Captulo 6

Fuente de alimentacin de un equipo elctrico, es la parte del mismo destinada a adecuar las caractersticas y parmetros de la energa disponible para la alimentacin del mismo, o fuente de alimentacin primaria, con el fin de asegurar un funcionamiento seguro y estable.

ESTRUCTURA

Rectificador: convierte tensin alterna en una forma de onda pulsante de componentes alternas y continuas.

Filtro: asla la componente a.c. de la c.c.

Regulador: establece niveles de tensin adecuados y mantiene la tensin o intensidad regulada cte.

Rectificador Filtro Regulador

Fuente Primaria

La misin del regulador es contrarrestar la inestabilidad de la fuente 1. Funciona como un servomecanismo comparando el parmetro electrnico deseado en la carga con uno de referencia y efecta los cambios necesarios para compensar las variaciones de la fuente 1 y las debidas a la carga. Su tiempo de respuesta es finito y su error en la estabilidad es funcin de la ganancia del bucle de la realimentacin. Un diagrama de bloques de un sistema regulador se muestra en la figura.

FuentePrimaria

Regulador Carga RL

Muestram

FuenteReferencial

VL

V'L

VLVe

VRef

mVLV -mVRef L

Amplif.

CLASIFICACIN

Reguladores lineales: Operan con c.c. a la entrada: VCC.

Equivalen a una resistencia con valor de ajuste automtico.

Basan su funcionamiento en la cada de tensin en elementos disipativos.

Tienen bajo rendimiento.

Reguladores conmutados: Conmutador que interrumpe la corriente en la fuente 1 a intervalos de

duracin variable.

Tienen rendimiento elevado.

R R L

m

V L V R e f V C C

A V L V R e f

F i l t r o

a ) b ) Vcc

TIPOS DE FUENTES

Fuentes reguladas: con regulador lineal (Fig.a).

Fuentes conmutadas: con regulador conmutado (Fig.b).

AisladorRec-Filt Rec-FiltConmut.Rectific.Transf. Filtro Regulador

a) b) Convertidor

Control

TIPOS DE REGULADORES LINEALES

Regulador en serie Esta configuracin suele utilizarse cuando la carga es grande.

En la figura vemos el diagrama de bloques de un regulador en serie.

Del diagrama deducimos que la potencia disipada ser:

VC

Fuente noRegulada

Regulad.

RLVe VS

IC IS Fuente noRegulada

RL

RS

Ve

ISIe

IC VS VC

Regulad.

a) b)VCONTROL = VC = Ve VS

ICONTROL = IC = IS

VS = cte; 0 IS Ismx PD = PC = (Ve VS)ISmx VS = cte; IS = cte PD = PC = (Ve VS)IS VS = 0 (cortocircuito) PD = PC = VSISmx (muy grande)

TIPOS DE REGULADORES LINEALES

Regulador en paralelo

Esta configuracin suele utilizarse cuando la carga es pequea.

El circuito est auto protegido frente a cortocircuitos.

En la figura vemos el diagrama de bloques de un regulador en paralelo.

Del diagrama deducimos que la potencia disipada ser:

VC

Fuente noRegulada

Regulad.

RLVe VS

IC IS Fuente noRegulada

RL

RS

Ve

ISIe

IC VS VC

Regulad.

a) b)VCONTROL = VC = VS

ICONTROL = IC = Ie IS

VS = cte; 0 IS Ismx PD =VSISmx VS = cte; IS = cte PD = VS(Ie IS) VS = 0; Ie = IS PD = 0 (no disipa potencia)

Diferencias esenciales

El regulador paralelo impide que las variaciones de la corriente de carga aparezcan en la fuente 1 aislndose la carga de la fuente 1, que es bueno para frecuencias elevadas.

La energa disipada, en forma de calor, en el regulador serie aumenta en proporcin directa con la carga, mientras que en el regulador paralelo disminuye al aumentarla.

El regulador paralelo tiene un elemento ms, R, que evita la rotura del regulador si falta la carga. R tambin disipa calor => para una entrada y una salida determinadas y una carga idntica, la potencia entregada por la fuente 1 de un regulador paralelo es mayor que la entregada por un regulador en serie.

El regulador paralelo tiene un rendimiento inferior al regulador en serie.

REGULADOR DE TENSIN SERIE (Por Seguidor De Emisor)

Una fuente con una regulacin deficiente tiene una impedancia interna alta.

Solucin: usar un seguidor de emisor transformando la impedancia interna de alta a baja.

Este tipo de reguladores son los ms usados.

R

RL

RS

VZ

VSV1

Vce Zsal

0,7 VFuente noregulada

S Z

Z

V V 0,7

V Vreferencia

Z iesal

fe

R hZ

1 h

fe ie e

Ze Z

e Z

h h r

V25mVr RI I

REGULADOR DE TENSIN PARALELO (CON DERIVACIN)

Est constituido por un circuito de estabilizacin por diodo Zener y un transistor que observe los cambios de corriente necesarios para compensar las variaciones de la V de salida (Fig. 5.7).

Ventaja: constituye una proteccin contra cortacircuitos.

Inconveniente: puede malgastarse mucha potencia en comparacin con el seguidor de emisor.

RL

RS VZ

VS

IC IL

0,7 V

Fuente noregulada V VS Z 0 7,

Elementos del regulador en serie

Una fuente de tensin regulada usa, normalmente, un circuito automtico de control que detecta las variaciones de la tensin de salida y los corrige automticamente. Los elementos de un sistema de control son:

Elemento de referencia

Elemento de muestra

Elemento comparador

Amplificacin de la seal de error.

Elemento de Control.

Elemento de referencia

Da una tensin de referencia lo ms estable posible, bajo un amplio margen de corriente de funcionamiento.

Suele constar de un diodo Zener y su resistencia de polarizacin

Se suele conectar a la salida, aunque puede hacerse a la alimentacin de entrada.

Z

R

I1

IZ

I2

V =VR Z

VR

Entrada paraZ en inversa

Punto defuncionamiento

-Vi -VZAl

Comparador

ZS 1 Z 2 1 S z Z Z S Z

Z Z

V RV I R V I I V I R V R V V V 1

R R

Z Z Z ZS Z Z

Z S Z S

R V R V RV V 1 R R 0

R V R R V R

Por tanto, VZ varia poco con respecto a VS

Elemento de muestra

Da una seal proporcional a la de la salida.

Suele ser un divisor de tensin resistivo, con un pequeo ajuste, situado a la salida de la fuente.

Los valores de R1, R2, P deben ser >> RL para evitar una posible fuga de corriente.

RL

R1

PP

R2

P VS

Vm

I1

Im

ICompAlComparador

1 comp m m comp 1 mI I I I I despreciable I I

2 2

m m 2 S

1 2 1 2

m S

1 P R 1 P RV I 1 P R V m

R R P R R P

V m V

Para que el consumo del sistema de regulacin sea bajo:

m SmaxI I

Elemento comparador

Analiza en cada instante la seal proveniente del elemento de muestra con la fija de referencia de forma que intenta equilibrar las variaciones producidas a la salida.

Generalmente deber ser un transistor o un amplificador operacional.

Existen 2 circuitos tpicos para tensin de salida alta o baja

A) Comparador de Baja Tensin (Vs baja)

Con transistor : Si VS aumenta VBE aumenta IC del transistor es mayor

Con amplificador operacional

Al ampl.

de error

R

VZ

VBE

Z

VS

R1

PP

R2

P

Vm

+Al ampl.

de error

R

VZ

Z

VS

R1

PP

R2

P

Vm

+

m s BE Zm BE R BE s Z s

R Z

V mV V VV V V V m V V V

mV V

1 2s BE Z

2

R R PV V V

1 P R

Al ampl.

de error

R

VZ

VBE

Z

VS

R1

PP

R2

P

Vm

+Al ampl.

de error

R

VZ

Z

VS

R1

PP

R2

P

Vm

+

Z 1 2Z m s s s Z

2

V R R PV V mV Idealmente 0 V V V

m 1 P R

B) Comparador de Alta Tensin (VS alta)

Transistor con base en el elemento de referencia

Transistor con base en el elemento de muestra

VZVZ

VBE

VBE

ZZ

R R

VS VS

R1 R1

P PP P

R2 R2

P P

Vm Vm

m s BE ZBE s R m BE s Z s

R Z

V mV V VV V V V V 1 m V V V

1 mV V

1 2s BE Z1

R R PV V V

R P

VZVZ

VBE

VBE

ZZ

R R

VS VS

R1 R1

P PP P

R2 R2

P P

Vm Vm

Z BE

BE m s R s s Z BE Z s s

V VV V V V mV V V V V m 1 V V

1 m

1 2s Z BE1

R R PV V V

R P

c) Comparador con Amplificador Diferencial

En los casos en que es necesario una alta compensacin trmica, se usa un amplificador diferencial, con dos transistores idnticos.

Para VS baja Para VS alta

R1

R2

PT2

R4

R5

T1

R3

Z1

R6

Al ampl.de error

VRef

1-

Z1 VRef R1

R2

PT2

R4

R5

T1

R3

Al ampl.de error

R6

1-

1 2

s R

2

R R PV V

1 P R

R1

R2

PT2

R4

R5

T1

R3

Z1

R6

Al ampl.de error

VRef

1-

Z1 VRef R1

R2

PT2

R4

R5

T1

R3

Al ampl.de error

R6

1-

1 2s R

1

R R PV V

R P

Amplificador de la seal de error

Est formado por un amplificador de acoplo directo, en muchos casos constituidos por un solo transistor

Este elemento amplifica las variaciones producidas en el comparador y las eleva a un nivel tal que puedan excitar al bloque de control

+

Elemento de control

Su misin es la de controlar las variaciones de la tensin de salida, aumentando o disminuyendo su cada de tensin colector-emisor, as como la de permitir la circulacin de la corriente necesaria a la salida. Su diseo puede ser una conexin Darlington con una resistencia R que se comporta como una fuente de corriente constante (I) denominada Prerregulador.

Vs VsVe Ve

IBICte

ICte

IAE

R

Amplifcadorde error

0,7 V

B AE cte BmaxI I I cte I 2I

Si Ve aumenta, Vs aumenta IAE varia IB y VCE disminuye Vs no varia.

Una mejor solucin es usar un transistor con salida por colector como muestra la figura

e s BE

cte e s BE

cte

V V VR I V V V R

I

Vs VsVe Ve

IBICte

ICte

IAE

R

Amplifcadorde error

0,7 V

Regulador serie completo

Zn

C

T3

R7

RL

R1

R2

P

C2

T2

R4

R5

T1

R3

Zn

R6

R5

T6

Z3 R8

T4

T5

Ve VS

Elemento

de control

Prerregulador Amplificadorde error

Elemento dereferencia

Elementocomparador

Elementode muestra

REGULADORES DE TRES TERMINALES

Hoy da, en el mercado, podemos encontrar una extensa gama de reguladores de tensin integrados. Dentro de esta gama, los reguladores de tres terminales son muy populares debido a su simplicidad y fcil aplicacin. El esquema de un regulador de voltaje de tres terminales se muestra en la figura

REGULADORES DE TRES TERMINALES

Estas unidades se disean para:

Salidas de tensin fijas y, Corrientes inferiores a 5A.

Estos circuitos integrados encuentran su mejor aplicacin en tarjetas de regulacin. La distribucin de reguladores, para cada salida de las tarjetas tiene varias ventajas frente a un nico regulador de voltaje centralizado, por ejemplo, varios reguladores de tres terminales con salidas de 1A son ms baratos de fabricar o comprar que un regulador con salida de varios amperios. La corriente desde un regulador centralizado tiene que circular por una gran cantidad de resistencias y bobinas para llegar hasta la placa a la cual estaba destinada la corriente y esto afectar notablemente al valor del voltaje de carga.

REGULADORES DE TRES TERMINALES

Alimentacin de una carga por un regulador de voltaje de alta corriente de salida.

Por tanto, cualquier variacin en la carga, conectada al regulador de voltaje centralizado, afectar al voltaje de salida. En la tarjeta, estos problemas se eliminan usando reguladores de tres terminales

L LL LL L

I 1A V 9VV 10V I 1

I 5A V 5V

Caractersticas

Hay que resaltar cuatro caractersticas de todo regulador de tres terminales:

Tensin de salida requerida: El voltaje de salida regulado para un regulador de tres terminales dado, viene especificado por el fabricante para el modelo en particular utilizado.

Vin Vout+ 2V: El voltaje de entrada no regulado debe ser al menos 2V mayor que el voltaje de salida regulado. Hay que tener en cuenta la prdida de cada de tensin que se produce en el regulador.

Iout mx.: La salida o corriente de carga puede variar desde cero hasta un valor mximo. Sin embargo si el montaje no se hace de tal manera que asegura la eliminacin de calor generado, la unidad puede llegar al valor para el cual se produce la parada trmica. La aparicin de la ruptura trmica depende del voltaje de entrada, del voltaje de salida, de la temperatura ambiente y de la corriente de salida. A menos que utilicemos un disipador adecuado, no podremos obtener la mxima corriente de salida del regulador integrado.

Proteccin contra sobrecarga trmica: El circuito integrado tiene un sensor de temperatura interno. Cuando el IC se calienta demasiado (normalmente entre 125C y 150C), la unidad dejar de funcionar. La corriente de salida caer y permanecer as hasta que el IC se refrigere significativamente. No obstante, esto no proporciona una verdadera proteccin contra cortocircuitos. El regulador de tres terminales puede, si el calor disminuye adecuadamente, soportar un cortocircuito sin daarse.

Tensin (+) Tensin (-)

LM7805C (5 V) LM7905CT (-5 V)

LM7812C (12 V) LM7912CT (-12 V)

LM7815C (15 V) LM7915CT (-15 V)