FUENTES DE ALIMENTACION (REGULADORES DE VOLTAJE)

INTRODUCCION

Esta presenta la operación de las fuentes de alimentación que se construyen utilizando filtros, rectificadores y, en consecuencia, reguladores de voltaje. Si se empieza con un voltaje de ca, se obtiene un voltaje de cd estable al rectificar el voltaje de ca, filtrar luego a un nivel de cd y, por último, establecer una regulación para obtener el voltaje de cd fijo deseado. La regulación se obtiene por lo general a partir de un Cl regulador de voltaje, el que torna el voltaje de cd y suministra un voltaje del mismo tipo un poco menor y el cual se mantiene estable aun cuando la entrada de voltaje de cd varíe o la carga de entrada conectada al voltaje de cd cambie.

En la figura 1, se muestra un diagrama de bloques que contiene las partes de una fuente de alimentación y los voltajes en distintos puntos de la unidad. El voltaje de ca, por lo general de 120 V rms, se conecta a un transformador que eleva o, más comúnmente, reduce el nivel para la salida de cd deseada. Un rectificador con diodos proporciona entonces un voltaje rectificado de onda completa que pasa en principio a través de un filtro de capacitar simple para generar un voltaje de cd. El voltaje resultante de cd tiene por lo general algún rizo o variación de voltaje de ca. Este circuito regulador puede usar esta entrada de cd para suministrar un voltaje de cd que no sólo tenga un voltaje de rizo menor sino que conserve también el mismo valor de cd aunque la entrada de voltaje de cd varíe algo o la carga conectada al voltaje de salida de cd cambie. Esta regulación de voltaje se obtiene por lo general mediante uno de los diversos reguladores de voltaje CI más conocidos.

Figura 1 Diagrama a bloques de una fuente de alimentación.

FUENTES REGULADAS- 1

CONSIDERACIONES GENERALES DE FILTROS Para convertir una señal con valor promedio cero en una que tenga un promedio diferente de cero se requiere un circuito rectificador. La salida resultante de un rectificador es un voltaje de cd pulsante y oscilante, el que aún no se considera para reemplazar baterías. Un voltaje de esta clase podría utilizarse en, digamos, un cargador de baterías, donde le voltaje de cd promedio es lo suficientemente grande para suministrar una corriente de carga para la batería. Para voltajes de fuentes de cd, como las empleadas en un radio, equipo estereofónico, computadoras y otros aparatos similares, el voltaje de cd oscilante que proviene de un rectificador no es lo suficientemente bueno. Es necesario un circuito de filtro para proporcionar un voltaje de cd más estable. REGULACION DE VOLTAJE

Otro factor de importancia es una fuente de alimentación es la cantidad de cambio en el voltaje cd de salida dentro del intervalo de operación del circuito. El voltaje proporcionado en la salida sin carga se reduce cuando se consume corriente de carga de la fuente. Para cualquiera que utilice la fuente, es de considerable interés conocer cuanto cambia este voltaje con respecto al voltaje sin carga. Este cambio de voltaje se describe mediante un factor denominado regulación de voltaje. Definición: Regulación de voltaje.

Figura 2 Forma de onda del voltaje de filtro que muestra los voltajes cd y de rizo.

FUENTES REGULADAS- 2

FACTOR DE RIZO DE LA SEÑAL RECTIFICADA A pesar de que el voltaje rectificado no es un voltaje filtrado, contiene una componente de cd y una componente de rizo. Veremos que la señal rectificada de onda completa tiene una componente cd mayor y un voltaje de rizo menor que el voltaje rectificado de media onda. En la señal rectificada de media onda el voltaje de cd de salida es:

Vcd = 0.318 Vm

El valor rms de la componente de ca de la señal de salida puede calcularse:

Vr = 0.385 Vm

El porcentaje de rizo de una señal rectificada de media onda puede calcularse mediante:

100)(×=

cd

r

VrmsVr % = 100

318.0385.0

×VmVm % = 121 %

Para un voltaje rectificado de onda completa el valor de cd es:

Vcd = 0.636 Vm El valor rms de la componente de ca de la señal de salida puede calcularse:

Vr (rms) = 0.308 Vm

Por lo tanto el porcentaje de rizo para una señal rectificada de onda completa puede calcularse por medio de:

100)( ×=cdVrmsVrr % = 100

636.0308.0

×m

m

VV

% = 48 %

En resumen, una señal rectificada de onda completa tiene menos rizo que una señal de

media onda y es por consiguiente mejor para aplicar a un filtro.

FUENTES REGULADAS- 3

FILTRO CON CAPACITOR Un circuito filtro conocido es el circuito filtro con capacitor que se muestra en la figura 3. El capacitor esta conectado a través de la salida del rectificador y se dispone de voltaje cd de salida a través del capacitor. La figura 4 (a) muestra el voltaje de salida rectificada de un circuito rectificador de onda completa antes de filtrar la señal. La figura 4(b) muestra la forma de onda resultante después de que el capacitor se conecta a través de la salida del rectificador. Nótese que la forma de onda filtrada es esencialmente un voltaje cd con algo de rizo (o variación ca).

Figura 3. Filtro con un simple capacitor.

Figura 4 Rectificador de onda completa (a) Sin conectar el filtro (b) Con el filtro

conectado La figura 5(a). Muestra un rectificador de onda completa y la forma de onda de salida obtenida del circuito cuando se conecta a una carga (RL). Si no hubiera carga conectada al filtro, la forma de onda de salida seria idealmente un nivel constante cd igual al valor del voltaje pico (Vm) del circuito rectificador. Sin embargo, el propósito de obtener un voltaje

FUENTES REGULADAS- 4

para que sea utilizado por otros circuitos electrónicos, lo que constituye en consecuencia una carga en la fuente de voltaje. Puesto que siempre habrá cierta carga en el filtro, debemos considerar este caso práctico en nuestro análisis.

Figura 5. Filtro con capacitor: (a) circuito filtro con capacitor; (b) forma de la onda de voltaje de salida.

Forma de onda de salida La figura 5(b) muestra la forma de onda a través del filtro con capacitor. T1 es el tiempo durante el cual un diodo del rectificador de onda completa conduce y carga el capacitor hasta el voltaje de salida pico del rectificador (Vm). T2 es el tiempo en el que el voltaje del rectificador desciende por debajo del voltaje pico, y el capacitor se descarga a través de la carga. VOLTAJE DE RIZO, Vr (rms)

Vr = (rms) =CR

VCI

fCI

L

cdcdcd 4.24.234

==

Donde Icd está en miliamperes, C en microfaradios y RL en kilóhms. VOLTAJE DE CD, Vcd Podemos expresar el valor de cd de las formas de onda a través del capacitor del filtro como

mcd VV = - CIV

fCI cd

mcd 17.4

4−=

FUENTES REGULADAS- 5

Donde Vm es el voltaje rectificado de pico, Icd es la corriente de carga en miliamperes y C es el valor del capacitor en microfaradios. Rizo en un filtro con capacitor Empleando la definición de rizo, con Vcd = Vm, obtenemos la expresión para el rizo de onda de la forma de salida de un rectificador de onda completa y un circuito con filtro capacitivo.

100)( ×=cd

r

VrmsVr % =

cd

cd

CVI4.2

100× % = 1004.2 ×CRL

%

FILTRO RC

La Cantidad de rizo a través de un capacitor con filtro puede reducirse aun más mientras se reduzca el voltaje cd empleando una sección de filtro RC adicional. El propósito de la red agregada es pasar la mayor cantidad de componente cd mientras atenúa (reduce) todo el componente de ca como sea posible. La figura 6 ilustra un rectificador de onda completa con filtro capacitivo, seguido por una sección de filtro RC. La operación del circuito de filtro puede analizarse mediante el uso del principio de superposición para los componentes de cd y ca de la señal.

Figura 6 Rectificador de onda completa y circuito filtro RC.

FUENTES REGULADAS- 6

Operación cd de la sección del filtro RC La Figura 7 muestra un circuito equivalente de cd por utilizar en el análisis del circuito de filtro RC son capacitadores son circuitos abiertos para la operación de cd, el voltaje de cd resultante de salida es:

cdL

Lcd VRR

RV+

='

Figura 7 Circuitos equivalentes (a) cd y (b) ca del filtro RC.

Operación de ca de la sección de filtro RC La figura 7(b) muestra el circuito equivalente de ca de la sección de filtro RC. Debido a la acción del divisor de voltaje de la impedancia de ca del capacitor y el resistor de carga, el componente de ca del voltaje resultante a través de la carga es:

V’r (rms) = )(rmsVRX

rC

Para un rectificador de onda completa con un rizo de ca a 120 Hz, la impedancia de un capacitor se puede calcular haciendo uso de:

XC = C3.1

Donde C esta en micrifaradios y XC en kilóhms.

FUENTES REGULADAS- 7

REGULADORES DE VOLTAJE CON TRANSISTORES Dos tipos de reguladores de voltaje con transistores son el regulador de voltaje en serie y el regulador de voltaje en derivación. Cada tipo de circuito proporciona un voltaje de cd de salida que está regulado o se mantiene a un valor establecido aun si el voltaje de entrada varía o si cambia la carga conectada a la salida. Regulador de voltaje en serie La conexión básica de un circuito regulador en serie se muestra en el diagrama de bloques del siguiente diagrama de bloques de la figura 8. El elemento en serie controla la cantidad del voltaje de entrada que se toma de la salida. El voltaje de salida se muestra por medio de un circuito que suministra un voltaje de retroalimentación para ser comparado con un voltaje de referencia.

Figura 8. Diagrama de bloques del regulador en serie.

1.- Si el voltaje de salida aumenta, el circuito comparador suministra una señal de control que ocasiona que el elemento de control en serie disminuya la cantidad del voltaje de salida, lo que por consiguiente mantiene el voltaje de salida. 2.- Si el voltaje de salida disminuye, el circuito comparador suministra una señal de control que provoca que el elemento de control en serie incremente la cantidad de voltaje de salida.

FUENTES REGULADAS- 8

CIRCUITO REGULADOR EN SERIE Un circuito regulador en serie se muestra en la figura 9. El transistor Q1 es el elemento de control en serie i el diodo zener Dz suministra el voltaje de referencia. La operación del regulador puede describirse como sigue: 1.- Si disminuye el voltaje de salida, el voltaje decreciente de base-emisor ocasiona que el transistor Q1 conduzca mas, elevando por consiguiente el voltaje de salida y manteniendo la salida constante. 2.- Si aumenta el voltaje de salida, el voltaje decrece en base-emisor provocando que el transistor Q1 conduzca menos, reduciendo por consiguiente el voltaje de salida y manteniendo la salida constante.

Figura 9 regulador en serie con transistor.

REGULADOR EN SERIE CON OP-AMP Otra versión del regulador en serie es la que se muestra en la figura 10. El op-amp compara el voltaje de referencia del diodo Zener con el voltaje de retroalimentacion de los resistores sensores R1 y R2. Si varia el voltaje de salida, la conducción del transistor Q1 se controla dé modo que se conserve constante el voltaje de salida. Este voltaje de salida se mantendrá a un valor dado por:

VzRRVo

+=

2

11

Figura 10 Circuito regulador en serie con op-amp.

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Regulación de voltaje en derivación(paralelo) Un regulador de voltaje con derivación proporciona una regulación por medio de corriente que se deriva de la carga, para regular el voltaje de salida. La figura 11 muestra el diagrama de bloques para un regulador de voltaje de esta clase. El voltaje no regulado de entrada proporciona corriente a la carga. Una parte de la corriente se deriva mediante el elemento de control para mantener el voltaje de salida regulado a través de la carga. Si el voltaje de la carga tiende a modificarse debido a un cambio en la carga, el circuito de muestreo proporciona una señal de retroalimentación para un comparador que suministra entonces una señal de control a fin de variar la cantidad de corriente derivada de la carga. Por ejemplo, a medida que el voltaje de salida tiende a hacerse más grande, el circuito de muestreo suministra una señal de retroalimentación al circuito comparador, el cual luego proporciona una señal de control para obtener una corriente de derivación incrementada, proporcionando menos corriente de carga y, por consiguiente, conservando el voltaje regulado a pesar del aumento.

Figura 11. Diagrama de bloques del regulador de voltaje en derivación.

REGULADOR EN DERIVACION BASICO A TRANSISTOR Un circuito regulador simple en derivación se ilustra en la siguiente Figura 12. El resistor RS disminuye el voltaje no regulado en una cantidad que depende de la corriente suministrada a la carga RL. El voltaje a través de la carga se establece por medio del diodo Zener y el voltaje de base-emisor del transistor. Si decrece la resistencia de carga, resulta en una corriente de excitación reducida para la base de Q1, desviando una cantidad menor de corriente de colector. La corriente de carga es de este modo mayor, y conserva por consiguiente el voltaje regulando a través de la carga. El voltaje de salida hacia la carga es de:

VL = VZ + VBE

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Figura 12 Reguador Básico de voltaje en derivación.

REGULADORES DE VOLTAJE DE CI Los reguladores de voltaje comprenden una clase de CI muy usados. Los reguladores de CI contienen en un CI sencillo la circuitería para la fuente de referencia, el amplificado comparador, el dispositivo de control y la protección contra sobrecarga. Aunque la construcción interna de un CI es algo distinta a la descrita para los circuitos d regulación de voltaje discretos, la operación interna es casi la misma. Las unidades de CI suministran capacidades reguladores ya sea para voltaje positivo fijo, voltaje negativo fijo o un voltaje ajustable. Una fuente de poder puede construirse en forma muy sencilla utilizando un transformador conectado a una alimentación ca para elevar el voltaje a un nivel deseado, rectificando después con un circuito de media onda o de onda completa, filtrando el voltaje empleando un filtro con un simple capacitar, si se desea, y regulando por último el voltaje cd usando un regulador de voltaje de CI. Los reguladores pueden seleccionarse para funcionamiento con corrientes de carga desde cientos de miliamperios hasta decenas, de amperios, correspondiendo a valores nominales de potencia desde milésimas hasta decenas de vatios. Reguladores de voltaje de tres terminales

La figura 13 muestra la conexión básica de un regulador de voltaje de CI de tres terminales a una carga. El regulador de voltaje fijo tiene un voltaje no regulado, Vo aplicado a una terminal, entrega un voltaje de salida regulado, VO, desde una segunda terminal, con la tercera terminal conectada a tierra. Para una unidad CI particular, las especificaciones del dispositivo señalan un intervalo de voltaje dentro del cual el voltaje de entrada puede variar para mantener el voltaje de salida regulado, dentro de un intervalo de corriente de carga. Las especificaciones del dispositivo también incluyen la cantidad del cambio del voltaje de salida, que resulta de los cambios en la corriente de a (regulación de carga) y también de los cambios en el voltaje de entrada (regulación línea).

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Figura 13. Representación en bloques de un regulador de voltaje de tres terminales.

Reguladores de voltaje positivo fijo

Los reguladores de la serie 78 suministran voltajes fijos regulados desde 5 a 24 V. En la figura 14, se muestra como uno de estos CI, un 7812, se conecta para proporcionar regulación de voltaje con una de estas unidades de +12V cd. Un voltaje de entrada no regulado Vi se filtra por medio del capacitor C1 y se conecta a la terminal IN (entrada) del CI. La terminal OUT (salida) del CI proporciona unos +12V regulados, que se filtran por medio del capacitor C2 (principalmente para cualquier ruido de alta frecuencia). La tercera terminal del CI se conecta a tierra (GND). Mientras que el voltaje de entrada puede variar sobe un rango de voltaje permisible, y la carga de salida puede variar sobre variación del voltaje especificado. Estas limitaciones se explican en las hojas de especificaciones del fabricante. En las tablas de la figura15 se proporciona un listado del CI reguladores de voltaje positivo y negativo.

Figura 14. Conexión del regulador de voltaje 7812.

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Figura 15 Número de integrado para reguladores positivos y

negativos.

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