Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas Electrónica General
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Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
Electrónica General
FUENTES DE ALIMENTACIÓNFUENTES DE ALIMENTACIÓNLINEALES REGULADASLINEALES REGULADAS
LECCIÓN 21
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
ENCUADRE Y OBJETIVOSENCUADRE Y OBJETIVOS
TEMA III: DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES
TEMA I: INTRODUCCIÓN
TEMA II: TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
TEMA IV: AMPLIFICACIÓN Y REALIMENTACIÓN
TEMA V: AMPLIFICADORES OPERACIONALES
TEMA VI: FUENTES DE ALIMENT. LINEALES
INGENIERÍA INDUSTRIAL 4º CURSO
ELECTRÓNICA GENERAL
Dispositivos electrónicos comunes.
• Diodo.• Transistor.• Amplificador operacional.
Análisis de circuitos electrónicos.
• Definición de los intervalos de funciona- miento.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
OBJETIVOS Justificar la necesidad de fuentes de CC.
Ofrecer soluciones para implementarlas. Identificar las más adecuadas para cada caso.
Estudiar los bloques que las componen.
Conseguir que el alumno llegue a diseñarlas.
ENCUADRE Y OBJETIVOSENCUADRE Y OBJETIVOS
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
ÍNDICEÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN
2. CIRCUITOS RECTIFICADORES
3. FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA3.1. Filtro por bobina3.2. Filtro por bobina y condensador3.3. Filtro por condensador
4. REGULACIÓN DE TENSIÓN4.1. Circuitos reguladores en bucle abierto4.2. Circuitos reguladores en bucle cerrado
4.2.1. Circuito limitador de corriente4.2.2. Reguladores ajustables de múltiples terminales
4.3. Reguladores de tensión integrados4.3.1. Reguladores de tensión fija positiva 4.3.2. Reguladores de tensión fija negativa
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INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN Alimentación de circuitería electrónica.
• Tensión continua (5V, 10V, 12V, 15V...) Uso de baterías.
• Poca autonomía y coste elevado. Red eléctrica.
• Fuente primaria de uso más frecuente.• Obtener tensión continua a partir de la tensión de red
Rectificador FiltroPasivo ReguladorVCA VCC
Transformador Cargaelectrónica
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
Transformador
TRANSFORMADOR + RECTIFICADORTRANSFORMADOR + RECTIFICADOR
Convierten la tensión CA en una tensión con valor medio no nulo.
• Rectificadores ya vistos en lecciones anteriores.• Elección de transformador asociada al rectificador elegido.
12
12
11
22
iNNi
vNNv
Varias posibilidades.• Primario – Secundario.• Toma media en secundario.
Transformador
Comportamiento ideal.
Reductor.• Determinar N1 : N2.
Aislamiento galvánico.• Protección del usuario.
N2
i1 i2
v1 v2N1 N2
i1 i2
v1 v2N1
v1 N1
v2
v2
N2
N2
v1 N1
v2
v2
N2
N2
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
TRANSFORMADOR + RECTIFICADORTRANSFORMADOR + RECTIFICADOR
Rectificadores
V
VNN
1
2
v1
v2
t
t
v1 v2
N1 : N2
v1
v2
N1
N2
N2
v1
v2
t
t
V
VNN
1
2
v1 v2
N1 : N2
v1
v2
t
t
V
VNN
1
2Recordatorio de las estructuras ya vistas.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
TRANSFORMADOR + RECTIFICADORTRANSFORMADOR + RECTIFICADOR
Rectificadores
Calidad de la tensión de salida.• Valor medio• Rizado
T
vT
v0
d1 ttv
vvr ef
22
t
V
T
t
V
T
v = ———2·V
r = 0,48
v = —V
r = 1,21t
V
T
v = —V
r = 1,21
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Reducir el rizado de la tensión.
Análisis aplicando principio de superposición.
Transformador+
Rectificador
• Asegurar comportamiento lineal.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Reducir el rizado de la tensión.
Análisis aplicando principio de superposición.
Transformador+
Rectificador
• Asegurar comportamiento lineal.• Permitir que la componente continua llegue a la carga.
• Quedarse con la componente alterna.
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FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFiltro por bobina
Elección del valor de L. • iL > 0.
• ZL(ca) >> RL.
ve(ca)
ZL = 2··f·L
RLve(cc)
ZL = 0
RL
ve(cc) = ——2·V
ve(ca) = - ——·cos (2t) - ——·cos (4t) + ···2·V3·
4·V15·
Rectificador ve RL
iL
L
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFiltro por bobina y condensador
Rectificador ve RL
iL
L
C
Mejora el funcionamiento.
• C contribuye a quedarse con la componente ca.
Elección de los valores de L y de C.• ZC(ca) << RL.
• ZL(ca) >> ZC (ca).• iL > 0.
(cc)
(ca)
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FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFiltro por condensador
Rectificador ve RL
C
Evita el uso de inductancias.
Análisis más complejo.• Pesadas y voluminosas para frecuencias de 50 / 100Hz.
• La evolución de corrientes y tensiones en el circuito da lugar a instantes en los que los diodos del rectificador están inversamente polarizados. Comportamiento no lineal.• No es posible aplicar el principio de superposición.
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Vp
Vp
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFiltro por condensador
v1 v2
Funcionamiento
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
v1 v2
Filtro por condensador Funcionamiento
Vp
Vp
v1 v2v1 v2v1 v2
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFiltro por condensador Análisis
Tensión de salida: exponencial y senoidal.
Simplificación: aproximación por onda triangular.• Considera descarga lineal del condensador.
• Simplifica cálculos.
• Un análisis detallado resultaría complicado.
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v2
Vp
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFiltro por condensador Análisis
T / 2
Vr
Supone descarga del condensador a corriente constante.
El valor Vr es conocido.• Limitado por especificaciones.
• iC = icarga.
iC ———v2(cc)
RL
Vr = — · ——— · —1C
V2(cc)
RL
T2Tomar un condensador
superior al valor calculado.
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FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADAFILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
v2
t
t
iD
T1
T
v2
t
t
iD
T1 TC C
Filtro por condensador Análisis ¿Por qué no se usa el mayor condensador posible?
• Principalmente por evitar un aumento de volumen innecesario.• Además hay que tener en cuenta la influencia del valor del condensador sobre la corriente que circula por los diodos.
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REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓN El conjunto rectificador + filtro puede constituir una fuente de alimentación.
• Si la carga no demanda demasiada corriente.• Sensible a las variaciones de carga y de la tensión de entrada.
Para conseguir más estabilidad en la tensión de salida es preciso incluir un regulador.
• Regulador en cadena abierta.• Regulador en cadena cerrada.
Rectificador FiltroPasivo Regulador
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REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓNCircuitos reguladores en cadena abiertaCircuitos reguladores en cadena abierta
us = Vz
R
RLVz us
FUENTESIN
REGULARue
Vz
Vp
La tensión ue debe ser siempre mayor que la tensión us.
• Interesa que ue no sea mucho mayor que us.
La diferencia entre ambas tensiones la soporta la resistencia R.
• Elección de N2:N1.
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REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓNCircuitos reguladores en cadena abiertaCircuitos reguladores en cadena abierta
R
RLVz usue
RTh
VzVTh
Límites de funcionamiento del regulador propuesto.• Pueden deducirse a partir del circuito equivalente Thèvenin que ve el zener.
VTh = ue·————RL
R + RL
VTh > Vz
R < RL · ————ue – Vz
Vz
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓN
Otra posibilidad
FUENTESIN
REGULARR RLVz
usue
Q1
us = Vz – uBE
El elemento de control pasa a ser un transistor.
La resistencia R reduce su tamaño.
Circuitos reguladores en cadena abiertaCircuitos reguladores en cadena abierta
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓNCircuitos reguladores en cadena cerradaCircuitos reguladores en cadena cerrada
Mantener una tensión de salida constante para cualquier valor de carga y tensión de entrada.
• Sistema realimentado negativamente para mantener una tensión de salida constante.
CIRCUITOCOMPARADOR
CIRCUITO DEMUESTREO
ELEMENTODE CONTROL
ueentrada
no regulada
ussalida
regulada
TENSIÓN DEREFERENCIA
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REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓN
FUENTESIN
REGULAR
R
RL
Vz
ue
Q1
us
R2
R1
Circuitos reguladores en cadena cerradaCircuitos reguladores en cadena cerrada
Esquema de un regulador de tensión en cadena cerrada.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓN
Elementode Control
CircuitoComparador
FUENTESIN
REGULAR
R
RL
Vz
ue
Q1
us
R2
R1
Circuito deMuestreo
Tensión deReferencia
Identificación de los bloques de que consta un regulador en cadena cerrada.
Circuitos reguladores en cadena cerradaCircuitos reguladores en cadena cerrada
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
us = ———— · VzR1 + R2
R2
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓN
RRLVz
ue
Q1
us
R2
R1
ue
Amplificador lineal no inversor.
• Q1 permite entregar más corriente de salida.
Circuitos reguladores en cadena cerradaCircuitos reguladores en cadena cerrada
Representación alternativa del regulador.
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REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓN
iB = —— —————iE
+1us
(+1) · RL
——————— – 1us
RL(mín) · io(máx)
ue
iE
iB
La corriente de base del transistor es aportada por el operacional (io).
• Esta corriente debe permitir cubrir todo el rango de corrientes de salida.
Circuitos reguladores en cadena cerradaCircuitos reguladores en cadena cerrada
A tener en cuenta
Relación entre la ganancia del transistor y la corriente de salida del A.O.
Es posible usar un montaje Darlington.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
R
Vz
ue
Q1
us
R2
R1
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓNCircuitos reguladores en cadena cerradaCircuitos reguladores en cadena cerrada
ue
R
Vz
Q1
us
R2
R1
A tener en cuenta El amp. op. está alimentado desde una fuente no estabilizada.• Su comporta-
miento no varía con las variacio- nes de Vcc.Hay que
asegurar que el amp. op. trabaja en zona lineal
• uout < Vcc-2.
ue > us+2
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓN
R
Vz
ue
Q1
us
R2
R1
ue
R
Vz
Q1
us
R2
R1
Circuitos reguladores en cadena cerradaCircuitos reguladores en cadena cerrada
A tener en cuenta
Tensión de referencia.
• Circuito muy sencillo.• Eligiendo R suficientemente elevada se evita la influen- cia del rizado de ue.• Pueden usarse LEDs o diodos rectificadores.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓNCircuitos reguladores en cadena cerradaCircuitos reguladores en cadena cerrada
R
Vz
ue
Q1
us
R2
R1
ue
R
Vz
Q1
us
R2
R1
A tener en cuenta
Circuito de muestreo.
• Circuito muy sencillo.• Valores de R1 y R2 elevados en comparación con la carga.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
Curva de RegulaciónCurva de Regulación
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓN
Limitación a corriente constante.• Si is < Imáx, se tiene us = us(nom).• Cuando is > Imáx, us disminuye.
is
us
Imáx
Q1
Q2
Rcc is
uBE2
Cuando Q2 conduce, le “roba” corriente de base a Q1.
• Se limita así el valor de is.• El valor de Imáx se fija con Rcc.Rcc · Imáx 0,6V [uBE2(ON)]
Circuitos reguladores en cadena cerradaCircuitos reguladores en cadena cerrada
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓN
RRL
Vz
ue us
R2
R1
Q1
Q2
Rcc
Esquema completo
Circuitos reguladores en cadena cerradaCircuitos reguladores en cadena cerrada
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓNCircuitos reguladores en cadena cerradaCircuitos reguladores en cadena cerrada
Reguladores ajustables de múltiples terminales.• Permiten montar una fuente de alimentación completa.
Rcc
R1
R2
usue
REF
723723
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓN
Incluyen todos los elementos de un regulador en bucle cerrado.
• Regulador de tensión positiva fija.• Regulador de tensión negativa fija.• Regulador de tensión ajustable.
RLue us
Protección térmica contra sobrecargas.
• Corriente máxima
depende del tipo de encapsulado.
Condensadores para mejorar estabilidad.
Circuitos reguladores de tensión integradosCircuitos reguladores de tensión integrados
IN OUT
GND
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REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓN
Serie 78XX.• Los dígitos XX indican la tensión de salida.
Regulador7805
7812
7815
us
+5V
+12V
+15V
ue mín+7,3V
+14,6V
+17,7V
Circuitos reguladores de tensión integradosCircuitos reguladores de tensión integradosReguladores de tensión
fija positiva
Tensiones entre 5 y 25V.
La tensión de entrada debe ser superior a la de salida.
• Al menos 23 voltios.• No debe superar los 35V.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓN
vred220Vef
ue us RCARGA
IN OUT
GND
is
470µF 10nF
781218Vef
18Vef
C
25,46Vpico
+12V
Ejemplo
Elegir la relación de espiras del transformador más adecuada para minimizar la potencia disipada.
Circuitos reguladores de tensión integradosCircuitos reguladores de tensión integradosReguladores de tensión
fija positiva
El condensador C debe asegurar que ue nunca pasa por debajo del valor mínimo permitido.
• La corriente de descarga es is.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓN
Especificaciones
Tensión de salida (Output Voltage). Valores típico, mínimo y máximo.
Regulación de salida (Load Regulation). Máxima variación sobre us.
Corriente de salida en cortocircuito (Short-Circuit Current). Cantidad de corriente que puede entregar el regulador.
Corriente de salida de pico (Peak Output Current). Máxima corriente de pico [no repetitivo].
Caída de tensión (Dropout Voltage) Mínimo valor de la diferencia de tensión entre entrada y salida.
Circuitos reguladores de tensión integradosCircuitos reguladores de tensión integrados
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
RL
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓNCircuitos reguladores de tensión integradosCircuitos reguladores de tensión integrados
Reguladores de tensiónfija negativa
Serie 79XX.• Análogos a los reguladores positivos de la serie 78XX.
IN OUT
GND
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓN
Trafo Rectif. Filtro78XX
Trafo Rectif. Filtro78XX
0
+
-
vred N1
N2
N2
+
78XX
79XX
+
+V
+
-
-V
Se pueden implementar fuentes simétricas con 78XX. Habría que diseñar dos fuentes completas.
Usando 79XX se simplifica el diseño.
Circuitos reguladores de tensión integradosCircuitos reguladores de tensión integradosReguladores de tensión
fija negativa Facilitan la construcción de fuentes de alimentación simétricas.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
vred N1
N2
N2
+
78XX
79XX
+
vred N1
N2
N2
+
78XX
79XX
+
-
+
REGULACIÓN DE TENSIÓNREGULACIÓN DE TENSIÓN
N1
N2
N2
+
78XX +
N1
N2
N2
+
79XX -
Circuitos reguladores de tensión integradosCircuitos reguladores de tensión integradosReguladores de tensión
simétricavred N1
N2
N2
+
78XX
79XX
+
vred N1
N2
N2
+
78XX
79XX
+
-
+
vred N1
N2
N2
+
78XX
79XX
+
vred N1
N2
N2
+
78XX
79XX
+
-
+
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
Requieren pocos componentes y son fáciles de construir.
El diseño de las fuentes de alimentación conmutadas es complicado, sobre todo en lo que se refiere a su lazo de regulación.
Fuente Lineal
COMENTARIOCOMENTARIO Otros tipos de fuentes de alimentación.
• Fuentes de alimentación conmutadas.
Fuente Conmutada
La diferencia de tensión entre la fuente primaria y la tensión de salida es absorbida por un elemento que maneja toda la corriente que circula hacia la carga
Entre la fuente primaria y la carga se coloca un inte- rruptor y un filtro pasivo. En el interruptor nunca están presentes a la vez tensión y corriente.
Alto rendimiento
Rendimiento bajo
Pequeñas yligeras
Pesadas yvoluminosas
Ruidosas
No radian ruidoTrabajan a la frecuencia de red (o al doble de ésta), por lo que los componentes pasivos que incorporan (bobinas y condensadores) son grandes.
Trabajan a frecuencias elevadas (decenas o cientos de kilohertzios), lo que permite usar bobinas y con- densadores pequeños.
Complejas
Sencillas
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
RESUMENRESUMEN
1. Ante la necesidad de alimentar los circuitos electrónicos con tensión conti- nua, se plantea la obtener esta tensión a partir de la red eléctrica.
2. Las fuentes de alimentación lineales constan de un rectificador (con su transformador correspondiente), un filtro pasivo y, en la mayoría de los casos, un regulador de tensión.
3. En la mayoría de los casos se usa un filtro por condensador por el poco espacio que ocupa en comparación con los que incorporan bobinas.
4. Los reguladores de tensión se encargan de asegurar que la tensión de salida se mantiene constante independientemente de las variaciones de carga y/o tensión de entrada que puedan surgir.
5. Existen reguladores integrados que simplifican la construcción de las fuentes de alimentación lineales.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
Electrónica General
FUENTES DE ALIMENTACIÓNFUENTES DE ALIMENTACIÓNLINEALES REGULADASLINEALES REGULADAS
LECCIÓN 21