FUENTES DE ALIMENTACIÓN Electrónica General LECCIÓN 21 FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES REGULADAS

INGENIERÍA INDUSTRIAL 4º CURSO ENCUADRE Y OBJETIVOS INGENIERÍA INDUSTRIAL 4º CURSO ELECTRÓNICA GENERAL TEMA I: INTRODUCCIÓN Dispositivos electrónicos comunes. Diodo. Transistor. Amplificador operacional. Análisis de circuitos electrónicos. Definición de los intervalos de funciona- miento. TEMA II: TEORÍA DE SEMICONDUCTORES TEMA III: DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES TEMA IV: AMPLIFICACIÓN Y REALIMENTACIÓN TEMA V: AMPLIFICADORES OPERACIONALES TEMA VI: FUENTES DE ALIMENT. LINEALES

ENCUADRE Y OBJETIVOS OBJETIVOS Conseguir que el alumno llegue a diseñarlas. Ofrecer soluciones para implementarlas. Identificar las más adecuadas para cada caso. Justificar la necesidad de fuentes de CC. Estudiar los bloques que las componen.

ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. CIRCUITOS RECTIFICADORES 3. FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA 3.1. Filtro por bobina 3.2. Filtro por bobina y condensador 3.3. Filtro por condensador 4. REGULACIÓN DE TENSIÓN 4.1. Circuitos reguladores en bucle abierto 4.2. Circuitos reguladores en bucle cerrado 4.2.1. Circuito limitador de corriente 4.2.2. Reguladores ajustables de múltiples terminales 4.3. Reguladores de tensión integrados 4.3.1. Reguladores de tensión fija positiva 4.3.2. Reguladores de tensión fija negativa

INTRODUCCIÓN Alimentación de circuitería electrónica. Uso de baterías. Tensión continua (5V, 10V, 12V, 15V...) Uso de baterías. Poca autonomía y coste elevado. Red eléctrica. Fuente primaria de uso más frecuente. Obtener tensión continua a partir de la tensión de red VCA Transformador Rectificador Filtro Pasivo Regulador Carga electrónica VCC

TRANSFORMADOR + RECTIFICADOR Convierten la tensión CA en una tensión con valor medio no nulo. Rectificadores ya vistos en lecciones anteriores. Elección de transformador asociada al rectificador elegido. Transformador Varias posibilidades. Primario – Secundario. Toma media en secundario. Comportamiento ideal. Transformador Reductor. Determinar N1 : N2. Aislamiento galvánico. Protección del usuario.

TRANSFORMADOR + RECTIFICADOR v1 v2 N1 N2 t Rectificadores v1 v2 t N1 : N2 v1 v2 N1 : N2 t Recordatorio de las estructuras ya vistas.

TRANSFORMADOR + RECTIFICADOR Rectificadores Calidad de la tensión de salida. Valor medio Rizado t V T v = —  r = 1,21 t V T v = — V  r = 1,21 t V T v = ——— 2·V  r = 0,48

FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Reducir el rizado de la tensión. Análisis aplicando principio de superposición. Asegurar comportamiento lineal. Transformador + Rectificador

FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Reducir el rizado de la tensión. Análisis aplicando principio de superposición. Asegurar comportamiento lineal. Permitir que la componente continua llegue a la carga. Quedarse con la componente alterna. Transformador + Rectificador

FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por bobina Rectificador ve RL iL L ve(ca) ZL = 2··f·L RL ve(cc) ZL = 0 RL Elección del valor de L. ZL(ca) >> RL. iL > 0. ve(cc) = —— 2·V  ve(ca) = - ——·cos (2t) - ——·cos (4t) + ··· 2·V 3· 4·V 15·

FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por bobina y condensador Rectificador ve RL iL L C (cc) Mejora el funcionamiento. C contribuye a quedarse con la componente ca. Elección de los valores de L y de C. (ca) ZC(ca) << RL. ZL(ca) >> ZC (ca). iL > 0.

FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por condensador Rectificador ve RL C Evita el uso de inductancias. Pesadas y voluminosas para frecuencias de 50 / 100Hz. Análisis más complejo. La evolución de corrientes y tensiones en el circuito da lugar a instantes en los que los diodos del rectificador están inversamente polarizados.  Comportamiento no lineal. No es posible aplicar el principio de superposición.

FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por condensador Funcionamiento Vp v1 v2 Vp

FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por condensador Funcionamiento Vp v1 v2 v1 v2 v1 v2 v1 v2

FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por condensador Análisis Tensión de salida: exponencial y senoidal. Un análisis detallado resultaría complicado. Simplificación: aproximación por onda triangular. Considera descarga lineal del condensador. Simplifica cálculos.

FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por condensador Análisis v2 Vp T / 2 Supone descarga del condensador a corriente constante. Vr iC = icarga.  iC  ——— v2(cc) RL El valor Vr es conocido. Limitado por especificaciones. Vr = — · ——— · — 1 C V2(cc) RL T 2 Tomar un condensador superior al valor calculado.

FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por condensador Análisis ¿Por qué no se usa el mayor condensador posible? Principalmente por evitar un aumento de volumen innecesario. Además hay que tener en cuenta la influencia del valor del condensador sobre la corriente que circula por los diodos. v2 t iD T1 T v2 t iD T1 T C  C 

REGULACIÓN DE TENSIÓN El conjunto rectificador + filtro puede constituir una fuente de alimentación. Si la carga no demanda demasiada corriente. Sensible a las variaciones de carga y de la tensión de entrada. Para conseguir más estabilidad en la tensión de salida es preciso incluir un regulador. Regulador en cadena abierta. Regulador en cadena cerrada. Rectificador Filtro Pasivo Regulador

Circuitos reguladores en cadena abierta REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena abierta R RL Vz us FUENTE SIN REGULAR ue us = Vz La tensión ue debe ser siempre mayor que la tensión us. Vp La diferencia entre ambas tensiones la soporta la resistencia R. Vz Interesa que ue no sea mucho mayor que us. Elección de N2:N1.

Circuitos reguladores en cadena abierta REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena abierta Límites de funcionamiento del regulador propuesto. Pueden deducirse a partir del circuito equivalente Thèvenin que ve el zener. R RL Vz us ue RTh Vz VTh VTh > Vz VTh = ue·———— RL R + RL R < RL · ———— ue – Vz Vz 

Circuitos reguladores en cadena abierta REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena abierta Otra posibilidad Q1 FUENTE SIN REGULAR us ue R RL Vz us = Vz – uBE El elemento de control pasa a ser un transistor. La resistencia R reduce su tamaño.

Circuitos reguladores en cadena cerrada REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada Mantener una tensión de salida constante para cualquier valor de carga y tensión de entrada. Sistema realimentado negativamente para mantener una tensión de salida constante. CIRCUITO COMPARADOR CIRCUITO DE MUESTREO ELEMENTO DE CONTROL ue entrada no regulada us salida regulada TENSIÓN DE REFERENCIA

Circuitos reguladores en cadena cerrada REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada Esquema de un regulador de tensión en cadena cerrada. FUENTE SIN REGULAR R RL Vz ue Q1 us R2 R1

Circuitos reguladores en cadena cerrada REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada Identificación de los bloques de que consta un regulador en cadena cerrada. Elemento de Control FUENTE SIN REGULAR R RL Vz ue Q1 us R2 R1 Circuito Comparador Tensión de Referencia Circuito de Muestreo

Circuitos reguladores en cadena cerrada REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada Representación alternativa del regulador. R RL Vz ue Q1 us R2 R1 Amplificador lineal no inversor. Q1 permite entregar más corriente de salida. us = ———— · Vz R1 + R2 R2

Circuitos reguladores en cadena cerrada REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada A tener en cuenta La corriente de base del transistor es aportada por el operacional (io). Esta corriente debe permitir cubrir todo el rango de corrientes de salida. ue iE iB Relación entre la ganancia del transistor y la corriente de salida del A.O. iB = ——  ————— iE +1 us (+1) · RL Es posible usar un montaje Darlington.   ——————— – 1 us RL(mín) · io(máx)

Circuitos reguladores en cadena cerrada REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada El amp. op. está alimentado desde una fuente no estabilizada. A tener en cuenta ue R Vz Q1 us R2 R1 R Vz ue Q1 us R2 R1 Su comporta- miento no varía con las variacio- nes de Vcc. Hay que asegurar que el amp. op. trabaja en zona lineal uout < Vcc-2.  ue > us+2

Circuitos reguladores en cadena cerrada REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada A tener en cuenta R Vz ue Q1 us R2 R1 ue R Vz Q1 us R2 R1 Tensión de referencia. Circuito muy sencillo. Eligiendo R suficientemente elevada se evita la influen- cia del rizado de ue. Pueden usarse LEDs o diodos rectificadores.

Circuitos reguladores en cadena cerrada REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada A tener en cuenta ue R Vz Q1 us R2 R1 R Vz ue Q1 us R2 R1 Circuito de muestreo. Circuito muy sencillo. Valores de R1 y R2 elevados en comparación con la carga.

Circuitos reguladores en cadena cerrada REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada Limitación a corriente constante. Si is < Imáx, se tiene us = us(nom). Cuando is > Imáx, us disminuye. Q1 Q2 Rcc is uBE2 Curva de Regulación is us Imáx Cuando Q2 conduce, le “roba” corriente de base a Q1. Se limita así el valor de is. El valor de Imáx se fija con Rcc. Rcc · Imáx  0,6V [uBE2(ON)]

Circuitos reguladores en cadena cerrada REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada Esquema completo R RL Vz ue us R2 R1 Q1 Q2 Rcc

Circuitos reguladores en cadena cerrada REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada Reguladores ajustables de múltiples terminales. Permiten montar una fuente de alimentación completa. Rcc R1 R2 us ue REF 723

Circuitos reguladores de tensión integrados REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores de tensión integrados Incluyen todos los elementos de un regulador en bucle cerrado. Regulador de tensión positiva fija. Regulador de tensión negativa fija. Regulador de tensión ajustable. Protección térmica contra sobrecargas. Corriente máxima depende del tipo de encapsulado. Condensadores para mejorar estabilidad. IN OUT GND RL ue us

Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión fija positiva Serie 78XX. Los dígitos XX indican la tensión de salida. Tensiones entre 5 y 25V. La tensión de entrada debe ser superior a la de salida. Al menos 23 voltios. No debe superar los 35V. Regulador 7805 7812 7815 us +5V +12V +15V ue mín +7,3V +14,6V +17,7V

Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión fija positiva Ejemplo vred 220Vef ue us RCARGA IN OUT GND is 470µF 10nF 7812 18Vef C 25,46Vpico +12V Elegir la relación de espiras del transformador más adecuada para minimizar la potencia disipada. El condensador C debe asegurar que ue nunca pasa por debajo del valor mínimo permitido. La corriente de descarga es is.

Circuitos reguladores de tensión integrados REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores de tensión integrados Especificaciones Tensión de salida (Output Voltage). Valores típico, mínimo y máximo. Regulación de salida (Load Regulation). Máxima variación sobre us. Corriente de salida en cortocircuito (Short-Circuit Current). Cantidad de corriente que puede entregar el regulador. Corriente de salida de pico (Peak Output Current). Máxima corriente de pico [no repetitivo]. Caída de tensión (Dropout Voltage) Mínimo valor de la diferencia de tensión entre entrada y salida.

Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión fija negativa Serie 79XX. Análogos a los reguladores positivos de la serie 78XX. RL IN OUT GND

REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores de tensión integrados fija negativa Facilitan la construcción de fuentes de alimentación simétricas. Se pueden implementar fuentes simétricas con 78XX. Habría que diseñar dos fuentes completas. vred N1 N2 + 78XX 79XX +V - -V Trafo Rectif. Filtro 78XX + - Usando 79XX se simplifica el diseño.

Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión simétrica v red N 1 2 + 78XX 79XX - v red N 1 2 + 78XX 79XX - v red N 1 2 + 78XX 79XX - N1 N2 + 78XX N1 N2 + 79XX -

COMENTARIO Fuente Lineal Fuente Conmutada Otros tipos de fuentes de alimentación. Fuentes de alimentación conmutadas. Fuente Lineal Sencillas La diferencia de tensión entre la fuente primaria y la tensión de salida es absorbida por un elemento que maneja toda la corriente que circula hacia la carga Trabajan a la frecuencia de red (o al doble de ésta), por lo que los componentes pasivos que incorporan (bobinas y condensadores) son grandes. Requieren pocos componentes y son fáciles de construir. Rendimiento bajo No radian ruido Pesadas y voluminosas Fuente Conmutada Complejas Entre la fuente primaria y la carga se coloca un inte- rruptor y un filtro pasivo. En el interruptor nunca están presentes a la vez tensión y corriente. El diseño de las fuentes de alimentación conmutadas es complicado, sobre todo en lo que se refiere a su lazo de regulación. Trabajan a frecuencias elevadas (decenas o cientos de kilohertzios), lo que permite usar bobinas y con- densadores pequeños. Alto rendimiento Ruidosas Pequeñas y ligeras

RESUMEN 1. Ante la necesidad de alimentar los circuitos electrónicos con tensión conti- nua, se plantea la obtener esta tensión a partir de la red eléctrica. 2. Las fuentes de alimentación lineales constan de un rectificador (con su transformador correspondiente), un filtro pasivo y, en la mayoría de los casos, un regulador de tensión. 3. En la mayoría de los casos se usa un filtro por condensador por el poco espacio que ocupa en comparación con los que incorporan bobinas. 4. Los reguladores de tensión se encargan de asegurar que la tensión de salida se mantiene constante independientemente de las variaciones de carga y/o tensión de entrada que puedan surgir. 5. Existen reguladores integrados que simplifican la construcción de las fuentes de alimentación lineales.

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