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Elaborado por: Alejandro A Méndez T
Prof. Titular FEC – UNI
1995
Revisado: Alejandro A Méndez T
Septiembre del 2010
Electrónica Aplicada 2010
Introducción
na fuente de alimentación DC, es un
circuito electrónico capaz de generar uno o
más voltajes DC, a partir de una fuente de
alimentación primaria, generalmente la
línea de alimentación principal (comercial ).
U
Casi todos los sistemas electrónicos, desde
simples circuitos a base de transistores y OPAMPs hasta complejos sistemas digitales y
microprocesadores, requieren de una o más
fuentes de voltaje DC. El televisor o el radio,
ambos elementos comúnes en la mayoria de los
hogares Nicaraguenses, requieren de una fuente
DC que garantice el (los) voltaje(s) y corrientes
necesarios para el funcionamiento de los mismos.
Un estudio detallado de las fuentes de
alimentación, de su estructura, caracteristicas y
principios de funcionamiento requeriría de mucho
tiempo, así como de muchas páginas. Lo primero
(el tiempo) no ésta a nuestra disposición y lo
segundo (lo económico) no ésta en su mejor
momento.
Considerando lo anterior y sin caer en la pérdida
de la cientificidad que el estudio de este tema
requiere, a continuación se presentará un breve
estudio sobre la fuentes de alimentación
DC.básicas, principalmente de los principios de
operación.
El objetivo principal que se persigue es
presentarle al estudiante los conocimientos
básicos necesarios para el análisis y diseño de
fuentes de alimentación DC básicas, así como los
conocimientos que le servirán de base para
entender el funcionamiento de fuentes que tienen
un nível de complejidad superior.
Tipos de fuentes de alimentación
Cuando grandes potencias no son requeridas, la
alimentación de los sistemas electrónicos se
puede realizar mediante baterías (por ejemplo, un
teléfono celular). Sin embargo para grandes
requerimientos de potencia, estas no son
económicas y los voltajes y corrientes DC
requeridos para que el sistema funcione son
obtenidos a partir de la red de alimentación
principal (comercial, en Nicaragua es 120 Vrms ,
60 Hz).
Alejandro A Méndez T
Fuentes de Alimentación DC
1
Como veremos posteriormente, uno de los
bloques de mayor importancia en una fuente DC,
es el regulador de voltaje, dado que es éste
quien garantiza que el voltaje de salida que
entrega la fuente.sea constante.
Existen dos tipos básicos de reguladores:
1. Reguladores líneales y
2. Reguladores conmutados
El tipo de fuente de alimentación es determinado
por el tipo de regulador que ésta utiliza, es decir
que tenemos, basicamente dos tipos de fuentes
de alimentación :
1. Fuentes de alimentación DC líneales y
2. Fuentes de alimentación DC conmutadas
En ambos tipos de reguladores existe un elemento
llamado controlador, quien es el encargado
directo de regular el voltaje de salida, el cual en el
caso de los reguladores lineales son transistores,
los cuales conducen todo el tiempo, lo que
conlleva a pérdidas considerables de energía. En
los reguladores conmutados, también son
transistores, pero en estos el elemento de control
es operado como un switch, es decir, no conduce
todo el tiempo, lo cual minimiza las pérdidas de
energía incrementandose de esta forma la
eficiencia de la fuente. La eficiencia es uno de los
parámetros de mayor importancia en una fuente
así como lo son ,el tamaño y el peso de esta.
Las primeras fuentes de alimentación consistian
de transformadores para la transformación de alto
a bajo voltaje, seguidos de rectificadores y
reguladores líneales dísipativos. La ineficiencia de
los reguladores requería el uso de grandes
disipadores de calor para mantener el sistema
funcionando
a
temperaturas
adecuadas,
agregando por consiguiente más tamaño y más
peso a la fuente.
A partir de los 70s comenzó un interés en mejorar
los sistemas de alimentación de las computadoras
a medida que estas comenzaron a penetrar
nuevos mercados. Para esos entonces los
diseñadores de los sistemas de potencia
comenzaron
a
tomar
ventaja
de
las
investigaciones que se habían realizado para los
sistemas de potencia aeroespaciales y militares, y
Dpto. Electrónica UNI-FEC
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Electrónica Aplicada 2010
Fuentes de Alimentación DC
las fuentes de alimentación conmutadas
comenzaron a reemplazar a las fuentes de
alimentación
convencionales
(lineales)
a
mediados de los 70s.
Las fuentes de alimentación conmutadas tienen
una disipación de energía mucho más baja que
las lineales lo cual garantiza una eficiencia mucho
mayor, además que las técnicas utilizadas
permiten el diseño de fuentes con menor tamaño y
por consiguiente menor peso.
El desarrollo y evolución de las fuentes de
alimentación está intimamente ligado con el
desarrollo y evolución de la teoría de los
semiconductores, principalmente con el de los
transistores de potencia, los transistores de alta
frecuencia y los circuitos integrados.
Fuentes de Alimentación DC - Lineales
El proposito de una fuente de alimentación DC en
cualquier sistema electrónico, es suministrar a las
diferentes partes del sistema los voltajes y
corrientes DC necesarios para el funcionamiento
del mismo.
Como un primer paso en el estudio de las fuentes
DC, vamos a considerar el caso más simple de
una fuente y que es aquella representada por los
bloques mostrados en la figura(6,1), y la cual fué
estudiada en ELKA I.
transformador
rec tificador
f iltro
Vin( ac)
Vout (DC)
120 Vrms
60 Hz
no regulado
2
secundario del transformador, es decir, el
rectificador nos entrega una señal unipolar. El
rectificador puede ser un rectificador de media
onda, de onda completa, etc., tal como los
estudiados en Electrónica Analógica I. En el
diagrama de bloques, este corresponde a un
rectificador de onda completa.
El filtro
El filtro se encarga de eliminar las fluctuaciones en
el voltaje de salida del rectificador y de producir un
voltaje DC con un nível aproximadamente
constante. El circuito para realizar el proceso de
filtrado es realizado mediante el uso de
capacitores, inductores, o combinaciones de
estos.
Las fluctuaciones del voltaje en la salida del
rectificador no pueden ser eliminadas por
completo por el filtro y la señal a la salida del filtro
usualmente presenta una cantidad considerable
de ripple1.
Además del voltaje de ripple que este voltaje DC
así obtenido presenta, este tiene otra desventaja y
es que el mismo cambia con las variaciones de la
fuente de alimentación y con las variaciones de la
corriente demandada por la carga (variación de la
carga). Para una operación adecuada de los
sistemas electrónicos se requiere que el voltaje
DC sea lo más constante posible. Para obtener un
voltaje casí constante a pesar de las variaciones
de la fuente y de la carga, un bloque más es
agregado al esquema básico presentado.
Este último bloque es un regulador de voltaje y
es conectado después del filtro.
Fig.2.1. Diagrama de una fuente DC Básica
Reguladores de Voltaje
Transformador
El transformador cumple la función de reducir el
voltaje de la línea principal de alimentación
(normalmente 120 Vrms, 60 Hz) hasta el valor
adecuado para obtener los voltajes DC requeridos
de la fuente.
La principal tarea de un regulador de voltaje
independientemente del tipo, es mantener el
voltaje de salida constante independientemente de
las variaciones de voltaje en la red de
alimentación y de las variaciones de la carga. En
concreto el regulador sirve para dos cosas:
1. Reducir las variaciones (ripple) de la salida
del filtro
El rectificador
El rectificador tal y como su nombre lo indica, se
encarga de rectificar la señal que aparece en el
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Variación de voltaje remanente después del filtro
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Electrónica Aplicada 2010
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Fuentes de Alimentación DC
2. Mantener constante el voltaje de salida
independientemente de las variaciones de
la carga.
Cuando hablamos de reguladores existen dos
parámetros que nos brindan información acerca
del comportamiento de este y que normalmente
son especifícados por el fabricante cuando el
regulador es en la forma de un circuito integrado,
IC (e.g., el LM317). Estos son: “regulación de
línea” y “regulación de carga”.
VNL es el voltaje de salida sin carga conectada
VFL es el voltaje de salida cunado la demanda de
corriente es máxima
En la hoja de datos del LM317 encontramos la
siguiente información:
Load Regulation
10 mA ≤ Iout ≤ Imax
0.1
0.3
0.5
1.5
%
%
Reguladores Lineales-clasificación
Regulación de línea
En la práctica, un cambio en el voltaje de entrada
del regulador provocará un cambio en su salida. El
parámetro “regulación de línea”, indica el
cambio en el voltaje de salida que ocurrirá por
unidad de cambio en el voltaje de entrada, esto
es:
RL =
ΔVout
ΔVin
Los reguladores de voltaje lineales pueden ser
clasificados de la siguiente manera:
1)
Reguladores de fuerza bruta
•
2)
Reguladores discretos
•
•
2.1
ΔVout es el cambio en el voltaje de salida,
usualmente en milivoltios
3)
regulador serie
regulador shunt
Reguladores integrados
•
•
•
•
ΔVin es el cambio en el voltaje de entrada,
usualmente en voltios.
Zener
positivo fijo
negativo fijo
ajustable
dual tracking
En la hoja de datos del LM317 encontramos la
siguiente información:
Regulador Zener
Line Regulation
3V ≤ (Vin – Vout) ≤ 40
0.01
0.02
0.04
0.07
%/V
%/V
Regulación de Carga
El regulador de voltaje práctico también
experimentará lígeros cambios en su voltaje de
salida cuando hay un cambio en la demanda de
corriente de carga. El parámetro regulación de
carga nos indica el cambio en el voltaje de salida
que ocurrirá por unidad de cambio en la corriente
de carga .
La regulación de carga se puede determinar
según la ecuación:
RC =
VNL - VFL
Δ IL
2.2
Como recordarán, un diodo zener opera en la
región inversa y mantiene un voltaje constante
(aproximadamente) entre sus extremos siempre y
cuando la corriente a través este se mantenga
entre IZK e IZM2 . Para usarlo como regulador, el
diodo zener es conectado en paralelo con la
carga, de forma tal que el voltaje de la carga
permanecerá constante mientras el voltaje entre
los extremos del zener permanezca constante. Si
la corriente del zener se sale del rango
establecido, el zener dejará de regular .
Por consiguiente, para mantener constante el
voltaje de la carga, es necesario mantener la
corriente que circula através del zener en el rango
definido por IZK e IZM. Para un valor dado de IL se
diseña de tal forma que IZ=IZT, donde IZT es la
corriente de trabajo.
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Alejandro A Méndez T
especificados en las hojas de datos
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Electrónica Aplicada 2010
El regulador zener provee otra función, como es la
reducir la cantidad de ripple que aparece en la
salida del filtro.
A pesar de todo lo anterior, la regulación mediante
el uso del zener (fuerza bruta) es muy poca usada.
El principal problema con el simple regulador
zener, es el hecho de que este disipa una gran
cantidad de energía.
Regulador Serie
Los reguladores de voltaje serie pueden tener una
gran variedad de formas. Sin embargo todos ellos
tienen uno o más dispositivos activos
(transistores) los cuales son colocados en serie
con la carga.
Dos tipos de reguladores serie comunmente
usados, son los siguientes:
En la figura (2.2) se muestra una fuente de
alimentación DC que utiliza un regulador zener.
En el punto A (voltaje en el condensador)
tendremos un voltaje cuyo valor máximo será
aproximadamente el voltaje pico en el secundario,
menos la caida en los diodos y este presentará un
ripple (forma de onda similar a la mostrada en la
salida del filtro en el diagrama de bloques de la
figura (2.1).
El ripple del voltaje en el condensador será
reducido por el zener de tal forma que en el punto
B tendremos un voltaje aproximadamente
constante, a pesar de las variaciones del voltaje
de línea o de la carga. Dicho voltaje será igual al
voltaje del zener.
1. Regulador con transistor de paso y
2. Regulador serie retroalimentado.
Regulador con transistor de paso.
El regulador con transistor de paso, utiliza un
transistor llamado de paso, para regular el voltaje
de carga. El término de transistor de paso se
deriva del hecho de que la corriente de carga pasa
a través del transistor serie.
El circuito básico es mostrado en la figura (2.3).
NPN
+
+
+
Rs
n1:n2
A
B
Rs
Vin
+
Vin
-
C
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Fuentes de Alimentación DC
Dz
RL
Vo
-
RL
no regulado
Vo
regulado
Dz
-
Fig.2.3. Regulador Serie, con transistor de paso
Fig 2.2 Fuente DC con regulador Zener
Ejercicio #1
Diseñe una fuente DC con regulador zener como
la mostrada en la figura (2.2) de tal forma que
teniendo un voltaje de entrada Vin de 120 Vrms y
60 Hz se obtenga un voltaje DC en la salida (en la
carga RL) de 10 V. El ripple del voltaje en el
capacitor no debe ser mayor de 0.4V y RL puede
variar entre 500 y 1200 Ω.
El diseño considera la determinación de los
ratings tanto del diodo Zener, el puente de diodos
y el transformador.
Reguladores Discretos
Como se menciono anteriormente los reguladores
discretos se clasifican en “reguladores serie” y
‘reguladores shunt”.
Alejandro A Méndez T
El punto clave en el funcionamiento del regulador
serie con transistor de paso, es que el voltaje en la
base es mantenido relativamente constante por el
diodo zener.
Dado que Q1 es un transistor npn, el voltaje en la
carga Vo esta dado por :
Vout = VZ - VBE
2.3
La ecuación anterior nos permite explicar como se
logra regular (mantener constante) el voltaje en la
carga.
Si la resistencia de carga se incrementa, el voltaje
en la carga también se incrementará. Dicho
incremento en el voltaje de carga (y por
consiguiente en VE) provoca una disminución en el
voltaje que existe entre la base y el emisor VBE
(dado que VB es constante). La disminución en el
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voltaje VBE hará que la corriente que pasa por el
transistor se reduzca lo cual provoca un aumento
del voltaje VCE .Este incremento en el voltaje
colector emisor contraresta el incremento inicial de
VE y por lo tanto el voltaje en la carga se mantiene
constante.
Una explicación similar se obtiene cuando se
considera una disminución en la carga (provoca
una disminución del voltaje en la carga)
El circuito presentado anteriormente presenta un
problema, dado que si el voltaje en la entrada
crece o si la corrinte demandada por la carga
disminuye el diodo zener tendría que disipar una
cantidad mayor de energía. Esto se puede
resolver utilizando un par darlington como
transistor de paso.
Fuentes de Alimentación DC
5
El diagrama esquemático para este regulador es
mostrado en la figura 2.5. El circuito de ajuste y
muestreo esta formado por el divisor de voltaje
que consiste de R3, R4, y R5.
El voltaje de referencia es logrado mediante el
diodo zener. Q2 detecta y amplifíca la diferencia
entre los voltajes y ajusta la conducción del
transistor de paso correspondientemente.
Q1
R1
R3
salida DC
R4
Entrada DC
no-regulada
Q2
regulada
R2
Dz
R5
Regulador serie retroalimentado
Este tipo de regulador usa un detector de error
para mejorar las caracteristicas de regulación de
linea y regulación de carga. En la figura(2.4) se
presenta el diagrama de bloques de dicho
regulador.
Fig.2.5.Regulador serie retroalimentado
Si la resistencia de carga del regulador
retroalimentado se incrementa, VL también se
incrementará. Lo anterior causa que que el voltaje
en la base de Q2 se incremente. Dado que el
voltaje en el emisor de Q2 esta fijo al valor de VZ ,
el incremento del voltaje en la base de Q2 {VB(Q2) }
causa un incremento en el voltaje base-emisor de
Q2. Esto incrementa la conducción a través de Q2
y de su resistor de colector R1.
Este incremento en la conducción de Q2 causa
que el VC(Q2) disminuya, lo cual reduce el valor de
VB(Q1).
Fig.2.4. Regulador serie retroalimentado diagrama de bloques
El detector de error recibe dos entradas: un voltaje
de referencia que es derivado del voltaje de
entrada DC no regulado y una muestra del voltaje
de salida regulado. El detector de error compara
dichos voltajes y suministra un voltaje que es
proporcional a la diferencia entre estos. Este
voltaje es amplificado y utilizado para alimentar al
transistor de paso.
El regulador serie retroalimentado es capaz de
responder rapidamente a diferencias entre la
muestra de voltaje y el voltaje de referencia. Esto
le proporciona mejores caracterisiticas de
regulación que los otros circuitos.
Alejandro A Méndez T
La reducción en VB(Q1) reduce la conducción a
través del transistor de paso , causando una
disminución en el VE. Esta disminución de VE
contraresta el incremento inicial causado por el
cambio en la carga.
De igual forma se puede explicar el efecto de
regulación que se efectua cuando la resistencia de
carga disminuye demandando mayor corriente.
Protección contra corto-circuito
La primer desventaja de cualquier regulador serie
es el hecho de que el transistor de paso puede ser
destruido por una excesiva corriente de carga, si
la carga es corto-circuitada. Para prevenir que el
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Electrónica Aplicada 2010
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transistor sea destruido en una situacion de
cortocircuito, un circuito limitador de corriente es
usualmente agregado al regulador. El regulador
con su circuito de protección (limitador de
corriente) es mostrado en la figura 2.6.
circuito limitador
de corriente
Rs
Q1
R1
Q3
R3
R4
Q2
R12
R5
DZ
Fig.2.6.Regulador serie retroalimentado con protección contra
cortocircuito
El limitador de corriente consiste de un transistor
(Q3) y un resistor en serie Rs que es conectado
entre la base y el emisor del transistor Q3. Para
que Q3 conduzca, el voltaje a través de Rs debe
alcanzar un valor aproximado de 0.7 volts. Esto
sucede cuando:
I=
VBE
RS
2.4
de tal forma que si la corriente de carga es menor
que la corriente definida por la ecuación anterior,
el transistor Q3 está en corte y el circuito funciona
tal y como fué descrito previamente.
Sin embargo si la corriente en la carga se
incrementa respecto al valor determinado por la
ecuación (2.4), el transistor Q3 conducirá,
disminuyendo el voltaje en la base de Q1. La
disminución en el voltaje de base de Q1 disminuye
la conducción a través del transistor de paso,
previniendo cualquier incremento en la corriente
de carga.
Para el regulador mostrado la máxima corriente en
la carga está dada por:
I L(max) =
VBE(Q3)
RS
2.5
de tal forma que la máxima corriente permitida por
el regulador3 puede ser seteada a cualquier valor
seleccionando el valor adecuado para Rs.
El hecho de que un cortocircuito de la carga
pueda dañar al transistor de paso, no es el único
inconveniente de un regulador serie. El hecho de
que IL pase a través del transistor de paso,
significa que este transistor disipa una cantidad
apreciable de energía (PD=VCE * IC). Además existe
una caida de voltaje entre el colector y el emisor
del transistor de paso, lo cual reduce el máximo
voltaje que puede obtenerse en la salida.
Sin embargo, aún con sus problemas de
protección contra cortocircuitos y de la fuerte
disipación de energía , el regulador serie es
usualmente más utilizado que el regulador shunt ,
el cual es descrito a continuación.
Regulador retroalimentado Shunt
El segundo tipo básico de regulador de voltaje
lineal, es el regulador shunt. Como vimos
previamente el elemento de control en un
regulador serie es el transistor de paso, el cual
está conectado en serie con la carga. En el
regulador shunt, el elemento de control es un
transistor en paralelo (shunt) con la carga.
El regulador retroalimentado shunt usa un detector
de error para controlar la conducción del transistor
shunt. Este transistor shunt es mostrado como Q1
en el regulador shunt retroalimentado mostrado en
la figura 2.7.
R1
R2
Rs
Voltaje DC
no regulado
rce
R3
RL
Dz
R4
Fig.2.7. Regulador shunt retroalimentado
El circuito de muestreo (una vez más ) es un
simple divisor de voltaje.R2, R3 y R4. El circuito de
referencia está formado por el resistor R1 y el
diodo zener Dz. Las salidas de los circuitos de
referencia y muestreo son aplicadas al
amplificador/detector de error (OP-AMP)
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el transistor debe tener el IC,max adecuado
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Electrónica Aplicada 2010
La salida del OP-AMP es entonces utilizada para
controlar la conducción del transistor shunt, Q1.
La operación del regulador shunt retroalimentado
es fácil de entender si visualizamos al transistor
shunt como un resistor variable, rce. Cuando Q1
no esta conduciendo, rce esta a su máximo valor.
Cuando Q1 esta saturado, rce esta a su mínimo
valor. Por lo tanto podemos decir que rce es
inversamente proporcional a la conducción de Q1.
Cuando el voltaje de salida trata de disminuir
debido a una variación del voltaje de entrada o de
luna variación de la carga, dicho intento de
disminución es sensado por el divisor de voltaje y
aplicado a la entrada no-inversora del OP-AMP. El
voltaje diferencia resultante reduce la salida del
OP-AMP, lo cual hace que la corriente del colector
de Q1 (corriente shunt) disminuya, lo cual
incrementa la resistencia efectiva colector -emisor,
rce.
Ya que rce actua como un divisor de voltaje con
R1, esta acción contraresta el intento de
disminución en el voltaje de salida y mantiene
dicho voltaje en un valor casi constante.
La acción opuesta ocurre cuando el voltaje de
salida trata de incrementar.
Con voltajes de entrada y salida constantes, un
cambio en la corriente de carga causa un cambio
opuesto en la corriente shunt.
ΔI S = - ΔI L
Esta ecuación dice que si IL se incrementa, Is
disminuye y viceversa. El regulador shunt es
menos eficiente que el tipo serie pero ofrece una
protección inherente contra corto-circuito.
I L = I L,max =
Vin
(I S = 0)
R1
El resistor R1 es suministrado para proveer
protección a la circuiteria de la fuente de
alimentación que esta suministrando el voltaje DC
no-regulado,contra cortocircuitos en la carga.
Protección contra sobre-voltajes
Al igual que el regulador serie debe ser protegido
contra condiciones de cortocircuito de carga, el
regulador shunt debe ser protegido de
sobrevoltajes en la entrada. Si el voltaje de
entrada DC no-regulado al regulador se
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Fuentes de Alimentación DC
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incrementa, la conducción del regulador shunt se
incrementaría para mantener constante el voltaje
de salida. Asumiendo que el VCE(Q1) se mantiene
relativamente constante, el aumento en la
condución del transistor causará un incremento en
la energía que este disipa.
Varias cosas pueder realizarse a fin de evitar que
un incremento en el voltaje no regulado de entrada
destruya el transistor shunt. Primero, se puede
usar un transistor cuyo PD(max) sea mucho más
grande que la máxima disipación de potencia que
se podría requerir en el circuito. Por ejemplo
supongamos que el regulador de la figura (2.7)
tiene un voltaje de entrada que puede ser tan alto
como 20V y que el regulador esta diseñado para
suministrar una salida DC regulada de 10V. La
corriente que circularía por el transistor para el
peor de los casos sería aproximadamente:
I C(max) =
Vin - VDC
RC
2.6
asumiendo que un resistor de 100Ω esta siendo
usado tendriamos una corriente IC(max) de 100 mA.
Dado que el transistor tiene 10 V entre sus
terminales de Colector-emisor, la máxima
disipación de potencia será:
PD = VCE IC(max)
= (100mA)(10V)
= 1 Watt
De este modo, para el circuito descrito, cualquier
transistor con una PD(max) mayor que 1 Watt puede
ser usado. Desde luego, siempre hay
circunstancias donde el voltaje DC de entrada noregulado puede exceder el máximo valor
establecido para este. Para proteger el circuito de
tales circunstancias, un circuito crowbar puede ser
colocado en la entrada del regulador.
Un circuito crowbar usa un SCR para proteger su
carga de una condición de sobre-voltaje.Si un
crowbar es agregado a la entrada del regulador, el
circuito es protegido de cualquier condición de
sobre-voltaje extremo que pueda presentarse
En la figura 2.8 se muestra un circuito crowbar
popular. Este está ubicado entre la terminal de
salida (del regulador) y tierra. Si el voltaje excede
al voltaje del zener más la caida de un diodo, el
SCR es encendido y permanece asi hasta que su
corriente de ánodo sea disminuida por debajo de
IH( corriente de sostenimiento).
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Electrónica Aplicada 2010
Fuentes de Alimentación DC
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Vdc regulado
ILmax = 0.7 V/0.2 = 3.5 A
Dz
SCR
Rs
A que valor de RL corresponde?
C
Fig.2.8. circuito crowbar
Un SCR barato tal como el 2N4441 puede
manejar 5A continuamente y soportar impulsos de
corriente de 80A, siendo su caida cuando este
conduce de aproximadamente 1V a 5A.
El resistor Rs es suministrado para proveer la
corriente necesaria para el zener y el capacitor es
agregado para evitar falsos disparos del SCR.
Otra consideración práctica respecto al circuito
mostrado en la figura(2.7) esta relacionada con el
potenciometro R3. Este potenciometro es incluido
en el circuito para ajustar el nível de voltaje DC de
salida.
Ajustando R3 se varía la conduccción del transistor
shunt y de este modo se cambia el valor de rce.
Dado que esta resistencia (rce) forma un divisor
de voltaje con R1, variando R3 varía el voltaje de
salida DC regulado
Como se mencionó, la red R3, R4 y R5 forman un
divisor de voltaje que sirve para sensar el voltaje
de salida. Si el voltaje sensado (aplicado en la
base del transistor) es diferente del voltaje de
referencia (voltaje del zener) una determinada
acción es tomada para mantener constante el
voltaje en la salida, es decir,
Vbase = Vref..
R5 + Ry
10 = 12
R5 + Ry + R3 + Rx
a partir de la ecuación anterior y con los valores
dados en el circuito y observando que R4 = Rx +
Ry, se obtiene que :
Ry = 1800 Ω
Rx = 500 Ω
Si en el colector del transistor Q1 el voltaje DC es
de 18V, cual debe ser el PDmin del transistor?.
Reguladores de voltaje integrados.
Ejemplo:
Para el circuito mostrado en la figura, determine:
a) la máxima corriente que puede circular a través
de la carga y b) el valor de Rx y Ry (R4=Rx+Ry)
para tener un voltaje de salida de 12V.
Solución:
Como ya sabemos, la máxima corriente que
circulará por la carga será aquella que hará que el
transistor Q3 entre en conducción. Por lo tanto la
corriente máxima será:
0.2
Q1
3k
Q3
1.5k
470uf
AC
input
3k
RL
Q2
R4
Los reguladores de voltaje integrados han
eliminado la tediosa y repetitiva tarea del diseño
de fuentes de alimentación. Hoy en día, el
diseñador cuenta con una amplia gama de
reguladores integrados, fijos o ajustables, con
salidas ya sea positiva o negativa.
Circuitos de protección internos aumentan la
confiabilidad y hacen a los reguladores integrados
virtualmente inmunes a las fallas comunmente
encontradas en los reguladores discretos.
El objetivo es el mismo que para los reguladores
discretos, es decir, mantener un voltaje de salida
relativamente constante a pesar de las variaciones
en el voltaje de entrada asi como de las
variaciones de la carga.
Dz
10V
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8.2k
La mayoria de los reguladores de voltaje
integrados más comunmente usados son
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Electrónica Aplicada 2010
dispositivos de tres terminales, aunque algunos
requieren más de tres.
En la figura (2.9) se muestra como un regulador
de tres terminales es conectado.
Fig. 2.9 IC conexión
En la figura (2.10) se muestra el diagrama de
bloques de un regulador de voltaje integrado tipo
serie, típico. Como se puede ver, un amplificador
de error compara un voltaje de referencia VREF con
una fracción del voltaje de salida, derivado desde
los resistores de retroalimentación (divisor de
voltaje) RA y RB. El amplificador de error alimenta
a la base del transistor de paso para mantener
constante el nivel del voltaje de salida,
independientemente de los cambios en el voltaje
de entrada o de los niveles de la corriente de
salida.
Fig. 2.10 Regulador Serie – Diagrama de Blouqes
Para asegurar una referencia estable e inmune al
voltaje de linea y a las variaciones de la
temperatura, el voltaje de referencia es
usualmente alimentado desde una fuente de
corriente constante. Si la fuente de corriente no es
self-starting, algún tipo de circuito de arranque
debe ser usado. Además de estos bloques
básicos, la mayoria de los reguladores de voltaje
tienen circuitos de protección para proteger contra
cortocircuitos accidentales, excesivas diferencias
entre la entrada y la salida, así como sobrecargas
térmicas.
Basicamente existen cuatro tipos de reguladores de
voltaje integrados:
1. Positivo fijo Suministra un predeterminado
voltaje DC positivo
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Fuentes de Alimentación DC
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2. Negativo fijo Suministra un predeterminado
voltaje negativo
3. Ajustable Suministra cualquier voltaje DC que
cae entre los límites especificados. El voltaje
DC deseado es usualmente seteado mediante
un divisor de voltaje.
4. Dual-Tracking --Suministra voltajes de salida
iguales pero designo contrario.
A pesar de que muchos tipos de reguladores de
voltaje integrados están disponibles, la serie de
reguladores integrados 78XX es representativa de
los dispositivos de tres terminales que suministran
un voltaje de salida fijo y positivo, así como la
serie 79XX lo es de los dispositivos que entregan
un voltaje de salida DC fijo y negativo. En la tabla
siguiente se muestran algunos elementos de las
series así como sus respectivos valores.
número
7805
7806
7812
7815
7905
7912
7915
voltaje de salida
+5.0V
+6.0V
+12V
+15V
-5.0V
-12.0V
-15.0V
Como se puede apreciar desde la tabla, los
últimos dos dígitos en el número del regulador
indican el voltaje de salida que este puede
entregar.
En los reguladores de voltaje, capacitores aunque
no siempre necesario, son usados algunas veces
en la entrada y en la salida de los reguladores. El
capacitor de salida actúa basicamente como un
filtro de línea para mejorar la respuesta transitoria.
El capacitor de entrada es utilizado para prevenir
oscilaciones no deseadas cuando el regulador
está a alguna distancia de la salida del filtro, de tal
forma que la línea tiene una inductancia
considerable.
Los reguladores de la serie 78XX pueden manejar
corrientes máximas de salida entre 1.3A y 2.5A,
siempre y cuando este sea usado con un
disipador adecuado.
Si la corriente de carga excede el valor máximo
permisible al regulador, habrá una sobrecarga
térmica y el regulador de voltaje dejará de operar.
Dpto. Electrónica UNI-FEC
9
Electrónica Aplicada 2010
Fuentes de Alimentación DC
10
Lo anterior es gracias a circuitería interna de
protección que el integrado posee.
de salida sea mucho mayor que el de un regulador
de voltaje fijo.
La sobrecarga térmica ocurre cuando la
disipación interna de potencia se vuelve excesiva
y la temperatura del dispositivo excede un valor
predeterminado
El voltaje de salida del regulador LM317 esta
determinado por la ecuación siguiente:
El voltaje de entrada debe estar al menos 2 voltios
por encima del voltaje de salida para mantener la
regulación. Además de tener circuitos para
protección contra sobrecargas térmicas internas,
estos integrados también poseen
protección
contra cortocircuitos.
Vo = VREF (1 +
R2
) + I ADJ R 2
R1
2.7
IADJ es una pequeña corriente que sale de la
terminal de ajuste del regulador. El voltaje de
referencia VREF es el voltaje que aparece entre el
terminal de salida y el terminal de ajuste y es
mantenido constante por el regulador e igual a
1.25V.
Reguladores de voltaje ajustables ( El LM317)
Como se menciono anteriormente, también
existen reguladores de voltaje cuya salida puede
ser ajustada por el diseñador. Estos reguladores
son conocidos como ajustables y uno de las más
ampliamente utilizados es el regulador LM317
(tres terminales).
En el regulador LM317, el voltaje de salida puede
ser ajustado a cualquier valor entre +1.2V y +37V
y la corriente de salida que le puede ser entregada
a la carga asciende a un valor de 1.5A. En la
figura (2,11) se muestra la configuración
estandard del regulador LM317.
Ejemplo
Para el circuito mostrado, determine los voltajes
máximo y mínimo que pueden ser obtenidos.
Considere que IADJ tiene un valor de 50μA.
LM317
in
+35V
Vo
out
adjusment
220Ω
5K(m ax)
LM317
in
out
adjusment
Veamos primero cuando R2 es seteado a 5k
(máximo)
R1
Vin
Vo
-
Vo = VREF (1 +
R2
-
Fig.2.11. Regulador ajustable LM317
Como se puede ver de la figura, el regulador tiene
tres terminales, input, output y el terminal de
ajuste.
Mediante los resistores externos R1 y R2 (variable)
se ajusta el voltaje de salida
El LM317 es usado como un regulador flotante
dado que la terminal de ajuste no esta conectada
a tierra, sino que flota a cualquiera que sea el
voltaje a través de R2. Esto permite que el voltaje
Alejandro A Méndez T
R2
5K
) + I ADJ R 2 = 1.25(1 ) + 50μA * 5K = 29.91V
R1
220
Cuando R2 es seteado a 0Ω, obtenemos:
Vo = VREF (1 +
R2
0
) + IADJ R 2 = 1.25(1 ) + 50μA * 0 = 1.25V
R1
220
Mayor corriente de Salida
Un regulador de voltaje integrado es capaz de
entregar una cantidad de corriente limitada. Por
ejemplo los reguladores de la serie 7800 pueden
manejar una corriente de salida de al menos 1.3A
y tipicamente 2.5A. Si la corriente de carga excede
Dpto. Electrónica UNI-FEC 10
Electrónica Aplicada 2010
Fuentes de Alimentación DC
el máximo valor permisible al regulador, habrá una
sobrecarga térmica y el regulador dejará de
funcionar.
Cuando se requiere una corriente de carga mayor
que la que puede suministrar el regulador, es de
uso común el conectar un transitor de paso en
paralelo con el regulador de voltaje. Lo anterior es
mostrado en la figura (2.12).
11
Cuando el valor de Rs es seleccionado
adecuadamente a cualquier ripple de corriente
excesivo en la entrada del circuito le será evitado
alcanzar la carga.
Q1
Rs2
LM317
Q2
Rs1
in Out
Adj
Vin
Vo
R1
C1
C2
Q1
R3
Fig.2.13.configuración para máxima corriente
Rs
in out
Adj
Vin
Vo
R1
C1
C2
R2
Por último, para cerrar el tema del LM317, a
continuación se presentan algunos de los
parametros que aparecen en la hoja de datos del
LM317 y que son considerados de interés.
Fig.2.12.Configuración básica para máxima corriente
La ecuación para el voltaje DC de salida para
cualquier regulador ajustable es proporcioanda
por el fabricante en la hoja de datos del
dispositivo.
El resistor RS asegura que el transistor conduzca
para corrientes de salida grandes y no para la
corriente de polarización del regulador.
El valor de Rs es seleccionado para polarizar Q1 y
es determinado según:
R=
VBE(Q1)
I in
2.8
donde Iin es la corriente de entrada del regulador.
Con Q1 conduciendo, un incremento en la
demanda de corriente de carga (por encima de la
capacidad del regulador) resultará en un aumento
de la conducción de Q1. Este proveerá la corriente
extra demandada.
Sin embargo el circuito anterior presenta un
inconveniente, el rizado de la corriente de entrada
del circuito es llevado a la carga a través de Q1.
Este problema puede ser minimizado agregando
un circuito limitador de corriente. El circuito
modificado es mostrado en la figura (2.13).
Alejandro A Méndez T
The input -output voltage differential rating
Este indica la máxima diferencia que puede existir
entre el voltaje de entrada al regulador (Vin) y el
voltaje de salida deseado (Vo) sin que el
dispositivo sea destruido. De acuerdo a la hoja de
especificaciones para el LM317 este es de 40V.
Este parámetro puede ser utilizado para
determinar el máximo Vin permisible, como sigue:
Vin,max = Vo,adj + Vd
donde:
•
•
•
Vin,max -- es el máximo voltaje DC -no regulado
de entrada
Vo,adj -- voltaje DC regulado de salida
Vd -- the input/output voltage differential rating
The line regulation rating
Este parámetro nos indica la variación que
experimentaría el voltaje de salida para un voltaje
requerido de este, siempre y cuando se cumplan
las condiciones bajo las cuales dicho parámetro
es medido.
Dichas condiciones son:
TA= 250C y 3V ≤ Vin - Vo ≤ 40V
Dpto. Electrónica UNI-FEC 11
Electrónica Aplicada 2010
Lo anterior significa que la diferencia entre los
voltajes de entrada y salida no puede ser menor
de 3V ni mayor de 40V. Por ejemplo si el LM317
es seteado para un voltaje de salida DC de +10V,
el voltaje de entrada al dispositivo deberá estar
entre +13V y+50V. Siempre y cuando esta
condiciones se cumplan, la salida variará no más
de:
10 * 0.04% = 4 mV
The load regulation rating
Fuentes de Alimentación DC
12
Para determinar como funciona cada circuito, es
decir, que hace y cuales son los valores de los
parámetros de interés, simplemente hay que
entender claramente como funciona un regulador.
A decir verdad no vamos a esperar más y veamos
un ejemplo.
Ejemplo
El circuito mostrado en la figura, es un regulador
que puede entregar voltajes en el rango de 0 a
30V. Explique cómo se logra.
Para el LM317, este parámentro depende de si el
dispositivo está siendo operado para tener un
voltaje de salida menor de +5V o mayor de +5V. Si
el voltaje de salida es menor de +5V, el voltaje de
salida no variará por más de 25 mV cuando la
corriente de salida varíe a lo largo del rango de
valores permitidos (10 mA ≤ Io ≤ 1.5 A).
LM317
Vi
Vi
35V
Vo
Vo
adj
120
0.1uF
3k
LM113
1.2V
Si el voltaje de salida es seteado para valores
mayores de +5V, la misma variación en la
corriente de salida causará un cambio máximo en
el voltaje de salida de 0.5%.
680
-10V
Solución:
The minimum load current rating
Este indica la corriente de carga mínima
permisible demandada al regulador. Para el
LM317 esta es de 10mA. Si la corriente de carga
cae por debajo de 10mA, el regulador de voltaje
dejará de regular.
The ripple rejection ratio
Indica la habilidad del regulador para reducir
cualquier voltaje de rizado en su entrada. Para el
LM317, cualquier rizado en la entrada estará
reducido por 65dB en su salida.
Como recordaran, se planteo que el LM317 puede
suministrarle a la carga voltajes en el rango de
+1.2V a +37V. Esto es cierto siempre y cuando el
extremo inferior del resistro R2(3K) este conectado
a tierra. Sin embargo haciendo algunos cambios
en el circuito básico se puede alterar el límite
inferior y esto es casualmente ejemplificado en el
circuito mostrado.
Con el zener mostrado el voltaje de salida
calculado con la ecuación (2.7), será con respecto
a -1.2V y no a tierra, de tal forma que si lo
queremos con respecto a tierra debemos restarle
a la ecuación (2.7) 1.2V, siendo entonces el
voltaje de salida igual a:
Vo = 1.2 (R2/R1)
de tal forma que para R2 = 0 tenemos Vo = 0V.
Acerca de los problemas
Al final de la unidad se presentan una serie de
circuitos que tienen como elemento central un
regulador, ya sea de la serie 78XX o ya sea un
LM317.
Otra forma de obtener el resultado anterior es
usando Kirchhoff. Despreciando Iadj, obtenemos
que:
1.2
Vo - 1.2 - ( ) R 2 + 1.2 = 0V
R1
de donde
Alejandro A Méndez T
Dpto. Electrónica UNI-FEC 12
Electrónica Aplicada 2010
V = 1.2 (
Fuentes de Alimentación DC
13
R2
)
R1
siendo 1.2V el voltaje de referencia que el LM317
pone entre su pin de salida y el pin de ajuste.
1- Podrá el límite inferior hacerse menor de cero?
2- Para que sirve el capacitor en la entrada?
3- Cuál es el voltaje máximo que se puede
obtener?
Alejandro A Méndez T
Dpto. Electrónica UNI-FEC 13
Electrónica Aplicada 2010
Reguladores Conmutados
Como se mencionó al inicio (introducción), los
reguladores
lineales
(principalmente
los
reguladores serie) dominaron el mercado de los
reguladores para las fuentes de alimentación.
Entre otras razones, estos reguladores dominaron
el mercado debido a que ellos son simples, fáciles
de usar y además ofrecen un alto funcionamiento.
El hecho de que los reguladores lineales (entre
otras razones) disipan una cantidad considerable
de energía (baja eficiencia), llevó a la aparición en
el mercado, a mediados de los 70s, de las fuentes
conmutadas, las cuales entre otras cosas son
capaces de presentar eficiencias mucho mayores
que las fuentes lienales.
Los reguladores conmutados disipan menos
energía en forma de calor y además son capaces
de suministrar voltajes de salida mayores o
menores que el voltaje de entrada. Además estos
pueden suministrar un voltaje de salida con
polaridad opuesta a la del voltaje de entrada.
Cómo es esto de la eficiencia?
Consideremos, por ejemplo, que un regulador de
voltaje con una entrada de 28V debe entregar un
voltaje de 5V y una corriente máxima de 1A en la
salida.
Fuentes de Alimentación DC
14
principio fundamental consiste en trocear el voltaje
DC no regulado, convirtiéndolo en una onda casi
cuadrada. Posteriormente un filtro es usado para
eliminar el ripple. Un filtro LC es el más adecuado
debido a que no se incurre en pérdidas de energía
(a decir verdad es mejor pensar en el inductor
como un elemento para almacenar energía, que
como parte de un filtro).
En los reguladores conmutados, un papel
fundamental lo juega casualmente el inductor.
Durante el tiempo en que el elemento de control
conduce (ton) energía en forma de un campo
magnético es almacenada en el núcleo del
elemento inductivo. Durante el tiempo en que el
elemento de control está apagado (toff) la energía
almacenada en el inductor es liberada y puede ser
entregada a la carga, completándose la
transferencia de energía desde la entrada hacia la
salida.
Configuraciones Básicas
Existen diferentes configuraciones así como
diferentes técnicas para los reguladores
conmutados.
Sin
embargo,
existen
dos
configuraciones básicas a partir de las cuales
otras configuraciones pueden ser obtenidas, las
cuales son conocidas como:
1- Configuración Step-Down (o buck converter)
Un regulador serie convencional, requeriría de una
caida de 23V a través del transistor de paso, de tal
forma que 23 Watts son disipados en forma de
calor (pérdidas) por el transistor y la eficiencia
obtenida es de apenas del 18%.
Reguladores conmutados sin embargo, pueden
ser diseñados para tener eficiencias mayores del
75% bajo las mismas condiciones de entrada y
salida.
En los reguladores conmutados, a diferencia de
los reguladores lineales, el elemento de control es
operado como un switch, lo cual hace que la
eficiencia del regulador se incremente dado que el
elemento de control no conduce todo el tiempo y
las pérdidas por consiguiente, son menores.
2- Configuración Step-Up (o boost converter)
Otros reguladores (por el ejemplo la configuración
flyback) son una combinación de estas dos formas
básicas.
A continuación será presentado brevemente el
principio de funcionamiento de cada configuración,
así como la derivación de algunas ecuaciones
importantes para el diseño de la configuración
step-down. Para las otras configuraciones las
ecuaciones pueden ser determinadas siguiendo
los mismos pasos que los realizados para el buck
converter.
Configuración Step-Down
El transistor es conmutado rapidamente (5 - 50
kHz) de saturación a corte. El voltaje de salida se
regula mediante la variación del duty-cycle de la
forma de onda que controla al transistor. El
Alejandro A Méndez T
Este tipo de regulador realiza una tarea similar a
la de un transformador reductor y el voltaje de
salida que este entrega es siempre menor que el
Dpto. Electrónica UNI-FEC 14
Electrónica Aplicada 2010
voltaje de entrada. En la figura (2.14) se muestra
el esquema básico de la configuración step-down.
S
L
Vin
15
Fuentes de Alimentación DC
D
Mientras la corriente de entrada (a través del
transistor) pulsa a la frecuencia de conmutación,
el regulador entrega una corriente continua a la
carga.
Vo
C
Como se logra la regulación del voltaje?
Fig.2.14.Regulador step-down
Cuando el interruptor S (transistor operado como
switch) se cierra (ton), una corriente fluye a través
del inductor L. Una parte de esta corriente va a la
carga y la otra sirve como corriente de carga para
el capacitor. Durante ton, debido a la polaridad del
voltaje entre los extremos de la bobina, el diodo D
está polarizado en inversa y no conduce.
Cuando el interruptor se abre, el inductor invierte
la polaridad del voltaje entre sus extremos para
mantener el flujo de corriente en el mismo sentido,
como consecuencia el diodo ahora queda
polarizado en directa, evitando que altos voltajes
sean inducidos en el inductor y habilitando un
camino para el paso de la corriente. Este diodo es
conocido como “flyback diode”.
Durante toff, la corriente que circula a través de la
carga es suministrada tanto por el inductor como
por el capacitor.
En la figura (2.15) se muestran las curvas
correspondientes a las corrientes a través del
inductor, la carga y el condensador, así como la
forma de onda que controla el tiempo de
encendido
(ton)
y
apagado
(toff)
del
transistor.También se muestra la curva del voltaje
en la salida (VRL).
8.0V
ton
V(RL)
0V
En la figura (2.16) se muestra el circuito básico de
la configuración step-down con el diagrama de
bloques del circuito de control.
L
S
+
Vin
+
D
C
R1
Vo
A2
A1
VREF
R2
-
oscilador
Fig.2.16.Circuito Buck con los bloques de control
El voltaje de salida es sensado por medio del
divisor de voltaje formado por R1 y R2. Este es
comparado con el voltaje de referencia por el
amplificador de error A1, produciendo una señal
diferencia.
El voltaje de salida es usado para controlar el “trippoint” del comparador A2, siendo la otra entrada
de este alimentada con una señal diente de sierra
o triangular.
La señal de salida resultante es una señal (forma
de onda) la cual tiene un ancho de pulso
modulado. En la actualidad no es necesario
V(S)
4.0V
En los reguladores conmutados la regulación del
voltaje de salida se logra manipulando el tiempo
de conducción del elemento de control. Una de las
técnicas más comunmente usada es controlar el
tiempo de conducción mediante el uso de una
forma de onda PWM.
toff
diseñar el circuito de control PWM, dado que
existen ICs que con algunos pocos componentes
externos nos permiten generar la forma de onda
PWM. Uno de los más utilizados es el SG3524,
estudiado al inicio del curso.
-4.0V
I(Lmax)
50.00mA
I(L)
II(RL)
2.1ms
2.2ms
I(Lmin)
0A
ΔQc
-40.88mA
1.8ms
1.9ms
I(C)
2.0ms
2.3ms
2.4ms
Time
Fig.2.15. Corrientes en el convertidor buck
Alejandro A Méndez T
2.5ms
Para lograr una retroalimentación negativa y por
consiguiente regular el voltaje de salida, el
interruptor se debe abrir cuando la salida es baja y
Dpto. Electrónica UNI-FEC 15
Electrónica Aplicada 2010
cerrarse cuando la salida (del comparador) es
alta.
Como es esto?
Fuentes de Alimentación DC 16
Cuando el switch esta cerrado (toff = T - ton), el
voltaje a través del inductor es aproximadamente
(-Vo) (despreciando la caida en el diodo). Por
consiguiente:
∫ (V
ton
Si el nível de voltaje de salida se incrementa por
alguna razón, el nível de producido por el divisor
de voltaje y por consiguiente el nível de la señal
de error se incrementan. El tiempo que toma el
oscilador diente de sierra para alcanzar el mismo
nível que la señal de error se incrementa también.
Por lo tanto, la salida del comparador se pone en
alto cerrando el switch por un periodo de tiempo
menor que el normal, es decir, el ton se vuelve
menor. Esto reduce el incremento en la corriente
del inductor y por consiguiente la cantidad de
energía transferida, contrarestando de esta forma
el incremento inicial en el voltaje de salida.
De igual forma cuando el voltaje de salida
disminuye por algún motivo, el nível de la señal de
error tambien disminuye incrementadose de esta
manera el tiempo de conducción del elemento de
control. Por lo tanto más corriente fluye en L y el
Vo se incrementa.
Voltaje de salida (step-down)
El voltaje de salida de la configuración step-down
puede derivarse considerando el voltaje que
aparece a través del inductor. Durante la
operación de estado estable la forma de onda del
voltaje a través del inductor se repite de un ciclo
de conmutación a otro y como resultado de esto la
integral del voltaje en el inductor a lo largo de un
periodo de tiempo T, es decir ton + toff, debe ser
cero.
Para derivar el voltaje de salida asumiremos que
un oscilador de frecuencia fija es usado para
obtener la forma de onda PWM. El voltaje en los
extremos del inductor a lo largo de un ciclo es:
0
in
−
V ) dt − ∫ V
T
o
ton
ton
T
∫ V dt =∫ V dt +∫ V dt
0
L
0
L
ton
L
V
o
⎛ ⎞
= ⎜ t on ⎟
⎝ T⎠
Alejandro A Méndez T
2.10
V
2.11
in
Como se puede ver de la ecuación anterior, el
voltaje de salida depende directamente del Dutycycle de la forma de onda de control, siendo
posible por lo tanto el obtener el voltaje de salida
deseado mediante la manipulación de este.
El duty-cycle es la razón de ton respecto al periodo
T, es decir,
Duty Cycle =
t on
T
Como se menciono previamente, el inductor es
uno de los elementos de mayor importancia en el
regulador y la determinación del valor adecuado
de este es fundamental. También el capacitor
juega un papael fundamental y su valor está
directamente relacionado con el ripple que
presentará el voltaje de salida.
Determinación de L y C
En la figura 2.15, se presentaron las formas de
onda de las corrientes en el inductor y en
capacitor para el regulador buck.
Como se puede ver en dicha figura, la corriente en
el inductor varía desde un valor mínimo (IL,min) a un
valor máximo (IL,max). A partir de la figura se puede
demostrar que :
2.9
Cuando el switch es cerrado durante ton, el voltaje
a través del inductor es la entrada Vin menos el
voltaje de de salida Vo ( VL = Vin - Vo).
dt = 0
al realizar la integración indicada se obtiene que el
voltaje de salida está dado por la siguiente
ecuación:
ΔI L = I Lmax - I Lmin =
T
o
Vo
V - Vo
t off = in
L
L
2.12
El voltaje de salida es proporcional al duty-cycle e
independiente de la corriente de salida siempre y
cuando:
Io 〈
1
ΔI L
2
2.13
Dpto. Electrónica UNI-FEC 16
Electrónica Aplicada 2010
Durante ton, se suministra corriente tanto a la
carga como al capacitor. Entre más pequeña la
inductancia, mayor será la relación:
α = ILmax
I
Para la determinación de L, tomaremos de la fig
2.15 la relación siguiente:
I Lmax = I o +
1
ΔI L
2
Vo
)
V
Vin
, donde R L = o
2f(α - 1)
Io
es la resistencia de carga y f es la frecuencia de
conmutación..
Con un valor finito de capacitancia, un ripple
aparece en el voltaje de salida. La corriente de
carga del capacitor es:
IC = IL - Io
La carga suministrada a y tomada desde el
capacitor durante un ciclo (periodo) es
representada por las areas sombreadas
mostradas en la fig.2.15 y se puede demostrar que
:
Vo
(1 - Vo )
2
Vin
8LCf
Configuración Step-Up ( Boost converter)
Con esta configuración, mostrada en su forma
básica en la figura 2.17, podemos obtener voltajes
de salida mayores que el voltaje de entrada.
D
L
Vo
S
R L (1 -
2.14
de tal forma que con la ecuación anterior podemos
obtener el valor de C para un voltaje de ripple
deseado.
El voltaje de ripple medido, es mayor que el valor
dado por la ecuación anterior debido que la
resistencia serie del capacitor no puede nunca ser
despreciada por completo.
Alejandro A Méndez T
Las ecuaciones anteriores son un buen punto de
partida para el diseño de un regulador buck. Para
las otras configuraciones se pueden realizar pasos
similares para la obtención de las ecuaciones
correspondientes.
V in
usando las ecuaciones obtenidas previamente
obtenemos que el valor del inductor se relaciona
con los parametros de interés según:
ΔVo =
17
o
normalmente α debe restringirse a valores de
hasta 1.2 de tal forma que el rating del elemento
de control pueda ser mantenido dentro de límites
razonables.
L=
Fuentes de Alimentación DC
C
Fig.6.17. Configuración básica Step-Up
Cuando el interruptor está cerrado, la corriente
fluye a través del inductor, almacenando energía
en este. El diodo D está polarizado en inversa y no
conduce, bloqueando de esta forma al voltaje de
entrada Vin (no puede alcanzar la carga).
Cuando el interruptor es abierto, el voltaje a través
del inductor invierte su polaridad de tal forma que
el diodo se polariza en directo y la corriente fluye a
través de este cargando al capacitor y
suministrando corriente a la carga.
El voltaje del inductor se suma al voltaje de
entrada Vin, lo cual produce un voltaje de salida
mayor que el de entrada.
Cómo se regula el voltaje de salida?
Para el circuito en estudio, cuando el interruptor
es cerrado, el voltaje a través de L se incrementa
instantaneamente hasta (Vin - Vs). Durante el
tiempo de conducción (ton) VL disminuye desde su
valor inicial.
Entre mayor sea ton, menor será el voltaje entre
los extremos de L (VL) y por consiguiente menor el
voltaje de salida. De igual forma mientras más
pequeno sea ton, más grande será VL y mayor el
voltaje de salida.
En la figura 2.18, se muestra el regulador Step-Up
con la circuitería correspondiente al circuito de
control.
Dpto. Electrónica UNI-FEC 17
Electrónica Aplicada 2010
L
Fuentes de Alimentación DC
D
+
C
Vin
R2
El esquema básico de dicha configuración es
mostrado en la figura (2.19).
RL Vo
oscilador
R1
18
S
PWM
R3
D
L
C
Vin
Vo
DZ
Fig.2.18. Configuración boost con circuiteria de control
Cuando Vo trata de disminuir, digamos por
ejemplo por una disminución del voltaje de
entrada, la senal de error en la salida del
operacional hace que el transistor Q1 conduzca
menos tiempo (ton menor) lo cual hace que VL no
disminuya mucho produciendo un voltaje de salida
mayor, lo cual contraresta la disminución inicial del
voltaje de salida.
Cuando el voltaje de salida tiende a crecer, la
salida del operacional hará que el transistor
conduzca más tiempo lo cual hará que VL
disminuya de tal forma que el voltaje de salida
será menor, contrarestando el incremento inicial
de este.
Voltaje de salida
El voltaje de salida en la configuración step-up es
inversamente proporcional al duty-cycle y es
expresado por la ecuación siguiente:
Vo = (
T
) Vin
t on
2.15
donde T = ton + toff, es el periodo de senal de
control.
Flyback (o buck - boost converter)
Como fue mencionado, las configuraciones
mostradas anteriormente nos permiten obtener
otras configuraciones a partir de ellas. Una de
estas configuraciones derivadas es la conocida
como “flyback” o “ buck-boost converter”.
Con esta configuración es posible obtener voltajes
de salida mayores o menores que el voltaje de
entrada, además que esta (la salida) es de signo
opuesto al voltaje de entrada.
Alejandro A Méndez T
Fig.2.19. flyback converter
El buck-boost converter funciona de la siguiente
manera.
Cuando el interruptor está cerrado (durante ton) la
corriente fluye a través del inductor almacenando
energía. El diodo esta polarizado en inversa
bloqueando de esta manera a la fuente de
alimentación.
Cuando el interruptor es abierto, el voltaje entre
los extremos del inductor invierte su polaridad con
lo cual el diodo se polariza en directa y la corriente
fluye a través de este permitiendo que el capacitor
se cargue. El voltaje de salida tiene en este caso
signo contrario al de la fuente de alimentación y
puede ser mayor o menor que el voltaje de
entrada.
La configuración es conocida como flyback debido
a que la energía almacenada es transferida a la
carga mientras el interruptor esta abierto (el
tiempo de flyback).
El voltaje de salida en un regulador tipo flyback
esta determinada por la ecuación siguiente:
Vo = - (
t on
) Vin
t off
2.16
Si se requiere que el voltaje de salida sea mayor
que el de entrada, entonces ton debe ser mayor
que toff. Si Vo debe ser menor que Vin , ton debe
ser menor que Vin.
Fuentes de alimentación conmutadas
El circuito de una fuente de alimentación
conmutada es esencialmente un convertidor DCDC, con un voltaje de salida cuya magnitud puede
ser controlada.
Dpto. Electrónica UNI-FEC 18
Electrónica Aplicada 2010
Fuentes de Alimentación DC
Como vimos en el estudio de los reguladores
conmutados, en casi todos los equipos
electrónicos de potencia, los dispositivos
semiconductores son usados en su modo de
conmutación para maximizar la eficiencia.
iF
ac
supply
rect ificad or
no
c on trol ad o
L
is
Vw
19
iD
C
Vo load
it
Vt
Como bien recordarán, el prinicipio de regulación
serie requiere que un voltaje sea suministrado, el
mínimo nível del cual debe ser mayor que el
voltaje de salida requerido. La diferencia entre
estos dos voltajes aparece a través del elemento
de control, el cual conduce todo el tiempo,
generando pérdidas considerables.
Si se usan transistores de potencia como
elementos de control (switches), la frecuencia de
conmutación podría estar limitada hasta
aproximadamente 40 Khz, pero si se usan
MOSFET de potencia, dicha frecuencia puede ser
incrementada hasta 200 Khz o más, lo cual
significa un considerable ahorro en tamaño de
algunos componentes.
En la figura(2,20) se muestra el circuito básico de
una fuente de alimentación conmutada.
S
ac
rectificador
no
controlado
C
L
D
C
load
Fig.2.20.fuente de alimentación conmutada
Si se introduce un transformador en la interface de
alta frecuencia entre los elementos DC de fuente y
carga, es posible cambiar los niveles de voltaje y
proveer el aislamiento que comunmente es
requerido en los equipos electrónicos. Además, es
entonces posible tener 2 o más secundarios de tal
forma que varios voltajes DC de salida pueden ser
obtenidos.
co ntrol
Fig.2.21. fuente conmutada básica
En este circuito, la fuente de alimentación ac es
rectificada directamente y el switch (MOSFET) es
usado para generar un voltaje ac de alta
frecuencia. El transformador será de un tamaño
relativamente pequeño debido a estas altas
frecuencias, lo cual significa un ahorro de espacio.
Como se puede apreciar, en el secundario
tenemos un regulador tipo Buck.
Cuando el MOSFET es encendido, este lleva la
corriente creciente de magnetización además de
la corriente reflejada por el secundario del
transformador. Cuando el MOSFET es apagado,
la corriente del secundario del transformador se
conmuta al otro diodo, pero la energía magnética
almacenada en el núcleo del transformador
demanda un camino, siendo esta la rama del
diodo a través del cual circula iF
El flujo magnético colapsa con la misma velocidad
con que este se forma, de tal manera que para
llevar el flujo a cero, el toff del MOSFET debe ser
igual o mayor que el ton.
La razon del ton al toff es seteada por el circuito de
control, al cual tiene acoplado un lazo de
retroalimentación par sensar el voltaje de salida.
Las formas de onda de las corrientes en el circuito
son mostradas en la figura(2.22).
En la figura (2.21) se muestra un primer circuito,
en el cual como se puede ver, el elemento de
control es un MOSFET y está conectado en el
primario del transformador, lo cual minimiza las
pérdidas de conmutación.
Alejandro A Méndez T
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V t
V w
Fuentes de Alimentación DC
20
Otros tipos de fuentes son obtenidas a partir de la
combinación de estos reguladores básicos.
2 E
E
E
E
i
Convertidores resonantes
T
is
i
F
i
D
V
D
V o
Fig.2.22.Voltajes y corrientes en la fuente conmutada de la
fig.2.21
Una desventaja de este circuito tal y como fué
presentado (con un solo transistor), es que el flujo
en el núcleo del transformador nunca es revertido
y existe el riesgo de que el núcleo tienda a
saturarse.
Para niveles mayores de potencia, es necesario
utilizar una versión de onda completa del circuito
anterior. En dicho caso el flujo en el núcleo del
transformador
se
alternará
y
este
(el
transformador) será completamente utilizado
magneticamente.
Una versión del circuito de onda completa se
muestra en la figura (2.23).
PWM es utilizado para controlar el voltaje de
salida en la carga, variando el tiempo de
conducción del MOSFET conectado en el
primario.
+
load
Fig. 2.23
Existen diferentes configuraciones para las
fuentes de alimentación conmutadas, pero sus
dos formas básicas como es de suponer, son las
basadas en los reguladores step-down y step-up.
Alejandro A Méndez T
En los reguladores estudiados los elementos de
conmutación, conmutan la corriente de carga a
altos voltajes, conduciendo a altas pérdidas de
conmutación. Esto puede ser minimizado
considerablemente arreglando las cosas de tal
forma que los dispositivos de conmutación operen
en un circuito resonante, de tal manera que la
corriente o el voltaje oscilen a un cero natural en
el momento de la conmutación.
Estos circuitos así generados se dice que operan
ya sea en el “currente switching mode” o el
“voltage switching mode”, en dependencia de
quien se hace cero en el momento de la
conmutación.
Lamentablemente este será tema para posteriores
encuentros.
Métodos para controlar el voltaje de salida
Existen dos métodos comunmente usados para
controlar el voltaje de salida en una fuente
conmutada. Uno de ellos utiliza la variación de la
frecuencia de una forma de onda rectangular y el
otro utiliza la variación del ancho del pulso de
dicha onda.
El cambio de la frecuencia (modulación) de
operación comunmente resulta en un circuito más
sencillo, pero también resulta en la generación de
un amplio espectro de señales no deseadas las
cuales causan interferencia y pueden ser díficiles
de filtrar.
El uso de la modulación del ancho del pulso
(PWM) permite un filtrado más sencillo de las
señales no deseadas. Una caracteristica útil de
una fuente conmutada que usa PWM es que más
de una fuente puede ser conectada como esclava
a un reloj central, lo cual límita los batimientos
entre los osciladores. Este efecto de batimiento
produce componentes de frecuencia por debajo
de la frecuencia de operación de la fuente. Esto a
su vez puede significar problemas de ruido e
interferencias
si
estas
componentes
se
encuentran en el rango de frecuencias del equipo
que esta siendo alimentado.
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ICs, los cuales simplifican el diseño, incluyen en
su interior circuitos controladores y sistemas para
manejar los switches.
Modulación del ancho de pulso (PWM)
La técnica pulse width modulation(PWM) consiste
en hacer variar el ancho del pulso a una forma de
onda rectangular.
Existen diferentes formas mediante las cuales esto
puede ser logrado, pero una de las más
ampliamente utilizadas consiste en el uso del
timer 555
En la figura(2.24) a continuación se muestra el
circuito resultante, y como se puede ver este
requiere del uso de dos 555. Sin embargo el
circuito puede minimizarse si se utiliza un 556, el
cual es un LM555 dual.
+Vcc
C3
R4
R1
R3
C5
R2
C1
4
7 8
555
2
6
1
5
8
2
5
4 7
555
6
3
1
Los ICs actualmente disponibles van desde
controladores básicos de propósitos generales
hasta reguladores completos de propósitos
especiales que solamente necesitan como
elementos externos inductores, capaciotres y
diodos.
El diseñador ya no esta limitado a la técnica de
control básica conocida como PWM. Existen otros
modos de control entre ellos los conocidos como
“current-mode”
y
“resonant-mode”
están
disponibles.
La escogencia del modo de control depende de
los trade-offs en el precio, funcionamiento y
tamaño del switcher.
Para bajar el tamaño del switcher, se consideran
el control tipo “currente-mode” y frecuencias de
conmutación por encima de los 100Khz.
C4
Por encima de los 500 Khz, se utiliza el tipo de
control “resonant-mode”.
C2
.01uf
entr ada
moduladora
21
salida
PWM
Fig. 2.24 circuito para generar PWM
En el circuito mostrado el primer temporizador es
conectado como un multivibrador astable
(oscilador de ondas cuadradas) y es utilizado para
disparar continuamente al otro temporizador,
conectado como multivibrador monoestable.
Al aplicar un voltaje externo a la entrada del timer
conectado como multivibrador monoestable, se
puede controlar el ancho de su pulso de salida. Si
la entrada de voltaje de control es variable en el
tiempo, como resultado se obtiene un tren de
pulsos cuyos anchos están variando de acuerdo al
cambio en la amplitud del voltaje de control.
Aunque la mayoria de los controladores y
transistores de conmutación facilmente trabajan
entre 300 Khz y 1Mhz muchas fuentes aún operan
bien por debajo de los 100 Khz. Esto es debido a
que no es fácil diseñar y hacer circuitos para
pulsos de potencia rápidos. Además, mayor
frecuencia significa mayores pérdidas de
conmutación , así como mayor rfi/emi.
Más de dos decadas atras (24 años) el diseñar
una SMPS significaba el uso de OP-AMPs y
comparadores integrados, transistores discretos o
tal vez el hacerlo todo usando un timer 555.
Los primeros “controladores” integrados PWM, la
familia SG1524/2524/3524 aparecieron en los 70s.
El controlador SG3524 esta disponible en nuestro
laboratorio y a continuación se presenta su
diagrama de bloques interno.
Reguladores conmutados integrados.
Los diseñadores de fuentes de alimentación
conmutadas(SMPS) tienen a su disposición una
Nota: Las hojas de datos correspondientes al
integrado
SG3524,
serán
entregadas
posteriormente.
amplia selección de circuitos integrados que
satisfacen un amplio rango de aplicaciones. Estos
Alejandro A Méndez T
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22
Preguntas y ejercicios
Como parte final, se presentan a continuación una serie de preguntas y problemas relacionados con los
temas hasta ahora presentados. La idea aqui es que el estudiante trate de responder las preguntas
planteadas y de resolver los problemas, por su propia cuenta. Muchos de los ejercicios no requieren
necesariamente una solución númerica, sino más bien una explicación de como cierto circuito funciona.
Lo anterior le permitirá aplicar los conocimientos adquiridos en los temas estudiados, así como
conocimientos adquiridos en los cursos anteriores de Electrónica.
Evidentemente se encontrará con una serie de dudas y por lo tanto tendrá preguntas que hacerle al
profesor quien gustosamente le brindará su apoyo.
Preguntas
•
Describa como un regulador con transistor de paso responde a un cambio en la resistencia de
carga.
•
Mencione algunas desventajas que se presentan al usar un regulador de voltaje serie.
•
Explique como un regulador shunt responde a un incremento en la resistencia de carga.
•
Por qué los reguladores serie son preferidos respecto a los reguladores shunt?
•
Explique como un sobre-voltaje en la entrada de un regulador shunt puede destruir el transistor.
•
Defina los conceptos “regulación de línea” y “regulación de carga”
•
Cuales son los componentes externos requeridos para una configuración LM317 básica?
•
Cuál es el voltaje de salida de un 7809? De un 7915? De un LM317?
•
Cuál es el proposito de usar un transistor de paso externo en un regulador de voltaje integrado?
•
Cuál es la ventaja de usar limitación de corriente en un regulador de voltaje?
•
Qué significa “sobrecarga térmica” ?.
•
Cuáles son los objetivos de los capacitores externos en la entrada y salida de un IC regulador de
voltaje?
•
Cuáles son los tres tipos básicos de reguladores conmutados?
•
Cuál es la primer ventaja de un regulador conmutado sobre un regulador lineal?
•
Cómo son los cambios de voltaje de salida compensados en un regulador conmutado?
Alejandro A Méndez T
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23
Ejercicios
1. Diseñe una fuente de alimentación que emplee un regulador serie tal como el mostrado en
la figura, de tal forma que entregue un voltaje de aproximadamente 6V para una corriente de
carga de 300 mA.
Q1
Rs
n2:n1
RL
C
ac
input
120Vrms
60Hz
Dz
2. Compare los resultados en cuanto a eficiencia, obtenidos en el problema propuesto en la
página (fuente con regulador zener) con los obtenidos en el problema anterior . Haga un
análisis de los resultados.
3. Diseñe el circuito mostrado en la figura de tal forma que garantice que:
a) Vo = 12V
b) Ilmax = 0.7A
Considere que el Vin varía entre +20 y +25 Volts. Determine el mínimo valor que puede tener
RL.
1ohm
Q1
+
+
R1
Q2
10k
Vin
Vo
no regulado
RL
5.1V
-
10k
-
4. Si en el circuito mostrado el máximo voltaje de entrada es permisible es de 25V, cuál es la
máxima corriente de salida que se obtiene cuando la salida es cortocircuitada? Cuál debe
ser la potencia mínima de disipación de R1?
Alejandro A Méndez T
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24
100
+
+
8.2k
IL
Q1
Vo
Vin
RL
5.1V
3.9k
-
-
5. En el regulador mostrado en la figura, si la máxima corriente que será manejada
internamente por el regulador de voltaje es seteada a 700 mA, cuál debe ser el valor de
Rex? Cuál debe ser el mínimo power rating para el transistor de paso externo?
Q1
Vi
Rex
78xx
RL
6. Diseñe el circuito mostrado para que la corriente interna del regulador sea de 1A.
Seleccione Rlim de tal forma que la máxima corriente que puede pasar por Qex sea igual a
2A.
Rlim
Rext
Qext
Qlim
7805
2.5
7. En el circuito mostrado el diodo es usado para protección contra cortocircuito. R1 y R2 son
usados para setear la razon de la corriente manejada por el regulador y el transistor de paso
serie. Asumiendo que VD = VBE, demuestre que : R1/R2 = I1 /IREG y que la máxima
corriente alcanzable con este circuito esta dada según:
I o.max =
Alejandro A Méndez T
R1 + R 2
I REG,max
R1
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25
R1
0.4
2N3792
7805
R2
2
1N4003
.1uf
.33uf
8. El circuito mostrado en la figura es denominado “ ± tracking voltjge regulator”. Explique
como funciona el circuito.
+Vin
78xx
+Vo
0.33uF
0.1uF
4.7k
7
6
741 2
3
4.7k
4
-Vin
-Vo
2N6124
0.33uF
9. El circuito mostrado tiene el nombre “ Slow Turn-On Regulator”. Estudie el circuito y trate
de justicar el porque del nombre que este tiene.
LM317
Vo=15V
Vin
Vin
Adj
Vo
1N4002
240
0.1uF
50k
2.7k
2N2905
Alejandro A Méndez T
+
25uF
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Fuentes de Alimentación DC
26
10. Con el circuito mostrado se es posible obtener altas corrientes de salida y por eso su autor
lo bautiza con el nombre “ High Currente Adjustable regulator”. Describir el funcionamiento
del circuito.
Hig h cur ren t
a dj ust abl e reg ul ato r
3 LM 195 's en pa ra lel o
5 00
2 N29 05
5k
22
Vi
Vi
Vo
Vo
ad j
1N4 00 2
1 20
47 uF
1 0u F
1 0uF
11. El circuito que será mostrado a continuación es un circuito que ofrece muchas
posibilidades. Este fue realizado en un proyecto de curso de la asignatura ELKA II ( en
1994) y mostro funcionar satisfactoriamente. Como su nombre lo indica, el circuito puede
entregar a su salida voltajes comprendido en el rango de 1.2V a 30V con una corriente de
salida de hasta 5A. Estudie cuidadosamente el circuito y explique como este funciona.
MJ4502
curent
adjust
100pF
R2
0.2
250k
5W
LM317
35V
33
12V-30V
Vi adj Vo
680
+
1uF
+
75pF
1N457
1
6
1N457
LED
7
2
8
4
3
75pF
200
330k
220
5k
-6V to -15V
Alejandro A Méndez T
+
10uF
voltage
adjust
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Electrónica Aplicada 2010
Fuentes de Alimentación DC
27
12. Asumiendo componentes ideales, determine y dibuje las formas de onda de corriente en un
reguldor forward (buck) cuando la corriente de carga es de 10 A a 20 V, si la corriente en el
inductor es justamente continua. Considere que la fuente de voltaje no regulado tiene un
valor de 50 V.
a. Determine el duty-cicle
b. L
c. El voltaje de ripple en la salida si C=100uF
Alejandro A Méndez T
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Fuentes de Alimentación DC
28
Referencias
2da ed.:Cambridge University 1980
1- Horowitz,P.; Hill,W.
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2- Floyd, Thomas.L.
Electronic Devices.
3- Paynter, Robert.T.
Introductory Electronic Devices and Circuits
Prentice-Hall 1991
4- Tietze,U.;Schenk,C.
Advanced Electronics Circuits
5- Lander,C
Power Electronics
3ra ed.New York: Macmillan 1992
2da ed. NJ:
4ta ed.New York : 1978
3ra ed.UK: McGraw-Hill 1993
6- Simon,S.A.
“A practiced Oriented Course in Switching Converters”
IEEE Trans. Education Vol.39 no.1 PP. 14-18
7- Smith,Duncan.
“SMPS Design” Electronics World + Wireless world
March 1994:188-192
8- Goodenough,Frank.
“Power-Supply IC Controllers Proliferate” Electronics Design
November 09,1989:59-71
Alejandro A Méndez T
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