La fuente de alimentación o fuente de poder como también se le conoce, se define dentro del ámbito de la electrónica, como el instrumento que transforma la corriente alterna, en una o varias corrientes continuas o directas, las cuales son utilizadas para alimentar los diferentes aparatos electrónicos, tales como televisores, computadoras, impresoras, etc.
Esta fuente para dispositivos electrónicos, se encuentra clasificada en lineales y conmutadas. Las lineales se encuentran diseñadas de una manera sencilla, sin embargo puede llegar a ser compleja, a medida que la corriente que suministra se incremente, aunque su regulación de tensión no sea muy eficaz. Una fuente conmutada, se caracterizara por tener la misma fuerza que una lineal, y contar con una estructura mucho más pequeña. Generalmente será más eficiente, sin embargo resulta compleja, por lo que será susceptible a daños. Las fuentes conmutadas son las que se utilizan con frecuencia, cuando se necesita de un diseño compacto y económico.
Los pasos básicos que cumple la fuente de alimentación son:
Transformación: en esta etapa se busca reducir la tensión de entrada a la fuente(generalmente 220 o 120V) a otra tensión más acorde para ser tratada, está capacitada para trabajar con corrientes alternas, es decir que la corriente de entrada será alterna, y la de salida, igual.
Rectificación: es el encargado de transformar la tensión alterna que sale del transformador en tensión continua, su objetivo es garantizar que no se originen fluctuaciones de voltaje en el tiempo, es decir que el voltaje no baje de 0 V y siempre se mantenga sobre esta cifra.
Filtrado: en esta etapa se nivela al máximo la señal, esto se logra al utilizar uno o varios condensadores que retienen la corriente, dejándola pasar poco a poco; a fin de lograr el efecto deseado.
Estabilización: en este paso ya se cuenta con una señal continua y casi del todo plana, por lo que solo es necesario estabilizarla totalmente.
Es muy importante que la fuente de alimentación cuente con una potencia ideal que le permita trabajar de una manera más holgada, ya que en el caso de estar conectada a una computadora, a esta se le suelen añadir otros elementos (teclados, ratones, grabadoras, disco duro, luces, etc.) que terminarán demandándole la energía para poder funcionar; por lo tanto si la potencia es insuficiente, es probable que se origine un fallo en algunos de los dispositivos, impidiéndole funcionar al no llegarle la potencia requerida, originando que la computadora no funcione.
Las fuentes de alimentación pueden ser lineales o conmutativas:
- Fuentes lineales. Siguen el esquema de transformador (reductor de tensión), rectificador (conversión de voltaje alterno a onda completa), filtro (conversión de onda completa a continua) y regulación (mantenimiento del voltaje de salida ante variaciones en la carga).
- Fuentes conmutativas. Estas, en cambio, convierten la energía eléctricapor medio de conmutación de alta frecuencia sobre transistores de potencia. Las fuentes lineales son típicamente de regulación ineficiente, comparadas con fuentes conmutativas de similar potencia. Estas últimas son las más utilizadas cuando se requiere un diseño compacto y de bajo costo.
🔎 ¿QUÉ ES UN DIODO ZENER
Los diodos zener están diseñados para mantener un voltaje constante en sus terminales para esto debe ser polarizado inversamente con un voltaje por arriba de su ruptura o voltaje zener Vz. Cuando se llega al voltaje de ruptura el diodo zener comienza a conducir en la dirección inversa. Se debe considerar que es un elemento no lineal, por lo tanto ΔVz no es directamente proporcional a ΔIz. El simbolo correspondiente al diodo zener es posible representar de dos formas:
La potencia máxima prevista para un diodo zener se especifica como Pz = Vz ∙ IzmaxEs posible representar como una fuente de voltaje Vz y un resistor Rz, como se muestra a continuación:
🔍 ¿PARA QUÉ SIRVE UN DIODO ZENER?
Son buenos candidatos para construir reguladores de voltaje simples o limitadores de voltaje, ya que al mantener un voltaje de CD estable en presencia de una tensión variable de voltaje y con una resistencia de carga variable.
⚒ CARACTERÍSTICAS DEL DIODO ZENER
Una de las principales características que identifican al diodo zener es la polarización inversa, ya que un diodo común al ser polarizado inversamente actúa como un circuito abierto. Cuando la corriente a través del diodo zener cambie, el voltaje de salida permanece relativamente constante, es decir la variación de ΔIz y ΔVz.
Los diodos Zener se pueden polarizar directamente y comportarse como un diodo norma en donde su voltaje permanece cerca de 0.6 a 0.7 V.
♋ CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO ZENER
La curva característica corriente-voltaje para el diodo zener ideal se muestra en la Imagen en color rojo. Este modelo implica que el diodo zener en polarización directa se comporta como un diodo rectificador o de potencia y está completamente activado para cualquier voltaje mayor o igual a 0, al tener polarizado inversamente se tiene que permite el flujo de corriente hasta tener el voltaje de ruptura o voltaje zener (Vz). Una buena aproximación inicial para el diodo zener real se da por la línea de color azul, en la región de polarización directa se muestra muy similar al diodo normal o a la curva característica del diodo pero para este caso en la región de polarización inversa se puede observar que tiene una fuga de corriente antes de llegar al voltaje de ruptura hasta llegar al punto de operación que corresponde al voltaje zener.
Se puede concluir que el diodo zener es posible operar en tres intervalos1.- Vd < Vz : Donde la corriente circula desde el cátodo hacia el ánodo.
2.- Vz < Vd < V0: Donde la corriente que circula a través de este elemento es tan pequeña que puede ser despreciada.
3.- Vd > V0: Donde la corriente fluye desde el ánodo hasta el cátodo.
⚡ REGULADOR DE VOLTAJE CON DIODO ZENER
Un circuito muy simple consiste en poner un diodo zener en serie con un resistor. El voltaje de salida del circuito Vsal se mantiene o es regulada por el diodo zener al voltaje zener Vz.
Nota: Ya que la carga aplicada al regulador de voltaje cambiará con el tiempo y por ende la fuente de voltaje mostrará fluctuaciones se debe tener consideración al efecto sobre el voltaje regulado Vz.
Del circuito se obtiene que la corriente zener esta relacionada con los voltaje del circuito de acuerdo con: Iz = (Vent – Vz)/R
Debido al cambio del tiempo se considera un delta: ΔIz = (ΔVent – ΔVz)/R
Es posible definir una resistencia Rz o Rd que corresponde al Vd de un diodo Zener (tomando en consideración que el diodo zener se puede descomponer en una fuente Vz y un resistor Rz). Esto permite expresar el cambio de corriente zener en términos del cambio en el voltaje zener:ΔIz = ΔVz/Rd
Especificaciones relevantes para el análisis que podemos encontrar en la hoja de datos del fabricante:Izt : Corriente zener nominal
Rz o Rd: Impedancia dinámica máximaEn un diseño de circuito que contenga un diodo zener es necesario que la corriente zener supere Izt, ya que al no superar entonces estaría operando cerca de la “rodilla” de la curva característica, donde la regulación es pobre.Por lo tanto para nuestro regulador de voltaje se puede expresar en términos de fluctuaciones en el voltaje de la fuente Vent que al ser cambios en el tiempo se representa como ΔVent, de esto obtenemos la siguiente ecuación:
ΔVsal = ΔVz = Rd/(Rd+RΔ)*Vent
La ecuación representa un cambio de voltaje, por lo tanto, el circuito actúa como un divisor de voltaje con el diodo zener representado por su resistencia dinámica a la corriente de operación del circuito.
📝 TABLAS DE DIODOS ZENER
En las siguiente tabla se muestra algunos diodos zener con su voltaje de ruptura o voltaje zener Vz
| Serie BZX55 de 0.5W | |||
|---|---|---|---|
| Código | Voltaje Zener | Código | Voltaje Zener |
| BZX55C2V4 | 2.4 | BZX55C15 | 15 |
| BZX55C2V7 | 2.7 | BZX55C16 | 16 |
| BZX55C3V0 | 3 | BZX55C18 | 18 |
| BZX55C3V3 | 3.3 | BZX55C20 | 20 |
| BZX55C3V6 | 3.6 | BZX55C22 | 22 |
| BZX55C3V9 | 3.9 | BZX55C24 | 24 |
| BZX55C4V3 | 4.3 | BZX55C27 | 27 |
| BZX55C4V7 | 4.7 | BZX55C30 | 30 |
| BZX55C5V1 | 5.1 | BZX55C33 | 33 |
| BZX55C5V6 | 5.6 | BZX55C36 | 36 |
| BZX55C6V2 | 6.2 | BZX55C39 | 39 |
| BZX55C6V8 | 6.8 | BZX55C43 | 43 |
| BZX55C7V5 | 7.5 | BZX55C47 | 47 |
| BZX55C8V2 | 8.2 | BZX55C51 | 51 |
| BZX55C9V1 | 9.1 | BZX55C56 | 56 |
| BZX55C10 | 10 | BZX55C62 | 62 |
| BZX55C11 | 11 | BZX55C68 | 68 |
| BZX55C12 | 12 | BZX55C75 | 75 |
| BZX55C13 | 13 |
| Serie 1N47 de 1W | |||
|---|---|---|---|
| Código | Voltaje Zener | Código | Voltaje Zener |
| 1N4728 | 3.3 | 1N4746 | 18 |
| 1N4730 | 3.9 | 1N4747 | 20 |
| 1N4731 | 4.3 | 1N4748 | 22 |
| 1N4733 | 5.1 | 1N4749 | 24 |
| 1N4734 | 5.6 | 1N4750 | 27 |
| 1N4735 | 6.2 | 1N4751 | 30 |
| 1N4736 | 6.8 | 1N4752 | 33 |
| 1N4737 | 7.5 | 1N4753 | 36 |
| 1N4738 | 8.2 | 1N4755 | 43 |
| 1N4739 | 9.1 | 1N4756 | 47 |
| 1N4740 | 10 | 1N4757 | 51 |
| 1N4741 | 11 | 1N4758 | 56 |
| 1N4742 | 12 | 1N4760 | 68 |
| 1N4743 | 13 | 1N4761 | 75 |
| 1N4744 | 15 | 1N4764 | 100 |
| 1N4745 | 16 |
| Serie BZX85 de 1.3W | |||
|---|---|---|---|
| Código | Voltaje Zener | Código | Voltaje Zener |
| BZX85C2V7 | 2.7 | BZX85C18 | 18 |
| BZX85C3V0 | 3 | BZX85C20 | 20 |
| BZX85C3V3 | 3.3 | BZX85C22 | 22 |
| BZX85C3V6 | 3.6 | BZX85C24 | 24 |
| BZX85C3V9 | 3.9 | BZX85C27 | 27 |
| BZX85C4V3 | 4.3 | BZX85C30 | 30 |
| BZX85C4V7 | 4.7 | BZX85C33 | 33 |
| BZX85C5V1 | 5.1 | BZX85C36 | 36 |
| BZX85C5V6 | 5.6 | BZX85C39 | 39 |
| BZX85C6V2 | 6.2 | BZX85C43 | 43 |
| BZX85C6V8 | 6.8 | BZX85C47 | 47 |
| BZX85C7V5 | 7.5 | BZX85C51 | 51 |
| BZX85C8V2 | 8.2 | BZX85C56 | 56 |
| BZX85C9V1 | 9.1 | BZX85C62 | 62 |
| BZX85C10 | 10 | BZX85C68 | 68 |
| BZX85C11 | 11 | BZX85C75 | 75 |
| BZX85C12 | 12 | BZX85C82 | 82 |
| BZX85C13 | 13 | BZX85C91 | 91 |
| BZX85C15 | 15 | BZX85C100 | 100 |
| BZX85C16 | 16 |
Filtro de condensador
Un filtro de condensador es un circuito eléctrico formado por la asociación de diodo y condensador destinado a filtrar o aplanar el rizado, dando como resultado una señal eléctrica de corriente continua cuya tensión no varía prácticamente en el tiempo. El circuito es el mismo que el empleado en la rectificación añadiendo un condensador, por lo que al igual que existen rectificadores de media onda y de onda completa.
FILTROS RC.
Antes de los años setenta se conectaban filtros pasivos entre el condensador del filtro y la carga para reducir el rizado a menos del 1%.
La intención es obtener una tensión continua casi perfecta, similar a la que proporciona una pila. En la actualidad es muy raro ver filtros pasivos en diseños de circuitos nuevos, es más común usar circuitos estabilizadores de tensión. Sin embargo estos estabilizadores tienen sus limitaciones y es posible que no quede más remedio que usar un filtro pasivo.
La figura muestra dos filtros RC entre el condensador de entrada y la resistencia de carga. El rizado aparece en las resistencias en serie en lugar de hacerlo en la carga. Valores adecuados para las resistencias y los condensadores son:
R = 6,8 ohms, C = 1000 µF
Con estos valores cada sección atenúa el rizado en un factor de 10, se coloca una, dos, o tres secciones RC.
La desventaja principal del filtro RC es la pérdida de tensión en cada resistencia. Esto quiere decir que el filtro RC es adecuado solamente para cargas pequeñas. Es útil si se tiene un circuito digital controlando relés, estos relés crean ruidos en la alimentación provocando el mal funcionamiento del circuito digital, con una sección de este filtro para la alimentación digital se soluciona el problema.
FILTROS LC.
Cuando la corriente por la carga es grande, los filtros LC de la figura presentan una mejora con respecto a los filtros RC. La idea es hacer que el rizado aparezca en los componentes en serie, bobinas en este caso. Además, la caída de tensión continua en las bobinas es menor porque solo intervienen la resistencia de los devanados.
Los condensadores son de 1000 µF y las bobinas entre más grandes mejor. Normalmente estas últimas ocupan casi tanto espacio como el transformador, de hecho, parecen transformadores, con una sola sección se reduce el rizado hasta niveles bajísimos.
Parámetros.
Reguladores
Un regulador de tensión o regulador de voltaje es un dispositivo electrónico diseñado para mantener un nivel de tensión constante.
Los reguladores electrónicos de tensión se encuentran en dispositivos como las fuentes de alimentación de los computadores, donde estabilizan las tensiones de Corriente Continua usadas por el procesador y otros elementos. En los alternadores de los automóviles y en las plantas generadoras, los reguladores de tensión controlan la salida de la planta. En un sistema de distribución de energía eléctrica, los reguladores de tensión pueden instalarse en una subestación o junto con las líneas de distribución de forma que todos los consumidores reciban una tensión constante independientemente de cuanta potencia exista en la línea.
Reguladores de tensión fija series 78XX y 79XX
Por regulador LM317.
El LM317 es un regulador de tensión positivo con sólo 3 terminales y con un rango de tensiones de salida desde los 1.25 hasta 37 voltios.
Las patillas son: Entrada (IN), Salida (OUT), Ajuste (ADJ)
Para lograr esta variación de tensión sólo se necesita de 2 resistencias externas (una de ellas es una resistencia variable).
Entre sus principales características se encuentra la limitación de corriente y la protección térmica contra sobrecargas. La tensión entre la patilla ADJ y OUT es siempre de 1.25 voltios (tensión establecida internamente por el regulador) y en consecuencia la corriente que circula por la resistencia R1 es:
Esta misma corriente es la que circula por la resistencia R2. Entonces la tensión en R2:
Si se sustituye IR1 en la última fórmula se obtiene la siguiente ecuación:
Como la tensión de salida es:
Entonces
Simplificando (factor común)
De esta última fórmula se ve claramente que si modifica R2 (resistencia variable), se modifica la tensión Vout. En la fórmula anterior se ha despreciado la corriente (IADJ) que circula entre la patilla de ajuste (ADJ) y la unión de R1 y R2. Esta corriente se puede despreciar, tiene un valor máximo de 100 uA y permanece constante con la variación de la carga y/o de la tensión de entrada. Para mejorar la regulación el resistor R1 se debe colocar lo más cercano posible al regulador, mientras que el terminal que se conecta a tierra del resistor R2 debe estar lo más cercano posible a la conexión de tierra de la carga
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