Tecnología Informática      Técnico en Instalaciones de Telecomunicaciones About

Fuentes de alimentación

La  fuente de alimentación ( F.A )   tiene la función de suministrar la tensión y corriente adecuada y  estable  a cada bloque  de un  sistema electrónico  ( computador, televisor, sistema de alarma, etc ).

Para comenzar el tema , vamos a proponer el análisis de un circuito , que con un simple transistor y un zener, vamos a tener a la salida una tensión estable

Repasamos el diodo zener y resolvemos el problema

 

Diodo Zener.

 diodo zenerHemos visto que este tipo de diodo es útil cuando trabaja en la zona inversa, donde tenemos una zona ( zona zener ) en la que la tensión se mantiene muy estable.

curva zenerSe fabrican diodos para unas tensiones específicas, de forma que un diodo de  5,1 voltios polarizado en inverso, hace que la tensión entre ánodo y cátodo permanezca a esa tensión , aunque varíe la corriente que circula por el mismo

 Ejercicio1.  En el circuito siguiente,  calcular:

  1.  La tensión y corriente de salida
  2. La corriente por el zener
  3. La potencia que consume el transistor ( dada por Vce * Ie ). Considerar que la ganancia β es 100 y la tensión Vbe es 0,7 voltios.
  4. La potencia entregada a la carga (Rl)
  5. La eficiencia del sistema, dada por la relación entre la potencia  entregada y la potencia total consumida por el sistema
  6. Si la carga fuese una bombilla, hacer un circuito con un divisor de tensión, de forma que la tensión en la bombilla sea la misma
  7. Suponer que en los dos circuitos que tenemos ( la fuente y el divisor ), aumentamos la tensión de 9 a 12 voltios.  Qué tensión va a tener  ahora la bombilla  en los dos casos?.
  8. Montar el circuito en cocodrile y contrastar resultados
regulador serie

Fuentes con transistor  con salida variable

Las fuentes también se puede diseñar para que trabajen entre cierto rango.

fuente reguladaEn el caso de la figura, tenemos una fuente que la podemos regular entre un rango de 0 a 12 Voltios, dependiendo del valor de la resistencia que hay en paralelo con el zener de 12 voltios.

En realidad, la fuente no llegará a los 12 voltios, dado que tenemos que restar la tensión de la unión base-emisor.

 Las fuentes se pueden  clarificar en dos tipos

1º  Fuente lineales.

Son las fuentes convencionales, compuestas por los módulos de:

Transformador (  que reduce la tensión de 220 voltios a una tensión más próxima a la de uso )

Rectificador ( obtiene los ciclos positivos de la onda en un terminal )

Sistema de Filtrado ( elimina las frecuencias elevadas, picos de tensión, etc )

Reductor de rizado ( reduce la variaciones de la tensión ). Es el condensador que se pone a la salida de los diodos

Regulador ( estabiliza la tensión de salida ).

 Mostramos un esquema general del mismo: circuito regulador 5 voltios

Estas fuentes  usan transformadores operando a la frecuencia de la red ( 50 Hz  ) con grandes inconvenientes dado que estos componentes suelen ser caros, con gran volumen y peso. Además generan pérdidas en el hierro y en el cobre, dando lugar a perdidas globales de rendimiento de la f.a

 El desarrollo de la electrónica integrada ha provocado que la circuitería que antes ocupaba un espacio considerable, se integre en circuitos con las patillas adecuadas para dar soluciones en las f.a. Un caso muy conocido es la familia 78XX, que con tres terminales ( entrada, salida y control ), ofrecen diferentes tensiones de salida de forma estable. El valor de la salida depende de la terminación de su numeración, así el 7805, tiene una salida de 5 voltios o el 7812 de 12 voltios. Cada uno de ellos tiene un rango de valores de tensión de entrada, que en el caso del 7805 es 7 voltios de mínima y 25 de máxima. En la siguiente imagen tenemos un circuito , que conectado el terminal común a un divisor de tensión, puede ofrecer una tensión de salida diferente.

Ejercicio 2. Realizar el análisis adecuado para obtener el valor de la tensión de salida. La corriente típica por el terminal común es de 80 mA. Tener en cuenta que el regulador lm 7805 tiene una tensión entre la salida y el valor de referencia de 5 voltios. Como tenemos un potenciómetro conectado de 1 K, calcular la tensión máxima y mínima que tenemos a la salida. 7805

Otro bloque importante es toda fuente son los sistemas de protección de picos te tensión.

La red suele traer una serie de picos de tensión de diversas fuentes, arranque de motores, conmutaciones, etc. Estas tensiones elevadas de poca duración,  puede causar daños en el sistema. Una configuración típica de estos bloques  es el mostrado en la siguiente imagen. filtro-red-electrica        

Fuente de alimentación Conmutadas

En este caso, tenemos un componente ( transistor )  que conmuta a frecuencias elevadas para obtener señales cuadradas de frecuencia elevada que serán rectificadas y filtradas

Como consecuencia de la baja eficiencia dada por los sistemas lineales ( ver ejercicio 1 ), estos sistemas nos permiten mejorar este factor dado que los transistores no están trabajando todo el tiempo, como ocurre en los anteriores.

En este caso, el dispositivo va a trabajar en modo de conmutación ( pasando del corte a la saturación y viceversa ).

 En los años 70, tuvo un desarrollo importante este tipo  de fuentes , que operan del lado  de alta tensión, con altos  rendimientos ( Por encima del 80%),  con bajo costo y volumen.

Eficiencia:

Veremos que  en un regulador  convencional,  cuya  tensión de salida es  5 V y 1 A de salida, si la tensión de  entrada de 30 voltios, la caída de tensión es 25V , que al pasar por el  transistor de  control,  se está disipando una potencia de ( 25 V * 1 A ) =  25 W , que se pierden en forma de calor. En este caso, tenemos que para una entrega de 5 vatios, tenemos un consumo total de 30 W ( 5 entregados y 25 consumidos ). La eficiencia es:

 eficiencia 

Tenemos sólo una eficiencia del 16,6 %

 En el caso de las conmutadas, tenemos rendimientos del 80%.

En las fuentes  conmutadas, los encargados del control de potencia  también son transistores, pero  al trabajar en modo conducción - corte, el producto de Vce * Ie ( en el caso de un bipolar ) tendremos siempre el producto de un valor alto por uno bajo, por lo cual, la potencia que consume el transistor es baja.

La frecuencia de conmutación ( veces que el transistor pasa del corte a saturación ) suele estar  limitada en transistores bipolares  a unos  40 KHz., pero si se usan MOSFET de potencia, la frecuencia sube a unos 200 KHz, lo cual  supone  un considerable ahorro en tamaño de transformadores. En la siguiente imagen mostramos un esquema básico de una f.a. conmutada fuente conmutada

 A grandes rasgos, el bloque de control ( el que indica los 30 Khz) hace que el transistor pasa de corte a saturación y viceversa, controlando el tiempo que el semiconductor está activo y, por tanto, la energía que se pasa al primario del transformador, que es recogida por el secundario y rectificada en una segunda etapa.

 Existen varias formas de controlar el dispositivo para controlar el flujo de corriente. Veremos uno de ellos, denominado  Step-Down (Buck Converter).

 En esta configuración , la regulación es parecida  a la que hace  un transformador reductor, con una tensión de salida menor de la tensión de  entrega. Mostramos el esquema de este circuito ( simil para explicar el real )

Step-Down-simil Si observamos la figura anterior, cuando el  transistor ( representado por el interruptor S)  se cierra, tenemos el estado Ton , momento en el que  una corriente pasa por el inductor L. De toda la corriente que pasa, una parte se dedica  a la carga  y  otra se utiliza para  carga el condensador C. En este tiempo, D está polarizado en inverso y no conduce.

 Si el interruptor se abre, tenemos el nuevo estado  Toff.

Un inductor se opone a los cambios bruscos de corriente y, por tanto, va a cambiar la tensión de sus bornes para provocar que la corriente siga fluyendo en el mismo sentido.

En esta nueva situación,  el diodo  queda polarizado  en directo y se establece una corriente circular que parte del borde derecho de la bobina, pasa por la carga y retorna por el ánodo  del diodo  hasta el borne izquierdo de la bobina. En este intervalo de tiempo, la  corriente que  le llega a la carga es suministrada por L y por C.

 ¿ Cómo regulamos la tensión de salida ?

Como hemos dicho antes, la regulación del voltaje  a la salida se  consigue modificando  el tiempo Ton del transistor, y una de las maneras de conseguirlo es mediante la PWM ( Pulse Wide Modulation o Modulación del Ancho de Pulso).

Mostramos un esquema general para conseguir este propósito. las-fuentes-de-alimentacin-conmutadas-PWMEn el esquema de la  figura anterior,  Vo ( tensión de salida )  tiene un divisor de tensión  formado por R1 y R2. La tensión en ese punto se compara con la tensión  que queremos obtener y que normalmente procede de un potenciómetro.

A1 compara esos dos valores y genera a su salida una tensión  diferencial. Supongamos que la tensión Vo es incrementa y por tanto la tensión que le entra al comparador. La salida de A1 ahora es mayor. Esto hace que el tiempo que tarda en alcanzar el nuevo valor se incrementa y, por tanto, el pulso que queda es menor, con un Ton de menor tiempo.

 Esto  hace reducir la corriente del inductor L y por consiguiente la cantidad de energía transferida, por lo cual, Vo se hará menor.

 Si por algún motivo ocurre lo contrario, con una Vo mas reducida, el proceso es el mismo:

V0↓ >> Tensión diferencial en A1↓ >> Tiempo en alcanzar el valor de disparo la señal triangular ↓ >> A2 genera un pulso antes >> Too ↑ >> Aumenta la corriente por bobina L >> La tensión V0 ↑

Una fuente típica de uso domésticos se representa  a continuación.                 

Ejercicio3: En la imagen siguiente, escribe a que corresponde cada numeración y explica la función que tiene. las-fuentes-de-alimentacin-conmutadas-ejercicio

Mostrar/Ocultar Solución

 las-fuentes-de-alimentacin-conmutadas-

Ejercicio 4.  ¿ Es posible que una fuente conmutada genere una tensión de salida mayor que la tensión de entrada ?. Explica de forma razonada, cómo se puede , en caso de que sea posible.

Diseño PCB

Ciclo de Grado Medio Instalaciones de Telecomunicaciones. Ies Mare Nostrum. Málaga