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Fuentes de alimentación lineales (página 2)

Enviado por Higinio Bellón Corvo



Partes: 1, 2

Un parámetro de la corriente eléctrica a tener en cuenta a la hora de trabajar con las fuentes de alimentación es la potencia. Por esta última vamos a entender a aquella energía que consume un elemento durante 1 segundo. La unidad de medida empleada es el Watt, cuya sigla es W y pronunciada también como vatio. Este nombre se le dio en honor al inventor e ingeniero mecánico escocés James Watt (1736 - 1819) y la misma forma parte también del Sistema Internacional de Medidas.

Fuentes de alimentación lineales

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.

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:

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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:

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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 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.

El transformador

El símbolo del transformador es el siguiente:

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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:

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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 número de vueltas o espiras de ambos enrollados. Esta relación la podemos expresar a través de cualquiera de las siguientes fórmulas:

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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 (2a) y obtener:

(3) Monografias.com

Pudiéramos obtener una fórmula más simple a la hora del cálculo si el despeje se hiciera en (2b), de esa forma se obtendría:

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Así, si tenemos que la tensión de entrada es de 115 V, el enrollado primario posee 200 espiras y el secundario 40. Sustituimos en (3) y quedaría como:

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Por lo tanto, vamos a tener que si se cumple que N2V1). 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 (3). 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:

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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 (2a) y obtenemos:

(4) Monografias.com

En ocasiones nos vamos a encontrar con transformadores confeccionados por otros fabricantes, como por ejemplo, el siguiente:

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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 (2a) y suponiendo que la tensión de entrada es de 125 V y la de salida es de 18 V, tenemos que:

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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 (3) tendríamos:

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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:

(5) Monografias.com

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 (5) y obtener:

(6) Monografias.com

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 (6), la corriente que circulará por el primario (I1):

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Teniendo el valor de la corriente del enrollado primario podemos determinar que 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 consumirá el circuito que se desea alimentar.

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.

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:

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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:

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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 fórmula (1) con una ligera modificación, como se muestra:

(7) Monografias.com

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 (7) nos quedaría:

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Veamos ahora si a ese mismo transformador se le conecta un rectificador en puente (conducen los diodos de dos en dos) la operación sería:

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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.

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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.

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 el siguiente esquema, en el mismo se va a hacer uso solamente de un diodo.

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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.

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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.

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.

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.

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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:

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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.

Rectificador de onda completa

Es este el más utilizado y su esquema electrónico es el siguiente:

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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 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:

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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.

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.).

El símbolo con que es representado en los planos electrónicos es el siguiente:

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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.

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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:

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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:

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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 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:

(8) Monografias.com

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:

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Por ejemplo, deseamos construir una fuente de alimentación para un circuito que consume 250 mA. 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).

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Con este dato, donde se ha calculado aproximadamente la tensión de salida de la fuente, podemos empezar a sustituir en (8):

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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.

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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:

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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.

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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 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.

El regulador

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:

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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.

R1: Resistencia de 470 ohm o puede ser también de 1K.

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.

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:

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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:

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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 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 siguiente:

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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 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:

(9) Monografias.com

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 (9), quedaría:

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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 ves de 10V, aplicáramos solamente 8V a la entrada. Sustituimos ahora en (9) y sería:

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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.

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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 1K 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 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 18K 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:

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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.

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:

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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 1K 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.

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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:

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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 LM7905 (regula a -5V) que viene en su hoja de datos:

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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:

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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:

(10) Monografias.com

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:

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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 se obtengan salidas también diferentes.

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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:

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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.

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Los 4 capacitores electrolíticos conectados a la salida del puente 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 10K 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.

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También es posible ver a este regulador en circuitos pequeños y sencillos como el que se muestra a continuación:

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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.

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:

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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.

 

 

Autor:

Higinio Bellon Corvo

Partes: 1, 2


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