FUENTES DE ALIMENTACIÓN REGULADAS.
Características de las fuentes reguladas.
La calidad de una fuente de alimentación depende de la regulación en su carga, de la regulación de la red y de la resistencia de salida. Veamos en detalle estas características.
Regulación para carga.En la siguiente figura se muestra un regulador con filtro capacitivo que si cambiamos la resistencia de carga, cambiará la tensión en la carga.
Si se reduce la resistencia de carga, se consigue mayor rizado y eso repercute en el transformador, ya uqe una tensión mayor atravesará los devanados del mismo y por tanto sobre los diodos. Por eso un aumento de la corriente sobre la carga, disminuye la tensión sobre la misma, porque aumenta en otros componentes del circuito.
La regulación de carga indica cuánto cambia la tensión en la carga cuando cambia la corriente por la carga. Por definición:
Según la siguiente fórmula:
Siendo:
VNL = Tensión en la carga sin corriente.
VFL = Tensión en la carga con corriente de carga máxima.
Según la definición anterior, VNL, se produce cuando la corriente por la carga es cero, mientras que la tensión VFL, se producirá cuando la corriente por la carga sea máxima.
EJERCICIO.
Imagina que un regulador tiene una VNL de 10.6V para una IL = 0. Y una VFL de 9.25V para una IL de 1A. ¿Qué valor de resulación tiene el sistema?
Sustituyendo los valores de la fórmula anterior nos queda que:
Reg. carga = [(10.6V - 9.25V) ÷ 9.25V] * 100%
Reg. carga = 14.6%
Cuanto menor sea el porcentaje calculado, mejor será la fuente de alimentación regulada.
En el caso del ejemplo anterior, estamos diciendo que la tensión en la carga varía un 14,6% en todo el rango de la corriente de la carga. Y este valor en concreto es muy elevado para ser una fuente regulada.
Regulación de la red.En los cálculos de la tensión de red, también hay que tener en cuenta que la red puede influir sobre el regulador, ya que la red eléctrica suele sufrir variaciones temporales que pueden hacer "bailar" los valores en un regulador. Así se pueden decir que los valores de una red eléctrica pueden sufrir variaciones máximas y mínimas sobre una tensión nominal. Dichas variaciones son una tercera aproximación en un cálculo en un circuito regulador. Aunque existe una fórmula para tener en cuenta estas variaciones.
Donde:
VHL = Tensión en carga para una tensión de red máxima.
VLL = Tensión en carga para una tensión de red mínima.
Así que en nuestro ejercicio anterior, la tensión de carga VHL de 9.2 para una tensión máxima de 30V y una VLL de 11.2 para una tensión mínima de red de 20V, nos queda que:
Reg. red = [(11.2V - 9.2V) ÷ 9.2V] * 100%
Reg. carga = 21.7%
Lo que nos indica que mientras menor sea el porcentaje de la regulación de la red, mejor será el regulador de tensión. Este valor solo se tiene en cuenta a la hora de crear fuentes de alimentación reguladas de gran precisión.
Resistencia de salida.La resistencia Thevenin o de salida en una fuente de alimentación regulada determina la regulación en la carga. Si una fuente de alimentación regulada tiene una resistencia de salida baja, su regulación en la carga también será baja. Para calcular la resistencia de salida utiliza la siguiente fórmula:
Siguiendo un ejemplo anterior, para una VNL = 10.6V para IL = 0, y VFL = 9.5V para IL = 1A:
RTH = [(10.6V - 9.25V) ÷ 1A]
RTH = 1.35Ω
La siguiente figura muestra la tensión en la carga frente a la corriente por la carga. La tensión en la carga (según la gráfica), disminuye según aumenta la corriente por la carga. El cambio de tensión en la carga (VNF - VFL) dividido entre el cambio de corriente (IFL), es igual a la resistencia de salida de la fuente de alimentación regulada. Por lo tanto la resistencia de salida está relacionada con la pendiente de ésta curva: mientras más horizontal sea esta recta, menor será la resistencia de salida.
La máxima corriente de salida por la carga (IFL), se produce cuando la resistencia de salida es mínima. Por ello la expresión equivalente para la regulación en la carga es:
Así siguiendo nuestro ejemplo anterior, si la funete regulada tuviese una resistencia de salida de 1.5Ω y la resistencia de carga mínima fuese de 10Ω su regulación en la carga sería de:
Reg. en la carga = (1.5Ω ÷ 10Ω) * 100% =
Regulación en derivación.
La regulación en red y la regulación para carga de una fuente de alimentación sin regular son demasiado altas para la mayoría de las aplicaciones. Usando un regulador de tensión entre la carga y la fuente de alimentación se puede mejorar significativamente esos dos parámetros. Existen dos tipos de reguladores principales, en serie y en derivación.
Regulador Zener.Es el tipo más básico de los reguladores en derivación ya que el diodo Zener se pone en paralelo con la carga haciendo que las variaciones del nivel de tensión superior a la tensión Zener lo hagan conducir y así se mantiene la tensión eléctrica sobre la carga.
Puedes ver la construcción de una fuente regulada con zener en el siguiente ENLACE.
Al funcionar el diodo Zener en la zona de ruptura, cuando se supera la tensión inversa del zener, empieza la conducción sobre el mismo porque la resistencia interna del zener cae cuando se supera la tensión zener, y por lo tanto, la tensión de más de la fuente de alimentación cae en el Zener, manteniendose la salida constante en la carga al estar en derivación con la misma.
Hay que ver al conjunto como dos resistencias variables.
Cuando por la carga aumenta la corriente de carga, es similar a bajar la resistencia de carga. Esto hace que la corriente por el diodo también varie. Como el sistema está en paralelo, cualquier variación sobre la corriente de carga, afectará a la corriente por el diodo. Por lo general al aumentar la corriente sobre la carga hace aumentar la tensión en el diodo, lo cual hará que supere rapidamente la tensión Zener, momento en el cual la corriente por la carga empezará a disminuir y aumentar en el diodo Zener, el cual mantendrá la tensión sobre su valor Zener y por tanto, la tensión en la carga se mantendrá constante.
La corriente que atraviesa las resistencias en serie vienen dadas por la fórmula siguiente:
Esta corriente es igual a la corriente de entrada de un regulador en derivación. Cuando la tensión de entrada es constante la corriente del regulador es casi constante ante los cambios de la carga. Y esto es precisamente lo que caracteríza a un regulador constante, que cualquier variación por la carga no tenga ningún efecto sobre la corriente de carga.
Tensión Zener con un transistor.Para grandes corrientes de carga, la regulación sobre un Zener como en la figura anterior empeora notablemente debido a que el cambio de corriente a través de la resistencia zener puede cambiar significativamente la tensión de salida. Una manera de regular la tensión en estos casos es interponer un transistor al circuito que controlará la tensión de salida.
El funcionamiento es muy sencillo. Si la tensión de salida intenta aumentar, este aumento se transmite a lo largo del diodo zener a la base del transistor. Como una mayor corriente de base produce una mayor corriente de colector que absorbe la que llega de Rs. Esto hace que disminuya la tensión sobre dicha resistencia, porque el transistor aumenta la corriente interna y la deriva a masa. Con esto se compensa el aumento de tensión en la red. Si la tensión de salida intenta disminuir, la tensión que realimenta la base del transistor disminuye la corriente por el colector haciendo que sobre Rs se produzca una mayor caída de tensión. De nuevo se vuelve a compensar un intento de cambio de tensión.
El problema de este tipo de reguladores es que tienen un rango de trabajo muy bajo y suelen pasar de corte a saturación rapidamente por lo que existe gran distorsión de cruce demandada gracias a las variaciones de temperaturas del transistor. Para evitar el problema anterior se suelen utilizar otros sistemas similares como el propuesto a continuación.
Mayor tensión de salida.En este circuito el transistor tendrá el mismo coeficiente de temperatura que el diodo zener ya que se acoplarán eléctricamente, pero eso si, la tensión del transistor será mayor. La realimentación negativa será similar al anterior circuito, ya que cualquier cambio de tensión es realimentado al transistor, el cual compensará a su salida. El resultado es una salida que cambia mucho menos que si no tuviese realimentación negativa.
La tensión en la base viene dada por la fórmula siguiente:
Por desgracia esto es una aproximación ya que no se incluye el efecto de carga en la corriente de base debido al divisor de tensión. Aunque también hay que decir que la corriente en la base es lo suficiente pequeña como para poder ignorarla. Si despejamos la tensión de salida de la fórmula anterior obtenemos la tensión de salida:
La tensión en la base es la suma de la tensión zener y la tensión en la base:
Sustituyendo este resultado la nos devuelve la ecuación estable:
NOTA: Generalmente se dispone una R1 y R2 de valor mucho más alto que la carga. como resultado la corriente que atraviesa el divisor de tensión es mucho mas pequeña con lo que se puede prescindir en los cálculos preliminares. Como desventaja, cualquier cambio sobre la tensión de base, se traslada a la tensión de salida.
Mejora en la regulación.Aún se puede mejorar más el circuito anterior para evitar que la los cambios en VB afecten a la salida. Y con un circuito similar al siguiente:
El diodo zener mantiene la entrada inversora del amplificador operacional a una tensión constante. El divisor de dicho amplificador muestrea una tensión en la carga e introduce una realimentación en la entrada no inversora. La salida del operacional excita la base del transistor y debido a la realimentación negativa, la tensión de salida se mantiene casi constante a pesar de los cambios de red y de carga.
Por ejemplo, si la tensión en la carga tiende a subir, la señal de realimentación en la entrada no inversora aumentará con la salida del operacional excitará la base del transistor más fuerte aumentando la corriente por el colector. Un aumento en la corriente de colector hace que aumente la tensión en Rs y por tanto disminuya la tensión en la carga. Cuando la tensión en la carga tiende a disminuir ocurre el efecto contrario para así compensar la variación de tensión.
Reguladores en serie.
Los reguladores en derivación tienen la desventaja de su bajo rendimiento provocado por las altas pérdidas de potencia en las resistencias en serie y el transistor. Por simplicidad suelen usarse este tipo de reguladores.
Pero cuando el rendimiento y la calidad del regulador necesitan ser un poco esquisitos, necesitamos usar reguladores en serie o conmutados. Un regulador conmutado es de mayor calidad que los primeros y su rendimiento es mucho mayor (rondando entre el 75% y el 95%). Por desgracia son "ruidosos" porque producen ruido de radiofrecuencia al interferir con los equipos de radiofrecuencia (dichos ruidos se producen por los cambios del transistor a una frecuencia de entre 10 y 100KHz).
Sin embargo el regulador en serie son silenciosos (porque siempre funcionan en la zona lineal), a la par de tener un buen rendimiento. Además construir un regulador en serie es un proceso sencillo aunque eso si, su rendimiento baja entre el 50 y el 70 por cien (lo cual es suficiente para la mayoría de las aplicaciones inferiores a 10W. Por esta y más razones, los reguladores serie son la mejor opción para la mayoría de las aplicaciones.
El seguidor Zener.Es el regulador serie más sencillo que encontrarás en un circuito es un diodo zener que se conecta en paralelo a la carga. Pero en este caso se pone en serie con la base del transistor que permitirá el paso de corriente sobre la carga. Es decir, se está conectando a un seguidor de emisor.
En este circuito si la corriente por la carga o la tensión en red cambian, las tensiones zener y base emisor cambiarán solo ligeramente. Por ese motivo en la tensión de salida solo se apreciarán pequeños cambios solo cuando se produzcan grandes variaciones en la corriente de carga o tensión de red.
Los reguladores en serie hacen que la corriente en la carga sea aproximadamente igual a la corriente de entrada, ya que la Rs es lo suficientemente pequeña como para despreciarla.
En comparación con el regulador en derivación, el transistor del serie (llamado comúnmente transistor de paso porque por él pasa toda la corriente de carga), sustituye a la resistencia de paso Rs por lo que mejora su rendimiento y la única pérdida significativa es la del propio transistor de paso.
Regulador serie con dos transistores.Este circuito es mejor que el anterior ya que los cambios en la carga son menos pronunciados.
Si Vout trata de aumentar (por un aumento de la tensión de red o la corriente por la carga), aumentará la tensión de realimentación en la base de Q2. Esto provocará un aumento de la corriente de su colector que atravesará R4 y disminuirá la tensión en la base de Q1. Esta disminución del transistor seguidor compensa completamente la variación de tensión de salida. Similarmente, si la tensión de salida intenta disminuir, dismiuirá la tensión de realimentación en la base de Q2, provocando un aumento de la tensión en la base de Q1, compensando la bajada de tensión.
Con esto, en los reguladores en serie se pueden utilizar zener de bajo valor y un coeficiente de temperatura aproximada a cero, con lo que la tensión de salida tendrá el mismo coeficiente de temperatura.
Características del regulador serie.La figura anterior se dice que la tensión diferencial entrada/salida es la diferencia entre la tensión de entrada y la tensión de salida. La corriente que atriviesa el transistor de paso es:
Donde I2 es la corriente que atraviesa la R2. Para mantener alto el rendimiento, el diseñador debe de hacer que I2 sea mucho mas alto que el valor de carga máximo. Así se podrá despreciar en la fórmula anterior la I2.
Para corriente de carga alta, la disipación de potencia en el transistor es un factor a tener en cuenta ya que puede producir rotura del componente por lo que para evitar dicha rotura necesitará un disipador de calor (incluso el uso de ventiladores). La potencia a disipar en un transistor viene dada por la siguiente fórmula:
Funcionando a plena carga, la mayoría de la pérdida de potencia se dará en el transistor de paso. Y como la corriente por el transistor es igual a la corriente de carga, el rendimiento del transistor viene dado por la fórmula:
μ = Vout ÷ Vin x 100%Con esta aproximación, el rendimiento óptimo se dará cuando la tensión de salida sea tan grande como la tensión de entrada, es decir, a mayor tensión diferencial entrada/salida, mejor será el rendimiento del regulador.
En este tipo de circuitos es habitual encontrar sistemas de conexión Darlington para mejorar la excitación del transistor de potencia.
Se puede mejorar el sistema gracias al circuito de la siguiente figura, en el cual, se incluye un amplificador operacional. con ello, si la tensión de salida intenta aumentar, la tensión de realimentación de la entrada inversora del amplificador aumenta. Por lo que se disminuye la tensión de base del transistor y por tanto la corriente por la carga (y su tensión específica). Si la tensión disminuye, la tensión de realimentación del operacional, disminuye con lo que aumenta la tensión VBE y hace aumentar la corriente por el transistor y por tanto en la carga.
La ecuación de la tensión de salida es casi igual que la anterior ecuación, excepto que la alta ganancia del amplificador operacional elimina la tansión VBE mejorando el sistema por eliminar esa pérdida.
Como el amplificador operacional funciona como no inversor con una ganancia en tensión de lazo cerrado:
Y con estas dos fórmulas, podemos establecer derivando la tensión zener como ves a continuación:
Vout = ACL x VzPor lo que siguiendo el ejemplo, si un amplificador te da una ganancia de 2 y la tensión zener es de 5,6V, aplicando la fórmula anterior devolverá que la tensión de salida es de 11,2V.