Tabla de Contenidos

Introducción

La evolución de nuestra sociedad está ligada a la de la electrónica. Constantemente convivimos, muchas veces sin ni si quiera darnos cuenta, con todo tipo de elementos electrónicos. A diario, se utiliza un coche, un teléfono o se ve la televisión sin saber que todo ello funciona gracias a la electrónica. Hay una interminable lista de cosas que hacen la vida mucho más fácil y en las que la electrónica juega un papel crucial.

En general casi todos los circuitos electrónicos funcionan con alimentación continua, sin embargo por su facilidad de generación, transporte, transformación y uso, la electricidad de la que se dispone, con más facilidad, es alterna, en sus diversas formas. Es decir, no siempre disponemos de una fuente eléctrica continua, por lo que nos vemos obligados a convertir la electricidad alterna. República Dominicana disponemos en cualquier toma de un domicilio de 120 VAC-RMS, que deben ser tratados para poder alimentar los circuitos electrónicos que contienen los equipos de música, el aire acondicionado, un ordenador, un microondas, etc. Este es el punto de partida de las fuentes de alimentación y reguladores electrónicos, que son los encargados de adecuar los valores de la red de distribución a los valores necesarios para que funcionen adecuadamente y no sufran daños dichos circuitos electrónicos, entre otros usos.

Fuente de Tensión Regulada

Definición

En general, se entiende por fuente de alimentación de un equipo eléctrico, la parte del mismo destinada a adecuar las características y parámetros de la energía disponible para la alimentación del mismo, o fuente de alimentación primaria, con el fin de proveer un funcionamiento estable y seguro.

Puesto que casi todos los circuitos electrónicos trabajan con corriente directa, es necesario realizar la conversión de la corriente alterna que se transmite en el país. Para convertir la tensión alterna en continua se utilizan los circuitos rectificadores. Sin embargo, la tensión continua disponible a la salida del filtro del rectificador puede que no sea lo suficientemente buena, debido al rizado, para una aplicación particular o que varíe su magnitud ante determinados tipos de perturbaciones que puedan afectar al sistema como por ejemplo variaciones de la carga, de la temperatura o de la red hasta un 10%. En estos casos se precisan circuitos de estabilización o de regulación para conseguir que la tensión continua a utilizar sea lo más constante posible.

De aquí, el concepto de fuente regulada de alimentación, como un dispositivo electrónico encargado de suministrar un voltaje o una corriente continua, lo más estable posible, a los distintos elementos que se conecte a el.

Fuente regulada de alimentación

Una fuente de tensión regulada utiliza normalmente un circuito automático de control que detecta, prácticamente de un modo instantáneo, las variaciones de la tensión de salida y las corrige automáticamente. En general, todo sistema de control requiere los siguientes elementos básicos:

Elemento de referencia: Para saber si una magnitud ha variado se precisa una referencia, que deberá ser lo más estable posible.

Elemento de muestra: Su misión es detectar las variaciones de la magnitud en cuestión (tensiones, temperaturas, presiones, etc.).

Elemento comparador: Su finalidad es comparar, en todo momento, la referencia con la muestra de la magnitud que pretendemos controlar.

Amplificador de señal de error: La señal de error, que no es más que la diferencia entre la referencia y la muestra, puede ser de un nivel tan bajo que no puedan accionar el elemento. En este caso, debe amplificarse.

Elemento de control: Que interpretada la señal de error, amplificada o no, de modo que contrarreste las variaciones producidas en las magnitudes de salida.

Estos elementos básicos integran normalmente cualquier sistema de control, sea electrónico, mecánico, hidráulico, etcétera.

Transformación de voltaje

En algunos casos, es necesario reducir o aumentar el voltaje o la corriente disponible para alimentar un circuito determinado. Para estos fines, se emplea un dispositivo eléctrico conocido como el transformador de poder. Existen un sin fin de tipos de transformador de poder. El transformador permite obtener voltajes mayores o menores que los producidos por una fuente de energía eléctrica de corriente alterna, por lo general entre 105 y 120 voltios RMS.

Un transformador se compone de dos enrollamientos o embobinados eléctricamente aislados entre sí, devanados sobre el mismo núcleo de hierro o de aire. Una corriente alterna que circula por uno de los devanados genera en el núcleo un campo magnético alterno, del cual la mayor parte atraviesa al otro devanado e induce en él una fuerza electro- motriz también alterna. La potencia eléctrica es transferida así de un devanado a otro, por medio del flujo magnético a través del núcleo. El devanado al cual se le suministra potencia se llama primario, y el que cede potencia se llama secundario. En cualquier transformador, no todas las líneas de flujo están enteramente en el hierro, porque algunas de ellas vuelven a través del aire.

Rectificación

Un circuito rectificador convierte corriente alterna en corriente directa pulsante que luego puede filtrarse en corriente directa pura, emulando la producida por las baterías. Para hacerlo, el rectificador debe conducir corriente con el mínimo de resistencia en dirección hacia la carga y bloquear su flujo en dirección inversa. El diodo, dispositivo semiconductor con sus características de corriente unidireccional y unipolar, es muy adecuado para rectificar.

Rectificador de media onda

El circuito para rectificar media onda se muestra en la siguiente figura. Durante el semiciclo positivo el diodo queda polarizado en directo, permitiendo el paso de la corriente a través de él.

Si el diodo es considerado como ideal, este se comporta como un cortocircuito, (ver gráfico), entonces toda la tensión del secundario aparecerá en la resistencia de carga.

Durante el semiciclo negativo, la corriente suministrada por el transformador querrá circular en sentido opuesto a la flecha del diodo. Si el diodo es considerado ideal entonces este actúa como un circuito abierto y no habrá flujo de corriente.

 

La forma de onda de salida de un rectificador de media onda será como se muestra en la siguiente figura.

Rectificador de onda completa

En este circuito con puente de diodos, los diodos, D1 y D3 son polarizados en directo en el semiciclo positivo, los diodos D2 y D4 son polarizados en sentido inverso. Ver que la corriente atraviesa la carga RL.

El semiciclo negativo, la polaridad del transformador es el inverso al caso anterior y los diodos D1 y D3 son polarizados en sentido inverso y D2 y D4 en sentido directo. La corriente como en el caso anterior también pasa por la carga RL en el mismo sentido que en el semiciclo positivo.

Filtros

Los filtros son dispositivos eléctricos que tienden a adecuar una tensión alterna para utilizarla como alimentación continua de cualquier circuito. Los filtros de alimentación son sólo una de las aplicaciones de estos pero, debido a su utilidad y simplicidad, vamos a comenzar con ellos.

Filtro con condensador

La tensión de salida del rectificador de 1/2 onda anterior (una onda pulsante) no muestra con claridad un voltaje en corriente continua que se pueda aprovechar (no es constante). Pero si incluimos a la salida de este y antes de la carga un condensador, este ayudará a aplanar la salida.

Cuando el diodo conduce (semiciclo positivo) el condensador se carga al valor pico del voltaje de entrada. En el siguiente semiciclo, cuando el diodo está polarizado en inversa y no hay flujo de corriente hacia la carga, es el condensador el que entrega corriente a la carga (el condensador se descarga a través de la resistencia de carga). El condensador al entregar corriente a la carga se descarga (disminuye el voltaje en sus terminales).

Tensión de rizado

A la variación del voltaje ("V) en los terminales del condensador debido a la descarga de este en la resistencia de carga se le llama tensión de rizado. La magnitud de este rizado dependerá del valor de la resistencia de carga y al valor del condensador.

En el semiciclo positivo el transformador entrega corriente, a través del diodo, al condensador C y a la resistencia R. En el semiciclo negativo es el condensador el que entrega corriente a la resistencia (se descarga).

Si el condensador es grande significa menos rizado, pero aún cumpliéndose esta condición el rizado podría ser grande si la resistencia de carga es muy pequeña (corriente en la carga es grande).

Filtrado de onda completa

La salida del rectificador de onda completa es pulsante y para "aplanarla" se pone un condensador en paralelo con la carga. Este condensador se carga a la tensión máxima y se descargará en RL mientras que la tensión de salida del secundario del transformador disminuye a cero ("0") voltios, y el ciclo se repite.

Filtro RC

La figura muestra dos filtros RC entre el condensador de entrada y la resistencia de carga. El rizado aparece en las resistencias en serie en lugar de hacerlo en la carga. Unos buenos valores para las resistencias y los condensadores serían:

R = 6,8 ohmios

C = 1000 micro faradios

Con estos valores cada sección atenúa el rizado en un factor de 10, y pueden ser empleadas varias etapas en cascada.

La desventaja principal del filtro RC es la pérdida de tensión en cada resistencia. Esto quiere decir que el filtro RC es adecuado solamente para cargas pequeñas. Es muy útil cuando tienes un circuito digital controlando relés, en ocasiones estos relés crean ruidos en la alimentación provocando el mal funcionamiento del circuito digital, con una sección de este filtro para la alimentación digital queda solucionado el problema.

Filtro LC

Cuando la corriente por la carga es grande, los filtros LC de la figura presentan una mejora con respecto a los filtros RC. De nuevo, la idea es hacer que el rizado aparezca en los componentes en serie, las bobinas en este caso. Además, la caída de tensión continua en las bobinas es mucho menos porque solo intervienen la resistencia de los arrollamientos.

Los condensadores pueden ser de 1000 µF y las bobinas cuanto más grandes mejor. Normalmente estas últimas suelen ocupar casi tanto como el transformador y, de hecho, parecen transformadores, menos mal que con una sola sección ya podemos reducir el rizado hasta niveles bajísimos.

Regulación

El concepto de fuente de alimentación engloba el conjunto de transformación, rectificación y regulación de la fuente eléctrica primaria. El regulador es el componente de la fuente que se intercala entre la fuente de alimentación con salida no regulada, es decir rectificada y filtrada, y la carga.

El regulador es un dispositivo activo en el que se producen los cambios pertinentes para que la salida permanezca estable. Esto se consigue comparando la salida con una referencia de buena estabilidad y utilizando el resultado de dicha comparación para producir los cambios internos precisos. El regulador opera, por lo tanto, como un servomecanismo cuyo tiempo de respuesta es finito y cuyo error en la estabilidad es función de la ganancia del bucle de realimentación.

Clasificación y tipos de reguladores

Existen fundamentalmente dos clases de reguladores:

• Reguladores lineales

• Reguladores conmutados

Los reguladores lineales operan con corriente continua a la entrada de un nivel siempre superior a la salida deseada, y equivalen a una resistencia cuyo valor se ajusta automáticamente, y está conectada entre la entrada y la salida que, por efecto Joule, disipa en forma de calor el exceso de potencia eléctrica disponible en la fuente primaria, lógicamente siempre superior a la que exige la carga. Su rendimiento energético es por tanto siempre inferior a la unidad, pues lo contrario significaría la inexistencia del regulador.

Los reguladores conmutados operan de forma absolutamente diferente, con el fin de no desperdiciar energía en forma de calor. Para ello se hace intervenir un parámetro no eléctrico: el tiempo.

Como su nombre indica, su principio de funcionamiento está basado en un conmutador que interrumpe el suministro de corriente en la fuente primaria, a intervalos de duración variable con respecto a los de conducción, haciendo automáticamente que el valor medio de la energía conducida coincida con las necesidades de la carga. Como no existe en ellos ninguna pérdida intencionada de energía, el rendimiento teórico será la unidad. Además, en algunos casos, pueden funcionar con corriente continua pulsante como es una señal alterna rectificada sin filtrar.

Los reguladores conmutados pueden funcionar a frecuencia fija o variable, pues lo importante es la relación de tiempos de conducción y bloqueo. No obstante, su control resulta más fácil si la frecuencia es constante, de un valor que en principio puede ser cualquiera. Cuando se utiliza la red como fuente primaria, resulta muy cómodo utilizar su frecuencia, que ya está disponible, y como la simplificación es importante, se debe proceder a la rectificación simultáneamente con la regulación.

Diagrama de bloques de una fuente de alimentación con regulador electrónico lineal

Diagrama de bloques de una fuente de alimentación con regulador electrónico conmutado

Reguladores lineales básicos

Existen dos tipos:

• Reguladores lineales en serie con la carga

• Reguladores lineales en paralelo con la carga

Aunque ambos reguladores operan con la misma eficacia, bajo consideraciones energéticas existe entre ellos una diferencia fundamental. Mientras que en el regulador serie la energía sobrante, disipada intencionadamente en forma de calor, aumenta en proporción directa con la carga a que es sometida la fuente; en el regulador paralelo la energía disipada en el regulador disminuye cuando aumenta la carga. Esto es un contrasentido cuando se demande de la fuente una carga muy inferior a sus posibilidades. Además, el regulador paralelo tiene un elemento más que también disipa calor, una resistencia por la que circulan las corrientes de carga y del propio regulador.

Diagrama de bloques de un regulador electrónico serie y otro paralelo

Por tanto, sea cual sea la situación, una fuente primaria con un regulador paralelo entrega siempre una potencia igual o superior a una fuente primaria con un regulador serie funcionado en las mismas condiciones, es decir el rendimiento del primero es inferior o igual al del segundo. Esto se debe a que en la resistencia que acompaña al regulador paralelo, se disipa la misma potencia que en el regulador serie.

Por otro lado, el regulador paralelo impide que las variaciones de corriente de la carga aparezcan en la fuente primaria. Esto le proporciona una facultad de aislamiento entre la carga y la fuente primaria que es importante en ciertos casos en que se manejan frecuencia elevadas y diferentes cargas.

En caso de sobrecarga, los reguladores serie reciben el impacto directo de dicha sobrecarga por lo que son más frágiles que los reguladores paralelo.

Prácticamente los reguladores en paralelo se ven relegados a un segundo plano, usándose sólo en casos de bajo consumo de energía o cuando es muy importante la interacción entre equipos o secciones del mismo alimentadas por una única fuente primaria. El caso más conocido es el de un circuito regulador con diodo zéner.

Regulación Mediante Circuitos Integrados (IC)

En la actualidad existen pastillas de circuito integrado (C.I.), que funcionan como reguladores de tensión. Esto representa una gran ventaja frente a los circuitos discretos en cuanto a menor precio, menores dimensiones, mayor fiabilidad, diseño más sencillo y gran versatilidad.

Existen reguladores monolíticos con tensiones de salida de apenas unos voltios hasta algunos kilovoltios, y con elementos externos la corriente puede alcanzar varias decenas de amperios.

El circuito regulador monolítico es sustancialmente más complejo que uno con elementos discretos. Esta mayor complejidad se debe al hecho de que es relativamente fácil añadir diodos y transistores en un chip monolítico, para realizar con más precisión y fiabilidad las funciones, sin aumentar significativamente su coste.

La tensión de salida puede ser fija o variable, estando en este último caso controlada por elementos externos.

Clasificación general de los CI reguladores

Los reguladores de tensión comunes se clasifican en general por el número de terminales o pines del integrado, por el tipo de tensión de salida (fija o variable, positiva o negativa) y por la intensidad máxima de salida:

Regulador de tensión de tres terminales:

• Regulador de tensión fijo:

• Regulador de tensión de salida positiva.

• Regulador de tensión de salida negativa.

• Regulador de tensión variable:

• Regulador de tensión de salida positiva.

• Regulador de tensión de salida negativa.

Reguladores de tensión de más de tres terminales

Parámetros fundamentales de los CI reguladores

Los parámetros que caracterizan a los reguladores integrados y que aparecen generalmente en las hojas de características del fabricante son:

Máxima y mínima tensión de entrada

La máxima tensión de entrada es aquella que puede aplicarse entre el terminal de entrada (INPUT, véase figura) y el de masa (COMMON) en función de la máxima disipación de potencia sin deteriorar el dispositivo.

La mínima tensión de entrada es aquella con la que se garantiza la estabilidad de la tensión de salida, es decir mantiene la regulación de línea.

Máxima corriente de salida

Es la máxima corriente que puede suministrarse sin que la tensión de salida disminuya o el integrado sufra daños. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la corriente máxima disponible disminuye con el aumento de la tensión de entrada. Esto se hace para limitar automáticamente la máxima potencia disipada a un valor prácticamente constante. Es decir, tensión de entrada, corriente máxima de salida y potencia son tres parámetros que están íntimamente relacionados.

Los límites, que dependen del dispositivo, varían entre 100 mA y de 0,5 A. a 0,6 A. para corrientes bajas. De 1 A a 1,5 A para los más corrientes, como los de las series A7800 y LM340 u otros equivalentes, hasta llegar a 10 A. para reguladores de corrientes elevadas. Para el LM78M05 la máxima corriente de salida es de 500 mA. Hemos de tener en cuenta también que el tipo de encapsulado (plástico, metálico, etc.) influye en la máxima intensidad de salida que se puede obtener.

Rechazo al rizado

El rizado es una ondulación superpuesta a la tensión continua. Por otro lado, se entiende por rechazo, la capacidad de reducir la influencia que produce esta fluctuación de la tensión de alimentación sobre la salida. El rechazo al rizado se expresa en decibelios y va desde 40 dB para las tensiones más elevadas (30 dB en los casos más desfavorables), a 65 dB para las más bajas como 5 y 6 voltios, e incluso a 80 dB y más en los circuitos reguladores de elevadas prestaciones.

Para traducir los valores de este parámetro a valores comprensibles, la cifra en decibelios debe dividirse por 20 y el resultado emplearlo como exponente de 10, obteniéndose así el número de veces que queda atenuado el valor de la tensión de rizado con respecto al de la entrada. Dicha fórmula es:

Atenuación =

Tolerancia de la tensión de salida

Muchas veces es útil saber cuáles son las tolerancias de los valores nominales de las tensiones de salida de los reguladores de tres terminales. En general, se indican las tensiones máxima y mínima. Sin embargo, como se trata de dar una información de carácter general, es preferible dar valores porcentuales, que son independientes de los valores nominales y que varían, según la familia de dispositivos, entre ±2% y ±5%. En nuestro caso la tolerancia de la tensión de salida de la serie LM78L00AC es del ±5% dentro del rango de temperaturas de trabajo.

Derivación de la tensión de salida

Se entiende por deriva, la variación que sufre la tensión de salida, principalmente por dos causas: la temperatura y el envejecimiento.

La primera causa, la temperatura, contribuye aproximadamente en un 0,01%/°C, o sea que por cada grado centígrado de aumento de la temperatura del circuito integrado, la tensión de salida aumenta un 0,01%. Como puede observarse, el porcentaje de la deriva es bajo, pero no hay que olvidar que, durante el funcionamiento, se pueden pasar de disipaciones prácticamente nulas a picos considerables, lo que puede producir variaciones de temperatura de varias decenas de grados.

Máxima potencia disipable

Los fabricantes suministran gráficos que indican la máxima potencia disipable en función de la temperatura del dispositivo y de la resistencia térmica del disipador si se utiliza, o bien la máxima potencia absoluta, con y sin disipador.

Nota: Casi todos los C.I. reguladores tienen un sensor térmico que los protege de excesivas temperaturas debidas a la disipación de potencia, es lo que se conoce como parada térmica. Para más información véase apartado 8.1.

Algunos tipos de encapsulado para reguladores de tres terminales: TO-220, TO-3, TO-92.

Como indicador general, puede decirse que la potencia máxima está comprendida entre 0.5 y 0.6 W para los reguladores con cápsulas de plástico TO-92 (véase figura ), 2 W para los del tipo TO-220, y 3 W para las cápsulas TO-3, todos sin disipador. Con disipadores se llegan hasta 15 W para las TO-220 y a 25 W para las TO-3.

Regulación de línea: Es la variación que experimenta la tensión de salida cuando varía la tensión de entrada del regulador.

Regulación de carga: Es la variación que experimenta la tensión de salida cuando varía la carga.

Conclusión

En resumen, una fuente de tensión regulada se compone básicamente de las siguientes de cuatro etapas fundamentales para su correcto funcionamiento, las cuales se describen en el siguiente diagrama:

Primera etapa: transformador de poder

Como puede notarse la primera etapa de la fuente corresponde al transformador de poder. Existen un sin fin de tipos de transformador de poder. El transformador es un dispositivo que permite obtener voltajes mayores o menores que los producidos por una fuente de energía eléctrica de corriente alterna (CA).

Un transformador se compone de dos enrollamientos o embobinados eléctricamente aislados entre sí, devanados sobre el mismo núcleo de hierro o de aire. Una corriente alterna que circula por uno de los devanados genera en el núcleo un campo magnético alterno, del cual la mayor parte atraviesa al otro devanado e induce en él una fuerza electro- motriz también alterna. La potencia eléctrica es transferida así de un devanado a otro, por medio del flujo magnético a través del núcleo. El devanado al cual se le suministra potencia se llama primario, y el que cede potencia se llama secundario. En cualquier transformador, no todas las líneas de flujo están enteramente en el hierro, porque algunas de ellas vuelven a través del aire. La parte de flujo que atraviesa al primario y al secundario es la Llamada flujo mutuo, la parte que sólo atraviesa al primario es el flujo ligado al primario y la que atraviesa sólo al secundario, se le llama flujo liga- do al secundario. En este caso, la potencia eléctrica obtenida (potencia de salida) en el transformador será menor a la potencia de entrada o suministrada al mismo, debido a las inevitables pérdidas por calentamiento en el primario y secundario, mismas que se denominan perdidas del cobre, a demás, puesto que como se muestra en el diagrama el primario es mayor al secundario, la tensión de salida será menor a la de entrada, puesto que los requerimientos necesitados nos dan que la medición de salida entre estos puntos será de 12 v CA.

Segunda etapa: rectificación.

La segunda etapa de nuestra fuente de alimentación es la que queda constituida por la rectificación, en este punto, la señal inducida al secundario, será nuevamente inducida pero ahora a una señal directa.

Nuestra fuente que es nuestro tema de estudio, en este caso posee una rectificación a base de 4 diodos, por lo que su rectificación será de onda completa y esta conectado en "tipo puente".

Tercera Etapa: Filtro

Esta etapa, tiene como función, "suavizar" o "alisar" o "reducir" a un mínimo la componente de rizo y elevar el valor promedio de tensión directa. El que a continuación describiremos es el ocupado por la fuente causa de nuestro estudio, y es a base precisamente de elementos pasivos como es el condensador. Nuestra fuente tiene un condensador de 4700 mF a 16 V, el cual tendrá dicha función. Este tipo de red de filtro, es el más ocupado por ser el más sencillo y económico, como nuestra fuente posee pequeñas variaciones de carga y puede tolerarse algo de zumbido, es ideal para el funcionamiento de filtraje.

El funcionamiento es el siguiente: Por cada ciclo de la señal rectificada, el condensador, se carga al valor pico, cuando la amplitud del voltaje rectificado comienza a disminuir, el capacito empieza a descargarse. Su eficiencia depende de la constante de tiempo, puesto que una carga de bajo valor pide más corriente haciendo que el condensador se descargue más rápidamente y el filtraje sea menor.

Cuarta Etapa: Regulador De Voltaje.

En muchas ocasiones necesitamos una fuente de alimentación que nos proporcione más de 1A y esto puede convertirse en un problema que aumenta, si además queremos, por seguridad, que se pueda cortocircuitar. La solución es dopar (añadir) un transistor de potencia o los que sean necesarios para que nos proporcione la corriente deseada.

Bibliografía

Bibliografía escrita. (Libros, revistas, folletos y apuntes):

• Electrónica de potencia: Fuentes reguladas.

J.D. Aguilar Peña. E.U. Politécnica de Jaén.

• Electrónica industrial: Problemas fuentes de alimentación.

J.D. Aguilar Peña. E.U. Politécnica de Jaén.

• Fuentes de alimentación reguladas electrónicamente.

F. Bonnin Forteza. Marcombo.

• Motorola thyristor data.

• Fuentes de alimentación reguladas electrónicamente.

F. Bonnin Forteza. Marcombo.

Bibliografía electrónica. (Internet - Direcciones electrónicas):

• Motorola semiconductors.

http://www.motorola.com

• National semiconductor corporation.

http://www.national.com

• Rohm.

http://www.rohm.com

• STMicroelectronics.

http://www.st.com

• SGS-Thomson Microelectronics.

http://www.st.com

• Texas instruments incorporated.

http://www.ti.com

• Zetex semiconductors

http://www.zetex.com

Fuente de Tensión Regulada

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