Fuente simétrica regulada y variable con LM317 y LM337
Introducción
Una fuente de alimentación es uno de los equipos fundamentales dentro de cualquier laboratorio de electrónica. Muchos circuitos, especialmente los amplificadores operacionales y diferentes etapas de amplificación, necesitan disponer simultáneamente de una tensión positiva y otra negativa respecto a un punto común.
Por ejemplo, una fuente simétrica puede proporcionar:
+V / 0 V / −V
donde el punto central de la fuente se utiliza como referencia o GND (0 V).
En esta práctica se desarrolla una fuente simétrica regulada y variable utilizando los reguladores lineales LM317, para la salida positiva, y LM337, para la salida negativa.
El circuito parte de un transformador con derivación central, realiza la rectificación y filtrado mediante capacitores de gran capacidad y finalmente utiliza los reguladores para obtener dos tensiones continuas independientes, ajustables mediante potenciómetros.
[IMAGEN 1 – Circuito completo de la fuente simétrica regulada y variable]
1. ¿Qué significa que una fuente sea simétrica?
Una fuente simétrica dispone de tres terminales principales:
| Terminal | Función |
|---|
| +V | Tensión positiva |
| GND | Punto de referencia, 0 V |
| −V | Tensión negativa |
Por ejemplo, si ajustamos la fuente a aproximadamente:
+12 V / 0 V / −12 V
entre los terminales positivo y negativo tendremos una diferencia total de:
24 V
Sin embargo, cada salida se mide respecto al punto central:
-
+12 V respecto a GND.
-
−12 V respecto a GND.
Esta configuración resulta especialmente útil para alimentar circuitos que necesitan señales que puedan desplazarse tanto por encima como por debajo de 0 V.
2. Transformador con derivación central
El circuito comienza con el transformador TR1, que dispone de una derivación central en el secundario.
[IMAGEN 2 – Transformador con secundario de derivación central]
La derivación central se utiliza como referencia de la fuente y se conecta al punto común de tierra.
Los dos extremos del secundario proporcionan las tensiones alternas que posteriormente serán rectificadas para obtener los dos rieles de alimentación.
La utilización de un transformador también permite:
-
Aislar eléctricamente el circuito de la red.
-
Reducir la tensión de la red a un nivel apropiado para el circuito.
-
Obtener una tensión alterna adecuada para generar los rieles positivo y negativo.
En una construcción física, la elección de la tensión del secundario es fundamental, ya que determinará el margen de regulación disponible después de la rectificación y filtrado.
3. Rectificación
Después del transformador se encuentra el puente rectificador BR1.
Su función es convertir la tensión alterna del secundario en una tensión pulsante que posteriormente será filtrada mediante los capacitores electrolíticos.
[IMAGEN 3 – Puente rectificador BR1]
La rectificación es una etapa fundamental porque los reguladores LM317 y LM337 necesitan recibir una tensión continua de entrada.
Conceptualmente, el proceso es:
CA del transformador → Rectificación → CC pulsante → Filtrado → CC con menor rizado → Regulación
4. Filtrado mediante C1 y C2
Después de la rectificación se encuentran los capacitores:
-
C1 = 2200 µF
-
C2 = 2200 µF
Estos capacitores cumplen la función de almacenar energía y reducir las variaciones de la tensión rectificada.
En una fuente simétrica, C1 y C2 trabajan alrededor del punto central de referencia.
C1 contribuye al filtrado de la rama positiva, mientras que C2 contribuye al filtrado de la rama negativa.
[IMAGEN 4 – Capacitores de filtrado C1 y C2]
Cuanto mayor sea la corriente demandada por la carga, mayor será la importancia de un adecuado filtrado.
El valor de 2200 µF utilizado en este circuito constituye una capacidad considerable para una fuente de laboratorio de baja potencia y permite obtener una tensión de entrada a los reguladores mucho más estable que la obtenida directamente después de la rectificación.
5. Regulación de la tensión positiva con LM317
La rama positiva utiliza el regulador ajustable LM317.
Su función es recibir una tensión continua superior a la tensión deseada y entregar una tensión positiva regulada.
En el circuito:
Entrada positiva → LM317 → salida +V
La tensión de salida se establece mediante una red formada por:
[IMAGEN 5 – Etapa reguladora positiva con LM317]
El LM317 mantiene aproximadamente 1,25 V entre su terminal de salida y el terminal ADJ.
De forma simplificada, la tensión de salida se determina mediante:
Vout ≈ 1,25 × (1 + R2/R1)
considerando además la pequeña corriente que circula por el terminal ADJ.
En nuestro circuito, RV1 permite modificar la relación de resistencias y, por tanto, variar la tensión de salida positiva.
Una característica importante es que el LM317 no genera tensión de manera independiente. Necesita disponer de una tensión de entrada suficientemente superior a la tensión que se desea obtener en la salida.
Por ello:
Ventrada > Vsalida + margen de regulación
En una implementación real, este margen debe considerarse cuidadosamente para determinar el máximo voltaje regulable.
6. Regulación de la tensión negativa con LM337
La rama negativa utiliza el regulador ajustable LM337, que cumple una función equivalente al LM317, pero para tensiones negativas.
Entrada negativa → LM337 → salida −V
[IMAGEN 6 – Etapa reguladora negativa con LM337]
En este caso:
permiten ajustar la tensión negativa.
De esta manera, ambos reguladores trabajan de forma independiente:
LM317 → +V
LM337 → −V
mientras que ambos utilizan el mismo punto central como referencia:
GND = 0 V
7. Ajuste independiente de las dos salidas
Una característica interesante de esta fuente es que las dos ramas pueden ajustarse independientemente.
El potenciómetro RV1 controla la tensión positiva.
El potenciómetro RV2 controla la tensión negativa.
Por lo tanto, podemos configurar, por ejemplo:
+5 V / 0 V / −5 V
o:
+9 V / 0 V / −9 V
o:
+12 V / 0 V / −12 V
dependiendo de las tensiones disponibles después del transformador, rectificación y filtrado.
No necesariamente es obligatorio que ambas ramas tengan exactamente el mismo valor. Esto permite utilizar la fuente en circuitos que necesiten tensiones positivas y negativas diferentes.
8. Capacitores C3 y C4
En las salidas de los reguladores aparecen:
Estos capacitores tienen una función diferente a la de los grandes capacitores de filtrado.
Los capacitores de 2200 µF se encargan principalmente del filtrado de baja frecuencia y de almacenar energía.
Los capacitores de 100 nF ayudan a proporcionar un desacoplamiento de alta frecuencia y contribuyen a mantener estable el funcionamiento del regulador frente a perturbaciones rápidas.
Por ello, ambos tipos de capacitores cumplen funciones complementarias.
9. La importancia del punto central
Uno de los conceptos más importantes de esta práctica es comprender que el terminal central no es simplemente "otro cable".
Es la referencia de toda la fuente.
Si tenemos:
+12 V — GND — −12 V
entonces:
-
Entre +12 V y GND tenemos 12 V.
-
Entre GND y −12 V tenemos 12 V.
-
Entre +12 V y −12 V tenemos 24 V.
[IMAGEN 7 – Identificación de los tres terminales de salida: +V, GND y −V]
Esto permite alimentar circuitos que requieren alimentación bipolar, algo muy común en determinadas etapas de amplificación y circuitos con amplificadores operacionales.
10. ¿Por qué utilizar reguladores ajustables?
Una fuente fija podría entregar solamente una tensión determinada, por ejemplo:
+12 V / −12 V
Una fuente regulable permite modificar la tensión de salida de acuerdo con las necesidades de la práctica.
Esto resulta especialmente interesante en un laboratorio de electrónica porque una misma fuente puede utilizarse para diferentes circuitos.
Por ejemplo:
| Aplicación | Alimentación posible |
|---|
| Circuitos de prueba | ±5 V |
| Amplificadores | ±9 V |
| Amplificadores operacionales | ±12 V |
| Otras etapas analógicas | ±15 V, si el diseño y la entrada disponible lo permiten |
Los valores anteriores son ejemplos de aplicación. El límite real dependerá del transformador, la tensión rectificada, la caída de los reguladores, la corriente requerida y la disipación térmica.
11. Una consideración importante: disipación
Los LM317 y LM337 son reguladores lineales.
Esto significa que la diferencia entre la tensión de entrada y la tensión de salida se transforma principalmente en calor.
Por ejemplo, si un regulador recibe:
20 V
y entrega:
10 V
con una corriente de:
0,5 A
la potencia aproximada que debe disipar el regulador será:
P ≈ (20 − 10) × 0,5
P ≈ 5 W
Por esta razón, cuando la diferencia entre entrada y salida es grande o la corriente de carga aumenta, se requiere un disipador de calor adecuado.
Este es un aspecto muy importante para pasar de la simulación a una construcción física.
12. La fuente como instrumento de laboratorio
Una vez construida, esta fuente puede convertirse en un módulo reutilizable para diferentes prácticas de electrónica.
Por ejemplo, puede utilizarse para:
-
Amplificadores con transistores.
-
Preamplificadores.
-
Etapas con amplificadores operacionales.
-
Circuitos de audio.
-
Filtros activos.
-
Osciladores.
-
Circuitos analógicos que necesiten alimentación bipolar.
-
Pruebas de diferentes componentes y módulos.
Esto permite que la fuente deje de ser solamente una práctica y se convierta en una herramienta que acompañará las siguientes prácticas del laboratorio.
13. Del simulador al circuito real
Una de las ventajas de desarrollar este circuito inicialmente en Proteus es que podemos comprobar el funcionamiento general antes de construirlo físicamente.
La metodología propuesta es:
1. Diseñar el circuito.
2. Simular la rectificación y filtrado.
3. Comprobar las tensiones positiva y negativa.
4. Ajustar LM317 y LM337.
5. Verificar las tensiones de salida.
6. Construir la placa.
7. Realizar mediciones con multímetro y osciloscopio.
8. Comprobar el comportamiento con diferentes cargas.
[IMAGEN 8 – Montaje físico de la fuente simétrica terminada]
De esta manera, el estudiante puede relacionar directamente el circuito simulado con el comportamiento del circuito construido.
14. Actividad práctica propuesta
Para esta práctica se propone que el estudiante:
-
Identifique las etapas del circuito.
-
Identifique los tres terminales de la fuente: +V, GND y −V.
-
Verifique la función del transformador.
-
Analice el funcionamiento del rectificador.
-
Compruebe la función de C1 y C2.
-
Ajuste independientemente RV1 y RV2.
-
Mida las tensiones positiva y negativa respecto a GND.
-
Mida la tensión entre +V y −V.
-
Observe con el osciloscopio el rizado antes y después de la regulación.
-
Compruebe el comportamiento de la fuente al conectar una carga.
Una medición particularmente interesante consiste en observar la tensión inmediatamente después del rectificador y compararla con la tensión después de los reguladores.
De esta manera se puede apreciar experimentalmente la diferencia entre:
rectificar → filtrar → regular.
Conclusión
La fuente simétrica regulada y variable constituye una práctica especialmente útil porque integra varios conceptos fundamentales de electrónica:
transformación → rectificación → filtrado → regulación → ajuste → medición.
La utilización conjunta de LM317 y LM337 permite disponer de una fuente bipolar regulable, mientras que los potenciómetros permiten adaptar las tensiones de salida a diferentes necesidades experimentales.
Más allá de la construcción de la fuente, el objetivo de la práctica es que el estudiante comprenda cómo se obtiene una alimentación continua estable a partir de una fuente alterna y cómo cada etapa contribuye al resultado final.
Finalmente, una fuente de este tipo puede convertirse en uno de los módulos de uso permanente del laboratorio, ya que podrá emplearse posteriormente para alimentar y comprobar numerosos circuitos desarrollados durante las prácticas de Electrónica Analógica.
[IMAGEN 9 – Fuente simétrica como módulo de alimentación para futuras prácticas]
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