Tutorial de Fuentes de Alimentación (parte 2)

Tutorial de Fuentes de Alimentación
(parte 2)

Fuentes Reguladas y Estabilizadas

Introducción:

La tensión continua disponible a la salida del filtro del rectificador puede que no sea lo suficientemente buena, debida al rizado, o que varíe su valor ante determinado tipo de perturbaciones, como variaciones de la tensión de entrada, de la carga o de la temperatura.

En estos casos se necesitan circuitos de regulación o estabilización para conseguir que la tensión continua a utilizar sea lo más constante posible.
Lo ideal sería que la tensión de salida fuera constante para cualquier condición del circuito, pero esto es imposible debido a: a) La tensión de red puede tener variaciones de hasta el 20% de su valor nominal.

b) El circuito de carga conectado al rectificador puede absorver más o menos corriente. Al aumentar la corriente por la carga, la tensión de salida disminuirá debido a la caida en la resistencia del transformador y la de los diodos.

c) En la salida aparece un rizado.

d) Cuando se utilizan dispositivos semiconductores, la tensión de salida varía con la temperatura

Una fuente de tensión estabilizada o regulada es aquella que cumple:

D Vs / Vs < D Ve / Ve

Una fuente de corriente estabilizada o regulada es aquella que cumple:

D Is / Is < D Ie / Ie Además de la clasificación en fuentes de corriente y fuentes de tensión, cabe distinguir dos tipos:
a) Fuentes estabilizadas: Consiguen la estabilización de la magnitud de salida (tensión ó corriente) utilizando directamente la característica no lineal de un dispositivo electrónico.

b) Fuentes reguladas: consiguen la estabilización de la magnitud de salida mediante un sistema de control o de realimentación negativa que corrige automáticamente dicha magnitud de salida.

FUENTE ESTABILIZADA DE TENSION.

El rizado y la resistencia de salida de una fuente no estabilizada (transformador, rectificador filtro ) resultan ser demasiado grandes para algunas aplicaciones. Se trata de reducirlos mediante una fuente estabilizada que utiliza un diodo zener.

F A. no estabilizada estabilizador carga Los datos de salida suelen ser:

V_s deseada
I_s máxima e Is mínima
R_r

Se desea calcular el zener y R_s

El margen de variación de la resistencia de carga será:

R_Lmáx = V_s / I_smín
RL_mín = V_s / I_smáx
Elección del zener:
La tensión nominal del zener ha de ser igual a la tensión deseada:
Vz = Vs Elección de Rs: Para calcularl deberemos ver primero el circuito equivalente del zener

r_z , Iz y Vz son características de cada zener en particular, y son suministradas por el fabricante
	Diodo ideal r_z Vz

El circuito resultante es:

en el que R'_s = R_r + R_s

Resulta:

V_s = I_z r_z + V_z
V_s = I_s R_L
V_e = I_e R'_s + V_s = (I_z + I_s) R'_s + V_sDe donde operando :

Los valores límites de que garantizan que el zener trabaja en la zona deseada son :

El valor de R'_s que se escoja debe cumplir : R'_{s mín} < R'_s < R'_{s máx}

Se deberá procurar que el valor comercial de R'_s escogido esté más cerca de R'_{s máx} que de R'_{s mín}, a fin de evitar que el zener se caliente excesivamente.

Recuérdese que R'_s = R_r + R_s

FUENTES REGULADAS:. Una fuente regulada de tensión utiliza una realimentación negativa que detecta de un modo instantáneo las variaciones de tensión de salida, actuando como control que las corrige automáticamente. La regulación puede ser en serie o en paralelo.

REGULACION SERIE Una fracción de la tensión de salida, m V_s, es comparada con una tensión de referencia V_R.
La diferencia de las dos es amplificada por el amplificador de error y aplicada al control.

Si V_R = m V_s => El control no actúa.
Si V_R < m V_s => El control debe conducir menos para disminuir la tensión a la salida.
Si V_R > m V_s => El control debe conducir más para aumentar la tensión a la salida.

REGULACION EN PARALELO

El comparador compara una fracción de la tensión de salida, m V_s, con una tensión de referencia, V_R. La diferencia entre estas dos es amplificada por el amplificador de error y aplicada al control.

Si V_R = m V_s => El control no actúa.
Si V_R > m V_s => El control debe conducir menos, para, al drenar menos corriente por R_S, disminuir la caída de tensión en ésta y aumentar la de salida.
Si V_R < m V_s => El control debe conducir más para, al drenar más corriente por R_s, aumentar la caída en ésta y disminuir la salida.

COMPARACION ENTRE LOS DOSTIPOS DE REGULACIÓN

La diferencia entre los dos tipos estriba en el elemento de control.
Regulación en serie
El control soporta toda la corriente de carga.
Está sometido a una diferencia de potencial en extremos igual a V_s - V_e.
Regulación en paralelo
El control deriva menos corriente cuanto mayor es la corriente de carga. Con cargas muy fuertes, el control estará trabajando con pequeñas corrientes.
La diferencia de potencial aplicada al control es V_s, ya que está en paralelo con la salida.
De las anteriores consideraciones se deduce que, a fin de no cargar excesivamente el control, la regulación en serie es apropiada para pequeñas corrientes de carga y/o grandes tensiones de salida, en tanto que la regulación en paralelo es apta para grandes corrientes de carga y/o pequeñas tensiones de salida.
En algunos casos, en que el margen de tensiones y corrientes en que va a trabajar la fuente es muy grande, se recurre al montaje de dos fuentes, una en serie y otra en paralelo, con un conmutador que selecciona una u otra, según las condiciones de trabajo.
Una fracción de la tensión de salida, m V_s, es comparada con una tensión de referencia V_R. La diferencia de las dos es amplificada por el amplificador de error y aplicada al control.

ELEMENTO DE REFERENCIA

Deberá ser tal que proporcione una tensión V_R lo más constante posible. Se utilizará un diodo zener.
Es preciso que I_Z sea lo más constante posible.
Para ello ha de procurarse que I₁ >> I₂
Las variaciones de la tensión de salidaafectarán a la de referencia
(al aumentar I_Z, aumenta V_R, y al contrario)
Si r_Z es pequeña (idealmente, cero), V_R = V_Z independiente de I_Z

ELEMENTO DE MUESTRA

Ha de tomarse una fracción de la tensión de salida para medir sus variaciones y compararlas con la de referencia.

Se utiliza un divisor resistivo
La corriente que absorbe el comparador debe ser despreciable frente a I1, a fin de no cargar apreciablemente al divisor.
En estas condiciones:

R ( 1 - a) + R₂
m V_s = --------------------- x V_s
R₁ + R + R₂

ELEMENTO COMPARADOR

La señal de salida del comparador debe ser proporcional a la diferencia entre la tensión suministrada por el muestreador (m V_s) y la de referencia (V_R).

Si m V_s aumenta, aumentará la corriente de base o, lo que es lo mismo, V_BE, produciendo un aumento en la corriente de colector            m V_s - V_R - V_BE       m V_s - V_R
IC = -------------------- » ------------
                  r_zr_zObsérvese que I_C depende pues de la diferencia entre la tensión de muestra y la tensión de referenciam ( V_S - V_R)
Debido pues a que como tanto el zener como el transistor son elementos semiconductores, el funcionamiento de nuestro circuito variará con la temperatura.. Se conseguirá una buena compensación térmica cuando: D V_BE       D V_R
----------   y   --------- sean del mismo valor
D T        D Ty de signos opuestos. A este fin, son muy apropiados los diodos zener de tensiones nominales alrededor de los seis voltios, por lo que, siempre que se pueda, se utilizarán estos valores.

AMPLIFICADOR DE LA SEÑAL DE ERROR
Suele ser un amplificador de acoplo directo, generalmente constituido por un solo transistor. Su objetivo es elevar la señal de error procedente del comparador a un nivel suficiente para atacar el control. En muchos casos, el mismo comparador hace las veces de amplificador de error.

ELEMENTO DE CONTROL
Interpreta la señal de error y corrige las variaciones de la tensión de salida, VS. Se suele utilizar un transistor conectado como indica la figura:

Si Vs, por ejemplo, tiende a aumentar, la señal de error ha de ejercer sobre el transistor una acción tal que haga que Vs tienda a disminuir (realimentación negativa), contrarrestando la variación inicial. Por tanto, deberá aumentar VCE en el caso de regulación en serie, y aumentar Ic en el caso de regulación en paralelo.Supongamos que Ve tiende a aumentar (debido a fluctuaciones en la red); => Vs tenderá a aumentar.
Este aumento de Vs, a través del comparador, hará que varíe Ic. Como la corriente la corriente que entra en el nudo, suministrada por un generador de corriente, es constante, al aumentar Ic disminuirá IB, con lo que el transistor conducirá menos, aumentando VCE. Así pues, vemos que un aumento de de Ve es absorbido entre colector y emisor, manteniéndose de ese modo Vs constante.
Un aumento de la corriente de carga producirá una disminución de Vs (debida a la resistencia de salida de la fuente). El circuito reaccionará de manera que Ic disminuirá, por lo tanto aumentará IB con lo que el transistor conducirá más, disminuyendo la VCE. De esta manera, variaciones de la carga son compensadas por el circuito.
En muchos casos, el generador de corriente está constituido por una simple resistencia. Cuando se quiera mayor precisión, se montará un transistor como generador de corriente, es decir, fijando la tensión de base y haciendo la salida por colector. Para obtener la tensión de base constante se utiliza un zener. El conjunto recibe el nombre de prerregulador.

Prerregulador

           V_Z - V_BE           V_Z
I_cte =     -----------   » ------ = cte.
               R₃            R₃
Nota: I_cte : significa " corriente constante "

R₂ es la resistencia de polarización del zener.
Se debe cumplir que I_cte sea mayor o igual que 2 I_Bmáx.
En el caso de utilizar una resistencia:

V_e - V_s - V_BEcontrol V_e - V_s
R = ----------------------------------- » -------------
I_cteI_cte

CONSIDERACIONES SOBRE LA TENSION DE SALIDA
A.- Tensión mínima de salida. Vsmín = VR
No se puede bajar de este valor, por lo que, si se quieren obtener pequeñas tensiones de salida, es preciso utilizar zeners de baja tensión.
B.-Tensión máxima de salida. Vsmáx = Ve
En este punto se pierde la regulación, por lo que no es aconsejable acercarse a él.
Conviene que la tensión de entrada sea bastante mayor que la de salida deseada. Ahora bien, si la de salida es variable (por medio del potenciómetro del elemento de muestra), cuando a la salida está presenta la tensión mínima (V_R), V_CE alcanzará valores elevados, lo que habrá que prever a fin de evitar la destrucción del transistor. Habrá que contar con el caso peor, en que V_s = V_R y I_s = máxima.
En este caso; V_CE = V_e - V_R y la potencia disipada por el control P = V_CE . I_smáx.

CIRCUITO COMPLETO
Un circuito elemental basado en los elementos explicados en los puntos anteriores sería:

Observar que hemos colocado en el elemento de control un transistor más ( el T₃) montado con el T₂ en Darlington, de esa manera aumentamos la eficiencia del elemento de control al aumentar la b correspondiente.

PROTECCION CONTRA CORTOCIRCUITOS
En la fuente regulada en serie, un cortocircuito es fatal para el transistor de control, ya que tiene que soportar toda la corriente de cortocircuito.
No es así en la fuente regulada en paralelo, en la que al producirse un corto y quedar la tensión de salida a cero, todos los elementos quedan sin polarización. En este caso, es la resistencia serie, Rs, la que soporta toda la corriente.

En las fuentes reguladas en serie es conveniente añadir, pues, un elemento de protección contra cortocircuitos, que desconecte el control cuando se produzca alguno. Los dos tipos más usados son:

En ambos casos, cuando la corriente de slida excede de cierto valor, los diodos conducen en un caso o el transistor conmuta en el otro, saturándose y drenando la corriente de base del transistor de control, que queda sin polarización y, por tanto, desconectado.

OSCILACIONES EN UNA FUENTE Puede ocurrir, y de hecho ocurre en multitud de ocasiones, que la realimentación, que en contínua es negativa, se convierta en positiva para alguna frecuencia, generalmente muy alta, dando lugar a que la fuente oscile.
Para evitar esta eventualidad, se conecta en paralelo con la salida un condensador de gran capacidad, (condensador C2 de la figura ) que cortocircuitará las componentes de alta frecuencia debidas a la oscilación.

Otra solución consiste en conectar un condensador (C1) entre el colector y la base del transistor comparador (T1); de este modo queda cortocircuitado para las altas frecuencias, con lo que no hay amplificación. Algunas veces, en que la fuente tiene fuerte tendencia a la oscilación, se utilizan las dos soluciones simultáneamente.

FUENTES VARIABLES HASTA CERO VOLTIOS

Se ha dicho que la mínima tensión en una fuente regulada en serie es VR. Cuando se necesita que la fuente suministre tensión variable, desde un cierto valor máximo hasta cero voltios, es preciso recurrir a la alimentación simétrica: una tensión positiva y otra negativa respecto de masa. De este modo si VR es positiva respecto de su barra de alimentación, y esta, a su vez, es negativa respecto de masa, puede conseguirse que el emisor del comparador quede a cero voltios respecto de masa, con lo que, realmente, está comparando mVs con cero voltios.

Huelga decir que todo lo que se ha dicho de las fuentes aquí estudiadas, con negativo a masa, es válido para fuentes con positivo a masa, sin más que cambiar la polaridad de todos los elementos que la tengan (transistores, diodos y condensadores electrolíticos).

REGULADORES MONOLITICOS

Existen pastillas de circuito integrado que funcionan como reguladores de tensión, lo que representa ventajas respecto a los circuitos con elementos discretos. Los módulos básicos pueden usarse directamente o agregando componentes exteriores. Con este tipo de dispositivos se alcanzan tensiones de salida reguladas que varían entre cero voltios y algunos centenares.
El fabricante suministra toda la información necesaria para un uso de terminales hacia afuera: tensión de salida (fija o ajustable), corriente máxima de salida, regulación, rizado, margen de la tensión de entrada, margen de temperatura de funcionamiento, étc.
También se indica la misión hacia afuera de los distintos terminales. Como ejemplo, se verá un circuito en que, además del C.I., se utilizan componentes discretos exteriore, y cuál es la función de cada terminal.

REGULADOR DE TENSION DE PRECISION: CA723, CA723C

The CA723 and CA723C are silicon monolithic integrated circuits designed for service as voltage regulators at output voltages ranging from 2V to 37V at currents up to 150mA.

Alimentación positiva o negativa
Serie, shunt, conmutación u operación flotante
Salida de tensión ajustable de 2 a 37 voltios.
Corriente de salida hasta 150 mA. sin transistor externo de paso.

Valores máximos absolutos (TA = 25º C)

Tensión desde V+ a V- 40 V.
Tensión diferencial entre entrada y salida 40 V.
Máxima corriente de salida 150 mA.
Rango de temperaturas de 0ºC a 70ºC.

Diagrama de conexiones:

1.- No conectar
2.-Limitación de corriente
3.- Sensor de corriente
4.- Entrada inversora
5.- Entrada no inversora
6.- VREF
7.- V-

8.- No conectar
9.- Vz
10.- Vs
11.- Vc
12.- V+
13.- Compensación de frecuencia
14.- No conectar

CIRCUITO EQUIVALENTE

Características eléctricas

Parámetro	Condiciones de medida	Mín	Típ	Máx	Unidades
Rechazo del rizado	F = 50 Hz a 10 Kz. CREF = 0uF		74		dB
Rechazo del rizado	F = 50 Hz a 10 Kz. CREF = 5uF		86		dB
Corriente de cortocircuito	Rsc = 10 Vs = 0		65		mA
Tensión de referencia		6,80	7,15	7,50	V.
Tensión de entrada		9'5		40	V.
Tensión diferencial		3		38	V.
Tensión de salida		2		37	V.

Aplicación del CA723 como regulador de tensiones bajas ( 2 a 7 V.)

R3 debe ser igual al paralelo de R1 y R2
(también puede ser eliminada)

Usando un transistor externo (p-n-p)

                   R₂
Vs = V_REF ----------------     Fórmula válida para las dos figuras
                R₁ + R₂anteriores

Aplicación del CA723 como regulador
de tensiones de ( 7 a 37 V.)

R3 debe ser igual al paralelo de R1 y R2
(también puede ser eliminada)

Usando un transistor externo (n-p-n)

                R₁ + R₂
Vs = V_REF ----------------     Fórmula válida para las dos figuras
                   R₂anteriores

REGULADOR DE TENSION NEGATIVA

      V_REF    R₁ + R₂
Vs = ---------- ---------------                                   ( R3 = R4 )
             2            R₁

REGULADOR DE POSITIVO FLOTANTE

      V_REF    R₂ - R₁
Vs = ---------- ---------------                                   ( R3 = R4 )
           2             R₁

Limitación de corriente
(para todos los casos):

V_SENSE
I_LIMIT = ----------------
R_sc

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