Fuentes de voltaje lineales con filtro RC

Prácticamente todos los equipos electrónicos operan con una fuente DC. Este voltaje puede provenir de una batería, o puede venir de la red eléctrica AC.

Los dos métodos utilizados para convertir la fuente alterna en una fuente directa son: por conmutación y por regulación lineal.

La función que tiene el transformador es la de aislar la línea AC de la fuente y reducir el voltaje de entrada (120 o 220 V AC) en voltajes menores que puedan utilizarse en la fuente. Por otra parte, la función del rectificador es de convertir la onda AC en un valor que sea siempre positivo, así como proveer las demandas de corriente de carga del capacitor de filtrado. Un diagrama esquemático muestra la relación entre estos elementos:

La primera consideración a la hora de construir la fuente es la topología que vamos a utilizar para el transformador-rectificador. Existen tres configuraciones básicas que son las siguientes:

Las tres topologías, así como la forma de sus ondas de salida, se muestran en la pagina siguiente.

Es importante comparar ciertas características de las tres topologías, para poder elegir con criterio a la hora de diseñar. La tabla 1 muestra ciertos valores comparativos:

Tabla 1

Tenemos, por lo tanto, que la primera consideración que debe hacerse al diseñar la fuente lineal, es la escogencia de la topología del rectificador. Podemos mencionar los siguientes criterios al respecto:

- El rectificador de media onda generalmente se usa sólo para aplicaciones de baja corriente, o de alta frecuencia, ya que requiere una capacitancia de filtrado mayor para mantener el mismo voltaje de rizado que un rectificador de onda completa.

- El rectificador con derivación central disipa menos potencia, requiere menos espacio, y es, en teoría más económico que el puente de diodos, ya que solamente utiliza dos diodos en vez de cuatro. Al utilizar dos diodos, posee una impedancia menor que un puente. Sin embargo, para el mismo voltaje DC requerido en la salida, los diodos deben de tener el doble de voltaje pico inverso (PIV)

- En vista de que los diodos no son en realidad caros, no existe una economía real al utilizar el rectificador con derivación central, y por lo tanto el puente de diodos es la mejor opción para la mayoría de las aplicaciones.

Diseño de circuitos rectificadores


EI diseño de un rectificador significa determinar las especificaciones de los diodos semiconductores. Las especificaciones de los diodos se llenan normalmente en términos de la corriente promedio, la corriente rms, la corriente pico y el voltaje de pico inverso. No existen procedimientos estándar para el diseño, pero es necesario determinar las formas de la corriente y del voltaje del diodo.

Los rectificadores contienen armónicas por lo que se pueden utilizar filtros para suavizar la salida de voltaje en cd del rectificador, que se conocen como filtros de cd. Los filtros de cd normalmente son de tipo L, C y LC, tal y como se muestra en la figura siguiente.

Debido a la acción de rectificación, la corriente de entrada del rectificador también contiene armónicas, para eliminar algunas de las armónicas del sistema de alimentación de energía se utiliza un filtro de ca. El filtro de ca es, por lo regular, de tipo LC, tal y como se muestra en la figura de abajo. Normalmente, es necesario determinar las magnitudes y las frecuencias de las armónicas para el diseño del filtro.

Filtro RC


Cuando el voltaje instantáneo vs, de la figura 1 es más alto que el voltaje instantáneo del capacitar vc, los diodos (D1 y D2 o D3 y D4) conducen; entonces el capacitar se carga de la alimentación. Si el voltaje instantáneo de alimentación vs, baja por debajo del voltaje instantáneo del capacitar vc, los diodos (D1 y D2 o D3 y D4) tienen polarización negativa y el capacitar Ce, descarga a través de la resistencia de carga R. El voltaje del capacitor vc, varía entre un mínimo Vc(min)y un máximo Vc(máx). Esto se muestra en la figura 1b.

Supongamos que t1 es el tiempo de carga y que t2 es el tiempo de descarga del capacitor Ce. El circuito equivalente durante la carga se muestra en la figura 1c. El capacitor se carga prácticamente en forma instantánea al voltaje de alimentación vs. El capacitar Ce, será cargado al voltaje pico de alimentación Vm, de tal forma que vc(t = t1) = Vm. En la figura 1d se muestra el circuito equivalente durante la descarga. El capacitor se descarga en forma exponencial a través de R.

Figura 1