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Electrónica Analógica - Lección 2 - Fuentes de Alimentación y Circuitos con Diodos (CUR1002S)

2.1 - La fuente de alimentación

La mayoría de los circuitos electrónicos, equipo doméstico (aparatos de sonido, televisores, etc.), automatización, instrumentos, etc. trabaja con corriente continua que, como hemos visto, se caracteriza por el sentido único de circulación, además de tener una intensidad constante.

En aparatos portátiles y de uso automotriz, la energía requerida para el funcionamiento, en forma de corriente continua, puede obtenerse directamente de las pilas o baterías.

Las pilas, de varios tamaños, pueden asociarse con una tensión mayor que una sola pila puede proporcionar solo, formando una "batería".

Estas fuentes de energía, también llamadas "fuentes de alimentación", son muy cómodas, porque son portables y, cuando se agotan, pueden ser fácilmente intercambiadas o incluso recargadas (caso de baterías de níquel-cadmio o baterías de plomo-ácido, como las utilizadas en el Automóviles y se puede ver haciendo clic en la figura 1.

 

Figura 1 – Pilas y baterías consisten en fuentes de corriente continua
Figura 1 – Pilas y baterías consisten en fuentes de corriente continua

 

 

Sin embargo, muchos electrodomésticos se alimentan de la red local de energía, que proporciona voltajes de 110 Volts (117 o 127 V en realidad, conforme local), o de 220 Volts (o 240 V) según el local, que de alguna manera significa una conveniencia y economía, como la energía obtenida de la red local es más barato que la energía obtenida de las pilas.

Pero la energía de la red está disponible de una manera diferente, lo que significa un pequeño problema que sólo se puede resolver con un circuito especial.

En la red de energía local, es decir, en las tomas de corriente eléctrica de nuestra casa, tenemos disponibilidad de corriente alternada (abreviada por AC o CA), mientras que los circuitos electrónicos comunes, como los que se encuentran en radios, televisores, amplificadores y muchos otros, Necesitan corriente continua para funcionar.

Esto significa que, en los aparatos que trabajan conectados en la red de energía, tales como ordenadores, televisores, estéreos, etc., que tienen circuitos internos que operan sólo con corrientes continuas, debe haber algún tipo de circuito especial que convierte el voltaje alternada en continua, y más que eso: Si en el zócalo tenemos un voltaje de 110 V o de 220 V fijado, éste no es siempre el valor del voltaje que los circuitos necesitan funcionar.

El circuito especial que hace esto, es decir, convierte la tensión alternada en continua y altera su valor de acuerdo con las necesidades del aparato alimentado recibe el nombre de "fuente de alimentación". Ver la figura 2.

 

Figura 2 – Una fuente convierte 110 V o 220 V AC en un voltaje continuo según la necesidad del circuito alimentado
Figura 2 – Una fuente convierte 110 V o 220 V AC en un voltaje continuo según la necesidad del circuito alimentado

 

Las fuentes de alimentación utilizan varios componentes, que se agrupan en pasos o etapas, cada conjunto o paso mediante el ejercicio de una función.

Estos conjuntos o pasos pueden tener las configuraciones más diversas, según lo que queramos de una fuente. En la figura 3 se muestran las 4 etapas básicas de una fuente de alimentación. 

 

Figura 3 – Bloques de una fuente lineal
Figura 3 – Bloques de una fuente lineal

 

 

Dependiendo del uso, la fuente puede tener solamente 3 de estos pasos y en algunos casos incluso dos. Para facilitar el lector, vamos a estudiar por separado cada uno de los pasos hasta llegar a una fuente de alimentación completa.

Este tipo de fuente que estamos estudiando inicialmente, y que tiene una configuración más simple, se llama "lineal" o "analógica", siendo la más tradicional. Sin embargo, hay fuentes más elaboradas, con rendimientos mucho más altos, que se encuentran en equipos más modernos. Estas son las llamadas "fuentes conmutadas", o "fuentes llaveadas" que se realizarán a tiempo.

 

 

2.2 – El transformador y su función

El primer bloque de una fuente de alimentación consiste en generalmente un solo componente, que es el transformador. El transformador tiene función dual.

A medida que estudiamos, al aplicar una tensión alterna en el bobinado primario de un transformador, obtenemos en su secundario un voltaje también alternando, pero de valor modificado según la relación que existe entre las espirales de este componente.

Por lo tanto, si tenemos un transformador que tiene 1 000 vueltas de alambre de cobre en su bobinado primario y aplicar 110 V, la tensión obtenida en el secundario será de 11 V solamente, si este bobinado tiene 100 vueltas o espiras. El alambre utilizado, en este caso, debe ser más grueso que el primario porque, qué perdemos en términos de tensión, aumentamos la corriente. Si la corriente en el primario es 100 mA, la corriente máxima que obtenemos en la secundaria será de 1 ampère, como puede ver el lector haciendo clic en la figura 4.

 

Figura 4 – El funcionamiento del transformador
Figura 4 – El funcionamiento del transformador

 

 

Un transformador, en una fuente de alimentación, puede ser utilizado tanto para disminuir como para aumentar la tensión, de acuerdo con las necesidades del proyecto.

Ver, sin embargo, que en el secundario del transformador todavía obtenemos una tensión alterna, que no es adecuada para alimentar los circuitos. De esta manera, para alimentar los circuitos electrónicos de la red local, a diferencia de lo que muchos piensan, no es sólo el uso de un transformador. Se necesita algo más de lo que veremos más allá.

Un factor importante, que debe ser observado en el uso de un transformador conectado en la red de alimentación local, es la fase de tensión que obtenemos. A medida que estudiamos, una corriente alterna se caracteriza por variaciones entre máximo y mínimo, que están representadas por una curva denominada sinusoidal, como puede ver el lector haciendo clic en la figura 5.

 

 

Figura 5 – El voltaje alterno de la red de energía
Figura 5 – El voltaje alterno de la red de energía

 

 

Como podemos ver, tenemos momentos en que la corriente circula en una dirección (semiciclo positivo), y momentos en los que la corriente circula en la dirección opuesta (semiciclo negativo). Cuando conectamos un transformador a la red local de CA, la tensión alterna que obtenemos en el bobinado secundario, acompaña las variaciones del primario, es decir, está en fase con el primario, como se muestra en la figura 6.

 

Figura 6 – Fase de las corrientes en un transformador
Figura 6 – Fase de las corrientes en un transformador

 

 

Esto significa que cuando tenemos la aplicación de una tensión positiva en el terminal A en relación con B, es decir, en el ciclo positivo, en el secundario del transformador, C es positivo en relación con D. Entonces tenemos un ciclo positivo en el secundario. Cuando la polaridad se invierte en el primario, ocurre lo mismo en el secundario.

Hay aplicaciones en las que es interesante que también tenemos una tensión alterna que no está en fase con la primaria, es decir, cuando el terminal a de la primaria es positivo, el terminal correspondiente de la secundaria será negativo, o con la fase invertida.

Este cambio de fase se puede lograr con un transformador que tiene un doble bobinado, es decir, dotado de un tomacorriente central, como puede ver el lector haciendo clic en la muestra de la figura 7.

 

 

Figura 7 – Fases en un transformador con toma central
Figura 7 – Fases en un transformador con toma central

 

 

Ver entonces que, tomando como referencia la toma central (también abreviada por TC (center TAP), mientras que el terminal "desde arriba" está en la misma fase de la primaria, el terminal "de abajo" es con la fase invertida. En el caso de los transformadores utilizados en fuentes de alimentación, este hecho tiene una utilidad que se entenderá mejor después.

Otra utilidad del transformador en una fuente de alimentación es en el hecho de que la primaria está aislada de secundaria. El bobinado de un transformador común no mantiene el contacto eléctrico entre sí, ya que la transferencia de energía se realiza a través de un campo magnético.

Esto significa que el uso de un transformador en una fuente de alimentación, incluso si no es necesario disminuir o aumentar la tensión, tenemos un factor de seguridad importante. Tocando en cualquier punto del circuito, ya que en relación con la tierra no hay ruta a la corriente, no hay peligro de choque (figura 8).

 

Figura 8 – Un transformador proporciona aislamiento
Figura 8 – Un transformador proporciona aislamiento

 

 

Los transformadores utilizados en fuentes son comúnmente llamados "transformadores de potencia", "transformadores de fuerza" o simplemente "transformadores para fuentes". Los transformadores utilizados en las fuentes se especifican según la tensión que proporcionan en su secundario, la corriente y eventualmente la existencia o no del tomacorriente central.

Después del transformador, una fuente de alimentación presenta un paso de molienda que hemos pasado estudiando en el siguiente ítem.

 

2.3 – Rectificación

Una corriente continua se caracteriza por el sentido único de la circulación. Ahora, como hemos estudiado en la lección anterior, hay un componente que deja la corriente circular en un solo sentido, lo que sugiere que podría ser utilizado para obtener corrientes continuas: el diodo.

De hecho, un diodo semiconductor se puede utilizar en una fuente de corriente continua. Con él, podemos conseguir tensiones continuas de las tensiones alternas, aunque no todavía totalmente puras, ligando él inicialmente como el lector puede ver en la figura 9.

 

Figura 9 – Usando un diodo como rectificador
Figura 9 – Usando un diodo como rectificador

 

 

En este circuito, en el semiciclo positivo de la tensión alterna en el secundario del transformador, el diodo se polariza en la dirección directa, para presentar baja resistencia y permitir el paso de la corriente. Sin embargo, en los semiciclos negativos, el diodo se polariza en la dirección inversa y no puede pasar la corriente, como se muestra en la figura 10.

 

 

Figura 10 – Conduciendo sólo el ciclo positivo
Figura 10 – Conduciendo sólo el ciclo positivo

 

 

Ver entonces que, sólo pasa corriente en el positivo, o corriente en una sola dirección. Esta corriente, así como circula en un solo sentido, no es una corriente continua pura. Está formada por "pulsos" que aparecen sólo en los momentos en que el diodo se polariza en la dirección directa. Decimos que es una "corriente continua pulsante".

Si invertimos el diodo, como puede ver el lector en la figura 11, tendremos la pasaje da corriente sólo en los ciclos negativos y todavía una corriente pulsante, pero de dirección o polaridad invertida.

 

 

Figura 11 – Conduciendo los semiciclos negativos
Figura 11 – Conduciendo los semiciclos negativos

 

 

Como sólo la mitad del semiciclo de corriente alterna se lleva a cabo en este proceso, decimos que es un proceso de molienda de "media onda".

Evidentemente, tendríamos una mayor eficiencia en este proceso de rectificación o "transformación de corriente alterna en continua", si pudiéramos aprovechar el ciclo completo. Esto es posible si utilizamos un transformador con una toma central y dos diodos, conectados como el lector puede ver en la figura 12.

 

 

Figura 12 – Uso de dos diodos
Figura 12 – Uso de dos diodos

 

 

Cuando el terminal A del transformador es positivo en relación con el TC, en el semiciclo positivo, el terminal B, al mismo tiempo es negativo en relación con el TC. de esta manera, mientras que en los semiciclos positivos de entrada, el diodo D1 se polariza en la dirección directa, diodo D2 estará polarizado en la dirección opuesta. A continuación, conduzca el diodo D1 como podemos ver en la figura 13.

 

 

Figura 13 – Conducir en el ciclo positivo
Figura 13 – Conducir en el ciclo positivo

 

 

En el semiciclo negativo de la tensión de entrada, las cosas se invierten. Si bien va A ser negativo en relación con TC, B será positio, por lo que D1 se polarizará inversamente y D2 Directamente. Conduz D2, como se muestra en la figura 14, y la carga recibe su alimentación.

 

 

Figura 14 – Conducción en el ciclo negativo
Figura 14 – Conducción en el ciclo negativo

 

 

En otras palabras, en este proceso de rectificación de la onda entera o completa se aprovecha toda la onda, por lo que se llama "rectificación de onda completa". Ver que el transformador permite que el ciclo negativo sea "invertido" para ser también aprovechado.

Está claro que este proceso de rectificación tiene una eficiencia que es el doble de la anterior, y por eso ventajas de uso.

Ver, sin embargo, que todavía tenemos una corriente continua pulsante en la carga, aunque tiene variaciones "menores" que en el caso anterior.

Una forma de obtener una rectificación de ondas completa con el uso de un transformador común, es decir, con un simple secundario, es posible con el uso de 4 diodos, es decir, un puente de diodos, como se muestra en la figura 15.

 

 

Figura 15 – Usando un puente de diodos (Puente de Graetz)
Figura 15 – Usando un puente de diodos (Puente de Graetz)

 

 

Vamos a ver cómo funciona este sistema llamado "rectificación en puente": en los hemiciclos positivos, el terminal A del transformador es positivo respecto al terminal B. De esta manera los diodos D2 y D3 se polarizan en la dirección directa, llevando la corriente se puede ver en la figura 16.

 

Figura 16 – La conducción del puente en el ciclo positivo
Figura 16 – La conducción del puente en el ciclo positivo

 

 

En el semiciclo negativo, se polarizan en la dirección directa los diodos D1 y D4 que luego conducen la corriente como se muestra en la figura 17.

 

Figura 17 – Corriente en el ciclo negativo
Figura 17 – Corriente en el ciclo negativo

 

 

Es importante notar que, en este sistema, la corriente en cada semiciclo pasa a través de dos diodos, en vez de uno, como en otros. Eso significa que tenemos una gran caída de tensión en el sistema de rectificación.

Así, mientras que en el sistema de onda completa "perdimos" sólo 0,6 V en el diodo de silicio, en este sistema "perdimos" 1.2 V. Por supuesto, las ventajas de este sistema se pueden compensar simplemente mediante el uso de un transformador que tiene una tensión secundaria un poco más alta.

Ver el lector que, en todos estos sistemas no tenemos una tensión continua pura, pero formada por pulsos que tienen la misma frecuencia de la red en el caso de la rectificación de media onda (60 por segundo en Brasil o 50 Hz en otros países), o doble en el caso de los sistemas de rectificación de onda completa (120 por segundo en Brasil o 100 Hz en otros países).

Para tener una corriente continua pura, necesitamos un circuito de filtración eso es lo que hemos estado estudiando a continuación. Ver también que el valor máximo alcanzado por la tensión en cada ciclo es el valor máximo de la tensión alterna aplicada al rectificador.

 

Fuentes de Trifasicas Lo que hemos visto también va para las fuentes de fase, con la diferencia de que se utilizan 6 diodos, en un circuito como la figura de abajo.

 


 

Rectificación trifásica (a) tenemos el circuito, en (b) la forma de la tensión de entrada y en (c) la tensión en la carga

 

 

2.4 – Filtraje

La filtración de la corriente continua pulsátil se puede realizar de varias maneras. El más simple se obtiene utilizando un capacitor conectado como se muestra en la figura 18.

 

Figura 18 – El uso de un capacitor de filtro
Figura 18 – El uso de un capacitor de filtro

 

 

Normalmente, para tener una buena filtración, utilizamos un capacitor electrolítico de gran valor que funcionará como una especie de reservatorio de energía, de la siguiente manera.

En los ciclos en los que el diodo conduce, el capacitor se carga con la tensión máxima de la red, es decir, la tensión máxima del secundario del transformador.

Si se especifica para proporcionar un voltaje de 12 Volts, este valor corresponde a un valor "RMS". El valor máximo se obtiene multiplicando 12 por 1.41 (raíz cuadrada de dos). Esto significa que el valor de voltaje máximo de este ciclo es de 12 x 1.41 = 16,92 Volts. Es con esta tensión que el capacitor se carga en cada ciclo conducido, como el lector puede ver en la figura 19.

 

Figura 19 – La acción del capacitor del filtro
Figura 19 – La acción del capacitor del filtro

 

 

Ver que no necesariamente obtenemos una tensión continua de 12 V, si utilizamos en una fuente un transformador secundario de 12 V, pero en principio, ¡mucho más! Esta tensión será el pico de la red cuando el capacitor esté completamente cargado.

En la práctica, sin embargo, la tensión no alcanza el máximo, ya que la fuente necesita abastecer una corriente a un circuito externo. Así, en los intervalos entre los ciclos, cuando la tensión en el diodo "cae", e incluso se polariza en la dirección inversa, el capacitor se encarga de la tensión de alimentación al circuito alimentado, no dejándolo caer, o dejando muy poco.

De esta manera, la tensión aplicada al circuito alimentado y, consecuentemente, la corriente, varían muy poco. Esta variación o caída en el circuito de carga será tanto más pequeña cuanto más grande el capacitor utilizado, como el lector puede ver en la figura 20, ya que puede proporcionar energía para más tiempo a ese circuito externo.

 

 

Figura 20 – Tensión en la carga, con la presencia del capacitor de filtro
Figura 20 – Tensión en la carga, con la presencia del capacitor de filtro

 

 

Evidentemente, con una variación muy pequeña, ya hemos obtenido algo que está muy cerca de una corriente continua pura o filtrada. La pequeña variación que se produce entre los ciclos, es importante en muchos circuitos, ya que puede traducirse en ronquidos, tanto en el caso de receptores de radio, amplificadores, como transmisores, como en televisores puede hacer "ondular" una imagen.

Esta variación se llama "ripple" (ondulación en inglés) debe ser lo más pequeño posible en una buena fuente. Generalmente se especifica en términos de milésimos de Volts.

Una práctica de "poca regla" para el diseñador de una fuente le permite elegir el valor ideal del capacitor de filtro utilizado. Normalmente, utilizamos 1 000 µF capacitancia por cada 1 ampère de corriente que necesitamos, entre 3 V a 15 V de salida. Este valor se da para que el ripple permanezca dentro de los niveles aceptables para la mayoría de las aplicaciones.

Sin embargo, hay cálculos más precisos que permiten determinar el valor mínimo de un capacitor de filtro de una fuente dependiendo de la amplitud de la ondulación, es decir, cuántos Volts deben ser la ondulación aceptada en la aplicación.

Ver el lector que la tensión que aparece en el circuito externo alimenta o carga depende de la corriente que consume. Si esta corriente es demasiado baja, y el capacitor es bastante grande, hay tiempo para que cargue con la tensión máxima y entre los ciclos su descarga es prácticamente nula. Entonces tenemos la aplicación en la carga, o en la salida de la fuente, un voltaje igual al secundario del transformador multiplicado por 1.41.

Un transformador de 12 Volts da como resultado una salida de pedido de 16 V, como se muestra en la figura 21.

 

Figura 21 – Filtraje de carga de bajo consumo
Figura 21 – Filtraje de carga de bajo consumo

 

 

Si la corriente se eleva, la descarga parcial del capacitor entre los medios ciclos hace que la tensión media caiga, y tenemos un valor más pequeño en la carga, como el lector verá al hacer clic en la figura 22.

 

Figura 22 – Filtrado de carga de alto consumo
Figura 22 – Filtrado de carga de alto consumo

 

 

El hecho de la carga del capacitor es con la tensión máxima es muy importante en la elección de este componente. La tensión de trabajo de un capacitor de filtro no es el voltaje del transformador, ni el pico, pero un valor más alto. Así, para un transformador de 12 V, teniendo en cuenta el 16,9 V de pico, se alcanzó un valor de tensión de trabajo seguro para el capacitor de 25 V.

El filtro que estudiamos es el más simple, ya que emplea un solo capacitor. Podemos mejorar el filtrado de una fuente agregando otros componentes, como los inductores y los resistores.

En la figura 23 tenemos algunos filtros más elaborados que se encuentran en muchas fuentes de alimentación.

 

Figura 23 – Otros tipos de filtros
Figura 23 – Otros tipos de filtros

 

 

 

2.4.1 - Factor de Ripple

El factor de ripple (γ) o la ondulación se define como la relación entre el valor RMS del voltaje de la salida y el valor de D.C. de la tensión de salida multiplicado por. La fórmula siguiente expresó esta definición y se utiliza para calcular el factor de ripple.

 


 

 

 

Fórmula 1

Factor de ondulación:

 

γ = ( Vrms / Vdc ) x 100

 

 

Donde:

γ es el factor de ondulación

Vrms es el valor rms de la tensión de salida en volts (V)

Vdc es el valor medio de la tensión de salida en volts (V)

 

 

Factores de Ripple: (Carga Reactiva)

A) Rectificador de media onda = 120%

B) Rectificador de onda completa = 48%

 

 

2.5 – Regulación o Ajuste

Si el voltaje de salida de una fuente, con los componentes que hemos visto hasta ahora, varía según la corriente en la carga, lo que no es conveniente en muchas aplicaciones, se debe utilizar un circuito de ajuste adicional. El propósito de este circuito es mantener la tensión estable, incluso si la corriente requerida por la carga varía.

Esto es importante en aparatos electrónicos sensibles, desde los más simples hasta los más complejos, donde la potencia aplicada al altavoz varía según el sonido reproducido y, esto se traduce en una variación de la tensión de la fuente. Si no hay ajuste en estos circuitos, sólo puede haber sobrecargas, así como distorsiones.

La forma más sencilla de realizar una regolaje de tensión se basa en un componente que conocemos en la lección anterior: el diodo Zener.

A medida que estudiamos, este componente se caracteriza por mantener una tensión constante entre sus terminales, incluso cuando la tensión aplicada varía. Por lo tanto, para tener una fuente regulada simple, debemos hacer el diodo Zener como el lector verá en la figura 25.

 

 

Figura 25 – Regulación simple con diodo Zener
Figura 25 – Regulación simple con diodo Zener

 

 

El cálculo del resistor se realiza según la tensión y la corriente del circuito de carga, y la corriente máxima soportada por el diodo Zener.

 

2.5.1 – Calculando un circuito de regulación con diodo zener

Las fórmulas siguientes se utilizan para calcular los componentes de un regulador de tensión con diodo zener, como se muestra en la figura 26.

 

Figura 26 - Circuito para ejemplo de cálculo
Figura 26 - Circuito para ejemplo de cálculo

 

 

Fórmulas

Corriente máxima y mínima a través de un diodo zener:

 

 


Iz(max) =

 

Vin(max) – (VL + R x IL )


R

 

 


Iz(min) =

 

Vin(min) – (VL + R x IL )


R

 

 

 

Donde:

Iz (max) es la corriente máxima a través del zener en ampères (A)

Iz (min) es la corriente mínima a través del zener en ampères (A)

             Vin (min) es la tensión mínima de entrada en volts (V)

             Vin (max) es la tensión máxima de entrada en volts (V)

             VL es la tensión de salida o de carga en volts (V)

             IL es la corriente de salida en ampères (A)

             R es la resistencia ohmios (ohms)

 

Fórmulas

Las fórmulas siguientes se utilizan para calcular el rango de valores de R.

 


R(max) =

 

Vin(min) – VL


Iz(min) + IL

 

 


R(min) =

 

Vin(max) – VL


Iz(max) + IL

 

 

 

Donde:

R (min) es el valor mínimo de R en ohmios (ohms)

R (max) es el valor máximo de R en ohmios (ohms))

Vin (max) es la tensión máxima de entrada en volts (V)

             Uin (min) es la tensión mínima de entrada en volts (V)

             Iz (min) es la corriente mínima en el zener en ampères (A)

             Iz (max) es la corriente máxima en el zener en ampères (A)

             VL es la tensión en la carga en volts (V)

             IL es la corriente de carga en volts (V)

 

Fórmula

Corriente máxima en el zener:

 


Iz(max) =

 

P(max)


VZ

 

 

Donde:

Iz (max) es la corriente máxima en el diodo zener en ampères (A)

P (max) es la disipación máxima del zener en Watts (W)

Vz es la tensión zener en volts (V)

 

 

Fórmulas derivadas:

 

Fórmula

Disipación máxima del zener:

 

P(max) = Vz x Iz(max)

 

Donde:

P (max) es la potencia máxima disipada por el zener en watts (W)

Vz es la tensión zener en volts (V)

Iz (max) es la corriente máxima a través del zener en ampères (A)

 

 

2.5.2 - Otros componentes regulatorios

Si el diodo Zener no puede solo regular cualquier corriente que la carga requiera, se pueden utilizar componentes adicionales para "ayudar" en esta función. Estos componentes adicionales serán estudiados en lecciones posteriores, pero podemos avanzar que hay algunos muy simples, y que suelen estar conectados a la salida de una fuente, como el lector encuentra en la figura 27.

 

 

Figura 27 – Usando un regulador de voltaje  integrado (CI)
Figura 27 – Usando un regulador de voltaje integrado (CI)

 

 

Estos componentes, que contienen diodos Zener de ciertos valores, además de componentes que pueden controlar altas corrientes, son los "circuitos integrados" reguladores de tensión. Una serie muy popular de estos reguladores es el 78XX, donde XX es substituido por el valor de la tensión que regula.

Así, el 7806 proporciona una salida regulada de 6 V, la salida 7812 1 de 12 V, con más de 10 tipos en la misma serie, todas con capacidad de corriente regular de hasta 1 ampère.

 

2.5.3 – Fuentes sin transformador

En una fuente analógica convencional, a medida que estudiamos, lo que tenemos es un transformador que baja la tensión de la red de energía y al mismo tiempo funciona como un elemento de aislamiento, como se muestra en la figura 28.

 

Figura 28 – Diagrama de bloque de una fuente de alimentación lineal común con transformador.
Figura 28 – Diagrama de bloque de una fuente de alimentación lineal común con transformador.

 

 

Después de este transformador tenemos las etapas de rectificación y filtrado, eventualmente seguidas por un circuito de regulador de tensión. El problema básico de esta arquitectura está en el transformador que es un componente pesado y costoso. El mayor y más pesado será el transformador cuanto mayor sea la potencia requerida por el circuito alimentado, es decir, el producto de la tensión por la corriente.

Una idea inicial, para eliminar el transformador, consiste en hacer un divisor resistivo, de modo que la tensión de la red se reduzca y luego se pueda rectificar y filtrar, como se muestra en la figura 29.

 

Figura 29 – Obteniendo 6 V con un divisor resistivo.
Figura 29 – Obteniendo 6 V con un divisor resistivo.

 

 

Sin embargo, este ajuste tiene varios problemas serios. El primero de ellos es que el resistor R1 usualmente por ser mucho más grande que R2, dependiendo de la corriente requerida por la carga, debe tener una disipación bastante alta. Incluso para una fuente de pocas decenas de miliampères, alimentado en una red de 110/220 V, esta resistencia debe tener varios watts de disipación.

Además del tamaño que representa, tenemos el problema adicional de la calefacción y los perdidas de energía, inadmisibles en nuestros días.

El otro problema es más grave. La tensión en el divisor no depende únicamente de la relación de valor entre los resistores que la forman, sino también el consumo de la carga. Así, cuando la carga se enciende, representa la conexión de un resistor paralelo adicional que consume energía y por lo tanto hace que la tensión caiga, como se muestra en la figura 30.

 

Figura 30 – La tensión disminuye cuando aumenta la corriente de carga.
Figura 30 – La tensión disminuye cuando aumenta la corriente de carga.

 

 

Una fuente de este tipo debe entonces ser diseñada para tener una tensión mucho más alta y con la carga alimentada, caiga al valor deseado.

Por lo tanto, un diodo zener o un circuito regulador es crucial para este tipo de configuración.

Una alternativa interesante, para el lugar de R1 consiste en aprovechar la reactancia capacitiva de un capacitor. Un capacitor presenta una impedancia (medida en ohms) que depende de su valor, y la frecuencia de la señal que se aplica a lo mismo. Podemos decir, de una manera más simple, que un capacitor se comporta como una "resistencia de corriente alterna" como se muestra en la figura 31.

 

Figura 31 – Un capacitor de 470 nF se compone como un resistor de 5k5 ohm en un circuito de corriente alterna de 60 Hz.
Figura 31 – Un capacitor de 470 nF se compone como un resistor de 5k5 ohm en un circuito de corriente alterna de 60 Hz.

 

 

Ver entonces que podemos conectar un capacitor en serie con un resistor, con el fin de obtener un divisor de tensión que funcionará normalmente con tensiones alternas. ¿Cuál es la ventaja de esta configuración?

El primero es en el hecho de que el capacitor no disipa la energía en la forma de calor, cuando funciona en este divisor. Funciona cargando y descargando, por lo tanto, no teniendo elementos resistivos para generar calor.

En otras palabras, no hay pérdida de energía en este componente, lo que hace que no hay desperdicio que no funciona caliente. En la práctica, hay una ligera pérdida, esto porque ningún capacitor es perfecto, pero es muy pequeña. Las desventajas existen, por supuesto. Uno de ellos es en el hecho de que el capacitor debe ser tanto más grande como la corriente deseada para alimentar la carga.

La corriente depende de la reactancia en una razón inversa. Mayor la corriente, más baja la reactancia y bajar la reactancia implica mayor capacitancia. La otra desventaja está en el hecho de que los capacitores para esta necesidad de la aplicación tienen altas tensiones del aislamiento y eso significa los capacitores especiales de la construcción, que son ambos más costosos y más su capacitancia.

Estos factores limitan el uso de esta arquitectura a las pequeñas fuentes, que no deben proporcionar más que unos 100 mA bajo tensiones en el alcance de unos pocos volts hasta 30 o 40 V.

En la figura 32 se muestra una configuración básica para una fuente de este tipo.

 

Figura 32 – Configuración básica para alimentar una carga de corriente alterna con 6 V de 110 V de entrada.
Figura 32 – Configuración básica para alimentar una carga de corriente alterna con 6 V de 110 V de entrada.

 

 

A partir de ella, le enseñaremos al lector a calcular los componentes que se deben utilizar, para llegar a un proyecto práctico. A esto asumimos que deseamos alimentar una pequeña lámpara de 6 V con una corriente del orden de 20 mA. Nuestro primer paso consiste en calcular cuál es la reactancia que debe presentar el capacitor para formar un divisor como se muestra en la figura 33.

 

Figura 33 – Valores utilizados en los cálculos.
Figura 33 – Valores utilizados en los cálculos.

 

 

En este problema tenemos:

V = 6 V

Vin = 110 V

I = 0,02 A (20 mA)

f = 60 Hz

C = ?

 

Comenzamos determinando cuál es la resistencia que presenta la carga (lámpara), cuando es alimentada por una tensión de 6 V y es recorrida por una corriente de 20 mA.

 

R = V / I

 

V = 6 V

 

I = 0,02 A (20 mA)

R = 6/0,02

R = 300 ohms

 

A continuación, determinamos la impedancia que el circuito completo debe tener al proporcionar 0,02 A en 110 V:

 

Z = 110/0,02

Z = 5 500 ohms

 

A partir de ahí, podemos calcular la reactancia capacitiva que el circuito debe presentar, la cual es dada por la fórmula y los siguientes cálculos:

 

Zc = √ [ Z2 - R2 ]

Zc = √ [ (5500)2 - (300)2 ]

Zc = √ [ (30,25 x 106) - (0,09 x 106) ]

Zc = √ [ 30,16 - 106 ]

Zc = 5,5 x 103

Zc = 5500 ohms

 

La reactancia capacitiva del capacitor debe ser de 5 500 ohms. En la red de 110 V x 60 Hz (Cálculo original para la frecuencia de red en Brasil.), corresponde a un capacitor:

C = 1 / ( 2 x π x f x Zc )

C = 1 / ( 2 x 3,14 x 60 x 5,5 x 103 )

C = 1 / (2,072 x 106 )

C = (1 /2,072) x 10-6

C = 0,482 x 10-6

C = 0,482 uF

C = 482 nF

 

 

Un capacitor de 470 nF cumplirá con nuestras necesidades. La tensión máxima en la red de 110 V es:

Vp = 110 x 1,41 = 155,1 V

Esto significa que se debe utilizar un capacitor de poliéster con al menos 200 V de tensión de trabajo. Como la tensión en este tipo de divisor varía de acuerdo con la corriente en la carga, podemos añadir un paso de regulación, utilizando un diodo zener. La tensión será 6 V y la disipación será dada por la corriente máxima que circula por el circuito del regulador cuando en la ausencia de la carga, 0,02 a (20 mA). En la figura 34 se muestra cómo agregar este diodo.

 

Figura 34 – Circuito final con ajuste Zener para corrientes de hasta 20 mA.
Figura 34 – Circuito final con ajuste Zener para corrientes de hasta 20 mA.

 

 

Así, en esta condición, la energía disipada en el diodo será:

P = 6 x 0,02 = 0,12 W ou 120 mW

Dando una tolerancia, para que el diodo no caliente demasiado, cuando no hay carga para ser alimentado, podemos utilizar un tipo de 400 MW o incluso 500 MW.

 

2.6 - Circuitos con diodos

Podemos citar muchas otras aplicaciones para los diodos más allá de la rectificación. Los diodos de pequeña capacidad actuales, por ejemplo, llamados diodos de señal pueden ser utilizados como "detectores de sonido envolvente" en circuitos de radio.

Para mostrar cómo se puede hacer esto, damos como ejemplo un circuito muy simple de una radio AM, como se muestra en la figura 35.

 

Figura 35 – Un diodo utilizado como detector de señales
Figura 35 – Un diodo utilizado como detector de señales

 

 

La antena capta las señales emitidas por la estación, y luego la inducción de una corriente de alta frecuencia, que debe circular hacia la tierra pasando por la bobina y el capacitor formando el circuito de sintonización:

Este circuito se caracteriza por evitar el paso de señales de una sola frecuencia, es decir, la estación sintonizada, que se desvían al diodo. El diodo funciona como un rectificador de alta frecuencia, dejando sólo el ciclo positivo de la señal, es decir, haciendo su detección.

Esta señal se compone de dos partes, un alta frecuencia que es la "portadora", y otra baja, que es "modulación", puede ser conducida a un proceso de separación. El capacitor después de que el diodo filtre la señal desviando la tierra al componente de alta frecuencia y dejando solamente el cerco, es decir modulación. Esta modulación corresponde precisamente al sonido que se captura en los micrófonos del transmisor, o se obtiene de un reproductor de discos o de un magnetófono.

Aplicando esta señal de baja frecuencia a un auricular, o a un amplificador, podemos escuchar los sonidos originales. Los primeros receptores tenían una estructura bastante similar a esto, no utilizando más de un diodo, que en ese momento era un cristal de Galena (una sal de plomo), sin necesidad de una fuente de poder para trabajar.

Estos receptores, por esta razón, necesitan capturar la energía máxima de la propia señal, que requiere el uso de antenas largas. El auricular, por otro lado, tenía que ser muy sensible y aun así el oyente era difícil.

En los receptores de radio modernos, entre los circuitos que amplifican las señales de alta frecuencia y las señales de baja frecuencia, suele haber un diodo que hace la detección, es decir, corresponde a un punto de transición del aparato.

Hasta antes del diodo hemos encontrado señales de alta frecuencia, y después del diodo tenemos frecuencias bajas o señales de audio, según el ejemplo del circuito de radio que se puede Ver en la figura 36.

 

Figura 36 –Un diodo detector en un receptor de radio AM común
Figura 36 –Un diodo detector en un receptor de radio AM común

 

 

Otra función importante del diodo está en los circuitos protectores. Cuando se dispara una carga inductiva como, por ejemplo, la bobina de un relé o un motor pequeño, mientras estudiamos, se crea un campo magnético fuerte. Cuando se apaga, con la contracción del campo magnético, una tensión opuesta se induce. La figura 37 muestra lo que pasa.

 

Figura 37 - Cuando se desconecta una carga inductiva, se provoca una tensión
Figura 37 - Cuando se desconecta una carga inductiva, se provoca una tensión

 

 

Dependiendo del tipo de carga, es decir, su inductancia, la tensión inducida cuando desconectamos puede ser muchas veces mayor que la aplicada cuando la ligamos. El componente que lo activó puede entonces ser dañado por la presencia de esta tensión. Con el uso de un diodo, como verá el lector en la figura 38, tenemos una protección contra posibles daños al componente.

 

Figura 38 – Uso de un diodo como protector en la conmutación de cargas inductivas
Figura 38 – Uso de un diodo como protector en la conmutación de cargas inductivas

 

 

El diodo es polarizado inversamente cuando la carga se dispara, de modo que no conduce la corriente y, con eso, no influye en el proceso. Sin embargo, se polariza en la dirección directa con la tensión que se induce cuando la carga inductiva se desconecta, a continuación, la conducción de la corriente, la prevención de daños en el componente de la unidad. El diodo absorbe la energía que podría causar daño al circuito.

En la figura 39 se puede observar otro tipo de protección ejercida por diodos.

 

Figura 39 – Diodos protectores de un componente sensible
Figura 39 – Diodos protectores de un componente sensible

 

 

El componente "extraño" representado en la figura es un transistor del efecto del campo del MOS (MOSFET). Este es un componente extremadamente delicado que vamos a estudiar en las lecciones futuras.

Las tensiones más altas que se aplican a su compuerta (gate) pueden causar fácilmente su quema, y esto fácilmente ocurriría incluso al tocar sus dedos en sus terminales. ¡la carga estática de nuestro cuerpo es suficiente para causar su quema!

Para proteger este componente, es común que el fabricante incluya en el propio proyecto, es decir, en el proceso de fabricación de los dos diodos que están enlazados en contraposición, como se muestra en la figura 39.

Si la tensión que tiende a "quemar" el componente tiene una polaridad, es uno de los diodos que se polariza en dirección directa, desviando. Si usted tiene la polaridad opuesta, el otro diodo es polarizado y conduce la corriente, evitando daño al componente. Estos componentes son comúnmente referidos como transistores de efecto de campo con puerta protegida.

Hay muchos otros circuitos en los que se pueden utilizar diodos como, por ejemplo, lo que se puede ver en la figura 40 en la que se utiliza el componente para evitar la inversión accidental de la batería, lo que podría causar que los componentes se quemen. Si esto ocurre, el diodo simplemente no conduce y el circuito no recibe la alimentación.

 

  Figura 40 – Diodo como protección contra la inversión de polaridad
Figura 40 – Diodo como protección contra la inversión de polaridad

 

 

2.7 – Multiplicadores de tensión

Los diodos y capacitores pueden ser interconectados en configuraciones capaces de entregar tensiones de salida que son dobles, triples, cuádruples e incluso, mucho más a menudo, de la tensión máxima de la entrada alterna.

Estos circuitos, llamados "multiplicadores de tensión", son muy útiles, y se pueden encontrar principalmente en los monitores de vídeo del viejo tipo con cinescopios de alta tensión y en televisores, además de muchos otros aparatos electrónicos. Veremos cómo funcionan y qué son.

 

2.7.1 – Dobladores de tensión

Podemos obtener una tensión de salida continua que tiene un valor que es el doble de la tensión máxima aplicada en la entrada, utilizando tres configuraciones básicas, que se muestran en la secuencia de la figura 41.

 

 

Figura 41 – Configuraciones del doblador de tensión
Figura 41 – Configuraciones del doblador de tensión

 

 

La operación de las tres configuraciones son similares de modo que, estudiando una, será muy fácil entender a los demás.

En los semiciclos positivos, el capacitor se carga con el1 mientras que en los negativos carga el capacitor C2. Como estos capacitores están en serie con la carga, la descarga de los dos, que ocurre a través de un capacitor entre un medio ciclo, y a otro, en el otro ciclo en el cual no cargan, es en serie lo que significa que sus tensiones se suman.

La carga es entonces aproximadamente igual a dos veces el voltaje máximo o la tensión con la cual se cargan los capacitores.

 

2.7.2 – Triplicadores de tensión

Las dos configuraciones, presentadas en la figura 42, proporcionan una tensión de salida que es aproximadamente el triplo del valor máximo de la tensión alterna aplicada a la entrada.

 

Figura 42 – Triplicadores de tensión
Figura 42 – Triplicadores de tensión

 

 

La operación es similar a la de la carpeta, con la diferencia de que los tres capacitores están cargados y, a medida que se conectan en serie, tendremos triplicado la tensión en la carga.

 

2.7.3 – Cuadriplicadores de tensión

En la figura 43 tenemos dos circuitos de cuadriplicadores de tensión.

 

Figura 43 – Cuadriplicadores de tensión
Figura 43 – Cuadriplicadores de tensión

 

Los cuatro capacitores están conectados en serie con la carga, descargando de modo que sus tensiones se suman. La carga y descarga de los capacitores ocurren alternativamente.

 

2.7.4 – Multiplicador de tensión por n

Podemos multiplicar por cualquier valor entero la tensión de entrada en un circuito del tipo mostrado en la figura 44.

 

Figura 44 – Multiplicador de tensión por n
Figura 44 – Multiplicador de tensión por n

 

 

Si el circuito tiene 12 secciones tendremos una tensión de salida 12 veces más alto que el valor de pico de entrada. Debemos observar que, en todos los circuitos, cuando ganamos en tensión, perdemos en la corriente, ya que la energía no puede ser creada o destruida.

 

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