1
2011
Felipe Isaac Paz Campos
UNI
29/03/2011
FUENTES DE ALIMENTACION DC LINEALES
2
CAPÍTULO 1 FUENTES DE
ALIMENTACION DC LINEALES.
1.1 Introducción
Este tipo de fuente fue el primero en
utilizarse. Generalmente las podremos
encontrar siguiendo el esquema de
transformador, rectificador, filtro,
regulación y salida. Podemos afirmar que
todas las fuentes diseñadas basándose en
este esquema son de un diseño
relativamente sencillo comparado con
otros tipos de fuentes, por ejemplo, las
conmutadas.
1.2 TIPOS DE FUENTES DE
ALIMENTACION.
Las fuentes de alimentación, para
dispositivos electrónicos, pueden
clasificarse básicamente como fuentes de
alimentación lineal y conmutada. Las
lineales tienen un diseño relativamente
simple, que puede llegar a ser más
complejo cuanto mayor es la corriente
que deben suministrar, sin embargo su
regulación de tensión es poco eficiente.
Una fuente conmutada, de la misma
potencia que una lineal, será más pequeña
y normalmente más eficiente pero será
más complejo y por tanto más susceptible
a averías.
1.2.1 Fuentes de alimentación lineales
Las fuentes lineales siguen el esquema:
transformador, rectificador, filtro,
regulación y salida figura 1.
En primer lugar el transformador adapta
los niveles de tensión y proporciona
aislamiento galvánico. El circuito que
convierte la corriente alterna en continua
se llama rectificador, después suelen
llevar un circuito que disminuye el rizado
como un filtro de condensador. La
regulación, o estabilización de la tensión
a un valor establecido, se consigue con un
componente denominado regulador de
tensión. La salida puede ser simplemente
un condensador. Esta corriente abarca
toda la energía del circuito, está fuente de
alimentación deben tenerse en cuenta
unos puntos concretos a la hora de decidir
las características del transformador.
1.2.2 Fuentes de alimentación
Conmutadas
Una fuente conmutada es un dispositivo
electrónico que transforma energía
eléctrica mediante transistores en
conmutación. Mientras que un regulador
de tensión utiliza transistores polarizados
en su región activa de amplificación, las
fuentes conmutadas utilizan los mismos
conmutándolos activamente a altas
frecuencias (20-100) Kilociclos
típicamente entre corte (abiertos) y
saturación (cerrados). La forma de onda
cuadrada resultante es aplicada a
transformadores con núcleo de ferrita
(Los núcleos de hierro no son adecuados
para estas altas frecuencias) para obtener
uno o varios voltajes de salida de
corriente alterna (AC) que luego son
rectificados (Con diodos rápidos) y
filtrados (Inductores y capacitores) para
obtener los voltajes de salida de corriente
continua (DC). Las ventajas de este
método incluyen menor tamaño y peso
del núcleo, mayor eficiencia y por lo
tanto menor calentamiento. Las
desventajas comparándolas con fuentes
lineales es que son más complejas y
generan ruido eléctrico de alta frecuencia
RL
Figura 1
3
que debe ser cuidadosamente minimizado
para no causar interferencias a equipos
próximos a estas fuentes.
Las fuentes conmutadas tienen por
esquema: rectificador, conmutador,
transformador, otro rectificador y salida
figura 2.
La regulación se obtiene con el
conmutador, normalmente un circuito
PWM (Pulse Width Modulation) que
cambia el ciclo de trabajo. Aquí las
funciones del transformador son las
mismas que para fuentes lineales pero su
posición es diferente. El segundo
rectificador convierte la señal alterna
pulsante que llega del transformador en
un valor continuo. La salida puede ser
también un filtro de condensador o uno
del tipo LC.
Las ventajas de las fuentes lineales son
una mejor regulación, velocidad y
mejores características EMC. Por otra
parte las conmutadas obtienen un mejor
rendimiento, menor coste y tamaño.
1.3 Fuentes de alimentación lineales
En el diseño y construcción de fuentes
lineales no siempre va a ser necesario, por
parte del fabricante, crear todas las etapas
del esquema anteriormente mencionado.
En ocasiones las vamos a poder ver de
formas tan sencillas como lo muestra la
siguiente imagen figura 3:
Aquí se muestran los componentes y
características de la fuente de
alimentación usada por la firma 3Com
(Modelo P48240600A030G) para
alimentar algunos modelos de
concentradores de red. Otros modelos de
fuentes de esta misma firma y destinados
para iguales fines van a presentar esta
misma estructura, como por ejemplo el
P48121000A040G cuyo esquema
electrónico es el siguiente figura 4:
El aspecto exterior o cubierta plástica del
modelo P48121000A040G es idéntico al
P48240600A030G, así como su diseño
electrónico. Solamente se van a
diferenciar en los parámetros eléctricos
con los que trabajan. En ambas fuentes
solamente se han incluido las etapas de
transformación y rectificación.
Debido al diseño tan simple de estas
fuentes, vamos a poder encontrarnos con
muchas personas que se refieran a ellas
Figura 2
Figura 3
Figura 4
4
simplemente por el nombre de
"transformador". Sin embargo, este
último va a ser realmente un componente
dentro de la fuente.
Pasemos ahora a explicar el
funcionamiento de cada una de las etapas
presentes en las fuentes vistas hasta
ahora.
1.3.1 El transformador
El símbolo del transformador es el
siguiente figura 5:
En los esquemas anteriores de fuentes lo
podemos encontrar en la entrada de la
misma con la función de reducir la
tensión de red (se recuerda que puede
tratarse de 110 ó 220 V) a la tensión
necesitada por el equipo. Hay que aclarar
que los transformadores solamente son
capaces de trabajar con corrientes
alternas, por lo que nos vamos a encontrar
que tanto la tensión de entrada como la de
salida serán siempre alternas.
Físicamente, la construcción del
transformador es muy sencilla. Va a
constituir de un núcleo de hierro (usado
con el fin de que las líneas del campo
magnético que se cree queden encerradas
en él) al cual se le van a hacer dos
enrollados de alambres. A uno de ellos
(por donde entra la corriente) se le va a
conocer por primario y al otro (por donde
sale la corriente ya transformada) por
secundario. Ambos van a estar hechos
con alambre aislado con la diferencia de
que el aislamiento del secundario no suele
estar preparado para tensiones altas.
Los enrollados son completamente
independientes por lo que vamos a ver
que la energía eléctrica se transmite del
primario al secundario haciendo uso del
principio de inducción electromagnética a
través del núcleo. La corriente que circula
por el enrollado primario va a inducir una
corriente magnética a través del núcleo de
hierro del transformador. La fuerza de
dicha corriente será directamente
proporcional a la cantidad de vueltas
(llamadas espiras) del enrollado primario.
Nos vamos a encontrar con que en el
enrollado secundario el proceso es
inverso. Aquí el magnetismo presente en
el núcleo de hierro del transformador va a
generar una corriente alterna en dicho
enrollado, cuya tensión también será
directamente proporcional al número de
espiras del mismo.
Se puede hacer la prueba de acercar un
imán a un transformador para sentir como
vibra. Esto se debe a que la corriente
magnética del núcleo, al igual que la
corriente de los enrollados del
transformador, es alterna.
Un ejemplo de construcción rústica de un
transformador lo podemos ver en la
imagen siguiente figura 6:
Como se explicó anteriormente, la tensión
de salida de un transformador va a
guardar una estrecha dependencia con la
tensión de entrada así como con el
Figura 5
Figura 6
5
número de vueltas o espiras de ambos
enrollados. Esta relación la podemos
expresar a través de cualquiera de las
siguientes fórmulas:
2
1
2
1
N
N
V
V (1.1)
1
2
1
2
N
N
V
V (1.2)
Donde V1 y V2 son las tensiones
(expresadas en voltios) de entrada y
salida respectivamente. N1 representa la
cantidad de espiras del enrollado primario
y N2 las del secundario.
Para saber que tensión de salida nos dará
un transformador, podemos despejar en
(a) y obtener:
)(2
1
12
N
N
VV (1.3)
Pudiéramos obtener una fórmula más
simple a la hora del cálculo si el despeje
se hiciera en (1.2), de esa forma se
obtendría:
1
212
N
NVV (1.4)
Así, si tenemos que la tensión de entrada
es de 115 V, el enrollado primario posee
200 espiras y el secundario 40.
Sustituimos en (1.4) y quedaría como:
V
N
N
VV 23
5
115
40
200
115
)(2
1
12
Por lo tanto, vamos a tener que si se
cumple que N2<N1. Esto trae como
consecuencia que estemos en presencia de
un transformador reductor. Si, por el
contrario, se diese el caso de que N2>N1
entonces la tensión del secundario será
mayor que la del primario y estaremos en
presencia esta vez de un transformador
elevador.
Cuando a un transformador real se le hace
circular una corriente por su enrollado
primario, va a suceder que una pequeña
porción de su campo magnético generado
escape del núcleo de hierro. Esto implica
que la tensión que realmente se obtendrá
en el secundario será menor que la
obtenida por la fórmula (1.4). En muchos
casos se suele introducir una
modificación a dicha fórmula con el fin
de que arroje un resultado lo más exacto
posible. La fórmula modificada se nos
presentaría así:
fN
NVV )(
1
212 (1.5)
La f no es más que el porciento de tensión
que se inducirá en el enrollado
secundario. La misma se denomina como
rendimiento del transformador.
Si lo que conocemos es la tensión de
salida del transformador y necesitamos
hallar la tensión de entrada que sea capaz
de producir la misma, despejamos en
(1.1) y obtenemos:
2
121
N
NVV (1.6)
En ocasiones nos vamos a encontrar con
transformadores confeccionados por otros
fabricantes, como por ejemplo, el de la
figura 7:
6
En estos casos vamos a conocer la
relación de transformación entre la
tensión de entrada y la de salida pero no
tendremos información de la cantidad de
espiras de ninguno de los dos enrollados.
En tales circunstancias podremos hallar la
relación existente entre las espiras de
dichos enrollados. Aplicando la fórmula
(1.1) y suponiendo que la tensión de
entrada es de 125 V y la de salida es de
18 V, tenemos que:
2
1
2
1 94.618
125
N
N
N
N
A primera vista no parece ser este un dato
muy importante, pero si quisiéramos
saber que tensión saldría de este
transformador en caso de que en vez de a
125 V fuera conectado a la red de 220 V,
sustituyendo en (1.4) tendríamos:
VV 7.3194.6
2202
Hasta ahora solamente se ha hablado de la
relación de la tensión presente en el
transformador, sin embargo, existe
también una relación entre la intensidad
de la corriente que circula por cada uno
de los distintos enrollados del mismo.
Esta la podemos representar como:
2
1
1
2
N
N
I
I (1.7)
Donde I1 es la intensidad de la corriente
presente en el enrollado primario y la del
secundario es representada por I2. Se
puede apreciar como ambas intensidades
de la corriente también van a depender
del número de las espiras pero esta vez,
de forma inversamente proporcional.
Si quisiéramos calcular la intensidad de
corriente que circula por el enrollado
primario, pudiéramos despejar en (1.7) y
obtener:
2
1
21
N
N
II (1.8)
Esta fórmula nos sería de mucha utilidad
también, a la hora de calcular un fusible
con el objetivo de ser usado a la entrada
del transformador. Volvamos a retomar el
ejemplo donde el enrollado primario tenía
200 espiras y el secundario 40.
Supongamos que la corriente máxima del
enrollado secundario es de 0.4 Amperios.
Calculemos, sustituyendo en (1.8), la
corriente que circulará por el primario
(I1):
mAAI 808.0
40
200
4.01
Teniendo el valor de la corriente del
enrollado primario podemos determinar
qué tipo de fusible sería factible usar.
Para esto debemos escoger uno que tenga
un valor al menos un 30% mayor que el
resultado (en este caso 8mA).
Sería bueno hacer notar aquí que siempre
que se vaya a seleccionar o a construir un
transformador, la intensidad de la
corriente que este sea capaz de entregar,
tendrá que ser siempre mayor que la que
Figura 7
7
consumirá el circuito que se desea
alimentar.
1.3.2 El Rectificador
El rectificador es el encargado de
convertir la tensión alterna que sale del
secundario del transformador en tensión
continua. Debido a esto va a estar ubicado
a la salida del mismo y lo vamos a poder
encontrar de tres formas o
configuraciones básicas distintas, las
cuales son:
Media onda.
Onda completa con derivación
central.
Onda completa tipo puente.
Cuando se le suministra tensión alterna a
la entrada de un rectificador y no existe
nada conectado a su salida de tensión
continua, se dice que está trabajando en
vacío. Cuando a dicha salida se le conecta
algún equipo se dice que funciona en
carga.
Para realizar la función de rectificación de
la corriente se va a hacer uso del diodo
semiconductor. El símbolo del diodo es el
siguiente figura 8:
Este componente electrónico
(considerado como discreto) es el
dispositivo semiconductor más sencillo
que existe y lo podremos encontrar,
prácticamente en cualquier circuito
electrónico. El diodo va a conducir
cuando la tensión de su ánodo sea mayor
que la de su cátodo. Va a permitir la
circulación de corriente entre sus
terminales en un determinado sentido,
mientras que la va casi que anular en el
sentido contrario. El sentido permitido va
a ser de ánodo a cátodo y podemos ver
como la flecha de su símbolo lo indica.
Externamente puede presentársenos de
muchas maneras, por ejemplo figura 9:
Cuando un diodo está conduciendo va a
existir una diferencia entre la tensión que
entra por el ánodo y la que sale por el
cátodo. Ocurrirá una caída de tensión que
estará entre los 0.7 y 1 voltios y pudiera
ser mayor en dependencia de la corriente
que esté circulando por él. En resumen se
puede decir que por cada diodo que se
encuentre conduciendo en un momento
determinado ocurrirá una perdida
aproximada de 1 voltio en lo que respecta
a la tensión de pico. Para el cálculo de
esta tensión se suele usar la siguiente
fórmula.
DXV )4142.1(max (1.9)
Donde D es la cantidad de diodos y
recordemos que X es la tensión eficaz.
Supongamos que tenemos un
transformador que entrega 6V y queremos
saber la tensión pico a la salida de un
rectificador de media onda (posee un solo
diodo), despejando en (1.9) nos quedaría:
VV 5.71)4142.1(6max
Veamos ahora si a ese mismo
transformador se le conecta un
rectificador en puente (conducen los
diodos de dos en dos) la operación sería:
Figura 9
Figura 8
8
VV 5.62)4142.1(6max
La fabricación del diodo es muy sencilla.
La misma ocurre cuando se unen dos
materiales semiconductores con
características opuestas que, según sean
estas, se les denomina material P y
material N figura 10.
Los materiales de tipo N se van a
caracterizar por tener impurezas que
agregan electrones libres. Por otro lado,
los materiales de tipo P presentan
impurezas que carecen de electrones, o
sea, están compuestos por "huecos" (en
algunas literaturas se les nombra también
como "lagunas"). Cuando se unen de
forma física, estos dos materiales, se
forma lo que se conoce como juntura P-
N. Es precisamente en este momento de
la fabricación donde se produce el
fenómeno de la difusión.
La difusión provoca que los electrones y
los huecos cercanos a la unión (juntura P-
N) crucen de un lado para el otro y se
instalen, cada uno, en la zona contraria.
Este movimiento va a estar sucediendo
hasta que la juntura adquiera un ancho
determinado y que es considerado como
un semiconductor homogéneo y
estabilizado.
Pasemos ahora a ver detalladamente la
implementación del diodo semiconductor
en cada una de las distintas
configuraciones de rectificadores.
1.3.2.1 Rectificador de media onda
Este constituye el más sencillo de todos y
generalmente se usa sólo para
aplicaciones de baja corriente o de alta
frecuencia. Como se puede apreciar en la
figura 11, en el mismo se va a hacer uso
solamente de un diodo.
Aquí se ha puesto la resistencia R1 para
simular la carga del circuito. Veamos a
continuación las gráficas que se
mostrarían si midiéramos con un
osciloscopio en los puntos 1 y 2.
En la gráfica del punto 1 vamos a poder
ver la onda sinusoidal característica de la
tensión alterna. En el punto 2 se observa
como el diodo va a conducir solamente
cuando el voltaje de salida del
transformador es positivo (que es cuando
la tensión del ánodo será mayor que la del
cátodo), mientras que en caso contrario,
no conducirá y la tensión resultante será
de 0 voltios.
En este modelo de rectificador va a
conducir solamente un diodo a la vez, por
lo tanto la tensión de pico (Vmax) de su
salida será aproximadamente de 1 voltio
inferior a la de su entrada.
Figura 10
Figura 11
9
Aunque con este método se logra
rectificar la tensión, ya que siempre la
misma será positiva, el voltaje que nos
dará dista mucho de ser igual al de una
batería y aunque se puede mejorar la
calidad del mismo a través de filtros, este
diseño no se suele encontrar mucho.
1.3.2.2 Rectificador de onda completa
con derivación central
Este diseño, si lo comparamos con el de
onda completa de puente de diodos,
podemos decir que disipa menos
potencia, necesita menos espacio y es más
económico. Todo esto se debe a que
solamente hace uso de dos diodos,
presentando así, menos impedancia ver
figura 12.
Como se puede observar en el esquema
anterior, este diseño necesita de un
transformador con conexión
suplementaria en la mitad del enrollado
secundario. La forma de la onda generada
en el punto 3 es igual a la que se obtiene
en un rectificador de puente de diodos.
Las señales de tipo alterna sinusoidal
tomadas en los puntos 1 y 2 presentan las
formas siguientes:
Debido al desfasaje de las tensiones en
los puntos 1 y 2 nunca ambos diodos
podrán conducir a la vez. Cuando la
tensión en 1 sea positiva (en 2 es
negativa) habrá mayor tensión en el
ánodo de D1 que en su cátodo provocando
que este diodo conduzca. Por el contrario,
cuando la tensión en 2 sea positiva (en 1
es negativa) ocurrirá lo mismo con el
diodo D2. En este modelo de rectificador
solamente va a conducir un diodo cada
vez.
1.3.2.3 Rectificador de onda completa
Es este el más utilizado y su esquema
electrónico es el de la figura 13:
Se puede apreciar cómo se combinan los
cuatro diodos para obtener una tensión de
salida, aunque todavía no va a ser estable.
En la misma imagen se puede ver la onda
de salida que se produce en el punto 1.
Cuando la entrada de corriente alterna que
entra al rectificador es positiva, los diodos
D2 y D3 conducen provocando que el
rizado de la onda de salida sea igual a la
de la entrada. En el caso contrario,
cuando la tensión de entrada es negativa,
conducen D1 y D4, de esta forma se
invierte la tensión de entrada y provoca
que el rizado de la onda sea igual a la
forma anterior y vuelva a ser positiva
En este rectificador de puente siempre
van a estar conduciendo dos diodos a la
vez (se dice que conducen dos a dos) por
Figura 12 Figura 13
10
lo que, en este caso, la tensión de pico
(Vmax) de la salida será de 2 voltios
menor que la de la entrada. Aunque la
pérdida aquí sea mayor que en el modelo
de media onda elaborado con un solo
diodo, el diseño de puente con cuatro
diodos posee mucho mejor rendimiento.
Esta forma de rectificar es tan común que
muchos fabricantes van a ofertar estos
diodos preparados ya en un solo
componente llamado puente rectificador.
Es por eso que los podremos encontrar en
el mercado de muchas formas, diseños y
características diferentes, por ejemplo
figura 14:
Van a presentar cuatro terminales, dos
para la entrada de tensión alterna
proveniente del transformador y dos para
la salida de la tensión rectificada (uno
para el positivo y otro para el negativo).
Se puede apreciar en los ejemplos
anteriormente mostrados que estos
encapsulados van a tener marcas que
identifican cada terminal, estas pueden
ser:
~ Para las dos entradas de tensión alterna.
+ Para la salida positiva.
- Para la salida negativa.
El uso de estos puentes rectificadores,
como alternativa al uso de cuatro diodos,
se hace muy factible ya que van a ocupar
menos espacio en las placas impresas. En
el caso de que el puente venga diseñado
para soportar grandes corrientes, va a
venir preparado además para ser montado
en un disipador de calor.
Hemos podido ver, en los diferentes
esquemas que muestran las formas de
ondas originadas por el osciloscopio,
como la tensión del rectificador que llega
a la carga (en estos circuitos representada
por la resistencia R1) es en forma de
pulsos. Cuando nos detenemos a analizar
un ciclo completo vemos que la tensión
aumenta de cero a su valor de pico
(Vmax) para posteriormente caer
nuevamente a cero.
1.3.3 El Filtro
La mayor parte de los equipos
electrónicos necesitan una verdadera
tensión continua, siendo la misma aquella
donde la magnitud de Vmax sea constante
en todo momento (similar a la que es
producida por una batería). Para lograr
esto se usa la etapa de filtrado.
La etapa de filtrado más sencilla y por
ende, más común con la que nos vamos a
encontrar en la mayoría de los casos es el
condensador a la entrada.
Los condensadores (también conocidos
por el nombre de capacitores) son
componentes electrónicos cuya
construcción es muy simple, ya que los
mismos van a estar formados por dos
placas metálicas de determinado tamaño
separadas a una cierta distancia por un
material aislante o dieléctrico (sustancia
esta que es mala conductora de la
electricidad y que presenta la propiedad
de amortiguar la fuerza de un campo
eléctrico que la atraviese, puede ser aire,
mica, papel, aceite, cerámica, etc.).
Figura 14
11
El símbolo con que es representado en los
planos electrónicos es figura 15:
La capacidad del condensador solamente
va a depender de forma directamente
proporcional del área de las placas e
inversamente proporcional de la
separación existente entre las mismas.
En cuanto a tecnologías de fabricación, se
puede decir que existe una gran variedad
en lo que a capacitores se trate. Dentro de
esta enorme gama podremos encontrar los
llamados electrolíticos, los cuales son los
de mayor capacidad. Estos deben su
nombre a que la capa aislante entre las
placas se fabrica de un papel absorbente
humedecido con ácido electrolítico.
Durante la fabricación se les hace circular
una corriente eléctrica entre sus placas
para crear una reacción química que
producirá una capa de óxido sobre las
placas metálicas, constituyendo este, el
verdadero dieléctrico del capacitor. En la
figura siguiente podemos ver
detalladamente la estructura interna
explicada anteriormente, así como
ejemplos del aspecto exterior de dos
capacitores electrolíticos figura 16.
Como se puede apreciar, este capacitor es
polarizado, en estos casos su
representación en los planos electrónicos
se realiza con alguno de los siguientes
símbolos figura 17:
En la imagen anterior se observa cómo es
identificado cada terminal polarizado del
capacitor electrolítico con un rasgo
diferente. Aunque en estos ejemplos
presentados se ha añadido el signo
positivo, en muchos planos no se incluye
este y se deja su identificación solamente
por el diseño del gráfico.
Para la construcción del filtro en cuestión,
lo único que se tendría que hacer es
añadir un condensador electrolítico en
paralelo a la salida de la etapa
rectificadora, o sea, paralelo a la entrada
de la carga, de esta forma figura 18:
Aunque se ha querido usar para ilustrar
este ejemplo el modelo de rectificador de
puente de diodos, es bueno señalar que
este método de filtrado es válido para
todos los demás modelos explicados
anteriormente. La diferencia de usar uno
u otro se pudiera reflejar en el rizado de la
onda obtenida.
En estos casos el condensador se va a
cargar con una tensión aproximadamente
igual a la tensión de pico del enrollado
secundario del transformador, ya que
Figura 15
Figura 16
Figura 17
Figura 18
12
habría que tener en cuenta la caída que
producen los diodos.
Para determinar los valores correctos de
los condensadores que serán utilizados en
un rectificador de puente de diodos se
utiliza lo que llaman la regla del 10%. Se
nombra así ya que el rizado de la onda
obtenida es de ese porcentaje. La fórmula
para su cálculo es la siguiente:
)(
5
maxVf
IC (1.10)
Donde C es la capacidad del condensador
(expresada en faradios), I es la intensidad
de la corriente suministrada por la fuente
(expresada en Amperios), f es la
frecuencia de la red (50 ó 60 Hz según las
normas del país) y Vmax sería la tensión
de pico de salida del puente rectificador.
Para obtener un rizado del 7% se tendría
que usar esta otra fórmula:
4.1)(
5
maxVf
IC (1.11)
Por ejemplo, deseamos construir una
fuente de alimentación para un circuito
que consume 250mA. Para esto se
dispone de un transformador con salida
de 12V y que entrega una corriente de
300mA. Veamos como calcular qué
condensador utilizar en este caso.
Calculamos Vmax teniendo en cuenta la
caída de tensión de los diodos del
rectificador (en este caso se asume que es
de tipo de puente de diodos, o sea, de
onda completa por lo que conduce dos a
dos).
VV 97.142)4142.1(12max
Con este dato, donde se ha calculado
aproximadamente la tensión de salida de
la fuente, podemos empezar a sustituir en
(1.10):
mFC 3916.1)97.14(60
25.0*5
La intensidad de la corriente que podrá
consumir el circuito a alimentar se ha
llevado de miliamperes a Amperes y la
frecuencia se ha asumido que es de 60
Hertz. Este último dato puede variar
según la región y país. El resultado final
expresado en microfaradios sería de
1391.6 µF. En este caso se escogería un
condensador con un valor lo más
aproximado posible por encima.
Para rizados de ondas menores se
recomienda usar otro tipo de filtrado,
incluso incluir un estabilizador.
A la hora de seleccionar el capacitor se
debe tener en cuenta no solo el valor de
su capacidad sino también la tensión para
la que fue diseñado. Cuando es usado un
capacitor en una tensión mucho menor
que para la que fue hecho, está casi sin
polarización de corriente continua. Este
hecho provoca el deterioro de la capa de
oxido y la consecuente falla del circuito
en el que esté insertado. En caso
contrario, o sea, que sea usado en
tensiones mayores de las que puede
soportar, puede provocar incluso la
explosión del capacitor.
Veamos a continuación el esquema
electrónico y aspecto exterior de la fuente
de alimentación PB-6509 modelo M34PB
de la EPSON, utilizada para alimentar las
tikeras (impresoras pequeñas) TM-U200,
TM-U300 y TM –U325 figura 19.
13
Se pueden presentar algunos casos donde
este tipo de filtrado tan sencillo no sea
suficiente y tendremos que darnos a la
tarea de construir otro haciendo uso de
algunos componentes electrónicos
adicionales.
Antiguamente era muy común encontrar
lo que se llama filtros pasivos RC. El
nombre viene dado porque el mismo va a
estar compuesto por una resistencia y un
condensador. El objetivo de esto era
perfeccionar aun más el rizado de la onda
de la tensión continua. Este filtro se
ubicaba entre el condensador del filtro (ya
explicado anteriormente) y el circuito a
alimentar. Veamos un ejemplo en el
siguiente esquema figura 20:
Aquí solamente se ha decidido
representar una etapa del filtro RC
(encerrada en el cuadro de líneas
discontinuas), pueden emplearse dos o
tres más, según lo requiera cada caso.
Actualmente no es muy usual ver este
tipo de filtrado en las fuentes modernas
ya que es más común el uso de circuitos
estabilizadores de la tensión.
Para la confección de este filtro RC se
puede escoger una resistencia de
aproximadamente 6.8 ohm y un
condensador de 1000 µF.
Una de las desventajas con las que nos
vamos a encontrar a la hora de utilizar el
filtro RC lo constituye la pérdida de
tensión en cada resistencia empleada.
Esto hace que la utilización del mismo
sea adecuada solamente para cargas
pequeñas, por ejemplo, circuitos digitales.
Puede hacerse uso de la ley de Ohm para
calcular la caída de tensión en cada
resistencia.
Cuando nos encontremos con que la
corriente que demanda la carga es grande
y necesitamos que la caída de tensión
continua sea pequeña, vamos a poder
optar por el diseño de filtros LC. Estos
últimos presentan una mejora con
respecto a los anteriormente explicados,
los filtros RC.
Estos filtros son nombrados LC debido a
que su construcción se basa en una bobina
y un condensador. A continuación se
representa el esquema de un circuito
mostrando la utilización de este filtro
figura 21.
En este ejemplo, para simplificar más el
circuito y ayudar a un mejor
entendimiento, también se ha querido
representar una sola etapa de filtrado
(aunque se pueden poner otras más, con
una sola se puede reducir el rizado de la
onda hasta niveles muy bajos). Se puede
Figura 19
Figura 20
Figura 21
14
apreciar que el diseño es igual que el
filtro RC pero, en este caso, se sustituye
la resistencia por una bobina, es por eso
que la caída de tensión es menor ya que
solo interviene la resistencia del
enrollado. El condensador C2 puede ser
también de 1000 µF.
A la hora de confeccionar o elegir las
bobinas a utilizar, tendremos que tener en
cuenta que, mientras más grandes sean
estas, mejor. Es normal ver en muchas
fuentes de alimentación como estos
enrollados suelen tener una proporción y
aspecto casi igual a la del transformador.
1.3.4 El regulador
1.3.4.1 Regulador con diodo Zener
El diodo zener se puede utilizar para
regular una fuente de voltaje figura 22.
Este semiconductor se fabrica en una
amplia variedad de voltajes y potencias
Estos van desde menos de 2 voltios hasta
varios cientos de voltios, y la potencia
que pueden disipar va desde 0.25 watts
hasta 50 watts o más.
La potencia que disipa un diodo zener es
simplemente la multiplicación del voltaje
para el que fue fabricado por la corriente
que circula por él, IzVzPz (1.12)
Esto significa que la máxima corriente
que puede atravesar un diodo zener es:
Vz
PzIz (1.13)
Donde:
Iz :Corriente que pasa por el diodo Zener
Pz: Potencia del diodo zener (dato del
fabricante)
Vz: Voltaje del diodo zener (dato del
fabricante).
1.3.4.2 Regulador Serie con transistor
de paso.
BEVVzVsal (1.14)
Hay ocasiones en que la cantidad de
corriente que se demanda de una fuente
de alimentación sobrepasa las
posibilidades de ésta. Si la demanda de
corriente es muy alta, el transistor de paso
se puede dañar.
En estos casos es necesario que el circuito
tenga un sistema de protección figura 24.
El siguiente circuito limitará la corriente a
un nivel seguro. Se observa que se ha
incluido un transistor y un resistor
adicional al circuito original.
Cuando el regulador esté funcionando, la
corriente que pasará por la carga también
pasará por el resistor R.
La tensión que hay a través de este
resistor es: VR = I x R (ley de Ohm), y es
la misma tensión que hay en la unión
base-emisor del transistor T2. El resistor
R tiene un valor fijo preestablecido y lo
único que puede hacer que la tensión VR
cambie es la corriente de la carga que
pasa por él
Figura 22
Figura 23
15
Mientras la tensión en el resistor esté por
debajo de 0.7 voltios, el transistor T2 no
conducirá y la fuente trabajará
normalmente.
Si hay un aumento de la corriente de
carga (IL), la caída de tensión a través del
resistor R aumentará y cuando ésta llegue
a 0.7 voltios el transistor T2 empezará a
conducir.
El colector de T2 está conectado a la base
de T1, que es el transistor de paso del
regulador, figura 24.
Cuando la corriente aumenta más de lo
debido, T2 conduce y le quita corriente a
la base de T1, esto a su vez reduce la
corriente de colector (corriente de carga
IL) de T1, que es la que llega a la carga.
Nota: Recordar que Ic = β Ib. Para un β
fijo, si disminuyó la corriente de base
(Ib), disminuyó la corriente de colector
(Ic)
Se puede diseñar un circuito regulador
como éste para una corriente de carga
máxima definida.
Ejemplo: Se desea un sistema de
regulación de tensión que tenga
protección contra sobrecorriente. La
máxima corriente permitida es de 0.5
Amperios.
Se sabe que la tensión base-emisor (VBE)
de T2 es 0.7 voltios y que la máxima
corriente permitida es de 0.5 amperios.
El resistor que se debe utilizar para lograr
esta limitación de corriente será:
4.15.0
7.0
max A
V
I
VR
L
BE.Se puede
utilizar una resistencia de 1.5 ohmios
La potencia de la resistencia será:
Aplicando la Ley de Joule:
P = I2
x R = 0.52 x 1.5 = 0.375 Watts. Se
utiliza una resistencia de 1.5 ohmios, ½
watt.
1.3.4.3 Regulador Retroalimentado
El circuito regulador se encarga de
reducir el rizado de la onda así como de
proveer una tensión de salida con la
magnitud exacta que se desee. A
continuación se presenta el esquema de
una fuente regulada figura 25:
Esta es de construcción muy fácil a la vez
que presenta buena eficiencia en su
funcionamiento. Es recomendable tener
cuidado con los cortocircuitos, ya que
puede dañarse el transistor Q2. Pasemos a
explicar detalladamente algunos de sus
componentes electrónicos:
Transformador: Puede dar una salida de
12, 15 ó 25 V con una intensidad de 1 a 5
amperios.
Figura 25
Figura 24
16
R1: Resistencia de 470Ω o puede ser
también de 1KΩ.
Q1: Transistor ECG 152.
Q2: Transistor 2SC458 (Neutralizador).
Q3: Transistor 2SC458 (Polarizador).
El potenciómetro se utiliza para regular el
voltaje de salida, mientras que el diodo
zéner tiene como función mantener el
voltaje en un nivel alrededor del los 3V
para que no se dañen los transistores. Esta
configuración permite que la fuente nos
brinde hasta 2 amperios, en el caso de que
se requiera más, es posible cambiando los
transistores por otros de mayor potencia.
Aunque el diseño y construcción de estos
reguladores de tensión no es una tarea
difícil, vamos a poder encontrar en el
mercado una variedad enorme de ellos
integrados en un solo encapsulado. Entre
los que podemos encontrar, están aquellos
que presentan tres terminales.
1.4.1 Reguladores fijos de tensión
positiva de la serie 78xx
Los reguladores de tensión representantes
de esta serie pueden ser encontrados con
diferentes formas o tipo. Una forma muy
común la constituyen los encapsulados
que pueden verse a continuación, figura
26:
El TO-220 es muy usado también en
transistores y variados circuitos
integrados. Normalmente se puede ver
con tres terminales o "patas", aunque se
fabrican también de dos, cuatro, cinco e,
incluso, siete terminales. Estos últimos
suelen ser largos debido a que son
diseñados para la tecnología through
hole, en donde los componentes
atraviesan la placa de circuito impreso.
Puede notarse en este modelo, que tiene
la característica de poseer el reverso
metálico con la presencia de un agujero
utilizado para atornillar este dispositivo
electrónico a algún disipador de calor. La
distribución de sus terminales va a ser la
siguiente, figura 27:
El D-PAK (del inglés discrete packaging)
es un diseño usado como tecnología del
montaje superficial. Esta última se basa
en la colocación de los componentes
electrónicos sobre la superficie misma del
circuito impreso. Los componentes que
presentan estas características se
denominan dispositivos de montaje
superficial, también conocidos por las
siglas SMD (del inglés Surface Mount
Device).
Esta serie de reguladores se caracteriza
porque la tensión presente entre los
terminales 2 y 3 (tierra y salida) es la
indicada en "xx". Es por eso que si
tenemos el regulador 7805, regulará a 5V,
el 7812 lo hará a 12V y así
sucesivamente. Existen reguladores de
esta serie para diferentes tensiones como
son: 5, 6, 8, 9, etc. De ahí que se
denominen reguladores fijos, ya que una
vez fabricados para una tensión
determinada, esta no se podrá variar. La
Figura 27
Figura 26
17
intensidad de la corriente capaz de ofrecer
ante una demanda varía según las letras
intercaladas detrás de los dos primeros
dígitos, por ejemplo, tenemos que:
78xx (sin letra): 1 A
78Lxx: 0'1 A
78Mxx: 0'5 A
78Txx: 3 A
78Hxx: 5 A (híbrido)
78Pxx: 10 A (híbrido)
En el caso de los de la serie LM78Lxx los
vamos a poder encontrar en encapsulado
diferente, como lo es el TO-92. Como
estos reguladores van a entregar
corrientes muy por debajo de 1A, no
sufren calentamiento peligroso y no es
necesaria su disipación. Inmediatamente
después del nombre se les incorpora un
sufijo, el cual puede ser "AC" (para un +/-
5%) o "C" (para un +/- 10%), que nos va
a indicar el error máximo en su salida o,
como también se suele llamar, la
tolerancia.
A la hora de trabajar con esta serie de
reguladores tendremos que tener en
cuenta los siguientes aspectos:
La tensión de salida existente entre los
terminales 2 y 3 siempre será de un valor
fijo, no variable, cuya magnitud estará en
dependencia del modelo que se utilice.
La corriente que entra o sale por el
terminal 2 (común) es prácticamente nula
y no se tiene en cuenta a la hora de
analizar el circuito de forma aproximada.
Se toma como referencia para el
regulador.
La tensión que entra por el terminal 1
deberá ser siempre alrededor de 2 ó 3
voltios superior a la que deberá salir por
el terminal 3 para asegurar un
funcionamiento correcto.
Estos reguladores poseen una protección
total contra sobrecargas y cortocircuitos
en la salida.
Es posible hacer uso de dos de estos
componentes para lograr fuentes que
entreguen a su salida tensiones diferentes.
Veamos el circuito de la figura 28:
En el caso de que se requiera de valores
de salida diferentes, bastaría con cambiar
los reguladores por otros que nos
proporcionen las tensiones deseadas.
Cabe hacer el señalamiento de que el
regulador de mayor tensión hay que
ubicarlo de primero y que la diferencia de
tensión entre este y el segundo tiene que
ser como mínimo de 3V. También se
tiene que tener en cuenta que la
intensidad de la corriente que puede
soportar este primer regulador es la suma
del consumo que se produzca en la
primera tensión más la generada en la
segunda, y que la suma de ambas no
puede superar 1A, de lo contrario, se
dañarían los componentes. Es
recomendable, no obstante, montar ambos
estabilizadores en disipadores de calor.
La potencia que van a tener que soportar
estos componentes integrados va a estar
en estrecha relación con la caída de
tensión (diferencia entre la tensión de
Figura 28
18
entrada y la de salida) y la intensidad de
corriente consumida por la carga. La
fórmula que nos permitirá calcular los
vatios consumidos es la siguiente:
(1.15)
Supongamos que tenemos el regulador
LM7805 cuya tensión de salida es de 5V
y se decide entrarle 10V mientras que la
carga conectada a su salida va a demandar
0,5A. El cálculo de la potencia
consumida, usando (1.15), quedaría:
Este cálculo es muy importante a la hora
de diseñar una fuente de alimentación ya
sea desde el punto de vista electrónico o
estético, debido a que de este resultado
dependerá la confección del disipador de
calor donde sea fijado el integrado. Hay
que tener en cuenta que la potencia que
no sea consumida por la carga, será
disipada en forma de calor por este
último. En el ejemplo anterior
supongamos que en vez de 10V,
aplicáramos solamente 8V a la entrada.
Sustituimos ahora en (1.15) y sería:
Vemos que ahora la potencia a soportar
por el integrado es menor y por lo tanto
habrá menos disipación de calor, trayendo
como consecuencia que se podrá
disminuir el tamaño del disipador.
Las aplicaciones prácticas de estos
componentes reguladores de tensión son
muy variadas. Aquí presentamos otro
ejemplo donde los podemos encontrar,
figura 29.
Este circuito no es más que una fuente de
alimentación de 6V y aproximadamente
1A de intensidad. La misma va a brindar
la tensión continua de salida estable ya
sea mientras se le mantenga
suministrando los 12V de la entrada o, en
caso de que este falle, lo hará desde su
batería. Esta última recibirá carga
mientras exista la tensión de entrada.
Pasemos a explicar detalladamente el
funcionamiento de todo el circuito, así
como el papel que juegan algunos de sus
componentes electrónicos:
A la entrada del circuito presentado (se
asume que ya la tensión de 12V viene
rectificada) se han colocado dos
capacitores de desacople.
D1: Led para indicar la existencia o no de
tensión. A este se le ha conectado en serie
una resistencia de 1KΩ con el objetivo de
limitar la corriente que circulará por el
mismo.
7806: Se utiliza para obtener una salida
regulada de 6V. Se le ha conectado, en su
salida, un capacitor de cerámica de 100
nF para filtrar cualquier corriente parásita
que pueda surgir.
Relé: Es usado aquí un modelo de al
menos cinco terminales, dos para
alimentar la bobina (será esta la
encargada de conmutar entre la tensión de
Figura 29
19
entrada y la de la batería), uno como
entrada común (C), uno que está en
estado normalmente cerrado (NC) y otro
en estado normalmente abierto (NA). La
tensión regulada y filtrada que sale del
7806 es conectada al terminal NA,
mientras que el lado positivo de la batería
es conectado al terminal NC. Siempre que
exista una presencia de tensión en la
entrada del circuito la bobina va a
mantener permitiendo el paso de corriente
entre los terminales C y NA. En este caso
a la salida de la fuente estará la tensión
estabilizada de 6V del regulador de
tensión. Cuando, por cualquier motivo,
falle la alimentación al regulador, la
bobina dejará de actuar y el relé
conmutará, para esta vez permitir el paso
de la corriente (de la batería) entre los
terminales C y NC.
El capacitor electrolítico de 4700 &µF
ubicado entre el terminal común del relé y
la salida de 6V es para mantener estable
la corriente cuando el relé realice el
cambio entre la tensión de entrada y la de
la batería.
D2: Led para indicar la posición de
cerrado o abierto del interruptor del
circuito. A este se le ha conectado en
serie una resistencia de 470 O con el
objetivo de limitar la corriente que
circulará por el mismo.
D5: Diodo 1N4007. Va a permitir junto
con la resistencia de 33 O y potencia de
5W que, mientras exista tensión en la
entrada del circuito, parte de la misma
antes de que entre en el regulador sea
enviada para dar carga a la batería. Ante
la ausencia de tensión de 12V en la
entrada, este diodo va a impedir que la
batería se descargue a través de todo el
sistema de regulación, ya que impide la
circulación de corriente en el sentido
contrario.
El resto del circuito que se ha adicionado
permite el monitoreo para el nivel de
carga de la batería y pudiera
implementarse de otras maneras
diferentes. Se ha utilizado aquí, en este
ejemplo, dos transistores de propósito
general del tipo NPN modelo 2N3903 ó
2N3904. Estos se pueden encontrar con el
encapsulado TO-92.
El funcionamiento de este monitor de
carga es muy sencillo. Cuando la batería
esté cargada, la tensión de la misma será
suficiente para excitar a T1 y que este
conduzca hacia D3. Esto permitirá, a su
vez, que T2 no sea excitado e impida el
encendido de D4. En el caso contrario, o
sea, que la tensión de la batería caiga por
debajo de los 4V aproximadamente, esta
no llega a excitar a T1 permitiendo la
existencia de tensión en la base de T2.
Esto último provocaría el encendido de
D4 e indicaría el estado de baja carga en
la batería. La resistencia de 18KΩ
conectada entre el positivo de la batería y
la base de T1 puede ser sustituida por un
resistor variable con el objetivo de que
nos permita seleccionar el punto de
encendido de D4.
Otro ejemplo de diseño de una fuente
sencilla se muestra a continuación junto a
la descripción de algunos de sus
componentes, figura 30:
C1 y C2: Capacitores de 100 nF. Derivan a
masa los transitorios provenientes de la
línea de entrada producidos por la
conexión/desconexión de cargas
inductivas.
Figura 30
20
C3 y C4: Capacitores electrolíticos
haciendo la función de filtro. C3 es de
2200 µF y C4 es de 220 µF.
78xx: Regulador que puede ser 7805,
7808, 7812, 7815, de necesitarse más
cantidad de Watt a la salida pudiera
utilizarse los de la serie LM340.
C5: Capacitor de 100 nF. Usado para el
desacople de ruidos de alta frecuencia.
Aunque el 7809 nos proporciona una
buena salida de 9V, también es verdad
que la intensidad de corriente es baja. A
continuación se muestra un diseño que
permite obtener 9V a partir de los 12
provenientes de la batería de un
automóvil, figura 31:
Este circuito permite entregar hasta 2A,
en caso de querer más, solamente
tendríamos que cambiar el transistor
propuesto por otro de mayor capacidad.
Es posible también sustituir el diodo
zéner por otro de 10V y la resistencia por
un preset de 1KΩ con la finalidad de
obtener un ajuste más preciso.
De querer conectar realmente el circuito
anterior a la batería de un auto, es preciso
incluirle en la entrada un fusible.
Reguladores fijos de tensión negativa de
la serie 79xx
Los ejemplares de esta serie son análogos
a los de la serie 78xx excepto en la
distribución de los terminales y en que la
tensión de salida es negativa, figura 32.
Esta serie de reguladores se suele usar
mucho en combinación con los de la 78xx
con el objetivo de suministrar tensiones
simétricas. Se dice que una fuente de
alimentación es simétrica cuando va a ser
capaz de suministrar una tensión de + xx
Voltios y otra de – xx voltios respecto a
masa. Para esto se utiliza un
transformador con doble secundario igual
al empleado en el rectificador de onda
completa con derivación central. A
continuación se puede ver un ejemplo del
uso de esta combinación de reguladores,
figura 33:
El valor de los capacitores puede ser
hallado utilizando la regla del 10%
explicada ya con anterioridad en el tema
dedicado a los filtros.
Para que se tenga una noción más clara de
la cantidad de componentes electrónicos
que son incluidos dentro de estos
pequeños encapsulados, presentamos a
continuación el esquema del regulador
Figura 31
Figura 33
Figura 32
21
LM7905 (regula a -5V) que viene en su
hoja de datos, figura 34:
Regulador ajustable de tensión positiva
LM317
Este integrado es capaz de proporcionar,
en su salida, una tensión variable. Para
lograr esto, solamente basta con
adicionarle al circuito una resistencia y un
potenciómetro. A continuación tenemos
un esquema donde se observa la
distribución de los pines del LM317 así
como una de las diferentes formas en que
lo vamos a poder ver funcionando, figura
35:
Si ajustamos el valor del potenciómetro
(R2) a su menor valor (o sea una
resistencia de 0 ohm) la tensión entre los
terminales 1 y 2 será de 1,25V. En la
misma media en que se aumente el valor
del potenciómetro la tensión en la salida
irá aumentando. Podemos llegar a la
conclusión de que con este tipo de
regulador la salida siempre será ajustada
de 1,25V en adelante. Por otro lado
tenemos que la selección de los valores de
las resistencias R1 y R2 va a estar en
dependencia de la tensión máxima que
deseemos obtener. Un método muy
utilizado es darle un valor fijo a R1 y
calcular R2. Este valor fijo suele ser 240
ohm. La forma en que se han conectado
estas dos resistencias se conoce como
divisor resistivo.
La fórmula que nos permite calcular el
valor de R2 es la siguiente:
(1.16)
Supongamos que queremos diseñar una
fuente de alimentación con una salida de
12V. Pongamos, como se mencionó
anteriormente, el valor de R1 a 240 ohm y
sustituyendo en la fórmula (10) nos
quedaría:
El resultado es de 2064 ohm. Podríamos
utilizar para R2 una resistencia de 2
Kohm que es el valor más próximo.
Aunque en teoría se le puede dar
cualquier valor a R1, se recomienda usar
los que estén entre 100 ohm y 330 ohm.
Es posible también con este regulador
poder diseñar fuentes que nos brinden
más de un voltaje en la salida. A
continuación se muestra un esquema
donde un conmutador permite seleccionar
diferentes resistencias lo que provoca que
Figura 34
Figura 35
22
se obtengan salidas también diferentes,
figura 36.
La tabla del esquema nos muestra los
valores de cada una de las resistencias así
como el voltaje que se obtendría con su
empleo. Cambiando las resistencias
expuestas aquí por otras de diferentes
valores, se podrá modificar los voltajes de
salida de la fuente.
Otro ejemplo lo podemos apreciar en el
siguiente circuito, figura 37:
Este diseño es usado para obtener
diferentes voltajes a partir de los 12 Volt
de la batería de los automóviles. Es
recomendable, aunque no se haya
incluído aquí, colocar un fusible de 1A a
la entrada del circuito para protegerlo de
cortocircuito. Las diferentes tensiones de
salida que nos proporciona son 3V, 6V y
9V, empezando desde arriba hacia abajo
respectivamente. Como se puede apreciar,
el conmutador en posición abierta
proporciona 9V, es por eso que se
recomienda no tener equipos conectados
en el momento de accionar dicho
conmutador. Con esto evitaríamos que
equipos de menos voltajes sean dañados
al cambiar la selección de tensión.
En nuestros talleres de reparación y
laboratorios es imprescindible contar con
una fuente de alimentación de salida
variable. Veamos ahora a continuación el
esquema electrónico de un modelo que
proporciona una salida ajustada entre 1,5
y 15 volts, entregando una corriente de
hasta 15A. Esta cantidad enorme de
corriente es posible, como se puede ver
en el circuito, gracias a los 4 transistores
de potencia (del tipo 2N3045) trabajando
en paralelo. Es altamente necesario que
los mismos sean montados en buenos
disipadores de calor para evitar el
deterioro de alguno de ellos. Las
resistencias conectadas a cada uno de los
emisores de cada transistor son de 470
ohm y deben ser capaces de soportar
hasta 10W de potencia.
El enrollado primario del transformador
debe responder a los requerimientos de la
red eléctrica, mientras que el secundario
debe ser capaz de proporcionar una
tensión de 16V y una intensidad de hasta
15ª, figura 38.
Los 4 capacitores electrolíticos
conectados a la salida del puente
Figura 36
Figura 37
Figura 38
23
rectificador son de 4700 µF/40V y son
conectados en paralelo para que se sumen
entre sí.
El ajuste de la tensión de salida se
produce a través del potenciómetro lineal
de 10KΩ ubicado en el terminal 1 del
integrado regulador.
La fuente de alimentación modelo 48-5.2-
650R de la marca Metrologic y utilizada
para dar alimentación a un modelo de
lector de códigos de barra, utiliza este
tipo de regulador. A continuación se
muestra tanto su circuito electrónico
como su aspecto exterior, figura 39.
También es posible ver a este regulador
en circuitos pequeños y sencillos como el
que se muestra a continuación, figura 40:
Este es un diseño que se puede utilizar
como un suministrador de tensión de 12
volt ininterrumpidos, o sea, una especie
de respaldo eléctrico o backup, como se
conoce comúnmente.
El funcionamiento de este circuito es muy
sencillo. Cuando existe tensión en la
entrada (el LED, con la resistencia
limitadora de corriente de 1K, lo indica)
se mantiene cargada la batería y
alimentado el dispositivo conectado a la
salida. D3 impide el paso masivo de
tensión y corriente a la batería. Al cesar
dicha tensión entonces se procede de
forma automática a alimentar el
dispositivo desde la batería, en este caso
el diodo D1 impide que la corriente
proveniente de la batería retroceda a la
fuente original y al LED (por lo que este
no enciende en este estado), mientras que
D2 impide la descarga de la batería a
través del integrado regulador.
La carga de la batería es operada por el
regulador y la resistencia de 100 ohms.
En el caso de que se decida hacer uso de
una batería de mayor capacidad de carga
se deberá disminuir la resistencia,
mientras que si se decide emplear una
batería más pequeña entonces se deberá
incrementar el valor de dicho
componente.
Visto todo lo anterior, es necesario
terminar adicionando que el encapsulado
con que vamos a encontrar al LM317,
generalmente es el mismo que los
explicados con anterioridad para las series
78xx y 79xx. Aunque en este caso, el
terminal 1 se ha nombrado "Común",
también lo podremos ver en algunas
literaturas como ADJ (del inglés adjust).
Esta serie de reguladores LM317, al igual
que los de la serie 78xx y 79xx, poseen
una protección total contra sobrecargas y
cortocircuitos en la salida. Tiene la
característica de que puede suministrar no
más de 1,5A a la carga conectada en su
salida.
Figura 39
Figura 40
24
Regulador ajustable de potencia LM350
Este integrado regulador tiene un
funcionamiento exactamente igual que el
LM317, con la diferencia de que es capaz,
por sí solo, de suministrar 3A a la carga
conectada a su salida.
En el caso de que quisiéramos conseguir
más de 3A en la salida, se puede recurrir
al siguiente circuito donde es utilizado un
transistor para ampliar la corriente de
salida, figura 41:
La resistencia R1 es de 0,6 ohm y es
usada para detectar la corriente máxima
que pasará por el regulador. Mientras la
corriente en los bornes de esta resistencia
sea menor de 1A el transistor esta en
corte y el regulador LM350 trabajará
solo. Cuando la corriente sea mayor de
1A el transistor empieza a conducir
suministrando la corriente extra superior a
1A. Se puede ver como el regulador
solamente conducirá, como máximo, una
corriente de poco más de 1A mientras que
el resto será proporcionado por el
transistor. Debido a esto, el regulador
LM350 puede ser sustituido fácilmente
por el LM317 obteniendo los mismos
resultados.
La intensidad de corriente deseada, así
como la potencia consumida, está en
dependencia del transistor a utilizar. Se
puede usar el TIP32 para obtener hasta
4A mientras que si decidimos poner un
MJ16016 podremos llegar hasta 16A. Se
pueden utilizar otros transistores PNP de
potencia según sean las necesidades. La
resistencia será de 3 ó 4 W en
dependencia del transistor que se decida
emplear.
Figura 41
25
Material Adicional
FUENTES CONMUTADAS
CONFIGURACIONES BÁSICAS:
Las fuentes conmutadas son de circuitos
relativamente complejos, pero podemos
siempre diferenciar cuatro bloques
constructivos básicos:
En el primer bloque rectificamos y
filtramos la tensión alterna de entrada
convirtiéndola en una continua pulsante.
El segundo bloque se encarga de
convertir esa continua en una onda
cuadrada de alta frecuencia (10 a 200
kHz.), La cual es aplicada a una bobina o
al primario de un transformador. Luego el
segundo bloque rectifica y filtra la salida
de alta frecuencia del bloque anterior,
entregando así una continua pura.
El cuarto bloque se encarga de comandar
la oscilación del segundo bloque. Este
bloque consiste de un oscilador de
frecuencia fija, una tensión de referencia,
un comparador de tensión y un
modulador de ancho de pulso (PWM). El
modulador recibe el pulso del oscilador y
modifica su ciclo de trabajo según la
señal del comparador, el cual coteja la
tensión contínua de salida del tercer
bloque con la tensión de referencia.
Aclaración: ciclo de trabajo es la relación
entre el estado de encendido y el estado
de apagado de una onda cuadrada.
En la mayoría de los circuitos de fuentes
conmutadas encontraremos el primer y el
cuarto bloque como elementos
invariables, en cambio el cuarto y en
segundo tendrán diferentes tipos de
configuraciones. A veces el cuarto bloque
será hecho con integrados y otras veces
nos encontraremos con circuitos
totalmente transistorizados.
El segundo bloque es realmente el alma
de la fuente y tendrá configuraciones
básicas: BUCK , BOOST, BUCK-
BOOST.
Buck: el circuito interrumpe la
alimentación y provee una onda cuadrada
de ancho de pulso variable a un simple
filtro LC. La tensión aproximada es Vout
= Vin * ciclo de trabajo y la regulación se
ejecuta mediante la simple variación del
ciclo de trabajo. En la mayoría de los
casos esta regulación es suficiente y sólo
se deberá ajustar levemente la relación de
vueltas en el transformador para
compensar las pérdidas por acción
resistiva, la caída en los diodos y la
26
tensión de saturación de los transistores
de conmutación.
Boost: el funcionamiento es más
complejo. Mientras el Buck almacena la
energía en una bobina y éste entrega la
energía almacenada más la tensión de
alimentación a la carga.
Buck-Boost: los sistemas conocidos como
Flyback son una evolución de los
sistemas anteriores y la diferencia
fundamental es que éste entrada a la carga
sólo la energía almacenada en la
inductancia. El verdadero sistema Boost
sólo puede regular siendo Vout mayor
que Vin, mientras que el Flyback puede
regular siendo menor o mayor la tensión
de salida que la de entrada.
En el análisis de los sistemas Boost
comenzamos por saber que la energía que
se almacena en la inductancia es
entregada como una cantidad fija de
potencia a la carga: Po = ( L I² fo) / 2 ; I
es la corriente de pico en la bobina, fo es
la frecuencia de trabajo, L es el valor de
la inductancia. Este sistema entrega
siempre una cantidad fija de potencia a la
carga sin fijarse en la impedancia de la
carga, por eso es que el Boost es muy
usado en sistemas de flash fotográficos o
en sistemas de ignición del automotor
para recargar la carga capacitiva, también
es usado como un muy buen cargador de
baterías. Pero cuando necesitamos
alimentar un sistema electrónico con
carga resistiva debemos conocer muy
bien el valor de resistencia para poder
calcular el valor de la tensión de salida:
Vo = ( Po.Rl )^½ = I ( ½ L fo Rl )^½,
donde Rl es el valor de resistencia del
circuito. En este caso la corriente de la
bobina es proporcional al tiempo de
conectado o al ciclo de trabajo del
conmutador y la regulación para cargas
fijas se realiza por variación del ciclo de
trabajo.
CONFIGURACIONES BÁSICAS
RECOMENDADAS
Las configuraciones más recomendadas
por los fabricantes se diferencian en
potencia, modo, precio, utilidad y calidad.
Son muy comunes las siguientes
configuraciones:
CIRCUITO - POTENCIA
Convertidores DC (Buck) - 5
Watts
Flyback - 50 Watts
Forward (Boost) - 100 Watts
Half-Bridge - 200 Watts
Full-Bridge - 500 Watts
FLYBACK Y FORWARD (BOOST):
Rango desde 50 hasta 250 vatios.
Variación del voltaje de entrada:
Vin +10%, -20%
Eficiencia del convertidor: h =
80%
Regulación por variación del ciclo
de trabajo: d(max) = 0.4
Máx. corriente de trabajo en el
transistor:
Iw = 2 Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 )
= 5.5 Pout / Vin (FLYBACK)
Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) =
2.25 Pout / Vin (FORWARD)
27
Máx. tensión de trabajo del
transistor: Vw = 2 Vin(max) 1.41
+ tensión de protección
Configuración básica:
En el regulador flyback se puede variar
sutilmente el modo de trabajo, contínuo o
discontinuo.
Modo Discontínuo: es el modo Boost
estrictamente, donde la energía se vacía
completamente del inductor antes de que
el transistor vuelva a encenderse.
Modo Contínuo: antes que la bobina se
vacié enciende nuevamente el transistor.
La ventaja de este modo radica en que el
transistor sólo necesita conmutar la mitad
de un gran pico de corriente para entregar
la misma potencia a la carga.
El regulador Forward difiere del Flyback
en que agrega un diodo más para ser
usado como diodo de libre rodado en el
filtro LC y un devanado más en el
transformador para lograr el
reestablecimiento. Gracias a todo esto
puede entregar potencia a la carga
mientras el transistor está encendido. El
ciclo de trabajo no puede superar el 50%.
PUSH-PULL:
Rango desde 100 hasta 500 vatios.
Variación del voltaje de entrada:
Vin +10%, -20%
Eficiencia del convertidor: h =
80%
Regulación por variación del ciclo
de trabajo: d(max) = 0.8
Máx. corriente de trabajo en el
transistor:
Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) =
1.4 Pout / Vin (FORWARD)
Máx. tensión de trabajo del
transistor: Vw = 2 Vin(max) 1.41
+ tensión de protección
Configuración básica:
28
HALF-BRIDGE:
Rango desde 100 hasta 500 vatios.
Variación del voltaje de entrada:
Vin +10%, -20%
Eficiencia del convertidor: h =
80%
Regulación por variación del ciclo
de trabajo: d(max) = 0.8
Máx. corriente de trabajo en el
transistor:
Iw = 2 Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 )
= 2.8 Pout / Vin (FORWARD)
Máx. tensión de trabajo del
transistor: Vw = Vin(max) 1.41 +
tensión de protección
Configuración básica:
Opcionalmente agregando un capacitor de
acoplamiento:
FULL-BRIDGE:
Rango desde 500 hasta 1000
vatios.
Variación del voltaje de entrada:
Vin +10%, -20%
Eficiencia del convertidor: h =
80%
Regulación por variación del ciclo
de trabajo: d(max) = 0.8
Máx. corriente de trabajo en el
transistor:
Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) =
1.4 Pout / Vin (FORWARD)
Máx. tensión de trabajo del
transistor: Vw = Vin(max) 1.41 +
tensión de protección
Configuración básica:
Fuentes conmutadas vs. fuentes lineales
Básicamente existen dos formas de
realizar una fuente de alimentación
regulada.
Una de ellas consiste en hacer una fuente
que entregue mayor tensión de la
requerida a la salida. Entre la fuente y la
carga se coloca un dispositivo regulador
que no hace otra cosa que disminuir la
29
tensión de la fuente hasta un valor
deseado manteniéndolo constante. Para
lograr esto, se utilizan transistores que
trabajan como resistencias variables. De
esta manera, parte de la potencia de la
fuente llega a la carga y parte se
transforma en calor que se disipa luego en
el aire.
A estos dispositivos se los denomina
reguladores lineales y se caracterizan por
generar bastante calor para potencias
medianas y altas (figura 1).
Otro tipo de reguladores son capaces de
tomar de la fuente sólo la potencia que la
carga requiere. De esta manera,
prácticamente no hay potencia disipada
en forma de calor y por ello su eficiencia
es mucho mayor.
El principio de funcionamiento de estos
reguladores consiste en transformar la
tensión continua de la fuente en una serie
de pulsos que tienen un ancho
determinado. Estos pulsos son luego
integrados y transformados nuevamente
en una tensión continua. Variando el
ancho de los pulsos es posible controlar la
tensión de salida. A los reguladores que
emplean este principio se los denomina
reguladores conmutados (figura 2).
Como podrán imaginar la complejidad
circuital de los reguladores conmutados
había relegado su uso, hasta no hace
mucho tiempo, al campo de las altas
potencias o aplicaciones especiales. Sin
embargo ahora se cuenta con circuitos
integrados que facilitan y reducen los
costos de este tipo de reguladores con lo
cual su uso se ha extendido enormemente
en los últimos años.
Fuentes de alimentación para PCs
Toda PC actual cuenta con una fuente de
alimentación regulada conmutada de gran
calidad y rendimiento.
Estas fuentes, se pueden obtener como un
componente separado en los negocios del
ramo. Existen distintas versiones que
proporcionan distintas potencias de salida
siendo las más usuales las de 200 y 250
Wats.
Cada fuente cuenta con conectores para el
cable de entrada de 220V o 110V y un
ventilador. Todo en una pequeña cajita
30
metálica con abundantes orificios de
ventilación.
Estas fuentes son en realidad fuentes
conmutadas que utilizan un muy conocido
circuito integrado especialmente diseñado
para este fin, el TL494. Gracias a este
integrado, se pueden hacer fuentes
conmutadas a un bajo costo ya que en él
están presentes todos los circuitos de
control necesarios y sólo es necesario
agregar algunos componentes pasivos
(resistencias y capacitores) y transistores
de potencia.
Diseño de una fuente conmutada
MATERIAL:
1 UA78S40PC
1 CAPACITOR 4.7n Fd.
1 CAPACITOR 100u Fd.
1 BOBINA DE 32u hy.
1 RESISTOR 1.2k, 101, 0.1, 1, 47ohms.
1 POTENCIOMETRO.
1 DIODO de 8 AMP.
DESARROLLO:
Para el desarrollo de está práctica nos
basamos en el convertidor de dc-dc de
subida, el voltaje de entrada es de 12 volts
y a la salida tenemos 24 volts de dc. para
el cálculo de esta práctica nos basamos en
las fórmulas de diseño en las hojas de
especificación del circuito 78s40 de
motorola.
ahora mostramos el diseño con estas
formulas:
Datos:
VS=Vin=12.
Vout= 24
Iout=1 amp.
Vripple= 1% = voltaje rizo.
ton=1.1471toff
ton>=10us ; toff>=10us.
(ton+toff)<=50us.
toff=10us.
CT=45x10-5x toff =45 x10-5 x10us=
4.5nFd aprox. 4.7nFd.
por lo tanto :
ton=10.44us x 1.1471 = 11.98us
Se decidió poner un capacitor de 100ufd.
a 63 volts.
R1+R2=24Kohms
R1= Potenciometro de 25K.
31
con estos valores de resistores,
capacitores y bobina se procedió al
armado del convertidor. cabe señalar que
para la construcción de la bobina se uso
un toroide. aquí mostramos el circuito
terminado:
MEDICIONES:
Se midió el voltaje rizo y fue de : .525
volts que se aproxima a nuestros valores
de cálculo, también se puso a la salida 2
focos, se midió la corriente y fue de .95
amp, y el voltaje de salida fue de 23.9
volts este valor se acerco mucho al
calculado.
Se pusieron distintas cargas, para valores
de impedancia que no pidieran más
corriente mayor a 1 ampere el voltaje se
mantenía constante, pero al pedirle más
corriente el voltaje de salida se caía, como
era lo pensado. por lo general el
convertidor funciono correctamente en los
rangos aceptables.
REGULADORES CON
CONMUTACIÓN EN EL PRIMARIO.
En la figura 1.6 muestra el circuito básico
de un regulador con conmutación en el
primario. La tensión de la red es
rectificada directamente por medio de un
puente de diodos. Los condensadores
alisadores conectados en serie C1, C2,
tienen entonces cada uno una tensión de
150 V. Con los transistores
conmutadores, T1 y T2, las tensiones
U1 +150 V, si T1 conduce
-150 V, si T2 conduce
Pueden ser aplicadas alternativamente al
arrollamiento primario del transformador
de alta frecuencia. El primario está
conectado al rectificador de red de tal
manera que por el no circula corriente
continua. Esto evita que el transformador
se sature si los tiempos de conducción de
T1 y T2 no son iguales.
figura 1.6 circuito básico de un
regulador de conmutación del
primario.
La tensión alterna del secundario del
transformador es rectificada por un
circuito puente. Esta conexión particular
es preferible para este tipo de regulador
ya que en un instante cualquiera sólo hay
un diodo que produce perdidas. Él
arrollamiento secundario adicional
normalmente evitado en funcionamiento a
50 Hz no representa dificultades en la
operación de alta frecuencia. Estos
aspectos son particularmente importantes
para generar pequeñas tensiones de salida,
ya que los diodos D1 y D2 son la
32
principal causa de perdida. Para mantener
en el mínimo las perdidas estática y
dinámica se recomienda utilizar diodos de
potencia Schottky, por ejemplo los tipos
MBR3520....MBR7545 de motorota.
De la misma manera que para el
regulador con conmutación en el
secundario, el aislamiento de la tensión de
salida se obtiene por medio de un
elemento LC.
La unidad de control es en principio
idéntica a la del regulador con
conmutación en el secundario. Sin
embargo, se requiere un circuito exitador
adicional para distribuir la señal de
conducción al transistor conmutador
apropiado. Como los transistores están
conectados al primario del transformador
y el circuito exitador tiene una unidad de
control para el secundario, los transistores
deben estar aislados del circuito exitador.
Para la transmisión de impulsos de u
optoacopladores.
Con el fin de que la disipación de
potencia de los transistores conmutadores
pueda ser pequeña, deben ser conmutados
en conexión y desconexión tan
rápidamente como sea posible y nunca
deben estar conduciendo
simultáneamente. Con el diseño optimo
se pueden obtener rendimientos de más
del 80%. La unidad de control se puede
adquirir como circuito integrado.
La disipación descrita también puede ser
directamente alimentada por una tensión
de c.c, en lugar de por una tensión de c.a,
rectificada. Funciona como transformador
de tensión de c.c, altamente eficiente
(convertidor c.c./c.c.).
REGULADORES CON
CONMUTACIÓN EN EL
SECUNDARIO.
En la figura 1.7 muestra el circuito básico
de un regulador con conmutación en el
secundario (el regulador reductor). El
transistor T1 es periódicamente puesto en
estado de corte y en estado de saturación
con una frecuencia de 20 kHz
aproximadamente. El diodo D evita que
sean inducidas altas tensiones en la
reactancia durante la puesta en el corte
del transistor ya que mantiene el flujo de
corriente en la reactancia. Así, durante el
tiempo de corte, no solo el condensador
sino también la reactancia contribuyen a
la corriente de salida, y de esta manera sé
obtiene una tensión de salida bien aislada
sin perdida de potencia.
figura 1.7 circuito básico de un
regulador de conmutación del
secundario.
figura 1.8 diagrama de bloques de la
unidad de control.
En la figura 1.8 esta representado el
diagrama de bloques de la unidad de
control. El controlador compara la tensión
de salida con la tensión de referencia. Si
la tensión de salida es demasiado pequeña
el ciclo de servicio ton/T de la tensión de
33
control Vc es aumentado por el
modulador. La frecuencia, f = 1 / T, de la
tensión de control permanece constante
en este proceso. Esta determinada por el
oscilador.
Para el diseño del regulador de
conmutación debemos determinar
inicialmente la dependencia de la
corriente de la bobina de reactancia con
respecto al tiempo. Para empezar
suponemos que el condensador es
infinitamente grande para que la
ondulación de la tensión de salida sea
cero.
La ley de Farad ay de la inducción de la
expresión
UL = L*d/Ldt
CONCLUSIÓN
Este trabajo proporciono las
características de las fuentes conmutadas,
su funcionamiento, diseño, construcción,
aplicaciones. También nos señalo las
principales diferencias entre una fuente
conmutada y una fuente común. Indico la
utilidad y eficacia de una fuente
conmutada.
BIBLIOGRAFÍA
N. MOHAN, T. M. UNDELAND and W.
P. ROBBINS: Power Electronics:
Converters, Applications and Design.
New York, John Wiley and Sons, 1995.
G. C. CHRYSSIS: High-Frequency
Switching Power Supplies: Theory and
Design. New York, McGraw-Hill, 1989.
J. L. MUÑOZ y S. HERNÁNDEZ:
Sistemas de alimentación conmutados.
Madrid, Paraninfo, 1997.
K.H. BILLINGS: Switchmode Power
Supply Handbook. New York, McGraw-
Hill, 1989.
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