LA FUENTE DE ALIMENTACIÓNLA FUENTE DE ALIMENTACIÓNLA FUENTE DE ALIMENTACIÓNLA FUENTE DE ALIMENTACIÓN

Filtro de entradaFiltro de entradaFiltro de entradaFiltro de entrada Los rectificadoresLos rectificadoresLos rectificadoresLos rectificadores Los filtros de continuaLos filtros de continuaLos filtros de continuaLos filtros de continua El regulador de tensiónEl regulador de tensiónEl regulador de tensiónEl regulador de tensión La fuente de alimentación definitivaLa fuente de alimentación definitivaLa fuente de alimentación definitivaLa fuente de alimentación definitiva

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http://micros.myblog.es/ http://issuu.com/microprocesadores/ © 2010 Celestino Benítez Vázquez Todos los contenidos e imágenes publicados en la revista “microprocesadores” tienen los derechos reservados quedando prohibida la reproducción total o parcial de esta publicación sin el consentimiento expreso de su autor.

3. LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN.

Para construir un sistema basado en microprocesador, la fuente de alimentación

constituye un pilar básico en el que debemos apoyarnos para obtener un funcionamiento correcto y estable.

Existen en el mercado multitud de diseños de fuentes, cada una de ellas con unas

características determinadas y unas propiedades muy concretas que las hacen más aptas para unas aplicaciones que para otras.

No es nuestro interés profundizar ahora en el estudio de una fuente compleja,

sino que nos limitaremos a presentar una fuente sencilla pero suficiente para atender todas nuestras necesidades.

Como hemos visto hasta el momento, todos los componentes utilizados por

nosotros emplean una tensión única de +5V por lo que en principio sería suficiente con un diseño que nos proporcionara dicha tensión acompañada de un suministro de corriente adecuado. Sin embargo, en previsión de posibles ampliaciones y ante la posibilidad de necesitar otras tensiones estandarizadas, dotaremos a nuestra fuente con las tensiones de +12V y –12V, que también suelen ser empleadas frecuentemente.

3.1 EL FILTRO DE ENTRADA. La entrada de la fuente de alimentación, es decir, su conexión a red (220 V c.a.),

será efectuada imprescindiblemente mediante un cable de conexión con tres terminales (dos terminales activos y un terminal de toma de tierra). La tensión de red así tomada será llevada a un doble interruptor que abra las dos líneas activas con suficiente poder de corte. Entre la toma de tensión de red y el interruptor se situará un fusible de 2A, (la potencia consumida por nuestro sistema será baja) que servirá como protección general.

A continuación se colocará un filtro de entrada de red que servirá para proteger

al equipo que vayamos a alimentar de los posibles parásitos de red, pues supondrá una barrera para determinadas interferencias de red que pueden resultar muy nocivas para un correcto funcionamiento de los sistemas con microprocesador.

Se añadirá además una VDR para eliminar o suavizar picos en la conexión a red

del sistema. La tensión así obtenida se acopla al primario de un transformador que suministre

la potencia necesaria para nuestro sistema. Normalmente en el primario del transformador se dispone de un conmutador que proporciona la posibilidad de conectar la tensión de entrada a varios puntos del primario de modo que pueda ser conectada a tensiones de 240 V, 220 V, 210 V y 125 V de c.a.

Todo lo mencionado puede verse en la FIG.31A, en la que se muestra la constitución interna del filtro de red (dos bobinas y tres condensadores cuyos valores se especifican en la mencionada figura).

El secundario del transformador estará constituido por dos devanados

independientes. En el primero se obtendrán 9 V de c.a. y el segundo será un devanado simétrico que suministrará 14 V c.a. en cada parte del mismo.

FIG.31A

2A

RE

D (

220

V)

I1

Cx Cy

Cy

VD

R

220

240

210

125 0

9

0

14

14

L

L

L = 0’8 MhCx = 0’015 uFCy = 2200 pF

3.2 LOS RECTIFICADORES.

La rectificación de una señal alterna consiste básicamente en la conversión de la misma en una señal unidireccional. Por tanto, para realizar este proceso, debemos encontrar un elemento que no oponga ninguna resistencia al paso de la corriente en un sentido y oponga una resistencia infinita en el sentido contrario.

Entre los distintos componentes que pueden realizar este proceso destacan los

rectificadores a semiconductores, es decir, los construidos basándose en diodos (uniones PN) semiconductores.

Los rectificadores más sencillos construidos con diodos son:

1. Rectificador de media onda: Constituido por un solo diodo, rectifica una sola

semionda de la tensión alterna de entrada. Por tanto la corriente que circula por la carga, será una onda pulsante constituida por medio ciclo de la señal de entrada. Tiene un rendimiento muy bajo, próximo al 40% y su uso está muy limitado.

2. Rectificador de doble onda: Emplea dos diodos conectados en el secundario de un

transformador con toma intermedia, como puede apreciarse en la FIG.32A. En este caso se consigue rectificar las dos semiondas (positiva y negativa) de la señal del secundario, obteniendo así, en la salida, una tensión pulsante unidireccional de

doble frecuencia que la señal de entrada. Tiene un rendimiento próximo al 80% y se obtiene un menor factor de rizado (r=0’48). Presenta el inconveniente de necesitar un transformador con toma intermedia en el secundario. Además en este circuito los diodos deben soportar una tensión inversa máxima doble de la máxima tensión del secundario del transformador.

3. Rectificador en puente: Está constituido por cuatro diodos montados en el

secundario del transformador según se muestra en la FIG.32B. Se consiguen rectificar las dos semiondas de la señal de alterna y en cada instante tendremos trabajando dos diodos en serie. La tensión máxima inversa que deben soportar los diodos será igual a la máxima tensión de la señal del secundario. Ahora no necesitamos emplear un transformador con toma intermedia. Este rectificador es el que emplearemos en el diseño de nuestra fuente y su símbolo es el de la FIG.32C. Normalmente vienen montados en un bloque rectificador con dos terminales de entrada y dos terminales de salida perfectamente marcados.

Para encontrar el rectificador apropiado debemos considerar los siguientes puntos: • Tiene que soportar el valor nominal de la corriente que deseemos suministrar a la

carga. • Como los diodos que trabajan en sentido directo tienen un bajo valor óhmico y en

este caso habrá dos diodos en serie conduciendo, consideraremos una caída de

D1

D2

T1

R

FIG.32A

RE

D (

220) 0

14

14

D1

D2D3

D4

RE

D (

220

)

T1

R

FIG.32BFIG.32C

PR1

tensión interna próxima a los 2 V y además deberán soportar la potencia disipada en su interior.

• Tendrán que soportar la sobrecarga de corriente que se produce cuando se conecta la fuente a red estando los condensadores descargados. En ese instante las resistencias del circuito que limitan la intensidad son la del secundario del transformador y las de los propios diodos, por lo que se produce un brusco pico de corriente de muy corta duración (puede alcanzar hasta los 10 A).

• Los diodos deberán soportar las tensiones inversas a que serán sometidos cuando están en estado de bloqueo o polarización inversa. Además es posible que debido a interferencias exteriores se presenten picos de tensión elevados (hasta 40 V). Por tanto será necesario emplear puentes rectificadores que soporten tensiones inversas iguales o superiores a 50 V (para nuestro caso). Hay que tener en cuenta que las tensiones inversas pueden dañar los diodos de forma inmediata e irrecuperable.

• Además debemos considerar que los semiconductores, a medida que se eleva la temperatura, debido entre otras causas, a su propio funcionamiento, corren un mayor riego de dañarse, por lo que es conveniente y en ocasiones imprescindible, dotar al puente de un elemento refrigerador, construido a base de aletas de aluminio que irradien al medio ambiente gran parte del calor generado en el interior del puente rectificador.

3.3 LOS FILTROS DE CONTINUA.

La señal pulsante procedente del rectificador no es aún apropiada para llegar a obtener una determinada tensión fija. Se precisa para ello, conseguir una tensión con un factor de rizado mucho más bajo. Es decir, tenemos que alisar la señal de tensión. Esto se logra empleando los filtros eléctricos constituidos a partir de elementos predominantemente reactivos (bobinas y condensadores).

Los filtros más empleados son:

Filtro por condensador: Consiste en colocar un condensador electrolítico a la

salida del rectificador, del modo mostrado en la FIG.33A. El condensador almacena energía mientras los diodos permanecen en estado de

conducción y posteriormente la cede a la carga en los momentos de bloqueo en el puente rectificador. Este filtro proporciona una tensión elevada a la salida (próxima a la de pico en la señal rectificada) y una componente de alterna baja, es decir, un bajo factor de rizado que en este caso responde a una ecuación de la forma r=0’91/(wCR)

siendo:

• R, la resistencia de carga. • w, la pulsación de la señal de entrada. • C, la capacidad del condensador. Vemos por tanto, que r es inversamente proporcional a la capacidad del

condensador, por lo que para obtener un r pequeño, se empleará un condensador de capacidad elevada.

Filtro en L: Está constituido por el par de elementos bobina-condensador, conectados como se muestra en la FIG.33B.

El funcionamiento de este circuito se basa en el hecho de que la bobina se comporta como un cortocircuito ante la componente continua de la corriente,

C R

PR1

FIG.33A

mientras que opone una elevada impedancia a los armónicos de la señal rectificada. Por el contrario, el condensador actúa ante los armónicos que llegan a él como un camino de baja impedancia derivándolos a masa, mientras que se comporta como un circuito abierto para la componente de continua. Todo esto produce que en la carga del filtro se obtenga una señal con menor rizado.

El condensador debe ser de elevada capacidad y en general el filtro será dimensionado de modo que se cumpla:

XL>>R>>XC

R

PR1

FIG.33B

L

C

Para este filtro tendremos un factor de rizado que viene dado por: r=0’12/(w2LC) Además, para que tengamos circulación de corriente por los diodos del rectificador siempre, debe cumplirse que: L > R/(3w) Filtro en PI: Está constituido por dos condensadores C1 y C2 y una inductancia L, según se muestra en la FIG.33C. Proporciona mayor nivel de tensión continua en la carga. El factor de rizado mejora, obteniéndose en este caso: r = 0’107/(w2C1C2LR)

Vistos de modo casi esquemático los tipos de filtros que podemos emplear en la

construcción de la fuente, no nos queda más que elegir aquel que realmente nos interese. Para ello debemos tener presente además la tensión de funcionamiento a que se verán sometidos los condensadores de modo que su tensión nominal sea superior a la de funcionamiento. Los condensadores electrolíticos disponibles comercialmente tienen elevadas tolerancias respecto a sus características nominales, llegando a variaciones hasta del 40%.

3.4 EL REGULADOR DE TENSIÓN.

El regulador de tensión tiene como misión fundamental transformar una tensión de c.c. aplicada a la entrada, en una tensión de c.c. a la salida que esté estabilizada a un valor determinado, que se mantendrá aunque la entrada experimente variaciones de tensión o existan variaciones en el consumo de la carga.

Básicamente un regulador está compuesto por una serie de bloques con

funciones distintas cuyo objetivo final es la obtención de la tensión estabilizada. Estos bloques son: • Un elemento de referencia que proporciona una tensión estable que el regulador

debe seguir.

R

PR1

FIG.33C

C1 C2

L

• Un elemento convertidor de nivel de tensión que analiza la tensión disponible en la

salida del regulador. • Un comparador que, como su nombre indica, tiene como función establecer una

comparación entre el nivel de la tensión de salida y el nivel de la tensión de referencia, proporcionando una salida que nos indique tal circunstancia.

• El controlador, que en función de la señal proporcionada por el comparador, regula

la transformación del nivel de tensión de entrada, para obtener el nivel de tensión de salida deseado.

En la actualidad existe una gran variedad de reguladores integrados que

incorporan estos bloques antes mencionados en su interior, siendo accesibles al usuario tres terminales (Entrada, Salida y Común). La estructura interna de estos componentes es bastante compleja pero facilita mucho su empleo en aplicaciones que requieren tensiones estabilizadas, fijas y normalizadas como +5V, +12V y –12V.

Todos los reguladores integrados incorporan circuitos de protección contra sobrecargas, cortocircuitos y elevaciones excesivas de la temperatura durante su funcionamiento que puedan hacer superar su límite térmico.

3.5 FUENTE DE ALIMENTACIÓN DEFINITIVA. Para llevar a la práctica la construcción de una fuente, debemos en primer lugar,

especificar las tensiones y potencias que necesitaremos en nuestro trabajo y aquellos valores de las mismas que deseamos tener disponibles para aplicaciones futuras.

En nuestro sistema se necesita únicamente una tensión estabilizada de +5V para

alimentar a todos los componentes de las tarjetas, para los cuales consideraremos suficiente un consumo nominal de 3A.

Además dejaremos accesible una tensión de +12V continua no necesariamente

estabilizada (si filtrada) para alimentar lámparas, etc. dispondremos también de dos tensiones de +12V y –12V regulados y estabilizados para futuras aplicaciones.

Atendiendo a todas estas características realizaremos el diseño mostrado en la

FIG.35A. Teniendo en cuenta estas consideraciones, elegiremos como regulador de +5V

un LM323 que suministra hasta 3A, con una impedancia de salida próxima a 0’01 ohmios, precisando una tensión de entrada no inferior a 7’5V y con una capacidad de disipación de potencia de 30W. Se dispondrá en la salida de la fuente de varias líneas de conexión, tanto en masa como a +5V y los cables de conexión serán de sección elevada y lo más cortos posibles, con la intención de producir la mínima caída de tensión.

Los reguladores de +12V y –12V, serán elementos como el 7812 y el 7912

respectivamente, que proporcionan corrientes de salida de 1A y disponen internamente

LM323

4A

R1330

DL1

D11N4148

D2

1N41

4820000 uF25V

C1 C2

L

10000 uF25V

C3

4300 uF25V

PR1FAGOR25A

0

9

FIG.35A

7812

7912

PR2

C4

10000 uF25V

C5

2000 uF25V

C6

1000 uF25V

D3

D4

R21KDL2

4148

4148

R31K

DL3

1A

1A

C710000 uF25V

C8

2000 uF25V

C91000uF

25V

-12V

0

+12V

0

+5V

+12V

0

14

14

0

220

de sistemas de protección contra cortocircuitos. Puesto que estas tensiones en principio no serán empleadas más que en aplicaciones muy concretas y la intensidad que pueden suministrar es baja, no será necesario emplear varias salidas, como en la alimentación de +5V, y los cables de conexión no es preciso que sean de sección elevada.

Debemos además considerar la necesidad de colocar elementos disipadores de

calor tanto en los puentes rectificadores como en los reguladores. En este caso podemos emplear radiadores de aletas de aluminio calculadas para 50W, que transmitirán al medio ambiente gran parte del calor que tendrían que soportar los reguladores y puentes. El sistema de evacuación del calor puede completarse con la incorporación a la fuente de un ventilador que provoque una circulación forzada de aire.

En el próximo número: El software: Las instrucciones Los tipos de instrucciones. Los modos de direccionamiento Conjunto de instrucciones del 8085 Ejemplos de algunas instrucciones Ejercicios

Solo una vida vivida para los demás merece la pena vivirse

Albert Einstein

Justo me has pillado cuando me estaba

tomando un descanso