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Electrónica General LECCIÓN 21 FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES REGULADAS Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas ENCUADRE Y OBJETIVOS INGENIERÍA INDUSTRIAL 4º CURSO ELECTRÓNICA GENERAL TEMA I: INTRODUCCIÓN TEMA II: TEORÍA DE SEMICONDUCTORES TEMA III: DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES TEMA IV: AMPLIFICACIÓN Y REALIMENTACIÓN TEMA V: AMPLIFICADORES OPERACIONALES TEMA VI: FUENTES DE ALIMENT. LINEALES Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas Análisis de Dispositivos electrónicos circuitos comunes. electrónicos. • Diodo. Definición de • Transistor. los intervalos • Amplificador de funcionaoperacional. miento. ENCUADRE Y OBJETIVOS OBJETIVOS Justificar la necesidad de fuentes de CC. Ofrecer soluciones para implementarlas. Identificar las más adecuadas para cada caso. Estudiar los bloques que las componen. Conseguir que el alumno llegue a diseñarlas. Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. CIRCUITOS RECTIFICADORES 3. FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA 3.1. Filtro por bobina 3.2. Filtro por bobina y condensador 3.3. Filtro por condensador 4. REGULACIÓN DE TENSIÓN 4.1. Circuitos reguladores en bucle abierto 4.2. Circuitos reguladores en bucle cerrado 4.2.1. Circuito limitador de corriente 4.2.2. Reguladores ajustables de múltiples terminales 4.3. Reguladores de tensión integrados 4.3.1. Reguladores de tensión fija positiva 4.3.2. Reguladores de tensión fija negativa Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas INTRODUCCIÓN Alimentación de circuitería electrónica. • Tensión continua (5V, 10V, 12V, 15V...) Uso de baterías. • Poca autonomía y coste elevado. Red eléctrica. • Fuente primaria de uso más frecuente. • Obtener tensión continua a partir de la tensión de red VCA Rectificador Filtro Pasivo Regulador VCC Carga electrónica Transformador Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas TRANSFORMADOR + RECTIFICADOR Convierten la tensión CA en una tensión con valor medio no nulo. • Rectificadores ya vistos en lecciones anteriores. • Elección de transformador asociada al rectificador elegido. Transformador Varias posibilidades. i1 v1 N1 • Primario – Secundario. • Toma media en secundario. i2 N2 v2 N v2 2 v1 N1 N2 Transformador v1 v2 N1 N2 v2 N i2 1 i1 N2 Comportamiento ideal. Reductor. • Determinar N1 : N2. Aislamiento galvánico. • Protección del usuario. Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas TRANSFORMADOR + RECTIFICADOR Rectificadores N2 v2 N1 v1 N2 v1 v2 v1 v1 V N1 : N2 v2 t N1 : N2 v1 v2 N2 V N1 V v1 V t t v2 N2 V N1 t v2 N2 V N1 t t Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas Recordatorio de las estructuras ya vistas. TRANSFORMADOR + RECTIFICADOR Rectificadores Calidad de la tensión de salida. • Valor medio • Rizado 1 T v v t dt T 0 r 2 v ef v 2 v T V V v=— r = 1,21 2·V v = ——— r = 0,48 t T V t Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Reducir el rizado de la tensión. Análisis aplicando principio de superposición. • Asegurar comportamiento lineal. Transformador + Rectificador Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Reducir el rizado de la tensión. Análisis aplicando principio de superposición. • Asegurar comportamiento lineal. • Permitir que la componente continua llegue a la carga. • Quedarse con la componente alterna. Transformador + Rectificador Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por bobina iL L Rectificador RL ZL = 2··f·L ZL = 0 ve(cc) ve RL ve(ca) RL Elección del valor de L. • ZL(ca) >> RL. ve(cc) 2·V = —— 2·V 4·V ve(ca) = - ——·cos (2t) - ——·cos (4t) + ··· 3· 15· Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas • iL > 0. FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por bobina y condensador iL L Rectificador ve RL C Mejora el funcionamiento. • C contribuye a quedarse con la componente ca. (cc) Elección de los valores de L y de C. • ZC(ca) << RL. • ZL(ca) >> ZC (ca). (ca) • iL > 0. Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por condensador Rectificador ve RL C Evita el uso de inductancias. • Pesadas y voluminosas para frecuencias de 50 / 100Hz. Análisis más complejo. • La evolución de corrientes y tensiones en el circuito da lugar a instantes en los que los diodos del rectificador están inversamente polarizados. Comportamiento no lineal. • No es posible aplicar el principio de superposición. Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Funcionamiento Filtro por condensador Vp v1 v2 Vp Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Funcionamiento Filtro por condensador Vp v1 v2 Vp Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por condensador Análisis Tensión de salida: exponencial y senoidal. • Un análisis detallado resultaría complicado. Simplificación: aproximación por onda triangular. • Considera descarga lineal del condensador. • Simplifica cálculos. Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Análisis Filtro por condensador v2 T/2 Vp Vr Supone descarga del condensador a corriente constante. • iC = icarga. v2(cc) iC ——— RL El valor Vr es conocido. • Limitado por especificaciones. Tomar un condensador superior al valor calculado. 1 V2(cc) T Vr = — · ——— · — C RL 2 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Análisis Filtro por condensador ¿Por qué no se usa el mayor condensador posible? • Principalmente por evitar un aumento de volumen innecesario. • Además hay que tener en cuenta la influencia del valor del condensador sobre la corriente que circula por los diodos. v2 v2 t iD C t T1 T t iD C t T1 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas T REGULACIÓN DE TENSIÓN El conjunto rectificador + filtro puede constituir una fuente de alimentación. • Si la carga no demanda demasiada corriente. • Sensible a las variaciones de carga y de la tensión de entrada. Para conseguir más estabilidad en la tensión de salida es preciso incluir un regulador. • Regulador en cadena abierta. • Regulador en cadena cerrada. Rectificador Filtro Pasivo Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas Regulador REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena abierta R FUENTE SIN REGULAR ue Vz us RL us = V z La tensión ue debe ser siempre mayor que la tensión us. Vp Vz La diferencia entre ambas tensiones la soporta la resistencia R. • Interesa que ue no sea mucho mayor que us. • Elección de N2:N1. Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena abierta Límites de funcionamiento del regulador propuesto. • Pueden deducirse a partir del circuito equivalente Thèvenin que ve el zener. R ue RTh Vz VTh > Vz us RL VTh ue – Vz R < RL · ———— Vz Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas Vz RL VTh = ue·———— R + RL REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena abierta Otra posibilidad Q1 FUENTE SIN REGULAR ue R us Vz RL us = Vz – uBE El elemento de control pasa a ser un transistor. La resistencia R reduce su tamaño. Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada Mantener una tensión de salida constante para cualquier valor de carga y tensión de entrada. • Sistema realimentado negativamente para mantener una tensión de salida constante. ue entrada no regulada us salida regulada ELEMENTO DE CONTROL CIRCUITO DE MUESTREO TENSIÓN DE REFERENCIA CIRCUITO COMPARADOR Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada Esquema de un regulador de tensión en cadena cerrada. Q1 FUENTE SIN REGULAR R R1 ue us Vz Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas R2 RL REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada Identificación de los bloques de que consta un regulador en cadena cerrada. Elemento de Control Q1 FUENTE SIN REGULAR R R1 ue us Vz Circuito Comparador Tensión de Referencia Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas RL R2 Circuito de Muestreo REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada Representación alternativa del regulador. R1 R2 Amplificador lineal no inversor. • Q1 permite entregar más corriente de salida. ue Q1 ue R1 + R2 us = ———— · Vz R2 R Vz us RL Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada A tener en cuenta ue La corriente de base del transistor es aportada por el operacional (io). • Esta corriente debe permitir cubrir todo el rango de corrientes de salida. iB iE iE us iB = —— ————— +1 (+1) · RL us ——————— – 1 RL(mín) · io(máx) Relación entre la ganancia del transistor y la corriente de salida del A.O. Es posible usar un montaje Darlington. Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada El amp. op. está alimentado desde una fuente no estabilizada. A tener en cuenta Q1 R • Su comportamiento no varía con las variaciones de Vcc. R1 ue us Vz R2 Hay que asegurar que el amp. op. trabaja en zona lineal • uout < Vcc-2. ue > us+2 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada A tener en cuenta Q1 R Tensión de referencia. • Circuito muy sencillo. R1 ue us Vz R2 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas • Eligiendo R suficientemente elevada se evita la influencia del rizado de ue. • Pueden usarse LEDs o diodos rectificadores. REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada A tener en cuenta Q1 Circuito de muestreo. R R1 ue us Vz R2 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas • Circuito muy sencillo. • Valores de R1 y R2 elevados en comparación con la carga. REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada Limitación a corriente constante. • Si is < Imáx, se tiene us = us(nom). • Cuando is > Imáx, us disminuye. Rcc Q1 is Curva de Regulación uBE2 us Q2 Cuando Q2 conduce, le “roba” corriente de base a Q1. • Se limita así el valor de is. • El valor de Imáx se fija con Rcc. Imáx is Rcc · Imáx 0,6V [uBE2(ON)] Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada Esquema completo Q1 Rcc Q2 ue R R1 us Vz R2 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas RL REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores en cadena cerrada Reguladores ajustables de múltiples terminales. • Permiten montar una fuente de alimentación completa. Rcc R1 ue us REF R2 723 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores de tensión integrados Incluyen todos los elementos de un regulador en bucle cerrado. • Regulador de tensión positiva fija. • Regulador de tensión negativa fija. • Regulador de tensión ajustable. IN ue Protección térmica contra sobrecargas. OUT GND us • Corriente máxima depende del tipo de encapsulado. RL Condensadores para mejorar estabilidad. Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión fija positiva Serie 78XX. • Los dígitos XX indican la tensión de salida. Tensiones entre 5 y 25V. La tensión de entrada debe ser superior a la de salida. • Al menos 23 voltios. • No debe superar los 35V. Regulador us ue mín 7805 +5V +7,3V 7812 +12V +14,6V 7815 +15V +17,7V Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión fija positiva Ejemplo 25,46Vpico +12V IN OUT is 7812 18Vef vred C ue 220Vef 470µF GND 10nF us RCARGA 18Vef Elegir la relación de espiras del transformador más adecuada para minimizar la potencia disipada. El condensador C debe asegurar que ue nunca pasa por debajo del valor mínimo permitido. • La corriente de descarga es is. Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores de tensión integrados Especificaciones Tensión de salida (Output Voltage). Valores típico, mínimo y máximo. Regulación de salida (Load Regulation). Máxima variación sobre us. Corriente de salida en cortocircuito (Short-Circuit Current). Cantidad de corriente que puede entregar el regulador. Corriente de salida de pico (Peak Output Current). Máxima corriente de pico [no repetitivo]. Caída de tensión (Dropout Voltage) Mínimo valor de la diferencia de tensión entre entrada y salida. Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión fija negativa Serie 79XX. • Análogos a los reguladores positivos de la serie 78XX. RL GND IN OUT Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión fija negativa Facilitan la construcción de fuentes de alimentación simétricas. Se pueden implementar fuentes simétricas con 78XX. 78XX + Habría que diseñar dos fuentes completas. 78XX Trafo Rectif. Filtro + vred N1 N2 Filtro + -V 0 Rectif. +V N2 79XX 78XX Trafo + - Usando 79XX se simplifica el diseño. Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas - REGULACIÓN DE TENSIÓN Circuitos reguladores de tensión integrados Reguladores de tensión simétrica 78XX 78XX + 79XX 79XX - + N2 vred N1 N2 78XX N2 N1 + 79XX + + N2 + N1 N2 N2 Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas - COMENTARIO Otros tipos de fuentes de alimentación. • Fuentes de alimentación conmutadas. Fuente Lineal Trabajan La diferencia a pocos la frecuencia de tensión de entre redla(o al doble primaria de de ésta), y la Requieren componentes yfuente son fáciles tensión por lo que de los salida componentes es absorbida pasivos por unque elemento incorporan que construir. maneja toda (bobinas y condensadores) la corriente queson circula grandes. hacia la carga Sencillas Rendimiento bajo No radian ruido Pesadas y voluminosas Fuente Conmutada Complejas Entre la fuente yde laalimentación carga(decenas se coloca un inteEl diseño Trabajan ade frecuencias lasprimaria fuenteselevadas conmutadas o cientos rruptor y un filtro Enenellointerruptor nunca es complicado, de kilohertzios), sobre lopasivo. quetodo permite usar que bobinas se refiere y cona su están a la vez tensión y corriente. lazo depresentes densadores regulación. pequeños. Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas Alto rendimiento Ruidosas Pequeñas y ligeras RESUMEN 1. Ante la necesidad de alimentar los circuitos electrónicos con tensión continua, se plantea la obtener esta tensión a partir de la red eléctrica. 2. Las fuentes de alimentación lineales constan de un rectificador (con su transformador correspondiente), un filtro pasivo y, en la mayoría de los casos, un regulador de tensión. 3. En la mayoría de los casos se usa un filtro por condensador por el poco espacio que ocupa en comparación con los que incorporan bobinas. 4. Los reguladores de tensión se encargan de asegurar que la tensión de salida se mantiene constante independientemente de las variaciones de carga y/o tensión de entrada que puedan surgir. 5. Existen reguladores integrados que simplifican la construcción de las fuentes de alimentación lineales. Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas Electrónica General LECCIÓN 21 FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES REGULADAS Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
