Unidad 4 Fuentes de alimentación y amplificadores operacionales PDF

SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: PARTE 1: FUENTES DE ALIMENTACIÓN 1º CICLO GRADO SUPERIOR DE AUTOMATIZACIÓN Y ROBÓTICA INDUSTRIAL SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. ÍNDICE 4.1. NECESIDAD DE LAS FU...

SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: PARTE 1: FUENTES DE ALIMENTACIÓN 1º CICLO GRADO SUPERIOR DE AUTOMATIZACIÓN Y ROBÓTICA INDUSTRIAL SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. ÍNDICE 4.1. NECESIDAD DE LAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN EN LOS EQUIPOS ELECTRÓNICOS............................................................................................... 3 4.2.BLOQUES QUE FORMAN UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN COMPLETA........................................................................................................ 4 4.2.1. EL TRANSFORMADOR........................................................................ 6 4.2.2. CIRCUITOS RECTIFICADORES.......................................................... 8 4.2.2.1. RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA............................................... 8 4.2.2.2. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON DOS DIODOS.... 10 4.2.2.3. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON CUATRO DIODOS EN PUENTE DE GRAETZ......................................................................... 12 4.2.3. FILTRO DE SALIDA DEL RECTIFICADOR........................................ 15 4.2.4. ESTABILIZADOR PARALELO MEDIANTE DIODO ZENER............... 19 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 2 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. 4.1. NECESIDAD DE LAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN EN LOS EQUIPOS ELECTRÓNICOS La mayoría de los equipos electrónicos requieren de una alimentación en forma de corriente continua (CC) que permita el correcto funcionamiento de los dispositivos y componentes electrónicos que los componen. Como ya sabes, estas tensiones continuas pueden obtenerse mediante pilas, acumuladores y baterías (figura 4.1), pero estos presentan una serie de inconvenientes (vida útil limitada, proporcionan tensiones pequeñas, necesitan cambios o recargas periódicas, etc.) que limitan su utilización a:  Equipos portátiles (ordenadores portátiles o teléfonos móviles, por ejemplo).  Equipos de bajo consumo (relojes digitales, etc) Figura 4.1. Las pilas y acumuladores proporcionan una corriente continua (CC) Teniendo en cuenta estas limitaciones, en muchas aplicaciones lo que nos interesará será convertir la tensión alterna (CA), disponible de forma mayoritaria y casi universal, en corriente continua (CC). Para ello utilizaremos las fuentes de alimentación. Las fuentes de alimentación (generalmente conocidas simplemente como FA) son sistemas electrónicos que transforman una tensión de entrada alterna, normalmente proveniente de la red monofásica de 230 V/50 Hz, en una tensión de salida de CC adecuadamente estabilizada. Una fuente es, por tanto, un convertidor de corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). De ahí que a 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 3 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. las FA también se las conozcan en ocasiones con el término de convertidores CA/CC. Los ordenadores, las televisiones, las videoconsolas y muchos otros equipos electrónicos que conoces incorporan una fuente de alimentación que transforma la tensión de la red eléctrica en una o varias tensiones continuas, para el funcionamiento de su electrónica. Desde el punto de vista del tipo de tensión que proporcionan, las FA pueden ser de dos tipos:  Fuentes de alimentación con tensión de salida fija. Son aquellas fuentes que proporcionan una tensión CC cuyo valor es fijado por la circuitería de la misma y no puede ser modificado por el usuario. Este es el tipo de las fuentes empleadas específicamente en muchos equipos electrónicos (por ejemplo en un ordenador), donde el usuario no puede modificar el valor de su tensión de salida, que viene fijada de fábrica por el diseñador de la FA.  Fuentes de alimentación con tensión de salida variable. Proporcionan una tensión CC cuyo valor sí puede ser modificado por el usuario, normalmente gracias a un potenciómetro, entre un valor mínimo (generalmente de 0 V) y un valor máximo (por ejemplo: 20 V, 30 V 0 40 V). Este es el caso de las fuentes de alimentación de laboratorio. 4.2. BLOQUES QUE FORMAN UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN COMPLETA La construcción de la inmensa mayoría de las FA conlleva la utilización de una serie de bloques claramente visibles en la mayoría de los modelos (figura 4.2). Estos bloques son:  Transformador de entrada. Permite reducir la CA de entrada (habitualmente 230 V) a niveles inferiores, también de CA (con valores estándares como 5 V, 9 V, 12 V, 24 V, etc.), más adecuados para 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 4 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. alimentar a dispositivos electrónicos como diodos, transistores y amplificadores operacionales.  Bloque rectificador. Basado en uno o varios diodos semiconductores, es el encargado de transformar la tensión alterna proporcionada por el transformador en una tensión pulsante con valores de una sola polaridad; es decir, con valores siempre positivos o siempre negativos.  Bloque de filtrado. Basado en condensadores y, en ocasiones, también en inductancias, es el encargado de transformar la tensión pulsante en un nivel de continua. En la práctica, normalmente, este nivel de DC contiene una cierta cantidad de rizado (ripple en inglés) residual superpuesto, debido a la ineficacia del filtrado.  Bloque estabilizador o regulador de salida. Basado en un diodo Zener, transistores, amplificadores operacionales o en algún circuito integrado para este propósito, se encarga de eliminar el mencionado rizado remanente presente en la tensión de salida del filtro, obteniendo finalmente a la salida una tensión suficientemente constante sin rizado apreciable. Figura 4.2. Diagrama de bloques que forman una FA típica. En la figura 4.3 podemos apreciar las formas de onda en las salidas de los diferentes bloques que forman una FA lineal clásica. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 5 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. Figura 4.3. Formas de onda a la salida de cada uno de los bloques que forman una FA. 4.2.1. EL TRANSFORMADOR Suponiendo que un equipo se alimente directamente de la red eléctrica (230V- 50Hz) el transformador permitirá reducir el nivel de tensión alterna de entrada a un -también de CA- más cercano a los niveles de CC que deseamos obtener. Un transformador monofásico contiene un bobinado primario con un número de vueltas N1, y un bobinado secundario con un número de vueltas N 2 arrollados sobre un mismo núcleo magnético (véase la figura 4.4). 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 6 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. Figura 4.4. Transformador monofásico: a) Aspecto interno, donde se aprecia parte de los bobinados que lo forman. b) Aspecto externo de un pequeño transformador monofásico de núcleo acorazado. c) Símbolo de un a) b) c) transformador monofásico. La relación de transformación o cociente de vueltas de ambos bobinados N1/N2 se corresponde (en un transformador ideal) con la relación que existirá entre la tensión de entrada y la de salida, lo cual se pude expresar como: Generalmente, en las FA, el número de vueltas que forman el arrollamiento secundario N2 es menor que el número de vueltas del bobinado primario N 1, con lo que el transformador reduce la tensión aplicada en su arrollamiento primario. En muchos casos el fabricante indicará las tensiones de primario y secundario en el cuerpo del transformador. Si observas el transformador de la figura 4.4 b), verás que es un transformador que nos permitirá pasar de un tensión CA de red de 220 V (o de 125 V) a una tensión CA de salida de 18 V, y que puede proporcionar en su secundario hasta 1 A. Recuerda que todos estos valores indicados son valores eficaces. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 7 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. EJERCICIO 1: Supongamos que en el laboratorio de electrónica construimos un transformador monofásico con 1200 espiras en el primario y 350 en el secundario arrolladas sobre un mismo núcleo magnético. En el supuesto que el transformador se considere ideal, determina la tensión proporcionada por el secundario cuando el transformador que hemos realizado se conecte a la red monofásica. 4.2.2. CIRCUITOS RECTIFICADORES Para obtener una tensión pulsante (sea esta positiva o negativa) a partir de la tensión alterna proporcionada por el transformador de entrada, podemos utilizar alguna de las tres configuraciones siguientes, todas ellas basadas en diodos semiconductores:  Rectificador de media onda con un diodo.  Rectificador de onda completa con dos diodos.  Rectificador de onda completa con cuatro diodos configurados en puente de Graetz. El rectificador es el encargado de transformar la tensión alterna proporcionada por el transformador en una tensión de una sola polaridad; es decir, con valores siempre positivos (que es el caso más usual) o siempre negativos. 4.2.2.1. RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA El circuito rectificador más sencillo se puede realizar con un simple diodo, conectado como se muestra en la figura 4.5. Este circuito es el denominado rectificador de media onda, rectificador de simple onda o bien de semionda. RL supone una carga aplicada al circuito rectificador; es decir, al equipo que debe ser alimentado. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 8 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. Figura 4.5. Rectificador de media onda. Durante el semiciclo positivo de la tensión en el primario, el secundario también posee un semiciclo positivo (aunque con un valor de pico menor debido a relación de espiras). Esto supone que el diodo D1 tenga una tensión positiva ánodo y negativa en su cátodo (polarización directa), con lo que entra en conducción y deja pasar corriente por el resistor de carga RL. Por otro lado, cuando tenemos el semiciclo negativo de la tensión de entrada, el diodo D1 queda en polarización inversa, no deja pasar corriente sobre la carga RL y, por tanto, no habrá tensión en bornes de la misma. Las formas de onda en el circuito rectificador se muestran en la figura 4.6, donde puedes apreciar el circuito equivalente del diodo en cada semiciclo cuando la carga es resistiva. Observa que el semiciclo negativo de la tensión alterna queda eliminado o suprimido en la tensión de carga. Durante la conducción del D1, en bornes de este existirá una pequeña caída de tensión (alrededor de 0,7 V). Si la consideramos despreciable frente a la tensión del secundario del transformador, podemos afirmar que casi toda la tensión del semiciclo positivo queda aplicada en bornes del resistor de carga. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 9 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. Figura 4.6. Formas de onda en el rectificador de media onda 4.2.2.2. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON DOS DIODOS Si tenemos un transformador con una toma intermedia, podemos conseguir un rectificador con mejores prestaciones que el de media onda utilizando dos diodos, denominado rectificador de onda completa o de doble onda (figura 4.7). Figura 4.7. Rectificador de onda completa y transformador con toma media en el secundario 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 10 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. Con una toma media en el secundario del transformador, desde esta hasta un extremo de dicho secundario, la tensión alterna se encuentra reducida respecto de la tensión que tenemos en el primario. Además, desde la toma media al otro extremo, la tensión alterna también se encuentra reducida, pero desfasada 180º. Debido a esta toma o conexión central, el circuito funciona como dos rectificadores de media onda trabajando alternadamente. Es decir, el diodo D1 conduce durante el semiciclo positivo de la tensión alterna de entrada U 1, y el diodo D2 durante el otro semiciclo, que es negativo en una mitad del secundario (donde está conectado D1) y positivo en la otra mitad (donde se conecta D2). Así pues, la corriente rectificada que atraviesa la carga circula durante los dos semiciclos de la tensión alterna de entrada en la misma dirección (del terminal positivo de salida al negativo). En este caso, tal y como podemos observar en las formas de onda de la figura 6.8, el semiciclo negativo de la tensión alterna no queda eliminado como en el rectificador de media onda sino transformado a positivo en la tensión de carga. Así, la corriente IL por dicha carga circula siempre en el mismo sentido. Figura 4.8. Forma de onda en el rectificador de onda completa con dos diodos 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 11 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. La frecuencia de la onda de salida es también el doble (100 Hz) que la de la tensión alterna aplicada a la entrada (50 Hz en Europa). 4.2.2.3. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON CUATRO DIODOS EN PUENTE DE GRAETZ Si no se dispone de un transformador con toma media en el secundario, utilizando cuatro diodos, tal y como apreciamos en la figura 4.9, también es posible realizar un rectificador de doble onda. Figura 4.9. Rectificador de onda completa en puente de Graetz. Durante el semiciclo positivo de la tensión de red, los diodos D 1 y D3 conducen (representados por un interruptor cerrado en la figura 4.10), mientras que los diodos D2 y D4 permanecen en corte (representados por un interruptor abierto). Observa que este proceso produce un semiciclo positivo en la tensión presente en bornes del resistor de carga RL. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 12 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. Figura 4.10. Flujo de corriente en el rectificador de onda completa en puente de Graetz cuando la tensión de entrada está en el semiciclo positivo. Los diodos D1 y D3 conducen (ON) mientras que los diodos D2 y D4 permanecen en corte (OFF) Por su parte, los diodos D2 y D4 conducen durante el semiciclo negativo (representados por interruptores abiertos en la figura 4.11), mientras que los diodos D1 y D3 permanecen cortados, lo que produce también otro semiciclo positivo en la tensión presente en bornes del resistor de carga, aun cuando tenemos un semiciclo negativo en la salida del transformador. El resultado global es una forma rectificada de onda completa en la carga, tal y como vemos en la figura 4.12. Figura 4.11. Flujo de corriente en el rectificador de onda completa en puente de Graetz cuando la tensión de entrada está en el semiciclo negativo. Los diodos D2 y D4 conducen (ON) mientras que los diodos D1 y D3 permanecen cortados (OFF) 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 13 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. Figura 4.12. Formas de onda en el rectificador de onda completa en puente de Graetz El rectificador en puente de Graetz es, sin ningún lugar a dudas, el más utilizado en la práctica, pues evita el tener que hacer uso de transformadores con toma intermedia en fuentes de alimentación. Por ello, y aunque podemos utilizar cuatro diodos independientes, tal y como podemos ver en la figura 4.13, los fabricantes de componentes semiconductores comercializan los cuatro diodos integrados en un mismo encapsulado (figura 4.14). Tienen cuatro terminales: dos para las entradas de tensión alterna proveniente del transformador, uno para la salida positiva, y otro para la negativa o masa. Las marcas en el encapsulado suelen ser las siguientes:  para los dos terminales de entrada de la tensión alterna proveniente del transformador.  +: para el terminal de salida positivo.  -: para el terminal de salida negativo o de masa. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 14 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. Figura 4.13. (a) Puente de Graetz realizado mediante cuatro diodos discretos. (b) Forma de onda a la salida del circuito rectificador cuando se alimenta a partir Entrada de un transformador de 12 V eficaces. Figura 4.14. Fotografías de encapsulados típicos, para diferentes potencias, en que se comercializan los cuatro diodos que constituyen un puente de Graetz, y que pueden encontrarse en el mercado. 4.2.3. FILTRO DE SALIDA DEL RECTIFICADOR La utilización de un filtro a la salida del circuito rectificador hace que la tensión sobre la carga deje de ser pulsatoria y pase a ser casi constante. Decimos casi porque siempre queda un rizado residual o remanente que puede ser mayor o menor en función de los valores de los componentes que forman el filtro de salida de la fuente de alimentación y de la carga. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 15 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. Existen multitud de configuraciones para el filtro de las fuentes de alimentación. No obstante, estudiaremos aquella estructura más conocida y utilizada en la práctica, formada por un solo condensador en paralelo con la carga. FILTRO POR CONDENSADOR Es la forma más simple (y también la más utilizada en la mayoría de las FA de equipos electrónicos convencionales) de obtener una tensión constante a partir de la tensión pulsante proporcionada por un rectificador. Consiste en colocar un simple condensador en paralelo con la carga que ha de alimentarse. En la figura 4.15 podemos apreciar el filtro por condensador, C, colocado a la salida de un rectificador de media onda. Gracias a este condensador, la tensión de salida queda alisada o «aplanada», con un valor medio, que denominaremos UC,med, próximo (aunque no igual) al de pico de la tensión dada por el secundario del transformador, tal y como podemos ver en la figura 4.16. Figura 4.15. Rectificador de media onda y filtro de salida por condensador. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 16 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. Figura 4.16. Formas de onda en el rectificador de media onda y filtro por condensador. El valor de la tensión de rizado (que llamaremos U c,riz) normalmente es pequeño comparado con el valor promedio Uc,med de la tensión de salida (de hecho, conviene que sea inferior al 10 % de esta tensión de salida), tal y como vemos en la figura 4.16. Para un rectificador de media onda, el valor adecuado de la capacidad C puede ser calculado mediante la ecuación: donde: lL es la corriente media que circula por la carga (igual a UL /RL) f es la frecuencia de la red (50 Hz). UC,riz es la tensión de rizado remanente pico a pico. Por otro lado, para un rectificador de onda completa como el mostrado en la figura 4.17, la forma de onda de la tensión de salida es como la que apreciamos en la figura 4.18. En este caso, para calcular el condensador, la fórmula es como la anterior, pero añadiendo un dos en el denominador: 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 17 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. Observa que, gracias a la rectificación de los semiciclos negativos, el condensador C se descarga, aproximadamente, la mitad que para el caso de un rectificador de media onda. Por lo tanto, el rizado presente en la tensión de salida queda reducido significativamente. Por este motivo, normalmente los circuitos rectificadores utilizados en las fuentes de alimentación son los de onda completa y no el de media onda. Como consecuencia, observa además que, para una misma tensión de rizado, el condensador a colocar es justo la mitad que para un rectificador de media onda. En cualquier caso, sin embargo, conviene indicar que para tener rizados pequeños los condensadores empleados en este tipo de aplicaciones son, salvo en contadas ocasiones, condensadores electrolíticos, con valores que suelen superar los 100. Figura 4.17. Rectificador de onda completa y filtro de salida por condensador. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 18 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. Figura 6.18. Formas de onda en el rectificador de onda completa y filtro por condensador. 4.2.4. ESTABILIZADOR PARALELO MEDIANTE DIODO ZENER Aunque el filtro de una FA permite eliminar la tensión pulsante de la salida del rectificador, siempre queda un rizado residual que puede perjudicar enormemente al circuito que hace de carga. Es por ello que muchas fuentes de alimentación llevan a su salida un circuito regulador o estabilizador que permite obtener una tensión prácticamente constante. Una forma sencilla, y en ocasiones muy eficaz, de obtener una tensión prácticamente constante a la salida de la FA consiste en emplear un diodo Zener. Recuerda que un diodo Zener, polarizado en inversa y trabajando en su zona Zener o zona de ruptura, tiene la particularidad de que permite obtener en sus bornes una tensión prácticamente constante, aun cuando a través de él varíe la corriente de forma importante. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 19 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. En la figura 4.19 podemos apreciar el esquema completo de una fuente de alimentación con estabilizador Zener en paralelo. Se llama así porque el diodo Zener DZ queda directamente en paralelo con la carga que alimenta. Figura 4.19. Fuente de alimentación con estabilizador paralelo mediante diodo Zener El modelo comercial de diodo Zener escogido debe tener una tensión Zener lo más parecida (si puede ser, igual) a la tensión de salida deseada. Así, existen comercialmente una amplia gama de diodos Zener con diferentes tensiones: 2,4 V; 2,7 V. 3,3 V; 5,1 V; 7,5 V; 9,1 V; 12,0 V; etc., llegando en algunos modelos hasta unos pocos centenares de voltios. El resistor RLIM limita la corriente máxima del Zener, de forma que este no se destruya por sobrecalentamiento. Además, absorbe las variaciones de la tensión a la entrada del estabilizador (es decir, en bornes del condensador), UC,RIZ, de forma que esta variaciones no aparecen en bornes de salida de la FA. Si por la carga circula una corriente lL, aplicando la ley de Ohm, el valor máximo del resistor de limitación RLIM puede ser calculado de forma simple mediante la ecuación: 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 20 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 4: F.A. Donde es la tensión media en bornes del condensador, y donde se ha considerado una tensión Zener constante. Por otro lado, la potencia media que disipará este resistor de limitación vendrá dada mediante la ecuación: También es importante tener en cuenta la potencia disipada por el diodo Zener, para coger un modelo comercial que pueda trabajar sin problemas de calentamiento o sin llegar a destruirse. El valor máximo de la potencia a disipar puede calcularse previendo el caso más desfavorable para el Zener, que es cuando la carga queda desconectada. En este caso, toda la corriente (es decir, la suma ) que circula por el resistor RLIM debe circular necesariamente por el diodo Zener, yel valor máximo de la potencia a disipar por este será: 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 21