Fuentes de alimentacion

2011

FUENTES DE ALIMENTACION DC LINEALES

Felipe Isaac Paz Campos UNI 29/03/2011

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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.

1.2.2 Fuentes de alimentación Conmutadas

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.

RL

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.

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 2

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.

Figura 3

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:

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 3

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:

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:

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 4

número de vueltas o espiras de ambos enrollados. Esta relación la podemos expresar a través de cualquiera de las siguientes fórmulas:

V1 N1  V2 N 2

V2 N 2  V1 N1

(1.1)

(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:

V2 

V1 N ( 1) N2

N2 N1

V2  V1 (

(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:

V2 

V1 115 115    23V N1 200 5 ( ) 40 N2

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:

(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:

V2  V1

Por lo tanto, vamos a tener que si se cumple que N2N1 entonces la tensión del secundario será mayor que la del primario y estaremos en presencia esta vez de un transformador elevador.

N2 )f N1

(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:

V1  V2

N1 N2

(1.6)

En ocasiones nos vamos a encontrar con transformadores confeccionados por otros fabricantes, como por ejemplo, el de la figura 7: 5

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.

Figura 7

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:

N 125 N1   6.94  1 18 N 2 N2 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:

I1 

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: (1.7)

I2 N1 N2

(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):

I1 

220 V2   31.7V 6.94

I 2 N1  I1 N 2

Si quisiéramos calcular la intensidad de corriente que circula por el enrollado primario, pudiéramos despejar en (1.7) y obtener:

0.4  0.08 A  8mA 200 40

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 6

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:

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:

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.

Vmax  X (1.4142)  D

(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:

Vmax  6(1.4142)  1  7.5V Veamos ahora si a ese mismo transformador se le conecta un rectificador en puente (conducen los diodos de dos en dos) la operación sería:

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Vmax  6(1.4142)  2  6.5V 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.

frecuencia. Como se puede apreciar en la figura 11, en el mismo se va a hacer uso solamente de un diodo.

Figura 11 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 PN. 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 PN) 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

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.

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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.

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:

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 9

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:

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

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

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.).

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El símbolo con que es representado en los planos electrónicos es figura 15:

se realiza con alguno de los siguientes símbolos figura 17:

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.

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:

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. Figura 16

Como se puede apreciar, este capacitor es polarizado, en estos casos su representación en los planos electrónicos

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

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habría que tener en cuenta la caída que producen los diodos.

la fuente, podemos empezar a sustituir en (1.10):

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:

C

C

5I f (Vmax )

(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:

C

5I 1.4 f (Vmax )

(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).

V max  12(1.4142)  2  14.97V

5 * 0.25  1.3916mF 60(14.97)

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.

Con este dato, donde se ha calculado aproximadamente la tensión de salida de 12

Para la confección de este filtro RC se puede escoger una resistencia de aproximadamente 6.8 ohm y un condensador de 1000 µF.

Figura 19

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:

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.

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.

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 13

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.

Figura 22

1.3.4.2 Regulador Serie con transistor de paso.

Figura 23

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, Pz  IzVz (1.12) Esto significa que la máxima corriente que puede atravesar un diodo zener es:

Pz Iz  Vz

(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).

Vsal  Vz  VBE

(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

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Mientras la tensión en el resistor esté por debajo de 0.7 voltios, el transistor T 2 no conducirá y la fuente trabajará normalmente.

El resistor que se debe utilizar para lograr esta limitación de corriente será:

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 T 2 empezará a conducir.

utilizar una resistencia de 1.5 ohmios

El colector de T2 está conectado a la base de T1, que es el transistor de paso del regulador, figura 24.

Figura 24

R

VBE 0.7V   1.4 .Se puede I L max 0.5 A

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:

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.

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.

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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:

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:

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 16

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:

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.

78xx (sin letra): 1 A 78Lxx: 0'1 A

Estos reguladores poseen una protección total contra sobrecargas y cortocircuitos en la salida.

78Mxx: 0'5 A 78Txx: 3 A 78Hxx: 5 A (híbrido)

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:

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.

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 17

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.

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 18

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:

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.

19

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:

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:

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.

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 20

LM7905 (regula a -5V) que viene en su hoja de datos, figura 34:

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:

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.

Figura 35

Si ajustamos el valor del potenciómetro (R2) a su menor valor (o sea una resistencia de 0 ohm) la tensión entre los

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 21

se obtengan salidas también diferentes, figura 36.

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:

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.

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

Figura 38

Los 4 capacitores electrolíticos conectados a la salida del puente 22

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 48-5.2650R 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.

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.

Figura 39

También es posible ver a este regulador en circuitos pequeños y sencillos como el que se muestra a continuación, figura 40:

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.

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.

El funcionamiento de este circuito es muy sencillo. Cuando existe tensión en la 23

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.

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.

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:

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 24

Material Adicional

entre el estado de encendido y el estado de apagado de una onda cuadrada.

FUENTES CONMUTADAS CONFIGURACIONES BÁSICAS: Las fuentes conmutadas son de circuitos relativamente complejos, pero podemos siempre diferenciar cuatro bloques constructivos básicos:

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, BUCKBOOST.

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

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 25

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) 26



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.

PUSH-PULL: 














Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 1.4 Pout / Vin (FORWARD) 

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%.

Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = 2 Vin(max) 1.41 + tensión de protección

Configuración básica:

27

HALF-BRIDGE: 





























Iw = 2 Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 2.8 Pout / Vin (FORWARD)

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

Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = Vin(max) 1.41 + tensión de protección Configuración básica:

Configuración básica:

Opcionalmente agregando un capacitor de acoplamiento: Fuentes conmutadas vs. fuentes lineales Básicamente existen dos formas de realizar una fuente de alimentación regulada.

FULL-BRIDGE:

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 28

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 29

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.

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

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.

Se decidió poner un capacitor de 100ufd. a 63 volts. R1+R2=24Kohms

R1= Potenciometro de 25K. ahora mostramos el diseño con estas formulas: Datos:

30

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:

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.

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

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 31

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 32

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.

K.H. BILLINGS: Switchmode Power Supply Handbook. New York, McGrawHill, 1989.

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. 33

Fuentes de alimentacion

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