Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas Electrónica General FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES REGULADAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES REGULADAS L

Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas

Electrónica General

FUENTES DE ALIMENTACIÓNFUENTES DE ALIMENTACIÓNLINEALES REGULADASLINEALES REGULADAS


LECCIÓN 21


ENCUADRE Y OBJETIVOSENCUADRE Y OBJETIVOS

TEMA III: DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORESTEMA III: DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES

TEMA I: INTRODUCCIÓNTEMA I: INTRODUCCIÓN

TEMA II: TEORÍA DE SEMICONDUCTORESTEMA II: TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

TEMA IV: AMPLIFICACIÓN Y REALIMENTACIÓNTEMA IV: AMPLIFICACIÓN Y REALIMENTACIÓN

TEMA V: AMPLIFICADORES OPERACIONALESTEMA V: AMPLIFICADORES OPERACIONALES

TEMA VI: FUENTES DE ALIMENT. LINEALESTEMA VI: FUENTES DE ALIMENT. LINEALES

INGENIERÍA INDUSTRIAL 4º CURSO

ELECTRÓNICA GENERAL

INGENIERÍA INDUSTRIAL 4º CURSO

ELECTRÓNICA GENERAL

Dispositivos electrónicos comunes.

• Diodo.• Transistor.• Amplificador operacional.

Análisis de circuitos electrónicos.

• Definición de los intervalos de funcionamiento.


OBJETIVOSOBJETIVOS

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 OBJETIVOSENCUADRE Y OBJETIVOS


ÍNDICEÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN

2. CIRCUITOS RECTIFICADORES

3. FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA3.1. Filtro por bobina3.2. Filtro por bobina y condensador3.3. Filtro por condensador

4. REGULACIÓN DE TENSIÓN4.1. Circuitos reguladores en bucle abierto4.2. Circuitos reguladores en bucle cerrado

4.2.1. Circuito limitador de corriente4.2.2. Reguladores ajustables de múltiples terminales

4.3. Reguladores de tensión integrados4.3.1. Reguladores de tensión fija positiva 4.3.2. Reguladores de tensión fija negativa


INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

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

RectificadorFiltro

PasivoReguladorVCA VCC

Transformador Cargaelectrónica


TransformadorTransformador

TRANSFORMADOR + RECTIFICADORTRANSFORMADOR + 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.

12

12

11

22

iNN

i

vNN

v

Varias posibilidades.• Primario – Secundario.• Toma media en secundario.

Transformador

Comportamiento ideal.

Reductor.• Determinar N1 : N2.

Aislamiento galvánico.• Protección del usuario.

N2

i1 i2

v1 v2N1 N2

i1 i2

v1 v2N1

v1 N1

v2

v2

N2

N2

v1 N1

v2

v2

N2

N2



RectificadoresRectificadores

V

VN

N

1

2

v1

v2

t

t

v1 v2

N1 : N2

v1

v2

N1

N2

N2

v1

v2

t

t

V

VN

N

1

2

v1 v2

N1 : N2

v1

v2

t

t

V

VN

N

1

2Recordatorio de las estructuras ya vistas.



RectificadoresRectificadores

Calidad de la tensión de salida.• Valor medio• Rizado

T

vT

v0

d1

ttv

vvr ef

22

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


FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA

Reducir el rizado de la tensión. Análisis aplicando principio de superposición.

Transformador+

Rectificador

• Asegurar comportamiento lineal.



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.



Filtro por bobinaFiltro por bobina

Elección del valor de L. • iL > 0.

• ZL(ca) >> RL.

ve(ca)

ZL = 2··f·L

RLve(cc)

ZL = 0

RL

ve(cc) = ——2·V

ve(ca) = - ——·cos (2t) - ——·cos (4t) + ···

2·V

3·

4·V

15·

Rectificador ve RL

iL

L



Filtro por bobina y condensadorFiltro por bobina y condensador

Rectificador ve RL

iL

L

C

Mejora el funcionamiento.

• C contribuye a quedarse con la componente ca.

Elección de los valores de L y de C.• ZC(ca) << RL.

• ZL(ca) >> ZC (ca).

• iL > 0.

(cc)

(ca)



Filtro por condensadorFiltro por condensador

Rectificador ve RL

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.


Vp

Vp


Filtro por condensadorFiltro por condensador

v1 v2

Funcionamiento



v1 v2

Filtro por condensadorFiltro por condensador Funcionamiento

Vp

Vp

v1 v2v1 v2v1 v2



Filtro por condensadorFiltro 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.


v2

Vp



T / 2

Vr

Supone descarga del condensador a corriente constante.

El valor Vr es conocido.• Limitado por especificaciones.

• iC = icarga.

iC ———v2(cc)

RL

Vr = — · ——— · —1

C

V2(cc)

RL

T

2Tomar un condensador superior al valor calculado.



v2

t

t

iD

T1

T

v2

t

t

iD

T1 TC C


¿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.


REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN 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.

RectificadorFiltro

PasivoRegulador


REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓNCircuitos reguladores en cadena abiertaCircuitos reguladores en cadena abierta

us = Vz

R

RLVz us

FUENTE

SIN

REGULAR

ue

Vz

Vp

La tensión ue debe ser siempre mayor que la tensión us.

• Interesa que ue no sea mucho mayor que us.

La diferencia entre ambas tensiones la soporta la resistencia R.

• Elección de N2:N1.


REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓNCircuitos reguladores en cadena abiertaCircuitos reguladores en cadena abierta

R

RLVz usue

RTh

VzVTh

Límites de funcionamiento del regulador propuesto.• Pueden deducirse a partir del circuito equivalente Thèvenin que ve el zener.

VTh = ue·————RL

R + RL

VTh > Vz

R < RL · ————ue – Vz

Vz



Otra posibilidadOtra posibilidad

FUENTE

SIN

REGULARR RLVz

usue

Q1

us = Vz – uBE

El elemento de control pasa a ser un transistor.

La resistencia R reduce su tamaño.

Circuitos reguladores en cadena abiertaCircuitos reguladores en cadena abierta


REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓNCircuitos reguladores en cadena cerradaCircuitos 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.

CIRCUITOCOMPARADOR

CIRCUITO DEMUESTREO

ELEMENTODE CONTROL

ueentrada

no regulada

ussalida

regulada

TENSIÓN DEREFERENCIA



FUENTE

SIN

REGULAR

R

RL

Vz

ue

Q1

us

R2

R1

Circuitos reguladores en cadena cerradaCircuitos reguladores en cadena cerrada

Esquema de un regulador de tensión en cadena cerrada.



Elementode Control

CircuitoComparador

FUENTE

SIN

REGULAR

R

RL

Vz

ue

Q1

us

R2

R1

Circuito deMuestreo

Tensión deReferencia

Identificación de los bloques de que consta un regulador en cadena cerrada.



us = ———— · Vz

R1 + R2

R2


R

RLVz

ue

Q1

us

R2

R1

ue

Amplificador lineal no inversor.

• Q1 permite entregar más corriente de salida.


Representación alternativa del regulador.



iB = —— —————iE

+1

us

(+1) · RL

——————— – 1us

RL(mín) · io(máx)

ue

iE

iB

La corriente de base del transistor es aportada por el operacional (io).

• Esta corriente debe permitir cubrir todo el rango de corrientes de salida.


A tener en cuenta

Relación entre la ganancia del transistor y la corriente de salida del A.O.

Es posible usar un montaje Darlington.


R

Vz

ue

Q1

us

R2

R1


ue

R

Vz

Q1

us

R2

R1

A tener en cuenta El amp. op. está alimentado desde una fuente no estabilizada.• Su comporta-

miento no varía con las variaciones de Vcc.Hay que

asegurar que el amp. op. trabaja en zona lineal

• uout < Vcc-2.

ue > us+2



R

Vz

ue

Q1

us

R2

R1

ue

R

Vz

Q1

us

R2

R1


A tener en cuenta

Tensión de referencia.

• Circuito muy sencillo.

• Eligiendo R suficientemente elevada se evita la influencia del rizado de ue.• Pueden usarse LEDs o diodos rectificadores.



R

Vz

ue

Q1

us

R2

R1

ue

R

Vz

Q1

us

R2

R1

A tener en cuenta

Circuito de muestreo.

• Circuito muy sencillo.

• Valores de R1

y R2 elevados en comparación con la carga.


Curva de RegulaciónCurva de RegulaciónCurva de RegulaciónCurva de Regulación


Limitación a corriente constante.• Si is < Imáx, se tiene us = us(nom).• Cuando is > Imáx, us disminuye.

is

us

Imáx

Q1

Q2

Rcc is

uBE2

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)]




RRL

Vz

ue us

R2

R1

Q1

Q2

Rcc

Esquema completoEsquema completo




Reguladores ajustables de múltiples terminales.• Permiten montar una fuente de alimentación completa.

Rcc

R1

R2

us

ue

REF

723723



Incluyen todos los elementos de un regulador en bucle cerrado.

• Regulador de tensión positiva fija.• Regulador de tensión negativa fija.• Regulador de tensión ajustable.

RLue us

Protección térmica contra sobrecargas.

• Corriente máxima

depende del tipo de encapsulado.

Condensadores para mejorar estabilidad.

Circuitos reguladores de tensión integradosCircuitos reguladores de tensión integrados

IN OUT

GND



Serie 78XX.• Los dígitos XX indican la tensión de salida.

Regulador

7805

7812

7815

us

+5V

+12V

+15V

ue mín

+7,3V

+14,6V

+17,7V


Reguladores de tensiónfija positiva

Tensiones entre 5 y 25V.

La tensión de entrada debe ser superior a la de salida.

• Al menos 23 voltios.• No debe superar los 35V.



vred220Vef

ue us RCARGA

IN OUT

GND

is

470µF 10nF

7812

18Vef

18Vef

C

25,46Vpico

+12V

EjemploEjemplo

Elegir la relación de espiras del transformador más adecuada para minimizar la potencia disipada.


Reguladores de tensiónfija positiva

El condensador C debe asegurar que ue nunca pasa por debajo del valor mínimo permitido.

• La corriente de descarga es is.



EspecificacionesEspecificaciones

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.



RL

REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓNCircuitos reguladores de tensión integradosCircuitos reguladores de tensión integrados

Reguladores de tensiónfija negativa

Serie 79XX.• Análogos a los reguladores positivos de la serie 78XX.

IN OUT

GND



Trafo Rectif. Filtro78XX

Trafo Rectif. Filtro78XX

0

+

-

vred N1

N2

N2

+

78XX

79XX

+

+V

+

-

-V

Se pueden implementar fuentes simétricas con 78XX. Habría que diseñar dos fuentes completas.

Usando 79XX se simplifica el diseño.


Reguladores de tensiónfija negativa

Facilitan la construcción de fuentes de alimentación simétricas.


vred N1

N2

N2

+

78XX

79XX

+

vred N1

N2

N2

+

78XX

79XX

+

-

+


N1

N2

N2

+

78XX +

N1

N2

N2

+

79XX -


Reguladores de tensiónsimétrica

vred N1

N2

N2

+

78XX

79XX

+

vred N1

N2

N2

+

78XX

79XX

+

-

+

vred N1

N2

N2

+

78XX

79XX

+

vred N1

N2

N2

+

78XX

79XX

+

-

+


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 LinealFuente Lineal

COMENTARIOCOMENTARIO

Otros tipos de fuentes de alimentación.• Fuentes de alimentación conmutadas.

Fuente ConmutadaFuente 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 interruptor y un filtro pasivo. En el interruptor nunca están presentes a la vez tensión y corriente.

Alto rendimiento

Rendimiento bajo

Pequeñas yligeras

Pesadas yvoluminosas

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 condensadores pequeños.

Complejas

Sencillas


RESUMENRESUMEN

1. Ante la necesidad de alimentar los circuitos electrónicos con tensión continua, 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.


Electrónica General



LECCIÓN 21

Documents

Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas Electrónica General FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES REGULADAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES REGULADAS L