FONTES DE ALIMENTACIÓN

http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Fuentes-alimentacion.phpTEORÍA XERAL

COMPOÑENTES DUNHA F.A

La función de una fuente de alimentación es convertir la tensión alterna en una tensión continua y lo mas estable posible, para ello se usan los siguientes componentes:

El trasformador de entrada reduce la tensión de red (generalmente 220 o 120 V) a otra tensión mas adecuada para ser tratada.

El rectificador es el que se encarga de convertir la tensión alterna que sale del transformador en tensión con solo una polaridad. Para ello se utilizan diodos. Un diodo conduce cuando la tensión de su ánodo es mayor que la de su cátodo.

La tensión en la carga que se obtiene de un rectificador es en forma de pulsos. Esta no es la clase de tensión continua que precisan la mayor parte de circuitos electrónicos. Lo que se necesita es una tensión constante,.Para obtener este tipo de tensión es necesario emplear un filtro.

Un regulador o estabilizador es un circuito que se encarga de reducir el rizado y de proporcionar una tensión de salida de la tensión exacta que queramos.

TRANSFORMADOR

Consta de dos arrollamientos sobre un mismo núcleo de hierro, ambos arrollamientos, primario y secundario, son completamente independientes y la energía eléctrica se transmite del primario al secundario en forma de energía magnética a través del núcleo. el esquema de un transformador simplificado es el siguiente:

La corriente que circula por el arrollamiento primario (el cual esta conectado a la red) genera una circulación de corriente magnética por el núcleo del transformador. Esta corriente magnética será mas fuerte cuantas mas espiras (vueltas) tenga el arroyamiento primario. Si acercas un imán a un transformador en funcionamiento notarás que el imán vibra, esto es debido a que la corriente magnética del núcleo es alterna, igual que la corriente por los arrollamientos del transformador.

En el arroyamiento secundario ocurre el proceso inverso, la corriente magnética que circula por el núcleo genera una tensión que será tanto mayor cuanto mayor sea el número de espiras del secundario y cuanto mayor sea la corriente magnética que circula por el núcleo (la cual depende del numero de espiras del primario).

V1 = V2 * (N1/N2) N1 y N2 son el número de espiras del primario y el del secundario respectivamente

Así por ejemplo podemos tener un transformador con una relación de transformación de 220V a 12V, no podemos saber cuantas espiras tiene el primario y cuantas el secundario pero si podemos conocer su relación

de espiras N1/N2 = V1/V2 N1/N2 = 220/12 = 18,33

Este dato es útil si queremos saber que tensión nos dará este mismo transformador si lo conectamos a 120V en

lugar de 220V, la tensión V2 que dará a 120V será 120 = V2 * 18,33 V2 = 120/18,33 = 6,5 V

Por el primario y el secundario pasan corrientes distintas, la relación de corrientes también depende de la

relación de espiras pero al revés, de la siguiente forma: I2 = I1 * (N1/N2) Donde I1 e I2 son las corrientes de primario y secundario respectivamente. Esto nos sirve para saber que corriente tiene que soportar el fusible que pongamos a la entrada del transformador, por ejemplo, supongamos que el transformador anterior es de 0.4 Amperios. Esta corriente es la corriente máxima del secundario I2, pero nosotros queremos saber que corriente habrá en el primario (I1) para poner allí el fusible.

Entonces aplicamos la fórmula: I2 = I1 * (N1/N2) 0.4 = I1 * 18.33 I1 = 0.4 / 18.33 = 21,8mA

Para asegurarnos de que el fusible no saltará cuando no debe se tomará un valor mayor que este, por lo menos un 30% mayor.

Como ejercicio puedes calcular la tensión que tendríamos si, con el transformador anterior, nos equivocamos y conectamos a la red el lado que no es, cualquiera mete la mano ahí... (por si acaso no pruebe a hacerlo en la realidad ya que el aislamiento del secundario de los transformadores no suelen estar preparados para tensiones tan altas)

RECTIFICADOREl rectificador es el que se encarga de convertir la tensión alterna que sale del transformador en tensión pulsante. Para ello se utilizan diodos.

Es tan común usar este tipo de rectificadores que se venden ya preparados los cuatro diodos en un solo componente. Suele ser recomendable usar estos puentes rectificadores, ocupan menos que poner los cuatro diodos y para corrientes grandes vienen ya preparados para ser montados en un radiador.

cuando un diodo está cerrado tiene una caída de tensión de entre 0,7 voltios y 1 voltio, dependiendo de la corriente que este conduciendo esta caída puede ser mayor. Esto quiere decir que por cada diodo que este conduciendo en un momento determinado se "pierde" un voltio aproximadamente. En el rectificador de un diodo conduce solamente un diodo a la vez, por lo tanto la tensión de pico Vmax de la salida será un voltio inferior a la de la Vmax de entrada. Por ejemplo: supón que tienes un transformador de 6 V Vmax = 6 * 1.4142 - 1 = 7,5 V En el rectificador en puente conducen siempre dos diodos a la vez, se dice que conducen dos a dos, por lo tanto la tensión de pico de la salida Vmax será dos voltios inferior a la Vmax de entrada.

PARÁMETROS DA ETAPA RECTIFICADORA

PARÁMETROS MEDIAONDA

ONDACOMPLETA

BIFÁSICO

Tensión media=Vav Vav=Vmax/π Media Vav=2Vmax/π Vav=2Vmax/π

Tensión eficaz=Vrms Vrms=Vmax/2 Valor cuadrático medio Vrms=Vmax/√2 Vrms=Vmax/√2

Factor de forma=FF FF=Vrms/Vav =π/2 idealmente 1 π/2√2 π/2√2

Factor rizado=FR=r FF2=1+FR

2 Calquera sinal periódica está composta por a suma de ondas senoidais, unha das que a compoñen é a

compoñente continua que se obtén do valor medio da sinal. Este factor mide a relación entre a parte ondulatoria pura do sinal (o valor eficaz desa parte) e a súa compoñente continua. Idealmente (sinal DC) sería 0.

Valor medio da correntena carga=Imed

Vav/R Se a carga é resistiva

Valor eficaz da corrente nacarga=Ief

Vrms/R Se a carga é resistiva

CARACTERÍSTICAS DOS DIODOS

Corrente que circula pola carga é a mesma que polo diodo e o secundario do transformador

Cada par conduce nun semiperiodo. Cada un compórtase como rectificador de media onda.

Cada diodo conduce nun semiperiodo. Cada un compórtase como rectificador de media onda

Corrente media por cada diodo=IFav

Vav/R=Imed Imed/2 Imed/2

Corrente eficaz por cada diodo=IFrms

Vrms/R=Ief IFrms=Vmax/2R=Vmax/√2√2R=Ief/√2 IFrms=Vmax/2R=Vmax/√2√2R=Ief/√2

Tensión máxima en inversa nos diodos=VRRM

Vmax no secundario Vmax no secundario 2Vmax nos secundarios

FILTROLa tensión en la carga que se obtiene de un rectificador es en forma de pulsos. Esta no es la clase de tensión continua que precisan la mayor parte de circuitos electrónicos. Lo que se necesita es una tensión constante, similar a la que produce una batería. Para obtener este tipo de tensión rectificada en la carga es necesario emplear un filtro.

El tipo mas común de filtro es el del condensador a la entrada, en la mayoría de los casos perfectamente válido. Sin embargo en algunos casos puede no ser suficiente y tendremos que echar mano de algunos componentes adicionales.

Todo lo que digamos en este apartado será aplicable también en el caso de

usar el filtro en un rectificador en puente.

Cuando el diodo conduce el condensador se carga a la tensión de pico Vmax. Una vez rebasado el pico positivo el diodo se abre. ¿Por que? debido a que el condensador tiene una tensión Vmax entre sus extremos, como la tensión en el secundario del transformador es un poco menor que Vmax el cátodo del diodo esta a mas tensión que el ánodo. Con el diodo ahora abierto el condensador se descarga a través de la carga. Cuando la tensión de la fuente alcanza de nuevo su pico el diodo conduce brevemente recargando el condensador a la tensión de pico. En otras palabras, la tensión del condensador es aproximadamente igual a la tensión de pico del secundario del transformador (hay que tener en cuenta la caída en el diodo).

La tensión en la carga es ahora casi una tensión ideal. Solo nos queda un pequeño rizado originado por la carga y descarga del condensador. Una forma de reducir el rizado es poner un condensador mayor, pero siempre tenemos que tener cuidado en no pasarnos ya que un condensador demasiado grande origina problemas de conducción de corriente por el diodo y, por lo tanto, en el secundario del transformador (la corriente que conduce el diodo es la misma que conduce el transformador).

El diodo solo conduce cuando el condensador se carga. Cuando el condensador se carga aumenta la tensión en la salida, y cuando se descarga disminuye, por ello podemos distinguir perfectamente en el gráfico cuando el diodo conduce y cuando no. En la siguiente figura se ha representado la corriente que circula por el diodo, que es la misma que circula por el transformador:

La corriente por el diodo es a pulsos, aquí mostrados como rectángulos para simplificar. Los pulsos tienen que aportar suficiente carga al condensador para que pueda mantener la corriente de salida constante durante la no conducción del diodo. Esto quiere decir que el diodo tiene que conducir "de vez" todo lo que no puede conducir durante el resto del ciclo. Es muy normal, entonces, que tengamos una fuente de 1 Amperio y esos pulsos lleguen hasta 10 Amperios o mas. Esto no quiere decir que tengamos que poner un diodo de 10 amperios, Un 1N4001 aguanta 1 amperio de corriente media y pulsos de hasta 30 amperios.

Si ponemos un condensador mayor reducimos el rizado, pero al hacer esto también reducimos el tiempo de conducción del diodo, Como la corriente media que pasa por los diodos será la misma (e igual a la corriente de carga) los pulsos de corriente se hacen mayores. Y esto no solo afecta al diodo, al transformador también, ya que a medida que los pulsos de corriente se hacen mas estrechos (y mas altos a su vez) la corriente eficaz aumenta.

Valores recomendables para el condensador en un RECTIFICADOR EN PUENTE. Si quieres ajustar el valor del condensador al menor posible esta fórmula te dará el valor del condensador para que el rizado sea de un 10% de Vo (regla del 10%):

C = (5 * Iomed ) / (f * Vmax)f: frecuencia de la red Vmax: tensión de pico de salida del puente

Si se quiere conseguir un rizado del 7% puedes multiplicar el resultado anterior por 1,4, y si quieres un rizado menor resulta mas recomendable que uses otro tipo de filtro o pongas un estabilizador.

Voav=Vmax-Vpp/2Vref=Vr/√2FR=Vref/Voav FF=Vorms/Voav sendo FF

2=1+FR2

Características dos diodos

IFav ter en conta que Imed= Iomed=Voav/RIFrms ter en conta que Ief= Ioef=Vorms/R

Aproximamos esta sinal a unha senoidal pura, de frecuencia f(sinal do transformador) para o caso de rectificación de MO e 2f para rectificación OC

Pero en xeral, o problema consiste en calcular o rizado para un condensador dado ou calcular a capacidade do condensador para obterun rizado determinado: A carga que perde o condensador en cada descarga será ΔQ=CΔV=CVpp IomedΔt=CVpp IomedT=C2Vr (MO) IomedT=C4Vr (OC) é dicir: Vref=Iomed/(2√2CF) Sendo F=f en MO e 2f en OC; Ao revés, C=Iomed/(2√2VrefF)

Exercicios

Se desea diseñar una fuente de alimentación para un circuito que consume 150 mA a 12V. El rizado deberá ser inferior al 10%. Para ello se dispone de un transformador de 10 V y 2,5 VA y de un rectificador en puente. Elegir el valor del Condensador: 1.- Calculamos la corriente que es capaz de suministrar el transformador para determinar si será suficiente, esta corriente tendrá que ser superior a la corriente que consume el circuito que vamos a alimentar It = 2,5 / 10 = 250 mA Parece que sirve, como calcularlo resulta bastante mas

complicado nos fiaremos de nuestra intuición. Ten en cuenta siempre que el transformador tiene que ser de mas corriente de la que quieras obtener en la carga.

2.- Calculamos la Vmax de salida del puente rectificador teniendo en cuenta la caída de tensión en los diodos (conducen dos a dos). Vmax = 10 * 1,4142 - 2 = 12,14 V Esta será aproximadamente la tensión de salida de la fuente.

3.- Calculamos el valor del condensador según la fórmula del 10%, la I es de 150 mA la f es 50 Hz en Europa y la Vmax es 12,14 V: C = (5 * 0,15) / (50 * 12,14) = 0,0012355 F C = 1235,5 µF tomaremos el valor mas aproximado por encima.

Cun transformador 220/12V 50Hz queremos alimentar unha carga resistiva de 18Ω cunha ponte de diodos. Características da ponte?1.-Se nos chega a sinal sen filtrar, só rectificada, á saída do rectificador temos Vav=2Vmaz/π sendo Vmax=12√2-2=15V é dicir Vav=9.5V e polo tanto o valor medio da corrente na carga será Imed=9.5/18=530mA e IFav=Imed/ 2=265mA e IFrms=Ief/√2 sendo Ief=15/18√2=590mA cunhaIFmax=IFRM=835mA e unha VRRM=17V2.- Se a sinal é filtrada cun condensador, e queremos o rizado mínimo con esta estructura (10% Vpp=10/100 Vmax=1.5V) entónC=5Iomed/50. 15 sendo Iomed=Voav/18=(15-1.5/2)/18=792mA é dicir C=5.790m/750=5270µF Escoller o inmediatamente superior normalizado

Para un receptor de 100Ω, desexamos unha tensión rectificada de media onda de 14V de valor medio. Calcular:a) O valor eficaz da tensión na carga, e as correntes media e eficaz.b) Tensión e potencia suministrada no secundario do transformador.c) Características eléctricas do diodo

a) Vrms=Vmax/2=Vavπ/2=14π/2=22V Iav=14/100=140mA Irms=22/100=220mAb) Vief=Vimax/√2 sendo Vimax=Vmax+1 aprox. Vmax=Vavπ=44V Vief=45/√2=31.8V Iief=Irms=220mA e polo tanto P=ViefIief=7Wc) IFav=140mA IFrms=220mA VR=44V

FILTROS PASIVOS RC e LC Antes de los años setenta se conectaban filtros pasivos entre el condensador del filtro y la carga para reducir el rizado a menos del 1%. La intención era obtener una tensión continua casi perfecta, similar a la que proporciona una pila. En la actualidad es muy raro ver filtros pasivos en diseños de circuitos nuevos, es mas común usar circuitos estabilizadores de tensión. Sin embargo estos estabilizadores tienen sus limitaciones y es posible que no te quede mas remedio que usar un filtro pasivo.

Filtro RC La figura muestra dos filtros RC entre el condensador de entrada y la resistencia de carga. El rizado aparece en las resistencias en serie en lugar de hacerlo en la carga. Unos buenos valores para las resistencias y los condensadores serían: R = 6,8 O C = 1000 µF Con estos valores cada sección atenúa el rizado en un factor de 10, puedes poner una, dos, tres secciones. No creo que necesites mas. La desventaja principal del filtro RC es la pérdida de tensión en cada resistencia. Esto quiere decir que el filtro RC es adecuado solamente para cargas pequeñas. Es muy útil cuando tienes un circuito digital controlando relés, en ocasiones estos relés crean ruidos en la alimentación provocando el mal funcionamiento del circuito digital, con una sección de este filtro para la alimentación digital queda solucionado el problema.

Filtro LC ou π Cuando la corriente por la carga es grande, los filtros LC de la figura presentan una mejora con respecto a los filtros RC. De nuevo, la idea es hacer que el rizado aparezca en los componentes en serie, las bobinas en este caso. Además, la caída de tensión continua en las bobinas es es mucho menos porque solo intervienen la resistencia de los arrollamientos. Los condensadores pueden ser de 1000 µF y las bobinas cuanto mas grandes mejor. Normalmente estas últimas suelen ocupar casi tanto como el transformador y, de hecho, parecen transformadores, menos mal que con una sola sección ya podemos reducir el rizado hasta niveles bajísimos.

ESTABILIZADORUn regulador o estabilizador es un circuito que se encarga de reducir el rizado y de proporcionar una tensión de salida de la tensión exacta que queramos, aunque se produzcan variaciones en la red y/o variaciones en el consumo de la carga.

O estabilizador maiselemental é cun zener en paralelo coa carga, manten a tensión cte na tensión de ruptura Vz. Vs é o sinal filtrado

O valor medio da tensión Vo á saída do filtro debe ser polo menos unha vez e media superior aovalor da tensión estabilizada VL. Vo vaise repartir entre a resistencia de polarización e o zener. A tensión de saída VL é practicamente cte e estable, as variacións nela serán consecuencia dos cambios nas magnitudes que alteran Vz. As modificacións na rede son transmitidas por todas as etapas e final mente absorvidas por R. A corrente IR repártese entre Iz e IL. Como un estabilizador debe manter VL cte aínda que varíe a carga, as variacións de corrente debidas á carga son absorvidas polo zener onde cambios sigñificativos de corrente apenas modifican Vz

Para asegurar que o zener traballe sempre na zona de ruptura, Vz≤Vomin sendo Vomin=Voavmin-Vr sendo Voavmin o valor medio da sinalfiltrada no caso máis desfavorable de variacións na rede. E para este valor mínimo é necesario que polo zener circule unha Izmin dada polo fabricante (son valores pequenos do orden de µA, pero tamén sóese tomar o valor 0.1 da intensidade deseñada para a carga), napeor situación que é cando a carga é mínima e polo tanto IL é máxima. De todo isto obtemos o valor necesario para a resistencia de polarización: R=(Vomin-Vz)/ILmax+Izmin Ademais esta R debe ser capaz de disipar unha potencia máxima PM=(Vomax-Vz)2/R sendoVomax=Voavmax+Vr e sendo Voavmax a tensión media da sinal filtrada cando na rede temos a subida máxima de tensión.A corrente máxima que ten que soportar o zener será Izmax=(Vomax-Vz)/R que será cando a carga está desconectada (a peor situación para o zener)

ExercicioSupoñamos Unha FA que se alimenta dunha rede 220V-50Hz con oscilacións do 5%. Á saída desexamos unha tensión DC de 12V para alimentar un dispositivo que consume 50mA. O filtro debe ter un rizado máximo de 4V e o seu valor medio o doble que a saída da fonte. O zener ten unha Izmin=1mA. Deseñar a fonte cunha ponte de diodos, un filtro con condensador en paralelo e un estabilizador con zener.

ESTABILIZADOR:Vz debe ser 12V e para calcular a R do estabilizador R=(Vomin-Vz)/(ILmax+Izmin ) sendo Vomin=Voavmin-Vr. Voav=2Vs=24V, para oscilacións do 5% na rede (se transmiten nas distintas etapas) Voavmin=22.8V e Voavmax=25.2V; polo tanto R=(22.8-2-12)/51m=173Ωbuscaremos o normalizado máis próximo por abaixo capaz de soportar unha PM=(25.2+2-12)2/173=1.34W. O rizado exixido é compatible co deseño do filtro pois é superior ao 10% (Voav=24V). Para o zener Izmax=(25.2+2-12)/173=88mA.Ista é a situación máis conservadora; se escollemos compoñentes en base ás súaslimitacións medias, PMav=(25.2-12)2/173=1W e Izmax=76mA e Pz=12.76m=0.92W

FILTRO: C=Iomed/(2√2VrefF) Sendo Iomed a corrente media á saída da etapa do filtro para a tensión nominal da rede (220V). Iomed=(24-12)/ 173Ω=69mA. Entón C=69mA/(2√2(2/√2)100=50m/400=173µF, buscaremos o valor normalizado máis próximo por exceso.RECTIFICADOR:Dimensionámolo para o caso máis desfavorable que será cando a rede está en sobre tensión 231V (5% por riba da nominal). Debe estar constituido por diodos capaces de soportar unha VRRM=Voavmax+Vr=25.2+2=27.2V. E como á saída da etapa consumirase unhaIoavmax=(25.2-12)/173Ω=76.3mA, entón cada diodo da ponte debe ser capaz de soportar unha IFav=Ioavmax/2=38.2mA.TRANSFORMADOR:No secundario terá que dar unha tensión alterna capaz de chegar ao filtro cun Vomax=Voav+Vr=24+2=26V se consideramos que no rectificador caen aprox. 2V, entón Vimax=28V e por tanto o transformador debe ser 220/20V. A potencia no secundario podemos obtelapor aproximación sumando as potencias consumidas na resistencia do estabilizador e no zener cando absorve toda a corrente (carga desconectada), Ps=PM+PZ=1.34w+(88mx12)=2.4W

PRÁCTICA (exemplo)MATERIAISUn transformador de 6.3 V ACUn puente de diodos de 1 AUn diodo Zener de 5.1 V y ½ W5 Resistencias de ½ W: 100, 270, 390,470, 680 e 1K.1 Condensador de 470 uF / 25V

FONTE DE ALIMENTACIONUnha fonte de alimentación, convirtea corrente alterna (220 VAC) da liñaen corrente continua (CC o DC) para alimentar diferentes equipos electrónicos.

INDICEPAX.1 MATERIAIS E ESQUEMA

PAX.2 PROCEDEMENTO sinal filtradoPAX.3 PROCEDEMENTO sinal estabilizado

PAX.4 CONCLUSIÓNS

PROCEDEMENTO sinal filtradoSe midió el voltaje sobre la carga tanto en DC como en AC y con los valores se hizo la siguiente tabla:Se calibró el Osciloscopio con:1.5V ------ 190 mm para CD1 VPP ------ 120 mm para AC

RL(Ω) Vrpp(mm) Vrpp(V) VCC(mm) VCC(V)VCC (V)Multit.

270 14 0.12 700 5.5 5.1

390 4 0.03 700 5.5 5.1

470 4 0.03 650 5.1 5.1

680 2 0.016 650 5.1 5.2

1K 2 0.016 700 5.55.2

RL(Ω) Vrpp(mm) Vrpp(V) VCC(mm) VCC(V)VCC (V)

Con Multit.

270 14 0.12 700 5.5 5.1

390 4 0.03 700 5.5 5.1

470 4 0.03 650 5.1 5.1

680 2 0.016 650 5.1 5.2

1W 2 0.016 700 5.5 5.2

PROCEDEMENTO sinal estabilizadoSe midió el voltaje sobre la carga tanto en DC como en AC y con los valores se hizo la siguiente tabla:Se calibró el Osciloscopio con:1.5V ------ 190 mm para CD1 VPP ------ 120 mm para AC

CONCLUSIONESFiltrado de la salida rectificadaCuando aumentamos la resistencia de carga(disminuimos la corriente) el rizado disminuye.Cuando el rizado disminuye el voltaje CC en lacarga aumenta.Regulador por ZenerCuando aumentamos la resistencia de carga(disminuimos la corriente) el rizado disminuye.El Voltaje en la salida esta estabilizada por eldiodo Zener de 5.2 Voltios. Si hubiera unaumento de voltaje en la salida deltransformador la resistencia de carga tendría elmismo voltaje de 5.2 Voltios, y el voltajevariación de voltaje recaería sobre la resistenciade 100 Ohmios. El rizado también se puedecontrolar aumentando la capacidad delcondensador.