Transcript Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas Electrónica General

Electrónica General
LECCIÓN 21
FUENTES DE ALIMENTACIÓN
LINEALES REGULADAS
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
ENCUADRE Y OBJETIVOS
INGENIERÍA INDUSTRIAL
4º CURSO
ELECTRÓNICA GENERAL
TEMA I: INTRODUCCIÓN
TEMA II: TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
TEMA III: DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES
TEMA IV: AMPLIFICACIÓN Y REALIMENTACIÓN
TEMA V: AMPLIFICADORES OPERACIONALES
TEMA VI: FUENTES DE ALIMENT. LINEALES
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
Análisis de
Dispositivos
electrónicos
circuitos
comunes.
electrónicos.
• Diodo.
Definición de
• Transistor.
los intervalos
• Amplificador
de funcionaoperacional.
miento.
ENCUADRE Y OBJETIVOS
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.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN
2. CIRCUITOS RECTIFICADORES
3. FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
3.1. Filtro por bobina
3.2. Filtro por bobina y condensador
3.3. Filtro por condensador
4. REGULACIÓN DE TENSIÓN
4.1. Circuitos reguladores en bucle abierto
4.2. Circuitos reguladores en bucle cerrado
4.2.1. Circuito limitador de corriente
4.2.2. Reguladores ajustables de múltiples terminales
4.3. Reguladores de tensión integrados
4.3.1. Reguladores de tensión fija positiva
4.3.2. Reguladores de tensión fija negativa
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
INTRODUCCIÓN
 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
VCA
Rectificador
Filtro
Pasivo
Regulador
VCC
Carga
electrónica
Transformador
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
TRANSFORMADOR + 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.
Transformador
Varias posibilidades.
i1
v1
N1
• Primario – Secundario.
• Toma media en secundario.
i2
N2
v2
N
v2  2 v1
N1
N2
Transformador
v1
v2
N1
N2
v2
N
i2  1  i1
N2
Comportamiento ideal.
Reductor.
• Determinar N1 : N2.
Aislamiento galvánico.
• Protección del usuario.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
TRANSFORMADOR + RECTIFICADOR
Rectificadores
N2
v2
N1
v1
N2
v1
v2
v1
v1
V
N1 : N2
v2
t
N1 : N2
v1
v2
N2
V
N1
V
v1
V
t
t
v2
N2
V
N1
t
v2
N2
V
N1
t
t
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
Recordatorio de
las estructuras
ya vistas.
TRANSFORMADOR + RECTIFICADOR
Rectificadores
Calidad de la tensión de salida.
• Valor medio
• Rizado
1 T
v    v t  dt
T 0
r
2
v ef
v 2
v
T
V
V
v=—

r = 1,21
2·V
v = ———

r = 0,48
t
T
V
t
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
 Reducir el rizado de la tensión.
 Análisis aplicando principio de superposición.
• Asegurar comportamiento lineal.
Transformador
+
Rectificador
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
 Reducir el rizado de la tensión.
 Análisis aplicando principio de superposición.
• Asegurar comportamiento lineal.
• Permitir que la componente continua llegue a la carga.
• Quedarse con la componente alterna.
Transformador
+
Rectificador
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Filtro por bobina
iL
L
Rectificador
RL
ZL = 2··f·L
ZL = 0
ve(cc)
ve
RL
ve(ca)
RL
Elección del
valor de L.
• ZL(ca) >> RL.
ve(cc)
2·V
= ——

2·V
4·V
ve(ca) = - ——·cos (2t) - ——·cos (4t) + ···
3·
15·
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
• iL > 0.
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Filtro por bobina y condensador
iL
L
Rectificador
ve
RL
C
Mejora el funcionamiento.
• C contribuye a quedarse
con la componente ca.
(cc)
Elección de los valores de
L y de C.
• ZC(ca) << RL.
• ZL(ca) >> ZC (ca).
(ca)
• iL > 0.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Filtro por condensador
Rectificador
ve
RL
C
 Evita el uso de inductancias.
• Pesadas y voluminosas para frecuencias de 50 / 100Hz.
 Análisis más complejo.
• 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.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Funcionamiento
Filtro por condensador
Vp
v1
v2
Vp
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Funcionamiento
Filtro por condensador
Vp
v1
v2
Vp
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Filtro por condensador
Análisis
 Tensión de salida: exponencial y senoidal.
• Un análisis detallado resultaría complicado.
 Simplificación: aproximación por onda triangular.
• Considera descarga lineal del condensador.
• Simplifica cálculos.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Análisis
Filtro por condensador
v2
T/2
Vp
Vr
Supone descarga del
condensador a
corriente constante.
• iC = icarga.

v2(cc)
iC  ———
RL
El valor Vr es conocido.
• Limitado por especificaciones.
Tomar un condensador superior al
valor calculado.
1 V2(cc) T
Vr = — · ——— · —
C
RL
2
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FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Análisis
Filtro por condensador
 ¿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.
v2
v2
t
iD
C 
t
T1
T
t
iD
C 
t
T1
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
T
REGULACIÓN 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
Filtro
Pasivo
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
Regulador
REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores en cadena abierta
R
FUENTE
SIN
REGULAR
ue
Vz
us
RL
us = V z
La tensión ue debe ser
siempre mayor que la
tensión us.
Vp
Vz
La diferencia entre ambas
tensiones la soporta la
resistencia R.
• Interesa que ue no sea
mucho mayor que us.
• Elección de N2:N1.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores en cadena abierta
 Límites de funcionamiento del regulador propuesto.
• Pueden deducirse a partir del circuito equivalente Thèvenin que
ve el zener.
R
ue
RTh
Vz
VTh > Vz

us
RL
VTh
ue – Vz
R < RL · ————
Vz
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
Vz
RL
VTh = ue·————
R + RL
REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores en cadena abierta
Otra posibilidad
Q1
FUENTE
SIN
REGULAR
ue
R
us
Vz
RL
us = Vz – uBE
El elemento de control pasa a ser un transistor.
La resistencia R reduce su tamaño.
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REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos 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.
ue
entrada
no regulada
us
salida
regulada
ELEMENTO
DE CONTROL
CIRCUITO DE
MUESTREO
TENSIÓN DE
REFERENCIA
CIRCUITO
COMPARADOR
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores en cadena cerrada
Esquema de un regulador de tensión en cadena cerrada.
Q1
FUENTE
SIN
REGULAR
R
R1
ue
us
Vz
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
R2
RL
REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores en cadena cerrada
Identificación de los bloques de que
consta un regulador en cadena cerrada.
Elemento
de Control
Q1
FUENTE
SIN
REGULAR
R
R1
ue
us
Vz
Circuito
Comparador
Tensión de
Referencia
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
RL
R2
Circuito de
Muestreo
REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores en cadena cerrada
Representación alternativa del regulador.
R1
R2
Amplificador lineal no inversor.
• Q1 permite entregar más
corriente de salida.
ue
Q1
ue
R1 + R2
us = ———— · Vz
R2
R
Vz
us
RL
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REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores en cadena cerrada
A tener en cuenta
ue
La corriente de base del transistor
es aportada por el operacional (io).
• Esta corriente debe permitir cubrir
todo el rango de corrientes de salida.
iB
iE
iE
us
iB = ——  —————
+1
(+1) · RL
us
  ——————— – 1
RL(mín) · io(máx)
Relación entre la ganancia del transistor
y la corriente de salida del A.O.
Es posible usar un
montaje
Darlington.
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REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores en cadena cerrada
El amp. op. está
alimentado desde
una fuente no
estabilizada.
A tener en cuenta
Q1
R
• Su comportamiento no varía
con las variaciones de Vcc.
R1
ue
us
Vz
R2
Hay que asegurar
que el amp. op.
trabaja en zona
lineal
• uout < Vcc-2.

ue > us+2
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores en cadena cerrada
A tener en cuenta
Q1
R
Tensión de
referencia.
• Circuito muy
sencillo.
R1
ue
us
Vz
R2
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
• Eligiendo R
suficientemente
elevada se
evita la influencia del rizado
de ue.
• Pueden usarse
LEDs o diodos
rectificadores.
REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores en cadena cerrada
A tener en cuenta
Q1
Circuito de
muestreo.
R
R1
ue
us
Vz
R2
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
• Circuito muy
sencillo.
• Valores de R1
y R2 elevados
en comparación
con la carga.
REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores en cadena cerrada
 Limitación a corriente constante.
• Si is < Imáx, se tiene us = us(nom).
• Cuando is > Imáx, us disminuye.
Rcc
Q1
is
Curva de Regulación
uBE2
us
Q2
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.
Imáx
is
Rcc · Imáx  0,6V [uBE2(ON)]
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores en cadena cerrada
Esquema completo
Q1
Rcc
Q2
ue
R
R1
us
Vz
R2
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
RL
REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores en cadena cerrada
 Reguladores ajustables de múltiples terminales.
• Permiten montar una fuente de alimentación completa.
Rcc
R1
ue
us
REF
R2
723
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores de tensión integrados
 Incluyen todos los elementos de un regulador en
bucle cerrado.
• Regulador de tensión positiva fija.
• Regulador de tensión negativa fija.
• Regulador de tensión ajustable.
IN
ue
Protección térmica
contra sobrecargas.
OUT
GND
us
• Corriente máxima
depende del tipo
de encapsulado.
RL
Condensadores para
mejorar estabilidad.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores de tensión integrados
Reguladores de tensión
fija positiva
Serie 78XX.
• Los dígitos XX indican la tensión
de salida.
Tensiones entre 5 y 25V.
La tensión de entrada debe ser
superior a la de salida.
• Al menos 23 voltios.
• No debe superar los 35V.
Regulador
us
ue mín
7805
+5V
+7,3V
7812
+12V
+14,6V
7815
+15V
+17,7V
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores de tensión integrados
Reguladores de tensión
fija positiva
Ejemplo
25,46Vpico
+12V
IN
OUT
is
7812
18Vef
vred
C
ue
220Vef
470µF
GND
10nF
us
RCARGA
18Vef
Elegir la relación de espiras del transformador más adecuada para
minimizar la potencia disipada.
El condensador C debe asegurar que ue nunca pasa por debajo
del valor mínimo permitido.
• La corriente de descarga es is.
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REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores de tensión integrados
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.
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REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores de tensión integrados
Reguladores de tensión
fija negativa
 Serie 79XX.
• Análogos a los reguladores positivos de la serie 78XX.
RL
GND
IN
OUT
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores de tensión integrados
Reguladores de tensión
fija negativa
Facilitan la construcción de fuentes de alimentación simétricas.
Se pueden implementar
fuentes simétricas
con 78XX.
78XX
+
Habría que diseñar dos
fuentes completas.
78XX
Trafo
Rectif.
Filtro
+
vred
N1
N2
Filtro
+
-V
0
Rectif.
+V
N2
79XX
78XX
Trafo
+
-
Usando 79XX se simplifica el diseño.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
-
REGULACIÓN DE TENSIÓN
Circuitos reguladores de tensión integrados
Reguladores de tensión
simétrica
78XX
78XX
+
79XX
79XX
-
+
N2
vred
N1
N2
78XX
N2
N1
+
79XX
+
+
N2
+
N1
N2
N2
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
-
COMENTARIO
 Otros tipos de fuentes de alimentación.
• Fuentes de alimentación conmutadas.
Fuente Lineal
Trabajan
La
diferencia
a pocos
la frecuencia
de tensión
de
entre
redla(o
al doble
primaria
de de
ésta),
y la
Requieren
componentes
yfuente
son
fáciles
tensión
por
lo que
de los
salida
componentes
es absorbida
pasivos
por unque
elemento
incorporan
que
construir.
maneja toda
(bobinas
y condensadores)
la corriente queson
circula
grandes.
hacia la carga
Sencillas
Rendimiento bajo
No radian ruido
Pesadas y
voluminosas
Fuente Conmutada
Complejas
Entre
la fuente
yde
laalimentación
carga(decenas
se coloca
un inteEl diseño
Trabajan
ade
frecuencias
lasprimaria
fuenteselevadas
conmutadas
o cientos
rruptor
y un filtro
Enenellointerruptor
nunca
es complicado,
de
kilohertzios),
sobre
lopasivo.
quetodo
permite
usar
que bobinas
se refiere
y cona su
están
a la vez tensión y corriente.
lazo depresentes
densadores
regulación.
pequeños.
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas
Alto rendimiento
Ruidosas
Pequeñas y
ligeras
RESUMEN
1. Ante la necesidad de alimentar los circuitos electrónicos con tensión continua, 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
LECCIÓN 21
FUENTES DE ALIMENTACIÓN
LINEALES REGULADAS
Fuentes de Alimentación Lineales Reguladas