Construcción de una fuente de alimentación de CC regulada

Quien repara computadoras tarde o temprano necesita una fuente de alimentación regulada de 5 V que no se queme si un cable se junta con otro. Las del mercado a veces cuestan más que el tiempo que se pierde buscando una, y en el taller se puede armar una con piezas que ya conoces: transformador, puente de diodos, capacitor, Zener y un transistor. Aquí todo eso se junta en un solo proyecto.

Diagrama de bloques#

De la pared al equipo, la energía pasa por seis etapas en este orden:

1. Protección y entrada: clavija con tierra, interruptor y fusible en el vivo.
2. Transformador: baja de 120 V a 9 V eficaces.
3. Rectificador de puente: cuatro 1N4007.
4. Filtro: un electrolítico de 2 200 µF.
5. Regulador: Zener de 5,6 V y transistor de paso (TIP31C).
6. Limitador de corriente: una resistencia de 1 Ω y un transistor BC547.

Cómo trabaja el regulador y el limitador#

Un Zener solo no puede alimentar una carga: aguanta unas decenas de miliamperios. Por eso se usa uno de 5,6 V y 1 W (1N4734A) como referencia y un transistor de potencia que lleva la corriente de la carga. La base de ese transistor Q1 se fija en 5,6 V con el Zener y su emisor, que alimenta la carga, queda unos 0,7 V por debajo: V_sal ≈ 5,6 − 0,7 = 4,9 V. Esta es la configuración de colector común vista en el tema del transistor: el emisor «sigue» la base. Si la carga pide más, Q1 entrega más sin que la tensión de la base se mueva.

Para limitar la corriente se coloca la resistencia R_sc = 1 Ω entre el emisor de Q1 y la salida. El transistor Q2 (BC547) tiene la base en el emisor de Q1, el emisor en la salida y el colector en la base de Q1. Cuando la corriente de carga llega a unos 0,6 A, R_sc cae 0,6 V, Q2 empieza a conducir y le quita corriente de base a Q1, de modo que la corriente no sube más:

Materiales y cálculo de cada pieza#

Diseñamos para 5 V y 300 mA, con el corte a 0,6 A.

Pieza	Valor	Por qué
Transformador	120 V a 9 V, 1 A	Pico: 9 · √2 = 12,7 V; con el puente, 11,3 V en el capacitor
Puente	4 × 1N4007	PIV de unos 13 V contra 1 000 V disponibles; 1 A cada uno
C1	2 200 µF, 25 V	Rizado a 0,3 A: 0,3 / (120 · 0,0022) ≈ 1,1 V pico a pico
Q1	TIP31C con disipador	Corriente y potencia, ver abajo
D1 (Zener)	1N4734A, 5,6 V, 1 W	Fija la tensión de base
Rz	120 Ω, 1 W	Polariza el Zener y alimenta la base de Q1
Q2	BC547	Detecta la caída en Rsc
Rsc	1 Ω, 1 W	Limita en 0,6 A; disipa 0,6² · 1 = 0,36 W
C2, C3	100 µF 16 V y 0,1 µF	Filtran la salida
LED + resistencia	LED rojo + 330 Ω	Piloto: (4,6 − 2) / 330 ≈ 8 mA
Fusible	250 mA retardado	Corriente del primario unos 0,1 A a plena carga

Tensión en el capacitor. Con 0,3 A, el mínimo es 11,3 − 1,1 = 10,2 V y el promedio unos 10,8 V. El transistor necesita al menos 1,5 V entre colector y emisor y la salida es 4,9 V, así que basta con 6,4 V: sobra margen incluso con la red un 10 % baja.

Corriente de Rz. R_z debe alimentar al Zener y a la base de Q1. Con β = 25 (el mínimo de un TIP31C) y 0,3 A, la base pide 12 mA. En el peor momento del rizado, con 10,2 V, R_z conduce (10,2 − 5,6) / 120 = 38 mA; al Zener le quedan 26 mA, de sobra. Sin carga, el Zener recibe hasta 65 mA y disipa 5,6 V · 65 mA ≈ 0,36 W: dentro de su 1 W.

Calor en Q1. A 0,3 A: V_CE = 10,8 − 4,9 = 5,9 V, potencia ≈ 1,8 W. En cortocircuito con la limitación activa: unos 10,2 V · 0,6 A ≈ 6 W. El disipador se calcula para el peor caso: temperatura ambiente de 35 °C (un taller caluroso con la caja cerrada) y una unión que no pase de 125 °C dejan 90 °C de subida para 6 W, o sea 15 °C/W en total. Restando los 3,1 °C/W de la unión a la caja y 1 °C/W de mica y pasta, el disipador debe ser de unos 10 °C/W o menos.

Construcción paso a paso#

1. Dibuja el esquema y el trazado de la placa antes de soldar. Verifica cada pieza con el multímetro: diodos del puente (modo diodo), transistores, resistencias.
2. Suelda en orden de altura: resistencias, diodos, Zener, transistores pequeños, capacitores. El Zener lleva su banda (cátodo) hacia la base de Q1. Cuida la polaridad de C1, C2 y los diodos.
3. Atornilla Q1 al disipador con una lámina de mica y pasta térmica. La lengüeta metálica del TIP31C es el colector: debe quedar aislada de la caja.
4. Monta la placa y el transformador en una caja metálica con el cable de tierra (verde) firme al chasis. El cable de red entra por un pasacable que lo sujeta. Interruptor y portafusible van en el vivo (negro); el blanco es el neutro.
5. Revisa todo con la fuente desconectada: la polaridad del puente y de C1, que no haya puentes de estaño y que no haya cables sueltos.

Lo que se suelda en la placa es de bajo voltaje. El único tramo de 120 V es del cable al primario del transformador, y ese tramo se aísla con tubo termoencogible, no con cinta.

Seguridad en el taller mientras se construye y se prueba#

• Gafas de seguridad al soldar y al recortar patas, y ventilación para el humo del fundente.
• Banco ordenado, sin líquidos cerca y con piso seco. Sin anillos ni relojes metálicos al probar.
• Para la primera conexión a la red, una lámpara incandescente de 60 W en serie con el primario: si hay un corto, la lámpara se enciende fuerte y limita la corriente a unos 0,5 A como máximo.
• Con tensión conectada, una sola mano en el circuito. Antes de cambiar una punta o una pieza, desconecta y descarga C1 con una resistencia de 1 kΩ.
• Un extintor de CO₂ a mano para fuegos eléctricos.

Mediciones de comprobación#

Condición	Se mide	Valor esperado
Sin carga	Secundario (alterna)	9,5 a 11 V
Sin carga	Sobre C1 (continua)	12 a 14 V
Sin carga	Salida	4,9 V (de 4,6 a 5,2 V por la tolerancia del Zener)
Carga de 15 Ω, 5 W	Salida y corriente	≈ 4,6 V y 0,3 A
Carga de 15 Ω	Rizado sobre C1 (osciloscopio)	≈ 1,1 V pico a pico a 120 Hz
Cortocircuito de 2 s como máximo	Corriente en un amperímetro serie	≈ 0,6 A; la salida cae a casi 0 V

La regulación de carga se calcula con las dos lecturas: (V_vacío − V_carga) / V_carga · 100 = (4,9 − 4,6) / 4,6 · 100 ≈ 6,5 %. La mayor parte de esa bajada es la caída de 0,3 V en R_sc; las fuentes comerciales toman la realimentación después de R_sc para compensarlo. El cortocircuito se prueba solo unos segundos: el transistor disipa 6 W y su disipador se calienta rápido.

Fallas más comunes#

Síntoma	Causa probable
Sin salida y C1 con tensión	Zener en cortocircuito, Rz o Rsc abierta, o Q1 abierto
Salida de 10 a 13 V, sin regulación	Q1 con colector y emisor en cortocircuito, o Zener abierto. Es peligroso para los equipos de 5 V: no conectar nada sin comprobar antes
No limita en cortocircuito, Q1 muy caliente	Q2 abierto o mal soldado
Limita muy pronto	Q2 con fuga o Rsc de más valor del calculado
Zumbido y tensión que baja con la carga	C1 seco o con poca capacidad
Fusible quemado al encender	Diodo del puente en corto o corto en el primario

Existe también la vía integrada: el regulador LM7805 trae adentro el Zener, el transistor, la limitación de corriente y una protección térmica en un solo encapsulado de tres patas. Se puede colocar en lugar de Q1, D1, R_z, Q2 y R_sc. La versión con transistores sirve para entender cómo está hecho.

Ponte a prueba#

Para la fuente de la lección, ¿qué tensión de salida esperas sin carga y por qué?#

Calcula la resistencia de detección para limitar la corriente a 0,4 A usando un BC547 (que conduce con unos 0,6 V).#

El TIP31C disipa 6 W en cortocircuito. Con ambiente de 35 °C y unión máxima de 125 °C, ¿qué resistencia térmica total se permite?#

Al encender la fuente, la salida marca 12 V en vez de 5. ¿Qué dos fallas pueden causarlo y por qué es peligroso?#

¿Por qué se usa una lámpara en serie en la primera prueba y qué indica si se enciende con fuerza?#

Fuentes#

• Ministerio de Educación Pública — Programa de estudio de Electrónica, Educación Diversificada (MEP, Costa Rica) (PDF)