Caracteristicas De Fuentes De Alimentacion De C.d

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LAS FUENTES DE VOLTAJE

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN INTRODUCCIÓN En la figura 1 se muestra un diagrama de bloques que contiene las partes de una fuente de alimentación típica y los voltajes en varios puntos de la unidad. El voltaje de corriente alterna, por lo general de 120Vrms, está conectado a un transformador que eleva dicho voltaje o, con más frecuencia, lo reduce al nivel de la salida de cd deseada. Un rectificador de diodos produce entonces un voltaje rectificado de media onda, o con más frecuencia de onda completa, que se aplica a un filtro para alisar la señal variable. A menudo, basta un filtro de capacitor simple para generar esta acción alisadora. El voltaje de cd resultante con algo de rizo o variación de voltaje de ca se proporciona entonces, como entrada a un regulador integrado, el que como salida proporciona un nivel de voltaje de cd bien definido con un voltaje de rizo extremadamente bajo, dentro de un rango de carga.

FIGURA 1. Diagrama de bloques que muestra las partes de una fuente de alimentación

CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE FILTROS Se requiere un circuito rectificador para convertir una señal cuyo valor promedio es cero, en una de valor promedio que no es cero. Sin embargo, la señal de cd pulsante que resulta no es corriente directa pura, o incluso una buena representación de ella. Desde luego, en el caso de un circuito como el de un cargador de baterías, la naturaleza pulsante de la batería no es perjudicial mientras el nivel de cd provisto, cargue la batería. Por otra parte, en el caso de circuitos de alimentación de voltaje para una grabadora o radio, la cd pulsante producirá una señal de 60-120 Hz que aparece en la salida, lo cual hace que la operación de todo el circuito sea deficiente. En estas aplicaciones, al igual que en muchas otras, la salida de cd desarrollada tendrá que ser mucho más lisa que la de cd pulsante obtenida directamente de los circuitos rectificadores de media onda y onda completa. REGULACIÓN DE VOLTAJE Y VOLTAJE DE RIZO Antes de entrar en detalles del circuito filtro, es apropiado considerar el método usual de clasificar los circuitos de modo que se pueda comparara la efectividad de un circuito como filtro. La figura 2 muestra un voltaje de salid de filtro, que se usará para definir algunos de los factores de la señal. El voltaje de salida filtrado en la figura, tiene un valor de cd y algo de variación de ca (rizo). Si bien, una batería en esencia produce un voltaje de salida de cd o constante, el voltaje de cd derivado de una señal de fuente de ca rectificada y filtrada tiene algo de

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variación (rizo). Mientras menor sea la variación de ca con respecto al nivel de cd, mejor será la operación del circuito del filtro.

(Vrizo)p-p

t

FIGURA 2. Forma de onda del voltaje de un filtro que muestra voltajes de rizo y de cd

Considérese la medición del voltaje de salida del filtro con un voltímetro de cd y un de ca (Vrms). El primero, lee sólo el nivel de cd o promedio del voltaje de salida. El medidor de ca (Vrms) lee únicamente el valor rms del componente de ca del voltaje de salida (suponiendo que la señal se acopla al medidor por medio de un capacitor para bloquear el nivel de cd). De esta manera, el rizo está dado por: Voltaje de rizo (rms) Vr ( rms ) r = rizo = = × 100% Voltaje de cd Vcd Así por ejemplo, si tenemos una fuente de alimentación y a la salida, con un voltímetro de cd obtenemos un valor de 25V y con uno de ca se registra un voltaje de rizo de 1.5Vrms, el rizo de salida está dado por: Vr( rms) 1.5V r= × 100% = × 100% = 6% Vcd 25V REGULACIÓN DE VOLTAJE Otro factor de importancia en una fuente de voltaje es la cantidad de cambio del voltaje de cd de salida dentro del rango de operación del circuito. El voltaje provisto a la salida sin carga (sin consumo de corriente de la fuente) se reduce cuando una carga consume corriente de la fuente. Saber qué tanto cambia este voltaje con respecto a su valor con o sin carga es de sumo interés para cualquiera que utilice la fuente. Este cambio de voltaje se describe mediante un factor llamado regulación de voltaje. sin carga - voltaje a plena carga voltaje a plena carga V − VFL RV ( Regulación de voltaje ) = NL ×100 % VFL

RV ( Regulación de voltaje

) = voltaje

Por ejemplo, si una fuente de voltaje de cd proporciona 60V con la salida sin carga, y, cuando se consume corriente a plena carga se encuentra que el voltaje de salida se reduce a 56V; entonces, el valor del factor de regulación de voltaje es: V − VFL 60V − 56V RV( Regulación de voltaje) = NL × 100% = × 100% = 7.14% VFL 56V

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Si el valor del voltaje a plena carga es igual al de sin carga, la regulación de voltaje calculada es 0% y es lo mejor que puede esperarse. Dicho valor significa que la fuente es de voltaje verdadero y en la cual el voltaje de salida es independiente del consumo de corriente. El voltaje de salida de la mayoría de las fuentes disminuye a medida que se incrementa el consumo de corriente. Mientras más se reduce el voltaje, menor será el porcentaje de su regulación y mejor será la operación del circuito de la fuente de voltaje. FACTOR DE RIZO DE LA SEÑAL ADECUADA Aunque el voltaje rectificado no es un voltaje filtrado, sí contiene una componente de cd y una componente de rizo. Se pueden calcular éstos valores de voltaje de cd y voltaje de rizo (Vrms) y con ellos obtener el factor de rizo para los rectificadores de media onda y onda completa. Los cálculos demuestran que la señal rectificada de onda completa tienen un menor porcentaje de rizo y por consiguiente es una señal rectificada mejor que la de media onda, si se desea el porcentaje de rizo más bajo. El porcentaje de rizo no siempre es la cuestión más importante. Si la complejidad del circuito o las consideraciones de costsos son importantes, y el voltaje de rizo es secundario, entonces un rectificador de media onda puede ser más satisfactorio. Asimismo, si la salida filtrada suministra sólo una pequeña cantidad de corriente a la carga y el filtro nos es crítico, entonces una señal rectificada de media onda puede ser aceptable. Por otra parte, cuando la fuente debe tener un rizo tan bajo como sea posible, es mejor comenzar con una señal rectificada de onda completa puesto que tiene un factor de rizo menor, como a continuación se indica. En el caso de una señal rectificada de media onda, el voltaje de cd de salida es Vcd=0.318V. el valor rms de la componente de ca de una señal de salida es Vr(rms)=0.385V, ésta valor es determinado mediante técnicas de cálculo. El rizo en porcentaje es: V ( rms) 0.385V rmedia onda = r × 100% = × 100% = 121% Vdc 0.318V Para el rectificador de onda completa, el valor de Vcd es Vcd=0.636V. Para una señal rectificada de onda completa Vr(rms)=0.308V y, de esta forma, el porcentaje de rizo es: V ( rms) 0.308V ronda completa = r × 100% = × 100% = 48% Vdc 0.636V El factor de rizo de la señal rectificada de onda completa, es aproximadamente 2.5 veces menor que la señal rectificada rectificada de media onda y proporciona una mejor filtrada. Obsérvese que estos valores de factor de rizo son absolutos y no dependen del voltaje máximo. Si el voltaje máximo se incrementa, también lo harán el valor de cd de la salida y el voltaje de rizo. Los dos se incrementan en la misma proporción, de modo que el factor de rizo permanece igual. FILTRO SIMPLE CON CAPACITOR Un filtro simple muy aceptado es uno con capacitor, mostrado en la figura 3; que está conectado a través de la salida del rectificador. El voltaje de salida de cd está disponible a través del capacitor. La figura 4.a muestra el voltaje de salida

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del rectificador de un circuito rectificador de onda completa antes de que se filtre la señal. La figura 4.b muestra la forma de onda resultante después de que el capacitor se conectó a través de la salida del rectificador. Como se muestra, este voltaje que se filtró tiene un nivel de cd con algo de voltaje de rizo “montado” en él.

FIGURA 3. Filtro con capacitor simple

FIGURA 4. Operación de un filtro con capacitor: (a) voltaje de rectificador de onda completa; (b) voltaje de salida filtrado

La figura 5.a muestra un rectificador de onda completa y la forma de onda obtenida del circuito cuando se conecta a una carga de salida. Si no se conectara ninguna carga al filtro, la forma ideal de onda de salida sería un nivel de cd constante de igual valor al voltaje máximo (Vm), producido por el circuito rectificador. No obstante, el objetivo de obtener un voltaje de cd es ponerlo a disposición de otros circuitos electrónicos, lo que a la sazón, constituye una carga para la fuente de voltaje. Puesto que siempre habrá algo de carga aplicada al filtro, se tendrá que considerar este caso práctico en el análisis. Para la señal rectificada de onda completa indicada en la figura 5.b existen dos intervalos de tiempo indicados. T1 es el tiempo durante el cual un diodo rectificador de onda completa conduce y carga el capacitor hasta el voltaje de salida máximo rectificador (Vm). T2 es el tiempo durante el cual, el voltaje del rectificador se reduce por debajo del voltaje máximo y el capacitor se descarga a través de la carga. Si el capacitor se fuera a descargar sólo un poco (debido a una carga pequeña), el voltaje promedio estaría próximo al valor óptimo de Vm. La cantidad de voltaje de rizo también sería pequeña con una carga pequeña. Esto demuestra que el filtro con capacitor proporciona un gran voltaje de cd con poco rizo para cargas

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pequeñas (y un menor voltaje de cd con mayor rizo para cargas grandes). Para apreciar mejor estas cantidades se tiene que examinar más a fondo la forma de onda de salida y determinar algunas relaciones entre la señal de salida que será rectificada, el valor del capacitor, el valor de la carga (un resistor), el factor de rizo y la regulación del circuito.

FIGURA 5. Filtro con capacitor: (a) circuito con filtro con capacitor; (b) forma de onda de voltaje de salida

La figura 6 muestra la forma de onda de salida aproximada por segmentos lineales de carga y descarga. Esto es razonable puesto que el análisis no lineal de éstas, es complejo porque los resultados obtenidos dan valores que concuerdan bien con las mediciones reales realizadas en los circuitos. La forma de onda que aparece en la figura muestra una aproximación del voltaje de salida de una señal rectificada de onda completa. Del análisis de esta forma de onda del voltaje se obtienen las siguientes relaciones: Vr ( pico − pico ) 2 V ( pico − pico ) Vr ( rms ) = r 2 3 Estas relaciones se dan sólo en función de forma de onda de los voltajes y se acentúan con los diferentes componentes del circuito. Como la forma de onda de rizo correspondiente a la media onda es la misma que la de onda completa, las ecuaciones anteriores se aplican a ambos circuitos rectificador y filtrante. Ambas ecuaciones son válidas para fuentes con rectificadores de media onda y onda completa. Vcd = Vm −

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FIGURA 6. Voltaje de salida aproximado de un circuito de filtro con capacitor

Voltaje de rizo Vr(rms) En función de los demás parámetros del circuito, el resultado obtenido para Vr(rms) considerando una fuente con rectificador de onda completa, es: I cd V Vr ( rms ) ≅ × cd 4 3 fC Vm donde f es la frecuencia del voltaje de alimentación senoidal (por lo general es de 60Hz) Icd es el consumo promedio de corriente del filtro por la carga C es el valor del capacitor de filtro. Otra aproximación simplificadora que se puede hacer, es suponer que, como por lo general se usan cargas pequeñas, el valor de Vcd es sólo ligeramente menor que Vm de modo que Vcd≅ Vm y la ecuación puede escribirse: Vr ( rms ) ≅

I cd 4 3 fC

La expresión anterior es válida para fuentes con rectificadores de onda completa, considerando a la salida, cargas pequeñas. Por último, se puede concluir que el valor típico de la frecuencia de línea (f=60Hz) y las demás constantes en la ecuación son más simples: 2.4 I cd 2.4Vcd Vr ( rms ) = = C RLC donde Icd está en miliamperes, C en microfaradios y RL en kilo-ohms. Por ejemplo, calcularemos el voltaje de rizo de un rectificador de onda completa con un capacitor de filtro de 100µ f conectado a una carga de 50mA. Así, tenemos: Vr ( rms ) =

2.4 I cd 2.4( 50 ) = = 1.2V C 100

Voltaje de cd, Vcd El voltaje de cd del filtro está dado por: V ( pico − pico ) I V Vcd = Vm − r = Vm − cd × cd 2 4 fC Vm

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Bajo la suposición simplificadora de que Vcd es aproximadamente igual que Vm con cargas pequeñas, se obtiene un valor aproximado de Vcd (el cual es menor que Vm) de: V ( pico − pico ) I Vcd = Vm − r = Vm − cd 2 4 fC Por lo que podemos escribir, usando f=60Hz: 4.17 I cd Vcd = Vm − C donde: Vm es el voltaje máximo rectificado en volts. Icd es el consumo de corriente de la carga en miliamperes. C es el capacitor del filtro en microfaradios. Así, por ejemplo, si el voltaje máximo rectificado para el filtro, del ejemplo anterior, es de 30V, el voltaje de cd del filtro es: 4.17 I cd 4.17 ( 50 ) Vcd = Vm − = 30 − = 27.9V C 100 El valor del voltaje de cd es menor que el voltaje máximo rectificado. Obsérvese adem´pas, que, mientras mayor sea el valor del consumo promedio de corriente del filtro, menor será el valor del voltaje de cd de salida, y mientras mayor sea el valor del capacitor del filtro, más se aproximará el voltaje de cd de salida al valor máximo de Vm. Rizo de un filtro con capacitor Con la definición de rizo y la ecuación para el voltaje de rizo, se obtiene la expresión para el factor de rizo de un filtro con capacitor, para una fuente con rectificador de onda completa y con cargas pequeñas a la salida, como: V ( rms) 2.4 I cd r= r × 100% ≅ × 100% Vcd CVcd Puesto que Vcd e Icd tienen que ver con la carga en el filtro RL, el rizo también puede expresarse como: r=

2.4 × 100 % RLC

donde Icd está en miliamperes, C en microfaradios, Vcd en volts y RL en kilo-ohms. Se ve que el factor de rizo varía directamente con el consumo de corriente de la carga (mientras mayor sea éste, mayor será el factor de rizo), e inversamente con el tamaño del capacitor. Esto concuerda con el análisis previo del filtro. De modo que, si una carga conectada a la salida de una fuente, consume una corriente de 50mA de un filtro con capacitor (C=100µ f) y el voltaje máximo rectificado de la fuente es de 30V, entonces el rizo es: 2.4 I cd 2.4( 50) r= × 100% = × 100% = 4.3% CVcd 100( 27.9) Se considera que Vcd=27.9V, de acuerdo con el ejemplo mostrado previamente.

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FILTROS RC Es posible mejorar aún más la cantidad de rizo a través de un capacitor de filtro al mismo tiempo que se reduce el voltaje de cd mediante el uso de un filtro RC adicional como se muestra en la figura 7. El objetivo de la red agregada es dejar pasar tanto como sea posible de la componente de cd del voltaje desarrollado a través del primer capacitor C1 tanto como sea posible. Esta acción reduce la cantidad de rizo en relación con el nivel de cd, lo que permite una mejor operación del filtro que en el caso del filtro con capacitor simple. Hay un precio a pagar por esta mejora, como se mostrará, éste incluye un voltaje de cd de salida más bajo debido a la caída de voltajes de cd a través del resistor y el costo de los componentes adicionales en el circuito.

FIGURA 7. Etapa de filtro RC La figura 8 muestra el filtro rectificador al operar a onda completa. Como el rectificador alimenta de manera directa al capacitor, las corrientes máximas que circulan por los diodos son muchas veces el consumo promedio de corriente de la fuente. El voltaje desarrollado a través del capacitor C1 es filtrado de nuevo por la acción resistor-capacitor (RC2) con lo que se obtiene un voltaje de salida con un menor porcentaje de rizo que a través de C1.

FIGURA 8. Rectificador de onda completa y circuito de filtro RC

La carga, representada por el resistor RL, consume corriente directa a través del resistor R con un voltaje de cd de salida a través de la carga que es un poco menos que aquel a través de C1 debido a la caída de voltajes a través de R. Este filtro, lo mismo que el filtro con capacitor simple, funciona mejor con cargas pequeñas, con una regulación de voltaje considerablemente más deficiente y un porcentaje más elevado de rizo con cargas grandes. El análisis de los voltajes de cd y ca como resultado de la salida del filtro que se obtiene a través del capacitor C1 puede llevarse a cabo mediante superposición. Puede considerarse por separado el circuito RC que actúa en el nivel de cd del voltaje a través de C1 y luego la acción del circuito RC en la porción de ca (rizo) de

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la señal desarrollada a través de C1. Los valores resultantes pueden usarse entonces para calcular la regulación de voltajes y el rizo en todo el circuito. OPERACIÓN DE CD DE LA SECCIÓN DE FILTRO RC La figura 9.a muestra el circuito equivalente a ser utilizado cuando se considera el voltaje y la corriente de cd en el filtro y la carga. Los dos capacitores del filtro son circuitos abiertos para cd y por lo tanto no serán considerados en este momento. El cálculo del voltaje de cd a través del capacitor de filtro C1 se analizó previamente. Si se conoce el voltaje de cd a través del primer capacitor de filtro C1, puede calcularse el voltaje de cd a la salida del filtro RC adicional. En la figura 9.a se ve que el voltaje Vcd a través del capacitor C1 es atenuado por una red divisora de resistores R y RL (la resistencia de carga equivalente); el voltaje de cd resultante a través de la carga es V’cd: RL V 'cd = Vcd RL + R

FIGURA 9. Circuitos equivalentes de cd y ca de un filtro RC: (a) circuito equivalente en cd; (b) circuito equivalente en ca

Ejemplo: La adición de una sección de filtro RC con R=120Ω reduce el voltaje de cd a través del capacitor de filtro inicial a partir de 60V (Vcd). Si la resistencia de la carga es de 1KΩ , calcularemos el valor del voltaje de salida del filtro: RL 1000 ( 60 ) = 53.6V V 'cd = Vcd = RL + R 1000 + 120 Además, se puede calcular la caída de voltaje a través del resistor del filtro y el consumo de corriente de la carga: VR = Vcd − V 'cd = 60 − 53 .6 = 6.4V V' 53 .6 I cd = cd = = 53 .6mA RL 1000

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OPERACIÓN DE CA DE LA SECCIÓN DE FILTRO RC La figura 9.b muestra el circuito equivalente para analizar la operación de ca del filtro. La entrada al filtro procedente del primer capacitor de filtro (C1) es el rizo o una parte de señal de ca del voltaje a través de C1, Vr(rms), el cual está representado ahora de manera aproximada como una señal senoidal. Los dos componentes del filtro RC y la resistencia de la carga afectan la señal de ca a la salida del filtro. Para un valor de capacitor de filtro (C2) de 10µ f a una frecuencia de voltaje de rizo (f) de 60Hz, la impedancia de ca Xc, del capacitor es: XC =

1 1 1 = = = 0.265 KΩ ωC 2πfC 6.28 ( 60 )10 ×10 −6

En la figura 9.b se ve que esta impedancia capacitiva está en paralelo con la resistencia de la carga. Con una resistencia de carga de 2KΩ , por ejemplo, la combinación en paralelo de los dos componentes daría una impedancia de magnitud: RL X C 2( 0.265) Z= = = 0.263KΩ 2 2 2 RL + X C 22 + ( 0.265) Este valor se aproxima al valor de la impedancia capacitiva sola, como se esperaba, puesto que la impedancia capacitiva es mucho menor que la resistencia de la carga, y la combinación en paralelo de los dos sería menor que el valor de cualquiera de ellos. Como regla empírica puede considerarse el pasar por alto la acción de carga del resistor de carga en la impedancia capacitiva en tanto la resistencia de la carga sea por lo menos cinco veces la impedancia capacitiva. Debido a la limitación a cargas pequeñas en el filtro el valor efectivo de la resistencia de la carga, por lo general es grande comparado con la impedancia de los capacitores en el rango de microfaradios. En al análisis anterior se manifestó que la frecuencia del voltaje de rizo era de 60Hz. Si se supone que la frecuencia de la línea es de 60Hz, la frecuencia de rizo también será de 60Hz para el voltaje de rizo producido por un rectificador de media onda. El voltaje de rizo producido por un rectificador de onda completa, sin embargo, se duplicará puesto que el número de medios ciclos es el doble y la frecuencia de rizo será entonces de 120Hz. Según la relación para la impedancia capacitiva XC=1/ω C, se tiene el valor de ω =377 rad/s a 60Hz y de ω =754rad/s a 120Hz. Con los valores de capacitancia en microfaradios, la relación para impedancia capacitiva pueden expresarse como: 2653 C 1326 = C

XC =

para media onda

XC

para onda completa

donde XC está en ohms y C en microfaradios. Si se utiliza la relación simplificada de que la combinación en paralelo del resistor de carga y la impedancia capacitiva es aproximadamente igual, puede calcularse la atenuación de ca en la etapa de filtro:

V 'r ( rms) ≅

XC R + XC 2

2

Vr ( rms)

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El uso de la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados en el denominador es necesario puesto que la resistencia y la impedancia han de sumarse vectorialmente, no algebraicamente. Si el valor de la resistencia es mayor (por un factor de 5, cuando menos) que el de la impedancia capacitiva, se puede simplificar el denominador, con lo que se obtiene el siguiente resultado: X V 'r ( rms ) ≅ C Vr ( rms ) R Y bien, analicemos un caso práctico en el que se aplican los conceptos manejados en esta parte. Ejemplo: La salida de un rectificador de onda completa y filtro de capacitor se filtra aún más con una sección de filtro RC. Los valores de los componentes de la sección RC son R=500Ω y C=10µ f. Si el filtro con capacitor inicial desarrolla 150V de cd con un voltaje de rizo de ca de 15V, calcular el voltaje de cd y rizo resultante a través de la carga de 5KΩ

FIGURA 10. Circuito del filtro RC

Determinamos el valor de V’cd : RL 5000 (150 ) = 136 .4V Vcd = RL + R 5000 + 500 Determinamos la impedancia capacitiva considerando que el circuito opera a onda completa: V 'cd =

XC =

1326 1326 = = 133 Ω C 10

Puesto que esta impedancia no es cinco veces menor que la del resistor del filtro (R=500Ω ), tenemos:

V 'r ( rms) ≅

XC R + XC 2

2

Vr ( rms) =

0.133

( 0.5) 2 + ( 0.133) 2

(15) = 3.86V

CIRCUITOS MULTIPLICADORES DE VOLTAJE Duplicador de voltaje Una modificación del filtro con capacitor permite desarrollar un voltaje mayor que el voltaje rectificado máximo (Vm). El uso de este tipo de circuito permite

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conservar el voltaje nominal máximo de transformador bajo al mismo tiempo que se incrementa el voltaje de salida máximo dos, tres, cuatro o más veces el voltaje rectificado máximo.

FIGURA 11. Duplicador de voltaje de media onda

La figura 11 muestra un doblador de voltaje de media onda. Durante el medio ciclo de voltaje positivo a través del transformador, el diodo del secundario D 1 conduce (y el diodo D2 está en corte), y carga el capacitor C1 hasta el voltaje rectificado máximo (Vm). El diodo D1 en una situación ideal está en corto durante este ciclo, y el voltaje de entrada carga el capacitor C1 a Vm con la polaridad mostrada en la figura 12.a. Durante el medio ciclo negativo del voltaje del secundario, al diodo D1 se interrumpe y el diodo D2 conduce y carga el capacitor C2. Como el diodo D2 actúa como un corto durante el medio ciclo negativo (y el diodo D1 está abierto), se pueden sumar los voltajes alrededor del lazo externo (véase la figura 12.b): −VC 2 +VC1 +Vm = 0 −VC 2 +Vm +Vm = 0

de la cual:

VC 2 = 2Vm

En el siguiente medio ciclo positivo, el diodo D 2 está en estado no conductor y el capacitor C2 se descarga a través de la carga. Si no se conecta ninguna carga a través del capacitor C2, ambos capacitores permanecen cargados –C1 a Vm y C2 a 2Vm. Si, como sería de esperarse, no hay carga conectada a la salida del duplicador de voltaje, el voltaje a través del capacitor C2 se reducirá durante el medio ciclo positivo (a la entrada) y el capacitor se recarga a 2Vm durante el medio ciclo negativo. La forma de onda de salida a través del capacitor C 2 es la de una señal de media onda filtrada por un filtro con capacitor. El voltaje inverso máximo a través de cada diodo es 2Vm

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FIGURA 12. Operación doble , que muestra cada medio ciclo de operación: (a) medio ciclo positivo; (b) medio ciclo negativo

Otro circuito duplicador es el de onda completa mostrado en la figura 13. Durante el medio ciclo positivo del secundario del transformador (figura 14.a), el diodo D1 conduce y carga l capacitor C1 a un voltaje máximo Vm. El diodo D2 se encuentra en estado de no conducción en este momento. D1

2Vm

FIGURA 13. Duplicador de voltaje de media onda

Durante el medio ciclo negativo (figura 14.b) el diodo D2 conduce y carga el capacitor C2 , mientras que el diodo D1 se encuentra en estado no conductor. Si la carga no consume corriente del circuito, el voltaje a través de los capacitores C 1 y C2 es 2Vm. Si la carga consume corriente del circuito, el voltaje a través de los capacitores C1 y C2 es el mismo que aquel a través de un capacitor alimentado por un circuito rectificador de onda completa. Una diferencia es que la capacitancia efectiva es la del C1 y C2 en serie, la cual es menor que la capacitancia de C1 o C2 solo. El valor de capacitor más bajo proporciona una acción filtrante más deficiente que el filtro con capacitor simple.

FIGURA 14. Medios ciclos de operación de un duplicador de voltaje de onda completa: (a)medio ciclo positivo; (b)medio ciclo negativo

El voltaje inversor máximo a través de cada diodo es 2Vm como en el circuito de capacitor de filtro. En suma, los circuitos duplicadores de voltaje de media onda y

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onda completa desarrollan dos veces el voltaje máximo del secundario del transformador sin que requieran ningún transformador con derivación central y sólo un voltaje inverso máximo de 2Vm para los diodos. Triplicador y cuadriplicador de voltaje La figura 15 muestra una extensión del duplicador de voltaje de media onda, el cual desarrolla tres o cuatro veces el voltaje de entrada máximo. Es obvio, por la disposición de la conexión del circuito, cómo se pueden conectar diodos y capacitores adicionales de modo que el voltaje de salida también pueda ser cinco, seis, siete, etc., el voltaje máximo básico (Vm). En la operación el capacitor C1 se carga por conducto del diodo D1 a un voltaje máximo Vm durante el medio ciclo positivo del secundario del transformador. El capacitor C2 se carga a dos veces el voltaje máximo 2Vm desarrollado por la suma de voltajes a través del capacitor C1 y el transformador durante el medio ciclo negativo del voltaje secundario del transformador Durante el medio ciclo positivo, el diodo D3 conduce, y el voltaje a través del capacitor C2 y C4 es 4Vm. Si se usan más secciones de diodo y capacitor, cada capacitor se cargará a 2Vm. Si se realizan mediciones a partir de la parte superior del devanado del transformador (figura 15) se obtienen múltiplos impares de Vm a la salida, mientras que si se realizan desde la parte inferior, el voltaje de salida obtiene múltiplos pares del voltaje máximo Vm, La capacidad del transformador es sólo Vm máximo, y cada diodo en el circuito debe tener un voltaje nominal de 2Vm. Si la carga es pequeña los capacitores tienen pocas fugas, este tipo de circuito es capaz de desarrollar voltajes de cd extremadamente altos, mediante el uso de muchas secciones para elevar el voltaje de cd.

FIGURA 15.Triplicador y cuadriplicador de voltaje

REGULADORES DE VOLTAJE INTEGRADOS Los reguladores de voltaje integrados son muy útiles. Estas unidades contienen los circuitos de fuente de referencia, amplificador de error, dispositivos de control y protección contra sobrecarga, todos en un solo circuito integrado. Si bien, la construcción interna es un tanto diferente que la correspondiente a aquellos circuitos reguladores de voltaje discretos, la operación externa es muy parecida. Se analizará la operación y se utilizarán algunos reguladores de voltaje fijos de tres terminales aceptados (tanto para voltajes positivos como negativos), así como aquellos que permiten ajustar el voltaje de salida.

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Se puede construir una fuente de alimentación de manera muy simple con un transformador conectado a la fuente de ca para el nivel de voltaje deseado, que luego se rectifica con un circuito de media onda o completa, se filtra el voltaje con capacitor simple, y por último, se regula el voltaje de cd con el circuito integrado. Una categoría básica de los reguladores de voltaje incluye los que se utilizan para voltajes positivos, negativos y los de salida fijos o ajustables. Estos reguladores se pueden seleccionar para que operen con consumo de corrientes desde cientos de miliamperes hasta decenas de amperes correspondientes a capacidades de potencia desde miliwatts hasta decenas de watts. A continuación se presentan varios tipos de circuitos integrados reguladores de voltaje y se definirán varios términos comunes a estos dispositivos. Reguladores de voltaje de tres terminales

FIGURA 16. Representación de bloques de un regulador de voltaje de tres terminales

En la figura 16 se presentan en forma esquemática los reguladores de voltaje que proporcionan regulación fija positiva dentro de un intervalo de corrientes de carga. Estos reguladores tienen un voltaje no regulado Vent aplicado a una terminal, entregan un voltaje de salida regulado Vo, por una segunda terminal, con la tercera conectada a tierra. Por unidad de circuito integrado particular, las especificaciones incluyen un intervalo de voltaje dentro del cual el voltaje de entrada puede variar para mantener el voltaje de salida regulado, Vo, dentro de un intervalo de corriente de carga, Io. Se debe mantener un diferencial de voltaje de salida-entrada para que el circuito integrado opere, lo que significa que el voltaje de entrada variable siempre debe ser suficientemente alto para conservar una caída de voltaje a través de dicho circuito para que permita su buen funcionamiento interno. Las especificaciones también incluyen la cantidad de cambio de voltaje de salida, Vo, producida por los cambios de la corriente de carga (regulación de carga), y también por los cambios del voltaje de entrada (regulación de línea). Un grupo de reguladores de voltaje positivo es la serie 78, los cuales proporcionan voltajes fijos desde 5V hasta 24V. La figura 17.a muestra cómo muchos de estos reguladores se conectan. Un voltaje de cd no regulado y filtrado es la entrada Ven a la terminal 1 del regulador integrado. Los capacitores conectados a la entrada o salida sa tierra, ayudan a mantener el voltaje de cd y además a filtrar cualquier variación de voltaje de alta frecuencia. El voltaje de salida de la terminal 2 está, por tanto, disponible para conectarse a

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la carga. La terminal 3 es la referencia o tierra del circuito integrado. Cuando se selecciona el voltaje de salida regulado fijo deseado, los dos dígitos después del prefijo 78 indican el voltaje de salida del regulador. La tabla siguiente contiene algunos datos típicos: Circuitos integrados reguladores de voltaje serie 78XX positivos Número de parte de CI Voltaje regulado Vent mínimo (V) positivo (V) 7805 +5 7.3 7806 +6 8.35 7808 +8 10.5 7810 +10 12.5 7812 +12 14.6 7815 +15 17.7 7818 +18 21 7824 +24 27.7 Los circuitos integrados reguladores de voltaje negativo están disponibles en la serie 79 (ver figura 17.b); éstos son similares a los de la serie 78, aunque operan con voltajes negativos y proporcionan un voltaje de salida negativo regulado. La siguiente tabla incluye la serie 79XX de reguladores de voltaje negativo fijo y sus valores regulados correspondientes: Circuitos integrados reguladores de voltaje serie 79XX negativos Número de parte de CI Voltaje regulado Vent mínimo (V) positivo (V) 7905 -5 -7.3 7906 -6 -8.4 7908 -8 -10.5 7910 -10 -11.5 7912 -12 -14.6 7915 -15 -17.7 7918 -18 -20.8 7924 -24 -27.1

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LAS FUENTES DE VOLTAJE

FIGURA 17. (a) Regulador de voltaje positivo serie 78XX; (b) regulador de voltaje negativo serie 79XX

Los reguladores de voltaje también están disponibles en configuraciones de circuito que permiten que el usuario ajuste el voltaje de salida a un valor deseado. El LM317, por ejemplo, puede operar con un voltaje de salida regulado a cualquier valor dentro del intervalo de voltaje desde 1.2V hasta 37V. La figura 18 muestra una conexión típica que incluye el circuito integrado LM317.

FIGURA 18. Conexión de un regulador de voltaje ajustable LM317

La selección de los resistores R1 y R2 permite ajustar la salida a cualquier voltaje deseado dentro del intervalo de ajuste (1.3 a 37V) y puede calcularse mediante:  R  Vo = Vref 1 + 2  + I ajuste R2 R1   donde Vref =1.25V

I ajuste =100 µA

FUENTES DE ALIMENTACIÓN PRÁCTICAS Se pude construir una fuente de alimentación práctica para convertir el coltaje de 120V en uno de cd regulado. El circuito estándar incluye un transformador para el voltaje al nivel de ca que se desee, un rectificador de diodo para media onda u

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LAS FUENTES DE VOLTAJE

onda completa, la señal de ca y un filtro con capacitor para desarrollar un voltaje de cd no regulado, el cual luego se conecta como entrada a un regulador de voltaje integrado, que proporciona el voltaje de cd de salida ya regulado. Los ejemplos que a continuación se indican, muestran cómo se puede construir una fuente de cd y cómo funcionan: Ejemplo: Analizaremos el funcionamiento de la fuente de voltaje de 12V que se muestra en la figura 19, conectada a una carga que consume 400mA.

FIGURA 19

Observamos que el transformador reduce el voltaje de línea de 120Vrms a un voltaje secundario de 18Vrms a través de cada mitad del transformador. Esto produce un voltaje pico a través del transformador de : Vm = 2Vrms = 2 (18V ) = 25.456V El voltaje de rizo es, por tanto: 2.4 I cd 2.4( 400) Vr ( rms ) = = = 2.043V C 470 y el voltaje pico de rizo es: Vr ( pico ) = 3Vr ( rms ) = 3 ( 2.043V ) = 3.539V El nivel de cd del voltaje a través del capacitor C de 470µ f es: Vcd = Vm − Vr ( pico ) = 25.456V − 3.539V = 21.917V El factor de rizo del capacitor de filtro cuando funciona con una carga de 400mA es, por consiguiente: 2.4 I cd 2.4( 400 ) r= ×100% = × 100% = 9.3% ( 470)( 21.917 ) CVcd El voltaje a través del capacitor C del filtro tiene un rizo de casi 9.3% y se reduce a un voltaje mínimo de Vent mín = Vm − 2Vr ( pico ) = 25.456V − 2( 3.539V ) = 18.378V En las especificaciones el parámetro Vent aparece como necesario para mantener la regulación de la línea a 14.6V. El voltaje más bajo que se mantiene a través del capacitor es un poco mayor que 18.378V. Con la disminución del valor del capacitor de filtro o con el incremento de la corriente de carga se produce un mayor voltaje de rizo y un menor voltaje mínimo a través del capacitor. Mientras que este último voltaje permanezca por encima de 14.6V, el regulador 7812 mantendrá el voltaje de salida regulado a +12V.

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LAS FUENTES DE VOLTAJE

Las especificaciones del 7812 incluyen el cambio de voltaje máximo como de 60mV. Esto significa que la regulación del voltaje de salida será menor que: 60mV RV = × 100% = 0.5% 12V Ejemplo: Analizaremos el funcionamiento de la fuente de 5V mostrada en la figura 20 a una corriente de carga de (a)200mA y (b)400mA.

FIGURA 20

Las especificaciones del 7805 incluyen una entrada de 7.3V como la mínima admisible para mantener la regulación de la línea. a. Con una carga de Icd=200mA, el voltaje de rizo es: 2.4 I cd 2.4( 200 ) Vr ( pico ) = 3Vr ( rms ) = 3 × = 3× = 3.326V C 250 y el voltaje de cd a través del capacitor C=250µ f del filtro es: Vcd = Vm − Vr ( pico ) = 15V − 3.326V = 11.674V El voltaje a través del capacitor del filtro se reduce a un valor mínimo de: Vent mín = Vm − 2Vr ( pico ) = 15V − 2( 3.326V ) = 8.348V Puesto que este valor sobrepasa al valor nominal de 7.3V, la salida se mantendrá al valor regulado de +5V. b. Con una carga de Icd=400mA, el voltaje de rizo es: 2.4 I cd 2.4( 400 ) Vr ( pico ) = 3Vr ( rms ) = 3 × = 3× = 6.65V C 250 alrededor de un voltaje de cd de Vcd = Vm −Vr ( pico ) = 15V − 6.65V = 8.35V

el cual sobrepasa el nivel inferior nominal de 7.3V. No obstante, las excursiones del voltaje de entrada alrededor de este nivel de cd de 6.65V máximo, se reducen durante una parte del ciclo a

Vent mín = Vm − 2Vr ( pico) = 15V − 2( 6.65V ) = 1.7V

Puesto que este valor sobrepasa al valor nominal de 7.3V, la salida se mantendrá al valor regulado de +5V dentro de todo el ciclo de entrada. La regulación se mantiene con corrientes de carga por debajo de 200mA pero no por arriba de 400mA. Ejemplo:

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LAS FUENTES DE VOLTAJE

Determinaremos, Ahora, el valor máximo de la corriente de carga por la cual la regulación se mantiene en el circuito de la figura 20. Para mantener Vent≥ 7.3V Vr ( pico − pico ) ≤ Vm − Vent mín = 15V − 7.3V = 7.7V y por tanto: V ( pico − pico ) 7.7V Vr ( rms ) = r = = 2.2V 2 3 2 3 Entonces se puede determinar el valor de Icd en mA: V ( rms ) C 2.2( 250 ) I cd = r = = 229.2mA 2.4 2.4 Cualquier corriente por encima de este valor, es demasiado grande para que el circuito mantenga la salida regulada a +5V. Ahora bien, con un regulador integrado es posible ajustar el voltaje de salida regulado a cualquier voltaje deseado (dentro del rango de funcionamiento del dispositivo): Ejemplo: Determinaremos el voltaje de salida regulado del circuito de la figura 21.

FIGURA 21. Regulador de voltaje ajustable positivo

El voltaje de salida es:  R Vo = Vref 1 + 2 R1 

  1.8 KΩ   + I ajuste R2 = 1.25V 1 +  + (100 µA)1.8 KΩ = 10 .8V 240 Ω   

La verificación del voltaje del capacitor del filtro, demuestra que se puede mantener un voltaje diferencial de entrada-salida de 2V hasta, por lo menos, 200mA de corriente de carga. Hasta el momento, hemos presentado fuentes de alimentación ASIMÉTRICAS. Se denominan así porque sólo entregan a la salida, un valor de voltaje de salida, ya sea positivo o negativo. Las fuentes de voltaje SIMÉTRICAS se distinguen porque entregan valores de voltaje positivos y negativos.

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LAS FUENTES DE VOLTAJE

Conociendo las series de reguladores integrados 78XX y 79XX es posible construir fuentes de voltaje simétricas. De esta manera se construyen fuentes de ± 5V, ± 9V, ± 12V, etc. El siguiente diagrama corresponde a una fuente simétrica de alimentación de ± 12V usando reguladores integrados.

FIGURA 22. Fuente de voltaje simétrica

Con el conocimiento de los reguladores integrados de voltaje, positivos y negativos, fijos y ajustables, podemos hacer el diseño de una fuente de alimentación con diferentes salidas empleando un transformados, un rectificador, varios capacitores como filtros y reguladores integrados. Si bien será necesario hacer el análisis correspondiente para conocer las características técnicas de la fuente diseñada tal y como se presentó a lo largo de este reporte. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Boylestad, Robert L; Nashelsky, Louis Fundamentos de Electrónica. Cuarta Edición. Ed. Pretince Hall México, 1996 Gibilisco, Stan Teach yourself: Electricity and Electronics. Second Edition Ed. Mc. Graw Hill USA, 1993