FUENTES DE ALIMENTACIÓN

FUENTES DE ALIMENTACIÓN.

Hay dos tipos comunes de fuentes de alimentación en uso hoy en día:

Fuente de alimentación lineal (transformador-rectificador). Fuente de alimentación conmutada.

La fuente de alimentación lineal es la más antigua y simple de todas. La conmutada se trata de una fuente más actual y más eficaz, regulada por la tensión y que se emplea en los receptores de televisión.

FUENTE DE ALIMENTACIÓN LINEAL.

Su finalidad básica es suministrar una salida de tensión razonablemente estable dada una tensión de entrada. Las variaciones de la tensión de entrada provocarán fluctuaciones en la salida de aproximadamente el mismo porcentaje. Las salidas de tensión de estas fuentes pueden ser reguladas.

Diagrama de bloques.

El diagrama de bloques y el esquema de una fuente de alimentación lineal típica aparece en la figura 12.1.

Figura 12.1

Circuitos de entrada.

Esto implica el arrollamiento necesario para hacer funcionar un transformador determinado en distintas líneas de red. Figura 12.2.

Figura 12.2

Otra variante de la circuitería de entrada para esta fuente es un <<volante>> electrónico que ayude a liberar el transformador de picos de tensión y de interrupciones breves de la corriente. Figura 12.3

Figura 12.3

Configuración del rectificador y de la salida del transformador.

Los siguientes circuitos también se utilizan con las fuentes de alimentación conmutada y de control de fase.

Los rectificadores empleados en los arrollamientos de salida de una fuente pueden utilizarse de acuerdo con una serie de configuraciones básicas. Figura 12.4.

Figura 12.4

Utilizando estas configuraciones, los propios circuitos del equipo pueden ser simples o leves variantes de ellos. Figura 12.5.

Figura 12.5

Condensadores de filtro.

La salida de los rectificadores es una tensión pulsatoria de onda completa o de media onda. Ambos tipos de ondas deben ser filtrados para obtener una tensión relativamente constante necesaria en la mayoría de los circuitos. Figura 12.6.

Figura 12.6

Fallos característicos.

Sobrecarga de la fuente provocada por una carga en cortocircuito. Una resistencia de filtro abierta. Un diodo abierto en un rectificador puente o en un circuito de toma central de onda

completa. Una tensión de salida menor que lo normal.

FUENTE DE ALIMENTACIÓN CONMUTADA.

Este tipo de fuente de alimentación supone una mejora con respecto a la fuente transformador-rectificador en cuanto a peso y tamaño. Dado que la fuente de alimentación conmutada funciona a frecuencias mucho mayores, el transformador de corriente puede fabricarse con mucho menos material central (las láminas magnéticas que hay dentro del transformador). Como resultado se obtiene un transformador de menor tamaño y peso para una determinada salida de corriente.

Siempre que se esté trabajando con una fuente de alimentación conmutada, ya sea para hacer comprobaciones o para cualquier otra cosa, debe colocarse en ella una carga razonable.

Una fuente de alimentación conmutada tiene una de las dos formas generales siguientes:

Inversor de entrada de CC.

Diagrama de bloques. Este circuito solía utilizarse principalmente para generar altas tensiones de CC a partir de fuentes de CC bajas. Figura 12.7.

Fig. 12.7 Principio de funcionamiento

Fig. 12.7 Esquema eléctrico

Inversor de CA.

* Diagrama de bloques. La figura 12.9 muestra que la entrada de CA en una fuente conmutada añade uno o dos bloques más al del inversor básico de la figura 12.7

Figura 12.9

Circuitos de entrada.

Filtro de red. Cualquier forma de entrada, ya sea de CC o de CA, aplicada a la entrada de una fuente de alimentación conmutada puede verse afectada por los repentinos cambios de corriente que normalmente produce este tipo de fuentes. Estas sacudidas eléctricas deberían estar restringidas a la fuente de alimentación y no permitir que se propaguen a la fuente de entrada. Figura 12.8.

Figura 12.8

Entrada puente de tensión única. Se puede diseñar una fuente de alimentación conmutada que vaya directamente de una línea de 230V CA convirtiendo primero la CA a CC y filtrándola con grandes condensadores. También es fácil hacer funcionar dicho rectificador con una de las dos tensiones de entrada de CA si se cambia el circuito de entrada.

Entrada de CA de tensión doble especial. El trabajar la fuente de alimentación conmutada con CC supone tener una opción adicional: poder conmutar simple y fácilmente dos tensiones de entrada de CA. Figura 12.10.

Regulada a menudo mediante la modulación por anchura de impulso o variando la frecuencia de la señal.

Variando la duración de los pulsos

La tensión de salida puede utilizarse para ajustar las tolerancias variando el factor de trabajo (la modulación por anchura de impulso) de la onda cuadrada producida por el transistor de conmutación.

Cuanto mayor es el factor de trabajo, mayor será la tensión de salida generada por los rectificadores.

Variando la frecuencia de la señal.

Si aplicamos una señal de frecuencia variable al conmutador, estaremos modificando la cantidad de energía que se inyecta al transformador.

Figura 12.10

El transformador de conmutación y los circuitos de salida.

El transformador de conmutación funciona a una frecuencia normalmente de 25KHz o más. Este transformador tiene más de un arrollamiento de salida, lo que permite que se generen salidas múltiples aisladas eléctricamente. Las frecuencias de trabajo seleccionadas son normalmente superiores al límite de audición, por tanto, su funcionamiento normal no se percibe como un chirrido irritante.

Los circuitos de salida de la fuente de alimentación conmutada son del mismo tipo que los circuitos utilizados en la fuente de alimentación transformador-rectificador.

12.3.5.- Rectificadores.

La fuente de alimentación conmutada requiere el uso de diodos rectificadores de mayor velocidad que los utilizados a frecuencias de 50Hz de la red eléctrica. Excepto por esto, los rectificadores funcionan del mismo modo.

12.3.6.- Fallos más comunes.

La fuente de alimentación conmutada tiene varios fallos comunes. Si se funde el fusible de entrada de la fuente, es muy probable que   :

1. Uno o ambos condensadores de filtro de alta tensión de entrada estén en cortocircuito.

2. El transistor de potencia utilizado para la conmutación esté en cortocircuito.

- Si el fusible de entrada de la fuente no se ha fundido, espere encontrar que   :

1. El transistor de potencia utilizado para la conmutación esté abierto.

2. Haya un cortocircuito en algún lugar del propio transformador o después de él, incluida la carga.

ANÁLISIS DE LA CARGA EN CORTOCIRCUITO DE UNA FA .

Los pasos para localizar el cortocircuito es medir la resistencia que la FA <<ve> en la circuitería de la carga, teniendo tres posibilidades:

1. Un cortocircuito de menos de unos 2.

2. Una resistencia de sobrecarga entre 2 y, quizás, 50.

3. Una resistencia casi normal.

Cortocircuito menos de 2 Cortocircuito cableado. Condensador de paso en cortocircuito.

Cortocircuito entre 2 y 50 Semiconductor en cortocircuito.

Resistencia casi normal Semiconductor funcionando defectuosamente.

REGULACIÓN DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN.

Hay dos formas básicas de regular la tensión de salida de las FA.

Regulación serie Regulación conmutada

Regulación serie.

REGULADOR DE TENSIÓN DISCRETO.

El esquema de bloques de la FA de la figura 13.1 muestra las distintas funciones que realizan cada uno de los elementos que intervienen en la regulación de FA. Siendo la función básica de cada uno de estos bloques:

1. Elemento de muestreo. Toma parte de la tensión de salida vo y se la proporciona al elemento comparador. Suele estar constituido por un potenciómetro.

2. Elemento de referencia. Su objetivo es mantener una tensión fija de referencia para el comparador. Este bloque consta de un diodo zener y una resistencia en las estabilizadas, y de un condensador en las simples

3. Elemento comparador. Compara las tensiones producidas por los bloques anteriores, amplificando la diferencia y produciendo una señal de salida, llamada tensión de error. Suele estar constituido por un transistor en la configuración de emisor común, siendo sustituido en las FA más modernas por un amplificador operacional.

4. Amplificador de error. Amplifica la corriente de la señal producida por el comparador hasta niveles adecuados para atacar el elemento de control. Consta de un transistor en colector común, aunque en muchas ocasiones la corriente de salida del comparador es suficiente para este fin, suprimiéndose este bloque.

5. Elemento de control. Es un bloque conectado en serie con la carga, y su función es la de compensar las variaciones de la tensión de entrada o de la corriente de carga, variando su propia caída de tensión mediante la interpretación adecuada de la señal de error que se le introduce en la entrada.

6. FA simple. Su misión es la de suministrar la tensión de entrada del regulador.

Figura 13.1

Tipos de fallos:

La avería que quizás sea la más normal en un regulador discreto es el fallo de un transistor de paso en serie, esto es, el transistor que pasa toda la corriente del regulador a los circuitos externos.

Cuando el transistor de paso entra en cortocircuito, la tensión de salida aumenta enormemente, casi al nivel de la tensión de entrada procedente de la fuente de alimentación. Cuando el transistor de paso se abre, apenas hay tensión en la salida del regulador.

Entre otros fallos comunes tenemos los de los amplificadores intermedios que alimentan la señal de error a la base del transistor de paso. También habría que comprobar la tensión de referencia, dado que es muy probable que los diodos de referencia (zener) provoquen problemas en el regulador.

REGULADORES INTEGRADOS DE TRES TERMINALES.

La integración de componentes ha permitido disponer en el mercado de unos elementos que incorporan en un único encapsulado todos los componentes necesarios para conseguir una buena FA estabilizada con pocos elementos externos.

En la figura 13.2 vemos el diagrama interno de bloques, siendo la función de cada bloque:

Circuito de arranque: Es un circuito de protección que inhibe la salida del regulador cuando la tensión vi no supera en cierta cantidad (típicamente 2V) a la tensión normal de salida.

Generador de corriente: Proporciona una corriente constante al elemento de referencia, independientemente de la entrada y la salida.

Elemento de referencia: Mantiene una tensión constante entre sus extremos y la envía al amplificador de error.

Amplificador de error: Compara la tensión del elemento de referencia con una porción de la tensión de salida, obtenida del divisor de tensión formado por R1-R2. El resultado es amplificado y enviado al elemento de control.

Elemento de control: Recibe la señal proveniente del amplificador de error y varía su caída de tensión interna en función de dicha señal. Es el elemento que soporta la diferencia de tensión entre vi y vo nominal.

Figura 13.2

Tipos de fallos.

Un circuito regulador falla cuando hay una falta de tensión de salida con una carga normal y una tensión de entrada adecuada. Normalmente, lo más sencillo es cambiar el regulador. Si esto no es conveniente o si no es posible cambiarlo con rapidez, desconectar la carga y volver a medir la tensión de salida del CI. Si dicha tensión de salida es normal bajo estas condiciones, conectar una carga resistiva que saque entre el 75 y el 100 por cien de la corriente normal. Una tensión de salida correcta en la resistencia de carga indica que hay una sobrecarga en la carga que normalmente va conectada al CI. No hay ningún fallo en el regulador.

Es posible que algunos CIs reguladores suministren una buena salida de tensión sólo hasta que se le aplica una carga, que es cuando la tensión de salida cae por debajo de lo normal. Esto viene provocado por el mal funcionamiento de la circuitería interna que tiene una sobrecarga de corriente, haciendo que todo el regulador no funcione.

Reguladores conmutados.

El elemento esencial, en el que se basa el funcionamiento de toda fuente de alimentación conmutada, es un convertidor de corriente continua a corriente continua (CC-CC), cuya misión es tomar intervalos (conducción – bloqueo) de la señal continua presente en su entrada y, una vez eliminado su carácter pulsatorio, entregar a la salida otra señal continua ya regulada. Estos convertidores están formados por componentes discretos y generalmente se subdividen en dos bloques bien diferenciados:

Bloque de conmutación. Filtro paso-bajo.

El bloque de conmutación está formado básicamente por un transistor (o cualquier elemento capaz de trabajar en régimen de conmutación), y su misión es adaptar la señal de entrada al filtro en función de la señal presente en su elemento de mando.

La misión que cumple el filtro paso-bajo es devolver el carácter continuo a la señal pulsatoria presente en su entrada. Internamente está formado por una bobina (L), un condensador (C) y un diodo (D) de recirculación de características especiales.

La frecuencia de trabajo de los convertidores de conmutación suele ser elevada, ya que del valor de esta frecuencia dependen las características del mismo.

Según lo expuesto, el diagrama de bloques del convertidor, integrado en una FA conmutada, puede ser el que se muestra en la figura 13.3

CONVERTIDOR CC-CC

A B

C

Figura 13.3

Básicamente existen tres tipos de convertidores.

Convertidor directo. Convertidor inversor o de retroceso. Convertidor inverso.

Rectificador Filtro Controlconmutador

FiltroPaso-bajo

ReferenciaAestable........................Comparador Muestra

Carga

Figura 13.3 B

Figura 13.3 C

CONVERTIDOR DIRECTO (STEP-DOWN O FORWARD CONVERTER)VERSIÓN REDUCTORA

Figura 13.3 A

Figura 13.4 A

Figura 13.4 B

Figura 13.4 C

CONVERTIDOR INVERSO (SET-UP CONVERTER)VERSIÓN ELEVADORA

Figura 13.5 A

Figura 13.5 B

Figura 13.5 C

CONVERTIDOR DE RETROCESO (FLY-BACK O INVERTING CONVERTER)VERSIÓN INVERSORA

+

-

Técnicas de extracción de la muestra de regulación.

Fallos en el regulador de conmutación reductor.

El funcionamiento normal del diodo de descarga protege al transistor de picos de tensión potencialmente perjudiciales durante el ciclo de descarga del inductor. Si este diodo se abre, provocará también un fallo en el transistor de conmutación.

Si el condensador de filtro de la salida entra en corto, sobrecargará la fuente de alimentación. Puesto que el regulador intentará compensar la exigencia de mayor corriente, grandes cantidades de ésta serán impulsadas al condensador en cortocircuito. Si el transistor de conmutación entrara en cortocircuito, toda la entrada de CC de la tensión de alimentación será dirigida a la carga. Esto, probablemente, dañará la carga debido a la sobretensión.

Fallos en el regulador de conmutación elevador

El transistor empleado en un regulador elevador debe ser conmutado a la posición <<off>> antes de que el inductor se sature. Si se deja que el inductor se sature, la alta corriente resultante puede abrir el transistor. Los fallos en el transistor deberían ser, por tanto, razón suficiente para comprobar la circuitería de control de base del transistor. Si se abre el diodo serie que va a la carga, el transistor estará sujeto a una tensión mucho mayor de la normal en el colector, y probablemente se producirá un fallo en el transistor.

Fallos en el regulador de conmutación inversor de la polaridad.

Un fallo en el transistor o en el diodo empleado en este circuito podría provocar una sobrecarga de la fuente de entrada si uno de los dos o ambos entraran en cortocircuito. Si uno de los dos se abriera, simplemente dejarían de funcionar sin dañar la carga ni la fuente de alimentación.

Un diseño posible de un regulador conmutado.

Figura 13.6 Regulador conmutado.

Esquema eléctrico de una FA conmutada

Detalle de elementos en FA conmutadas