Fuentes de alimentación

Lineales

TRANSFORMADOR RECTIFICADOR FILTRO

CONVERSIÓN DE ALTERNA A CONTINUA

Fuente de alimentación de 12V/1A para router.Recientemente se está reemplazando por conmutadas.

Convertidor de corriente alterna en continua:

• Una fuente de alimentación simple consiste en transformador, un rectificador y un filtro, conectado a la red de distribución eléctrica domiciliaria.

• El siguiente esquema ilustra el circuito típico:

• ¡Explicar las ventajas y desventajas entre ambos!

Fuente de tensión básica

i

i

Funcionamiento del rectificador

Tensiones en el rectificador y la carga

Tensión sobre el secundario del transformador

Tensión sobre la

carga

Caída de tensión en los diodos

Intervalo de no conducción de los diodos

El filtrado se logra con el agregado de un capacitor

Con éste circuito se obtiene una tensión media de 7,5V en la carga a partir de una tensión nominal de línea de 220V 50Hz, con una tensión en el bobinado secundario del transformador de 10V pico

t

VC1

Tensiones y corrientes en el rectificador, filtro y carga

7,5A

22A

7V8V

0,75V

-8,5V

Tensión media sobre la carga = 7,5V

Corr

ient

e en

D1

Tens

ión

de sa

lida

Tens

ión

en tr

ansf

orm

ador

Tens

ión

en D

1

Corriente media en la carga = 1,5A

Tensión de salida con 240V de entrada y carga al 1%

9,8V

Tensión de salida con 220V de entrada y carga al 50%

7,9V

Tensión de salida con 200V de entrada y carga al 100%

6,3V

Factor de Rizado:

Factor de rizado (o “ripple”):cd

car V

VF =

El cálculo del factor de ripple se realiza en forma aproximadaasumiendo:• Resistencia interna del transformador muy baja• Tiempo de carga del capacitor despreciable• Resistencia de carga constante• El capacitor se descarga linealmente sobre la resistencia de

carga durante un semiperiodo del ciclo de la tensión de entrada

• La forma de onda del ripple se puede aproximar a una triangular

Luego de comprender el funcionamiento del circuito, definimos:

rppV

0

cdV

t

SALIDAV

2/T

∫=2/

0

1 T

C idtC

vrppV

2/T fRCVT

RV

CVrpp 22

1∧∧

==

aplicando para la descarga de C

se obtiene

La tensión de salida media es

−=−=−=

∧∧

∧∧

fRCV

fRCVV

VVV rpp

cd 411

42

La tensión eficaz de ripple esfRC

VVV rpp

ca 3432

∧

==

El factor de ripple resulta( )143

1−

==fRCV

VFcd

car

Lo que permite estimar el valor de C como

+= 1

31

41

rFfRC

Ejemplo

Tensión de salida del transformador = 18 VTensión media sobre la carga = 22 VTensión eficaz de ripple = 0,7 VC = 100 µF R = 800 Ω

Resultando un factor de ripplemedido de:

Con los datos se utiliza la fórmula aproximada resultando: ( )

038,0143

1=

−=

fRCFr

032,022

7,0===

VV

VVF

cd

car

Se midió en una fuente real los siguientes valores:

REGULADOR

INDICADOR DE NIVEL DE TENSION DE SALIDA

INDICADOR DE ENCENDIDO

ESTABILIZACIÓN DE LA TENSIÓN

El regulador serie es un sistema con realimentación serie paralelo.

af

La tensión sobre la carga se “regula” por comparación con VREF

rO

𝑅𝑅𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 ≅𝑟𝑟𝑂𝑂 ⋰⋰ (𝑅𝑅10+𝑅𝑅11) ⋰⋰ 𝑅𝑅𝐶𝐶

1 + 𝑎𝑎𝑎𝑎

𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 ≅𝑅𝑅10 + 𝑅𝑅11

𝑅𝑅10𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 + 𝑉𝑉𝐵𝐵𝑅𝑅𝐵

⟺ 𝑎𝑎

⟺ 𝑎𝑎

𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 = 𝐴𝐴 𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 + 𝑉𝑉𝐵𝐵𝑅𝑅𝐵𝐴𝐴 =𝑎𝑎

1 + 𝑎𝑎𝑎𝑎La transferencia del sistema es y la tensión de salida

Si para este sistema, resulta𝑎𝑎𝑎𝑎 ≫ 1

La resistencia de salida es:

VCC

𝑣𝑣

𝑡𝑡

AMPLIFICADOR

REALIMENTADOR

“a” varía con VCC ,la temperatura y ladispersión de losparámetros de lostransistores

IO

IO

VBE2 varía a razón de -2mV/°C

af

a

f

Para evaluar el grado de estabilización de la tensión de salida debemos evaluar la Ganancia de Lazo “af”

𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅

𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 =𝑎𝑎

1 + 𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅

Se puede calcular o medir con el siguiente esquema:

a

f

vPRUEBA

PRUEBA

SAL

vVfa =−

𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆

Redibujamos el circuito para realizar un análisis por realimentaciónencontrando la transferencia del circuito y calculando

SALV

𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 = 𝐴𝐴 𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 + 𝑉𝑉𝐵𝐵𝑅𝑅𝐵𝐴𝐴

Realimentador

SALV

SALF VfV =R11R10

R10f+

=

+

• Se emplean los modelos de pequeña señal• Se reemplaza el realimentador por un cuadripolo equivalente

Realimentador

SALV

Idealizando el realimentador

f

+

Calculando la ganancia de lazo

Abrimos el lazo para insertar un generador de prueba v

a

+

𝑣𝑣𝑓𝑓 = 𝑎𝑎𝑣𝑣 𝑎𝑎 = −𝑣𝑣𝑜𝑜𝑣𝑣𝑓𝑓

𝑣𝑣𝑓𝑓

𝑣𝑣𝑜𝑜𝑣𝑣

f

vvO

−=fa

𝑎𝑎 ≅ 100

𝑎𝑎𝑎𝑎 ≅ 100 . 0,383 ≅ 38

𝐴𝐴 =𝑎𝑎

1 + 𝑎𝑎𝑎𝑎 ≅10039 = 2,564 ≅ 2,6

𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 ≅ 2,6 1,25𝑉𝑉 + 0,65𝑉𝑉 ≅ 5𝑉𝑉

𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 = 𝐴𝐴 𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 + 𝑉𝑉𝐵𝐵𝑅𝑅𝐵

𝑎𝑎 = 0,383

𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅

𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆

𝑎𝑎 BC548 IC vs Vbe

VBE𝐵 = 0,65V

I CQ𝐵

=1m

A

Regulación de línea

Notar como la estabilización de la tensión de salida resulta algo dependiente de la tensión de la fuente de entrada, debido a esto, el rechazo del rizado de la fuente de entrada será bajo.

RC = 100ΩRC = 100Ω

VCC

Regulación de línea

RC = 100Ω

Midiendo las coordenadas de dos puntos de lacurva es posible calcular la regulación de línea

V1 = 4,922V

VCC1

REGULACIÓN DE LÍNEA =V1 − V𝐵

VCC1 − VCC𝐵=

4,922V − 5,089V10V − 20V

≅ 17 ⁄mV V

V2 = 5,089V

VCC2

VCC

Regulación de carga

El regulador logrará mantener la tensión de salida en función de la variación de la resistencia de carga

Vcc = 12V

Ω

Regulación de carga

Midiendo las coordenadas de dospuntos de la curva es posiblecalcular la resistencia de salida

Vcc = 12VV2 = 5,029V V1 = 5,017V

R1R2

RT =1 − V1

V𝐵R𝐵

V1V𝐵

R𝐵R1

− 1=

1 − 5,0175,029 200

5,0175,029

200100 − 1

≅ 0,5Ω

RT

VTTENSIÓN DE THÉVENIN

RESISTENCIA DE THÉVENIN

RCARGA

Ω

Regulación de cargaEl regulador logrará mantener la tensión de salida con una variación acotada en función de la variación de la corriente en la carga

SALV

SALI

SALΔI

SALΔV

t

t

SALT

SAL

VRI

∆≅∆

EQUIVALENTE THÉVENINVSAL

RT

0

0

VTTENSIÓN DE THÉVENIN

RESISTENCIA DE THÉVENIN

Modificando el circuito de entrada y de salida se obtiene mejor rechazo de modo común del amplificador y mayor ganancia de lazo del sistema

𝑉𝑉𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 =𝑅𝑅10 + 𝑅𝑅11

𝑅𝑅10𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅

EJEMPLO NUMÉRICO

Regulación de carga

Regulación de línea

Tensión de referencia variable

REFSAL VRR

RR

RRV

+

+=

21

2

10

1011

Limitación de corriente

VSAL

ISAL

13

4POL

BEMAX I

RVI +=

VSAL

ISAL

IMAX

VSAL+ RSICIC

LIM

ONBE4MAX R

VI =

VSAL

IPOL

VSAL MAX

IMAX

(En esta condición T2 queda al corte)

C

B

E

EJEMPLO NUMÉRICO

Notar que para valores bajos de carga el circuito opera como estabilizador de tensión pero para valores altos de carga actúa como estabilizador de corriente.¿Cuál será el valor de la resistencia de carga que define el cambio de comportamiento?

Limitador de corriente por foldback

VSAL

ISALIMAXICC

VSAL+ RSISALICVSAL

+=

2

1

S

ONBE4CC R

R1R

VI

(En esta condición T2 queda al corte)

IPOL

C

B

E

VSAL MAX

ISAL

S

MAXSAL

2

1CCMAX R

VRRII +=y

R1RSBE VVV −= (notar que VR1 varía con VSAL)

Resolviendo la malla de polarización de T4 se tiene:

( )21

1SALSSALSALSBE RR

RIRVIRV+

+−=

Desarrollando:( )

2S

SAL1BE21SAL RR

VRVRRI ++=

En caso de cortocircuito VSAL = 0 ; ISAL = ICC y VBE = VBE ON :

+=

2

1

S

ONBECC R

R1R

VI (al liberar el cortocircuito se normaliza)

A partir de:

ONBEBE VV ≤

ONBEBE VV ≤

Cuando se llega a VBE = VBE ON con VSAL = VSAL MAX resulta ISAL = IMAX :

ONBEBE VV ≤

( )2S

MAXSAL1ONBE21MAX RR

VRVRRI

++=

NOTA: VBE ON = 0,7V típico o tomar de gráfica IC VBE para IC=IPOL

EJEMPLO NUMÉRICO

Limitación de corriente por “FoldBack”

Regulador integrado 7805

Diagrama en bloques

Esquema eléctrico

MedicionesSALΔV

t

VOUT

Temas para investigar:

• Reguladores “Low Dropout”• Reguladores paralelos

Libros de lectura recomendada:

• Todos los capítulos sobre amplificadores operacionales indicados en las clases anteriores

• Ver los siguientes capítulos del libro “Análisis y diseño de Circuitos Integrados, autores Gray-Meyer-Hurst-Lewis:

3. Amplificadores con un solo transistor y con múltiples transistores4. Espejos de corriente, cargas activas y referencias8. Realimentación

• Capítulo 8 “Retroalimentación” del libro Circuitos Microelectrónicos, autores Sedra y Smith

• Capítulo 10 “Amplificadores Retroalimentados” del libro Circuitos Microelectrónicos -Análisis y Diseño, autor Rashid