1

2011

Felipe Isaac Paz Campos

UNI

29/03/2011

FUENTES DE ALIMENTACION DC LINEALES

2

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.

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.

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.

1.2.2 Fuentes de alimentación

Conmutadas

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

RL

Figura 1

3

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.

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:

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

Figura 2

Figura 3

Figura 4

4

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:

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:

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

Figura 5

Figura 6

5

número de vueltas o espiras de ambos

enrollados. Esta relación la podemos

expresar a través de cualquiera de las

siguientes fórmulas:

2

1

2

1

N

N

V

V (1.1)

1

2

1

2

N

N

V

V (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:

)(2

1

12

N

N

VV (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:

1

212

N

NVV (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:

V

N

N

VV 23

5

115

40

200

115

)(2

1

12

Por lo tanto, vamos a tener que si se

cumple que N2<N1. Esto trae como

consecuencia que estemos en presencia de

un transformador reductor. Si, por el

contrario, se diese el caso de que N2>N1

entonces la tensión del secundario será

mayor que la del primario y estaremos en

presencia esta vez de un transformador

elevador.

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:

fN

NVV )(

1

212 (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:

2

121

N

NVV (1.6)

En ocasiones nos vamos a encontrar con

transformadores confeccionados por otros

fabricantes, como por ejemplo, el de la

figura 7:

6

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:

2

1

2

1 94.618

125

N

N

N

N

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:

VV 7.3194.6

2202

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:

2

1

1

2

N

N

I

I (1.7)

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.

Si quisiéramos calcular la intensidad de

corriente que circula por el enrollado

primario, pudiéramos despejar en (1.7) y

obtener:

2

1

21

N

N

II (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):

mAAI 808.0

40

200

4.01

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

Figura 7

7

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:

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:

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.

DXV )4142.1(max (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:

VV 5.71)4142.1(6max

Veamos ahora si a ese mismo

transformador se le conecta un

rectificador en puente (conducen los

diodos de dos en dos) la operación sería:

Figura 9

Figura 8

8

VV 5.62)4142.1(6max

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.

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 P-

N. 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 P-

N) 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

frecuencia. Como se puede apreciar en la

figura 11, en el mismo se va a hacer uso

solamente de un diodo.

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.

Figura 10

Figura 11

9

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.

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:

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

Figura 12 Figura 13

10

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:

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

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

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.).

Figura 14

11

El símbolo con que es representado en los

planos electrónicos es 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.

Como se puede apreciar, este capacitor es

polarizado, en estos casos su

representación en los planos electrónicos

se realiza con alguno de los siguientes

símbolos 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:

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.

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

Figura 15

Figura 16

Figura 17

Figura 18

12

habría que tener en cuenta la caída que

producen los diodos.

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:

)(

5

maxVf

IC (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:

4.1)(

5

maxVf

IC (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).

VV 97.142)4142.1(12max

Con este dato, donde se ha calculado

aproximadamente la tensión de salida de

la fuente, podemos empezar a sustituir en

(1.10):

mFC 3916.1)97.14(60

25.0*5

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.

13

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:

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.

Para la confección de este filtro RC se

puede escoger una resistencia de

aproximadamente 6.8 ohm y un

condensador de 1000 µF.

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.

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

Figura 19

Figura 20

Figura 21

14

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.

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, IzVzPz (1.12)

Esto significa que la máxima corriente

que puede atravesar un diodo zener es:

Vz

PzIz (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).

1.3.4.2 Regulador Serie con transistor

de paso.

BEVVzVsal (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

Figura 22

Figura 23

15

Mientras la tensión en el resistor esté por

debajo de 0.7 voltios, el transistor T2 no

conducirá y la fuente trabajará

normalmente.

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 T2 empezará a

conducir.

El colector de T2 está conectado a la base

de T1, que es el transistor de paso del

regulador, figura 24.

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.

El resistor que se debe utilizar para lograr

esta limitación de corriente será:

4.15.0

7.0

max A

V

I

VR

L

BE.Se puede

utilizar una resistencia de 1.5 ohmios

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:

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.

Figura 25

Figura 24

16

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:

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:

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

Figura 27

Figura 26

17

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:

78xx (sin letra): 1 A

78Lxx: 0'1 A

78Mxx: 0'5 A

78Txx: 3 A

78Hxx: 5 A (híbrido)

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.

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.

Estos reguladores poseen una protección

total contra sobrecargas y cortocircuitos

en la salida.

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:

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

Figura 28

18

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.

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

Figura 29

19

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:

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.

Figura 30

20

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:

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.

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:

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

Figura 31

Figura 33

Figura 32

21

LM7905 (regula a -5V) que viene en su

hoja de datos, 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:

Si ajustamos el valor del potenciómetro

(R2) a su menor valor (o sea una

resistencia de 0 ohm) la tensión entre los

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.

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

Figura 34

Figura 35

22

se obtengan salidas también diferentes,

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:

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

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.

Los 4 capacitores electrolíticos

conectados a la salida del puente

Figura 36

Figura 37

Figura 38

23

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 48-5.2-

650R 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.

También es posible ver a este regulador

en circuitos pequeños y sencillos como el

que se muestra a continuación, 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.

El funcionamiento de este circuito es muy

sencillo. Cuando existe tensión en la

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.

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.

Figura 39

Figura 40

24

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.

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:

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

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.

Figura 41

25

Material Adicional

FUENTES CONMUTADAS

CONFIGURACIONES BÁSICAS:

Las fuentes conmutadas son de circuitos

relativamente complejos, pero podemos

siempre diferenciar cuatro bloques

constructivos básicos:

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

entre el estado de encendido y el estado

de apagado de una onda cuadrada.

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, BUCK-

BOOST.

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

26

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)

27

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.

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%.

PUSH-PULL:

Rango desde 100 hasta 500 vatios.

Variación del voltaje de entrada:

Vin +10%, -20%

Eficiencia del convertidor: h =

80%

Regulación por variación del ciclo

de trabajo: d(max) = 0.8

Máx. corriente de trabajo en el

transistor:

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

1.4 Pout / Vin (FORWARD)

Máx. tensión de trabajo del

transistor: Vw = 2 Vin(max) 1.41

+ tensión de protección

Configuración básica:

28

HALF-BRIDGE:

Rango desde 100 hasta 500 vatios.

Variación del voltaje de entrada:

Vin +10%, -20%

Eficiencia del convertidor: h =

80%

Regulación por variación del ciclo

de trabajo: d(max) = 0.8

Máx. corriente de trabajo en el

transistor:

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

= 2.8 Pout / Vin (FORWARD)

Máx. tensión de trabajo del

transistor: Vw = Vin(max) 1.41 +

tensión de protección

Configuración básica:

Opcionalmente agregando un capacitor de

acoplamiento:

FULL-BRIDGE:

Rango desde 500 hasta 1000

vatios.

Variación del voltaje de entrada:

Vin +10%, -20%

Eficiencia del convertidor: h =

80%

Regulación por variación del ciclo

de trabajo: d(max) = 0.8

Máx. corriente de trabajo en el

transistor:

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

Configuración básica:

Fuentes conmutadas vs. fuentes lineales

Básicamente existen dos formas de

realizar una fuente de alimentación

regulada.

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

29

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

30

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.

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.

ahora mostramos el diseño con estas

formulas:

Datos:

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

Se decidió poner un capacitor de 100ufd.

a 63 volts.

R1+R2=24Kohms

R1= Potenciometro de 25K.

31

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:

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

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.

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

32

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

33

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.

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.

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Sistemas de alimentación conmutados.

Madrid, Paraninfo, 1997.

K.H. BILLINGS: Switchmode Power

Supply Handbook. New York, McGraw-

Hill, 1989.