Tema4 falimentac

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1 María Jesús Martín Martínez : [email protected] TEMA 4. FUENTES DE TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACI ALIMENTACI Ó Ó N N IEEE 125 Aniversary: http://www.flickr.com/photos/ieee125/with/2809342254/ http://www.tech-faq.com/wp-content/uploads/images/integrated-circuit-layout.jpg

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1María Jesús Martín Martínez : [email protected]

TEMA 4. FUENTES DE TEMA 4. FUENTES DE

ALIMENTACIALIMENTACIÓÓNN

IEEE 125 Aniversary: http://www.flickr.com/photos/ieee125/with/2809342254/

http://www.tech-faq.com/wp-content/uploads/images/integrated-circuit-layout.jpg

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TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACITEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIÓÓNN

1.1. IntroducciIntroduccióónn

2.2. RectificaciRectificacióónn

3.3. FiltradoFiltrado

4.4. RegulaciRegulacióónn

5.5. Fuentes de alimentaciFuentes de alimentacióón conmutadasn conmutadas

6.6. Sistema de alimentaciSistema de alimentacióón n ininterrumpidaininterrumpida (SAI)(SAI)

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� Fuentes de alimentación: convierten tensión ac en tensión dc

� Fuente de alimentación: circuito que convierte la tensión alterna (red industrial) en una tensión prácticamente continua.

� Características y utilidad:

� Casi todos los circuitos electrónicos necesitan una fuente de alimentación continua.

� En sistemas portátiles (poca potencia) �batería

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION 4.1. INTRODUCCI4.1. INTRODUCCIÓÓNN

Tra

nsf

orm

ador

Rec

tifi

cador

Reg

ula

dor

FiltroSalida

(continua

Entrada

(alterna)

D. Pardo, et al. 1999

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� Bloques constituyentes: a grandes rasgos la fuente de alimentación regulada o estabilizadaconsta de tres bloques:

� Rectificador: Obtiene de la tensión alterna de la red industrial, una tensión unidireccional, variable en amplitud (pero no en sentido).

� Transformador

� Rectificador

� Bloque de filtrado: Consigue una reducción importante de la variación en amplitud de la tensión rectificada

� Desde el p.d.v. matemático: El FILTRO disminuye la amplitud los armónicos de la onda rectificada.

� Bloque estabilizador . La señal rectificada y filtrada va a depender de la tensión de entrada, de la carga que alimenta el circuito, y de sus variaciones.

� Este bloque trata de limitar al máximo estos efectos ���� MINIMIZARLOS

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION 4.1. INTRODUCCI4.1. INTRODUCCIÓÓNN

Además, debemos

proteger a la fuente de una

sobrecargaE. Mandado, et al. 1995

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c.a. V0

Primario Secundario

V=Vmáxsenω

Vi

� Bloque de Rectificación: formador por un transformador y un elemento rectificador

�Transformador:

� Adecua la tensión alterna a valores apropiados a la tensión de continua que se desea obtener al final de la fuente de alimentación:

� Aumenta o reduce la tensión de forma adecuada para nuestros propósitos

� Esta formado, básicamente por dos arrollamientos:

� Primario: nº de espiras n1

� Secundario: nº de espiras n2

� Dependiendo de n1, n2 Vo ≶≶≶≶ Vi

� La potencia es la misma (no se amplifica ni se reduce como

en divisores de tensión)

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION 4.2. RECTIFICACI4.2. RECTIFICACIÓÓNN

D. Pardo, et al. 1999

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Diodo

V ID

VD

Vγγγγ

Característica del Diodo

ID

ID=0

V>0

V<0

� Rectificador:

� Transforma en unidireccional la tensión bidireccional (o alterna)

� Es válido como rectificador cualquier elemento que :� Presente una gran resistencia (ideal � R= ∞) al paso de la corriente en un sentido� Presente una resistencia muy pequeña ((ideal � R= 0) ) en el sentido opuesto

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION 4.2. RECTIFICACI4.2. RECTIFICACIÓÓNN

Dispositivo electrónico que cumple estos requerimientos: diodo (unión p-n)

� Característica del diodo

� Si V >0 � I ≠≠≠≠ 0 (R=0): cortocircuito

� Si V <0 � I=0 (R=∞): circuito abierto

D. Pardo, et al. 1999

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c.a. VRL V0

Primario Secundario

V=Vmáxsenω

Vmáx

V

t

Vmáx

t

V0

Diodo

� Rectificador:

� Circuito rectificador más sencillo (denominado rectificador de media onda)

� Las formas de onda de tensiones en el circuito � La señal en la carga RL (V0) es unidireccional

pero resulta muy deficiente como tensión continuapara alimentar circuitos electrónicos

Rectificadorde

media onda

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION 4.2. RECTIFICACI4.2. RECTIFICACIÓÓNN

D. Pardo, et al. 1999

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c.a. V

RL V0

Vmáx

V

t

Vmáx

t

V0

� Circuito rectificador de onda completa : PUENTE DE DIODOS

� Necesita cuatro diodos

� Tensiones en la carga (Resistencia RL)

Rectificadorde

onda completa

� No perdemos potencia

� La señal obtenida en la Resistencia es “más continua “.

V

RL

V

RL

V0 V0

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION 4.2. RECTIFICACI4.2. RECTIFICACIÓÓNN

D. Pardo, et al. 1999

D. Pardo, et al. 1999

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� Filtrado:� Circuito cuya impedancia varía con la frecuencia de la señal que se le aplica.

� En general, los filtros más sencillos están constituidos por un C o una L:

� Para realizar una fuente de alimentación nos interesan los FILTROS PASA-BAJA

� La asociación de L en serie con C en paralelo es también un filtro pasa-baja

Rectificador VL

IL

IC

C RL

Rectificador VL RL a.c. a.c.

L

L

T

RCj

Z1

1

+

=

ω

LjRZ LT ω+=

Si ω=0: ZC es elevada � IL es alta: VRL alta

Si ω=elevada: ZC baja � IL es baja: VRL baja (ac)

Si ω=0: ZT es baja � IL es alta : VRL alta

Si ω=elevada: ZT elevada � IL es baja : VRL cae (ac)

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION 4.3. FILTRADO4.3. FILTRADO

D. Pardo, et al. 1999

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c.a. Vi RL

V0

V=Vmáxsenω t

C

i

V0,i

ωt1 ωt2 π 2π

Vi

V0

Punto umbral

α

� Rectificación (media onda) + Filtrado:� CASO CONDENSADOR: Diodo actúa como un interruptor

� Si RL es elevada, entonces el condensador se carga y no se vuelve a descargarVoltaje de continua (dc) perfecto

� Como RL no es ∞∞∞∞ entonces el condensador se carga en el semiciclo positivo y se descarga poco a poco en el semiciclo negativo

Transformador Rectificador Filtro

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION 4.3. FILTRADO4.3. FILTRADO

D. Pardo, et al. 1999

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� Rectificación (onda completa) + Filtrado:

� La forma de onda es "más continua" que la del rectificador de media onda con el mismo tipo de filtro.

� Podría calcularse el "rizado" de la fuente de alimentación.

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION 4.3. FILTRADO4.3. FILTRADO

V0

ωt1 ωt2 π 2π

Vi

α

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� Bloque de Regulación: una fuente de alimentación sólo con rectificación y filtrado no es suficientemente buena

� La tensión dc salida (V0) no es constante conforme varía la carga (RL)� La tensión dc salida (V0) varía directamente con la entrada alterna (Vi)� La tensión dc de salida varía con la temperatura

� Para solventar estos tres inconvenientes y para reducir, además, la tensión de rizado se utiliza un bloque regulador en las fuentes de alimentación.

� Puesto que V0 depende de :

� La tensión no regulada

� La corriente de salida

� La temperatura

� Para obtener una regulación efectiva: SV, R0 y ST deben ser lo menor posibles � De ese modo más constante será la tensión que suministra a la salida

0 0 00 i L

i L

V V VV V i T

V i T

∂ ∂ ∂

∂ ∂ ∂∆ = ∆ + ∆ + ∆

0 0V i L TV S V R i S T∆ = ∆ + ∆ + ∆

0

00

L

ViiT

VS

V ∆ =∆ =

∆=

∆0

00

i

oVLT

VR

i ∆ =∆ =

∆=

∆0

00

i

L

TV

i

VS

T ∆ =∆ =

∆=

Factor de estabilidadResistencia de salida Coeficiente de Tª

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION 4.4. REGULACI4.4. REGULACIÓÓNN

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13María Jesús Martín Martínez : [email protected]

� Bloque de Regulación:�Para cada circuito regulador que se a estudie a continuación deben determinarse estos coeficientes. Ejemplos de reguladores:

� Cómo funciona un Regulador serie:

� R0 (resistencia de salida de la fuente sin regulación)

� RL e iL: resistencia y corriente de la carga

� EJEMPLO: Si tiene lugar un aumento en RL � V0 tiende a aumentar

� La solución es hacer que RV aumentase simultáneamente para compensar ese aumento de V0 .

� Debemos encontrar un sistema que aumentase la caída y que compense� CASO DE UN TRANSISTOR BIPOLAR en configuración EMISOR-SEGUIDOR (Colector común)

RL V0

R0 RV

RL V0

R0

RV

Vi Vi

iL

Regulador Serie Regulador paralelo

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION 4.4. REGULACI4.4. REGULACIÓÓNN

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14María Jesús Martín Martínez : [email protected]

� Bloque de Regulación: Regulador SERIE con BJT en EMISOR SEGUIDOR:

� r0 y vi (resistencia de salida y tensión variable de la fuente sin regulación)

� RS resistencia de valor elevado (debe proporcionar una I pequeña)

� El funcionamiento se basa en el principio de realimentación

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION 4.4. REGULACI4.4. REGULACIÓÓNN

� VBE=VS-V0

� Si ocurriera que la tensión V0 tendiera a aumentar (siendo VS constante)�VBEdisminuye

� Si se reduce esa tensión � se reduce IB del transistor que hace que VCE aumente � se compensa el aumento en V0 .

� Se pueden calcular fácilmente los factores de estabilidad (SV y R0) � mediante el análisis del circuito de pequeña señal, reemplazando el BJT por su circuito equivalente.

D. Pardo, et al. 1999

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15María Jesús Martín Martínez : [email protected]

� REGULADORES DE TENSIÓN EN CIRCUITO INTEGRADO

� Se utilizan para regular localmente los voltajes de alimentación en cada una de las tarjetas de un sistema grande.

� Son mas completos que los que hemos visto con componentes discretos, dado que poseen un tamaño reducido, alto rendimiento junto con un bajo coste.

�Hay muchos tipos: de tensión fija o de tres terminales o de tensión variable (cuatro terminales en los que el cuarto terminal es un terminal de control).

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION

� Las fuentes de alimentación deben estar protegidas contra daños por sobrecarga de corriente � mediante circuitos limitadores

� En la figura se muestra como el transistor Q2 (limitador) puede desviar la corriente de la base de Q1 hacia la salida (reduce su IB1), y provoca que éste pase a corte de manera que la fuente se desconecta de la salida.

4.4. REGULACI4.4. REGULACIÓÓNN

D. Pardo, et al. 1999

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16María Jesús Martín Martínez : [email protected]

� FUENTES DE ALIMENTACIÓN CONMUTADAS

� Hasta ahora hemos visto las fuentes de alimentación clásicas o lineales: La señal alterna de 50 Hz, pasa por un transformador (de hierro) para después ser rectificada y filtrada.

�Las características de las fuentes lineales son:� Su diseño es sencillo y son

más económicas (producción en serie).

� Bajo rendimiento (30 y 60 %)� mucho calor

� Elevado volumen y peso.

� Se obtiene una mejor regulación y velocidad.

� No acoplan ruido en alta frecuencia (HF).

� Sin embargo, hoy día tienen grandes ventajas las fuentes conmutadas � trabajan en régimen de conmutación

� Surgen para aplicaciones aeroespaciales.�Las características de las fuentes conmutadas:

� Mayor eficiencia energética (70 y 90%).

� Menor calentamiento.

� Más complejas y costosas.

� Razones medioambientales.

� Pequeño tamaño, peso y coste (dado que su transformador es de alta frecuencia).

� Se ven afectadas por interferencias electromagnéticas (EMIs).

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION 4.5. FUENTES CONMUTADAS4.5. FUENTES CONMUTADAS

Transformador Rectif y Filtrado Regulación

Prof. LaMaison. UPC.es

Artigas y Sanz, Univ. Zaragoza

Page 17: Tema4 falimentac

17María Jesús Martín Martínez : [email protected]

� FUENTES DE ALIMENTACIÓN CONMUTADAS

� Modo de operación de las fuentes conmutadas:� Primero se realiza la rectificación y filtrado de la señal de la red (220 V eficaces): la señal será una alterna pulsante

� Después se utiliza:

� un conmutador (un transistor) para pasarla a una señal cuadrada de muy alta frecuencia (50-100 kHz) muy superior a la industrial.

� Posteriormente se lleva a un transformador de conversión adecuada (que puede ser un núcleo de ferrita, con mucho menos tamaño y pérdidas).

� Finalmente se rectifica y filtra de nuevo para obtener una señal de continua.

� Únicamente hace falta regulación mediante la actuación del bloque de conmutación.

� En este bloque de regulación, el elemento principal es un modulador de ancho de pulso: circuito PWM (Pulse Width Modulation) que cambia el ciclo de trabajo

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION 4.5. FUENTES CONMUTADAS4.5. FUENTES CONMUTADAS

D. Pardo, et al. 1999

Page 18: Tema4 falimentac

18María Jesús Martín Martínez : [email protected]

� FUENTES DE ALIMENTACIÓN CONMUTADAS

� Modo de operación de las fuentes conmutadas:

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION

J.L. Muñoz, et al. 1997

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19María Jesús Martín Martínez : [email protected]

� FUENTES DE ALIMENTACIÓN CONMUTADAS

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION 4.5. FUENTES CONMUTADAS4.5. FUENTES CONMUTADAS

Prof. LaMaison. UPC.es

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20María Jesús Martín Martínez : [email protected]

� SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA (SAI)

� UPS (Uninterruptible Power Supply en inglés)

� Son dispositivos que gracias a sus baterías, proporcionan energía eléctrica si tiene lugar un corte o apagón en el suministro de potencia al sistema (ordenador).

� Dicho sistema de alimentación tiene el siguiente diagrama de bloques

�La señal de la red puede ir directamente a la fuente de alimentación. �Pero además a través de una segunda fuente puede también cargar una batería que suministra potencia a un oscilador � proporciona una señal alterna idéntica a la de la red industrial (50 Hz y 200 V).

� Cuando falla la tensión de la red, el interruptor conecta la salida del oscilador con la fuente de alimentación del ordenador.

� Dependiendo de la capacidad de la batería durará más o menos. � Es un sistema que posibilita la realización de un “shutdown” o apagado ordenador del sistema computador,

guardando adecuadamente los resultados obtenidos hasta el momento.

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION 4.5. SAI4.5. SAI

D. Pardo, et al. 1999

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21María Jesús Martín Martínez : [email protected]

� Agradecimientos� Daniel Pardo Collantes. Departamento de Física Aplicada. Universidad de Salamanca.

� Figuras cortesía de:� Pardo Collantes, Daniel; Bailón Vega, Luís A., Elementos de Electrónica. Universidad

de Valladolid. Secretariado de Publicaciones e Intercambio Editorial.1999.� E. Mandado, P. Mariño y A. Lago, Instrumentación Electrónica. Marcombo. 1995.� Figura correspondiente al Material del curso de Electrónica de Ingeniería Industrial.

Prof. LaMaison. Universidad Politécnica de Cataluña. � J. L. Muñoz y S. Henández: Sistemas de alimentación conmutados. Madrid, Paraninfo,

1997.� J. I. Artigas y A. Sanz, Apuntes de Fuentes de Alimentación, Universidad de Zaragoza,

IEC.

TEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACIONTEMA 4. FUENTES DE ALIMENTACION