Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas ENCUADRE Y OBJETIVOS TEMA lll : REGULADORES LINEALES INGENIERÍA ELECTRÓNICA6to SEMESTRE CONTROL DE REDES INGENIERÍA.

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1 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas ENCUADRE Y OBJETIVOS TEMA lll : REGULADORES LINEALES INGENIERÍA ELECTRÓNICA6to SEMESTRE CONTROL DE REDES INGENIERÍA ELECTRÓNICA6to SEMESTRE CONTROL DE REDES Dispositivos electrónicos comunes. Diodo. Transistor. Amplificador operacional. Análisis de circuitos electrónicos. Definición de los intervalos de funciona- miento.

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

3 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas INTRODUCCIÓN  Alimentación de circuitería electrónica. 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 Rectificador Filtro Pasivo Regulador V CA V CC Transformador Carga electrónica

4 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas Transformador 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. Varias posibilidades. Primario – Secundario. Toma media en secundario. Transformador Comportamiento ideal. Reductor. Determinar N 1 : N 2. Aislamiento galvánico. Protección del usuario.

5 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas TRANSFORMADOR + RECTIFICADOR Rectificadores v1v1 v2v2 t t v1v1 v2v2 N 1 : N 2 v1v1 v2v2 N1N1 N2N2 N2N2 v1v1 v2v2 t t v1v1 v2v2 v1v1 v2v2 t t Recordatorio de las estructuras ya vistas.

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

7 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA  Reducir el rizado de la tensión.  Análisis aplicando principio de superposición. Transformador + Rectificador Asegurar comportamiento lineal.

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

9 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por bobina Elección del valor de L. i L > 0. Z L(ca) >> R L. v e(ca) Z L = 2·  ·f·L RLRL v e(cc) Z L = 0 RLRL v e(cc) = —— 2·V  v e(ca) = - ——·cos (2  t) - ——·cos (4  t) + ··· 2·V 3·  4·V 15·  Rectificador veve RLRL iLiL L

10 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por bobina y condensador Rectificador veve RLRL iLiL L C Mejora el funcionamiento. C contribuye a quedarse con la componente ca. Elección de los valores de L y de C. Z C(ca) << R L. Z L(ca) >> Z C (ca). i L > 0. (cc)(ca)

11 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por condensador Rectificador veve RLRL C  Evita el uso de inductancias.  Análisis más complejo. Pesadas y voluminosas para frecuencias de 50 / 100Hz. 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.

12 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas VpVp VpVp FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por condensador v1v1 v2v2 Funcionamiento

13 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA v1v1 v2v2 Filtro por condensador Funcionamiento VpVp VpVp v1v1 v2v2 v1v1 v2v2 v1v1 v2v2

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

15 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas v2v2 VpVp FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por condensador Análisis T / 2 VrVr Supone descarga del condensador a corriente constante. El valor V r es conocido. Limitado por especificaciones. i C = i carga.  i C  ——— v 2(cc) RLRL V r = — · ——— · — 1 C V 2(cc) RLRL T 2 Tomar un condensador superior al valor calculado.

16 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA v2v2 t t iDiD T1T1 T v2v2 t t iDiD T1T1 T C  C  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.

17 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas 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

18 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena abierta u s = V z R RLRL VzVz usus F UENTE S IN R EGULAR ueue VzVz VpVp La tensión u e debe ser siempre mayor que la tensión u s. Interesa que u e no sea mucho mayor que u s. La diferencia entre ambas tensiones la soporta la resistencia R. Elección de N 2 :N 1.

19 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena abierta R RLRL VzVz usus ueue R Th VzVz V Th  Límites de funcionamiento del regulador propuesto. Pueden deducirse a partir del circuito equivalente Thèvenin que ve el zener. V Th = u e ·———— RLRL R + R L V Th > V z  R < R L · ———— ue – Vzue – Vz VzVz

20 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Otra posibilidad F UENTE S IN R EGULAR RRLRL VzVz usus ueue Q1Q1 u s = V z – u BE El elemento de control pasa a ser un transistor. La resistencia R reduce su tamaño. Circuitos reguladores en cadena abierta

21 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas 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 u e entrada no regulada u s salida regulada TENSIÓN DE REFERENCIA

22 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN F UENTE S IN R EGULAR R RLRL VzVz ueue Q1Q1 usus R2R2 R1R1 Circuitos reguladores en cadena cerrada Esquema de un regulador de tensión en cadena cerrada.

23 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Elemento de Control Circuito Comparador F UENTE S IN R EGULAR R RLRL VzVz ueue Q1Q1 usus R2R2 R1R1 Circuito de Muestreo Tensión de Referencia Identificación de los bloques de que consta un regulador en cadena cerrada. Circuitos reguladores en cadena cerrada

24 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas u s = ———— · V z R 1 + R 2 R2R2 REGULACIÓN DE TENSIÓN R RLRL VzVz ueue Q1Q1 usus R2R2 R1R1 ueue Amplificador lineal no inversor. Q 1 permite entregar más corriente de salida. Circuitos reguladores en cadena cerrada Representación alternativa del regulador.

25 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN i B = ——  ————— iEiE  +1 usus (  +1) · R L   ——————— – 1 usus R L(mín) · i o(máx) ueue iEiE iBiB La corriente de base del transistor es aportada por el operacional (i o ). Esta corriente debe permitir cubrir todo el rango de corrientes de salida. Circuitos reguladores en cadena cerrada A tener en cuenta Relación entre la ganancia del transistor y la corriente de salida del A.O. Es posible usar un montaje Darlington.

26 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas R VzVz ueue Q1Q1 usus R2R2 R1R1 REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada ueue R VzVz Q1Q1 usus R2R2 R1R1 A tener en cuenta El amp. op. está alimentado desde una fuente no estabilizada. Su comporta- miento no varía con las variacio- nes de V cc. Hay que asegurar que el amp. op. trabaja en zona lineal u out < V cc -2.  u e > u s +2

27 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN R VzVz ueue Q1Q1 usus R2R2 R1R1 ueue R VzVz Q1Q1 usus R2R2 R1R1 Circuitos reguladores en cadena cerrada A tener en cuenta Tensión de referencia. Circuito muy sencillo. Eligiendo R suficientemente elevada se evita la influen- cia del rizado de u e. Pueden usarse LEDs o diodos rectificadores.

28 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada R VzVz ueue Q1Q1 usus R2R2 R1R1 ueue R VzVz Q1Q1 usus R2R2 R1R1 A tener en cuenta Circuito de muestreo. Circuito muy sencillo. Valores de R 1 y R 2 elevados en comparación con la carga.

29 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas Curva de Regulación REGULACIÓN DE TENSIÓN  Limitación a corriente constante. Si i s < I máx, se tiene u s = u s(nom). Cuando i s > I máx, u s disminuye. isis usus I máx Q1Q1 Q2Q2 R cc isis u BE2 Cuando Q 2 conduce, le “roba” corriente de base a Q 1. Se limita así el valor de i s. El valor de I máx se fija con R cc. R cc · I máx  0,6V [u BE2(ON) ] Circuitos reguladores en cadena cerrada

30 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN R RLRL VzVz ueue usus R2R2 R1R1 Q1Q1 Q2Q2 R cc Esquema completo Circuitos reguladores en cadena cerrada

31 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada  Reguladores ajustables de múltiples terminales. Permiten montar una fuente de alimentación completa. R cc R1R1 R2R2 usus ueue REF 723

32 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN  Incluyen todos los elementos de un regulador en bucle cerrado. Regulador de tensión positiva fija. Regulador de tensión negativa fija. Regulador de tensión ajustable. RLRL ueue usus Protección térmica contra sobrecargas. Corriente máxima depende del tipo de encapsulado. Condensadores para mejorar estabilidad. Circuitos reguladores de tensión integrados INOUT GND

33 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Serie 78XX. Los dígitos XX indican la tensión de salida. Regulador 7805 7812 7815 usus +5V +12V +15V u e mín +7,3V +14,6V +17,7V Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión fija positiva 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.

34 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN v red 220V ef ueue usus R CARGA INOUT GND isis 470µF10nF 7812 18V ef C 25,46V pico +12V Ejemplo Elegir la relación de espiras del transformador más adecuada para minimizar la potencia disipada. Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión fija positiva El condensador C debe asegurar que u e nunca pasa por debajo del valor mínimo permitido. La corriente de descarga es i s.

35 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Especificaciones Tensión de salida (Output Voltage). Valores típico, mínimo y máximo. Regulación de salida (Load Regulation). Máxima variación sobre u s. 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

36 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas RLRL REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión fija negativa  Serie 79XX. Análogos a los reguladores positivos de la serie 78XX. INOUT GND

37 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN TrafoRectif.Filtro 78XX TrafoRectif.Filtro 78XX 0 + - v red N1N1 N2N2 N2N2 + 78XX 79XX + +V + - -V Se pueden implementar fuentes simétricas con 78XX. Habría que diseñar dos fuentes completas. Usando 79XX se simplifica el diseño. Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión fija negativa Facilitan la construcción de fuentes de alimentación simétricas.

38 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN N1N1 N2N2 N2N2 + 78XX + N1N1 N2N2 N2N2 + 79XX - Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión simétrica

39 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas Requieren pocos componentes y son fáciles de construir. El diseño de las fuentes de alimentación conmutadas es complicado, sobre todo en lo que se refiere a su lazo de regulación. Fuente Lineal COMENTARIO  Otros tipos de fuentes de alimentación. Fuentes de alimentación conmutadas. Fuente Conmutada 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 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. Alto rendimiento Rendimiento bajo Pequeñas y ligeras Pesadas y voluminosas Ruidosas No radian ruido Trabajan a la frecuencia de red (o al doble de ésta), por lo que los componentes pasivos que incorporan (bobinas y condensadores) son grandes. Trabajan a frecuencias elevadas (decenas o cientos de kilohertzios), lo que permite usar bobinas y con- densadores pequeños. Complejas Sencillas

40 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas 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.