Harold Leonardo Ramirez Gomez 80000470 Taller Cajas y Fuentes Alimentacion
Fuentes de Alimentacion
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Electrónica Analógica Fuentes de alimentación 07
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Electrónica Analógica
Fuentes de alimentación
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Fuentes de alimentación 1
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Índice
OBJETIVOS ........................................................................................................ 3
INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 4
7.1. Etapas básicas de una fuente de alimentación ....................................... 5
7.1.1. El transformador .................................................................................. 6
7.1.1.1. Relación de transformación ........................................................... 8
7.1.1.2. Características técnicas de los transformadores ........................... 8
7.1.2. El rectificador ....................................................................................... 9
7.1.2.1. Rectificador de media onda ......................................................... 10
7.1.2.2. Rectificador de onda completa .................................................... 13
7.1.2.3. El puente rectificador ................................................................... 15
7.1.3. El filtrado ............................................................................................ 17
7.1.3.1. Filtro por condensador ................................................................. 18
7.1.3.2. Filtro por bobina .......................................................................... 22
7.1.3.3. Filtro LC y ................................................................................ 23
7.1.3.4. Estabilización .............................................................................. 23
7.1.3.5. El diodo zener ............................................................................. 23
7.1.3.6. Estabilización con diodo zener .................................................... 24
7.1.3.7. Estabilización con diodos zener y transistor ................................ 27
7.2. Reguladores integrados .......................................................................... 29
7.2.1. Reguladores comerciales .................................................................. 30
RESUMEN ......................................................................................................... 35
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Objetivos
Conocer las etapas básicas de una fuente de alimentación.
Comprender el papel de un transformador de entrada en una fuente de
alimentación.
Explicar el funcionamiento de un rectificador de media onda.
Analizar el esquema de un rectificador de onda completa y comentar su
funcionamiento.
Dibujar el esquema de un puente rectificador y explicar su funcionamiento.
Comprender y la necesidad de un condensador como filtro dentro de una fuente
de alimentación.
Explicar por qué es necesaria la regulación de voltaje en una fuente de
alimentación.
Describir el funcionamiento de un regulador de voltaje serie y de un regulador de
voltaje paralelo.
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Introducción
La mayor parte de los dispositivos electrónicos como por ejemplo televisores,
equipos de música, radios y ordenadores necesitan una tensión continua para
poder funcionar correctamente. Como las líneas de tensión de nuestros hogares
son alternas, lo primero que debemos hacer es convertir la tensión de línea alterna
en una tensión continua. Los dispositivos electrónicos que producen esta tensión
continua son las fuentes de alimentación. En esta unidad estudiaremos su
funcionamiento y sus partes fundamentales.
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7.1. Etapas básicas de una fuente de alimentación
La función de una fuente de alimentación consiste en rectificar la potencia de
entrada de la C.A. sinusoidal y alisar o filtrar la CC obtenida así que es fluctuante.
Muchas fuentes de alimentación utilizan un transformador para reducir el voltaje de
C.A, antes de la rectificación y el filtrado y además están provistas de circuitos
reguladores cuya función es evitar las fluctuaciones en los voltajes de C.C. y
mantener una tensión de continua constante necesaria para el correcto
funcionamiento de los aparatos electrónicos que pretendemos alimentar.
En la figura se representa el esquema de bloques de una fuente de alimentación
con sus sucesivas etapas.
Figura 7.1. Etapas de una fuente de alimentación.
El transformador reduce el voltaje de la red y aísla el circuito.
El rectificador convierte el voltaje alterno senoidal a otro no alterno pulsatorio.
El filtro deja pasar la componente continua y frena la alterna, atenuando las
ondulaciones.
La regulación o estabilización nos permite obtener a la salida una menor variación
de voltaje que a la entrada, tiene una realimentación de la salida (se toma una
muestra de esta), que se compara con una señal de referencia a fin de corregir
automáticamente las posibles variaciones en la salida.
A continuación estudiaremos en detalle cada una de estas por separado.
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7.1.1. El transformador
En España, las compañías eléctricas proporcionan una tensión de red nominal de
220 V eficaces a una frecuencia de 50 Hz. En realidad la tensión real de un enchufe
eléctrico varía algo por encima o por debajo del valor de 220 V, dependiendo de la
hora, la localidad y de otros factores. Esta tensión de red es demasiado elevada
para la mayor parte de los dispositivos que se utilizan en circuitos electrónicos por
lo que generalmente deberemos emplear un transformador en casi todos ellos. Este
transformador tiene pues por misión reducir la tensión a niveles inferiores, más
adecuados para el uso en diodos, transistores y otros dispositivos electrónicos.
Los transformadores sólo pueden utilizarse con corriente alterna o continua
variable, pues están basados en la tensión inducida que se genera en una bobina
cuando se la somete a variaciones de flujo magnético generado por una corriente
alterna que circula por otra bobina.
Los transformadores están formados por dos bobinas de hilo con distinto número de
espiras, enrolladas sobre un núcleo de hierro.
Figura 7.2. Transformador elevador y reductor.
La bobina a la que se suministra la tensión se denomina primario, y a la que nos da
la tensión transformada se le llama secundario. Si el devanado primario tiene mayor
número de espiras que el secundario, se trata de un transformador reductor, si por
el contrario es el secundario el que tiene mayor número de espiras (caso de la
bobina de encendido), se trata de un transformador elevador.
Es frecuente en muchos transformadores que estén dotados de varios
arrollamientos secundarios, independientes o no entre sí, de forma que se pueden
obtener distintas tensiones de salida.
Figura 7.3. Transformadores con varias salidas.
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En el primer símbolo aparece un transformador con un sólo devanado y varias
salidas, de forma que habrá un punto común para todos (0), y cada uno de los
demás puntos en relación a éste tendrán diferentes tensiones, 6 – 9 - 12 - 18V.
También podemos ir combinando entre las demás salidas, obteniendo otros
valores: entre 0 y 12, tendremos 6V; entre 6 y 12, obtendremos 9V; entre 9 y 18,
tendremos 12V; y así sucesivamente.
El segundo símbolo muestra un transformador con dos devanados independientes, de
forma que cada uno nos dará una tensión diferente en función del número de espiras. En
el primero tendremos 6V, y en el segundo 24V.
El tercer símbolo tiene un solo devanado secundario, con una salida intermedia, de
forma que entre el central y cada uno de los extremos, tendremos la misma tensión,
12V, y entre los extremos tendremos la suma de las dos tensiones, 24V.
Existe otra posibilidad, también bastante empleada, que consiste en una toma
intermedia en el primario, esto permite la conexión del transformador a dos
tensiones de entrada diferentes, por ejemplo (125/220).
Figura 7.4. Transformador con dos entradas de tensión.
Una variante de los transformadores son los autotransformadores. La diferencia
entre ambos radica en que el transformador tiene el devanado primario aislado
completamente del secundario. Los autotransformadores poseen un devanado
único, del que se derivan las conexiones para el primario y secundario. Se emplean
para potencias bajas, también pueden emplearse como elevadores o reductores de
tensión.
Figura 7.5. Autotransformador.
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7.1.1.1. Relación de transformación
La relación de transformación en un transformador está en función de la tensión
aplicada al primario y del número de espiras de ambas bobinas, cumpliéndose:
V2 = (N2/N1) . V1
Donde:
N1 y N2 el número de espiras del primario y el secundario respectivamente y V1 y V2
las tensiones del primario y secundario respectivamente.
Esta relación nos dice que la tensión en el secundario es igual a la tensión en el
primario multiplicada por la inversa de la relación de espiras.
En la realidad esta relación se cumple solo en los transformadores ideales. Los
transformadores que compramos en una tienda no son ideales, ya que sus
arrollamientos tienen resistencias que producen pérdidas de potencia. Como
consecuencia de estas pérdidas no deseadas de potencia, la relación de espiras es
solamente una aproximación del caso real. A modo de ejemplo citaremos que para
el transformador F-25 X 115/12 V, para una tensión alterna en el primario de 115 V
la tensión alterna en el secundario no es 12 V como cabría esperar sino que varía
en función de la corriente en el secundario. Cuando esta es de 1,5 A la tensión
alterna en el secundario es de 12,6 V y si la corriente en el secundario es menor de
1,5 A la tensión alterna en el secundario será mayor de 12,6 V ya que las pérdidas
de potencia en el arrollamiento y en el núcleo laminado serán menores.
7.1.1.2. Características técnicas de los transformadores
Potencia nominal
Es la que se obtiene en el secundario continuamente sin que se produzcan
calentamientos excesivos. Se expresa en VA (voltamperios). Si tiene varias salidas,
será la suma de la potencia de todas ellas.
No hay que confundir los VA con Watios, que es la unidad de potencia activa. La
relación que existe entre ellos es la siguiente:
cos = W/VA
Pérdidas de potencia
Están determinadas por las pérdidas en vacío más las pérdidas en carga. Las
pérdidas en vacío se producen por la histéresis y las corrientes de Foucault, y
también por el efecto Joule en el devanado primario.
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Rendimiento
Como en cualquier otro aparato eléctrico, es la relación existente entre la potencia
cedida al aparato consumidor y la potencia absorbida a la red.
= Potencia cedida al consumidor/Potencia absorbida
Tensión primaria y secundaria
El arrollamiento primario debe estar adecuado a la tensión y frecuencia de entrada.
La tensión secundaria es la que se obtiene en los bornes cuando éste está
trabajando a plena carga; en vacío la tensión es ligeramente superior.
Para que se realice la transformación de corriente, bien elevándola o bien
reduciéndola, es necesario que se produzcan variaciones de campo magnético,
cosa que con la corriente alterna es fácilmente viable, puesto que su polaridad está
cambiando continuamente. Pero en corriente continua no es así, el campo
magnético generado sería constante, con lo que no se produciría la inducción de
corriente, por ello es necesario disponer de algún sistema que interrumpa el paso
de corriente, para que se pueda crear dicha variación de campo magnético
(aparición - desaparición).
7.1.2. El rectificador
El voltaje a la salida del transformador es alterno senoidal, y si conectamos una
resistencia, por esta circulará una intensidad bidireccional. Como lo que
pretendemos con la fuente de alimentación es obtener una intensidad continua, a la
salida de este primer bloque tendremos un voltaje no alterno, y por lo tanto una
intensidad unidireccional.
No podemos considerar un voltaje como el de la salida del rectificador
verdaderamente continuo (una línea recta en la representación gráfica), por lo que
deberemos establecer unos parámetros para determinar la calidad de esta, es decir
una relación entre el valor continuo (que nos interesa sea elevado) y el valor de las
ondulaciones (que nos interesa sea lo menor posible). Estos parámetros son:
1. Factor de forma: es la relación entre el valor eficaz de toda la señal y el valor
medio (de continua):
efF
med
V = f
V
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2. Factor de rizado o rizado: es la relación entre el valor eficaz de la componente
de la ondulación únicamente, y el valor medio (de continua):
2ef
F
med
(ondulaci on)Vr = = -1f
v
Para una onda continua pura, el factor de forma es uno, y el rizado cero, para
una onda senoidal, el factor de forma y el rizado son infinitos.
3. Rendimiento: es la relación entre la potencia de continua que se aplica a la
carga y la potencia total cedida por la fuente.
med med
ef ef
.V Iη =
.V I
Siempre es menor que la unidad, y se suele expresar en valor porcentual (%).
Los rectificadores se encuentran en todas las fuentes de alimentación y su función
es convertir un voltaje de C.A. en voltaje de C.C. Se trata de convertir una señal
alterna de dos polaridades en una señal continua de una única polaridad
Para ello utilizaremos los diodos, dispositivos semiconductores vistos en una unidad
anterior, debido a su capacidad para conducir corriente en una dirección e impedir
el paso de corriente en la dirección opuesta.
Estudiaremos a continuación los tres tipos de rectificadores más difundidos: el
rectificador de media onda, el rectificador de onda completa y el puente rectificador.
7.1.2.1. Rectificador de media onda
La figura 7.6 muestra un circuito rectificador de media onda. El primario del
transformador está conectado a la red y en el secundario del transformador
tenemos una tensión alterna senoidal ve. Este secundario está conectado a una
resistencia a través de un diodo. Analizaremos a continuación lo que sucede
durante un ciclo del voltaje de entrada de red con el voltaje de salida vs en la carga.
Figura 7.6. Rectificador de media onda.
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Si suponemos un diodo ideal, en la mitad positiva del ciclo de la tensión de red el
diodo se encuentra polarizado en directa y está conduciendo por lo que el valor de
la tensión en la carga vs coincide con el valor de la tensión en el secundario del
trafo ve.
Por otra parte en la mitad negativa del ciclo de la tensión de red el diodo está
polarizado en inversa y no está conduciendo. Al estar el diodo en corte la intensidad
que circula es nula y por la tanto la tensión en la carga también, es decir vs=0.
En el rectificador de media onda tenemos pues que el diodo está conduciendo
durante las mitades positivas de los ciclos pero no está en conducción en las
mitades negativas. A causa de esto, este circuito recorta las mitades de los ciclos
como se puede apreciar en la figura 7.7.
Figura 7.7. Formas de onda en el circuito rectificador de media onda.
Una forma de onda como esta recibe el nombre de señal de media onda. Esta
tensión de media onda hace que por la carga circule una corriente unidireccional, es
decir, que la corriente sólo circula en una dirección.
Si Vp(out) y Vp(in) son respectivamente los valores de la tensión de salida y de
entrada de pico respectivamente, en el rectificador de media onda ideal se verificará
que:
Vp(out) = Vp(in)
Valor de continua de la señal de media onda
El valor de continua de una señal coincide con su valor medio. Si con un voltímetro
de continua midiésemos una señal, la lectura que obtendríamos sería igual al valor
medio.
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Aunque no lo vamos a deducir para una señal de media onda sería:
Vdc = Vp/
Tomando aproximadamente 1/ 0,318 tendremos que:
Vdc 0,318 Vp
El valor de continua o medio de una señal de media onda será aproximadamente
igual al 31,8 por ciento del valor de pico. Por ejemplo, si la tensión de pico de la
señal de media onda fuera de 100 V, la tensión continua valdría 31,8 V
aproximadamente.
Frecuencia de salida
La frecuencia de salida es la misma que la frecuencia de entrada ya que si
observamos la figura 7.7 vemos que cada ciclo de la tensión de entrada produce un
ciclo de la tensión de salida. Por lo tanto para el rectificador de media onda se
cumple que:
fout = fin
Una desventaja del rectificador de media onda utilizado en una fuente de
alimentación es que el flujo de corriente en el secundario del transformador siempre
se efectúa en la misma dirección. Debido a esto se produce una elevada saturación
en el núcleo de hierro del transformador con lo cual se reduce la eficiencia de este.
Pero probablemente la mayor desventaja que tenga un rectificador de media onda
sea que su salida dista mucho de ser un voltaje de CC perfecto. Esto se debe a que
los pulsos de salida están separados por períodos relativamente largos en los que
el voltaje es nulo.
Por último señalaremos que si queremos hacer que el rectificador invierta los
semiciclos negativos de la onda de entrada convirtiéndolos en positivos y que
durante los semiciclos negativos obtengamos valores nulos de tensión a la salida
de este bastará con invertir las conexiones del diodo rectificador.
El rectificador de media onda produce una salida
únicamente durante los semiciclos positivos o negativos
(según la colocación del diodo) de la señal de entrada.
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7.1.2.2. Rectificador de onda completa
Las desventajas que tiene el rectificador de media onda se pueden superar
utilizando un dispositivo llamado rectificador de onda completa. En este tipo de
rectificadores hay dos diodos conectados de tal manera que cada uno de ellos
conduce durante los semiciclos alternados de la señal alterna de entrada. Los dos
diodos tienen una carga común y a través de esta el flujo de corriente siempre tiene
la misma dirección.
En la figura 7.8 se muestra un rectificador de onda completa. Podemos ver como en
el arrollamiento secundario tenemos una derivación central. La resistencia de carga
está conectada entre los cátodos de ambos diodos y dicha derivación. La señal de
entrada se acopla a través del transformador al secundario con derivación central.
La mitad del voltaje del secundario total aparece entre el punto de derivación central
y cada extremo del devanado secundario si los devanados primario y secundario
tienen el mismo número de espiras.
Figura 7.8. Rectificador de onda completa.
Debido a la derivación central este circuito es equivalente a dos rectificadores de
media onda donde cada uno de estos rectificadores tiene una tensión de entrada
igual a la mitad de la tensión del primario.
Durante el semiciclo positivo D1 está polarizado en directa y D2 en inversa por lo
tanto D1 está en conducción y D2 en corte. La tensión en la carga coincide con ve1.
Por el contrario durante el semiciclo negativo D1 está polarizado en inversa y por lo
tanto está en corte mientras que D2 se encuentra polarizado en directa y conduce.
La tensión en la carga coincide con –ve2.
Las formas de onda de entrada y salida de un rectificador de onda completa las
podemos ver en la figura 7.9.
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Figura 7.9. Formas de onda resultantes de un rectificador de onda completa.
Durante ambos semiciclos, la tensión en la carga tiene la misma polaridad y la
corriente que circula por esta lo hace siempre en la misma dirección. El circuito se
denomina rectificador de onda completa porque se ha cambiado la tensión alterna
de entrada a una tensión de salida pulsante continua que tiene la misma forma que
la corriente pulsante continua mostrada en la figura anterior.
Debemos apreciar que la tensión de pico en la carga será la mitad de la tensión de
pico del primario del transformador ya que se verifica que Vpe1 = Vpe2 = Vp/2, si la
relación de transformación es 1:1.
Valor de continua de la señal de onda completa
La señal de onda completa tiene el doble de ciclos positivos que la señal de media
onda, por lo tanto el valor de continua o valor medio también será el doble y vendrá
dado por:
Vdc = 2 VPe1 / = 2 Vpe2/
Como 2/ 0,636 tendremos que:
Vdc 0,636 Vpe1
Por lo tanto el valor de continua o valor medio es igual al 63,6 por 100 del valor de
pico. Por ejemplo, si la tensión de pico de la señal de onda completa fuera de 100
V, el valor de continua seria 63,6 V.
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Frecuencia de salida
En un rectificador de media onda vimos que la frecuencia de salida era igual a la de
entrada. En un rectificador de onda completa sucede algo inusual.
La tensión de una línea de alterna tiene una frecuencia de 50 Hz. Por lo tanto el
período en la entrada es igual a:
Tin = 1/f = 1/50 = 20 ms
Debido a la rectificación de onda completa, el período de la señal de onda completa
será la mitad que el de la onda de entrada:
Tout = 0.5 * 20 ms = 10 ms
Y por lo tanto la frecuencia de salida será:
fout = 1/Tout = 1/10 ms = 100 Hz
La frecuencia de una señal de onda completa es pues el doble de la frecuencia de
entrada. Esto tiene sentido ya que una salida de onda completa tiene el doble de
ciclos que una entrada senoidal. El rectificador de onda completa invierte los
semiciclos negativos, obteniéndose de este modo el doble de semiciclos positivos.
El efecto de todo esto es que la frecuencia se duplica.
El rectificador de onda completa produce salida de una
única polaridad durante los semiciclos positivos y
negativos de la señal de entrada.
7.1.2.3. El puente rectificador
El rectificador de onda completa presenta la desventaja de que la tensión del
secundario no se usa en su totalidad recayendo sobre la carga la mitad de esta.
Para solventar este pequeño inconveniente utilizaremos los puentes rectificadores.
La figura 7.10 muestra un puente rectificador. Este tipo de rectificador usa cuatro
diodos.
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Figura 7.10. Puente rectificador.
En el semiciclo de entrada positivo los diodos D1 y D4 están polarizados en directa
y por lo tanto conducen la corriente. La tensión en la carga coincide con la tensión
en el secundario del transformador, es decir vs=ve. Los diodos D2 y D3 están
polarizados en inversa y por la tanto en corte. Cuando el ciclo de la tensión de
entrada al puente de diodos (tensión del secundario del transformador) es negativo
los diodos D2 y D3 están polarizados en directa y conducen la corriente eléctrica en
el sentido contrario al de las agujas del reloj. La tensión en la carga en este caso es
la tensión del secundario del transformador pero cambiada de signo, es decir vs=-ve.
Los diodos D1 y D4 están polarizados en inversa y por lo tanto en corte.
Durante ambas mitades de los ciclos, la tensión en la carga tiene la misma
polaridad y la corriente por la carga circula en la misma dirección. Como resultado
de esto en la resistencia de carga aparece un voltaje de salida rectificado de onda
completa que podemos ver en la figura 7.11.
Figura 7.11. Formas de onda resultantes de un puente rectificador.
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Valor medio y frecuencia de salida
Como un puente rectificador produce una salida de onda completa, las ecuaciones
para el valor medio y la frecuencia de salida coinciden con las del rectificador de
onda completa:
Vdc = 2Vp/
fout = 2fin
El valor medio es el 63,5 por 100 del valor de pico, y la frecuencia de salida es 100
Hz, para la frecuencia de 50 Hz de la red europea.
Una de las ventajas del puente rectificador es que toda la tensión del secundario se
utiliza como entrada al rectificador a diferencia del rectificador de onda completa en
el que solamente se usaba la mitad de la tensión del secundario. Dado el mismo
transformador, obtenemos el doble de la tensión de pico y el doble de la tensión
continua con un puente de diodos respecto a un rectificador de onda completa.
Duplicar la tensión de salida continua compensa sobradamente el hecho de tener
que utilizar dos diodos más. Por esta razón principalmente se utiliza muchas más
veces el puente rectificador que el rectificador de onda completa.
7.1.3. El filtrado
Como se ha visto, el voltaje obtenido tras el rectificador no es alterno, pero sufre
variaciones a lo largo del tiempo. Necesitamos alisar esas ondulaciones para que
se parezca lo más posible a una línea recta.
El voltaje pulsatorio a la salida de un rectificador, se podría descomponer en una
componente continua y una componente alterna (armónicos), y la función del filtro
será hacer que el valor de esa componente alterna sea lo menor posible,
reduciendo el rizado.
Los filtros utilizados en las fuentes de alimentación, están constituidos por
componentes pasivos, y básicamente tenemos el filtro por condensador
(condensador en paralelo con la carga), y filtro por bobina (bobina en serie con la
carga), pudiendo combinarse ambos.
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El objetivo pues de la etapa de filtrado en una fuente de
alimentación es reducir las fluctuaciones del voltaje de
salida de la etapa de rectificación y producir un nivel de
voltaje DC casi constante.
7.1.3.1. Filtro por condensador
Este filtro lo constituye un condensador colocado en paralelo a la salida de la etapa
de rectificado como se ve en la figura 7.12.
Figura 7.12. Filtro por condensador.
7.1.3.1.1. Filtrado por condensador a la salida de un rectificador de media onda
Una señal de media onda como la de la figura 7.7 es una tensión continua pulsante
que se incrementa a un máximo (voltaje de pico) y decrece a cero durante el
semiciclo positivo, y posteriormente permanece en cero durante el semiciclo
negativo.
Este tipo de tensión continua no se puede utilizar en los equipos electrónicos. Para
que estos aparatos funcionen correctamente necesitamos una tensión constante
similar a la que se obtiene por ejemplo de una batería. Para obtener este tipo de
tensión necesitamos filtrar la señal rectificada que obtenemos de la etapa anterior.
La forma más sencilla de hacer esto es utilizando condensadores aprovechando
sus propiedades de carga y descarga.
Para entender un filtro por condensador colocado a la salida de un rectificador de
media onda debemos comprender lo que hace este circuito durante el primer cuarto
de ciclo.
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Inicialmente supondremos el condensador descargado y por lo tanto la tensión en
este es nula. Durante la primera mitad del semiciclo positivo de la entrada ve el
diodo está polarizado en directa y por lo tanto conduce. Si suponemos que se trata
de un diodo ideal, el condensador se va cargando y su tensión en todo momento
(siempre dentro de la mitad del semiciclo positivo) es igual a la tensión del
secundario del trafo. La carga del condensador continúa hasta que la entrada
alcanza su máximo valor. En este punto, la tensión del condensador es igual a Vp,
tensión de pico del secundario del trafo. Después de que la tensión de entrada
alcanza su valor pico, empieza a decrecer (entramos en la segunda mitad del
semiciclo positivo). La tensión en el condensador mientras tanto continúa siendo Vp.
Tan pronto como la tensión del secundario del trafo sea menor que Vp, el cátodo del
diodo se encontrará a mayor potencial que el ánodo, y el diodo se polarizará en
inversa con lo cual dejará de conducir. Lo que sucede es que el condensador se
descarga a través de la resistencia de carga, a una razón determinada por la
constante de tiempo RLC del circuito de descarga. Cuanto mayor sea la constante
de tiempo, menor será la descarga del condensador. La descarga continua hasta
que el voltaje de entrada es mayor que el voltaje del condensador momento en el
cual el diodo vuelve a polarizarse en directa y conduce de nuevo con lo cual el
condensador se vuelve a cargar hasta el valor Vp.
En la figura 7.13 se ilustra la forma de onda resultante tras el filtrado.
Figura 7.13. Salida resultante con un filtro con condensador a la entrada con carga.
En resumen el condensador se carga del rectificador durante un tiempo T1 hasta
alcanzar el valor máximo, y se descarga durante un tiempo T2 sobre la resistencia
de carga RL, con lo que las variaciones son menos bruscas. Estas variaciones
serán tanto menores cuanto menos se descargue el condensador sobre la carga, es
decir, mientras la constante de tiempo RLC sea mucho mayor que el período, el
condensador permanecerá casi totalmente cargado y la tensión en la carga será
aproximadamente igual a Vp. Si consideramos el caso extremo sin carga
(resistencia RL infinita), el condensador se cargaría en el primer ciclo y ya no se
descargaría, permaneciendo el voltaje en la salida del filtro constante e igual al
valor máximo.
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Entre picos el diodo no conduce y el condensador se
descarga a través de la resistencia, es decir, el
condensador suministra la corriente de carga. Como el
condensador se descarga solo ligeramente entre picos,
cuando llega el siguiente pico, el diodo conduce
brevemente y vuelve a recargar el condensador al valor de
pico nuevamente.
Voltaje de rizo
Como vimos anteriormente, el condensador se carga rápidamente al principio de un
ciclo y se descarga lentamente después del pico positivo (cuando el diodo está
polarizado en inversa y no conduce). La variación en el voltaje de salida, debida a la
carga y descarga, se llama voltaje de rizo. Cuanto menor sea el valor de pico a pico
de este rizado, mejor será la acción del filtrado, es decir, más se aproximará la
salida a una tensión continua perfecta.
Podemos obtener una estimación del rizado de pico a pico de cualquier filtro con
condensador a la entrada utilizando la fórmula:
VR = i/fC
Donde:
VR Tensión de rizado de pico a pico
i Corriente por la carga en continua
F Frecuencia
C capacidad
Figura 7.14. Tensión de rizado de pico a pico.
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Por ejemplo si la corriente por la carga en continua es de 10 mA y la capacidad es
de 100 F, el rizado con un rectificador de media onda y un filtro con condensador
será de:
VR = 10 mA/((50 Hz).(100 F)) = 2 V pico a pico
Gráficamente el rizado, también llamado voltaje de pico a pico, es el valor de la
diferencia de tensión entre el voltaje de pico y el punto en el cual la curva de
descarga del condensador intersecta a la curva del voltaje a la entrada del filtro, que
es la señal de tensión que obtenemos en este caso a la salida del rectificador de
media onda.
7.1.3.1.2. Filtrado por condensador colocado a la salida de un rectificador de onda completa
Razonando de la misma forma que hemos hecho para el caso del filtrado por
condensador colocado a la salida de un rectificador de media onda tendríamos que
la tensión de salida resultante si colocáramos un condensador en paralelo a la
salida de un rectificador de onda completa o de un rectificador en puente de diodos
sería similar a la de la figura 7.15.
Figura 7.15. Forma de onda resultante el en el filtrado por condensador a la salida de un
rectificador de onda completa.
Debes darte cuenta que para una frecuencia de entrada dada al ser la frecuencia
de salida de un rectificador de onda completa el doble que la frecuencia de uno de
media onda, se facilitará más el proceso de filtrado de un rectificador o onda
completa. Una vez filtrado, el voltaje rectificado de onda completa tiene menos rizo
que el de la señal de media onda, para los mismos valores de resistencia y
condensador. Lo anterior se debe a que el condensador se descarga menos
durante el intervalo más corto entre semiciclos de onda completa tal y como se
ilustra en la figura anterior.
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7.1.3.2. Filtro por bobina
Consiste en una bobina colocada en serie entre el rectificador y la carga tal y como
se ve en la figura 7.16.
La bobina hace de amortiguador de las variaciones de intensidad, como el
condensador lo hacia con las variaciones de voltaje. Esta, absorbe energía en
forma de campo magnético, cuando la intensidad es mayor que el valor medio, y la
devuelve cuando es menor.
Figura 7.16. Filtro por bobina.
Al contrario que el condensador, la bobina aumenta su impedancia al aumentar la
frecuencia, por lo que dejará pasar la continua y no la alterna.
Igual que el filtro por condensador, interesa que el coeficiente de autoinducción de
la bobina L, sea elevado, pero por contra, interesa que la intensidad sea elevada
(RL pequeña).
Por lo tanto la utilización del filtro por bobina será en circuitos de elevada potencia,
dejándose el uso del filtro por condensador para los de baja potencia.
En ocasiones la propia carga es inductiva y hace de filtro, como ocurre en los
motores, que filtran ellos mismos su propia alimentación.
Electrónica Analógica
Fuentes de alimentación 23
07
7.1.3.3. Filtro LC y
El filtro LC es una combinación de los dos anteriores, para utilizar las propiedades
de ambos tipos de filtros. El filtro en π esta formado por dos condensadores y una
bobina, tal y como se ve en la figura 7.17.
Figura 7.17. Filtro en .
Para cargas pequeñas se puede sustituir la bobina por una resistencia, con lo que
se reduce el tamaño y el coste. A la salida del filtro, se obtiene muy poco rizado, no
obstante, para reducirlo aun más, se pueden colocar sucesivas unidades LC
seguidas.
7.1.3.4. Estabilización
Una fuente de alimentación que conste únicamente de una etapa rectificadora y de
una etapa de filtrado, es de poca calidad, y no tiene en cuenta las variaciones del
voltaje de la red, de la carga ni de la temperatura.
Por lo tanto necesitamos un circuito estabilizador que actúe ante esas posibles
fluctuaciones, y nos de una variación de voltaje a la salida menor que a la entrada.
La estabilización se puede realizar con un diodo zener, o con un zener y un
transistor.
Antes de ver como se realizan estos tipos de estabilizaciones veremos que es un
diodo zener y como funciona.
7.1.3.5. El diodo zener
Los diodos rectificadores y los diodos para pequeña señal vistos en unidades
anteriores nunca se emplean intencionadamente en la zona de ruptura, ya que esto
podría dañarlos. Un diodo zener es distinto; se trata de un diodo de silicio que está
diseñado especialmente para trabajar en la zona de ruptura.
Formación Abierta
Fuentes de alimentación 24
El voltaje de ruptura de un diodo zener se establece controlando cuidadosamente el
nivel de dopado durante su fabricación.
En la figura 7.18 se muestra el símbolo y la curva característica ideal de
funcionamiento de un diodo zener.
V
I
-Vz
-Izt
-Izm
Figura 7.18. Símbolo y curva característica de un diodo zener.
En la zona directa (V > 0) el diodo se comporta igual que un diodo normal de silicio,
es decir como un interruptor cerrado si lo suponemos ideal.
En la zona de fugas, -Vz < V < 0, (entre cero y la zona zener) circula solamente una
pequeña corriente inversa que se puede considerar nula en el caso ideal que es el
que nos ocupa. En un diodo zener la ruptura tiene un codo muy pronunciado,
seguido de un aumento casi vertical en la corriente. Observe que la tensión es casi
constante, aproximadamente igual a Vz en la mayor parte de la zona de ruptura (si
V<-Vz), es decir con tensiones superiores a la de ruptura el diodo prácticamente
mantiene entre sus terminales una tensión constante de valor Vz. En las hojas de
características de un diodo zener es frecuente que se indique el valor de Vz, para
un valor particular de la corriente Izt.
La figura también muestra la máxima corriente inversa Izm. Mientras la corriente
inversa sea menor que Izm, el diodo estará funcionando dentro de su zona de
seguridad. Si la corriente es mayor que Izm, el diodo se destruirá. Para prevenir un
exceso de corriente inversa y que el diodo se destruya deberemos colocar antes de
este siempre una resistencia limitadora de corriente.
7.1.3.6. Estabilización con diodo zener
Como ha visto en el punto anterior, un diodo zener tiene la particularidad de
mantener un voltaje muy estable entre sus extremos (voltaje de zener), cuando por
el circula una intensidad inferior a Izm en sentido inverso.
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07
La curva característica era prácticamente una recta casi perpendicular al eje
horizontal entre 0 y la Izm.
En la siguiente figura vemos la aproximación ideal para un diodo zener trabajando
en la zona de ruptura.
Vz
Figura 7.19. Aproximación ideal de un diodo zener en su zona de ruptura.
Podemos pues aprovechar esta característica, utilizando un montaje como el de la
figura 7.20. El voltaje de entrada identificado aquí como Ve será obviamente el
voltaje obtenido a la salida de la etapa de filtrado. Debes tener en cuenta que para
que el diodo trabaje en la zona zener el voltaje Ve debe ser mayor que la tensión de
ruptura Vz del diodo zener.
El proceso de estabilización frente a variaciones del voltaje de entrada Ve, es el
siguiente:
Si Ve aumenta Vs aumenta Vz aumenta Iz aumenta mucho I
aumentará RI aumenta Vs disminuye.
El proceso es muy rápido, por lo que Vs permanece constante a pesar del
aumento de Ve. De igual manera pero al contrario, sucedería si Ve
disminuyera.
Figura 7.20. Circuito estabilizador con zener.
El proceso de estabilización frente a variaciones de la carga RL, seria el siguiente:
Si RL disminuye Vs disminuye Vz tambien Iz disminuye mucho
I disminuye RI disminuye Vs aumenta.
El razonamiento sería similar si en lugar de disminuir RL aumentara.
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Para realizar el diseño del anterior circuito estabilizador, necesitaremos tener los
siguientes datos:
Voltaje de entrada Ve y su margen de variación (límites o valor porcentual).
Voltaje de salida Vs, que al ser el mismo que Vz, nos indicará el voltaje de
tensión inversa del zener.
Resistencia de carga RL y su margen de variación (límites o valor
porcentual).
Las características del zener.
Con estos datos determinaré las características de la resistencia R, siempre que
sea posible, según los anteriores datos.
e s z s s
e s
z s
= R .I + = R .( + ) + V V I I V
- V VR =
+ I I
Esto en el caso de que fueran constantes Ve e Is, que como hemos visto no tienen
por qué serlo. Por lo tanto tenemos que considerar que habrá un valor máximo y
mínimo de Ve, Is, e Iz, y tendremos que considerar igualmente las condiciones más
desfavorables:
Cuando el voltaje de entrada Ve sea máximo y la intensidad por la carga Is
mínima, la resistencia R debe ser tal que impida que por el diodo zener
circule más intensidad que la Izm, ya que de lo contrario el zener se
quemaría:
e max smin
s minzm
- V V = R
I + I
Este valor de la resistencia R será el mínimo posible para que el zener no se
deteriore.
Cuando el voltaje de entrada Ve sea mínimo y la intensidad por la carga Is
máxima, la resistencia R debe ser tal que permita que por el diodo zener
circule por lo menos una corriente igual a la Izmin, ya que de lo contrario
estaríamos trabajando antes del codo de la curva característica, y el zener
no tendría entre sus extremos el voltaje de zener:
e min smax
z min s max
- V V = R
+ I I
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Este valor de la resistencia R será el máximo posible para que el zener trabaje
correctamente. El valor final de R será el comprendido entre ambos, es decir mayor
que la Rmin y menor que la Rmax, y que este normalizado.
Hay que considerar que se ha tenido en cuenta todas las posibles variaciones, pero
puede suceder que por ejemplo la carga RL permanezca constante, con lo que en
las anteriores ecuaciones solo tendríamos un valor de Is.
En algún diseño puede suceder que el valor de la resistencia Rmax sea menor que
el de la Rmin, lo que implica la imposibilidad de realizar el diseño, a no ser que se
cambie alguna condición de diseño.
Los inconvenientes de este montaje, son por un lado que no es valido para grandes
variaciones de Ve y de Is, y por otro que el zener es muy sensible a la temperatura.
Esto último se puede subsanar utilizando zener especiales con bajo coeficiente de
temperatura, o colocando otro diodo o un transistor con coeficiente de temperatura
opuesto para compensar.
7.1.3.7. Estabilización con diodos zener y transistor
El transistor, como se vio en una unidad anterior es un dispositivo semiconductor
con tres terminales (B=base, E=emisor y C=colector), de manera que mediante el
terminal de base se puede controlar la intensidad que circula por los otros dos.
Un estabilizador con zener y transistor, puede estar montado en paralelo con la
carga (o en serie).
Figura 7.21. Circuito estabilizador con zener y transistor en paralelo.
Este montaje paralelo se utiliza poco, la variación de intensidad por el zener,
controla al transistor y por tanto hay mayor posibilidad de variaciones de Ve e Is. El
voltaje de salida Vs es igual al del zener mas el voltaje entre terminales base-
emisor (0,7v).
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El montaje serie de la figura 7.22 es el que mas se utiliza, la intensidad por la carga
la suministra el transistor. En algunos montajes se sustituye la resistencia por una
fuente de corriente constante.
Figura 7.22. Circuito estabilizador con zener y transistor en paralelo.
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7.2. Reguladores integrados
En las fuentes de alimentación reguladas, se trabaja con realimentación, esto es, se
toma una muestra del voltaje de salida y se compara con un voltaje de referencia
muy estable, teniendo como resultado de la comparación una señal que controlará
automáticamente la fuente.
De manera automática regulará (cambiará algún parámetro) para obtener a la
salida el mismo voltaje
En estas fuentes, se suele disponer de un potenciómetro mediante el cual es
posible variar el voltaje de salida dentro de unos márgenes, a voluntad. Son las
fuentes reguladas variables o ajustables, en las que una vez seleccionado el
voltaje, este permanece muy estable.
Dada la mayor complejidad de este tipo de fuentes, no se estudiaran en esta
asignatura.
No obstante, debido al abaratamiento en los procesos de integración actualmente
se puede disponer de todos o casi todos los componentes necesarios,
interconectados y encapsulados en un solo circuito integrado.
En el circuito integrado, tendremos acceso mediante sus patillas a las entradas y
salidas del circuito, además de aquellas patillas en las que se coloquen
componentes difícilmente integrables como condensadores o en las que se
coloquen resistencias según el diseño.
Dada la gran variedad de circuitos reguladores integrados, podríamos agruparlos
en:
Los que dan una baja intensidad de salida
Son aquellos que proporcionan a la carga menos de 0,5 A, y que por lo tanto para
suministrar más intensidad deben asociarse a algún dispositivo de potencia como
un transistor.
Los que dan una intensidad media o alta
Estos reguladores integrados proporcionan más de 0,5 A, y pueden algunos
modelos suministrar hasta 10 A. Van montados en un encapsulado especial (TO3,
TO220) que permite unirlos a un disipador para eliminar el calor producido en ellos.
En cualquiera de estos dos grupos tendríamos la siguiente subclasificación:
De voltaje positivo:
Fijo (también se puede tener un margen de voltajes con montajes
especiales).
Variable.
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De voltaje negativo:
Fijo. (también se puede tener un margen de voltajes con montajes
especiales).
Variable.
7.2.1. Reguladores comerciales
Nombraremos a continuación las principales familias de reguladores comerciales.
Reguladores de voltaje positivo fijo
El LM 109 con voltaje de salida de 5 V e intensidad de 0,2 A. La familia LM 78LXX
con encapsulado TO220 o TO03 de 3 patillas, para un voltaje según la referencia
XX y una intensidad de hasta 1,5 A.
El LM 323 con voltaje de salida de 5 V e intensidad de 3A, y el LM 309 que para el
mismo voltaje proporciona hasta 1,5 A.
Reguladores de voltaje positivo variables
Los LM 105, LM 205, LM 305 y LM 376 con voltaje de salida variable entre 4,5 y 40
V e intensidad de salida de 45 mA con encapsulado DIL 8 patillas, y el μA 723 con
un amplio margen de voltajes e intensidades según montaje, y encapsulado de 14
patillas.
Los LM 117, LM 217, LM 317 con voltaje de salida variable entre 1,2 y 37 V e
intensidad según modelo entre 0,5 y 1,5A.
Dentro de los mismos márgenes de voltaje tenemos el LM 350 para 3 A, el LM 338
para 5 A y el LM 396 para 10 A, todos ellos con encapsulado TO220 o TO3 de 3
patillas.
Otro modelo con 5 patillas y encapsulado TO220 o TO3 es el L 200 con voltaje de
salida variable entre 2,85 y 36 V e intensidad de 2A.
Con 4 patillas tenemos el μA 78HGA con voltaje de salida variable entre 5 y 24 V e
intensidad de 5A.
Reguladores de voltaje negativo fijos
El LM 320 con voltaje de salida de -5V e intensidad de 0,25A. La familia LM 79LXX
para un voltaje negativo según la referencia XX y una intensidad de hasta 1,5 A con
encapsulado TO220 o TO3 de 3 patillas.
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Reguladores de voltaje negativo variables
Los LM 137, LM 237, LM 337 con voltajes de salida variable entre -1,2 y –37 V e
intensidad según modelo entre 0,5 y 1,5A con encapsulado TO220 o TO3 de 3
patillas.
De todos los modelos anteriores, por su bajo coste, facilidad de montaje,
características (protección contra cortocircuitos, limitación térmica, etc.) y variedad
de fabricantes, se suele utilizar la familia 78XX para voltajes positivos y la 79XX
para negativos.
Un montaje típico con uno de estos reguladores integrados es el de la figura 7.23.
Tan solo necesitamos un condensador C1 (de unos 330 nF) entre la patilla de
entrada y el común, y otro condensador C2 (de unos 100 nF) entre la patilla de
salida y el común, ambos de pequeño valor, para eliminar transitorios que afecten
al regulador.
Figura 7.23. Circuito con regulador de la familia 78XX.
Hay que tener en cuenta que para un correcto funcionamiento de estos
reguladores, el voltaje a la entrada Ve debe ser por lo menos 3 V superior al de la
salida, y no mayor de 35 V que es el máximo voltaje aplicable a la entrada. Por
ejemplo un montaje con un 7805, que nos daría 5 V a la salida Vs, necesita un
voltaje a la entrada Ve mayor de 8 V y menor de 35 V.
También debemos considerar que incluso sin ninguna carga RL conectada, el
regulador consume una pequeña intensidad denominada intensidad de reposo, que
en esta familia vale 8 mA. Esta intensidad circulará por el terminal de entrada (VI) y
el común (GND), y es debida al consumo de los propios componentes de integrado.
Con un regulador del tipo 79XX obtendríamos una salida negativa (polaridad
contraria). En la práctica aunque sólo se utilizan estos reguladores de voltaje
negativo en fuentes de alimentación simétricas, junto con reguladores positivos.
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Fuentes de alimentación 32
Aunque tanto la familia de reguladores 78XX como la 79XX proporcionan voltajes
fijos de tensión, se pueden realizar montajes con ellos que permitan obtener una
salida variable, dentro de unos márgenes razonables. Un montaje de este tipo es el
de la figura 7.24.
Figura 7.24. Fuente de alimentación variable con un regulador fijo 78XX.
Se utiliza un potenciómetro o resistencia variable R2 para variar el voltaje de salida.
El voltaje en R1 es fijo y es el valor nominal Vn del regulador.
Tendríamos:
ns n Q R1 n Q
V = + R2( + ) = + R2( + )V V I I V I
R1
Si consideramos despreciable la caída de tensión producida por IQ, tendríamos:
s n n
R1+R2 R2 = ( ) = ( 1+ ) V V V
R1 R1
Con lo que podemos obtener un voltaje variable variando la resistencia R2.
Cuando un regulador de esta familia, no puede por si mismo suministrar la
intensidad que le pide la carga, se puede realizar un montaje como el de la figura
7.25, en el que el regulador es apoyado por el transistor T. El funcionamiento sería
el siguiente:
Cuando la carga pide poca intensidad, esta la suministra el regulador, pero cuando
el consumo es elevado, el transistor conduce y ayuda al regulador suministrando
intensidad.
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Figura 7.25. Fuente de alimentación con circuito integrado regulador y transistor.
Además de esta familia 78XX muy utilizada, se pueden realizar fuentes de
alimentación simples y de gran estabilidad con el regulador integrado 723.
Un montaje típico con este regulador es el de la figura 7.25. Cambiando los
componentes exteriores se puede obtener un amplio margen de voltajes e
intensidades.
Internamente dispone de un voltaje de referencia, y un transistor limitador.
Figura 7.26. Fuente de alimentación con un regulador integrado 723.
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Fuentes de alimentación 35
07
Resumen
Hemos estudiado las principales características de los transformadores y por
qué se utilizan en las fuentes de alimentación.
También hemos visto cuales son las etapas básicas de una fuente de
alimentación.
Estudiamos los distintos tipos de rectificaciones y sus formas de onda
resultantes sobre una entrada alterna senoidal.
Vimos las etapas de filtrado distinguiendo entre el filtrado por condensador, el
filtrado por bobina o una combinación de ambos.
Hemos visto como utilizar para estabilizar el voltaje de salida de una fuente de
alimentación un diodo zener o de un dido zener en combinación con un
transistor.
Finalmente hemos visto los circuitos integrados reguladores y las principales
familias que tenemos disponibles en el mercado.
