UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

FUENTE DE ALIMENTACIÓN

I. INTRODUCCIÓN

REGULADOR DE VOLTAJE

Un regulador de tensión (a veces traducido del inglés como Regulador de Voltaje) es un dispositivo electrónico diseñado con el objetivo de proteger aparatos eléctricos y electrónicos delicados de variaciones de diferencia de potencial (tensión/voltaje), descargas eléctricas y "ruido" existente en la corriente alterna de la distribución eléctrica.

Los reguladores de tensión están presente en las fuentes de alimentación de corriente continua reguladas, cuya misión es la de proporcionar una tensión constante a su salida. Un regulador de tensión eleva o disminuye la corriente para que el voltaje sea estable, es decir, para que el flujo de voltaje llegue a un aparato sin irregularidades. Esto, a diferencia de un "supresor de picos" el cual únicamente evita los sobre voltajes repentinos (picos). Un regulador de voltaje puede o no incluir un supresor de picos.

Funcionamiento

Cuando el voltaje excede cierto límite establecido en el protector de picos es desviado hacia una línea a tierra, evitando así que se dañe el aparato eléctrico delicado.

Un protector de picos consta de los siguientes componentes:

Un fusible o un protector termomagnético que desconecta el circuito cuando se está sobrepasando el límite de voltaje, o en caso de una descarga.

Un transformador.

Resistencia variable.

Diodo Zener también conocido como diodo de supresión de voltaje.

Estos aparatos se utilizan desde hace ya mucho tiempo, sólo que era común verlos protegiendo los televisores. Actualmente es normal verlos en los equipos de cómputo. A un regulador de voltaje ya conectado con el ordenador, no se le debe conectar ninguna otra cosa, por ejemplo si le conectamos una aspiradora se quemará el fusible del regulador en cuanto la encendamos, si una cantidad así llega a la computadora, lo menos que pasaría sería que la fuente o la tarjeta madre se quemaran.

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Necesidad de regulación

La tensión que llega a las tomas de corriente de los hogares, no es adecuada, en general, para alimentar los aparatos electrónicos, ya que es una tensión cuyo valor y sentido de circulación cambia periódicamente. La mayoría de los circuitos electrónicos necesitan una tensión de menor amplitud y valor continuo en el tiempo.

Lo primero que se hace es reducir esta tensión con un transformador, después se rectifica para que circule en un solo sentido, y luego se añade un filtro que absorberá las variaciones de tensión; todos estos bloques componen la fuente de alimentación regulada básica. Para circuitos más sensibles o para dar una alimentación de mayor calidad, se hace necesaria la inserción en la fuente de alimentación del bloque regulador de tensión, el cual va a proporcionar una tensión constante, además de disminuir el pequeño rizado que queda en la tensión tras pasar por el filtro.

Regulación con diodo Zener

Diodo Zener

Curva idealizada inversa del zener.

El diodo Zener es un tipo especial de diodo preparado para trabajar en la zona inversa. Cuando se alcanza la denominada tensión Zener en polarización inversa, ante un aumento de la corriente a través del diodo, éste mantiene la tensión constante entre sus terminales dentro de ciertos márgenes. Si la corriente es muy pequeña la

tensión empezará a disminuir, pero si es excesiva puede destruir el diodo.

Esta propiedad hace que el diodo Zener sea utilizado como regulador de tensión en las fuentes de alimentación.

Regulador paralelo

Circuito regulador Diodo Zener.

Es el regulador de tensión más sencillo. Consiste en una resistencia serie de entrada y el diodo zener en paralelo con la carga como se muestra en la siguiente imagen.

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Cuando la tensión de entrada aumenta se produce un aumento de la corriente de entrada, como la tensión del diodo zener es constante, absorbe el exceso de corriente, mientras la resistencia de entrada absorbe esta variación de tensión. Si se produce una disminución de la tensión de entrada la caída de tensión en la resistencia de entrada disminuirá, compensando la disminución inicial, por el zener circulará menor corriente.

Del circuito se deduce que para que el zener estabilice correctamente, la tensión mínima a su entrada (UIN), debe ser mayor que la tensión de referencia del zener (Vz). También hay un límite de tensión máxima debida a las limitaciones de potencia del dispositivo. Si se cumplen estas premisas, la tensión en la carga será muy aproximada igual a la del zener.

Las ecuaciones básicas del circuito son las siguientes:

Vin = Vr + Vz

Donde Vin es la tensión de entrada, Vr la tensión en la resistencia serie y Vz la tensión del zener o de la resistencia de carga.

Ie = Iz + Is

Donde Ie es la corriente de entrada, Iz la corriente por el zener e Is la corriente por la carga.

Regulador en serie

Estabilizador de tensión.

Este tipo de regulador utiliza un transistor en serie con la carga, como puede observarse en el esquema.

En este circuito la corriente de entrada sigue los cambios de la corriente por la carga, sin embargo, en el regulador paralelo la corriente por la carga se mantenía constante. Al haber sustituido la resistencia serie por un transistor, este regulador tiene un mayor rendimiento que el anteriormente visto, por lo que se utiliza en circuitos de mayor potencia. Si se produce una baja en el valor de la resistencia de carga, la corriente de entrada al circuito estabilizador aumenta y por donde, también aumenta la corriente por la resistencia R1, como el diodo zener mantiene su tensión constante, aumenta la caída de tensión en R1, con lo que la tensión colector-base del transistor aumenta, volviéndose menos conductivo, y estabilizando el aumento inicial de corriente.

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Reguladores integrados

Hoy en día es más común encontrar en las fuentes de alimentación reguladores integrados, normalmente son componentes muy parecidos a los transistores de potencia, suelen tener tres terminales, uno de entrada, un común o masa, y uno de salida, tienen una capacidad de reducción del rizado muy alta y normalmente sólo hay que conectarles un par de condensadores. Existen circuitos reguladores con un gran abanico de tensiones y corrientes de funcionamiento. La serie más conocida de reguladores integrados es la 78xx y la serie 79xx para tensiones negativas. Los de mayor potencia necesitarán un disipador de calor, este es el principal problema de los reguladores serie lineales tanto discreto como integrado, al estar en serie con la carga las caídas de tensión en sus componentes provocan grandes disipaciones de potencia.

Reguladores conmutados

Los reguladores conmutados solucionan los problemas de los dispositivos anteriormente citados, poseen mayor rendimiento de conversión, ya que los transistores funcionan en conmutación, reduciendo así la potencia disipada en estos y el tamaño de los disipadores. Se pueden encontrar este tipo de fuentes en los ordenadores personales, en electrodomésticos, reproductores DVD, etc., una desventaja es la producción de ruido electromagnético producido por la conmutación a frecuencias elevadas, teniendo que apantallar y diseñar correctamente la PCB (Placa de Circuito Impreso) del convertidor.

TRANSISTOR

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los aparatos domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y video, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, teléfonos móviles, etc.

Tipos de transistor

Transistor de contacto puntual

Fue el primer transistor capaz de obtener ganancia, inventado en 1947 por J. Bardeen y W. Brattain. Consta de una base de germanio sobre la que se apoyan, muy juntas, dos puntas metálicas que constituyen el emisor y el colector. La corriente de base es capaz de modular la resistencia que se "ve" en el colector, de ahí el nombre de "transfer resistor". Se basa en efectos de superficie, poco conocidos en su día. Es difícil de fabricar (las puntas se ajustaban a mano), frágil (un golpe podía desplazar las puntas) y ruidoso. Sin embargo convivió con el transistor de unión (W. Shockley, 1948) debido a su mayor ancho de banda. En la actualidad ha desaparecido.

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Transistor de unión bipolar

El transistor de unión bipolar, o BJT por sus siglas en inglés, se fabrica básicamente sobre un monocristal de Germanio, Silicio o Arseniuro de Galio, que tienen cualidades de semiconductores, estado intermedio entre conductores como los metales y los aislantes como el diamante. Sobre el sustrato de cristal, se contaminan en forma muy controlada tres zonas, dos de las cuales son del mismo tipo, NPN o PNP, quedando formadas dos uniones NP.

La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona P de aceptadores o "huecos" (cargas positivas). Normalmente se utilizan como elementos aceptadores P al Indio (In), Aluminio (Al) o Galio (Ga) y donantes N al Arsénico (As) o Fósforo (P).

La configuración de uniones PN, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la característica de la base, y las otras dos al emisor y al colector que, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a la base, tienen diferente contaminación entre ellas (por lo general, el emisor esta mucho más contaminado que el colector).

El mecanismo que representa el comportamiento semiconductor dependerá de dichas contaminaciones, de la geometría asociada y del tipo de tecnología de contaminación (difusión gaseosa, epitaxial, etc.) y del comportamiento cuántico de la unión.

Transistor de unión unipolar

También llamado de efecto de campo de unión (JFET), fue el primer transistor de efecto de campo en la práctica. Lo forma una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta. A uno de estos contactos le llamaremos surtidor y al otro drenador. Aplicando tensión positiva entre el drenador y el surtidor y conectando a puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos corriente de drenador con polarización cero. Con un potencial negativo de puerta al que llamamos tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal.

Transistor de efecto de campo

El transistor de efecto de campo, o FET por sus siglas en inglés, que controla la corriente en función de una tensión; tienen alta impedancia de entrada.

Transistor de efecto de campo de unión, JFET, construido mediante una unión PN.

Transistor de efecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que la compuerta se aísla del canal mediante un dieléctrico.

Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET, donde MOS significa Metal-Óxido-Semiconductor, en este caso la compuerta es metálica y está separada del canal semiconductor por una capa de óxido.

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Fototransistor

Los fototransistores son sensibles a la radiación electromagnética en frecuencias cercanas a la de la luz visible; debido a esto su flujo de corriente puede ser regulado por medio de la luz incidente.

POTENCIÓMETRO

Un potenciómetro es un resistor cuyo valor de resistencia puede ser ajustado. De esta manera, indirectamente, se puede controlar la intensidad de corriente que fluye por un circuito si se conecta en paralelo, o la diferencia de potencial al conectarlo en serie.

Normalmente, los potenciómetros se utilizan en circuitos de poca corriente. Para circuitos de corrientes mayores, se utilizan los reostatos, que pueden disipar más potencia.

Construcción

Existen dos tipos de potenciómetros:

Potenciómetros impresos, realizados con una pista de carbón o de cermet sobre un soporte duro como papel baquelizado, fibra, alúmina, etc. La pista tiene sendos contactos en sus extremos y un cursor conectado a un patín que se desliza por la pista resistiva.

Potenciómetros petados. Consiste en un arrollamiento toroidal de un hilo resistivo (por ejemplo, constantán) con un cursor que mueve un patín sobre el mismo.

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Tipos

Según su aplicación se distinguen varios tipos:

Potenciómetros de mando. Son adecuados para su uso como elemento de control en los aparatos electrónicos. El usuario acciona sobre ellos para variar los parámetros normales de funcionamiento. Por ejemplo, el volumen de una radio.

Potenciómetros de ajuste. Controlan parámetros preajustados, normalmente en fábrica, que el usuario no suele tener que retocar, por lo que no suelen ser accesibles desde el exterior. Existen tanto encapsulados en plástico como sin cápsula, y se suelen distinguir potenciómetros de ajuste vertical, cuyo eje de giro es vertical, y potenciómetros de ajuste horizontal, con el eje de giro paralelo al circuito impreso.

Según la ley de variación de la resistencia R = ρ(θ):

Potenciómetros lineales. La resistencia es proporcional al ángulo de giro. Logarítmicos. La resistencia depende logarítmicamente del ángulo de giro.

Sinusoidales. La resistencia es proporcional al seno del ángulo de giro. Dos potenciómetros sinusoidales solidarios y girados 90° proporcionan el seno y el coseno del ángulo de giro. Pueden tener topes de fin de carrera o no.

Antilogarítmicos...

En los potenciómetros impresos la ley de resistencia se consigue variando la anchura de la pista resistiva, mientras que en los bobinados se ajusta la curva a tramos, con hilos de distinto grosor.

Potenciómetros multivuelta. Para un ajuste fino de la resistencia existen potenciómetros multivuelta, en los que el cursor va unido a un tornillo desmultiplicador, de modo que para completar el recorrido necesita varias vueltas del órgano de mando.

Tipos de potenciómetros de mando

Potenciómetros rotatorios. Se controlan girando su eje. Son los más habituales pues son de larga duración y ocupan poco espacio.

Potenciómetros deslizantes. La pista resistiva es recta, de modo que el recorrido del cursor también lo es. Han estado de moda hace unos años y se usa, sobre todo, en ecualizadores gráficos, pues la posición de sus cursores representa la respuesta del ecualizador. Son más frágiles que los rotatorios y ocupan más espacio. Además suelen ser más sensibles al polvo.

Potenciómetros múltiples. Son varios potenciómetros con sus ejes coaxiales, de modo que ocupan muy poco espacio. Se utilizaban en instrumentación, autorradios, etc.

Potenciómetros digitales

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Se llama potenciómetro digital a un circuito integrado cuyo funcionamiento simula el de un potenciómetro Analógico. Se componen de un divisor resistivo de n+1 resistencias, con sus n puntos intermedios conectados a un multiplexor analógico que selecciona la salida. Se manejan a través de una interfaz serie (SPI, I2C, Microwire, o similar). Suelen tener una tolerancia en torno al 20% y a esto hay que añadirle la resistencia debida a los switches internos, conocida como Rwiper. Los valores mas comunes son de 10K y 100K aunque varia en función del fabricante con 32, 64, 128, 512 y 1024 posiciones en escala logarítmica o lineal. Los principales fabricantes son Maxim, Intersil y Analog Devices. Estos dispositivos poseen las mismas limitaciones que los conversores DAC como son la corriente máxima que pueden drenar, que esta en el orden de los mA, la INL y la DNL, aunque generalmente son monotónicos.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

En resumen, una fuente de tensión regulada se compone básicamente de las siguientes de cuatro etapas fundamentales para su correcto funcionamiento, las cuales se describen en el siguiente diagrama:

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Primera etapa: transformador de poder

Como puede notarse la primera etapa de la fuente corresponde al transformador de poder. Existen un sin fin de tipos de transformador de poder. El transformador es un dispositivo que permite obtener voltajes mayores o menores que los producidos por una fuente de energía eléctrica de corriente alterna (CA).

Un transformador se compone de dos enrollamientos o embobinados eléctricamente aislados entre sí, devanados sobre el mismo núcleo de hierro o de aire. Una corriente alterna que circula por uno de los devanados genera en el núcleo un campo magnético alterno, del cual la mayor parte atraviesa al otro devanado e induce en él una fuerza electro- motriz también alterna. La potencia eléctrica es transferida así de un devanado a otro, por medio del flujo magnético a través del núcleo. El devanado al cual se le suministra potencia se llama primario, y el que cede potencia se llama secundario. En cualquier transformador, no todas las líneas de flujo están enteramente en el hierro, porque algunas de ellas vuelven a través del aire. La parte de flujo que atraviesa al primario y al secundario es la Llamada flujo mutuo, la parte que sólo atraviesa al primario es el flujo ligado al primario y la que atraviesa sólo al secundario, se le llama flujo liga- do al secundario. En este caso, la potencia eléctrica obtenida (potencia de salida) en el transformador será menor a la potencia de entrada o suministrada al mismo, debido a las inevitables pérdidas por calentamiento en el primario y secundario, mismas que se denominan perdidas del cobre, a demás, puesto que como se muestra en el diagrama el primario es mayor al secundario, la tensión de salida será menor a la de entrada, puesto que los requerimientos necesitados nos dan que la medición de salida entre estos puntos será de 12 v CA.

Segunda etapa: rectificación.

La segunda etapa de nuestra fuente de alimentación es la que queda constituida por la rectificación, en este punto, la señal inducida al secundario, será nuevamente inducida pero ahora a una señal directa.

Nuestra fuente que es nuestro tema de estudio, en este caso posee una rectificación a base de 4 diodos, por lo que su rectificación será de onda completa y esta conectado en "tipo puente".

Tercera Etapa: Filtro

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Esta etapa, tiene como función, "suavizar" o "alisar" o "reducir" a un mínimo la componente de rizo y elevar el valor promedio de tensión directa. El que a continuación describiremos es el ocupado por la fuente causa de nuestro estudio, y es a base precisamente de elementos pasivos como es el condensador. Nuestra fuente tiene un condensador de 4700 mF a 16 V, el cual tendrá dicha función. Este tipo de red de filtro, es el más ocupado por ser el más sencillo y económico, como nuestra fuente posee pequeñas variaciones de carga y puede tolerarse algo de zumbido, es ideal para el funcionamiento de filtraje.

El funcionamiento es el siguiente: Por cada ciclo de la señal rectificada, el condensador, se carga al valor pico, cuando la amplitud del voltaje rectificado comienza a disminuir, el capacito empieza a descargarse. Su eficiencia depende de la constante de tiempo, puesto que una carga de bajo valor pide más corriente haciendo que el condensador se descargue más rápidamente y el filtraje sea menor.

Cuarta Etapa: Regulador De Voltaje.

En muchas ocasiones necesitamos una fuente de alimentación que nos proporcione más de 1A y esto puede convertirse en un problema que aumenta, si además queremos, por seguridad, que se pueda cortocircuitar. La solución es dopar (añadir) un transistor de potencia o los que sean necesarios para que nos proporcione la corriente deseada.

III. PARTE EXPERIMENTAL

Se observa en la figura el esquema de una fuente de alimentación la cual es utilizada para poder convertir una corriente alterna en una corriente continua. Utilizando un transformador la cual transforma el voltaje de 220 v en más o menos 12v.

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Se procedió a tomar el voltaje con la ayuda de un multímetro en los siguientes puntos:

o En los cables conectados a la fuente: V = 220 V

o En los terminales de los diodos: V = 12.08 V

o En los terminales del condensador: V = 15.14 V

o En los terminales de salida de la fuente: V = 1.45 a 14 V al girar el

potenciómetro

IV. CONCLUSIONES

Procedemos a mencionar que una fuente de alimentación está compuesta por la bobina o revestimiento, el circuito de 4 diodos, el condensador, el transistor, regulador de voltaje y el potenciómetro internamente.

La elaboración de la fuente de alimentación requiere de cuatro etapas: transformador de poder, rectificación, filtro y regulador de voltaje.

Una fuente de alimentación tiene como fin permitirnos manipular el voltaje en un rango determinado con ayuda del potenciómetro y convertir la corriente alterna en corriente continua.

Con ayuda del experimento nos vamos dando cuenta cómo en el paso de la corriente por la fuente, ésta va cambiando en su gráfica de ondas en la cual al final se vuelve constante.

V. BIBLIOGRAFÍA

Fuentes de alimentación reguladas electrónicamente. F. Bonnin Forteza. Marcombo.

Boylestand Nashelsky. Electrónica teoría de circuitos. Prentice Hall.

Cutler, Phillip, Análisis de circuitos con semiconductores, McGraw-Hill, 1967

Maciel Suárez, Jorge A., Análisis y diseño de fuentes de alimentación, México, IPN-ESIME, 1975

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