- Observar el rizado con el osciloscopio.
- Utilizar una alimentación reducida para probar el 7805.
- Medir entrada y salida del regulador.
- Registrar todos los resultados.
14. Registro de mediciones
Los siguientes espacios son para resultados experimentales. No deben sustituirse por valores teóricos.
| Medición | Teórico | Experimental |
|---|---|---|
| Secundario RMS | 24 V | ____________ |
| Voltaje pico | 33,94 V | ____________ |
| Puente pico | 32,54 V aprox. | ____________ |
| Capacitor DC | Depende de carga | ____________ |
| Rizado | Según cálculo | ____________ |
| Salida 7805 | 5 V nominales | ____________ |
Análisis
¿Por qué hay diferencias entre el cálculo y la medición?
¿Qué efecto tiene conectar una carga?
15. Diagnóstico de fallas
| Problema | Posible causa | Comprobación |
|---|---|---|
| No hay tensión DC | Diodo abierto o conexión incorrecta | Probar diodos |
| Tensión muy baja | Cortocircuito o carga excesiva | Medir corriente y tensión |
| Mucho rizado | Capacitor defectuoso o insuficiente | Medir Vpp |
| 7805 se calienta | Exceso de potencia disipada | Calcular P |
| No hay 5 V | Entrada insuficiente o conexión incorrecta | Medir entrada y salida |
16. Normas de seguridad
- Trabajar bajo supervisión del docente.
- Desconectar antes de modificar conexiones.
- No tocar terminales energizados.
- Respetar la polaridad de los capacitores.
- Comprobar los valores nominales de los componentes.
- Descargar capacit
PRÁCTICA DE LABORATORIO
Fuente de alimentación lineal
Puente rectificador + filtro capacitivo + regulador 7805
Electrónica Industrial | Décimo año | CTP Costa Rica
1. Información general
Nombre del estudiante:
Sección:
Fecha:
Objetivo general
Construir y analizar una fuente de alimentación lineal, comprendiendo los procesos de transformación, rectificación, filtrado y regulación de tensión.
Objetivos específicos
- Construir un puente rectificador con cuatro diodos.
- Identificar la función del capacitor electrolítico.
- Calcular el voltaje pico y el rizado.
- Utilizar correctamente el multímetro y osciloscopio.
- Comprobar el funcionamiento del regulador 7805.
2. Materiales y equipos
| Material | Cantidad |
|---|---|
| Transformador 120/24 VCA | 1 |
| Diodos 1N4007 | 4 |
| Capacitor 1000 µF / 50 V | 1 |
| Regulador 7805 | 1 |
| Capacitor 330 nF | 1 |
| Capacitor 100 nF | 1 |
| Resistencia 1 kΩ / 2 W | 1 |
| Multímetro digital | 1 |
| Osciloscopio | 1 |
3. Diagrama funcional
4. Funcionamiento
Etapa 1. Transformación
El transformador entrega 24 VCA RMS en el secundario.
Etapa 2. Rectificación
Los cuatro diodos convierten la señal alterna en una señal pulsante de onda completa.
Etapa 3. Filtrado
El capacitor almacena energía y reduce las variaciones de tensión conocidas como rizado.
Etapa 4. Regulación
El regulador 7805 entrega una tensión nominal de 5 VDC cuando trabaja dentro de sus límites eléctricos y térmicos.
5. Cálculos teóricos
Datos:
- Transformador: 24 VCA RMS
- Frecuencia: 60 Hz
- Caída por diodo: 0,7 V
- Capacitor: 1000 µF
- Carga de referencia: 100 Ω
5.1 Voltaje pico
Vp = 24 × 1,414
Vp = 33,94 V
5.2 Voltaje después del puente
VDC(pico) = 33,94 – 1,4
VDC(pico) = 32,54 V
5.3 Frecuencia de rizado
fr = 2 × 60
fr = 120 Hz
5.4 Calculadora de rizado
Introduzca la corriente de carga en amperios:
Capacitancia en microfaradios:
Fórmula aproximada: Vr(pp) = I / (fr × C). El cálculo supone corriente de carga aproximadamente constante.
6. Procedimiento de montaje
- Identificar los cuatro diodos 1N4007.
- Construir el puente rectificador.
- Conectar el secundario de 24 VCA.
- Conectar el capacitor respetando su polaridad.
- Conectar la resistencia de carga de 1 kΩ / 2 W.
- Solicitar revisión del docente.
- Energizar el circuito.
- Medir la tensión antes y después del capacitor.
- Observar las señales en el osciloscopio.
- Estudiar la etapa del regulador 7805 con alimentación previamente reducida.
7. Mediciones experimentales
Complete los espacios con las mediciones reales. No copie los valores teóricos como si fueran mediciones.
| Medición | Valor teórico | Valor real |
|---|---|---|
| Transformador RMS | 24 V | |
| Voltaje pico | 33,94 V | |
| Puente rectificador pico | 32,54 V aprox. | |
| Salida del capacitor | Depende de la carga | |
| Rizado | Calcular según carga | |
| Entrada del 7805 | 9-12 VDC de referencia | |
| Salida del 7805 | 5 VDC nominales |
8. Registro del osciloscopio
| Punto | Forma de onda observada | Observaciones |
|---|---|---|
| Transformador | ||
| Puente | ||
| Capacitor | ||
| 7805 |
9. Evaluación interactiva
10. Análisis final
1. ¿Qué diferencia existe entre la señal del transformador y la salida del puente?
2. ¿Por qué el capacitor no elimina completamente el rizado?
3. ¿Qué sucede cuando aumenta la capacitancia?
4. ¿Por qué no conectamos directamente 32 VDC al 7805?
5. ¿Qué aprendió durante esta práctica?
11. Conclusión
Una fuente de alimentación lineal permite estudiar la transformación, rectificación, filtrado y regulación de tensión. La comprobación experimental mediante multímetro y osciloscopio permite relacionar los cálculos matemáticos con el comportamiento real de los circuitos electrónicos.