Se entiende por fuente de alimentación un sistema electrónico que suministra las tensiones y corrientes
necesarias para el funcionamiento de los circuitos electrónicos. Por tanto, las fuentes de alimentación
son sistemas suministradores de energía eléctrica.
Por fuente de alimentación simple (o primaria) se entiende aquella compuesta por, quizás, un bloque
transformador, otro bloque rectificador y un último bloque de filtrado:
El bloque transformador, en caso de existir, estará formado por el componente de nombre análogo. El bloque rectificador está formado típicamente por diodos, y puede ser media onda o de doble onda. Por último, el bloque de filtrado lo constituye un condensador de gran capacidad o una asociación de condensadores y bobinas o resistencias.
El transformador de alimentación:
Lo normal es que sean transformadores reductores, con un primario único y uno o varios secundarios. Las características más imortantes de un transformador de alimentación son:Otros datos que suelen aparecer en las hojas de características de los transformadores son, por ejemplo, la eficiencia energética, la regulación de carga, etc. amén, claro está, de las dimensiones físicas del mismo.Tensión del secundario o secundarios: viene expresada en tensión eficaz. Potencia máxima entregable por los secundarios: expresada en VA (voltamperios). Resistencia de primario y secundarios: expresada en ohmios, a la temperatura de 25ºC. Perdidas en el núcleo y en los bobinados: expresada en W (vatios). Corriente consumida por el transformador sin carga conectada: expresada en mA (miliamperios).
Los diodos rectificadores:
Deben ser diodos con unas características especiales. De hecho, existe un subgrupo de diodos llamados así, rectificadores. Los diodos rectificadores deben poder ser capaces de soportar de forma continua valores de corriente que, según qué aplicaciones, puede llegar a ser elevada o muy elevada. Además, deben aguantar picos de corriente varias veces mayores que su corriente nominal máxima de funcionamiento. En cuanto a las características de tensión, es normal que puedan trabajar con tensiones inversas de algunas centenas de voltios. Tomemos como ejemplo un diodo rectificador muy difundido, el 1N4007. Tiene aplicación en fuentes de alimentación de pequeña potencia de salida. Sus principales características son:Picos repetitivos de tensión inversa: 1000V máximo. Picos no repetitivos de tensión inversa: 1200V máximo. Tensión inversa máxima de forma continua: 700V. Corriente nominal directa máxima: 1A. Picos de corriente directa no repetitivos: 30A máximo.
Los condensadores de filtrado:
Los condesadores que se usan son de tipo electrolítico, con un valor de capacidad que como mínimo suele ser de 1000uF. Deben poder soportar al menos una tensión doble de la tensión de pico que entregue el transformador. Así mismo, deben elegirse condensadores con poca corriente de fuga, ya que de lo contrario se tendría una disipación de potencia apreciable en dicho elemento, provocando que se calentase y, si alcanza temperaturas elevadas, llegado el caso estallase. También es deseable (imprescindible si se trata de la fuetne primaria de un sistema de alimentación conmutado) elegir condensadores con una Resistencia Serie Equivalente (ESR) pequeña, ya que ello posibilitará que la fuente pueda entregar picos elevados de corriente ante demandas de la carga.La fuente de alimentación simple con rectificador de media onda:
El esquema base que adoptaremos para el estudio de este tipo de fuentes es el siguiente:
El transformador Tr reducirá la tensión del primario, Vp, a una de valor más pequeño en el secundario, Vs. Tanto en primario como en secundario la tensión será de tipo alterna senoidal. La tensión de pico o máxima presente en el secundario, Vmáx, será por tanto:
La tensión máxima en extremos del condensador, Vc máx, será igual a Vmáx menos 0.7V, que es la tensión de conducción del diodo rectificador D. O sea,
Las formas de onda en el circuito, suponiendo un transformador con secundario de 12V y una carga conectada a la fuente, serán similares a las siguientes:
La onda roja sería la correspondiente a la tensión alterna senoidal que entrega el secundario del transformador. La señal azul es la presente en extremos del condensador de filtro. En ella se pueden apreciar perfectamente las cargas y descargas de este condensador (carga a través del diodo, descarga a través de la resistencia de carga conectada a la fuente). También se puede apreciar la diferencia de 0.7V existente entre los picos positivos de la tensión del secundario y la tensión máxima en extremos del condensador. La onda verde es la correspondiente a la tensión en extremos del diodo rectificador. Se puede apreciar que dicha tensión polariza al diodo en sentido inverso la mayoría del tiempo y que alcanza un valor de prácticamente el doble de Vc máx. La polarización directa sólo se produce durante la carga del condensador.
Lo que aparece a continuación son las formas de las corrientes que circulan por el circuito (seguimos suponiendo una resistencia de carga conectada):
En esta ocasión la onda roja corresponde a la corriente instantánea que
atraviesa al diodo rectificador. Sólo circula corriente por él prácticamente durante la carga del condensador.
El diodo tendrá que ser capaz de soportar estos picos repetitivos de corriente, cuyo valor máximo dependerá
de forma directa del valor de la capacidad del condensador y de forma inversa del valor óhmico de la
resistencia de carga.
La onda verde es la correspondiente a la corriente que atraviesa a la resistencia
de carga. Cuando es creciente la corriente la suministra el transformador a través del diodo. Cuando la
corriente por la carga decrece está siendo suministrada por el condensador, que se está descargando sobre
ella.
La onda azul es la de la corriente absorbida (durante la carga) o entregada
(durante la descarga) por el condensador de filtro, por eso tiene una parte positiva (carga) y otra negativa
al circular la corriente en sentido contrario (descarga). La corriente media, o continua, que "circula" por
el condensador es aproximadamente cero (el área bajo la parte positiva de la gráfica de corriente es
prácticamente igual al área que encierra la parte negativa de la misma gráfica), no llegando a serlo
completamente debido a la corriente de fuga del condensador. Tendremos entonces que la práctica totalidad de
la corriente contínua que atraviesa al diodo rectificador circulará por la carga.
Por otro lado, la tensión continua en extremos de la carga, o sea, a la salida de la fuente de alimentación,
viene dada por:
siendo Vriz la llamada tensión de rizado (pico a pico). Esta tensión es una componente alterna residual que tiene una frecuencia igual a la de la tensión de red rectificada (en España 50Hz para rectificación a media onda y 100Hz para rectificación a doble onda) que queda superpuesta a la tensión continua de salida y que está provocada por las cargas y descargas del condensador de filtro:
El valor de la tensión de rizado depende de forma inversa de la capacidad del condensador de filtro, del valor óhmico de la resistencia de carga y del valor de la frecuencia de la tensión de red rectificada. Esto es así porque estos son los factores que influyen sobre la carga y descarga del condensador de filtro. En concreto, la expresión que liga estos parámetros es la siguiente:
donde Vriz es la tensión de rizado pico a pico en extremos de la carga, F es la frecuencia de la tensión de red rectificada e Idc es La corriente media o continua que consume la resistencia de carga,
Cuando se selecciona un diodo para montar este tipo de fuentes su corriente nominal directa máxima tendrá
que ser mayor que Idc.
Otro parámetro a tener en cuenta en la elección del diodo
rectificador son los picos de corriente directa no repetitivos. Por el diodo circularán picos de corriente
que serán repetitivos, pero hay, en condiciones normales, un pico de corriente que no se repite y además
es el que mayor valor de
corriente alcanza. Se trata del pico de corriente correspondiente a la primera carga del condensador de
filtro. El valor de corriente que alcance este pico dependerá del momento de conexión a la red. Si la conexión se produce
durante un paso por cero de la tensión de red dicho valor se puede calcular, de forma aproximada (siempre que la
resistencia de carga no llegue a descargar al condensador excesivamente durante el periódo de bloqueo del diodo)
mediante la expresión
donde Fred es la frecuencia de la tensión de red y Rtd es la suma de la
resistencia del secundario del transformador y la resistencia del diodo en conducción, aunque normalmente
la resistencia del diodo se puede despreciar en esta suma.
En caso de que la conexión a red ocurra durante un máximo de dicha tensión se estará ante el peor caso posible, siendo
el valor que toma el pico de corriente el máximo posible:
Entonces, el valor del primer pico de corriente estará comprendido entre los dos valores anteriores.
Tras este primer pico de corriente se irán sucediendo otros muchos (o sea, de forma repetitiva) pero
estos últimos no llegarán a alcanzar el valor de corriente del primero si se respeta lo indicado más arriba.
De hecho, si se eligió correctamente el valor del condensador de filtro, serán de un valor mucho menor que el
primero.
La fuente de alimentación simple con rectificador de doble onda con transformador con secundario dividido:
En esta fuente se usa un transformador con doble secundario o dividido. El secundario se comporta en este caso como un divisor de tensión inductivo, de tal forma que tomando el punto central como referencia de potenciales se tendrá en cada extremo ondas senoidales iguales pero desfasadas 180º una respecto la otra. Este hecho se aprovecha para montar dos rectificadores de media onda, uno en cada extremo del secundario. la tensión rectificada de ambos rectificadores se suma sobre la carga, produciendo la rectificación de doble onda sobre ella.Su esquema es el siguiente:
La gráfica con sus tensiones en cada punto es la mostrada en la figura:
La onda azul es la correspondiente a la tensión de salida de la fuente. En
este caso suponemos también conectada una resistencia de carga. Por otro lado, las ondas
roja y verde corresponden a la tensión entregada por cada
extremo del secundario del transformador. Se puede apreciar perfectamente el desfase de 180º al que haciamos referencia
antes.
En esta fuente los diodos deben soportar una tensión inversa máxima de dos veces la tensión máxima de cada parte del
transformador. Así, si el transformador es de 12+12V en su secundario (esta es la forma de expresar el hecho de que el
secundario está dividido, siendo en este caso cada parte del mismo de 12V eficaces) los diodos deberán aguantar una
tensión inversa de unos 34V como mínimo. En cuanto a la corriente máxima de pico que pueda tener que llegar a soportar
uno de los diodos (recordemos, el primer pico de carga del condensador, que en este caso puede circular por un diodo
o por el otro, y no hay forma de saber, a priori, por cuál) su cálculo es idéntico al caso del rectificador de media onda.
El condensador se calculará de la misma forma que en el rectificador de media onda, pero teniendo en cuenta que la
frecuencia con la que éste se carga y descarga es doble que en dicho rectificador, o sea, tendremos que tomar una
frecuencia de valor 100Hz. Por esto último, para conseguir tensiones de rizado similares al caso de media onda
necesitaremos condensadores de la mitad de capacidad para el rectificador de doble onda.
La fuente de alimentación simple con rectificador de doble onda con puente de diodos (puente de Graetz):
Este rectificador de doble onda es muy usado ya que elimina la necesidad de tener que emplear transformadores con secundario dividido (más voluminosos y pesados). El esquema de una fuente de alimentación simple que use este tipo de rectificador es el siguiente:
El puente consigue reconducir el paso de la corriente eléctrica haciendo que en cada semiciclo de la tensión del
secundario del transformador siempre circule por la carga en el mismo sentido (de eso trata la retificación).
La tensión inversa máxima que ha de soportar cada diodo del puente rectificador es tan sólo igual al valor de tensión
máxima entregado por el secundario del transformador. En cuanto a la corriente de pico máxima por cada diodo decir que
es aproximádamente la misma que en el caso del rectificador de doble onda con transformador con secundario dividido.
El condensador se cálcula de la forma ya vista.
La fuente de alimentación simple simétrica con rectificador de doble onda con puente de diodos:
Es posible conseguir una fuente de alimentación simple de este tipo si se emplea un transformador con secundario dividido:
