Analógica 8: fuentes de alimentación

Como último tema del curso, hemos visto fuentes de alimentacion: rectificación, filtro, regulador, estabilizador, … Porque claro, por ahora el transformador no es algo que nos ocupa.

¿Por qué necesitamos una fuente de alimentación?

• Nuestros proyectos necesitan energía (¿No me digas?)
• La tensión de red no es buena para la electrónica, además de ser senoidal. Digamos que no se llevan bien.
• Así que necesitamos una continua, con un nivel que satisfaga las especificaciones del proyecto.

¿Y por qué no usamos pilas? Las pilas están muy bien, de hecho, se recomiendan en algunas aplicaciones. Pero:

• Tienen poca autonomía y son caras
• La tensión no está fija, disminuye según se agota la carga
• Crean muchos más residuos
• Están bien si es para algo de muy bajo consumo

Transformador

Es la primera etapa de cualquier fuente de alimentación típica, de no muy alta potencia. Si requerimos potencia, el transformador se suele hacer grande y caro, éstas cosas se verán el siguiente curso. Entre las bondades de un circuito se encuentran:

• La adaptación de la tensión de red a una tensión con la que podamos trabajar cómodamente
• Crean un aislamiento galvánico, protegiéndonos de una descarga directa.

Y existen transformadores de muchos tipos, de una sola toma, de toma intermedia, de muchas tomas, …

Rectificador

El transformador está muy bien, pero lo que nos deja al final es una senoidal más pequeñita. Lo que queremos hacer es dejar una continua, así que en primer lugar eliminamos el semiciclo de la señal que no nos interese. De ésta forma queda un pequeño nivel de continua. Sobre los dos tipos que hay:

• Rectificador de media onda: recorta un semiciclo, se elimina. El nivel de continua que queda es Vcc = V/pi
• Rectificador de media onda: no sólo va a eliminar el semiciclo que no nos interesa, sino que lo invierte y hace que nos interese, no lo elimina. Vcc = 2*V/pi

He aquí unas imágenes del rectificador de media y completa onda:

 

 

 

Filtro

Después del rectificador, se añade un condensador (o varios), de forma que se eleva el nivel de la continua:

Hay un cálculo rápido para ver más o menos qué capacidad debe tener dicho condensador: Vr=Vo/(2*f*Rcarga*C)

Donde Vo es la tensión de salida y Vr el rizado que deseamos (la amplitud máxima de la onda que queda por encima del nivel)

Estabilizador

Que no regulador. Lo que hace es recortar la señal por debajo del pico mínimo, es decir, por debajo del rizado, dejando una continua pura. Ésto lo hace un zener, y ya se vio cómo es y cómo se calculan los componentes de dicho sistema. Ahora va la madre del cordero.

Regulador

Como el estabilizador es algo un poco “cogido con pinzas”, es decir, si la carga sufre alguna variación, lo más seguro es que se salga del rango de funcionamiento y se queme algo, lo que hacemos es buscar algún circuito que nos haga un muestreo de lo que ocurre en la salida y cambie los parámetros de forma que la tensión quede fija. El más sencillo viene dado por un zener y un transistor:

¿Cómo funciona? Mediante una simulación voy a medir Ir, Ic, que no está en el diagrama, y Vo, cambiando Rl, la resistencia de carga. A la entrada habrá una continua de 10 voltios y el zener es de 5V1.

En primer lugar, como se puede observar, no es un método de regulación muy exacto, la tensión aumenta con la carga, pero muy poco. ¿Y cómo regula la tensión? Conforme va aumentando la carga, va disminuyendo la corriente que pasa por el colector, así se mantiene una tensión más o menos estable. La corriente que pasa por la limitadora, parece que se mantiene estable, pero varía, de forma que cambia la corriente que pasa por el zener y la corriente de base del transistor. Vamos a ver otro un poco mejor:

Éste ya tiene casi de todo. Tiene el zener ahí imponiendo un nivel de referencia en la entrada no inversora, y en la inversora tiene  un circuito de muestreo que le dice al operacional más o menos por dónde va. Claro, éste circuito de muestreo tiene unas consecuencias, y es que la salida no es la del zener. Fijaos bien, el circuito está en realimentación neta negativa (complicado de ver, pero fundamental para el funcionamiento).

Vo=Vz*[1+(R2/R1)]

Así que hay que poner un zener conforme también a las resistencias. Se aconseja que las resistencias sean mucho mayores a la carga, por lógica, para que no haya mucha corriente por ellas y se pierda el mínimo posible. Las ventajas de éste sistema es que si pongo un potenciómetro, puedo variar la tensión de salida a placer. ¿Pero es necesario el circuito de muestreo? Como yo he verificado prácticamente ésta tarde, no, puesto que si unimos la salida inversora directamente al emisor del transistor y a la carga, sigue en realimentación negativa, y como V+=V-, y en V+ tenemos el zener, la tensión de salida queda fija a Vz.

Supongo que una de las cosas que no funciona bien en éste sistema es éso de que el AO se alimente de la entrada. No pasa nada si tiene rizado, pero no puede exceder la tensión máxima de alimentación que viene en la datasheet.

Una de las cosas bien que tiene, es que podemos añadir una protección contra sobrecorrientes:

Donde: Iomáx = Vbe2/Rcl, así podemos encontrar el valor de la resistencia. Por lo general es un valor muy bajo, así que hay que hacer un ajuste de potencia.

Al igual que éstos circuitos, llamados reguladores en serie, tenemos reguladores en paralelo:

Como algunas veces éstas cosas pueden ser engorrosas de montar, se fabrican reguladores de éste tipo en integrados, como el UA723 y el L200, ambos de terminales accesibles para ajustarlos al gusto. Y luego ya están los complejos, de los cuales no entramos en detalle, que son los 78XX, salida positiva, y 79XX,  salida negativa, ambos tipos de tensión fija. También tenemos el LM317, con un terminal de ajuste para poder variar la tensión. Los 78 no son tan fijos como creemos, se pueden engañar un poco para que saquen más tensión de la que indican, mediante un circuito así:

Éste tipo de regulador es muy típico, fácil de conseguir y con él se obtienen hasta 1.5 amperios en su versión más “normalita”, por lo que es muy recomendable a no ser que otro tipo de regulador se ajuste más a las necesidades.

Y éste es el último capítulo del curso de analógica. Espero que os haya sido de ayuda y si necesitáis algo no dudéis en preguntarlo.