regula dor para fuente depo
TRANSCRIPT
CIRCUITOS REGULADORES PARA FUENTES DE PODER
Por: Ramón Miranda, YY5RM ( [email protected] )
Saludos Colegas. En la actualidad, muchos de nuestros equipos electrónicos usan Fuentes de Poder
Conmutadas, que entre tantas ventajas son de bajo peso y económicas. Contrario a esto, aún nos
conseguimos con equipos que usan Fuentes de Poder tradicionales, a transformador ( PS o Power
Suplay, en Ingles ). La intención del presente artículo, es que el lector adquiera los conocimientos
básicos para reparar, modificar, o recuperar, cualquier equipo electrónico, con daños en el Circuito
Regulador de la Fuente de Poder, o simplemente contribuir al conocimiento.
La figura anterior muestra un circuito de Fuente de Poder ( No Regulada ) con solo tres
componentes básicos: Transformador ( Puede ser de 390 V.A., 220 ó 120 Voltios AC en el
devanado primario y 16.2 Voltios AC en el secundario ), Puente Rectificador ( Se puede ensamblar
con cuatro Diodos Rectificadores, pero en este caso sugiero el ECG5340 que físicamente es un solo
componente electrónico y soporta corriente hasta 40 Amperios ) y Capacitor de 10.000uF ó más /
30 Volts D.C.
El Transformador: Básicamente está compuesto por un núcleo de hierro laminado en el que se
bobinan dos devanados ( Bobina primaria y bobina secundaria ), como su nombre lo indica,
transforma la amplitud del Voltaje AC ( Corriente Alterna ) de entrada, desde 120 ó 220 Voltios,
hasta 16,2 Voltios ( Preferiblemente entre 16 a 18 Voltios AC ). Valores que se pueden medir con
cualquier Voltímetro para A.C. convencional ( Sugiero complementar información, con el artículo “
Transformadores para Fuentes de Poder “ ).
Los Voltímetros para AC, solo miden Valores Eficaces ( RMS ) que equivalen al 70.9 % del valor pico
( Ejemplo: 16.2 Vrms = 22.84 Vp ) de la Corriente Alterna. En palabras sencillas, los valores RMS son
los equivalentes que tendría la A.C. sobre una carga, el mismo efecto, como si se aplicara Corriente
Continua pura ( Ejemplo: 16.2 Vrms en A.C. tiene el mismo efecto que 16.2 VDC pura ). El Valor
pico ( Vp ) se calcula multiplicando el Valor RMS, por raíz cuadrada de 2 ( 1,41 ), es decir que para
120 Vrms el Vp es 169,2 Voltios y para 16,2 Vrms será 22.84 Vp. La gráfica siguiente muestra
amplitudes típicamente usadas en Transformadores: Voltaje de primario en color azul y el Voltaje
en el secundario de color rojo:
Puente Rectificador: Debido a que el presente artículo está dedicado solo a la etapa
Reguladora de Voltaje en Fuentes de poder, omitiré las explicaciones de la Rectificación Onda
Completa y el Filtrado. La figura siguiente ( Derecha ) muestra la señal de Corriente Continua
Pulsante, obtenida en la salida del Puente Rectificador ( Sin conectar el Capacitor de filtrado ),
usando los mismos cuatro ciclos AC y Voltaje secundario de la gráfica anterior:
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
VO
LTA
JE
TIEMPO
4 CICLOS DE LA CORRIENTE ALTERNA, EN EL TRANSFORMADOR
0
10
20
30
VO
LTA
JE
TIEMPO
4 CICLOS AC, RECTIFICADOS EN MEDIA ONDA
0
10
20
30
VO
LTA
JE
TIEMPO
4 CICLOS AC, RECTIFICADOS EN ONDA COMPLETA
En palabras sencillas, la rectificación consiste en convertir
la AC ( Los bornes cambian de polaridad eléctrica 60 o 50
veces por segundo ) en DC pulsante ( Los bornes no
cambian de polaridad eléctrica, es decir el borne positivo
siempre será de polaridad positiva y el borne negativo
siempre será de polaridad negativa ). En la fotografía de
la derecha se muestran ejemplos de Puentes
Rectificadores ( A la izquierda el ECG5340 ):
Conectando el Capacitor: Al medir con Voltímetro los
diferentes niveles de tensión ( Voltajes ), se puede dar cuenta
que el Voltaje de salida aumenta un 29 % ( De
aproximadamente 16.2 Voltios a 22.84 Voltios DC ), al conectar
el condensador ( Capacitor ). Esto se debe a que dichos
Capacitores se cargan al Voltaje pico de la Corriente Continua
Pulsante, que es aproximadamente igual al Voltaje pico A.C. en
el secundario del Transformador.
A éste mismo circuito de Fuente de Poder no regulada ( Figura YY5RM al inicio del artículo ), si le
conectamos una resistencia de carga o cualquier consumo de corriente ( Bombillo, Motor,
solenoide, etc. ), se podrá dar cuenta que baja el Voltaje en el(los) Capacitor(es), en la misma
proporción en que se aumenta el consumos de corriente. Esto se debe al aumento de la
deformación que ofrece el rizado en la C.C., y los Voltímetros convencionales solo miden valores
promedios en D.C., por lo tanto solo se aprecia que baja el Voltaje y no lo que en realidad esta
sucediendo.
En el mercado, existen Multímetros digitales, especiales, que si miden valores RMS, picos y
promedios. También con la ayuda de un Osciloscopio se pueden ver en la pantalla, el rizado, las
formas de ondas y sus valores.
Regulación: Consiste en suministrar a la carga ( Equipos conectados a la Fuente de Poder ), una
D.C. lo más pura posible, con mínimo de deformaciones ( Sin rizado ) y nivel de Voltaje que no varíe
( Estable ), a cualquier requerimiento de corriente. En este tema, solo explicaré el implemento de
Diodos Zener, Transistores Convencionales y Circuitos Integrados Reguladores de Voltaje, para la
Regulación y los Transistores de Potencia como Amplificadores de Corriente.
Los Diodos de silicio convencionales ( Rectificadores ) atenúan aproximadamente 0.7 Voltios
cuando conducen corriente ( En sentido directo de la corriente eléctrica ), mientras que en
contrasentido ( Conectado al revés ), bloquean el paso de la misma, atenuando todo el Voltaje
aplicado en el circuito. Los Diodos Zener igualmente atenúan aproximadamente 0.7 Voltios en
sentido directo, pero en sentido inverso ( Contrasentido ), conducen corriente ( Corriente de Zener
) cuando el nivel del Voltaje aplicado, supera el valor establecido por los fabricantes de
componentes electrónicos ( Voltaje de Zener ). Este Voltaje atenuado por el Zener, siempre será el
mismo, constante y estable ( La estabilidad puede variar un poco, con cambios de temperatura o al
someterlos a altas corrientes ). Por lo general, en circuitos de Fuentes de Poder, los Zener no
requieren ser de mucha potencia ( Expresado en Watt, en manuales de reemplazo ) y se conectan
en serie con una resistencia que le limite la corriente, en aproximadamente 10 miliamperios (
Suficiente para atenuar el Voltaje de Zener ).
Si desea comprar, o adquirir Diodos Zener para realizar experimentos, le sugiero:
Para 5.1 Voltio : ECG 5010A ( ½ Watt ), ECG 50135A ( 1 Watt ).
Para 10 Voltios : ECG 5019A ( ½ Watt ), ECG 50140A ( 1 Watt ).
Para 15 Voltios : ECG 5024A ( ½ Watt ), ECG 50145A ( 1 Watt ).
Al conectar cualquiera de estos Diodos Zener, en serie a una resistencia de un Kilo-ohmio ( Bandas
de colores : marrón, negro, rojo, la cuarta banda puede ser color dorada o plata ) y se le aplican
Voltajes que varíen, entre 18 a 30 Voltios DC, se notará que en el Zener se atenúa un Voltaje que se
mantiene fijo, mientras que en la resistencia se atenúa el resto del Voltaje aplicado.
El circuito de la figura anterior ( Dibujado ) muestra un ejemplo de alimentación, con entrada y
salida para 12 Voltios DC. La salida de + 5 Voltios DC se realiza con regulación por Diopdo Zener y
solo puede trabajar a pequeños requerimientos de corrientes.
Los Transistores convencionales, son componentes semiconductores muy complejos ( Si deseas
más información, por internet, o bibliografías, puedes obtenerla ), de tres electrodos ( Base,
Colector y Emisor ), de tipo P-N-P o N-P-N, construidos en Silicio o Germanio y que dependiendo
del circuito como se conecte, pueden funcionar como
interruptor, regulador, amplificador, adaptador de impedancias,
oscilador, relevador, etc. La fotografía de la derecha muestra
varios ejemplos de Transistores convencionales de bajas
potencias. En lo sucesivo usaré Transistores de silicio, como
Amplificador de Corriente, a continuación trataré de explicar
en forma sencilla y lo más resumido posible, los conocimientos
básicos y los parámetros aplicados en Fuentes de Poder:
*La amplificación depende de un parámetro llamado Ganancia ( Beta, o hfe en algunos manuales
de reemplazo ) y en este caso será la relación entre la Corriente de Base y Corriente de Colector.
Ejemplo: Si la ganancia es 100, cuando circula una corriente de 10 Amperios en el Colector, en la
Base circula 0,1 Amperio.
*La Corriente de Emisor es la sumatoria de la Corriente de Base y la Corriente de Colector, es decir,
para el ejemplo anterior, la corriente de Emisor es: 10 amperios más 0,1 Amperio = 1,1 Amperio.
*Si el Transistor es de silicio, entre Base y Emisor, siempre se atenúan 0,7 Voltios ( Voltaje Base-
Emisor ). Esto quiere decir que el Voltaje en el Emisor, es el mismo que se aplica en la Base, menos
0,7 Voltios. Ejemplo: Si en la Base aplicamos 14 Voltios, entonces en el Emisor habrá 13,3 Voltios.
*La carga ( Consumo, en la salida del Regulador ), se conecta en serie, al Colector y Emisor del (los)
Transistor(es) Regulador(es), si el Voltaje en esta carga es fijo, entonces el excedente del Voltaje
aplicado, se atenuará entre Colector y Emisor ( Voltaje Colector-Emisor ) del (los) Transistor(es).
Ejemplo: En un Circuito Regulador, con entrada 25 VDC., y salida 13.7 VDC., entre Colector y Emisor
se atenúa 11.3 Voltios, pero si bajamos el nivel de entrada a 22 Voltios, entonces el Voltaje
Colector-Emisor bajará a 8.3 Voltios, es decir que entre Colector-Emisor se atenúa el excedente del
Voltaje y sus deformaciones ( Rizado, variaciones y algunos ruidos ).
Conociendo estos parámetros, podemos analizar el siguiente Circuito Regulador, tomando en
cuenta que se alimenta desde una Fuente de Poder no Regulada ( En este caso 25 Voltios DC, puede
funcionar perfectamente, desde 20 %, hasta 100 % del Voltaje de Zener ):
*En el circuito serie, conformado por la
resistencia R1 y el Diodo Zener ( DZ1 ), se hace
circular una pequeña corriente ( Puede ser 10
miliamperios ) suficiente para atenuar el Voltaje
de Zener ( 15 VDC ), el resto del Voltaje aplicado
( 25 VDC, desde el Capacitor de Filtrado C1 ), se
atenuará en la resistencia R1 ( Restamos 25 VDC,
menos 15 VDC = 10 Voltios ). Procedemos a
realizar el cálculo de R1, aplicando la Ley de
Ohm, donde R = V / I ( V = Voltaje en la resistencia R1, I = Corriente en la resistencia R1, que es la
misma que circula por el Diodo Zener DZ1 ). Entonces R1 = 10 Voltios, dividido entre 10
miliamperios, el resultado será en Kilohmios y es 1 kohm.
*Este Voltaje de Zener, será fijo ( 15 VDC ) y se aplicará a la Base del Transistor Q1. En el Colector
de éste, se aplican los mismos 25 VDC suministrados desde el Capacitor de Filtrado de la Fuente de
Poder. El Voltaje en el Emisor será el mismo de la Base, menos 0.7 Voltios, ( Que es el atenuado
entre Base – Emisor ). Por lo tanto en la resistencia R2 habrán 14.3 Voltios. Este proceso se realiza
para amplificar la Corriente ( En circuitos de baja y mediana potencia ) del circuito Zener.
*El Capacitor C2, se carga al Voltaje de Zener, suaviza el arranque de la Fuente de Poder y elimina
ruidos producto del rizado, o cualquier otra situación.
*El valor de la resistencia R2, no es crítico, solo es una pequeña carga y se usa para generar una
corriente suficiente para polarizar el Transistor ( Puede ser igual, o aproximado a 1 Kilohmio, de
manera que la Corriente de Emisor sea aproximadamente 10 miliamperios, cuando no se conecte
carga al circuito regulador ).
*Para que este mismo circuito Regulador, sea de Voltaje Variable, conectamos un potenciómetro (
Puede ser lineal, de 1 kilohmio ), en paralelo al Diodo Zener, de manera que se alimente un rango
de Voltaje ( De 0 a 15 Voltios en este caso ), en la Base del Transistor Q1. El detalle se puede
observar en la figura siguiente ( Izquierda ). Toda la explicación antes descrita, pertenece a
Circuitos Reguladores Positivos ( La regulación se realiza en el polo positivo y la masa, o polo
común, es el negativo de la Fuente de Poder ), en la otra figura ( Derecha ), se muestra el circuito
equivalente para la Regulación Negativa ( Se regula el polo negativo y el polo común, es el positivo
de la Fuente de Poder ), en este caso el Transistor Q1 es tipo P-N-P.
Los Circuitos Integrados Reguladores de Voltaje, son componentes
electrónicos, en los cuales se encapsula un circuito completo de regulación,
el Voltaje de salida viene establecido por el fabricante de componentes
electrónicos y soportan trabajar a potencias moderadas ( Por lo general
suministran máximo 1 Amperio ). Los hay de varios tipos, por ejemplo: Reguladores de Voltaje;
Variables, Fijos, Positivos, Negativos, etc. Generalmente tienen tres electrodos ( Terminales )
llamados : entrada ( Imput ), salida ( Output ) y común o referencia ( Comun ). Hay que estar
pendiente de los terminales en los Reguladores de Voltajes Negativos, “ aunque sea igual el
encapsulado, generalmente no es igual la distribución en dichos terminales “.
Las series más usadas y fáciles de identificar en cualquier circuitería, son las 78xx y 79xx. Ejemplo:
LM7805 ( 5 VDC ), LM7906 (- 6 VDC ), LM7812 ( 12 VDC ), LM7915 (- 15 VDC ), etc. Las primeras dos
letras de esta nomenclatura, indican el código del fabricante ( Ejemplo: MC = Motorola, muy usado
en equipos de radio ), seguido del número que indican las series 78 ( Regulador Positivo ) y serie 79
( Regulador Negativo ), seguidamente se indica el Voltaje de
salida de los mismos ( Ejemplos: MC7824 = Regulador de 24
Voltios DC, fabricado por Motorola, ó MC7905 = Regulador de
-5 Voltios DC, fabricado por Motorola ). En los manuales de
reemplazo Silvania ( ECG ) y Texas Instruments ( NTE ) se
pueden ubicar con la numeración 9XX, ejemplos: ECG960 ó
NTE960 ( +5VDC ), ECG961 ó NTE961 ( -5VDC ), ECG966 ó
NTE966 ( +12 VDC ), ECG967 ó NTE967 ( -12 VDC ), etc.
Otra serie de mejores características de estabilización, temperatura extrema, protección contra
cortocircuitos, limitador de corriente, etc., es la 340. Ejemplos : LM340T5 ( 5 Voltios ), LM340T15 (
15 Voltios ), LM340T9 ( 9 Voltios ).
El Voltaje máximo de entrada ( Imput ) es 48 voltios DC, el voltaje de salida ( Output ), es el
establecido por el fabricante, siempre y cuando el electrodo común esté conectado a masa ( Cero
Voltios, o polo común del circuito ). Si se coloca un nivel de Voltaje en el electrodo común, este se
sumará al voltaje de salida en el electrodo Output ( Ejemplo : Si conectamos un Diodo Zener de 10
Voltios, en el electrodo común de un Regulador de 7805, el Voltaje de salida será 15 Voltios. Otro
ejemplo : Si conectamos en serie dos diodos rectificadores de silicio, en el electrodo común de un
regulador 7812, el Voltaje de salida será 13.4 voltios, debido a que cada diodo atenúa 0.7 Voltios.
La Potencia máxima, suministrada por cualquiera de los Reguladores antes descritos, se puede
considerar baja, en nuestro caso, se requieren entre moderadas y altas Potencias, con corrientes en
el orden de los 10 Amperios o más. Para solventar esto, se usan los Transistores de Potencia, que
son los encargados de amplificar la Corriente que puede soportar el circuito regulador de las
Fuentes de Poder, PS.
Transistor de Potencia:
Los Transistores de Potencias manejan los mismos parámetros y
cálculos que los Convencionales, con la diferencia que su
construcción es robusta, para que puedan soportar las altas
corrientes y temperaturas extremas ( Permiten montaje en
Disipadores de Calor ), estos Transistores se conectan en serie a la
carga y dependiendo de ésta, se colocan en paralelo, dos o más
Transistores de Potencia.
La cantidad de calor producida en el proceso de regulación, depende de la cantidad de Corriente de
Colector ( O de Emisor, en nuestro caso ) además del Voltaje que se debe atenuar entre Colector –
Emisor, “por esta razón al diseñar Fuentes de Poder, recomiendo no usar Transformador con
Voltaje de secundario, mayores al requerido”.
Existen arreglos de transistores, encapsulados en un mismo componente, reciben el nombre de
Transistores Darlington, tienen mayor ganancia y los recomiendo para estas Fuentes de Poder.
Basta con colocar cualquier Circuito Regulador, en la Base del(los) Transistor(es) de Potencia, en las
gráficas siguientes, puedes observar los detalles ( En el caso del Circuito Integrado Regulador, se
agregó un potenciómetro para obtener Voltajes Variables ). Sugiero usar pequeño Breaker o Fusible
en la entrada del Circuito Regulador, debido a que en este artículo no explico el sistema de
protección contra cortocircuitos.
Los tipos de Transistores a usar en estos Circuitos, no son críticos. Se puede ensayar con cualquier
Transistor N-P-N, de Silicio, robusto, para alta Corriente de Colector, altas potencias y con buen
disipador ( Ejemplos: 2N3055, MJ11032, TIP142, ECG181, etc. ) y que tengas disponible.
Igualmente para el de baja potencia, se puede usar cualquiera N-P-N que tengas disponible.
En ambos casos, no se deberían usar transistores para Radiofrecuencia, ni para altos Voltajes (
Ejemplo: Los de salida horizontal en TV, Amplificadores Final de RF ).
Para el segundo caso, se pueden colocar dos, ó más Transistores de Potencia, en paralelo, para
aumentar la capacidad de suministro de Corriente.
Se puede colocar una resistencia de 150 a 220 ohmios y de 2 vatios, en paralelo a la salida ( No
necesaria ), esto con el fin de mantener una pequeña corriente que mantenga polarizados sus
componentes.
Notas:
El presente es la corrección del artículo original, próximamente se completará con aportes, mayor
información sobre Fuentes de Poder, circuiterías y componentes auxiliares.
Éste y otros artículos que he escrito, se pueden descargar en www.qrz.com , colocando mis siglas
de radioaficionado ( YY5RM ) en el buscador, o directamente con el enlace:
http://www.qrz.com/db/YY5RM .
Ramón Miranda.
( Actualizado el 23 – 12 – 2012 )