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Fuentes de alimentación
Lineales
TRANSFORMADOR RECTIFICADOR FILTRO
CONVERSIÓN DE ALTERNA A CONTINUA
Fuente de alimentación de 12V/1A para router.Recientemente se está reemplazando por conmutadas.
Convertidor de corriente alterna en continua:
• Una fuente de alimentación simple consiste en transformador, un rectificador y un filtro, conectado a la red de distribución eléctrica domiciliaria.
• El siguiente esquema ilustra el circuito típico:
• ¡Explicar las ventajas y desventajas entre ambos!
Fuente de tensión básica
i
i
Funcionamiento del rectificador
Tensiones en el rectificador y la carga
Tensión sobre el secundario del transformador
Tensión sobre la
carga
Caída de tensión en los diodos
Intervalo de no conducción de los diodos
El filtrado se logra con el agregado de un capacitor
Con éste circuito se obtiene una tensión media de 7,5V en la carga a partir de una tensión nominal de línea de 220V 50Hz, con una tensión en el bobinado secundario del transformador de 10V pico
t
VC1
Tensiones y corrientes en el rectificador, filtro y carga
7,5A
22A
7V8V
0,75V
-8,5V
Tensión media sobre la carga = 7,5V
Corr
ient
e en
D1
Tens
ión
de sa
lida
Tens
ión
en tr
ansf
orm
ador
Tens
ión
en D
1
Corriente media en la carga = 1,5A
Tensión de salida con 240V de entrada y carga al 1%
9,8V
Tensión de salida con 220V de entrada y carga al 50%
7,9V
Tensión de salida con 200V de entrada y carga al 100%
6,3V
Factor de Rizado:
Factor de rizado (o “ripple”):cd
car V
VF =
El cálculo del factor de ripple se realiza en forma aproximadaasumiendo:• Resistencia interna del transformador muy baja• Tiempo de carga del capacitor despreciable• Resistencia de carga constante• El capacitor se descarga linealmente sobre la resistencia de
carga durante un semiperiodo del ciclo de la tensión de entrada
• La forma de onda del ripple se puede aproximar a una triangular
Luego de comprender el funcionamiento del circuito, definimos:
rppV
0
cdV
t
SALIDAV
2/T
∫=2/
0
1 T
C idtC
vrppV
2/T fRCVT
RV
CVrpp 22
1∧∧
==
aplicando para la descarga de C
se obtiene
La tensión de salida media es
−=−=−=
∧∧
∧∧
fRCV
fRCVV
VVV rpp
cd 411
42
La tensión eficaz de ripple esfRC
VVV rpp
ca 3432
∧
==
El factor de ripple resulta( )143
1−
==fRCV
VFcd
car
Lo que permite estimar el valor de C como
+= 1
31
41
rFfRC
Ejemplo
Tensión de salida del transformador = 18 VTensión media sobre la carga = 22 VTensión eficaz de ripple = 0,7 VC = 100 µF R = 800 Ω
Resultando un factor de ripplemedido de:
Con los datos se utiliza la fórmula aproximada resultando: ( )
038,0143
1=
−=
fRCFr
032,022
7,0===
VV
VVF
cd
car
Se midió en una fuente real los siguientes valores:
REGULADOR
INDICADOR DE NIVEL DE TENSION DE SALIDA
INDICADOR DE ENCENDIDO
ESTABILIZACIÓN DE LA TENSIÓN
El regulador serie es un sistema con realimentación serie paralelo.
af
La tensión sobre la carga se “regula” por comparación con VREF
rO
𝑅𝑅𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 ≅𝑟𝑟𝑂𝑂 ⋰⋰ (𝑅𝑅10+𝑅𝑅11) ⋰⋰ 𝑅𝑅𝐶𝐶
1 + 𝑎𝑎𝑎𝑎
𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 ≅𝑅𝑅10 + 𝑅𝑅11
𝑅𝑅10𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 + 𝑉𝑉𝐵𝐵𝑅𝑅𝐵
⟺ 𝑎𝑎
⟺ 𝑎𝑎
𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 = 𝐴𝐴 𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 + 𝑉𝑉𝐵𝐵𝑅𝑅𝐵𝐴𝐴 =𝑎𝑎
1 + 𝑎𝑎𝑎𝑎La transferencia del sistema es y la tensión de salida
Si para este sistema, resulta𝑎𝑎𝑎𝑎 ≫ 1
La resistencia de salida es:
VCC
𝑣𝑣
𝑡𝑡
AMPLIFICADOR
REALIMENTADOR
“a” varía con VCC ,la temperatura y ladispersión de losparámetros de lostransistores
IO
IO
VBE2 varía a razón de -2mV/°C
af
a
f
Para evaluar el grado de estabilización de la tensión de salida debemos evaluar la Ganancia de Lazo “af”
𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅
𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 =𝑎𝑎
1 + 𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅
Se puede calcular o medir con el siguiente esquema:
a
f
vPRUEBA
PRUEBA
SAL
vVfa =−
𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆
Redibujamos el circuito para realizar un análisis por realimentaciónencontrando la transferencia del circuito y calculando
SALV
𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 = 𝐴𝐴 𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 + 𝑉𝑉𝐵𝐵𝑅𝑅𝐵𝐴𝐴
Realimentador
SALV
SALF VfV =R11R10
R10f+
=
+
• Se emplean los modelos de pequeña señal• Se reemplaza el realimentador por un cuadripolo equivalente
Realimentador
SALV
Idealizando el realimentador
f
+
Calculando la ganancia de lazo
Abrimos el lazo para insertar un generador de prueba v
a
+
𝑣𝑣𝑓𝑓 = 𝑎𝑎𝑣𝑣 𝑎𝑎 = −𝑣𝑣𝑜𝑜𝑣𝑣𝑓𝑓
𝑣𝑣𝑓𝑓
𝑣𝑣𝑜𝑜𝑣𝑣
f
vvO
−=fa
𝑎𝑎 ≅ 100
𝑎𝑎𝑎𝑎 ≅ 100 . 0,383 ≅ 38
𝐴𝐴 =𝑎𝑎
1 + 𝑎𝑎𝑎𝑎 ≅10039 = 2,564 ≅ 2,6
𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 ≅ 2,6 1,25𝑉𝑉 + 0,65𝑉𝑉 ≅ 5𝑉𝑉
𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 = 𝐴𝐴 𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 + 𝑉𝑉𝐵𝐵𝑅𝑅𝐵
𝑎𝑎 = 0,383
𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅
𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆
𝑎𝑎 BC548 IC vs Vbe
VBE𝐵 = 0,65V
I CQ𝐵
=1m
A
Regulación de línea
Notar como la estabilización de la tensión de salida resulta algo dependiente de la tensión de la fuente de entrada, debido a esto, el rechazo del rizado de la fuente de entrada será bajo.
RC = 100ΩRC = 100Ω
VCC
Regulación de línea
RC = 100Ω
Midiendo las coordenadas de dos puntos de lacurva es posible calcular la regulación de línea
V1 = 4,922V
VCC1
REGULACIÓN DE LÍNEA =V1 − V𝐵
VCC1 − VCC𝐵=
4,922V − 5,089V10V − 20V
≅ 17 ⁄mV V
V2 = 5,089V
VCC2
VCC
Regulación de carga
El regulador logrará mantener la tensión de salida en función de la variación de la resistencia de carga
Vcc = 12V
Ω
Regulación de carga
Midiendo las coordenadas de dospuntos de la curva es posiblecalcular la resistencia de salida
Vcc = 12VV2 = 5,029V V1 = 5,017V
R1R2
RT =1 − V1
V𝐵R𝐵
V1V𝐵
R𝐵R1
− 1=
1 − 5,0175,029 200
5,0175,029
200100 − 1
≅ 0,5Ω
RT
VTTENSIÓN DE THÉVENIN
RESISTENCIA DE THÉVENIN
RCARGA
Ω
Regulación de cargaEl regulador logrará mantener la tensión de salida con una variación acotada en función de la variación de la corriente en la carga
SALV
SALI
SALΔI
SALΔV
t
t
SALT
SAL
VRI
∆≅∆
EQUIVALENTE THÉVENINVSAL
RT
0
0
VTTENSIÓN DE THÉVENIN
RESISTENCIA DE THÉVENIN
Modificando el circuito de entrada y de salida se obtiene mejor rechazo de modo común del amplificador y mayor ganancia de lazo del sistema
𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 =𝑅𝑅10 + 𝑅𝑅11
𝑅𝑅10𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅
EJEMPLO NUMÉRICO
Regulación de carga
Regulación de línea
Tensión de referencia variable
REFSAL VRR
RR
RRV
+
+=
21
2
10
1011
Limitación de corriente
VSAL
ISAL
13
4POL
BEMAX I
RVI +=
VSAL
ISAL
IMAX
VSAL+ RSICIC
LIM
ONBE4MAX R
VI =
VSAL
IPOL
VSAL MAX
IMAX
(En esta condición T2 queda al corte)
C
B
E
EJEMPLO NUMÉRICO
Notar que para valores bajos de carga el circuito opera como estabilizador de tensión pero para valores altos de carga actúa como estabilizador de corriente.¿Cuál será el valor de la resistencia de carga que define el cambio de comportamiento?
Limitador de corriente por foldback
VSAL
ISALIMAXICC
VSAL+ RSISALICVSAL
+=
2
1
S
ONBE4CC R
R1R
VI
(En esta condición T2 queda al corte)
IPOL
C
B
E
VSAL MAX
ISAL
S
MAXSAL
2
1CCMAX R
VRRII +=y
R1RSBE VVV −= (notar que VR1 varía con VSAL)
Resolviendo la malla de polarización de T4 se tiene:
( )21
1SALSSALSALSBE RR
RIRVIRV+
+−=
Desarrollando:( )
2S
SAL1BE21SAL RR
VRVRRI ++=
En caso de cortocircuito VSAL = 0 ; ISAL = ICC y VBE = VBE ON :
+=
2
1
S
ONBECC R
R1R
VI (al liberar el cortocircuito se normaliza)
A partir de:
ONBEBE VV ≤
ONBEBE VV ≤
Cuando se llega a VBE = VBE ON con VSAL = VSAL MAX resulta ISAL = IMAX :
ONBEBE VV ≤
( )2S
MAXSAL1ONBE21MAX RR
VRVRRI
++=
NOTA: VBE ON = 0,7V típico o tomar de gráfica IC VBE para IC=IPOL
EJEMPLO NUMÉRICO
Limitación de corriente por “FoldBack”
Regulador integrado 7805
Diagrama en bloques
Esquema eléctrico
MedicionesSALΔV
t
VOUT
Temas para investigar:
• Reguladores “Low Dropout”• Reguladores paralelos
Libros de lectura recomendada:
• Todos los capítulos sobre amplificadores operacionales indicados en las clases anteriores
• Ver los siguientes capítulos del libro “Análisis y diseño de Circuitos Integrados, autores Gray-Meyer-Hurst-Lewis:
3. Amplificadores con un solo transistor y con múltiples transistores4. Espejos de corriente, cargas activas y referencias8. Realimentación
• Capítulo 8 “Retroalimentación” del libro Circuitos Microelectrónicos, autores Sedra y Smith
• Capítulo 10 “Amplificadores Retroalimentados” del libro Circuitos Microelectrónicos -Análisis y Diseño, autor Rashid