20809891 Caracteristicas de Fuentes de Alimentacion de C D

CARACTERSTICAS TCNICAS DE LAS FUENTES DE VOLTAJE

CARACTERSTICAS TCNICAS DE LAS FUENTES DE ALIMENTACIN

INTRODUCCINEn la figura 1 se muestra un diagrama de bloques que contiene las partes de una fuente de alimentacin tpica y los voltajes en varios puntos de la unidad. El voltaje de corriente alterna, por lo general de 120Vrms, est conectado a un transformador que eleva dicho voltaje o, con ms frecuencia, lo reduce al nivel de la salida de cd deseada. Un rectificador de diodos produce entonces un voltaje rectificado de media onda, o con ms frecuencia de onda completa, que se aplica a un filtro para alisar la seal variable. A menudo, basta un filtro de capacitor simple para generar esta accin alisadora. El voltaje de cd resultante con algo de rizo o variacin de voltaje de ca se proporciona entonces, como entrada a un regulador integrado, el que como salida proporciona un nivel de voltaje de cd bien definido con un voltaje de rizo extremadamente bajo, dentro de un rango de carga.

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

CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE FILTROSSe requiere un circuito rectificador para convertir una seal cuyo valor promedio es cero, en una de valor promedio que no es cero. Sin embargo, la seal de cd pulsante que resulta no es corriente directa pura, o incluso una buena representacin de ella. Desde luego, en el caso de un circuito como el de un cargador de bateras, la naturaleza pulsante de la batera no es perjudicial mientras el nivel de cd provisto, cargue la batera. Por otra parte, en el caso de circuitos de alimentacin de voltaje para una grabadora o radio, la cd pulsante producir una seal de 60-120 Hz que aparece en la salida, lo cual hace que la operacin de todo el circuito sea deficiente. En estas aplicaciones, al igual que en muchas otras, la salida de cd desarrollada tendr que ser mucho ms lisa que la de cd pulsante obtenida directamente de los circuitos rectificadores de media onda y onda completa.

REGULACIN DE VOLTAJE Y VOLTAJE DE RIZOAntes de entrar en detalles del circuito filtro, es apropiado considerar el mtodo usual de clasificar los circuitos de modo que se pueda comparara la efectividad de un circuito como filtro. La figura 2 muestra un voltaje de salid de filtro, que se usar para definir algunos de los factores de la seal. El voltaje de salida filtrado en la figura, tiene un valor de cd y algo de variacin de ca (rizo). Si bien, una batera en esencia produce un voltaje de salida de cd o constante, el voltaje de cd derivado de una seal de fuente de ca rectificada y filtrada tiene algo de


variacin (rizo). Mientras menor sea la variacin de ca con respecto al nivel de cd, mejor ser la operacin del circuito del filtro.

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

Considrese la medicin del voltaje de salida del filtro con un voltmetro de cd y un de ca (Vrms). El primero, lee slo el nivel de cd o promedio del voltaje de salida. El medidor de ca (Vrms) lee nicamente el valor rms del componente de ca del voltaje de salida (suponiendo que la seal se acopla al medidor por medio de un capacitor para bloquear el nivel de cd). De esta manera, el rizo est dado por:

( ) %100VrmsVr

cd de Voltaje(rms) rizo de Voltajerizo

cd

===r

As por ejemplo, si tenemos una fuente de alimentacin y a la salida, con un voltmetro de cd obtenemos un valor de 25V y con uno de ca se registra un voltaje de rizo de 1.5Vrms, el rizo de salida est dado por:

( ) %6%10025

5.1%100VrmsVr

cd

===VVr

REGULACIN DE VOLTAJEOtro factor de importancia en una fuente de voltaje es la cantidad de cambio del voltaje de cd de salida dentro del rango de operacin del circuito. El voltaje provisto a la salida sin carga (sin consumo de corriente de la fuente) se reduce cuando una carga consume corriente de la fuente. Saber qu tanto cambia este voltaje con respecto a su valor con o sin carga es de sumo inters para cualquiera que utilice la fuente. Este cambio de voltaje se describe mediante un factor llamado regulacin de voltaje.

( )

( ) %100 voltajede RegulacinRVcarga plena a voltaje

carga plena a voltaje- cargasin voltaje voltajede RegulacinRV

=

=

FL

FLNL

VVV

Por ejemplo, si una fuente de voltaje de cd proporciona 60V con la salida sin carga, y, cuando se consume corriente a plena carga se encuentra que el voltaje de salida se reduce a 56V; entonces, el valor del factor de regulacin de voltaje es:

( ) %14.7%10056

5660%100 voltajede RegulacinRV ===V

VVV

VV

FL

FLNL

(Vrizo)p-p

t


Si el valor del voltaje a plena carga es igual al de sin carga, la regulacin de voltaje calculada es 0% y es lo mejor que puede esperarse. Dicho valor significa que la fuente es de voltaje verdadero y en la cual el voltaje de salida es independiente del consumo de corriente. El voltaje de salida de la mayora de las fuentes disminuye a medida que se incrementa el consumo de corriente. Mientras ms se reduce el voltaje, menor ser el porcentaje de su regulacin y mejor ser la operacin del circuito de la fuente de voltaje.

FACTOR DE RIZO DE LA SEAL ADECUADAAunque el voltaje rectificado no es un voltaje filtrado, s contiene una componente de cd y una componente de rizo. Se pueden calcular stos valores de voltaje de cd y voltaje de rizo (Vrms) y con ellos obtener el factor de rizo para los rectificadores de media onda y onda completa. Los clculos demuestran que la seal rectificada de onda completa tienen un menor porcentaje de rizo y por consiguiente es una seal rectificada mejor que la de media onda, si se desea el porcentaje de rizo ms bajo. El porcentaje de rizo no siempre es la cuestin ms importante. Si la complejidad del circuito o las consideraciones de costsos son importantes, y el voltaje de rizo es secundario, entonces un rectificador de media onda puede ser ms satisfactorio. Asimismo, si la salida filtrada suministra slo una pequea cantidad de corriente a la carga y el filtro nos es crtico, entonces una seal rectificada de media onda puede ser aceptable. Por otra parte, cuando la fuente debe tener un rizo tan bajo como sea posible, es mejor comenzar con una seal rectificada de onda completa puesto que tiene un factor de rizo menor, como a continuacin se indica.En el caso de una seal rectificada de media onda, el voltaje de cd de salida es Vcd=0.318V. el valor rms de la componente de ca de una seal de salida es Vr(rms)=0.385V, sta valor es determinado mediante tcnicas de clculo. El rizo en porcentaje es:

( ) %121%100318.0385.0%100onda media === V

VVrmsVrdc

r

Para el rectificador de onda completa, el valor de Vcd es Vcd=0.636V. Para una seal rectificada de onda completa Vr(rms)=0.308V y, de esta forma, el porcentaje de rizo es:

( ) %48%100636.0308.0%100completa onda === V

VVrmsVrdc

r

El factor de rizo de la seal rectificada de onda completa, es aproximadamente 2.5 veces menor que la seal rectificada rectificada de media onda y proporciona una mejor filtrada. Obsrvese que estos valores de factor de rizo son absolutos y no dependen del voltaje mximo. Si el voltaje mximo se incrementa, tambin lo harn el valor de cd de la salida y el voltaje de rizo. Los dos se incrementan en la misma proporcin, de modo que el factor de rizo permanece igual.

FILTRO SIMPLE CON CAPACITORUn filtro simple muy aceptado es uno con capacitor, mostrado en la figura 3; que est conectado a travs de la salida del rectificador. El voltaje de salida de cd est disponible a travs del capacitor. La figura 4.a muestra el voltaje de salida


del rectificador de un circuito rectificador de onda completa antes de que se filtre la seal. La figura 4.b muestra la forma de onda resultante despus de que el capacitor se conect a travs de la salida del rectificador. Como se muestra, este voltaje que se filtr tiene un nivel de cd con algo de voltaje de rizo montado en l.

FIGURA 3. Filtro con capacitor simple

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

La figura 5.a muestra un rectificador de onda completa y la forma de onda obtenida del circuito cuando se conecta a una carga de salida. Si no se conectara ninguna carga al filtro, la forma ideal de onda de salida sera un nivel de cd constante de igual valor al voltaje mximo (Vm), producido por el circuito rectificador. No obstante, el objetivo de obtener un voltaje de cd es ponerlo a disposicin de otros circuitos electrnicos, lo que a la sazn, constituye una carga para la fuente de voltaje. Puesto que siempre habr algo de carga aplicada al filtro, se tendr que considerar este caso prctico en el anlisis. Para la seal rectificada de onda completa indicada en la figura 5.b existen dos intervalos de tiempo indicados. T1 es el tiempo durante el cual un diodo rectificador de onda completa conduce y carga el capacitor hasta el voltaje de salida mximo rectificador (Vm). T2 es el tiempo durante el cual, el voltaje del rectificador se reduce por debajo del voltaje mximo y el capacitor se descarga a travs de la carga.Si el capacitor se fuera a descargar slo un poco (debido a una carga pequea), el voltaje promedio estara prximo al valor ptimo de Vm. La cantidad de voltaje de rizo tambin sera pequea con una carga pequea. Esto demuestra que el filtro con capacitor proporciona un gran voltaje de cd con poco rizo para cargas


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

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

La figura 6 muestra la forma de onda de salida aproximada por segmentos lineales de carga y descarga. Esto es razonable puesto que el anlisis no lineal de stas, es complejo porque los resultados obtenidos dan valores que concuerdan bien con las mediciones reales realizadas en los circuitos. La forma de onda que aparece en la figura muestra una aproximacin del voltaje de salida de una seal rectificada de onda completa. Del anlisis de esta forma de onda del voltaje se obtienen las siguientes relaciones:

( )

( ) ( )32

2picopicoVrmsV

picopicoVVV

rr

rmcd

=

=

Estas relaciones se dan slo en funcin de forma de onda de los voltajes y se acentan con los diferentes componentes del circuito. Como la forma de onda de rizo correspondiente a la media onda es la misma que la de onda completa, las ecuaciones anteriores se aplican a ambos circuitos rectificador y filtrante. Ambas ecuaciones son vlidas para fuentes con rectificadores de media onda y onda completa.


FIGURA 6. Voltaje de salida aproximado de un circuito de filtro con capacitorVoltaje de rizo Vr(rms)En funcin de los dems parmetros del circuito, el resultado obtenido para Vr(rms) considerando una fuente con rectificador de onda completa, es:

( )m

cdcdr V

VfC

IrmsV 34

dondef es la frecuencia del voltaje de alimentacin senoidal (por lo general es de 60Hz)Icd es el consumo promedio de corriente del filtro por la cargaC es el valor del capacitor de filtro.

Otra aproximacin simplificadora que se puede hacer, es suponer que, como por lo general se usan cargas pequeas, el valor de Vcd es slo ligeramente menor que Vm de modo que Vcd Vm y la ecuacin puede escribirse:

( )fC

IrmsV cdr 34

La expresin anterior es vlida para fuentes con rectificadores de onda completa, considerando a la salida, cargas pequeas.Por ltimo, se puede concluir que el valor tpico de la frecuencia de lnea (f=60Hz) y las dems constantes en la ecuacin son ms simples:

( )CRV

CIrmsV

L

cdcdr

4.24.2==

donde Icd est en miliamperes, C en microfaradios y RL en kilo-ohms.

Por ejemplo, calcularemos el voltaje de rizo de un rectificador de onda completa con un capacitor de filtro de 100 f conectado a una carga de 50mA.As, tenemos:

( ) ( ) VCIrmsV cdr 2.1100

504.24.2===

Voltaje de cd, VcdEl voltaje de cd del filtro est dado por:

( )m

cdcdm

rmcd V

VfC

IVpicopicoVVV ==42


Bajo la suposicin simplificadora de que Vcd es aproximadamente igual que Vm con cargas pequeas, se obtiene un valor aproximado de Vcd (el cual es menor que Vm) de: ( )

fCIVpicopicoVVV cdmrmcd 42

=

=

Por lo que podemos escribir, usando f=60Hz:

CIVV cdmcd

17.4=

donde:Vm es el voltaje mximo rectificado en volts.Icd es el consumo de corriente de la carga en miliamperes.C es el capacitor del filtro en microfaradios.

As, por ejemplo, si el voltaje mximo rectificado para el filtro, del ejemplo anterior, es de 30V, el voltaje de cd del filtro es:

( ) VC

IVV cdmcd 9.271005017.43017.4 ===

El valor del voltaje de cd es menor que el voltaje mximo rectificado. Obsrvese adempas, que, mientras mayor sea el valor del consumo promedio de corriente del filtro, menor ser el valor del voltaje de cd de salida, y mientras mayor sea el valor del capacitor del filtro, ms se aproximar el voltaje de cd de salida al valor mximo de Vm.

Rizo de un filtro con capacitorCon la definicin de rizo y la ecuacin para el voltaje de rizo, se obtiene la expresin para el factor de rizo de un filtro con capacitor, para una fuente con rectificador de onda completa y con cargas pequeas a la salida, como:

( ) %1004.2%100 =cd

cd

cd

r

CVI

VrmsVr

Puesto que Vcd e Icd tienen que ver con la carga en el filtro RL, el rizo tambin puede expresarse como:

%1004.2 =CR

rL

donde Icd est en miliamperes, C en microfaradios, Vcd en volts y RL en kilo-ohms.Se ve que el factor de rizo vara directamente con el consumo de corriente de la carga (mientras mayor sea ste, mayor ser el factor de rizo), e inversamente con el tamao del capacitor. Esto concuerda con el anlisis previo del filtro.De modo que, si una carga conectada a la salida de una fuente, consume una corriente de 50mA de un filtro con capacitor (C=100 f) y el voltaje mximo rectificado de la fuente es de 30V, entonces el rizo es:

( )( ) %3.4%1009.27100

504.2%1004.2 ===cd

cd

CVIr

Se considera que Vcd=27.9V, de acuerdo con el ejemplo mostrado previamente.


FILTROS RCEs posible mejorar an ms la cantidad de rizo a travs de un capacitor de filtro al mismo tiempo que se reduce el voltaje de cd mediante el uso de un filtro RC adicional como se muestra en la figura 7. El objetivo de la red agregada es dejar pasar tanto como sea posible de la componente de cd del voltaje desarrollado a travs del primer capacitor C1 tanto como sea posible. Esta accin reduce la cantidad de rizo en relacin con el nivel de cd, lo que permite una mejor operacin del filtro que en el caso del filtro con capacitor simple. Hay un precio a pagar por esta mejora, como se mostrar, ste incluye un voltaje de cd de salida ms bajo debido a la cada de voltajes de cd a travs del resistor y el costo de los componentes adicionales en el circuito.

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

FIGURA 8. Rectificador de onda completa y circuito de filtro RCLa carga, representada por el resistor RL, consume corriente directa a travs del resistor R con un voltaje de cd de salida a travs de la carga que es un poco menos que aquel a travs de C1 debido a la cada de voltajes a travs de R. Este filtro, lo mismo que el filtro con capacitor simple, funciona mejor con cargas pequeas, con una regulacin de voltaje considerablemente ms deficiente y un porcentaje ms elevado de rizo con cargas grandes.El anlisis de los voltajes de cd y ca como resultado de la salida del filtro que se obtiene a travs del capacitor C1 puede llevarse a cabo mediante superposicin. Puede considerarse por separado el circuito RC que acta en el nivel de cd del voltaje a travs de C1 y luego la accin del circuito RC en la porcin de ca (rizo) de


la seal desarrollada a travs de C1. Los valores resultantes pueden usarse entonces para calcular la regulacin de voltajes y el rizo en todo el circuito.

OPERACIN DE CD DE LA SECCIN DE FILTRO RCLa figura 9.a muestra el circuito equivalente a ser utilizado cuando se considera el voltaje y la corriente de cd en el filtro y la carga. Los dos capacitores del filtro son circuitos abiertos para cd y por lo tanto no sern considerados en este momento. El clculo del voltaje de cd a travs del capacitor de filtro C1 se analiz previamente. Si se conoce el voltaje de cd a travs del primer capacitor de filtro C1, puede calcularse el voltaje de cd a la salida del filtro RC adicional. En la figura 9.a se ve que el voltaje Vcd a travs del capacitor C1 es atenuado por una red divisora de resistores R y RL (la resistencia de carga equivalente); el voltaje de cd resultante a travs de la carga es Vcd:

cdL

Lcd VRR

RV+

='

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

Ejemplo:La adicin de una seccin de filtro RC con R=120 reduce el voltaje de cd a travs del capacitor de filtro inicial a partir de 60V (Vcd). Si la resistencia de la carga es de 1K , calcularemos el valor del voltaje de salida del filtro:

( ) VVRR

RV cdL

Lcd 6.53601201000

1000' =+

=

+=

Adems, se puede calcular la cada de voltaje a travs del resistor del filtro y el consumo de corriente de la carga:

mAR

VI

VVVV

L

cdcd

cdcdR

6.531000

6.53'4.66.5360'

===

===


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

( ) ==== KfCCX C 265.010106028.61

211

6pi

En la figura 9.b se ve que esta impedancia capacitiva est en paralelo con la resistencia de la carga. Con una resistencia de carga de 2K , por ejemplo, la combinacin en paralelo de los dos componentes dara una impedancia de magnitud:

( )( ) =+=+= KXR

XRZCL

CL 263.0265.02

265.022222

Este valor se aproxima al valor de la impedancia capacitiva sola, como se esperaba, puesto que la impedancia capacitiva es mucho menor que la resistencia de la carga, y la combinacin en paralelo de los dos sera menor que el valor de cualquiera de ellos. Como regla emprica puede considerarse el pasar por alto la accin de carga del resistor de carga en la impedancia capacitiva en tanto la resistencia de la carga sea por lo menos cinco veces la impedancia capacitiva. Debido a la limitacin a cargas pequeas en el filtro el valor efectivo de la resistencia de la carga, por lo general es grande comparado con la impedancia de los capacitores en el rango de microfaradios.En al anlisis anterior se manifest que la frecuencia del voltaje de rizo era de 60Hz. Si se supone que la frecuencia de la lnea es de 60Hz, la frecuencia de rizo tambin ser de 60Hz para el voltaje de rizo producido por un rectificador de media onda. El voltaje de rizo producido por un rectificador de onda completa, sin embargo, se duplicar puesto que el nmero de medios ciclos es el doble y la frecuencia de rizo ser entonces de 120Hz. Segn la relacin para la impedancia capacitiva XC=1/ C, se tiene el valor de =377 rad/s a 60Hz y de =754rad/s a 120Hz. Con los valores de capacitancia en microfaradios, la relacin para impedancia capacitiva pueden expresarse como:

completa onda para 1326

onda media para 2653

CX

CX

C

C

=

=

donde XC est en ohms y C en microfaradios.

Si se utiliza la relacin simplificada de que la combinacin en paralelo del resistor de carga y la impedancia capacitiva es aproximadamente igual, puede calcularse la atenuacin de ca en la etapa de filtro:

( ) ( )rmsVXR

XrmsV rC

Cr 22'

+


El uso de la raz cuadrada de la suma de los cuadrados en el denominador es necesario puesto que la resistencia y la impedancia han de sumarse vectorialmente, no algebraicamente. Si el valor de la resistencia es mayor (por un factor de 5, cuando menos) que el de la impedancia capacitiva, se puede simplificar el denominador, con lo que se obtiene el siguiente resultado:

( ) ( )rmsVR

XrmsV rCr '

Y bien, analicemos un caso prctico en el que se aplican los conceptos manejados en esta parte.Ejemplo:La salida de un rectificador de onda completa y filtro de capacitor se filtra an ms con una seccin de filtro RC. Los valores de los componentes de la seccin RC son R=500 y C=10 f. Si el filtro con capacitor inicial desarrolla 150V de cd con un voltaje de rizo de ca de 15V, calcular el voltaje de cd y rizo resultante a travs de la carga de 5K

FIGURA 10. Circuito del filtro RC

Determinamos el valor de Vcd :

( ) VVRR

RV cdL

Lcd 4.1361505005000

5000' =+

=

+=

Determinamos la impedancia capacitiva considerando que el circuito opera a onda completa:

=== 13310

13261326C

XC

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

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) VrmsVXRXrmsV r

C

Cr 86.315

133.05.0

133.0'2222

=

+=

+

CIRCUITOS MULTIPLICADORES DE VOLTAJEDuplicador de voltaje

Una modificacin del filtro con capacitor permite desarrollar un voltaje mayor que el voltaje rectificado mximo (Vm). El uso de este tipo de circuito permite


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

FIGURA 11. Duplicador de voltaje de media ondaLa figura 11 muestra un doblador de voltaje de media onda. Durante el medio ciclo de voltaje positivo a travs del transformador, el diodo del secundario D1 conduce (y el diodo D2 est en corte), y carga el capacitor C1 hasta el voltaje rectificado mximo (Vm). El diodo D1 en una situacin ideal est en corto durante este ciclo, y el voltaje de entrada carga el capacitor C1 a Vm con la polaridad mostrada en la figura 12.a. Durante el medio ciclo negativo del voltaje del secundario, al diodo D1 se interrumpe y el diodo D2 conduce y carga el capacitor C2. Como el diodo D2 acta como un corto durante el medio ciclo negativo (y el diodo D1 est abierto), se pueden sumar los voltajes alrededor del lazo externo (vase la figura 12.b):

00

2

12

=++

=++

mmC

mCC

VVVVVV

de la cual:mC VV 22 =

En el siguiente medio ciclo positivo, el diodo D2 est en estado no conductor y el capacitor C2 se descarga a travs de la carga. Si no se conecta ninguna carga a travs del capacitor C2, ambos capacitores permanecen cargados C1 a Vm y C2 a 2Vm. Si, como sera de esperarse, no hay carga conectada a la salida del duplicador de voltaje, el voltaje a travs del capacitor C2 se reducir durante el medio ciclo positivo (a la entrada) y el capacitor se recarga a 2Vm durante el medio ciclo negativo. La forma de onda de salida a travs del capacitor C2 es la de una seal de media onda filtrada por un filtro con capacitor. El voltaje inverso mximo a travs de cada diodo es 2Vm


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

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

FIGURA 13. Duplicador de voltaje de media ondaDurante el medio ciclo negativo (figura 14.b) el diodo D2 conduce y carga el capacitor C2 , mientras que el diodo D1 se encuentra en estado no conductor. Si la carga no consume corriente del circuito, el voltaje a travs de los capacitores C1 y C2 es 2Vm. Si la carga consume corriente del circuito, el voltaje a travs de los capacitores C1 y C2 es el mismo que aquel a travs de un capacitor alimentado por un circuito rectificador de onda completa. Una diferencia es que la capacitancia efectiva es la del C1 y C2 en serie, la cual es menor que la capacitancia de C1 o C2 solo. El valor de capacitor ms bajo proporciona una accin filtrante ms deficiente que el filtro con capacitor simple.

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

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

2Vm

D1


onda completa desarrollan dos veces el voltaje mximo del secundario del transformador sin que requieran ningn transformador con derivacin central y slo un voltaje inverso mximo de 2Vm para los diodos.

Triplicador y cuadriplicador de voltajeLa figura 15 muestra una extensin del duplicador de voltaje de media onda, el cual desarrolla tres o cuatro veces el voltaje de entrada mximo. Es obvio, por la disposicin de la conexin del circuito, cmo se pueden conectar diodos y capacitores adicionales de modo que el voltaje de salida tambin pueda ser cinco, seis, siete, etc., el voltaje mximo bsico (Vm).En la operacin el capacitor C1 se carga por conducto del diodo D1 a un voltaje mximo Vm durante el medio ciclo positivo del secundario del transformador. El capacitor C2 se carga a dos veces el voltaje mximo 2Vm desarrollado por la suma de voltajes a travs del capacitor C1 y el transformador durante el medio ciclo negativo del voltaje secundario del transformadorDurante el medio ciclo positivo, el diodo D3 conduce, y el voltaje a travs del capacitor C2 y C4 es 4Vm. Si se usan ms secciones de diodo y capacitor, cada capacitor se cargar a 2Vm. Si se realizan mediciones a partir de la parte superior del devanado del transformador (figura 15) se obtienen mltiplos impares de Vm a la salida, mientras que si se realizan desde la parte inferior, el voltaje de salida obtiene mltiplos pares del voltaje mximo Vm,La capacidad del transformador es slo Vm mximo, y cada diodo en el circuito debe tener un voltaje nominal de 2Vm. Si la carga es pequea los capacitores tienen pocas fugas, este tipo de circuito es capaz de desarrollar voltajes de cd extremadamente altos, mediante el uso de muchas secciones para elevar el voltaje de cd.

FIGURA 15.Triplicador y cuadriplicador de voltajeREGULADORES DE VOLTAJE INTEGRADOSLos reguladores de voltaje integrados son muy tiles. Estas unidades contienen los circuitos de fuente de referencia, amplificador de error, dispositivos de control y proteccin contra sobrecarga, todos en un solo circuito integrado. Si bien, la construccin interna es un tanto diferente que la correspondiente a aquellos circuitos reguladores de voltaje discretos, la operacin externa es muy parecida. Se analizar la operacin y se utilizarn algunos reguladores de voltaje fijos de tres terminales aceptados (tanto para voltajes positivos como negativos), as como aquellos que permiten ajustar el voltaje de salida.


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

Reguladores de voltaje de tres terminales

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


la carga. La terminal 3 es la referencia o tierra del circuito integrado. Cuando se selecciona el voltaje de salida regulado fijo deseado, los dos dgitos despus del prefijo 78 indican el voltaje de salida del regulador.La tabla siguiente contiene algunos datos tpicos:

Circuitos integrados reguladores de voltaje serie 78XX positivosNmero de parte de CI Voltaje regulado

positivo (V)Vent mnimo (V)

7805 +5 7.37806 +6 8.357808 +8 10.57810 +10 12.57812 +12 14.67815 +15 17.77818 +18 217824 +24 27.7

Los circuitos integrados reguladores de voltaje negativo estn disponibles en la serie 79 (ver figura 17.b); stos son similares a los de la serie 78, aunque operan con voltajes negativos y proporcionan un voltaje de salida negativo regulado. La siguiente tabla incluye la serie 79XX de reguladores de voltaje negativo fijo y sus valores regulados correspondientes:

Circuitos integrados reguladores de voltaje serie 79XX negativosNmero de parte de CI Voltaje regulado

positivo (V)Vent mnimo (V)

7905 -5 -7.37906 -6 -8.47908 -8 -10.57910 -10 -11.57912 -12 -14.67915 -15 -17.77918 -18 -20.87924 -24 -27.1


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

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

FIGURA 18. Conexin de un regulador de voltaje ajustable LM317La seleccin de los resistores R1 y R2 permite ajustar la salida a cualquier voltaje deseado dentro del intervalo de ajuste (1.3 a 37V) y puede calcularse mediante:

21

21 RIRRVV ajusterefo +

+=

donde

AIVV

ajuste

ref

10025.1

=

=

FUENTES DE ALIMENTACIN PRCTICASSe pude construir una fuente de alimentacin prctica para convertir el coltaje de 120V en uno de cd regulado. El circuito estndar incluye un transformador para el voltaje al nivel de ca que se desee, un rectificador de diodo para media onda u


onda completa, la seal de ca y un filtro con capacitor para desarrollar un voltaje de cd no regulado, el cual luego se conecta como entrada a un regulador de voltaje integrado, que proporciona el voltaje de cd de salida ya regulado. Los ejemplos que a continuacin se indican, muestran cmo se puede construir una fuente de cd y cmo funcionan:

Ejemplo:Analizaremos el funcionamiento de la fuente de voltaje de 12V que se muestra en la figura 19, conectada a una carga que consume 400mA.

FIGURA 19Observamos que el transformador reduce el voltaje de lnea de 120Vrms a un voltaje secundario de 18Vrms a travs de cada mitad del transformador. Esto produce un voltaje pico a travs del transformador de :

( ) VVVV rmsm 456.251822 ===El voltaje de rizo es, por tanto:

( ) ( ) VCIrmsV cdr 043.2470

4004.24.2===

y el voltaje pico de rizo es:( ) ( ) ( ) VVrmsVpicoV rr 539.3043.233 ===

El nivel de cd del voltaje a travs del capacitor C de 470 f es:( ) VVVpicoVVV rmcd 917.21539.3456.25 ===

El factor de rizo del capacitor de filtro cuando funciona con una carga de 400mA es, por consiguiente:

( )( ) ( ) %3.9%100917.21470

4004.2%1004.2 ===cd

cd

CVIr

El voltaje a travs del capacitor C del filtro tiene un rizo de casi 9.3% y se reduce a un voltaje mnimo de

( ) ( ) VVVpicoVVV rmmnent 378.18539.32456.252 ===En las especificaciones el parmetro Vent aparece como necesario para mantener la regulacin de la lnea a 14.6V. El voltaje ms bajo que se mantiene a travs del capacitor es un poco mayor que 18.378V.Con la disminucin del valor del capacitor de filtro o con el incremento de la corriente de carga se produce un mayor voltaje de rizo y un menor voltaje mnimo a travs del capacitor. Mientras que este ltimo voltaje permanezca por encima de 14.6V, el regulador 7812 mantendr el voltaje de salida regulado a +12V.


Las especificaciones del 7812 incluyen el cambio de voltaje mximo como de 60mV. Esto significa que la regulacin del voltaje de salida ser menor que:

%5.0%10012

60==

VmVRV

Ejemplo:Analizaremos el funcionamiento de la fuente de 5V mostrada en la figura 20 a una corriente de carga de (a)200mA y (b)400mA.

FIGURA 20Las especificaciones del 7805 incluyen una entrada de 7.3V como la mnima admisible para mantener la regulacin de la lnea.a. Con una carga de Icd=200mA, el voltaje de rizo es:

( ) ( ) ( ) VCIrmsVpicoV cdrr 326.3250

2004.234.233 ====

y el voltaje de cd a travs del capacitor C=250 f del filtro es:( ) VVVpicoVVV rmcd 674.11326.315 ===

El voltaje a travs del capacitor del filtro se reduce a un valor mnimo de:( ) ( ) VVVpicoVVV rmmnent 348.8326.32152 ===

Puesto que este valor sobrepasa al valor nominal de 7.3V, la salida se mantendr al valor regulado de +5V.

b. Con una carga de Icd=400mA, el voltaje de rizo es:( ) ( ) ( ) V

CIrmsVpicoV cdrr 65.6250

4004.234.2

33 ====

alrededor de un voltaje de cd de( ) VVVpicoVVV rmcd 35.865.615 ===

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

( ) ( ) VVVpicoVVV rmmnent 7.165.62152 ===Puesto que este valor sobrepasa al valor nominal de 7.3V, la salida se mantendr al valor regulado de +5V dentro de todo el ciclo de entrada. La regulacin se mantiene con corrientes de carga por debajo de 200mA pero no por arriba de 400mA.

Ejemplo:


Determinaremos, Ahora, el valor mximo de la corriente de carga por la cual la regulacin se mantiene en el circuito de la figura 20.Para mantener Vent 7.3V( ) VVVVVpicopicoV mnentmr 7.73.715 ==y por tanto:

( ) ( ) VVpicopicoVrmsV rr 2.2327.7

32==

=

Entonces se puede determinar el valor de Icd en mA:( ) ( ) mACrmsVI rcd 2.2294.22502.2

4.2===

Cualquier corriente por encima de este valor, es demasiado grande para que el circuito mantenga la salida regulada a +5V.

Ahora bien, con un regulador integrado es posible ajustar el voltaje de salida regulado a cualquier voltaje deseado (dentro del rango de funcionamiento del dispositivo):

Ejemplo:Determinaremos el voltaje de salida regulado del circuito de la figura 21.

FIGURA 21. Regulador de voltaje ajustable positivo

El voltaje de salida es:

( ) VKAKVRIRRVV ajusterefo 8.108.1100240

8.1125.11 21

2=+

+=+

+=

La verificacin del voltaje del capacitor del filtro, demuestra que se puede mantener un voltaje diferencial de entrada-salida de 2V hasta, por lo menos, 200mA de corriente de carga.

Hasta el momento, hemos presentado fuentes de alimentacin ASIMTRICAS. Se denominan as porque slo entregan a la salida, un valor de voltaje de salida, ya sea positivo o negativo.Las fuentes de voltaje SIMTRICAS se distinguen porque entregan valores de voltaje positivos y negativos.


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

FIGURA 22. Fuente de voltaje simtrica

Con el conocimiento de los reguladores integrados de voltaje, positivos y negativos, fijos y ajustables, podemos hacer el diseo de una fuente de alimentacin con diferentes salidas empleando un transformados, un rectificador, varios capacitores como filtros y reguladores integrados. Si bien ser necesario hacer el anlisis correspondiente para conocer las caractersticas tcnicas de la fuente diseada tal y como se present a lo largo de este reporte.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICASBoylestad, Robert L; Nashelsky, LouisFundamentos de Electrnica. Cuarta Edicin.Ed. Pretince HallMxico, 1996

Gibilisco, StanTeach yourself: Electricity and Electronics. Second EditionEd. Mc. Graw HillUSA, 1993

CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE FILTROSREGULACIN DE VOLTAJE Y VOLTAJE DE RIZOFACTOR DE RIZO DE LA SEAL ADECUADAFILTRO SIMPLE CON CAPACITORRizo de un filtro con capacitorFILTROS RCOPERACIN DE CD DE LA SECCIN DE FILTRO RCOPERACIN DE CA DE LA SECCIN DE FILTRO RCCIRCUITOS MULTIPLICADORES DE VOLTAJEDuplicador de voltajeTriplicador y cuadriplicador de voltajeREGULADORES DE VOLTAJE INTEGRADOS

Reguladores de voltaje de tres terminales

FUENTES DE ALIMENTACIN PRCTICASREFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

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