INTRODUCCIÓN La mayoría de los circuitos electrónicos necesitan una o varias fuentes de tensión continua para su funcionamiento.
Alimentación a partir de pilas o baterías. Poca autonomía y coste elevado Aceptable cuando el consumo es bajo
Alimentación a partir de la red eléctrica. Fuente de energía primaria más frecuente Tensión alterna sinusoidal Se necesita obtener tensión continua a partir de la tensión de red (Gp:)
Rectificador (Gp:)
Filtro Pasivo (Gp:) Estabilizador o Regulador (Gp:) VCA (Gp:) VCC (Gp:) Transformador (Gp:)
TRANSFORMADOR Sus misiones principales son: Adaptar la tensión de red al valor requerido por la carga ? N1 : N2 Proporcionar aislamiento galvánico ? Protección del usuario
Existen varias configuraciones posibles que dependen del tipo de rectificador elegido: Primario-secundario Toma media en secundario (Gp:) Transformador (Gp:)
TRANSFORMADOR Parámetros utilizados generalmente para su elección: Relación de tensiones entre primario y secundario, ambas expresadas en valores eficaces. Potencia del transformador en VA. Factor de regulación de carga ? suele variar entre un 5 y un 10%.
Tensión del primario ? vendrá impuesta por la tensión de red disponible (en España, 220 V)
Tensión del secundario ? se obtiene al diseñar la fuente, pero es importante tener en cuenta que: Toma distintos valores según la corriente que esté suministrando el trafo (factor de regulación de carga). También se verá influenciada por las posibles variaciones de la tensión de red (hasta un ±10%).
Potencia del transformador: Suma de las potencias consumidas por el resto de la fuente, incrementada en un cierto porcentaje (entre un 10 y un 20%) con objeto de compensar otras pérdidas de difícil evaluación.
RECTIFICADOR (Gp:) v1 (Gp:) vo (Gp:) t (Gp:) t (Gp:) v1 (Gp:) vo (Gp:) N1 : N2
(Gp:) v1 (Gp:) vo (Gp:) N1 (Gp:) N2 (Gp:) N2 (Gp:) v1 (Gp:) vo (Gp:) t (Gp:) t
(Gp:) v1 (Gp:) vo (Gp:) N1 : N2 (Gp:) v1 (Gp:) vo (Gp:) t (Gp:) t
Convierte la tensión alterna suministrada por el “trafo” en una tensión pulsatoria unidireccional, con valor medio no nulo.
RECTIFICADOR En la práctica, se utilizan casi exclusivamente los montajes rectificadores de doble onda, por sus mejores características. (Gp:) t (Gp:) V (Gp:) T
(Gp:) t (Gp:) V (Gp:) T
Calidad de la tensión de salida ? análisis de Fourier cc (valor medio) + ca (suma infinitos términos sinusoidales)
RECTIFICADOR Rectificadores monofásicos de doble onda: características.
Los dos montajes proporcionan la misma forma de onda
Transformador con toma media: En cada semiciclo sólo conduce un diodo. Cada diodo deben soportar una tensión inversa igual al doble de la tensión máxima de cada semidevanado del secundario.
Montaje en puente: En cada semiciclo conducen simultáneamente dos diodos?mayores pérdidas. Cada diodo debe soportar una tensión inversa igual al valor máximo de la tensión del secundario. Generalmente, es el montaje más utlizado
La elección de los diodos se realiza en base a las corrientes y tensiones que se ven obligados a manejar en cada aplicación. Corriente media directa, IF(AV) Tensión inversa de trabajo máxima, VRWM Corriente máxima de pico repetitivo, IFRM
Se suelen emplear diodos “de propósito general”. Diseñados para trabajar a bajas frecuencias en aplicaciones de rectificación (hasta 400 Hz).
Existen dispositivos capaces de manejar corrientes desde 1 a 25 A, con tensiones inversas que van desde 50 hasta 1000 V.
También se utilizan puentes rectificadores que incluyen los cuatro diodos en un único encapsulado. RECTIFICADOR
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA (Gp:) Transformador + Rectificador
Reducir la componente alterna en la salida del rectificador.
Acción de filtrado “ideal”: Permitir el paso de la componente continua hacia la carga Impedir que la componente alterna llegue a la carga
Análisis aplicando el principio de superposición Sólo si comportamiento lineal
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por bobina Elección del valor de L: ZL(ca) >> RL iL > 0 (Gp:) ve(ca) (Gp:) ZL = 2·?·f·L (Gp:) RL
(Gp:) ve(cc) (Gp:) ZL = 0 (Gp:) RL
(Gp:) ve(cc) = —— (Gp:) 2·V (Gp:) ?
(Gp:) ve(ca) = – ——·cos (2?t) – ——·cos (4?t) + ··· (Gp:) 2·V (Gp:) 3·? (Gp:) 4·V (Gp:) 15·?
(Gp:)
(Gp:)
Rectificador (Gp:) ve (Gp:) RL (Gp:) iL (Gp:) L
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por bobina y condensador (Gp:)
(Gp:)
Rectificador (Gp:) ve (Gp:) RL (Gp:) iL (Gp:) L (Gp:) C
Mejora el funcionamiento. C contribuye a impedir que la componente ca llegue a la carga Elección de los valores de L y de C: ZC(ca) > ZC (ca) iL > 0 (Gp:) (cc)
(Gp:) (ca)
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por condensador (Gp:)
(Gp:)
Rectificador (Gp:) ve (Gp:) RL (Gp:) 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 todos los diodos del rectificador no conducen (están inversamente polarizados) ? Comportamiento no lineal. No es posible aplicar el principio de superposición
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por condensador Análisis Aplicación al rectificador en puente:
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por condensador Análisis Tensión de salida: exponencial y senoidal Aproximación por onda triangular ? simplifica cálculos Considera descarga lineal del condensador (RL·C>>T/2) Supone carga instantánea de C cuando los diodos conducen Un análisis detallado resultaría complicado
vo VoM FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por condensador Análisis (Gp:) T / 2
Vr Supone descarga de C a corriente constante. El valor de Vr suele ser conocido Limitado por las especificaciones Permite calcular el valor de C Hay que tener en cuenta las tolerancias (±20%) iC = icarga = Io ? Se define el factor de rizado como: Vom Vo
Filtro por condensador FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Análisis Consideraciones importantes: La tensión en la carga tiene un rizado menor cuanto mayor es la capacidad del condensador Una mayor capacidad provoca un menor intervalo de conducción de los diodos ? mayores“picos” de corriente en ellos (Gp:) v2 (Gp:) t (Gp:) t (Gp:) iD (Gp:) T1 (Gp:) T
(Gp:) v2 (Gp:) t (Gp:) t (Gp:) iD (Gp:) T1 (Gp:) T
C ? C ?
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro por condensador Análisis Conclusión: no se debe usar un condensador de capacidad excesiva Se evita un aumento innecesario de volumen y coste Menores problemas con la corriente en los diodos y en el transformador Acerca de los picos de corriente en los diodos: Son de difícil evaluación. Suelen considerarse entre 5 y 20 veces mayores que la corriente media en la carga. Es importante comprobar que no superen la IFRM de los diodos. El instante más peligroso es la primera conexión de la fuente, ya que el condensador completamente descargado ? pico de corriente más elevado. Además, un menor intervalo de conducción de los diodos provoca un aumento de la corriente eficaz ? mayor calentamiento del trafo.
ESTABILIZADOR El conjunto Trafo + 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 red Para conseguir una mayor “calidad” en la tensión de salida se puede incluir un estabilizador La estabilidad se consigue aprovechando las características de un dispositivo electrónico (generalmente, un diodo zener) No se utiliza realimentación Su funcionamiento está basado en recortar la tensión de entrada hasta el nivel deseado (Gp:)
Rectificador (Gp:)
Filtro Pasivo (Gp:)
Estabilizador (Gp:)
ESTABILIZADOR Con diodo zener (Gp:) vo = Vz
RS RL Vz vo FUENTE SIN REGULAR vi Vz (Gp:) ViM
La tensión vi debe ser siempre mayor que la tensión vo Interesa que vi no sea mucho mayor que vo. La diferencia entre ambas tensiones es soportada por la resistencia RS Elección de N2:N1. iR iZ io
ESTABILIZADOR Con diodo zener Límites de funcionamiento del estabilizador propuesto Corriente en el zener: Iz(min) ? iz ? Iz(max) Corriente en RS: IR(min) = Io(max) + IZ(min) En general, interesa RS grande: Menor calentamiento del zener La tensión vo se ve menos afectada por las variaciones de vi Principal inconveniente: Si el circuito se diseña para suministrar corrientes de salida elevadas, el diodo zener debe ser capaz de soportar esas corrientes ? zener de potencia (Gp:) RS (Gp:) RL (Gp:) Vz (Gp:) vo (Gp:) vi (Gp:) iR (Gp:) iZ (Gp:) io
ESTABILIZADOR (Gp:) vo = Vz – vBE
La potencia generada por la diferencia de tensión entre vi y vo se disipa fundamentalmente en el transistor
La resistencia RS aumenta su valor ?
No se necesita un zener capaz de soportar corrientes elevadas Con diodo zener y transistor serie (Gp:) FUENTE SIN REGULAR (Gp:) RS (Gp:) RL (Gp:) Vz (Gp:) vo (Gp:) vi (Gp:) Q1 (Gp:) iR (Gp:) iB (Gp:) iz
REGULACIÓN DE TENSIÓN Los circuitos estabilizadores tienen algunas limitaciones: La exactitud de la tensión de salida depende en gran medida de las características de los dispositivos electrónicos utilizados. Carecen de un mecanismo de control de la tensión de salida que detecte y contrarreste sus posibles variaciones.
Regulador lineal ? mantiene la tensión de salida constante Sistema realimentado negativamente para mantener la tensión de salida constante ante variaciones de carga y/o tensión de entrada. Introducción (Gp:)
Rectificador (Gp:)
Filtro Pasivo (Gp:)
Regulador (Gp:)
REGULACIÓN DE TENSIÓN Introducción Serie Paralelo Existen dos tipos de reguladores: serie y paralelo Las posibles variaciones de la tensión de salida debidas a cambios en la tensión no regulada y en la corriente de salida se compensan con variaciones de: La caída de tensión en un elemento situado en serie con la carga ? Regulador serie La corriente en un elemento situado en paralelo con la carga ? Regulador paralelo
En la práctica, el regulador serie es el más utilizado.
REGULACIÓN DE TENSIÓN (Gp:) AMPLIFICADOR DE ERROR (Gp:) CIRCUITO DE MUESTREO (Gp:) ELEMENTO DE CONTROL (en serie) (Gp:) Vi entrada no regulada (Gp:) Vo salida regulada (Gp:) TENSIÓN DE REFERENCIA
Regulador lineal básico Diagrama de bloques típico de un regulador serie:
REGULACIÓN DE TENSIÓN Regulador lineal básico Circuito de referencia: Proporciona una tensión de referencia estable. Se suele utilizar un circuito basado en diodo zener. Solución más simple ? diodo zener + resistencia de polarización.
Circuito de muestreo: Entrega una señal proporcional a la tensión de salida. Suele estar constituido por un divisor de tensión resistivo situado a la salida del regulador.
Amplificador de error: Compara la muestra de la tensión de salida con la tensión de referencia y genera una señal de error proporcional a la diferencia entre ambas.
Elemento de control: Su misión es interpretar la señal de error y corregir las variaciones de la tensión de salida. Suele estar constituido por un transistor bipolar (normalmente NPN) conectado en serie entre la entrada y la salida. Características de los bloques que lo constituyen:
REGULACIÓN DE TENSIÓN (Gp:) Elemento de Control
(Gp:) Amplificador de error
(Gp:) FUENTE SIN REGULAR (Gp:) R3 (Gp:) RL (Gp:) Vz (Gp:) Vi (Gp:) Q1 (Gp:) Vo (Gp:) R2 (Gp:) R1
(Gp:) Circuito de Muestreo
(Gp:) Tensión de Referencia
Esquema ? Identificación de bloques Regulador lineal básico
REGULACIÓN DE TENSIÓN Amplificador lineal no inversor Q1 permite entregar más corriente de salida. Tensión de referencia ? VR = VZ Regulador lineal básico Representación alternativa del regulador. (Gp:) R3 (Gp:) RL (Gp:) Vz (Gp:) vi (Gp:) Q1 (Gp:) vo (Gp:) R2 (Gp:) R1 (Gp:) vi
VR vo siempre será mayor que la tensión de referencia.
REGULACIÓN DE TENSIÓN ¿Cómo obtener una tensión de salida menor que la tensión de referencia? Solución más simple ? divisor de tensión resistivo (Gp:) vi (Gp:) vo (Gp:) io
Regulador lineal básico
REGULACIÓN DE TENSIÓN (Gp:) vi (Gp:) iE (Gp:) iB
La corriente de base que demanda el transistor es aportada por el operacional: Esta corriente debe permitir cubrir todo el rango de corrientes de salida (io ? iE): Regulador lineal básico A tener en cuenta: Para corrientes de salida elevadas, la ganancia de un sólo transistor puede ser insuficiente ? montaje Darlington El transistor deberá poder soportar: La corriente máxima de salida. La caída de tensión máxima entrada-salida. La disipación de potencia correspondiente. (Gp:) Q1 (Gp:) Q2 (Gp:) + (Gp:) –
(Gp:) vi (Gp:) R3 (Gp:) Vz (Gp:) vo (Gp:) R2 (Gp:) R1 (Gp:) Q1
REGULACIÓN DE TENSIÓN Regulador lienal básico El A. O. está alimentado desde una fuente no estabilizada. Su comportamiento no varía con las variaciones de Vcc. Su tensión de salida está limitada por las tensiones de saturación. Hay que asegurar que el A.O. trabaja en zona lineal. vo(AO) < Vcc-2
? vi > vo +vBE +2 A tener en cuenta:
REGULACIÓN DE TENSIÓN Regulador lineal básico Tensión de referencia. Circuito muy sencillo.
Eligiendo R3 con un valor suficientemente elevado se reduce la influencia del rizado de vi .
Se pueden utilizar también LEDs, didos rectificadores, circuitos integrados de referencia (p. e. LM336)… (Gp:) vi (Gp:) R3 (Gp:) Vz (Gp:) vo (Gp:) R2 (Gp:) R1 (Gp:) Q1
A tener en cuenta:
REGULACIÓN DE TENSIÓN Regulador lineal básico (Gp:) vi (Gp:) R3 (Gp:) Vz (Gp:) vo (Gp:) R2 (Gp:) R1 (Gp:) Q1
A tener en cuenta: Circuito de muestreo. Circuito muy sencillo.
La corriente que absorbe debe ser despreciable frente a la corriente por la carga. ? Valores de R1 y R2 elevados comparados con la carga. Cuando se necesita que vo sea ajustable: Se sustituye el divisor resistivo por un divisor potenciométrico. ?
Curva de Regulación
REGULACIÓN DE TENSIÓN Limitación a corriente constante. Si io < Io(max), se tiene vo = vo(nom). Cuando io > Io(max), vo disminuye ? 0 ? vo ? vo(nom). Cuando Q2 conduce, le “roba” corriente de base a Q1. Se limita así el valor de io. El valor de Io(máx) se fija con RCL. Protección contra sobrecargas Q1 Q2 RCL io vBE2 (Gp:) io (Gp:) vo (Gp:) Io(máx) (Gp:) vo(nom)
En cortocircuito: PQ1 ? vi ·Io(max)
Curva de Regulación
REGULACIÓN DE TENSIÓN Protección contra sobrecargas Limitación a corriente regresiva o foldback. Permite reducir la disipación de potencia en el elemento de control bajo condiciones de cortocircuito ? ISC < Io(max). La tensión B-E de Q2 no sólo depende de la corriente de salida, sino también de la tensión de salida. (Gp:) io (Gp:) vo (Gp:) Io(máx) (Gp:) ISC (Gp:) vo(nom)
(Gp:) vo (Gp:) R5 (Gp:) R4 (Gp:) Q1 (Gp:) RCL (Gp:) io (Gp:) Q2 (Gp:) vBE2
REGULACIÓN DE TENSIÓN (Gp:) R3 (Gp:) RL (Gp:) Vz (Gp:) vi (Gp:) vo (Gp:) R2 (Gp:) R1 (Gp:) Q1 (Gp:) Q2 (Gp:) RCL
Esquema completo Regulador lineal básico
REGULADORES INTEGRADOS Introducción Surgieron debido a la necesidad de utilizar reguladores de tensión en las fuentes de alimentación. Primera generación ? componentes de aplicación general. La gran demanda de determinadas tensiones de alimentación (por ejemplo, 5V) condujo a la realización de reguladores de tensión fija, con sólo tres terminales. bajo costo y facilidad de empleo. Posteriormente se desarrollaron reguladores de tensión ajustable de tres terminales. bajo costo + facilidad de empleo + gran versatilidad.
Una posible clasificación: Reguladores de múltiples terminales. Reguladores de tres terminales: de tensión fija: positiva negativa de tensión ajustable: positiva negativa
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales Su estrutura interna se corresponde con la del regulador lineal básico.
Muchas de las partes del circuito son independientes y pueden ser conectadas por el usuario.
Son dispositivos versátiles que simplifican el diseño de fuentes de alimentación lineales.
Los componentes más representativos de esta familia son: ?A723 (14 terminales) L200 (5 terminales).
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales Un amplificador de error Una fuente de referencia Un transistor como elemento de control Un transistor para limitación de corriente Un zener para aplicaciones especiales Un terminal para compensación en frecuencia ?A723
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales Principales características eléctricas: Tensión de entrada Máxima………… 40 V. Mínima ………… 9,5 V.
Diferencia entre entrada y salida Máxima………… 38 V. Mínima………….3 V.
Tensión de salida….. 2 a 37 V.
Corriente máxima de salida……150 mA.
Tensión de referencia típica……7,15 V.
Corriente máxima en el terminal de referencia….15 mA.
Corriente de cortocircuito para RCL = 10 ?………65 mA.
Máxima disipación de potencia…………………….900 mW. ?A723
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales Tensión de salida superior a la de referencia (7 a 37 V) ?A723
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales Tensión de salida inferior a la de referencia (2 a 7 V) ?A723
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales Salida ajustable con tensión mínima inferior a la de referencia. ?A723
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales Aumento de la corriente máxima mediante transistor externo (tensión de salida superior a la de referencia) ?A723
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales L200 Regulador de tensión positiva, ajustable desde 2,85 a 36 V. Admite tensiones de entrada de hasta 40 V. Es capaz de suministrar hasta 2 A, sin transistor externo. Incluye limitación de corriente, limitación de potencia, protección térmica y protección contra sobretensiones de entrada (hasta 60 V). La corriente máxima de salida se fija con una resistencia de bajo valor. La tensión de salida se fija con dos resistencias o, si se requiere una salida variable, con un resistencia y un potenciómetro. Circuito equivalente Disposición de terminales
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales L200 La tensión de salida se obtiene como: RCL L200 0,22?F R2 P1 R1 0,1?F 1 2 3 4 5 RL vo vi con VREF = 2,77 V típico. La corriente máxima de salida viene dada por: con V5-2 = 0,45 V típico. Aplicación típica
REGULADORES INTEGRADOS Incorporan en un único encapsulado de tres terminales todos los elementos necesarios para conseguir una tensión de salida regulada.
Proporcionan un medio sencillo, práctico y barato para implementar fuentes de alimentación reguladas lineales. Reguladores de tres terminales (Gp:) IN (Gp:) OUT (Gp:) GND
Se pueden clasificar en dos grupos: (Gp:) IN (Gp:) OUT (Gp:) ADJ
Reguladores fijos: proporcionan una tensión de salida fija, positiva o negativa.
Reguladores ajustables: permiten variar la tensión de salida añadiendo unos pocos componentes externos. Dicha tensión puede ser positiva o negativa.
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales La serie de reguladores 78XX proporciona tensiones positivas, mientras que la serie 79XX lo hace con tensiones negativas. Los dos últimos dígitos, marcados como XX, indican la tensión de salida regulada. Se encuentran en el catálogo de numerosos fabricantes: LM78XX ? National Semiconductor, Fairchild. UA78XX ? Texas Instruments MC78XX ? Motorola, ON Semiconductors,…
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales Dispone de todos los elementos indicados para un regulador lineal básico, a los que se han añadido ciertas prestaciones: Limitación de la corriente máxima de salida en función de la diferencia de tensión entrada-salida ? limitación de potencia. Protección térmica ? se llega a desconectar el elemento de control. Amplificador de error compensado internamente Tensión de referencia de bajo ruido y gran estabilidad. Diagrama de bloques Características básicas
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales Encapsulados
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales Ningún componente externo es indispensable. La entrada puede proceder de una fuente no estabilizada o de una alimentación continua de la que ya se disponga. La tensión de entrada debe ser superior a la de salida en, al menos, 2?3 voltios (depende del fabricante). Reguladores positivos
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales En algunas ocasiones resulta conveniente añadir algunos componentes suplementarios al montaje básico. Protección contra inversiones de polaridad en la salida Mejora la respuesta transitoria del regulador Protege al regulador frente a la descarga de C2, si la tensión Vi disminuye o se anula Sólo es necesario si el regulador está “lejos” de la fuente sin regular Reguladores positivos
REGULADORES INTEGRADOS (Gp:) vred (Gp:) 220Vef (Gp:) vi (Gp:) vo (Gp:) RCARGA (Gp:) IN (Gp:) OUT (Gp:) GND (Gp:) io (Gp:) 470µF (Gp:) 10nF (Gp:) 7812 (Gp:) 18Vef (Gp:) 18Vef (Gp:) C (Gp:) 25,46Vpico (Gp:) +12V
Ejemplo Conviene elegir la relación de espiras del transformador más adecuada para minimizar disipación de potencia. El condensador C debe asegurar que vi nunca disminuye por debajo del valor mínimo permitido. La corriente de descarga es io. Reguladores fijos de tres terminales
REGULADORES INTEGRADOS Especificaciones Caída de tensión (Dropout Voltage) Mínimo valor de la diferencia de tensión entre entrada y salida.
Corriente de polarización o de reposo (Quiescent current) Corriente que necesita el regulador para su funcionamiento.
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 salida que puede entregar el regulador. Reguladores fijos de tres terminales Tensión de salida (Output Voltage). Valores típico, mínimo y máximo.
Regulación de salida (Load Regulation). Máxima variación en vo cuando la corriente io varía en un rango dado.
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales Reguladores negativos Serie 79XX. Análogos a los reguladores positivos de la serie 78XX. Es necesario colocar un condensador en la salida para asegurar la estabilidad. Como en la serie 78XX, el condensador C1 sólo es necesario si el regulador está a una distancia apreciable del filtro y C3 mejora la respuesta transitoria. Todos los condensadores asociados al regulador deben estar colocados lo más cerca posible del mismo. (Gp:) RL (Gp:) IN (Gp:) OUT (Gp:) GND (Gp:) C1 (Gp:) C2 (Gp:) C3 (Gp:) vi (Gp:) vo (Gp:) 2,2?F (Gp:) 1?F (Gp:) 0,1?F
REGULADORES INTEGRADOS (Gp:) Trafo (Gp:) Rectif. (Gp:) Filtro (Gp:) 78XX (Gp:) Trafo (Gp:) Rectif. (Gp:) Filtro (Gp:) 78XX (Gp:) 0 (Gp:) + (Gp:) –
Aunque se pueden implementar fuentes simétricas con 78XX, habría que diseñar dos fuentes completas. Uitlizando 79XX se simplifica el diseño Reguladores fijos de tres terminales Facilitan la construcción de fuentes de alimentación simétricas. Reguladores negativos (Gp:) vred (Gp:) N1 (Gp:) N2 (Gp:) N2 (Gp:) + (Gp:) 78XX (Gp:) 79XX (Gp:) + (Gp:) +V (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) -V (Gp:) +
(Gp:) v (Gp:) red (Gp:) N (Gp:) 1 (Gp:) N (Gp:) 2 (Gp:) N (Gp:) 2 (Gp:) + (Gp:) 78XX (Gp:) 79XX (Gp:) + (Gp:) v (Gp:) red (Gp:) N (Gp:) 1 (Gp:) N (Gp:) 2 (Gp:) N (Gp:) 2 (Gp:) + (Gp:) 78XX (Gp:) 79XX (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) +
REGULADORES INTEGRADOS (Gp:) N1 (Gp:) N2 (Gp:) N2 (Gp:) + (Gp:) 78XX (Gp:) +
– Reguladores fijos de tres terminales (Gp:) v (Gp:) red (Gp:) N (Gp:) 1 (Gp:) N (Gp:) 2 (Gp:) N (Gp:) 2 (Gp:) + (Gp:) 78XX (Gp:) 79XX (Gp:) + (Gp:) v (Gp:) red (Gp:) N (Gp:) 1 (Gp:) N (Gp:) 2 (Gp:) N (Gp:) 2 (Gp:) + (Gp:) 78XX (Gp:) 79XX (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) +
v red N 1 N 2 N 2 + 78XX 79XX + v red N 1 N 2 N 2 +
78XX
79XX + – + Reguladores negativos + + (Gp:) N1 (Gp:) N2 (Gp:) N2 (Gp:) + (Gp:) 79XX (Gp:) +
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales Aumento de la corriente de salida Se pueden manejar corrientes de salida elevadas añadiendo una resistencia y un transistor. Transistor ? se encarga de soportar la mayor parte de la corriente que circula hacia la carga. Regulador ? asegura la estabilidad de la tensión de salida. La diferencia de tensión mínima entrada-salida es mayor. vEB + Caída de tensión mínima en el regulador (2?3 V).
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales Aumento de la corriente de salida El circuito anterior tiene el inconveniente de que el transistor no está protegido frente a cortocircuitos.
Se puede conseguir dicha protección añadiendo un circuito de limitación a corriente constante. Transistor suplementario asociado a una resistencia.
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales Aumento de la tensión de salida Con un regulador fijo también es posible obtener una tensión de salida diferente del valor nominal.
Todos los métodos se basan en colocar el terminal común del regulador (Gnd/Common) a un potencial positivo. Es necesario permitir la circulación de corriente de reposo (8,5 mA como máximo, para la serie 78XX).
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales Empleo como fuente de corriente La tensión de salida del regulador se aplica sobre una resistencia, dando lugar a una una corriente constante a su través.
La tensión de entrada debe ser suficiente para el funcionamiento del regulador.
Suponiendo que la mínima caída de tensión entrada-salida para la serie 78XX es de 3 V:
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales Tensiones de entrada elevadas En general, la máxima tensión aplicable a la entrada de un regulador de la serie 78XX es de 35 V (para la serie 79XX, -35 V).
Si la tensión de entrada es superior a la máxima indicada por el fabricante, se puede colocar un estabilizador antes del regulador.
Esta solución también puede ser interesante para reducir la disipación de potencia en el regulador, incluso aunque Vi < Vi(max).
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores ajustables de tres terminales Diferencia fundamental respecto a un regulador fijo ? el divisor resistivo no está integrado. La elección de la tensión de salida se realiza mediante un divisor externo conectado al terminal de ajuste (ADJ). El retorno de la corriente de reposo tiene lugar a través de la salida ? se debe permitir su circulación. Para un funcionamiento correcto necesitan un consumo mínimo. La corriente de salida debe ser, al menos, de unos pocos mA. Diagrama de bloques Características básicas
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores ajustables de tres terminales Parámetros característicos
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores ajustables de tres terminales Encapsulados
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores ajustables de tres terminales Reguladores positivos (montaje básico) Basta con añadir un divisor resistivo al circuito integrado. Condición de corriente mínima ? valor máximo para R1. El caso más desfavorable es cuando el regulador funciona sin carga. Toda la corriente que sale del regulador circula por el divisor resistivo. Se suele imponer un consumo mínimo de unos 10 mA. Una corriente insuficiente provoca un aumento de la tensión de salida. En funcionamiento normal: Generalmente, el efecto de IA es despreciable. con VR = 1,25 V e IA ? 100 ?A
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores ajustables de tres terminales Reguladores positivos (montaje mejorado) Sólo es necesario si el regulador está “lejos” de la fuente sin regular Permite la descarga de C3 en caso de cortocircuito en la salida Mejora la respuesta transitoria del regulador Protege al regulador frente a la descarga de C2, si la tensión Vi disminuye o se anula Contribuye a disminuir el rizado de la tensión de salida Permite ajustar la tensión de salida al valor deseado
REGULADORES INTEGRADOS Reguladores ajustables de tres terminales Reguladores negativos (montaje básico) Es obligatorio colocar un condensador en la salida para asegurar la estabilidad del sistema. En la entrada sólo es necesario un condensador si la distancia entre la fuente y el regulador es apreciable. La expresión de la tensión de salida es la misma que en el regulador positivo, aunque VR es de polaridad opuesta (-1,25 V típico).
CÁLCULOS TÉRMICOS En general, durante el diseño de una fuente de alimentación es necesario efectuar cálculos térmicos en aquellos componentes que manejan tensiones y/o corrientes elevadas. Componentes a los que se debe prestar mayor atención: El transistor que actúa como elemento de control, cuando la fuente se realiza con elementos discretos. El circuito integrado regulador y, en su caso, el transistor externo. El foco de calor está situado en las uniones PN de los dispositivos, debido a la corriente que circula por la unión y a su caída de tensión. El calor generado en las uniones produce una elevación de temperatura del componente. No deberá soprepasar un cierto valor máximo, TJ(max), especificado por el fabricante en las hojas de características.
CÁLCULOS TÉRMICOS El calor puede transmitirse de tres formas diferentes. Conducción: el calor generado se transmite por el interior del dispositivo hasta que se al canza la misma temperatura en todos los puntos del encapsulado. Radiación: un cuerpo sólido radia calor cuando su temperatura es superior a la del medio que le rodea ? enfriamiento de dicho cuerpo. Convección: el calor de un cuerpo sólido se transmite al fluido que lo rodea provocando una variación de su densidad. Esto ocasiona el movimiento del fluido, que evacua el calor del sólido al que circunda. Para que pueda producirse un flujo de energía calorífica entre dos puntos, debe existir una diferencia de temperatura. El calor pasa del foco caliente hacia el foco frío. Cualquier factor que impida el paso del calor se denomina resistencia térmica, que se designa como ?, R? o Rth y se expresa en ºC/W. Cuando el calor atraviesa medios de distinta resistencia térmica, la resistencia térmica total será la suma de las resitencias térmicas parciales.
CÁLCULOS TÉRMICOS Los dispositivos que se ven obligados a disipar potencias elevadas se suelen montar sobre un radiador. Se mejora el contacto térmico entre el encapsulado del dispositivo y el ambiente con el fin de facilitar la evacuación del calor generado. La evacuación del calor se efectúa por conducción a través del radiador y éste lo transmite por convección y radiación hacia el aire ambiente u otro fluido refrigerante
CÁLCULOS TÉRMICOS Cuando se coloca un radiador a los dispositivos semiconductores, el calor generado en las uniones sigue un cierto camino. Unión PN ? Encapsulado ? Radiador ? Ambiente. Siguiendo el camino indicado, el calor encuentra en su recorrido diversos “obstáculos” que son las resistencias térmicas. Resistencia térmica unión-cápsula (?JC): es un parámetro invariable cuyo valor se obtiene de las hojas de características del dispositivo. Resistencia térmica cápsula-radiador (?CR): aparece cuando se ponen en contacto la cápsula del dispositivo y la superficie del radiador. Su valor depende del método de montaje que se utilice: Contacto directo metal-metal, con pasta de silicona, con aislante eléctrico y pasta de silicona, etc. Resistencia térmica radiador-ambiente (?RA): Su valor depende de las características del radiador (material, forma del perfil, longitud, color, etc.)
CÁLCULOS TÉRMICOS El valor de la potencia a disipar por un dispositivo se calcula a partir de las condiciones de funcionamiento en el peor caso. Para un transistor bipolar que actúe como elemento de control o como transistor externo en un regulador integrado:
Para un regulador integrado (de 3 terminales):
Una vez conocida la potencia a disipar, Se debe comprobar si se necesita radiador. En caso afirmativo, se determinará el radiador necesario para que la temperatura de la unión, TJ, no supere la TJ(max) especificada. Para los cálculos se utiliza un circuito eléctrico equivalente del circuito térmico de evacuación del calor, al que se puede aplicar la ley de Ohm. Temperatura ? Tensión, Resistencia térmica ? Resistencia óhmica y Potencia ? Corriente.
CÁLCULOS TÉRMICOS La ley de Ohm térmica relaciona la potencia a disipar, la diferencia de temperatura entre la unión y el ambiente y las resistencias témicas. A tener en cuenta: ?JA = ?JC + ?CR + ?RA . Cuando el dispositivo no lleva radiador, ?JA es igual a la especificada en las hojas de características del mismo. La temperatura ambiente se refiere a donde está colocado el dispositivo. Se suelen tomar valores superiores a 25ºC.
CÁLCULOS TÉRMICOS La resistencia térmica unión-ambiente necesaria para el correcto funcionamiento del dispositivo se obtiene como: En función del valor obtenido, Si es mayor que el proporcionado por el fabricante, no se necesita radiador. Si es menor, se hace necesario utilizar un radiador ? se deberá calcular la resistencia térmica que debe poseer para no superar TJ(max) .
Cuando se necesite radiador, se deberá elegir uno comercial que se adapte al tipo de encapsulado del dispositivo y que cumpla con la ?RA calculada.
CÁLCULOS TÉRMICOS Gráficas de la resistencia térmica del perfil: muestran la relación entre resistencia térmica y longitud del perfil. A partir de ellas se puede determinar la longitud de radiador que se requiere. En general, los catálogos de radiadores facilitan la siguiente información: Perfil del radiador: determina la forma física del mismo (disposición de aletas, medidas, acabados superficiales, etc.).