Fuentes de alimentación

Fuentes de alimentación

Una fuente de alimentación ( f.a ) es un circuito eléctronico que tiene la función de suministrar la tensión y corriente adecuada a cada parte del sistema electrónico que alimenta con la estabilidad necesaria para un buen funcionamiento.

Podemos clarificarlas en dos tipos

a) Fuente lineales. Son las fuentes convencionales, compuestas por los módulos de transformador ( 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 -> Filtrado ( elimina las frecuencias elevadas ) -> Reductor de rizado ( reduce la variaciones de la tensión ) -> 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

Diodo Zener. Hemos 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 estable. En el caso siguiente , esta tensión es de 5,1 voltios.

Ejercicio1. En el siguiente regulador de tensión, 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) y la eficiencia del sistema, dada por la relación entre la potencia  entregada y la potencia total consumida por el sistema

regulador serie

b) Fuentes conmutadas. En este caso, tenemos un elemento que conmuta a frecuencias elevadas para obtener señales cuadradas de frecuencia elevada que serán rectificadas y filtradas.

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.

7805

Fuente de alimentación Conmutadas

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 comsumo total de 30 W ( 5 entregados y 25 consumidos ). La eficiencia es \varepsilon = \frac{5}{25 + 5} = \boldsymbol{16,6 } Tenemos sólo una eficiencia del 16,6 %

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

Todas las fuentes suelen llevar un sistema de protección de picos te tensión , que procediendo de la propia red, puede causar daños en el sistema. Una configuración típica es el mostrado en la siguiente página.

filtro-red-electrica

 

 

 

 

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 al significa un considerable ahorro en tamaño de12 algunos de alimentación por Switching Fuentes componentes.

fuente conmutadaEn la siguiente imagen mostramos un esquema básico de una f.a. 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 consiguirlo 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.

las-fuentes-de-alimentacin-conmutadas-

 

 

 

 

 

 

 

 

Ejercicio3: En la imagen anterior, escribe a que corresponde cada numeración y explica la función que tiene.

las-fuentes-de-alimentacin-conmutadas-ejercicio

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.