La fuente de alimentación de laboratorio.

La fuente de alimentación
de laboratorio
Desarrollo de productos electrónicos
La fuente de alimentación de laboratorio
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Paco López
Mantenimiento de
equipos electrónicos
Introducción.
Paco López
Las fuentes de alimentación de laboratorio son aparatos imprescindibles en cualquier
taller de mantenimiento, preventivo o correctivo, de equipos electrónicos. Su función es
la de alimentar placas de prototipos electrónicos y aparatos electrónicos y eléctricos a
baja tensión continua, con valores que suelen estar comprendidos entre 0V y unos
30V. Estas fuentes de alimentación(FA a partir de ahora) permiten suministrar valores
de corriente máxima comprendidos, típicamente, entre 1A y 5A. El aspecto que
presentan las FA de laboratorio comerciales es similar a los siguientes:
En la actualidad podemos encontrar dos tipos de FA de laboratorio en lo que respecta
a su funcionamiento interno: las FA lineales y las FA conmutadas. Éstas últimas van
ganando cada vez más terreno a las primeras, que hasta hace poco eran las únicas
existentes.
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Principales características técnicas (I).
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Resistencia interna: la FA, como generador de tensión que es, presenta una cierta
resistencia interna, resistencia que queda conectada en serie con la carga. Esta
resistencia interna tiene como efecto que la tensión de salida de la FA dependa de la
intensidad de corriente eléctrica que está suministrando. Cuanto menor sea el valor
de este parámetro mejor será la FA.
Impedancia de salida: este parámetro incluye al anterior y lo amplía. Para
variaciones lentas de la corriente de salida (o para ninguna variación en absoluto) la
impedancia de salida coincidirá con la resistencia interna de la fuente. Sin embargo,
si el circuito alimentado por la FA tiene variaciones de consumo rápidas la
impedancia de salida gana importancia respecto a la resistencia interna, pasando a
predominar. Una impedancia de salida elevada implicará que la FA no será capaz de
suministrar al circuito las corrientes requeridas con la rapidez suficiente. Cuanto
menor sea este parámetro para una FA determinada mejor será esa fuente.
Rango de tensiones de salida: es el intervalo de tensiones que la FA es capaz de
suministrar a su salida.
Corriente de salida máxima: máximo absoluto de corriente que la FA puede
entregar a su salida.
Potencia máxima de salida: es la potencia máxima absoluta que puede entregar la
FA a una carga conectada en su salida. En general, el valor de este parámetro no
tiene por que ser igual al producto de la tensión de salida máxima por la corriente de
salida máxima, sino que será más pequeño:
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Pmáx V sal máx⋅I sal máx
Además, la potencia máxima que la fuente puede entregar en cada momento
dependerá de los valores de corriente y tensión suministrados.
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Principales características técnicas (II).
Así, como ejemplo de lo dicho, el fabricante TTi (Thurlby Thandar instruments)
proporciona la siguiente gráfica para su FA modelo CPX200, la cual tiene una
tensión de salida máxima de 35V y una corriente de salida máxima de 10A:
Regulación de carga (LR): este parámetro especifica cuánto podrá llegar a variar la
tensión fijada de salida ante variaciones de la carga que se conecta a la FA. Como
una FA debe de mantener constante su tensión de salida sea cual sea la carga que
se le conecte (dentro de su posibilidad de suministrar corriente), este parámetro será
mejor cuanto menor sea su valor. Para medir este parámetro se ajusta la salida de la
FA a una tensión tal que cuando se conecte la carga circule por ella la máxima
corriente de salida de la FA. Esta tensión la llamaremos V0. A continuación se
conecta la citada carga. En estas condiciones se procede a medir la tensión de
salida de la FA. Esta tensión la llamaremos Vcarga. Entonces, la regulación de carga
se puede conocer mediante la siguiente expresión:
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V 0 −V carga
LR=
⋅100
V0
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Principales características técnicas (III).
Regulación de línea (SR): proporciona información sobre lo “sensible” que es una
FA ante las variaciones de tensión de la red eléctrica, ya que cuando esto ocurre la
tensión de salida de la FA también variará, siendo lo ideal que no lo hiciese. Al igual
que el anterior parámetro, suele especificarse en forma de porcentaje, siendo mejor
la FA cuanto más pequeño sea dicho porcentaje. Si V0 Es la tensión de salida de la
fuente y VR La tensión de la red eléctrica, tendremos que:
VO
SR=
⋅100
V R
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Los mandos de ajuste más frecuentes.
Tomemos como base la siguiente FA:
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Tendremos dos grupos de mandos diferentes,
los mandos que permiten el ajuste de la tensión
de salida y los mandos que permiten el ajuste de
la limitación de la corriente de salida:
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Mandos de ajuste de la tensión de salida: lo
normal es que sean uno o dos, de tipo
giratorio. Ante el giro de uno de estos mandos
la FA responde variando la tensión de salida.
En el caso de que se tengan dos mandos de
este tipo uno de ellos será para la variación
gruesa de la tensión de salida (coarse) y el
otro para el ajuste fino de dicha tensión (fine).
Mandos de ajuste de la limitación de corriente de salida: permiten limitar la
corriente de cortocircuito de la FA como medida de protección de la carga
conectada a la fuente. Para proceder a este ajuste hay que ajustar la tensión de
salida deseada. A continuación se ajusta el mando de limitación de corriente al
mínimo. Seguidamente se cortocircuita la salida de la FA. Seguidamente deberá
ajustarse el mando de limitación de corriente hasta que el amperímetro de la FA
marque el valor deseado de limitación. Por último, se elimina el cortocircuito de
salida y la FA queda lista para conectarle la carga.
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Los modos de trabajo.
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Las FA de laboratorio pueden trabajar en dos modos distintos, como fuentes de tensión
constante (el modo usual de trabajo) y como fuentes de corriente constante:
● La FA como fuente de tensión de salida constante: La FA trabajará en dicho modo
siempre que la carga que se le conecte no requiera más corriente que la ajustada
en la FA mediante su mando correspondiente. Como ya se ha indicado, este es el
modo de trabajo habitual, el que se usará en más del 90% de los casos. En el
modo de tensión de salida constante la impedancia de salida de la FA se mantiene
a valores muy pequeños.
● La FA como fuente de corriente de salida constante: La FA entrará en este modo
de trabajo cuando la carga conectada a ella intente consumir más corriente de la
ajustada en la FA. En la práctica, para usar este modo de trabajo se requerirán
cargas de bajo o muy bajo valor óhmico. Entonces, el mando de ajuste de corriente
de la FA se usará para determinar el valor de la corriente de salida y el mando de
tensión se usará para fijar el valor máximo de la tensión de salida. En este modo de
trabajo la impedancia de la FA aumenta hasta valores de varios kΩ.
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Tipos de FA de laboratorio.
Ejercicio: Diseñar un indicador digital para una FA a partir de un microamperímetro
analógico con una sensibilidad de 20kΩ/V y una resistencia interna de 1000Ω. El
indicador deberá actuar como voltímetro o como amperímetro según la posición de
un conmutador. La FA para la que se diseña tiene un rango de tensión de salida de
0 a 20V y un valor de corriente de salida máxima de 1A.
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Atendiendo al número y tipo de salidas de la FA podremos tener:
● Con salida única ajustable.
● Con salida única ajustable y una o varias salidas de tensión fija.
● Con salidas doble, triple o cuádruple ajustables y con o sin salidas de tensión fija.
Atendiendo al modo de trabajo podemos tener:
● Lineales.
● Conmutadas.
Atendiendo al sistema de medida de la tensión y corriente de salida:
● Indicadores digitales separados para tensión y corriente.
● Indicadores digitales conmutables entre tensión y corriente.
● Indicadores analógicos separados para tensión y corriente.
● Indicadores analógicos conmutables entre tensión y corriente.
Atendiendo a la forma de controlar la FA:
● Control manual, analógico o digital.
● Control manual y control por PC (RS-232, GPIB, etc).
Diagramas de bloques básicos (I).
Diagrama de bloques básico de una FA simple
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La FA simple es la más sencilla de las que se estudian normalmente, y ello es así
porque a pesar de ser tan sencilla es la base a partir de la cual se diseñan las fuentes
más complejas. Los bloques mostrados más arriba cumplen las siguientes funciones:
Transformador: Reduce la tensión de red (230V~ eficaces) a valores más pequeños
introduciendo pérdidas de potencia bastante pequeñas. Es normal que los
transformadores usados para esto tengan un rendimiento superior al 90%.
Rectificador: Convierte la tensión alterna sinusoidal entregada por el transformador en
una tensión continua pulsatoria. Esta tensión está formada por una componente
continua y por otra componente alterna (AC+DC).
Filtro pasabajos: Suele estar formado por un condensador de gran capacidad. Su
función es la de elevar el nivel de continua al tiempo que reduce la componente alterna
de la tensión entregada por el rectificador. A la salida de la FA simple tendremos una
tensión con un elevado nivel de continua y un nivel más o menos reducido de
componente alterna llamado tensión de rizado de la FA. Se dirá que la tensión de salida
de la FA es igual al nivel de la componente continua. En cuanto a la tensión de rizado,
su valor será menor cuanto mayor sea el condensador de filtro usado en el filtro
pasabajos.
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Diagramas de bloques básicos (II).
A
B
Diagrama de bloques básico de una FA lineal
Referencia de tensión: Genera, a
partir de la tensión de salida del
filtro pasabajos, una tensión de
valor constante que será usada
como tensión de referencia en los
siguientes bloques.
Muestra ajustable de tensión:
Entrega a su salida una fracción
de la tensión de salida de la
fuente. El valor de dicha tensión
será ajustable por el usuario y de
ella dependerá el valor de la
propia tensión de salida.
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Comparador: La salida de este bloque será una tensión, la llamada tensión de error,
resultado de comparar (restar) la muestra de tensión de salida y la tensión de
referencia. En concreto, Vreferencia- Vmuestra .
Amplificador de error: Su función es la de amplificar la tensión de error de salida del
comparador. Esto consigue que todo el sistema de autorregulación (autorregulación de
la tensión de salida de la FA) sea más sensible ante posibles variaciones de la tensión
de salida.
Elemento de control: Este bloque es capaz de ajustar la ddp entre los puntos A y B en
función de la tensión de control que le proporciona el amplificador de error. La tensión
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Diagramas de bloques básicos (III).
de salida de la FA en cada instante será igual a la tensión instantánea de salida del
filtro pasabajos menos la ddp entre los puntos A y B.
Protección cortocircuitos: Este bloque detecta si existe un cortocircuito a la salida de
la FA y si así es bloquea al elemento de control, con lo que la tensión de salida de la
FA cae hasta 0V, protegiendo de esta forma tanto a la carga conectada como a la
propia FA.
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El funcionamiento conjunto de los bloques del sistema de autorregulación es como
sigue: todo es sistema está diseñado para que si la tensión de salida de la FA es la
correcta el resultado de la comparación de tensiones llevada a cabo en el comparador
sea cero (Verror=0V). En estas condiciones la tensión de salida del amplificador de
error será también 0V. El elemento de control responde ante esa tensión de control
estableciendo entre A y B una ddp que tendrá el valor justo para que tras restarla de la
tensión de salida del filtro pasabajos dé como resultado el valor correcto de tensión de
salida de la FA. ¿Que ocurre cuando la tensión de salida de la FA trata de cambiar de
valor, ya sea aumentando o disminuyendo? La muestra de la tensión de salida
cambiará también al alza o a la baja, con lo que el comparador entregará a su salida
una tensión de error distinta de cero y de signo - ó + dependiendo del sentido de
variación de la tensión de salida. Tras ser amplificada la tensión de error se aplica al
elemento de control que ante esta nueva tensión de control modificará la ddp entre los
puntos A y B, disminuyéndola o aumentándola según el caso, y consiguiendo de esta
forma contrarrestar la variación de la tensión de salida de la FA que se había
producido.
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Diagramas de bloques básicos (IV).
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Nótese la ausencia de
transformador de red en el
punto de conexión de la FA
a la red eléctrica. Esto
significa que el condensador
del filtro pasabajos se carga
a una tensión realmente
peligrosa: 325Vcc aprox.
La descripción de la función
de los bloques no vistos
hasta el momento es la
Diagrama de bloques básico de una FA conmutada Off-Line sin transformador de conmutación siguiente:
PWM: PWM son las siglas (inglesas, claro está) de modulación por anchura de
impulsos. En esta técnica de modulación se emplea un tren de impulsos, de frecuencia
y amplitud constantes, haciendo variar la anchura de los impulsos según sea el valor de
la tensión moduladora (la tensión de salida del amplificador de error en nuestro caso).
Driver: Adapta la señal de salida del bloque PWM para que pueda controlar
adecuadamente al bloque convertidor CC-CC. Usualmente se trata de un driver de
corriente.
Convertidor CC-CC: Cambia el nivel de tensión continua de entrada al bloque a otro
nivel diferente de continua de salida, nivel que será el de salida de la FA. Es importante
que esta conversión se realice con un rendimiento energético, por lo que quedan
descartados elementos tales como divisores de tensión resistivos.
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Diagramas de bloques básicos (V).
El convertidor CC-CC está dividido en dos secciones o bloques diferentes:
● Elemento conmutador: Conecta y desconecta la tensión de salida de la FA simple
al ritmo del tren de impulsos que le llega del bloque PWM a través del driver.
● Filtro pasabajos: Eleva el nivel de continua de la tensión que le llega del elemento
conmutador al tiempo que la filtra.
Veamos ahora el funcionamiento conjunto de todos estos bloques: el bloque PWM
genera una señal rectangular cuyo ciclo de trabajo estará determinado por la tensión
proveniente del amplificador de error:
Recordatorio: el ciclo de
trabajo se definía como el
siguiente porcentaje:
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T ON
CT =
⋅100
T
El elemento conmutador permanecerá cerrado durante TON y abierto durante TOFF. Por
tanto, la salida de dicho elemento conmutador entregará una réplica de la señal de
salida del bloque PWM pero con un nivel de tensión que será igual a la tensión de
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Diagramas de bloques básicos (VI).
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salida de la FA simple durante TON. Como puede verse en la figura de la diapositiva
anterior, el nivel de tensión continua (marcado como DC) será diferente según sea el
valor de TON. El filtro pasabajos extrae ese nivel de DC y lo entrega a la salida de la FA.
Si la tensión de salida de la FA cambia ya sabemos como actúa el sistema de
autorregulación, cambiando en consecuencia el valor de TON para contrarrestar dicho
cambio (ver la figura de la diapositiva anterior que es lo suficientemente explicativa).
Diagrama de bloques básico de una FA conmutada On-Line sin transformador de conmutación
Similar a la anterior, diferenciándose de ella e que incorpora un transformador de red
que reduce los niveles de la tensión entregada por la FA simple.
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Diagramas de bloques básicos (VII).
Diagrama de bloques básico de una FA conmutada Off-Line con transformador de conmutación
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Si la FA debe tener más de una salida se recurre a la introducción de un transformador
de conmutación. Cada una de las salidas deberá poseer su propio rectificador y filtro
pasabajos. Es normal que en este tipo de FA casi toda la electrónica de autorregulación
se encuentre integrada en un chip.
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Ejemplos de esquemas de FA lineales.
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Algunos posibles circuitos de FA lineales son los siguientes:
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Ejemplos de esquemas de FA conmutadas.
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Como ejemplo de FA conmutada podemos ver el siguiente esquema:
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Ejemplos de esquemas de FA conmutadas.
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Otro ejemplo de FA conmutada, en concreto la que corresponde a un DVD Samsung
HD945:
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Ejemplos de características de FA comerciales.
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