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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: Se desea calcular el zener y Rs

El margen de variación de la resistencia de carga será:

RLmáx = Vs / Ismín
RLmín = Vs / Ismáx
  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

 
Diodo ideal 

rz 
 

Vz


rz , Iz y Vz son características de cada zener en particular, y son suministradas por el fabricante

 
 El circuito resultante es:  

en el que R's = Rr + Rs

Resulta:

Vs = Iz rz + Vz
Vs = Is RL
Ve = Ie R's + Vs = (Iz + Is) R's + VsDe 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' 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 = Rr + Rs

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 Vs, es comparada con una tensión de referencia VR.
La diferencia de las dos es amplificada por el amplificador de error y aplicada al control.

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 Vs - Ve.
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 Vs, 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 Vs, es comparada con una tensión de referencia VR. 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 VR lo más constante posible. Se utilizará un diodo zener.
Es preciso que IZ 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 IZ, aumenta VR, y al contrario)
Si rZ es pequeña (idealmente, cero), VR = VZ independiente de IZ

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 Vs = --------------------- x Vs
              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 Vs) y la de referencia (VR).

Si m Vs aumenta, aumentará la corriente de base o, lo que es lo mismo, VBE, produciendo un aumento en la corriente de colector            m Vs - VR - VBE       m Vs - VR
IC = -------------------- »  ------------
                  rz                                     rzObsérvese que IC depende pues de la diferencia entre la tensión de muestra y la tensión de referenciam ( VS - VR)
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 VBE       D VR
----------   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

           VZ - VBE           VZ
Icte =     -----------   »  ------ = cte.
               R3            R3
Nota:  Icte : significa " corriente constante "

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

       Ve - Vs - VBEcontrol                Ve - Vs
R = ----------------------------------- » -------------
                 Icte                         Icte 

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 (VR), VCE 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 Vs = VR y Is = máxima.
En este caso; VCE = Ve - VR y la potencia disipada por el control P = VCE . Ismáx.  

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

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)

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

Usando un transistor externo (n-p-n) 



                    R1 + R2
Vs = VREF ----------------     Fórmula válida para las dos figuras
                       R2          anteriores

REGULADOR DE TENSION NEGATIVA



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

REGULADOR DE POSITIVO FLOTANTE

 


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

Limitación de corriente
(para todos los casos):

               VSENSE
ILIMIT = ----------------
                    Rsc

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