FUENTES DE ALIMENTACION

La sección o fuente de alimentación, compuesta por un circuito o conjunto de ellos, es siempre imprescindible en cualquier equipo electrónico. Su misión es la de proporcionar las tensiones de alimentación, generalmente continuas, al resto del equipo.

Funciones necesarias

Cualquier fuente de alimentación incorpora siempre un conjunto de funciones consideradas como imprescindibles, pudiéndose añadir a éstas, según los casos, otras que mejoran y complementan el circuito básico.

Las operaciones que se deberán realizar siempre, son las siguientes:

— Protección de sobretensiones o cortocircuitos.

— Transformación de la tensión de entrada, obtenida de la red, a los niveles necesarios.

— Rectificación de las tensiones alternas.

— Filtrado de la corriente continua obtenida.

A éstas se pueden añadir tres funciones más con las que puede llegar a obtenerse una tensión y corriente continua tan perfecta como se desee:

— Filtrado adicional.

— Estabilizador de tensión.

— Autoprotección contra sobrecargas.

El esquema eléctrico de una fuente de alimentación clásica está representado en la figura y será la tomada como modelo para describir su funcionamiento.

En primer lugar se puede observar el fusible F de protección contra cortocircuitos y sobretensiones, incluido en la conexión a la red del primario de transformador T. Este entrega en su secundario una baja tensión alterna, con un nivel en voltios adecuado para obtener en la salida la tensión continua necesaria.

Los cuatro diodos señalados con DI, D2, D3 y D4 están dispuestos en el'montaje denominado p's't.y producen una rectificación de ü/.v73 c-jmph-ta Ep la figura 1 puede observarse la comparación entre la tensión alterna del secundario y la continua en la salida del vaente

El funcionamiento de este conjunto de diodos es el siguiente;

La tensión alterna del secundario producirá durante un cierto tiempo una tensión positiva en el punto A con respecto al B  y a continuación se dará la situación contraria durante un tiempo igual al anterior, en la que el punto B será más positivo que el A; estos dos tiempos son los señalados con ti y t2. Entonces, durante ti los diodos D2 y D3 podrán conducir, al estar polarizados en sentido directo, estando bloqueados DI y D4 por tenej su cátodo más positivo que su ánodo, ló que supone una polarización inversa.

Durante el tiempo t2 se produce la situación opuesta, en la que conducen los diodos DI y D4, quedando bloqueados D2 y D3.

En ambas situaciones el sentido de circulación de la corriente es el mismo, ya que siempre sale del puente por el punto C, regresando al mismo por el punto D. La corriente así obtenida, es ya continua al tener un sentido único de circulación estando el polo positivo en el punto C y el negativo en el punto D, con la variación en el tiempo representada en la figura l(b).

No obstante, esta tensión continua necesita una corrección adicional que elimine las ondulaciones que presenta y permita obtener un valor uniforme y constante en el tiempo, cuya representación gráfica correspondería a una línea horizontal, tal como se indica en la figura 3. Para ello se emplea el filtro formado por el condensador Cl, el cual tiende a cargarse a la tensión máxima que presentan las ondulaciones, descargándose durante el tiempo que transcurre hasta llegar al siguiente máximo, y así sucesivamente; con ello se logra que la corriente producida por la descarga de Cl sea la que entrega la fuente en su salida durante los intervalos de tiempo mencionados.

Rizado

En ella se observa que aún permanece una pequeña ondulación cuyos límites están indicados por VI y V2. Esta ondulación o rizado residual será tanto menor cuanto mayor sea el valor de la capacidad del condensador Cl. Dado que el rizado no eliminado puede producir en los circuitos alimentados por la fuente algunos defectos de funcionamiento., es conveniente manejar un número denominado factor de rizado' con el que pueda limitarse el máximo valor de éste que no suponga ningún problema al resto del equipo. El factor de rizado se obtiene mediante la siguiente fórmula:

Tensión eficaz de la ondulación residual r~ Tensión continua

Como ejemplo, si esta fórmula la aplicáramos a la tensión obtenida a la salida del puente de diodos, suponiendo que no existiera el condensador Cl, se obtendría la forma representada en la figura- l(b), con un factor de mado r=0,482, lo que indica que la tensión'alterna residual contenida en la ondulación es algo menor .de la mitad de la tensión continua obtenida.

En el circuito analizado se puede aplicar la siguiente fórmula para obtener el r./j teniendo ya en cuenta la presencia del condensador C1.

Donde I es la corriente continua que entrega la fuente al circuito exterior, Vsec es la tensión alterna obtenida del secundario del transformador y Cl es el valor de la capacidad del condensador de filtro. T,

De esta fórmula se deduce que el • . aumentará con la corriente que se extraiga de la fuente y se reducirá si se aumenta el valor de la capacidad de filtrado.

Si suponemos que el secundario del transformador entrega una tensión alterna de «65 V, con una corriente continua de salida de 1 A y un condensador Cl de 1.000 fjF, se obtiene un de 0,08, lo que indica que el condensador ha mejorado en seis veces el que se obtendría en ausencia del mismo.

Regulacion

Otro factor importante y que debe ser tenido en cuenta es lo que se denomina Este factor indica la mejor o peor capacidad de la fuente para poder mantener su tensión continua de salida de la forma más independiente posible de la comente que entrega.

La se obtiene de la siguiente fórmula:

peg_ Tensión en vacío-Tensión a máxima corriente Tensión a máxima corriente

Normalmente se expresa como porcentaje, para lo cual hay que multiplicar por 100 el resultado de la fórmula anterior.

En una fuente ideal, la tensión en vacío y con corriente máxima serán iguales, por lo que la regulación será igual a cero, valor que representa el óptimo.

La fuente de alimentación que se ha descrito, a pesar de ser muy útil por su simplicidad, presenta algunas limitaciones que hacen que no se pueda emplear en un determinado número de aplicaciones.

Estas limitaciones son las siguientes:

— Insuficiente filtrado de las ondulaciones residuales.

-- Variación excesiva de la tensión de salida al producirse cambios en la corriente de carga.

— Riesgo de que se produzcan daños internos por sobreco-rrientes en el caso de cortocircuito de sobrecargas accidentales.

El primero de los inconvenientes se traduce en un efecto in-deseado sobre el aparato en el que está instalada la fuente de alimentación. En un amplificador se producirá un desagradable zumbido que se escuchará a teavés de los altavoces. En un televisor, además del zumbido en el sonido, podrán observarse algunas ondulaciones que se desplazan en sentido vertical sobre la pantalla.

En teoría se podrá solucionar este problema aumentando la capacidad del condensador de filtro hasta el valor necesario para que el'factor de rizado se reduzca hasta niveles despreciables. Sin embargo, el tamaño del condensador aumentaría considerablemente e incluso se podría llegar a valores de capacidad que no existen en el mercado, teniendo que colocar varios condensadores en conexión paralelo para poder obtener la capacidad, lo que agravaría más el problema del tamaño.

Es necesario, entonces, acudir a otros sistemas de filtro que produzcan un efecto acumulativo al anterior, obteniendo así del conjunto el resultado que se precisa.

Mejoras en el filtro

Un modelo de filtro muy empleado consiste en añadir al condensador anterior, una bobina serie y un segundo condensador paralelo, formando una estructura» p célula denominada filtro en «7r» (pi), según se observa en la figura.

En este tipo se combinan los efectos electrostáticos de acumulación de carga eléctrica propios de los condensadores, con los de acumulación de energía electromagnética propios de la bobina.

El resultado que se obtiene de los condensadores es el ya conocido de proporcionar la comente de carga en los momentos que el puente rectificador no puede suministrarla. La bobina producirá un efecto similar al «descargarse», sú energía almacenada, en forma de una corriente dirigida también hacia la carga. De esta forma ambos fenómenos se superponen consiguiendo así el resultado apetecido.

Estabilización de tensión

Otro de los fenómenos, ya descritos, íntimamente relacionado con la segunda de las limitaciones, es la regulación que da una idea dé las variaciones de la tensión de salida con la corriente de carga. Este efecto puede tenor consecuencias importantes en los circuitos que-se'alimentan de la potencia de sonido que entrega un amplificador.

También se deben de considerar las posibles variaciones que se producen en la tensión de la red eléctrica, que se transmiten a través del transformador de una forma proporcional, según la relación de transformación y llegan a alcanzar la carga.

Estos problemas se solucionan empleando los circuitos  que aseguran un suministro de tensión constante y. prácticamente independiente de la corriente de carga.

El estabilizador se'sitúa siempre entre el filtro y el circuito a alimentar. Es necesario, además, construir la fuente de manera que, a máxima corriente, entregue una tensión algo mayor que la necesaria. Este se encargará de dar en su salida una tensión del valor necesario, cumpliendo todos los requisitos exigidos. Antes de entrar en detalle en el funcionamiento, es conveniente advertir que el fenómeno de estabilización se produce a costa de una caída de tensión en dicho elemento, lo que entraña un cierto consumo de potencia con la consiguiente disipación de calor, siempre en función de la comente de carga.

Existen dos sistemas cuya denominación depende de la posición que ocupe el circuito, encargado de producir las fluctuaciones que, ejerciendo un efecto contrario a las indeseadas, producen el resultado necesario.

Estas posiciones son dos. . en paralelo y en serie, obteniéndose con ellos los denominados raielo  respectivamente.

Estabilizador paralelo .

El primero, como su nombre indica, está colocado en paralelo con la carga y su forma de trabajo consiste en absorber una gran cantidad de corriente en los momentos en que ésta disminuye sobre la carga, no conduciendo o haciéndolo en una pequeña cantidad cuando la corriente de la carga alcanza el límite máximo. De esta forma se consigue que la corriente que entrega el filtro sea prácticamente constante y por consiguiente lo mismo sucede con su tensión de salida. En el caso de que se produzcan variaciones en la tensión de la red, el comportamiento es análogo ya que f;,Y.¡t;/ responderá ante ellas, variando la corriente que le atraviesa y que en este caso, sí se producirá un aumento o disminución de la corriente del filtro que provocará una variación de la tensión contraria a la que recibe, anulándose el efecto total. Su esquema responde a la representación de la figura.

El componente que se utiliza como regulador paralelo es el cual es capaz de mantener una tensión constante entre sus terminales de una forma casi independiente de la corriente que lo atraviesa, si se encuentra polarizado por encima de su codo. En la figura se representa la curva de funcionamiento. El circuito paralelo con diodo zener más simple. En él, puede observarse la resistencia R encargada de absorber la diferencia de tensión que existe entre la salida del filtro y la tensión zener. El diodo estará absorbiendo la máxima intensidad cuando la corriente de carga sea pequeña, produciéndose en esta circunstancia la máxima disipación de potencia sobre él. En aquellos casos en que sea necesario ampliar la capacidad reguladora del diodo zener, puede emplearse el regulador paralélela transistor de la figura en el que puede observSrse que el elemento estabilizador sigue siendo el diodo DZ, el cual controla el funcionamiento del transistor TR, que a su vez produce la absorción de corriente necesaria.

Este tipo de estabilizador no se emplea mucho en la práctica debido al escaso aprovechamiento* que tiene de la potencia recibida, ya que la .mayor parte de ella se pierde en el transistor. Se dice entonces que el rendimiento es bajo.

Estabilizador serie

Los estabilizadores serie se emplean con' más frecuencia que los anteriores y su modo de operación está basado en actuar directamente sobre las variaciones de tensión, absorbiendo todas las fluctuaciones, para que a su salida se consiga una tensión totalmente estabilizada. En la figura puede verse su esquema básico. El circuito más común es el representado en la figura. Como puede observarse, consta de dos partes:

a) Una primera estabilización paralelo con el zener DZ que conduce una pequeña comente.

b) Un transistor controlado por el zener situado en su base, que le obliga a entregar una tensión constante en la salida hacia la carga.

El rendimiento es superior al modelo paralelo (el doble, aproximadamente) y ello hace que se emplee casi exclusivamente en la práctica.

En épocas recientes, se han desarrollado unos cuyo aspecto externo es muy similar al de un transistor, que realizan la función de reguladores serie sin necesidad de ningún componente adicional.

En la figura se representa un estabilizador de este tipo.

El último requisito necesario en algunos casos es la protección ante sobrecargas.

Enefecta,.el modelo de serie descrito tiene el inconveniente de que ante cualquier cortocircuito, toda la tensión aplicada sobre el transistor TR, multiplicada por la corriente que circula por él, da un resultado de potencia bastante más elevada de. lo que es capaz de soportar el transistor y éste se deteriora en fracciones de segundo. Para ello se pueden emplear sistemas limitadores como el representado en la figura, en la que el sistema se ha aplicado a un modelo de y i serie más sofisticado y con unas características de regulación superiores al anterior.