Universidad Técnica Federico Santa María Academia de Ciencias Aeronáuticas

Laboratorio de Electrónica
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Academia de Ciencias Aeronáuticas
Fuentes de Alimentación
(Experiencia Nro.2)
1.– Introducción.
La fuente de poder es un dispositivo que transforma la corriente alterna, normalmente la
domiciliaria, en una tensión continua de voltaje y corriente de acuerdo a las necesidades del
circuito o equipo que debe alimentar. En toda fuente de alimentación podemos distinguir las
siguientes partes:
a) El transformador, elemento que entrega al resto de la fuente la tensión y corriente
necesaria para obtener una corriente continua conforme a los requerimientos.
b) El rectificador, elemento que distribuye los semiciclos de la corriente alterna de manera
que aquellos positivos se dirigen al alambre positivo y los negativos, al cable negativo.
c) Filtro, elemento cuya finalidad es suavizar las fuertes fluctuaciones, compuestas por
semiciclos de tensión, todos de la misma polaridad, provenientes de la salida de los
rectificadores.
A la salida de la fuente de alimentación se dispone de una tensión continua, sobre la cual aun
existe una pequeña componente de voltaje alterna, llamado voltaje de rizo o “ripple”.
a) El transformador:
El transformador es un dispositivo compuesto de un núcleo de fierro silicoso, sobre el cual se han
enrollado una serie de espiras de alambre de cobre. El núcleo se compone de una serie de láminas
delgadas de fierro silicoso, aisladas entre ellas, con el objeto de evitar la circulación de corrientes
parásitas. Su forma es semejante a una “E”, cuyo lado abierto se cierra con las mismas láminas de
forma de una “I”, alternándolas de lado para evitar que se produzca una mal cierre del núcleo. La
pierna central de la “E” es más ancha que las de los lados y sobre ella se enrollan las espiras de
alambre. Al circular una corriente alterna por estos enrollados se produce un flujo magnético que
emerge de la pierna central para luego repartirse simétricamente por ambas piernas laterales,
regresando al centro por el extremo opuesto. La Fig. Nro.2 nos muestra el núcleo de un
transformador.
Figura Nro.2
Esquema de un núcleo de transformador
El número de vueltas de cada enrollado tiene una estrecha relación con la sección de la pierna
central y del voltaje que se le aplicará. La sección de la pierna central depende de la potencia que
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transferirá el transformador que, para el caso de unidades pequeñas (cercano a los 100 Watt como
máximo) una buena aproximación es:
A=K W
donde: A = sección en cm2 de la pierna central
W = potencia del transformador en Watt
K = constante de valor 0,8 a 1,2, dependiendo de la potencia
Para calcular el número de vueltas de cada una de las bobinas se calcula el número de vuelta para
1 Volt (vueltas por volt) y luego se multiplica por el voltaje deseado de cada bobina. La fórmula
aplicable para este caso es:
N/V = 108 / 4,44 x f x A x B
donde: N/V = Vueltas por Volt
f = Frecuencia en HZ
A = Sección en cm2
B = Líneas de fuerza
Las líneas de fuerza que se empleará en la fórmula son función de la calidad del fierro silicoso. Un
valor habitualmente usado está comprendido en el rango de 8.000 a 12.000 líneas
Los enrollados se colocan en la pierna central, uno encima del otro con la debida aislación. Se
acostumbra comenzar (cercana al núcleo) con la bobina del primario dado que la circulación de
corriente por ella es menor y por lo tanto tendremos una menor generación de calor. Los
secundarios se enrollan a continuación y generalmente se emplea un alambre de mayor diámetro.
El diámetro del alambre se determina usando el criterio de cargar al alambre con una densidad de
corriente de 3 a 4 Ampere por cada milímetro cuadrado de sección. Existen tablas, generadas por
los fabricantes de alambre, las cuales indican la corriente recomendada, el diámetro del alambre,
su resistencia en 1.000 pie, su peso (1.000 pie), etc.
b) El circuito rectificador:
El rectificador es el circuito que transforma la corriente alterna en semiciclos pulsantes, todos de la
misma polaridad. Existen circuitos con uno, dos o cuatro diodos rectificadores, tal como se ilustran
en las figuras siguientes, mostrando además la forma de la onda de salida-
Figura Nro.3
Rectificador de media
onda.
Figura Nro. 4
Rectificador de onda
completa con un
transformador con dos
enrollados iguales.
El punto central se llama
“punto medio”
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Figura Nro. 5
Rectificador de onda
completa, usando cuatro
diodos.
El circuito se llama
“circuito puente”.
El circuito rectificador de media onda de la Fig.3 genera pulso cuya frecuencia es la misma de la
red de alimentación. La separación de los pulsos produce una mayor dificultad para el circuito de
filtro. Al no conducir el diodo, éste queda con una tensión inversa máxima igual a la tensión cresta
(peak) de la alterna aplicada.
El circuito rectificador de onda completa de la Fig.4 genera dos pulsos por cada ciclo de la alterna
aplicada, es decir un pulso del semiciclo positivo y otro, del semiciclo negativo. Un diodo conduce
durante un semiciclo, mientras que el otro soporta la tensión inversa de la totalidad de secundario
del transformador. Con este circuito debe emplearse diodos de mayor tensión inversa. Además, por
tener dos bobinas iguales que sólo trabajan la mitad del tiempo cada una hace poco atractivo esta
configuración. Dado que tenemos en la salida un pulso por cada semiciclo de la tensión alterna del
transformador, la frecuencia de estos pulsos es el doble de la frecuencia de red
El circuito rectificador tipo puente de la Fig.5 utiliza cuatro diodos de los cuales dos de ellos
conducen a la vez, mientras los otros dos comparten la tensión inversa del secundario del
transformador (la mitad de la tensión para cada uno). En cierto instante tendremos el punto ”a”
como positivo y el punto “b”, negativo. En esta situación los diodos D1 y D2 conducirán y la pareja
D3 y D4 se repartirán la mitad de la tensión inversa cada uno. Al instante siguiente, la situación se
invierte, es decir, aquellos diodos en conducción soportarán la tensión inversa, mientras que la otra
pareja entra en conducción. La frecuencia de los pulsos de la salida, igual al circuito de la Fig.4,
también es el doble de la frecuencia de red. Este circuito es ampliamente usado actualmente por
las ventajas que presenta a la tensión inversa de los diodos, la simpleza del transformador y el bajo
costo de los diodos.
En el cuadro de más adelante usaremos las siguientes definiciones:
e1 = Voltaje alterno efectivo del secundario del transformador
eo = Valor promedio del voltaje continuo de salida en Volt
VD = Voltaje efectivo de caída en los diodos al circular la corriente nominal
VR = Voltaje efectivo inverso de los diodos en Volt
idc = Valor promedio de la corriente continua en la carga en Ampere
iac = Corriente efectiva en el secundario del transformador en Ampere
Circuito de media onda
e1 = 2,26 e1 + VD
VR = e1
iac = 1,57 idc
Circuito de onda completa
e1 = 1,13 eo + VD
VR = 2 e1
iac = 0,785 idc
Circuito puente
e1 = 1,13 eo + 2 VD
VR = e1
iac = 1,11 idc
c) El circuito filtro:
El circuito filtro tiene por objetivo suavizar la señal de salida del circuito rectificador y hacerla más
parecida a una señal de corriente continua. Ello es posible con la ayuda de algún dispositivo que
acumula energía durante los pulsos para luego devolverla en los lapsos donde no hay señal,
rellenando de esta manera los vacíos y suavizando la forma de onda. Otra manera de visualizar el
funcionamiento es pensar que estas fluctuaciones de la señal son variaciones de algún tipo de
onda (ripple) que es posible de atenuar, por lo cual podemos colocar una alta impedancia en serie
con el circuito y otra de bajo valor en paralelo con la salida para este tipo de onda sin que ello
afecte a la corriente continua de la fuente. Tendremos por lo tanto, una fuerte caída de la tensión
de esta onda en la rama serie y un desarrollo de un voltaje pequeño en la rama paralela, por lo
cual hemos removido parcialmente este tipo onda de la salida de nuestra fuente de alimentación.
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Un dispositivo capaz de acumular energía es un condensador por ejemplo para rellenar los
espacios vacíos (primer criterio de ver la acción del filtro) pero también presenta una baja
impedancia para este tipo de señal que, colocada el paralelo con la salida de la fuente, desarrollará
un voltaje pequeño de esta señal sobre el voltaje continuo de la salida (segundo criterio de ver la
acción del filtro). Los elementos instalados en serie con la línea de corriente continua suelen ser
resistencias de bajo valor o choques de filtro (una bobina de alambre relativamente grueso
enrollada sobre un núcleo de fierro silicoso) que presenta un bajo valor de impedancia para la
corriente continua (sólo el valor resistivo del alambre) y una alta impedancia para el tipo de señal
(segundo criterio) o bien devuelve energía al circuito, acumulada en su campo magnético, al
enfrentar una disminución de la señal (primer criterio). El inconveniente de usar resistencias en la
rama serie es que su valor resistivo (Ohm) afecta por igual a la señal como a la corriente continua
que entrega la fuente.
A continuación tenemos una serie de configuraciones típicas de filtros para las fuentes de
alimentación:
Figura Nro. 6
Circuitos de filtros para fuentes de alimentación.
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Figura Nro.7
Circuitos de filtros para fuentes de alimentación
(continuación)
Un concepto importante de resaltar dice en relación con la carga del condensador. Entre pulso y
pulso el condensador se descarga parcialmente entregando su energía al circuito para rellenar la
ausencia de energía. Al encontrarse el voltaje creciente del pulso siguiente con el voltaje del
condensador comienza su proceso de carga que dura hasta el valor cresta (peak) del pulso. A
partir de ese instante, el condensador comienza a entregar energía al circuito, descargándose
paulatinamente. La figura Nro.8 representa el voltaje de salida de un circuito de condensador de
filtro. Dado que el tiempo para realizar su proceso de carga es pequeño, el condensador consume
una gran corriente (corriente peak) para lograr recuperar toda su energía en ese lapso de tiempo.
Cuanto mayor sea el condensador, menos se descargará, produciendo una señal de “ripple” más
pequeña, pero por otro lado, tendrá menos tiempo para recargarse, lo que ocasiona una corriente
peak aun mayor por el diodo, tal como lo vemos en la figura Nro.9
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Figura Nro.8
Voltaje de salida aproximado en un circuito de condensador de filtro
Figura Nro.9
Voltaje de salida y formas de onda de la corriente peak del diodo
(a) un condensador pequeño y
(b) un condensador grande
La corriente peak que circula por el diodo suele ser la causa de su deterioro. En las características
de estos elementos se encuentra el valor máximo de corriente peak que soporta un elemento en
particular, valor varias veces mayor a la corriente continua máxima de trabajo. La corriente peak
viene dad por.
Ipeak = T/T1 Idc
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2– Fuente de alimentación estabilizada con un diodo Zener.
Aprovechando la característica de un voltaje inverso estable, nos permite diseñar fuentes de
alimentación cuyo voltaje de salida permanece el mismo para variaciones del voltaje de red o de
consumo (corriente). Los diodos Zener se construyen para ciertos voltajes discretos y dependiendo
de su modelo los tenemos para potencias típicas de medio o un Watt. Sin embargo existen
elementos para mayores potencia pero no son de uso generalizado. Por ejemplo, un diodo Zener
de 1 Watt de disipación máxima y de una tensión Zener de 10 Volt es capaz de soportar una
corriente máxima de
W=VxI
luego: I = W / V
= 1 / 10 A = 0,1 A = 100 mA
De aquí podemos concluir que este diodo Zener en particular es capaz de soportar un máximo de
100 mA. El circuito estabilizador se muestra en la Fig. Nro.10
Figura Nro.10
Esquema de un circuito estabilizado con diodo Zener
Para diseñar la resistencia “R” de este circuito, se considera la salida desconectada y la corriente
que circulará será una muy próxima a la máxima del diodo Zener. Si continuamos con nuestro
ejemplo y suponemos una tensión de fuente de 15Vdc y una corriente máxima de 90 mA (dejando
un margen de 10), tenemos para la resistencia serie:
R = V / I = 15 / 90 = 0, 166 K Ω = 166 Ω
El valor comercial próximo puede ser 150 ó 180 Ohm. Por seguridad se elige 180. Ω. La potencia
de disipación de esta resistencia será
W = V2 / R = (15–10) / 180 = 0,027 W = 27 mW.
Dejando también un margen de seguridad, podemos elegir una resistencia de ½ W.
Ahora ¿Qué pasa si conectamos nuestra carga? La carga que conectamos “le roba”, por decirlo
de alguna manera, corriente al Zener, dado que la corriente total que pasa por la resistencia debe
ser la misma que antes para producir la caída de tensión de 5 V y 10 V en el Zener. Se desprende
de este análisis que la corriente máxima que puedo extraer de este circuito es aquella que reduce
la corriente por el diodo Zener a aproximadamente el 10% de su valor extremo (10 mA)
Suele instalarse un pequeño condensador en paralelo con el diodo Zener para mejorar su
comportamiento frente transcientes, ruido eléctrico o resto de “ripple”, dicho en otras palabras, se
reduce la impedancia interna de la fuente.
Otro parámetro utilizado con los diodos Zener es la tolerancia de su tensión Zener, que, para
valores comerciales, es de 5% ó 10%. La resistencia dinámica o la variación de la tensión Zener en
función a la variación de la corriente que circula por él es otra característica a considerar al elegir
un elemento en particular para adaptarlo lo mejor posible a las necesidades de nuestro circuito.
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Bibliografía:
a) Electrónica; Teoría de Circuitos
Robert L. Boylestad y Louis Nashelsky
Sexta Edición
Pagina 805 capítulos 19.1 a 19.4
b) Complete Handbook of Practical Electronic Reference Data
Walter H. Buchsbaum
Paginas 102 a 111
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