FUENTE REGULADA DE TENSIÓN DC CON BJT Y ZENNER 1. ¿QUÉ ¿QUÉ ES UNA UNA FUEN FUENTE? TE?
En elec electr trón ónic ica, a, una una fuente e !"#$ent!%#&n es un dispositivo que conv convie iert rte e la tensión alterna de alterna de la red de suministro, en una o varias tensiones, prácticamente continuas continuas,, que alimentan los distintos circuitos del aparato electrónico al que se conecta. Para lograr este proceso, la tensión que ingresa a la fuente pasa por una serie de fases, las cuales se explicarán con mayor detenimiento en el transcurso del informe. '. TI(OS TI(OS DE FUENT FUENTE E
Las fuentes de alimentación se clasican en dos tipos: • •
Fuentes de limentación Lineales Fuentes de limentación !onmutadas
Fuente) Fuente) e !"#$ent!%#&n "#ne!"e)*
En primer lugar el transformador ad adap apta ta lo loss ni nive vele less de te tens nsió ión n y proporciona aislamiento aislamiento galvánico. galvánico. El circuito que convierte la corriente alte al terrna en co cont ntin inua ua se ll llam ama a recticador recticador,, de despu spu"s "s sue suele len n ll lleva evarr un circ ci rcui uito to qu que e di dism smin inuye uye el ri#ado como un un l ltro tro de con conden densado sadorr. La regulación, o esta$ili#ación de la tensión a un valor esta$lecido, se cons co nsig igue ue co con n un co comp mpon onent ente e de deno nomi minad nado o reg regula ulador dor de ten tensió sión n. La salida puede ser simplemente un condensador condensador.. El esquema de una fuente de alimentación lineal es el siguiente: Fuente) Fuent e) e !"#$ent!%#&n %+n$ut!!)*
%na fue fuente nte con conmut mutada ada es un dis dispos positi itivo vo ele electr ctróni ónico co que tra transfo nsform rma a energ&a el"ctrica mediante transistores transistores en en conmutación. 'ientras que un regulador de tensión utili#a transistores polari#ados en su región activa de am ampl pli ica caci ción ón,, la lass fu fuen ente tess co conm nmut utad ada as ut utiili#a #an n lo loss mi mism smos os conm co nmut után ándo dolo loss ac acti tiva vame ment nte e a al alta tass frecuencias frecuencias () ()*+** -ilociclos t&picamente t&pic amente entre corte (a$ier (a$iertos tos y satura saturación ción (cerrados. (cerrados. La forma de onda cuadrada resultante es aplicada a transformadores con n/cleo de ferrita (Los n/cleos de 0ierro no so son n ad adec ecua uado doss pa para ra es esta tass al alta tass frecu fr ecuenc encias ias par para a o$t o$tener ener uno o vari varios os volta1es volta1es de salida de corriente alterna (! que luego son recticados (!on diodos diodos rápidos rápidos y ltrados (2nd (2 nduc ucto torres y ca capa paci cito torres es pa para ra o$ o$te tene nerr lo loss vo volt lta1 a1es es de sa sali lida da de corriente continua (!!. La regulación se o$tiene con el conmutador, normalmente un circuito P3' (Pulse Wide Modulation que cam$ia el ciclo de tra$a1o. qu& las funciones del transformador son las mismas que para fuentes lineales pero su posición es diferente. El segundo recticador convierte la se4al alterna pulsante que llega del transformador en un valor continuo. La salida puede ser tam$i"n un ltro de condensador o uno del tipo L! L!.. Las fuentes conmutadas tienen por esquema: recticador recticador,, conmutador conmutador,, transformador,, otro recticador y salida. transformador
,ent!-!) e)/ent!-!) •
•
Las fuentes lineales cuentan con una me1or regulación, velocidad y me1ores caracter&sticas EMC. Por otra parte las conmutadas poseen un menor tama4o y peso del n/cleo, me1or rendimiento, mayor eciencia y por lo tanto menor calentamiento. Las desventa1as de las fuentes conmutadas comparándolas con fuentes lineales es que son más comple1as y generan ruido el"ctrico de alta frecuencia que de$e ser cuidadosamente minimi#ado para no causar interferencias a equipos próximos a estas fuentes.
0. ETA(AS* !. ETA(A DE TRANSFORACIÓN
La tensión de entrada 5ique reci$imos del suministro de red, generalmente esta entre 6 v o )7* v, lo que se $usca en esta fase del proceso es reducir la tensión 5ia valores de entre 6 v o ) v (tensión de salida:5*. Esta parte del proceso se lleva a ca$o con un t2!n)f+2$!+2, el cual consta de dos enrollamientos so$re un mismo n/cleo de 0ierro. m$os enrollamientos: principal y secundario son independientes el uno del otro. La energ&a el"ctrica se transmite a trav"s del primario al secundario en forma de energ&a magn"tica a trav"s del n/cleo. La corriente que circula por el enrollamiento primario genera una corriente magn"tica que circula por el n/cleo, esta corriente magn"tica será más fuerte entre más espiras tenga el enrollamiento. La corriente magn"tica que circula por el n/cleo genera una tensión en el enrollamiento secundario que
será más fuerte entre más espiras posea este enrollamiento y más fuerte sea la corriente magn"tica que circula por el n/cleo. L! 2!3&n e t2!n)f+2$!%#&n 4$5 del volta1e entre el $o$inado primario y el secundario depende de los n/meros de vueltas (espiras que tenga cada uno.
¿ espiras del primario ( N p ) Tensiónenel primario (V p ) = =m ¿ espirasdel secundario ( N s) Tensi ó n en el secundario (V s)
Por e1emplo, si el n/mero de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario 0a$rá el triple de tensión. s&, o$tenemos que para la tensión de salida 5 *:
V =V s = 0
V p∗ N s N p
%n transformador puede ser 8elevador o reductor8 dependiendo del n/mero de espiras de cada $o$inado.9i se supone que el transformador es ideal (la potencia que se le entrega es igual a la que se o$tiene de "l, se desprecian las p"rdidas por calor y otros, entonces: Potenciade entrada ( Pi )= Potencia de salida ( Ps )
9a$emos que, para calcular la potencia de un dispositivo: Potencia=tensi ó n x corriente
P=V x I ( watts )
plicando este concepto al transformador y como: P ( bobinado pri )= P (bobinado sec )
Entonces:
Tensi ó n enel primario ( V p ) Corriente en el secundario ( I s ) = Tensi ó n en el secundario ( V s ) Corriente en el primario ( I p )
Podemos o$servar as& que la /nica manera de mantener la misma potencia en los dos $o$inados es que cuando el volta1e se eleve, la corriente se disminuya en la misma proporción y viceversa. Esta particularidad se utili#a en la red de transporte de energ&a el"ctrica: al poder efectuar el transporte a altas tensiones y peque4as intensidades, se disminuyen las p"rdidas por el efecto oule y se minimi#a el costo de los conductores.
6. ETA(A DE RECTIFICACIÓN
La tensión que sale del transformador sigue siendo alterna, esto quiere decir que la se4al sigue presentando variaciones en su l&nea de tiempo y su amplitud no es la misma (presenta picos positivos y negativos, para lograr que la tensión que sale del secundario sea continua necesitamos un elemento o circuito capa# de permitir solo el paso de los valores positivos de la se4al, en respuesta a esto se usan #++)7 estos dispositivos se conocencomo los elementos recticadores pues al usarlos la se4al que entra por ellos adquiere una sola polaridad, lo cual nos
indica que nuestra se4al a0ora es continua; sin em$argo, no $asta solo con recticar la se4al, se requieren de más factores para lograr una esta$ilidad en la se4al de salida continua. %n diodo es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente si se encuentra polari#ado correctamente, es decir, en polari#ación directa, esto es si el ánodo se encuentra conectado al terminal positivo y el cátodo al terminal negativo. 5isto de otra manera, es como un interruptor que se a$re y se cierra seg/n la tensión entre sus terminales.
El circuito en cuestión va conectado a la salida del secundario del transformador.
La tensión de entrada 5i es alterna y sinusoidal, es decir, que presenta dos polaridades. 9i conectamos un osciloscopio, la se4al que ver&amos ser&a esta:
l pasar la tensión de entrada por el circuito recticador, o$tendremos la salida de tensión 5 *, la cual será una se4al recticada. 9i conectamos un osciloscopio y dependiendo del tipo de circuito recticador que usemos, la se4al que ver&amos puede ser esta:
CIRCUITOS RECTIFICADORES
Para 0a$lar de estos circuitos y sus salidas, previamente tenemos que sa$er algunos conceptos de la onda, tales como valor medio, valor eca#, valor pico o valor máximo de una se4al sinusoidal de !. •
,!"+2 8#%+* es el valor instantáneo máximo de la se4al. V p =V m á x
•
,!"+2 e#+ + (2+$e#+* 9e llama valor medio de una tensión (o corriente alterna a la media aritm"tica de todos los valores instantáneos de tensión (o corriente, medidos en un cierto intervalo de tiempo.
Este puede calcularse siguiente fórmula: V PROM =
mediante
la
Suma algebraicade las á reas Longitud delacura
9e sa$e que para calcular el valor promedio del semiciclo positivo de una onda sinusoidal se requiere el uso de integrales: "
! rea V PROM = = "
∫ # M sin $ d$ 0
"
•
sin $
: es la función que se va a integrar.
,!"+2 e9%!3* es el valor del volta1e o corriente en !.. que produce el mismo efecto de disipación de calor que su equivalente de volta1e o corriente directa, es decir, se llama valor eca# de una corriente alterna al valor que tendr&a una corriente continua que produ1era la misma potencia que dic0a corriente alterna, al aplicarla so$re una misma resistencia. El valor de cc equivalente se llama valor 2$) o e9%!3 de la cantidad sinusoidal.
Re%t#9%!+2 e $e#! +n!*
Es el circuito recticador más sencillo, utili#a tan solo un diodo a la salida del secundario del transformador. !uando ingresa el ciclo positivo de la se4al, la tensión en el ánodo será mayor a la del cátodo por lo tanto el dispositivo conducirá; mientras que cuando el semiciclo negativo de la se4al ingrese la tensión en el ánodo será menor a la del cátodo, provocando as& que el dispositivo no condu#ca y por lo tanto la tensión de salida 5 * será cero.
9eg/n lo que aca$amos de decir la tensión 5o tendrá esta forma:
=enemos que: T
2
V PC# = ∫ dt T R 1
0
2
PCC = R
2gualando am$as ecuaciones en (, o$tenemos: T
2
2
1 V = ∫ dt R T R 0
V RMS =
√
1
T
∫ V dt T 2
0
>allamos el valor eca# para una recticación de media onda: !onsideramos que =? =@).
•
V RMS =
V RMS =
√ √
2
∫ V dt T 2
0
2
T / 2
∫ V M sin T 2
2
wtdt
0
V RMS =V M
V RMS =V M
V RMS =V M
•
T / 2
√
∫ sin wtdt T
√
1 1 − cos2 wt ) dt ∫ T ( 2 2
2
T / 2
2
0
2
T / 2
0
√ T ( 2
t 2
−
1 4w
T / 2
9a$emos que: 2 " w= T
)
sin2 wt
0
% (¿)
•
Luego reempla#ando A, en (B: V RMS =V M
V RMS =
V M 2
√(
t
( ) )
T 4 " t − sin T 2 8 " T 2
T /2 0
=0 & 5 V M
Re%t#9%!+2 e +n! %+$8"et!*
El recticador más usado es el llamado recticador en puente, su esquema es el siguiente:
!uando 5i es positiva los diodos <) y <7 conducen, siendo la salida 5o igual que la entrada 5i !uando 5i es negativa los diodos < y
>allamos el valor eca# para una recticación de onda onda: •
!onsideramos que =? =.
V RMS = V RMS =
√ √
∫ V dt T 2
0
T
1
∫ V T
2
M
sin
2
wtdt
0
V RMS =V M
V RMS =V M
V RMS =V M
•
T
1
√
∫ sin wtdt T
√
1 1 − cos2 wt ) dt ∫ ( 2 2 T
1
T
2
0
1
T
0
√( 1
t
T
2
−
T
1 4w
)%¿
sin2 wt
( )
0
9a$emos que: 2 " w= T
•
Luego reempla#ando A, en (B: V RMS =V M
V RMS =
V M √ 2
√( 2
t
T 2
−
T 8 "
sin
( ) ) 4 "
T
T /2
t
0
=0 & 707 V M
,ent!-!) e)/ent!-!)
•
9i $ien am$os circuitos presentados son circuitos recticadores, podemos o$servar que la salida del circuito recticador no se aseme1a tanto a la de una $ater&a, esto es de$ido a que durante la mitad de cada ciclo la entrada se $loquea completamente
desde la salida, perdiendo as& la mitad de la tensión de alimentación. %. ETA(A DE FILTRO EN UNA FUENTE DE ,OLTAJE DC
9on sistemas de ) puertos, uno de entrada y otro de salida, que funcionan en el dominio de la frecuencia. 9u operación se $asa en discriminar se4ales en t"rminos de su contenido espectral, de1ando pasar inalteradas aquellas se4ales cuya frecuencia está dentro de cierto rango de frecuencia conocido como $anda de paso y rec0a#ando aquellas se4ales fuera de rango.
Filtro pasa $a1a Filtro pasa alta Filtro pasa $anda
Para una fuente de volta1e se usan ltros (ASA:BAJA, dado que solo de1an pasar aquellas frecuencias que están por de$a1o de una determinada frecuencia. Para lo cual se utili#a $o$inas, condensadores, o am$os al mismo tiempo. Para el cálculo de los condensadores que sirven de ltro, se de$en considerar el tipo de recticador (media onda o de onda completa, Los condensadores de ltrado, se encuentran u$icados entre el recticador y el regulador. 9u comportamiento se $asa en el 0ec0o de que el condensador almacena energ&a durante el periodo de conducción,
Li$erando dic0a energ&a so$re la carga, 1ustamente en el periodo de no conducción. !uando el condensador C es sometido a una se4al
proveniente de un recticador de media onda, este se cargara de acuerdo a la se4al, sin em$argo, cuando la se4al cam$ia de pendiente, el diodo queda polari#ado inverso, de1a de conducir y el condensador se descarga a trav"s deDL, 0asta que nuevamente el diodo condu#ca. La variación producida de volta1e en el condensador se llama R#88"e (ondulación. Por lo tanto: V r =V max− V min
Este volta1e depende de la corriente iL; pues, si esta aumenta, DL disminuye, por lo tanto la constante de tiempo de descarga será máspeque4a, lo que implica que la curva exponencial cae más rápido incrementándose el 2#88"e. 9i la constante de tiempo D L! es muy grande comparada con el periodo de se4al de entrada, el ripple producido será peque4o. !uando la constante de tiempo es grande se puede aproximar la corriente media a 5m@DL. En un dise4ot&pico se puede considerar que el volta1e continuo es aproximadamente igual a 5m o 5
!onsiderando que la variación de la carga ocurre en un tiempo igual al periodo de la se4al del recticador y la variación de volta1e corresponde a 5r, se tiene lo siguiente V '( =C r ' t T
i L =C V r )
Perosi
i L =
V m R L
i L V m = = V r Entonces C) R L C)
Para un recticador de onda completa se de$e considerar una frecuencia
2 )
.
NOTA*
9e denomina a la relación porcentual entre el 5olta1e de Di#ado y el valor máximo de la Fuente de volta1e
* r =
V r V −V ∗100 = max min ∗100 V max V max
l igual que el 5olta1e de Di#ado, el Factor de Di#ado se especicapara la máxima carga que puede mane1ar la Fuente de 5olta1e
Los reguladores de volta1e son sistemas que permiten mantener un volta1e 1o en la salida independiente de la corriente requerida por la carga. Estos pueden ser tipo paralelo o serie. 9i se requiere mayor precisión, el regulador puede ser realimentado, con lo cual tam$i"n se podr&a o$tener reguladores a1usta$les (volta1e de salida varia$le. Para el dise4o de reguladores se de$e conocer el volta1e y la corriente máxima requerida as& como la ondulación de la entrada. Esto servirá para especicar el elemento de referencia, el transistor regulador (en el caso de requerirse corrientes so$re y si este 0a de ser a1usta$le o no.
Re;ue2#$#ent+) e un 2e
•
•
•
'antener la tensión de salida constante independiente de las Guctuaciones de la entrada y la temperatura. 'antener la tensión constante de salida, a las exigencias de corriente de carga. El volta1e de salida no de$e contener componentes alternos (ripple ?* La fuente de$e poseer un sistema para limitar la corriente de salida (protección.
El circuito regulador de$e mantener el volta1e ya sea sin carga (circuito a$ierto, en la cual no provee corriente, o a plena carga, entregando una corriente en la salida como lo indica la Fig H.). Este circuito no presenta una perfecta regulación, pues no mantiene el volta1e 5oc mientras entrega corriente a la carga.
En un regulador ideal la diferencia entre el volta1e de salida sin carga y el volta1e de salida a plena carga es cero o sea Voc-V L=0, V L es siempre menor. La relación presentada a continuación da cuenta de la cantidad de regulación en porcenta1e, mientras menor sea, me1or es la regulación. regulaci ó n =
V oc −V L V L
Esta relación 0a sido denida con respecto a una condición de carga espec&ca.
Por otro lado, como
V L = I L R L
, podemos expresar el porcenta1e (I de regulación
como:
regulación =
V oc −V L ∗100 I L R L
V oc −V L I L
Jue no es más que la resistencia de salida del regulador, como es mostrada en la Fig. H.7b. Finalmente, se de$e considerar que la salida de una fuente de tensión regulada es función del volta1e de entrada sin regular, Vs (lo podemos llamar 5KD, voltaje no regulado , indicado en la g. H.C, la corriente de carga y la temperatura. Es decir: V L = ) ( V s + I L + T )
•
Da#ón de esta$ili#ación(Factor de regulación de entrada S=
•
' V L ' V s
!oeciente de temperatura S T =
' V L ' T
!uantos más peque4os sean estos coecientes, me1or será la regulación de la fuente de alimentación.
TI(OS DE REGULADORES Re
Este es un regulador tipo paralelo y su esquema $ásico es el indicado en la Fig. H.6a.
!uando el volta1eV L excede el volta1e de ruptura del diodo, entonces la corriente a trav"s de "ste se incrementa, luego el volta1e en el #ener y en la carga se mantiene constante e igual al volta1e nominal del diodo #ener. s& V L=Vz . En la práctica la fuente de corriente es un resistor, como lo indica en la Fig. H.6b. Este resistor R se dise4a para que el diodo est" correctamente polari#ado y por lo menos circule la corriente m&nima $a1o cualquier exigencia de carga, esto dentro de los l&mites especicados por el regulador. El regulador se dise4a $a1o las condiciones más exigidas, es decir: # min, Lmax, Vs!in. Existe otra condición, la cual ocurre cuando la corriente de carga es maxima "Lmin #, luego la corriente del #ener será máxima "#max #, para esta situación, lo peor que puede ocurrir es que el volta1e no regulado de la entrada sea máximo (v smax, en $ase a estos antecedentes se puede encontrar una expresión para R. V −V R= smin , I Lmax− I ,min
En un dise4o práctico no $asta determinar el valor de la resistencia, sino que se de$en especicar los requerimientos de potencia de los componentes, de tal forma que "sta pueda ser mane1ada por los elementos utili#ados.
Finalmente
smin V , −V ¿
¿
, V smax −V ¿
¿
I Lmin ¿ I ,max=¿
Esto 9LM permite estimar la corriente máxima que circula por el #ener. Re
La principal desventa1a del regulador de la Fig. H.6, es que el diodo #ener de$e a$sor$er toda la corriente que la carga no requiera, una forma de solucionar esto es incorporando un transistor (de potencia como se muestra en la Fig. H.H. En esta conguración, la corriente que a$sor$e el diodo #ener no es la que no quiere la carga L, sino la que no desea la $ase del transistor. Kote que la corriente de carga es la corriente que circula de colector a emisor, luego I L= - I . . Esto implica que: I Lmax = - I .max Entonces el valor máximo que podr&a circular por la $ase del transistor es una fracción de la corriente I Lmax dividida por el b del transistor. Luego en el caso en que la carga no requiera toda la corriente, por el #ener sólo podr&a circular como máximo una fracción de la corriente de la $ase.
El circuito funciona de la siguiente forma:
•
•
La tensión de salida V L de$e mantenerse 1a ante variaciones de la corriente de carga (sólo $a1oel rango de dise4o considerado. El diodo #ener proporciona la referencia de volta1e al cual de$e permanecer el regulador, V #.
Por lo tanto siempre de$e estar polari#ado adecuadamente, por lo menos de$e circular #min. 9i existe un incremento de la corriente de carga L (por disminución de RL, esto implica una disminución del volta1e 5L, entonces el volta1e aplicado 5$e?v #+v L aumenta, lo que lleva a un incremento de la corriente de $ase. Finalmente aumenta la corriente de colector, restaurándose del V L original. 9i existe una disminución de la corriente de carga, crece V L, luego disminuye N, lo que lleva a una disminución de la corriente de carga L, disminuyendo V L. La resistencia R de$e dise4arse para que por el diodo #ener circule la corriente m&nima necesaria para que se polarice adecuadamente. demás, N max proporciona la corriente de carga máxima ( $!a% .
V smin −V , I ,min + I bmax
R=
V smin −V , I ,min + I bmax
=
V smin −V , I ,min +
I Lmax -
=
V smax −V , I ,min +
I Lmin -
En la práctica se puede considerar I ,min =0.1 I ,max
Luego
smin V , −V ¿
¿
, V smax −V ¿
¿
I Lmin ¿ I ,max=¿
Esta ecuación es similar a la planteada en el apartado anterior para el regulador simple, salvo que z!a% está dividido por - & El transistor utili#ado de cumplir con los requerimientos de potencia adecuados y la corriente máxima que es capa# de entregar. La potencia disipada en un transistor N= se dene como: P / = I . V .0 + I C V C0 1 I C V C0
La diferencia entre el volta1e entrada máximo y el volta1e de la carga multiplicada por la corriente de colector no de$e superar la potencia del transistor. Por otro lado, la corriente que circula entre colector y emisor KM de$e superar la corriente máxima que es capa# de entregar el transistor. B#6"#+<2!f>! 0ttp:@@AAA.mcgraA+0ill.es@$cv@guide@capitulo@OCCOH)C.pdf 0ttp:@@ocA.usal.es@ensenan#as+
tecnicas@electronica@contenido@electronica@=emaCQFalimentac.pdf 0ttp:@@quidel.inele.ufro.cl@R10uircan@P
0ttp:@@quidel.inele.ufro.cl@R10uircan@P
