Fuentes de alimentación



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Fuentes de alimentación

INTRODUCCIÓN: Las fuentes de alimentación para dispositivos electrónicos pueden clasificarse básicamente como lineales y conmutadas. Las lineales tienen un diseño relativamente simple, que puede llegar a ser más complejo cuanto mayor es la corriente que deben suministrar, sin embargo su regulación de tensión es poco eficiente. Una fuente conmutada, de la misma potencia que una lineal, será más pequeña y normalmente más eficiente pero será más compleja y por tanto más susceptible a averías.

La elección del uso de una fuente de alimentación conmutada, o una fuente lineal en un diseño particular está basada en las necesidades de la aplicación. Ambos tipos de fuentes de alimentación tienen sus ventajas y desventajas.


BREVE EXPLICACION DEL FUNCIONAMIENTO DE CADA DISPOSITIVO

Todo circuito requiere para su funcionamiento de una fuente eléctrica de energía, puesto que la corriente y voltaje que proporciona la línea comercial no es la adecuada para que su funcionamiento sea el correcto.

Un dispositivo a base de semiconductor que integran un circuito, funciona con tensiones y corrientes directas lo más continuas posibles, así pues, la fuente de alimentación convierte la energía de la línea comercial en energía directa a los valores requeridos.
La fuente de alimentación regulada para su correcto funcionamiento se constituye a base de 4 etapas de funcionamiento que en el siguiente diagrama de bloques se muestra.

FUNCIONAMIENTO DE LOS DISPOSITIVOS INDIVIDUALMENTE EN LA FUENTE.


  1. Transformador: El voltaje de la línea doméstica se reduce de 127 Volts a aproximadamente 12 Volts  ó 5 V.


2.- Rectificador: Se transforma el voltaje de corriente alterna en voltaje de corriente directa, esto lo hace dejando pasar solo los valores positivos de la onda (se genera corriente continua), por medio de elementos electrónicos llamados diodos

3.- Filtro: esta le da calidad a la corriente continua y suaviza el voltaje, por medio de elementos electrónicos llamados capacitores

4.- Regulador: el voltaje ya suavizado se le da la forma lineal que utilizan los dispositivos. Se usa un circuito integrado especial. Esta fase es la que entrega la energía necesaria, en caso de querer regular de manera analógica se usan elementos llamados potenciómetros.
Todos estos, tienen como se puede observar, efectúan funciones específicas en su respectiva zona de la transformación de la corriente, ya que esencialmente esas son las partes que componen una fuente de alimentación lineal básicamente.
Fuentes Lineales: La fuente lineal ofrece al diseñador tres ventajas principales:

- Simplicidad de diseño.

- Operación suave y capacidad de manejar cargas. Bajo ruido de salida y una respuesta dinámica muy rápida.

- Para potencias menores a 10W, el costo de los componentes es mucho menor que el de las fuentes conmutadas.


Las desventajas del regulador lineal es su límite de aplicación. Sólo pueden ser reductores de tensión, lo que significa que se necesitará una caída de tensión aceptable para poder controlar la polarización de la etapa de potencia lineal y la regulación en la línea. En aplicaciones de línea de 50Hz, deberán utilizarse transformadores de línea adicionales de gran volumen, condicionando su versatilidad y practicidad.

Segundo, cada regulador lineal puede tener sólo una salida. Por esto, para cada salida regulada adicional necesaria, deberá incrementarse el circuito de potencia.

Tercero, y quizás el más importante es su eficiencia. En aplicaciones normales, los reguladores lineales tienen una eficiencia del 30 al 60%. Esto significa que por cada Watt los costos se irán incrementando. Esta pérdida llamada “headroom loss“, ocurre en el transistor de paso y, desafortunadamente es necesaria para polarizar la etapa de potencia y para cumplir con las especificaciones de regulación de línea, cuando la mayoría del tiempo el regulador no funcionará en esas condiciones.
Fuentes Conmutadas: Tienen las siguientes ventajas:

- La eficiencia de las fuentes conmutadas está comprendida entre el 68 y el 90%. Esto hace reducir el costo de los dispositivos de potencia. Además, los dispositivos de potencia funcionan en el régimen de corte y saturación, haciendo el uso más eficiente de un dispositivo de potencia.

- Debido a que la tensión de entrada es conmutada en una forma de alterna y ubicada en un elemento magnético, se puede variar la relación de transformación pudiendo funcionar como reductor, elevador, o inversor de tensión con múltiples salidas.

No es necesario el uso del transformador de línea, ya que el elemento magnético de transferencia de energía lo puede reemplazar, funcionando no en 50/60 Hz, sino en alta frecuencia de conmutación, reduciendo el tamaño del transformador y en consecuencia, de la fuente; reduciendo el peso, y el coste.

- Un transformador de energía de 50/60 Hz tiene un volumen efectivo significativamente mayor que uno aplicado en una fuente conmutada, cuya frecuencia es típicamente mayor que 15 kHz.
La desventaja de las fuentes conmutadas es su diseño más elaborado. Un diseño de una fuente conmutada puede llevar varias semanas o meses de desarrollo y puesta a punto, dependiendo de los requerimientos.

Segundo, el ruido es mayor que el de las fuentes lineales. En la salida y entrada, radia interferencia electromagnética y de radiofrecuencia. Esto puede dificultar el control y no deberá ser ignorado durante la fase de diseño. Por éste motivo se deberán agregar de protección, de arranque suave, y filtros de línea adicionales como etapas previas.

Tercero, la fuente conmutada toma proporciones de energía de la entrada en pulsos de tiempos limitados para transferirlo a la salida en otras condiciones de corriente y tensión, por lo que le llevará mayor tiempo de restablecimiento al circuito para soportar variaciones en la entrada. Esto se llama “respuesta transitoria en el tiempo“. Para compensar este funcionamiento lento, los capacitores de filtro de salida se deberán incrementar para almacenar la energía necesaria por la carga durante el tiempo en que la fuente conmutada se está ajustando.

Generalmente, la industria está optando por el uso de fuentes conmutadas en la mayoría de las aplicaciones. En baja potencia, donde es necesario una mejor característica de rizado se está optando por insertar una fuente lineal en serie con la fuente conmutada.


FUENTE DE ALIMENTACION FIJA: En electrónica, una fuente de alimentación es un dispositivo que convierte la tensión alterna de la red de suministro, en una o varias tensiones, prácticamente continuas, que alimentan o suministran energía a su salida. Cabe mencionar que esta por si sola es la definición de una fuente de alimentación, pero también describe lo que es específicamente una fuente de alimentación fija, ya que solo da un voltaje periódicamente igual.

Para regular específicamente las fuentes de alimentación aquí hay una relación de los reguladores usados para cada circuito.


Circuito básico de una fuente de alimentación fija

Componentes:

S1: conmutador SPST
T1: Transformador 
BR1: Puente rectificador 
C1: Condensador electrolítico 
C2: Condensador electrolítico 
C3: Condensador electrolítico 
C4: Condensador electrolítico
Para regular específicamente las fuentes de alimentación aquí hay una relación de los reguladores usados para cada circuito.
Tensión                U1

-------                      --

24V                       LM7824C

18V                       LM7818C

15V                       LM7815C o LM7815

12V                       LM7812C o LM7812

8V                          LM7808C

6V                          LM7806C

5V                          LM7805C o LM7805
FUENTES REGULABLES: Las fuentes regulables, a diferencia de las fijas, contienen un arreglo que permite la manipulación de voltaje a la salida, esto se debe a que el usuario necesita un voltaje diferente al establecido en las fuentes fijas, ya sea solo para uso experimental o alimentación de un circuito de requerimientos diferentes.

Así como hemos visto anteriormente hay muchas formas de regular la corriente, la más común es usando un regulador de tensión pero en lugar de usar un integrado de la serie “78XX” (y “79XX” para voltajes negativos donde XX es el nuero al que regula el voltaje de salida), ocupamos un LM317 para salida de voltaje positivo y un LM337 para salida negativa, estos van acompañados de un arreglo de resistencias, una a la salida y en paralelo al canal de regulación que tiene la otra resistencia pero que es ajustable, así una vez que baja la señal en el canal de entrada, el dispositivo baja también la salida tensión, por tanto el voltaje disminuye y aumenta proporcionalmente. Este es el diagrama de cómo debería lucir una fuente regulable


Fuente con LM337
También, tomando en cuenta que del puente de diodos a la salida el voltaje aún se presente en ondas y no en forma lineal, por lo que debe llevar sus respectivos filtros, como capacitores de diferentes capacitancias, resistencias y diodos.
FILTROS: Como se busca que las fuentes tengan un voltaje sin variaciones, se ocupan estos filtros, estos filtros eran llamados “filtros pasivos “ocupados en los años 70`s por su casi perfecta regulación son actualmente ocupados aun, y aunque ya existen estabilizadores de tensión, generalmente siempre tiene limitaciones, haciendo de los filtros pasivos excelentes herramientas

Filtros de RC: estos filtros son compuestos de un arreglo “resistencia-capacitor” siendo así secciones de filtros, esto permite de manera fácil y barata mantener lineal una salida lineal.



Pero como cualquier cosa real estos filtros presentan una desventaja, es que hay una pérdida de tensión después de cada resistencia, permitiendo un buen uso de la fuente para circuitos de bajas cargas, por tanto, no es buena idea conectar circuitos que demande corrientes más altas.

Filtros LC: estos filtros son parecidos a los anteriores pero en lugar de usar resistencias que bajan la corriente ocupan embobinados, estos son usados en conjunto con los capacitores pera generar una sección de filtración de la siguiente forma:



Su desventaja es que los para mayor eficacia del circuito el bobinado puede llegar a ser tan grande como el transformador, pero esto da un margen de error casi nulo.

De esta forma la fuente quedara así:



Fuente simétrica: Seguro que en muchas ocasiones hemos necesitado una fuente capaz de suministrar diversas tensiones dentro de un amplio margen de valores. Del mismo modo y por causa de los distintos márgenes de consumo, habría sido útil que dicha fuente incorporara un limitador de corriente ajustable, por ejemplo; para cargar baterías Ni/Cd, en cuya carga como es sabido, necesita mantener constante la corriente de carga y que fuera cortocircuitable para usarla en circuitos cuyo consumo desconocemos.

Generalmente, para 'cacharrear' es suficiente con una fuente de alimentación sencilla, nada más lejos de la realidad. En algunas aplicaciones será necesario que la corriente suministrada por la fuente sea elevada y en casi todos los casos una fuente regulable de 0V a 30V capaz de suministrar 5A será más que suficiente para poder alimentar todos los prototipos y equipos de laboratorio.


El problema se presenta en el momento de alimentar amplificadores operacionales, los cuales requieren de alimentación simétrica, como los amplificadores de audio, con entrada diferencial. La mayoría de los Op-Amp (amplificadores operacionales) requieren de una alimentación positiva respecto a masa y otra negativa respecto a la misma masa, debiendo ser del mismo valor, de ahí lo de simetría.

El circuito es sencillo debido a la utilización de dos reguladores de tensión los cuales proporcionan al montaje alta fiabilidad, robustez y características casi inmejorables. Uno de los reguladores LM338 (µA78HG) se encarga de la rama positiva y el otro LM337 (µA79HG), se encarga de la rama negativa.

No pasaremos a contemplar la constitución de cada uno de ellos, ya que consideramos que entra en la parte más teórica y pretendemos ajustarnos a lo esencial y práctico.

El ajuste de la tensión de salida se realiza mediante la actuación sobre un potenciómetro (P1) y una resistencia (R1) para mantener el valor mínimo, de 5V que especifica el fabricante. Con el fin de mejorar la respuesta a los posibles transitorios, evitar auto oscilaciones y mejorar el filtrado, se utilizan unos condensadores electrolíticos de baja capacidad a la entrada y salida de cada regulador
La tensión suministrada por el secundario del transformador T1, constituido por dos secundarios simétricos (del mismo valor 24V), se rectifica mediante el puente rectificador PR, y posteriormente se filtra mediante los condensadores electrolíticos idénticos C1 y C2 los cuales se cargarán a la tensión de pico, téngase muy en cuenta en estos casos la tensión de trabajo de estos condensadores que será de la suma de los dos polos, en este caso de 80V, la tensión obtenida a la entrada de los reguladores será de aproximadamente 33,8V.

Mediante los potenciómetros P1 y P2, debe ser uno doble de modo que la tensión de salida sea idéntica en cada ramal, para lograrlo se debe retocar la posible diferencia con el potenciómetro de ajuste en serie



Al terminar el montaje, la fuente quedará dispuesta para su inmediata utilización, sin necesidad de ajuste alguno, salvo el ajuste de los P1 y P2 para obtener la tensión deseada a la salida.

En caso de cortocircuito, la corriente máxima quedará limitada a 7A, según el propio fabricante evitando de este modo su destrucción. Se recomienda no probar si esto es cierto, debido al alto costo de estos reguladores


Existen importantes aplicaciones tecnológicas basadas en la alimentación simétrica, ya que la alimentación simétrica tiene la gran ventaja de que la pérdida de potencia en la línea de transmisión es un orden de magnitud menor que la alimentación asimétrica por cable coaxial.

El campo alterno generado por el conductor ascendente es cancelado por el campo generado por su homólogo descendente.

Además, la alimentación simétrica en delta permite la simplificación de la construcción.

La alimentación simétrica es por lo tanto la alimentación preferida en la operación QRP y en el modo EME, modos donde cada dB de ganancia cuenta.

A continuación un breve tutorial en tres partes del circuito en ISIS y su realización
http://www.contaval.es/protecciones-en-fuentes-de-alimentacion/
PROTECCIONES EN FUENTES DE ALIMENTACIÓN

Muchas fuentes de alimentación soportan pequeñas sobrecargas (por ejemplo, cortocircuitos). Pero en contraposición, su vida se reduce debido al aumento de la temperatura, lo que provoca a su vez daños irreversibles en los condensadores electrolíticos. En casos extremos, puede llegar a dañar las pistas de circuito impreso o incluso provocar un incendio.

Para evitar los problemas comentados, la mayoría de las fuentes de alimentación AC-DC y convertidores DC-DC tienen circuitos limitadores de corriente internos que los protegen tanto a sí mismos como a la carga que tienen conectada. Con tal propósito, generalmente las protecciones de sobre-corriente incluyen una función de recuperación automática una vez que el causante del problema ha desaparecido. En la práctica, la función de limitación de corriente suele actuar cuando se excede la corriente de salida nominal máxima en un 10% o 20%.

Los métodos más comunes de protecciones de corriente en fuentes de alimentación se pueden resumir en: Limitaciones de corriente por Fold-Back, Fold-Forward, corriente constante, Shutdown, Hiccup Mode Current Limiting, y Fuentes de alimentación con picos de corrientes.

 

1. Limitación de corriente por Fold-Back:



La primera técnica utilizada para proteger las fuentes de alimentación emplea aquellas de tipo lineal, ya que trata de mantener la salida del transistor por debajo de su límite máximo de disipación de potencia.

En condiciones de sobrecarga la tensión de salida cae, y por tanto, la diferencia entre “Vin” y “Vout” se hace más grande. De consecuencia, y de acuerdo con la fórmula anterior, esta situación tiende a aumentar la necesidad de disipación “P”. En el supuesto peor, el cortocircuito, la disipación y la salida tendrán valores mucho mayores que en condiciones típicas.

Así, se emplea la limitación de corriente Fold-Black si aparece una sobrecarga, para reducir la tensión y corriente de salida a niveles seguros. Como se observa en la figura 1, la sobrecarga proporciona una gran corriente hasta su valor límite, momento en el cuál la corriente de salida se pliega de nuevo hasta un valor menor, mientras que la tensión de salida se reduce a cero.

Figura1: limitación de corriente Fold-Back

En resumen, el sistema Fold-back ayuda a mantener al transistor dentro de su funcionamiento normal y reduce en gran medida la disipación de energía, lo que evita daños por calor a los componentes o incluso a incendios.

Por otro lado, también es importante informar sobre la recuperación de una condición límite de corriente. Con Fold-back, y siempre con dependencia del diseño, ésta puede ser automática o conseguirse después de un retardo de tiempo, cuando desaparezca la condición de sobrecarga.

Un inconveniente de la limitación de corriente en este sistema, es que si la fuente se enciende con una carga capacitiva pesada, podría alcanzar una corriente reducida antes de alcanzar su máxima tensión de salida.

 

2. Limitación de corriente por Fold-Forward: En el segundo método explicado, cuando se detecta una sobrecarga la tensión de salida se reduce a cero, pero la corriente aumenta (al contrario que en el caso anterior).



Si se desea una conexión a motores, bombas o cargas altamente capacitivas a la fuente, la característica de Fold-Forward puede ser interesante, ya que puede ayudar a superar la inercia eléctrica de estas cargas. La recuperación de una situación de limitación de corriente de Fold-Forward es generalmente automática cuando se elimina la sobrecarga.

 

Figura 2: Limitación de corriente Fold-Forward
3. Limitación de corriente constante: La limitación de corriente se utiliza en muchos diseños de fuente de alimentación conmutada; pues si se produce una sobrecarga, la corriente de salida se mantiene en su punto límite y la tensión de salida se reduce a cero de forma lineal. Típicamente, la tensión volverá automáticamente a su voltaje de salida normal cuando la condición de sobrecarga ya no esté presente.

Figura 3: Limitación de corriente constante

4. Limitación de corriente Shutdown: En algunos diseños de fuente de alimentación, cuando al producirse una sobrecarga se entra en modo de límite de corriente constante, se usa este procedimiento, en el cual, si la salida alcanza un voltaje preestablecido, la fuente se apaga.

En el tipo shutdown, la recuperación de la salida puede ser de forma automática, pero quizás también requiera de un nuevo ciclo de la potencia de entrada.

 

5. Hiccup Mode Current Limiting: Este modelo de protección es el más usado, puesto que en el modo de funcionamiento del modo de protección Hiccup, la fuente reduce su tensión de salida a cero en caso de detectar una sobrecarga o límite de corriente. Tras esto, y después de un breve periodo de tiempo, intentará proporcionar su tensión normal.



NOTA: A los anteriores intentos de encendido y apagado que prueban si el problema ha desaparecido se les conoce como modo Hipo.

 

Figura 4: Hiccup Mode Current Limiting
6. Fuentes de alimentación con picos de corrientes: Finalizamos las opciones disponibles con las fuentes diseñadas para absorber grandes picos de corrientes. Ellas pueden variar su corriente nominal máxima del 200% al 300% durante un periodo corto de tiempo, sin entrar en una condición de límite de corriente.

Estas fuentes son especialmente útiles para alimentar cargas como motores eléctricos, discos duros de ordenador, ventiladores, actuadores, bombas, etc.

Cuando se utiliza este tipo de fuente de alimentación es importante limitar la “potencia media” que se entrega a la carga.

 

7. Resumen Modelos de protección de corriente:



A = Modo Fold-Back.
B = Modo Corriente Constante.
C = Modo Fold-Forward.
D = Modo Hiccup.

https://es.slideshare.net/ManuelGmoJaramillo/21a-clase-sistemas-de-proteccin-para-fuentes-reguladas


Sistemas de Protección para Fuentes Reguladas

Circuitos extras en las fuentes reguladas que evitan daños graves en la fuente como en el circuito alimentado cuando ocurre u evento extra.

Dentro de los circuitos adicionales que se usa añadir a las fuentes reguladas de voltaje DC, están los circuitos para proteger la fuente y/o el circuito que se alimenta, con lo que muchos llaman “protección” esto implica que los excesos de corriente o voltaje no ocurran, sino que su efecto se puede limitar o controlar hasta cierto grado, evitando daños mayores.

Clases de Protección: a) Por exceso de voltaje de línea.

b) Por exceso de consumo de corriente en la carga.

Protección para Sobrevoltajes: A los primeros se los suele llamar corta picos. Cuando se transmite por línea de AC que alimenta a la fuente, picos de voltaje que sobrepasan el 10% del valor normal del voltaje de alimentación de la línea.

Para estos casos existen en el mercado los llamados “Varistores” que se consiguen en diferentes valores de voltaje y potencias; se suelen colocar en paralelo con el bobinado primario del transformador de alimentación o en caso de no tenerlo se coloca justo después del fusible de protección de entrada. Estos elementos son una resistencia que cambia su valor de alto a muy bajo cuando se sobrepasa un valor determinado de umbral de voltaje, poniendo en corto la línea y haciendo que el fusible se queme, evitando que dicho pulso entre en la fuente y produzca daños grandes e irreparables.




En la figura 1 hay varias, comenzando de arriba abajo y de izquierda a derecha las siguientes figuras: A) Fig. 1 la forma en que se conectaría en un sistema monofásico con línea de tierra. B) Fig. 2 se observa la curva característica voltaje/corriente de un varistor, donde se ve claramente los puntos donde cambia su resistencia y entra en conducción, así como la capacidad para hacerlo tanto para picos positivos como para picos negativos. C) Fig.3 Un circuito de una fuente regulada variable, en cuya entrada está el varistor para proteger el circuito de las subidas del voltaje de línea. D) Fig. 4 se observan varios varistores de diferentes tamaños según sea la potencia que manejan.


Protección para sobrecorrientes: Si se extrae una cantidad excesiva de corriente de carga, el transistor regulador, el transformador, u otro elemento por el cual pase el exceso de corriente puede resultar dañado o destruido rápidamente.

En casi todos los reguladores se emplea algún tipo de protección contra el exceso de corriente en forma de un mecanismo de limitación de corriente.

Primero y más rápido de todos, pero a la vez menos rápido que los electrónicos, es un fusible puesto en serie con la salida del regulador, haciendo que el valor de la corriente que puede manejar el fusible antes de quemarse sea el que se tiene previsto que sea el máximo. De forma si se sobrepasa dicho valor, se queme, brindando la protección requerida.

Dicho evento tarda unos pocos cientos de mili segundos, que para proteger elementos electrónicos es un tiempo muy largo. Por lo cual se han ideado circuitos electrónicos que actúan aún más rápido y tardan menos de 10 mSeg en actuar protegiendo más y mejor la carga y la misma fuente regulada.



Segundo: Se verá un Limitador de Corriente por Corriente Constante.








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