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• Nelly Chacon

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Rectificador de onda Completa En un filtro rectificador de onda completa, el condensador de filtro se carga solamente una vez durante cada ciclo de voltaje de entrada. Por tanto debe suministrar corriente a la carga durante la mayor parte del tiempo. Esto obliga a utilizar condensadores de gran capacidad para minimizar el rizado y sostener la corriente de carga. Un mejor resultado se obtiene utilizando un rectificador de onda completa, figura 1.

Figura 1. Rectificador de Onda Completa con filtro condensador En este caso el condensador se recarga dos veces por semiciclo, lo cual implica que su tiempo de descarga se reduce a la mitad. Como resultado, disminuye el rizado y el voltaje de salida se mantiene casi constante, muy próximo al valor pico. Observamos que los diodos D3 y D2 conducen durante los semiciclos positivos del voltaje de entrada (V2), mientras que los diodos D1 y D4 lo hacen durante los semiciclos negativos. Por lo tanto podemos concluir lo siguiente: 1. El valor medio del voltaje de salida de un rectificador aumenta a medida que lo hace el valor del condensador filtro. Esto se debe

a que disminuye el valor pico a pico del voltaje de rizado, el cual es inversamente proporcional a la capacidad. 2. El valor medio de salida de un rectificador aumenta a medida que lo hace el valor de la resistencia de carga. Esto se debe a que disminuye el valor pico a pico del voltaje de rizado, el cual es directamente proporcional a la corriente de carga e inversamente proporcional a la resistencia misma. 3. El efecto neto del condensador de filtro a la salida de un rectificador es convertir el voltaje de CD a un voltaje casi uniforme, caracterizado por unas pequeñas variaciones periódicas de amplitud que constituyen el rizado. 4. El rizado en el voltaje de salida de un rectificador con filtro se debe a los procesos de carga y descarga del condensador. La magnitud de estas variaciones depende, directamente de la corriente de carga e inversamente de la capacidad del filtro. En el caso de un rectificador de onda completa, la frecuencia del rizado es igual al doble de la frecuencia del voltaje de CA de entrada. Otros tipos de filtros Los voltajes rectificados en media onda son mas difíciles de filtrar que los rectificados en onda completa, debido a que requieren condensadores de muy alta capacidad para compensar la ausencia de voltaje durante la mitad de cada ciclo y mantener el rizado dentro de los limites razonables. Una alternativa en estos casos, es utilizar un circuito como el mostrado en la figura 2.

Figura 2.

Rectificador de media onda

Formado por dos condensadores (C1 y C2) y una resistencia (R) conectados de tal forma que recuerdan la letra griega phi   . Por esta razón se denominan un filtro  . La idea básica de un filtro pi es conseguir que la mayor parte del rizado aparezca sobre la resistencia en serie ( R ) en lugar de hacerlo sobre la resistencia de carga (RL). De este modo se atenúan considerablemente las variaciones de voltaje de salida. La principal desventaja de este tipo de filtro es la caída de voltaje que se presentan sobre la resistencia. Por esta razón solo es adecuado para cargas que exigen muy poca corriente. En algunos casos, la resistencia R se sustituye por una bobina, con lo cual se minimiza la caída de voltaje y se mejora la acción de filtrado. Fuentes de alimentación reguladas Como hemos visto, es posible reducir el rizado en el voltaje de salida de un rectificador a cualquier nivel deseado utilizando un condensador de filtro suficientemente grande. Sin embargo, esto no garantiza que el voltaje de la carga permanezca constante. De hecho, este último puede variar debido a otras causas, por ejemplo, las fluctuaciones en el voltaje de CA de entrada del transformador o los cambios en la resistencia de carga. Para minimizar el efecto de estos factores y

garantizar un voltaje de salida verdaderamente constante, la mejor solución es utilizar un regulador entre el filtro y la carga, figura 3.

Figura 3. regulada

Estructura básica de una fuente de alimentación

Las fuentes de alimentación con esa característica se denominan fuentes reguladas. La idea básica del regulador en una fuente regulada es, por tanto, mantener constante el voltaje de salida, independiente de las variaciones en el voltaje de entrada o en la corriente de la carga. El regulador puede estar conectado en serie o paralelo con la carga y actúa esencialmente como una resistencia variable. En un regulador en serie, por ejemplo, si aumenta el voltaje de entrada, debe aumentar la resistencia del regulador para que el voltaje sobre la carga no cambie. Lo mismo sucede si disminuye la demanda de corriente. Los reguladores de voltaje están basados en el uso de dispositivos activos como los diodos Zener, los transistores y los circuitos integrados. Estos últimos denominados comúnmente reguladores monolíticos, son los más populares debido a su bajo costo, facilidad de uso y excelentes características de funcionamiento. Además requieren de una mínima cantidad de componentes externos y normalmente están protegidos contra cortocircuitos, sobrecalentamiento y otras adversidades.

Reguladores de voltaje con diodo Zener Un elemento regulador de voltaje muy común es el diodo Zener figura 4.

Figura 4.

Regulador Zener básico de carga

Estos diodos están especialmente diseñados para mantener un voltaje constante entre sus terminales, llamado voltaje Zener (Vz), cuando se polarizan inversamente, es decir una tensión positiva en el cátodo (K) y negativa en el Ánodo (A). En condiciones de polarización directa o mientras la tensión inversa de entrada este por debajo de Vz, un diodo Zener se comporta como un diodo rectificador común. Los diodos Zener se especifican principalmente por su voltaje nominal (Vz) y la máxima potencia que pueden disipar (Pz). La relación entre Pz y Vz determina la máxima corriente inversa (Izmax) que puede conducir el diodo sin sobrecalentarse. Por ejemplo la máxima corriente inversa de un diodo Zener de 5.1V y 0.5W es Pz/Vz = 0.5W/5.1V =0.098A = 98mA. Si sobrepasa esta corriente, el diodo puede destruirse. Para evitar que esto suceda, los diodos Zener deben ser protegidos mediante una resistencia en serie, llamada resistencia de drenaje. En la figura 4 se muestra la estructura básica de un regulador con diodo Zener, este ultimo (DI), polarizado inversamente y conectado en

paralelo con la carga (RL) mantiene el voltaje de salida (VL) constante igual a su voltaje nominal (Vz), independiente de las variaciones de voltaje de entrada (Vs). La resistencia de drenaje (Rs) absorbe la diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida. Su valor se puede evaluar en forma aproximada mediante la siguiente formula: Rs 

Vs  Vo IL  Iz

Siendo Vs (V) el voltaje de entrada del regulador, procedente del filtro, (Vo (V) el voltaje de salida, igual al voltaje Zener (Vz), IL (A) la corriente de carga máxima e Iz la corriente a través del diodo Zener. Esta ultima se escoge normalmente de modo que este entre el 10% y el 20% de la corriente máxima. Este tipo de circuitos proporcionan regulación de voltaje únicamente para un cierto rango de voltajes de entrada y de resistencias de carga. Por fuera de estos rangos el diodo Zener puede bloquearse inclusive destruirse. El siguiente ejemplo aclarar estos conceptos. Ejemplo 1 Se desea diseñar un regulador Zener de 5.1 V para alimentar una carga de 5 a partir de una tensión de entrada de 9V. Para ello se utiliza un diodo Zener de 5.1V, 1W. Determine: a. El valor de la resistencia de drenaje. Asuma una corriente Zener igual al 10% de la corriente máxima. b. Los limites de variación del voltaje de entrada dentro de los cuales se mantiene la regulación. Asuma que la carga es constante c. La potencia nominal de la resistencia de drenaje.

Solución Inciso a El valor nominal de la resistencia de drenaje (Rs) puede ser evaluado a partir de la formula Rs 

Vs  Vo IL  IZ

En nuestro caso, Vs = 9V, Vo = 5.1V, IL = Vo / RL = 5.1V / 5ohm = 1.02A e Iz = IL / 10 = 1.02V / 10 = 0.102A. Por tanto: Rs 

 9  5.1

1.02  0.102 



3.9  3.48 1.122

Puesto que el valor obtenido  3.48 no es estándar, puede utilizarse una resistencia de 3.3 , que es el valor comercial más próximo. Inciso b Los valores mínimo y máximo del voltaje de entrada, entre los cuales el circuito mantiene regulado el voltaje de salida, pueden ser evaluados a partir de la formula Rs = (Vs-Vo) / (IL+Iz), despejando Vs y teniendo en cuenta que la corriente a traves del diodo Zener (Iz) no puede ser superior a su valor máximo (Izm) ni inferior a cero. Esto es:

Vs   I L  I Z  Rs  Vo El valor mínimo de Vs se obtiene haciendo Iz = 0. Esto es: Vs min  ( IL)  Rs  Vo

El valor máximo de Vs, por su parte, se obtiene haciendo Iz = Izm. Esto es:

Vs max   I L  I zm  Rs  Vo

En nuestro caso: I L  1.02 A, Rs  3.3,Vo  5.1V e I zm  Pz / Vz  1W / 5.1V  0.196 A

Por tanto: Vs min  1.02 A  3.3  5.1V  8.47V Vs max  1.02 A  0.196 A  3.3  5.1V  9.11V

Lo anterior implica que el voltaje de entrada puede fluctuar entre 8.47 V y 9.11 V para que exista regulación. Si este voltaje es inferior es 8.47V, el diodo Zener deja de conducir, mientras que si es superior a 9.11V se destruye por sobrecalentamiento. En ambos casos, no hay regulación y el circuito se comporta como un divisor de voltaje ordinario. Inciso c La potencia nominal mínima de la resistencia de drenaje puede ser

 9.11V  5.1V  evaluada a partir de la formula Ps  3.3

2

 4.87W

Por tanto como mínimo debe utilizarse una resistencia de 3.3 / 5W . En la práctica, por seguridad, debe escogerse una resistencia con una capacidad de potencia superior a este valor. De este modo, una resistencia de 3.3 /10W es más apropiada. Reguladores de voltaje con diodo Zener y transistor Un diodo zener solo puede proporcionar regulación dentro de un rango limitado de voltajes de entrada o de corrientes de carga. Esto se debe a que la corriente a través suyo no puede exceder de un cierto valor limite. Para manejar altas corrientes con un diodo Zener, sin perder sus características de regulación, es necesario acoplarlo a un dispositivo activo que se encargue de transportar la corriente de la

carga sin alterar el voltaje aplicado a ella. Esta función la puede efectuar un transistor bipolar, figura 5.

PNP Figura 5.

NPN

Símbolos de transistores bipolares representativos.

Un transistor bipolar es un dispositivo de tres terminales, llamados base (B), colector (C) y emisor (E), que se comporta como una fuente de corriente controlada por corriente. Esto significa que una corriente muy pequeña inyectada en la base (IB) puede controlar el paso de una corriente muy grande entre colector y emisor (IC). La relación entre IC e IB es fija y se denomina la ganancia de corriente del dispositivo. La misma se representa mediante el símbolo  (se lee beta). Por tanto, Ic  BI B . Esta característica puede ser aprovechada para regular el

voltaje sobre una carga, como se ilustra en la figura 6.

Figura 6. Regulador básico con transistor y diodo Zener. Con los valores de componentes indicados, este circuito entrega una tensión de salida (Vo) de 5V con una capacidad de corriente (IL)

superior a 1A. El transistor (Q1) debe ser provisto de un disipador de calor. En este caso, el transistor (Q1) actúa como una resistencia variable, conectada en serie con la carga y controlada por la corriente base (IB), figura 6. El voltaje de salida (Vo) es igual a Vz – VBE, siendo Vz el voltaje del Zener y VBE la tensión entre la base y el emisor de Q1. Esta última es del orden de 0.7V. Si aumenta le voltaje de entrada (Vi), tiende a aumentar el voltaje de entrada (Vi), tiende aumentar el voltaje de salida (Vo), pero esta tendencia es neutralizada automáticamente por Q1, el cual aumenta su resistencia entre colector y emisor para compensar el cambio y mantener así constante el voltaje de salida. Fuentes de alimentación con reguladores de tres terminales Actualmente, la mayor parte de las fuentes de alimentación practicas se diseñan con reguladores de voltaje integrados o monolíticos, los cuales poseen tres terminales figura 7; uno que recibe la tensión de entrada no regulada (VIN), otro que entrega la tensión de salida regulada (VOUT) y otro que actúa como electrodo de referencia o tierra. (GND). Estos dispositivos pueden proporcionar directamente corrientes de carga desde 100 mA hasta 5A o más. Los mismos se ofrecen en capsulas plásticas o metálicas y son extremadamente populares debido a su bajo costo y facilidad de uso. Los reguladores de tensión monolíticos de tres terminales pueden ser fijos o ajustables, dependiendo de si entregan una tensión de salida fija o variable sobre un cierto rango. Ambos tipos, a su vez, pueden ser positivos o negativos dependiendo de si entregan una tensión de salida positiva o negativa con respecto a su terminal de referencia. Las series comerciales más populares de cada clase, junto con sus ejemplos representativos, son los siguientes:

Reguladores fijos positivos: LM340-5 (5V); LM340-12 (12V), LM34015(15V), LM7805 (5V), LM7806 (6V), LM7808 (8V), LM7809 (9V), LM7812 (12V), LM7815 (15V), LM7818 (18V), LM7824 (24V), LM7830 (30V). Reguladores fijos negativos: LM320-5 (-5V); LM320-12 (-12V), LM32015(-15V), LM7905 (-5V), LM7912 (12V), LM7915 (-15V). Reguladores ajustables positivos: LM317 (desde +1.2V hasta +37V), LM317HV (desde +1.2V hasta +37V), LM317HV (desde +1.2V hasta +57V), LM338 (desde +1.2V hasta + 32V). Reguladores ajustables negativos: LM337 (desde -1.2V hasta -37V), LM337HV (desde -1.2V hasta -47V), LM333 (desde -1.2V hasta -32V). Además del voltaje o rango de voltaje o rango de voltajes de salida, otra especificación importante de los reguladores de tres terminales es su capacidad de corriente. Esta ultima determina el tipo de capsula.

Figura 7.

Reguladores fijos de tres terminales

Fuentes reguladas fijas En la figura se muestra 8 se muestra la estructura básica de una fuente de alimentación con un regulador de tres terminales. Los

condensadores Ci y Co actúan, respectivamente, como filtros de desacople de entrada y de salida. Sus valores están, típicamente, en el rango de 0.1 F a 1uF . Se utilizan para desacoplar o eliminar señales de ruido presentes en la entrada o en la salida del regulador. Por esta razón, deben de conectarse de este último como sea posible. Para garantizar una optima regulación, el voltaje de entrada (Vi) debe ser, por lo menos 2.5V mayor que el voltaje de salida (Vo) deseado. De todas formas, este último no debe ser superior al valor máximo especificado por el fabricante. Como puede verse, el diseño de fuentes de alimentación con reguladores fijos de tres terminales es extremadamente simple, ya que solo se requiere un par de pequeños condensadores de desacople, uno a la entrada y otro a la salida. Este último puede omitirse en muchos casos. En la figura 8 se muestra como ejemplo una fuente regulada de + 15 V/1A con un regulador LM7815T. La letra “T” al final de la designación indica de qué se trata de un regulador de 1A en cápsula TO-220. Las líneas punteadas alrededor del símbolo del regulador indican que el mismo debe estar provisto de un disipador adecuado.