La mayor parte de los circuitos electrónicos prácticos
trabajan a partir de un voltaje de alimentación de CC. Este último puede ser
suministrado, por ejemplo, por una batería. Las baterías ofrecen varias
ventajas siendo las más importantes su naturaleza portátil. Sin embargo,
existen situaciones en la cuales el uso de baterías pueden resultar muy
costosos en estos casos, debe recurrirse al uso de fuente de alimentación, las cuales operan desde la red pública de
CA y proporciona voltajes de CC más económicos, estable y potente.
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Etapa de transformación
Etapa Rectificador a diodos
El rectificador es el que se encarga de convertir la tensión alterna que sale del transformador en tensión continua. Para ello se utilizan diodos. Un diodo conduce cuando la tensión de su ánodo es mayor que la de su cátodo. Es como un interruptor que se abre y se cierra según la tensión de sus terminales:
El rectificador se conecta después del transformador, por lo tanto le entra tensión alterna y tendrá que sacar tensión continua, es decir, un polo positivo y otro negativo:
La tensión Vi es alterna y senoidal, esto quiere decir que a veces es positiva y otras negativa. En un osciloscopio veríamos esto:
La tensión máxima a la que llega Vi se le llama tensión de pico y en la gráfica figura como Vmax. la tensión de pico no es lo mismo que la tensión eficaz pero estan relacionadas, Por ejemplo, si compramos un transformador de 6 voltios son 6 voltios eficaces, estamos hablando de Vi.
Rectificador a un diodo
El rectificador mas sencillo es el que utiliza solamente un diodo, su esquema es este:
Cuando Vi sea positiva la tensión del ánodo será mayor que la del cátodo, por lo que el diodo conducirá: en Vo veremos lo mismo que en Vv o V1.
Mientras que cuando Vi sea negativa la tensión del ánodo será menor que la del cátodo y el diodo no podrá conducir, la tensión Vo será cero.
Según lo que acabamos de decir la tensión Vo tendrá esta forma:
Como puedes comprobar la tensión que obtenemos con este rectificador no se parece mucho a la de una batería, pero una cosa es cierta, hemos conseguido rectificar la tensión de entrada ya que Vo es siempre positiva. Aunque posteriormente podamos filtrar esta señal y conseguir mejor calidad este esquema no se suele usar demasiado
Etapa de filtración
El Condensador Electrolítico o filtro.
A la hora de diseñar una fuente de alimentación, hay que tener en cuenta algunos factores, uno de ellos es la corriente que se le va pedir, ya que éste es, el factor más importante después de la tensión. Para determinar el valor del capacitor electrolítico que se ha de aplicar a la salida del puente rectificador en doble onda, para alisar la corriente continua; el capacitor que por experiencia hemos usado esta sobre los 2.000 uF por Amper de salida y la tensión del doble del valor superior estándar al requerido, o sea, según esto, para una fuente de 1'5 A a 15 V, el capacitor electrolítico debe ser al menos de 3.000 uF/35V.
· Como se ha mencionado la tensión del capacitor, se debe sobre dimensionar, ésta debe ser al menos diez unidades mayor que la tensión que se recoja en el secundario del transformador o la más aproximada a ésta por encima (estándar en los capacitores). Este es el margen de seguridad exigible, ya que en muchas ocasiones los valores de tensión a los que se exponen no sólo depende de la tensión nominal, también hay tensiones parásitas que pueden perforar el dieléctrico, en caso de ser muy ajustada la tensión de trabajo y máxime si estamos tratando con una fuente balanceada, este es otro caso.
Una vez la señal esta rectificada, obtenemos una forma de onda que no es precisamente continua ( ver figura 7 ). Para poner eliminar la ondulación, y dejar la tensión lo más continua posible, filtraremos la señal utilizando uno o más condensadores en paralelo. En la figura 7 se puede apreciar como queda esta señal una vez filtrada.
Para calcular el valor del condensador, podemos utilizar una aproximación bastante buena con la siguiente ecuación:
C= Q / Vmax-Vmin
Vmax: Es el valor máximo de la tensión de entrada que equivale al valor de pico del secundario del transformador (Vpk).
Vmin: Tensión mínima que queremos que tenga la tensión de entrada y que determina el rizado de la fuente.
Imax: Intensidad máxima en el secundario.
T: Periodo de la señal de la red, para 50Hz y rectificador de onda completa son 10 ms. En media onda seria 20 ms.
C: Capacidad del condensador de filtro en faradios
Etapa de regulación
Reguladores de voltaje de CI
Los reguladores de voltaje comprenden una clase de CIs muy utilizados. Lo reguladores en circuitos integrados contienen los circuitos de la fuente de referencia, el amplificador comparador, el dispositivo de control y la protección contra la sobrecarga, todo en un CI. A pesar de que la construcción interna de un CI es un tanto distinta de la descrita para los circuitos reguladores de voltaje discretos, la operación externa es muy similar. La unidades de CI ofrecen la regulación de un voltaje fijo positivo o negativo o de un voltaje ajustable.
Reguladores de voltaje de tres terminales
El voltaje de por lo regular 120 V se conecta a un transformador, el cual lo disminuye hasta el nivel deseado para la salida de DC. Luego un rectificador de diodos proporciona un voltaje rectificado de onda completa para que inicialmente se filtra mediante un capacitor para producir un voltaje de DC, este voltaje de DC resultante por lo general cuenta con cierto rizo o variación de voltaje AC. Un circuito regulador puede utilizar esta entrada de DC con el objetivo de proporcionar un voltaje DC de entrada varia de alguna forma o la carga conectada al voltaje de salida de DC cambia. esta regualcion de voltaje po lo regular se obtiene los ci mencionados
Generalidades
Fuente de alimentación lineal.Circuito compuesto por componentes electrónicos que convierten el voltaje alterno en directo, una pila seca, batería o acumulador y dinamo giratorio con una magnitudes apropiadas para alimentar Circuitos Electrónicos a los cuales se conecta.
Partes Componentes
Una fuente de alimentación lineal consta de varias partes;Transformador, rectificador y filtro, aunque en muchos casos se utiliza además un regulador de voltaje.
Transformador :Se encarga de aumentar o disminuir la magnitud de voltaje que aparece en el devanado primario, sin que varíe esencialmente su forma de onda
Rectificador: La forma de onda salida del rectificador muestra que el voltaje es unidireccional pulsante y por tanto , cuenta con un valor promedio de CD y un contenido de armónicos que es necesario eliminar, a fin de obtener el voltaje directo puro.
Filtro: La función del filtro es disminuir o eliminar los componentes de CA que existen en el voltaje de salida del rectificador y tal disminución dependerá mucho de las características del rectificador y de la calidad del filtro.
Regulador de tensión: Está determinado por las posibilidades que tenga el sistema alimentado de admitir las variaciones que experimenta el voltaje directo de salida cuando ocurren cambios en la corriente de la carga, es decir, cambios en el consumo de corriente de los circuitos que son alimentados por la fuente u otras variaciones.
Diagrama de Bloques
Etapa de transformación
Transformador de entrada
El trasformador de entrada reduce la tensión de red (generalmente 220 o 120 V) a otra tensión mas adecuada para ser tratada. Solo es capaz de trabajar con corrientes alternas. esto quiere decir que la tensión de entrada será alterna y la de salida también.
Consta de dos arrollamientos sobre un mismo núcleo de hierro, ambos arrollamientos, primario y secundario, son completamente independientes y la energía eléctrica se transmite del primario al secundario en forma de energía magnética a través del núcleo. el esquema de un transformador simplificado es el siguiente:
La corriente que circula por el arrollamiento primario (el cual esta conectado a la red) genera una circulación de corriente magnética por el núcleo del transformador. Esta corriente magnética será mas fuerte cuantas mas espiras (vueltas) tenga el arroyamiento primario. Si acercas un imán a un transformador en funcionamiento notarás que el imán vibra, esto es debido a que la corriente magnética del núcleo es alterna, igual que la corriente por los arrollamientos del transformador.
En el arroyamiento secundario ocurre el proceso inverso, la corriente magnética que circula por el núcleo genera una tensión que será tanto mayor cuanto mayor sea el número de espiras del secundario y cuanto mayor sea la corriente magnética que circula por el núcleo (la cual depende del numero de espiras del primario).
El rectificador es el que se encarga de convertir la tensión alterna que sale del transformador en tensión continua. Para ello se utilizan diodos. Un diodo conduce cuando la tensión de su ánodo es mayor que la de su cátodo. Es como un interruptor que se abre y se cierra según la tensión de sus terminales:
El rectificador mas sencillo es el que utiliza solamente un diodo, su esquema es este:
Mientras que cuando Vi sea negativa la tensión del ánodo será menor que la del cátodo y el diodo no podrá conducir, la tensión Vo será cero.
Según lo que acabamos de decir la tensión Vo tendrá esta forma:
Etapa de filtración
El Condensador Electrolítico o filtro.
A la hora de diseñar una fuente de alimentación, hay que tener en cuenta algunos factores, uno de ellos es la corriente que se le va pedir, ya que éste es, el factor más importante después de la tensión. Para determinar el valor del capacitor electrolítico que se ha de aplicar a la salida del puente rectificador en doble onda, para alisar la corriente continua; el capacitor que por experiencia hemos usado esta sobre los 2.000 uF por Amper de salida y la tensión del doble del valor superior estándar al requerido, o sea, según esto, para una fuente de 1'5 A a 15 V, el capacitor electrolítico debe ser al menos de 3.000 uF/35V.
· Como se ha mencionado la tensión del capacitor, se debe sobre dimensionar, ésta debe ser al menos diez unidades mayor que la tensión que se recoja en el secundario del transformador o la más aproximada a ésta por encima (estándar en los capacitores). Este es el margen de seguridad exigible, ya que en muchas ocasiones los valores de tensión a los que se exponen no sólo depende de la tensión nominal, también hay tensiones parásitas que pueden perforar el dieléctrico, en caso de ser muy ajustada la tensión de trabajo y máxime si estamos tratando con una fuente balanceada, este es otro caso.
Una vez la señal esta rectificada, obtenemos una forma de onda que no es precisamente continua ( ver figura 7 ). Para poner eliminar la ondulación, y dejar la tensión lo más continua posible, filtraremos la señal utilizando uno o más condensadores en paralelo. En la figura 7 se puede apreciar como queda esta señal una vez filtrada.
C= Q / Vmax-Vmin
en donde
Vmax: Es el valor máximo de la tensión de entrada que equivale al valor de pico del secundario del transformador (Vpk).
Vmin: Tensión mínima que queremos que tenga la tensión de entrada y que determina el rizado de la fuente.
Imax: Intensidad máxima en el secundario.
T: Periodo de la señal de la red, para 50Hz y rectificador de onda completa son 10 ms. En media onda seria 20 ms.
C: Capacidad del condensador de filtro en faradios
Etapa de regulación
Reguladores de voltaje de CI
Los reguladores de voltaje comprenden una clase de CIs muy utilizados. Lo reguladores en circuitos integrados contienen los circuitos de la fuente de referencia, el amplificador comparador, el dispositivo de control y la protección contra la sobrecarga, todo en un CI. A pesar de que la construcción interna de un CI es un tanto distinta de la descrita para los circuitos reguladores de voltaje discretos, la operación externa es muy similar. La unidades de CI ofrecen la regulación de un voltaje fijo positivo o negativo o de un voltaje ajustable.
Reguladores de voltaje de tres terminales
La figura muestra la conexión básica de un regulador de voltaje de CI de tres terminales con una carga. El regulador de voltaje fijo cuenta con un voltaje DC de entrada no regulado Vi, aplicado a una terminal de entrada, un voltaje DC de salida regulado Vo, en una segunda terminal, y la tercera terminal conectada a tierra. Para un regulador seleccionado, la especificaciones del dispositivo de CI listan un rango de voltaje sobre el cual puede variar el voltaje de entrada para mantener un voltaje de salida regulado obre un rango de corriente de carga. Las especificaciones también listan la cantidad de cambio de voltaje de salida que resulta debido a un cambio de corriente de carga (regulación de carga) o en el voltaje de entrada(regulación de línea).
Reguladores de voltaje positivo fijo
Los reguladores de la serie 78 ofrecen voltajes fijos regulado que van de 5 a 24 V. La figura muestra la forma en la que uno de estos CIs, el 7812, se conecta para proporcionar un voltaje regulado de salida de +12V DC. Un voltaje de entrada no regulado Vi, es filtrado por el capacitor C1 y conectado a la terminal IN(entrada) del CI. La terminal OUT (salida) del CI proporciona 12V regulados, los cuales son filtrados por el 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 varié dentro de un rango permitido de voltaje y la carga de salida varié dentro de un rango aceptable, el voltaje de salida permanecerá constante dentro de los limites especificados de variación del voltaje. Estos límites se detallan en las hojas de especificaciones de los fabricantes. En la tabla se presenta una lista de CI reguladores de voltaje positivo.
En la conexión de la siguiente figura se muestra la operación de un regulador 7812 dentro de una fuente de alimentación completa. El voltaje de línea AC (120 V rms) se reduce a 18 V rms a través de cada mitad del transformador con derivación central. Luego, un rectificador de onda completa y un filtro de capacitor proporcionan un voltaje de DC no regulado, que se muestra como un voltaje cercano a 22V, con un rizo de AC de unos cuanto volts como la entrada al regulador de voltaje. El CI 7812 después proporcionara una salida que se encuentra regulada en +12V DC.
ESPECIFICACIONES DE LOS REGULADORES DE VOLTAJE POSITIVO
La hoja de especificaciones de los reguladores de voltaje e ilustra en la hojas de la siguiente figura, para el grupo de reguladores de voltaje positivo de la serie 7800. Se deben tomar en cuenta algunas consideraciones acerca de los parámetros más importantes.
Voltaje de salida: La especificación para la unidad 7812 muestra que el voltaje de salida es, por lo regular, de +12V pero puede llegar a ser tan bajo como 11.5V o tan alto como 12.5V.
Regulación de salida: La regulación del voltaje de salida, por lo general, se presenta de 4mV, hasta un máximo de 100mV( a corrientes de salida de 0.25 hasta 0.75A). Esta información especifica que el voltaje de salida puede variar por lo regular solo 4mV a partir de su valor nominal de 12 V de DC.
Corriente de salida de corto circuito: La cantidad de corriente se encuentra limitada típicamente hasta 0.35 A si la salida estuviera en corto circuito (presumiblemente por accidente o debido a otro componente defectuoso).
Corriente de salida pico: Mientras la corriente nominal máxima es de 1.5A para esta serie de CI, el consumo de corriente de salida pico típica de una carga es de 2.2A. Esto muestra que incluso cuando el fabricante califica al CI como capaz de proporcionar 1.5 A, es posible extraer un poco mas de corriente (posiblemente por un periodo).
Diferencia de voltaje: La diferencia de voltaje, típicamente de 2V, es la cantidad mínima de voltaje a través de las terminales de entrada-salida que deberá mantenerse si el CI operara como regulador. Si el voltaje de entrada desciende demasiado o si la salida se eleva de forma que no se mantienen al menos los 2V a través de la entrada-salida del CI, este ya no será capaz de proporcionar una regulación de voltaje. Por tanto, se debe de mantener un voltaje de entrada lo suficientemente grande para asegurar que siempre proporcione la diferencia de voltaje.
Reguladores de voltaje negativo fijo
La hoja de especificaciones de los reguladores de voltaje e ilustra en la hojas de la siguiente figura, para el grupo de reguladores de voltaje positivo de la serie 7800. Se deben tomar en cuenta algunas consideraciones acerca de los parámetros más importantes.
Regulación de salida: La regulación del voltaje de salida, por lo general, se presenta de 4mV, hasta un máximo de 100mV( a corrientes de salida de 0.25 hasta 0.75A). Esta información especifica que el voltaje de salida puede variar por lo regular solo 4mV a partir de su valor nominal de 12 V de DC.
Corriente de salida de corto circuito: La cantidad de corriente se encuentra limitada típicamente hasta 0.35 A si la salida estuviera en corto circuito (presumiblemente por accidente o debido a otro componente defectuoso).
Corriente de salida pico: Mientras la corriente nominal máxima es de 1.5A para esta serie de CI, el consumo de corriente de salida pico típica de una carga es de 2.2A. Esto muestra que incluso cuando el fabricante califica al CI como capaz de proporcionar 1.5 A, es posible extraer un poco mas de corriente (posiblemente por un periodo).
Diferencia de voltaje: La diferencia de voltaje, típicamente de 2V, es la cantidad mínima de voltaje a través de las terminales de entrada-salida que deberá mantenerse si el CI operara como regulador. Si el voltaje de entrada desciende demasiado o si la salida se eleva de forma que no se mantienen al menos los 2V a través de la entrada-salida del CI, este ya no será capaz de proporcionar una regulación de voltaje. Por tanto, se debe de mantener un voltaje de entrada lo suficientemente grande para asegurar que siempre proporcione la diferencia de voltaje.
La serie de CIs 7900 proporciona reguladores de voltaje negativo, similares a los que proporcionan voltajes positivos. En la siguiente tabla se presenta un lista de Cis reguladores voltaje negativo. Como se muestra, los CIs reguladores se encuentran disponibles para un rango de voltajes negativos fijos, el CI seleccionado, proporcionara el voltaje de salida especificado toda vez que el voltaje de entrada se mantenga mayor al valor de entrada mínimo. Por ejemplo, la unidad 7912 proporciona una cantidad de -12V mientras la entrada al CI regulador sea más negativa que -14.6V.
Reguladores de voltaje ajustable
Lo reguladores de voltaje también se encuentran disponibles en configuraciones de circuitos que permiten que el usuario establezca el voltaje de salida en un valor regulado deseado. La unidad LM317, por ejemplo, puede operarse con el voltaje de salida regulado en cualquier valor dentro del rango de voltajes de 1.2 a 37V. La figura siguiente muestra la forma en la que es posible establecer el voltaje de salida regulado de un LM317.
Los resistores R1 y R2 fijan la salida en cualquier voltaje deseado dentro del rango de ajuste(1.2 a 37V). El voltaje de salida deseado puede calcularse mediante
Los resistores R1 y R2 fijan la salida en cualquier voltaje deseado dentro del rango de ajuste(1.2 a 37V). El voltaje de salida deseado puede calcularse mediante
rectificador de medio onda
El rectificador de media onda es un circuito empleado para eliminar la parte negativa o positiva de una señal de corriente alterna de lleno conducen cuando se polarizan inversamente. Además su voltaje es positivo.
Polarización directa (Vi > 0)
En este caso, el diodo permite el paso de la corriente sin restricción. Los voltajes de salida y de entrada son iguales, la intensidad de la corriente puede calcularse mediante la ley de ohm.
Polarización inversa (Vi < 0)
En este caso, el diodo no conduce, quedando el circuito abierto. No existe corriente por el circuito, y en la resistencia de carga RL no hay caída de tensión, esto supone que toda la tensión de entrada estará en los extremos del diodo:1
-
- Vo = 0
- Vdiodo = ViTensión rectificada
Tensión rectificada
- Acontinuacion veremos el circuito armado en la protoboard con sus respectiva señal en el ociloscopio
rectificador de onda completa
Un rectificador de onda completa es un circuito empleado para convertir una señal de corriente alterna de entrada (Vi) en corriente continua de salida (Vo) pulsante. A diferencia del rectificador de media onda, en este caso, la parte negativa de la señal se convierte en positiva o bien la parte positiva de la señal se convertirá en negativa, según se necesite una señal positiva o negativa de corriente continua.
Existen dos alternativas, bien empleando dos diodos o empleando cuatro (puente de Graetz).
Rectificador con dos diodos
En el circuito de la figura, ambos diodos no pueden encontrarse simultáneamente en directa o en inversa, ya que las diferencias de potencial a las que están sometidos son de signo contrario; por tanto uno se encontrará polarizado inversamente y el otro directamente. La tensión de entrada (Vi) es, en este caso, la media de la tensión del secundario del transformador.
Tensión de entrada positiva
El diodo 1 se encuentra en polarización directa (conduce), mientras que el 2 se encuentra en inversa (no conduce). La tensión de salida es igual a la de entrada.Nota:los diodos en posición directa conducen altas corrientes,en posición inversa alta tensiones.
Tensión de entrada negativa
El diodo 2 se encuentra en polarización directa (conduce), mientras que el diodo 1 se encuentra en polarización inversa (no conduce). La tensión de salida es igual a la de entrada pero de signo contrario. El diodo 1 ha de soportar en inversa la tensión máxima del secundario .
Puente de Graetz o Puente Rectificador de doble onda
En este caso se emplean cuatro diodos con la disposición de la figura. Al igual que antes, sólo son posibles dos estados de conducción, o bien los diodos 1 y 3 están en directa y conducen (tensión positiva) o por el contrario son los diodos 2 y 4 los que se encuentran en directa y conducen (tensión negativa).
A diferencia del caso anterior, ahora la tensión máxima de salida es la del secundario del transformador (el doble de la del caso anterior), la misma que han de soportar los diodos en inversa, al igual que en el rectificador con dos diodos. Esta es la configuración usualmente empleada para la obtención de onda continua.
Tensión rectificada
- Vo = Vi = Vs/2 en el rectificador con diodos.
- Vo = Vi = Vs en el rectificador con puente de Graetz.
Si consideramos la caída de tensión típica en los diodos en conducción, aproximadamente 0,6V; tendremos que para el caso del rectificador de doble onda la Vo = Vi - 1,2V.
Acontinuacion le mostrare el circuito en la protoboard y su señal en el ocislocopio
