Fuentes de voltaje lineales

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 la de la onda AC en una cuyo valor 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 regulada 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.

El transformador


Dependiendo del tipo de configuración, pueden existir una o dos caídas de voltaje en diodos entre el transformador, y el capacitor de filtro. En un rectificador de puente de diodos, dos diodos están en serie en todo momento. Esa caída de 2.2 V debe considerarse en los cálculos. Con un transformador operando a 60 Hz, el ciclo de carga del capacitor tiene una frecuencia de 120 Hz. El capacitor debe entonces cargarse en 8.3 ms, y mantener una carga adecuada hasta el próximo ciclo de carga, 8.3 ms después. El valor pico pico de voltaje, del ciclo de carga del capacitor se llama voltaje de rizo (V rizo). Un buen criterio de diseño es que el voltaje de rizo no debe ser superior a un 10 % del valor mínimo de voltaje en el capacitor, llamado V min. La siguiente figura muestra las relaciones de voltaje en el capacitor.

Debemos seleccionar el transformador que sea capaz de cumplir los requisitos de corriente y voltaje para nuestra fuente. Para casos en los que se requiera mayor precisión, es posible fabricar por encargo transformadores a la medida que cumplan exactamente con los valores de diseño obtenidos.

El capacitor de filtrado


Cuando se enciende la fuente, un voltaje rectificado de 120 Hz se aplica al capacitor. El capacitor es lo suficientemente grande para suministrar la corriente con sólo una pequeña caída. Si el capacitor está cerca del valor pico cuando se inicia un ciclo de carga, como sería el caso con cargas pequeñas o capacitores grandes, entonces los diodos conducen por un tiempo muy corto. Este tiempo es el tiempo en el cual el voltaje en el capacitor es menor que el voltaje del secundario. El tiempo exacto en el cual el capacitor suple la corriente está determinado por el voltaje pico pico de rizado. El tiempo de conducción es:

T conducción = (ß/180)*8.33ms, donde ß = (90 + arcsen (Vc/Vpico)

El valor del capacitor queda determinado entonces por la fórmula:

C=(Tc/V rizo)*I

donde C está en faradios, I es la corriente de salida, y Tc es el tiempo encontrado anteriormente. Después de obtenido este valor, resta buscar el valor comercial más cercano que satisfaga la condición de diseño.

El puente rectificador


Existen cuatro consideraciones básicas a la hora de considerar la elección de un puente rectificador, las cuales son:

- Corriente pico: Cuando la fuente se enciende por primera vez, el filtro está totalmente descargado, y aparece como un corto para el puente rectificador. Lo único que limita la corriente en ese momento es la resistencia de las bobinas del secundario. Este flujo de corriente repentino se llama corriente pico y se calcula como sigue:

Ipico = Vpico/Rs

donde Rs es la resistencia del secundario cuyo valor típico es de 0.1 ohmios.

La constante de tiempo del capacitor es:

t = Rs * C

Generalmente estos picos no dañarán el puente de diodos si esta corriente pico es menor que la corriente pico nominal del dispositivo.

- Corriente contínua: Debemos utilizar un puente rectificador que pueda manejar la corriente de salida sin dañarse. Para ello basta con revisar las especificaciones del fabricante.

- Disipación de potencia: Debido a que los diodos exhiben una caída de voltaje a través de ellos disipan potencia. La forma correcta de calcular la potencia disipada es considerando que la única ocasión en que el puente conduce por un ciclo completo es inmediatamente despúes de encender la fuente. Después de ese momento conducirá únicamente cuando el voltaje de entrada sea superior al voltaje del capacitor.

I = C * Vrizo / Tc

La disipación de potencia es:

PD = I * Vrect