FUENTES DE
ALIMENTACION REGULADAS
INTRODUCCIÓN
En general, los dispositivos electrónicos
requieren que se les suministre tensión continua para su
funcionamiento. Los equipos de bajo consumo
utilizan pilas o baterías, con la ventaja de serportátiles y la desventaja de tener un tiempo de operación limitado. Pero usualmente se procede a
obtener la tensión continua a partir de la tensión alterna de la red comercial de energía (220 VRMS).
Esta tensión puede ser modificada utilizando configuraciones circuitales que permiten obtener
diferentes valores de tensión continua y con mayor grado de estabilidad.
Comenzaremos el estudio de este tema planteando los conceptos básicos y analizando reguladores
simples, para luego avanzar hacia configuraciones más complejas y completas.
TRANSFORMADOR DE ENTRADA
El trasformador de entrada reduce la tensión de red (generalmente 220 o 120 V) a otra tensión mas adecuada para ser tratada. Solo es capaz de trabajar con corrientes alternas. esto quiere decir que la tensión de entrada será alterna y la de salida también.
Consta de dos arrollamientos sobre un mismo núcleo de hierro, ambos arrollamientos, primario y secundario, son completamente independientes y la energía eléctrica se transmite del primario al secundario en forma de energía magnética a través del núcleo. el esquema de un transformador simplificado es el siguiente:
En el arroyamiento secundario ocurre el proceso inverso, la corriente magnética que circula por el núcleo genera una tensión que será tanto mayor cuanto mayor sea el número de espiras del secundario y cuanto mayor sea la corriente magnética que circula por el núcleo (la cual depende del numero de espiras del primario).
Por lo tanto, la tensión de salida depende de la tensión de entrada y del número de espiras de primario y secundario. Como fórmula general se dice que:
V1 = V2 * (N1/N2)
Donde N1 y N2 son el número de espiras del primario y el del secundario respectivamente.
Así por ejemplo podemos tener un transformador con una relación de transformación de 220V a 12V, no podemos saber cuantas espiras tiene el primario y cuantas el secundario pero si podemos conocer su relación de espiras:
N1/N2 = V1/V2
N1/N2 = 220/12 = 18,33
Este dato es útil si queremos saber que tensión nos dará este mismo transformador si lo conectamos a 120V en lugar de 220V, la tensión V2 que dará a 120V será:
120 = V2 * 18,33
V2 = 120/18,33 = 6,5 V
Por el primario y el secundario pasan corrientes distintas, la relación de corrientes también depende de la relación de espiras pero al revés, de la siguiente forma:
I2 = I1 * (N1/N2)
Donde I1 e I2 son las corrientes de primario y secundario respectivamente. Esto nos sirve para saber que corriente tiene que soportar el fusible que pongamos a la entrada del transformador, por ejemplo, supongamos que el transformador anterior es de 0.4 Amperios. Esta corriente es la corriente máxima del secundario I2, pero nosotros queremos saber que corriente habrá en el primario (I1) para poner allí el fusible. Entonces aplicamos la fórmula:
I2 = I1 * (N1/N2)
0.4 = I1 * 18.33
I1 = 0.4 / 18.33 = 21,8 mA
Para asegurarnos de que el fusible no saltará cuando no debe se tomará un valor mayor que este, por lo menos un 30% mayor.
Como ejercicio puedes calcular la tensión que tendríamos si, con el transformador anterior, nos equivocamos y conectamos a la red el lado que no es, cualquiera mete la mano ahí... (por si acaso no pruebe a hacerlo en la realidad ya que el aislamiento del secundario de los transformadores no suelen estar preparados para tensiones tan altas)
Una fuente de alimentación regulada ideal es
aquella que entrega una tensión continua constante
V0, independientemente de la corriente I0 que
circula por la carga, de la temperatura y de cualquiervariación de la tensión de entrada a la misma.
Podemos considerar que la tensión de entrada de la fuente regulada es provista por una fuente no
regulada constituida por un transformador, un rectificador y un filtro. Este tipo de fuente posee mala
regulación y cualquier variación de, por ejemplo la tensión de entrada, producirá variación de la
tensión de salida, por lo que debe agregársele un dispositivo o circuito regulador. De modo que el
diagrama en bloques de una fuente regulada puede ser el siguiente:
CLASIFICACIÓN DE FUENTES REGULADAS
Dependiendo del modo de operación
del elemento de control, los reguladores se pueden
clasificar en:• Continuos: generalmente se utilizan para bajas potencias; y su nombre se debe a que en el elemento de paso, o regulador, la circulación de corriente no se interrumpe.
• De conmutación: Poseen un elemento que
opera como llave, por lo que en el elemento de
paso, o regulador, la corriente se interrumpe
aún cuando en la carga, la circulación de corriente es constante. Dependiendo de como está colocado el elemento de paso, los reguladores pueden ser:
• Reguladores derivación: el elemento de
control está en paralelo con la carga.
• Reguladores serie: el
elemento de control está en serie con la carga.
REFERENCIAS DE
TENSIÓN
Existen fuentes que consiguen la estabilidad
de tensión en la salida utilizando directamente
las características alineales de un dispositivo
electrónico como el diodo Zener, sin un lazo de realimentación. Por lo general, se emplean “fuentes
de tensión de referencia integradas”, de muy baja corriente de salida, que tienen un
importante papel en las fuentes reguladas.
Una referencia de tensión proporciona una
tensión continua estable a corto y largo plazo, que se utiliza como referencia estándar de otros
muchos circuitos, como reguladores de tensión, convertidores A/D, D/A, tensión/frecuencia y
frecuencia/tensión, multímetros, sensores, amplificadores logarítmicos, y otros muchos
circuitos de instrumentación que tienen como finalidad medir magnitudes físicas de sistemas reales.
Los principales requerimientos de una
referencia de tensión son la precisión y la estabilidad. La precisión define las diferencias de su salida
con respecto al valor nominal, se suele medir como una cota del error absoluto o con el tanto por
ciento de error relativo.
La estabilidad define la influencia que sobre el valor de salida tienen los cambios
de parámetros del entorno, temperatura, tensión de alimentación, carga, etc. Se suele medir en
variación absoluta o relativa de la tensión de salida por unidad de variación de la magnitud externa
cuya influencia se describe.
Para evitar errores debidos al
auto-calentamiento o a interferencias externas intensas, las referencias de voltajes se diseñan con una baja capacidad
de proporcionar corriente de salida (habitualmente en el rango de algunos mA).
Los reguladores de tensión son circuitos
capaces de proporcionar tensiones y corrientes muy estables aún con resistencias de carga muy
bajas. Habitualmente están basados en elementos de referencia de tensión que proporcionan
precisión y estabilidad, junto con otros elementos de amplificación de potencia que los habilitan
para transferirla a las cargas.
Aunque las características intrínsecas de la
tecnología semiconductora es poco apropiada para diseñar elementos con valores absolutos en su
salida, existen un conjunto de configuraciones diseñadas de forma inteligente y
habitualmente basadas en técnicas de compensación, que proporcionan tensiones y corrientes con
valores bien definidos y prácticamente insensibles a los cambios de la temperatura y de otros factores
de influencia ambiental.
Entre otros, podemos destacar dos tipos de
circuitos de referencia de tensión:
a) Circuitos de referencias de tensión
basados en diodos Zener
b) Circuitos de referencia de tensión basados
en el salto de banda “Band Gap”
a) Referencias de
tensión basadas en diodos Zener
Diodo Zener es un nombre genérico que
representa aquellos tipos de diodos bipolares que presentan una abrupta ruptura en su región de
polarización inversa. Recordemos que si a un diodo de silicio sele aplica una tensión directa (en el sentido
de conducción), circulará por él una corriente exponencial y producirá una caída de tensión
entre bornes del diodo que resultará prácticamente constante. Cuando la tensión que se aplica es
inversa, la corriente inversa se mantiene en valores extremadamente bajos hasta la ruptura. En ese
punto, la corriente crece drásticamente para pequeños incrementos de tensión inversa. A
partir de la tensión de ruptura, el diodo resulta útil como fuente de tensión de referencia, ya que
la tensión entre sus bornes permanece relativamente constante para un amplio rango de corrientes,
con una resistencia dinámica rZ muy baja (típicamente del orden de
las decenas de ohmios).
FUENTES
VARIABLES HASTA CERO VOLTIOS
Se ha dicho que la mínima tensión en
una fuente regulada en serie es VR. Cuando se necesita que la fuente suministre
tensión variable, desde un cierto valor máximo hasta cero voltios, es preciso
recurrir a la alimentación simétrica: una tensión positiva y otra negativa
respecto de masa. De este modo si VR es positiva respecto de su barra de
alimentación, y esta, a su vez, es negativa respecto de masa, puede conseguirse
que el emisor del comparador quede a cero voltios respecto de masa, con lo que,
realmente, está comparando mVs con cero voltios.
Huelga decir que todo lo que se ha
dicho de las fuentes aquí estudiadas, con negativo a masa, es válido para
fuentes con positivo a masa, sin más que cambiar la polaridad de todos los
elementos que la tengan ((transistores, diodos y condensadores electrolíticos).
