Construcción de una Fuente de Alimentación CA/CC de Bajo Voltaje Confiable: Rectificador Puente y Filtro Capacitivo

COMPONENTES Y MATERIALES

• Fuente de alimentación CA de bajo voltaje (6 V RMS, entrada 120 VCA)
• Módulo rectificador puente (ej. Radio Shack #276-1185 o equivalente)
• Capacitor electrolítico, 1000 µF, ≥25 V CC (Radio Shack #272-1047 o equivalente)
• Cuatro bornes "banana" o herrajes de terminal similares (Radio Shack #274-662 o equivalente)
• Caja metálica (preferiblemente una caja que actúe como disipador de calor)
• Bombilla incandescente 12 V, 25 W (adecuada para prueba de carga pesada)
• Portalámparas compatible con la bombilla

NOTAS PARA COMPONENTES Y MATERIALES

Usar un módulo rectificador puente comercial es preferible a ensamblar cuatro diodos discretos porque el módulo está diseñado para disipador de calor montado y ofrece conexiones confiables y mantenibles. Una caja metálica sirve como disipador de calor efectivo para el rectificador, ayudando a mantener la temperatura de la unión semiconductora dentro de límites seguros.

El voltaje de trabajo del capacitor electrolítico debe ser al menos el doble del voltaje CA RMS de la fuente de alimentación para acomodar el voltaje pico y proporcionar margen de seguridad. Para una fuente de 6 V RMS, un capacitor de 25 V es adecuado; una clasificación de voltaje mayor está bien si el tamaño y costo son aceptables.

Lámparas de 12 V de alto vataje (25 W o 50 W) están disponibles en tiendas de suministros para RV y náutica. Proporcionan una carga pesada realista para evaluar la reducción de rizado.

REFERENCIAS CRUZADAS

Lessons In Electric Circuits, Volumen 2, Capítulo 8: Filtros

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Comprender cómo un filtro capacitivo suaviza la salida CC de un rectificador.
• Reconocer la importancia del disipador de calor para semiconductores de potencia.

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRACIÓN

INSTRUCCIONES

En este experimento construirás un circuito rectificador y filtro que convierte la salida CA de bajo voltaje de tu módulo de fuente de alimentación anterior en una fuente CC estable. La fuente resultante puede reemplazar una batería en experimentos alimentados por batería y puede expandirse en una unidad autónoma 120 VCA → CC añadiendo transformador, cable y enchufe al lado CA.

CONSTRUCCIÓN DE LA PARTE RECTIFICADORA

El rectificador puente debe manejar al menos la corriente nominal del secundario del transformador y tener una clasificación de voltaje ≥2× el voltaje RMS secundario para permitir voltaje pico y margen de seguridad. El módulo Radio Shack (25 A, 50 V) cumple cómodamente estos requisitos para una fuente de 6 V CA.

La mayoría de los módulos rectificadores incluyen terminales de desconexión rápida. Usa terminales "quick-disconnect" prensados en los extremos de los cables para una conexión confiable y reemplazable. Evita soldar directamente sobre pines semiconductores para prevenir daño por calor y mantener fácil mantenimiento.

Asegura el rectificador dentro de la caja metálica. La superficie de la caja funciona como disipador de calor, disipando calor generado por alto flujo de corriente.

CONSTRUCCIÓN DE LA PARTE FILTRO

Conecta el capacitor electrolítico a través de los terminales de salida CC del rectificador, asegurando polaridad correcta. El capacitor actúa como reservorio de baja impedancia que suaviza la forma de onda CC, reduciendo voltaje de rizado. Como los capacitores electrolíticos son sensibles a polaridad, una conexión invertida puede causar falla catastrófica —usa un punto de prueba o multímetro para verificar polaridad antes del ensamblaje final.

PRUEBA DEL CIRCUITO

Después del ensamblaje, conecta la unidad rectificador/filtro a la fuente CA de bajo voltaje como se muestra:

Mide la salida CA de la fuente de alimentación; debería ser aproximadamente 6 V RMS. Luego cambia tu multímetro a modo CC y mide la salida del rectificador. El voltaje CC estará cerca del voltaje CA pico (≈8,5 V), ilustrando el efecto del filtro.

Para evaluar el rizado, configura tu medidor a voltios CA (o milivoltios CA). El rizado será sustancialmente menor que en un rectificador sin filtro. Para una verificación cualitativa, puedes "escuchar" con un detector de audio: un tono tenue indica rizado residual.

Luego, conecta la bombilla de 25 W a través de la salida CC:

Re-mide el rizado. Con la carga pesada, el capacitor de filtro se descarga entre picos, así que el rizado aumenta. Esto demuestra la naturaleza dependiente de la carga del filtrado.

REDUCCIÓN DEL RIZADO

Si se requiere menor rizado bajo carga, aumenta la capacitancia del filtro o implementa un filtro multi-etapa como una red capacitor-inductor-capacitor (C-L-C). Por ejemplo:

Usa un choke de núcleo de hierro con clasificación de corriente adecuada; su inductancia bloquea rizado CA mientras pasa CC. Si no hay choke adecuado disponible, el devanado secundario de un transformador reductor puede servir como choke —dejando el primario abierto— porque el núcleo magnético del transformador proporciona naturalmente impedancia inductiva al rizado.

SIMULACIÓN POR COMPUTADORA

Para validar tu diseño, ejecuta una simulación SPICE usando el siguiente netlist:

Rectificador puente onda completa
v1 1 0 sin(0 8.485 60 0 0)
rload 2 3 10k
c1 2 3 1000u ic=0
d1 3 1 mod1
d2 1 2 mod1
d3 3 0 mod1
d4 0 2 mod1
.model mod1 d
.tran .5m 25m
.plot tran v(1,0) v(2,3)
.end

Ajusta la resistencia de carga para explorar comportamiento del rizado bajo diferentes condiciones de carga.

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA

• Hoja de Trabajo de Fuentes de Alimentación CA-CC Básicas