Fuente de alimentación: Definición, funciones y componentes

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Definición: Una fuente de alimentación es un circuito electrónico diseñado para proporcionar varias tensiones de CA y CC para el funcionamiento de los equipos.

El funcionamiento correcto de los equipos electrónicos requiere una serie de tensiones de origen. Se necesitan voltajes bajos de corriente continua para hacer funcionar los circuitos integrados y los transistores. Los altos voltajes son necesarios para hacer funcionar los TRC y otros dispositivos. Las baterías pueden proporcionar todos estos voltajes.

Sin embargo, la electricidad para los dispositivos eléctricos y electrónicos suele ser suministrada por la compañía eléctrica local. Esta energía sale de una toma de corriente a 115 voltios de CA, con una frecuencia de 60 Hertz. Se necesitan diferentes voltajes para que funcionen algunos equipos.

Funciones de la fuente de alimentación

El circuito completo de la fuente de alimentación puede realizar estas funciones:

  1. Aumentar o reducir los voltajes, mediante la acción del transformador, hasta la tensión de línea de CA necesaria.
  2. Proporcionar algún método de división de la tensión para satisfacer las necesidades del equipo.
  3. Cambiar la tensión de c.a. a tensión de c.c. pulsante mediante la rectificación de media onda o de onda completa.
  4. Filtrar la tensión de c.c. pulsante a una tensión de c.c. pura y constante para el uso del equipo.
  5. Regular la salida de la fuente de alimentación en proporción a la carga aplicada.

Componentes de la fuente de alimentación

En la Figura 1 se muestra un diagrama de bloques que ilustra estas funciones. Tenga en cuenta que algunas funciones no se encuentran en todas las fuentes de alimentación. Consulte la Figura 2 para ver los componentes de una fuente de alimentación comercial típica.

Figura 1. Diagrama de bloques de los componentes de la fuente de alimentación. La entrada es de 117 voltios de corriente alterna. Los procesos utilizados en una fuente de alimentación típica se muestran debajo de los bloques. La salida de la fuente de alimentación puede ser de cc o de ca. La salida de esta fuente es de cinco voltios cc.

Figura 2. Fuente de alimentación de corriente continua regulada. (Knight Electronics)

Transformadores de potencia Diodos

El primer dispositivo de una fuente de alimentación es el transformador. Su finalidad es elevar o reducir la tensión de la fuente alterna a los valores necesarios para la radio, la televisión, el ordenador u otros circuitos electrónicos.

La mayoría de los transformadores no tienen ninguna conexión eléctrica entre los devanados secundario y primario. Véase la figura 3. Esto significa que el transformador aísla el circuito conectado al primario del circuito conectado en el secundario.

El aislamiento es un término que significa que no hay conexiones eléctricas entre el primario y el secundario en el transformador.

Figura 3. Aislamiento en un transformador.

Un transformador de aislamiento es un transformador que tiene el propósito específico de aislar el circuito primario del circuito secundario.

Utilizar un transformador de aislamiento es un elemento de seguridad porque ayuda a evitar descargas en el secundario. Nuestro cuerpo o nuestras manos deben estar unidos a través de ambos cables de las conexiones secundarias para recibir una descarga.

La condición de seguridad descrita anteriormente no se cumple en el primario con la corriente alterna comercial proporcionada por la compañía eléctrica. Una conexión es caliente, lo que significa que la conexión está energizada eléctricamente. La otra está conectada a tierra, o neutra. Si se toca la conexión caliente y se pone a tierra, se producirá una descarga eléctrica. Tocar sólo la conexión a tierra no provocará una descarga.

Los devanados secundarios se pueden derivar para proporcionar diferentes voltajes. Una derivación colocada a medio camino entre los dos extremos de un devanado secundario se denomina derivación central.

Muchas fuentes de alimentación utilizan un devanado secundario de derivación central del transformador. Las tensiones derivadas, Figura 4, están desfasadas 180 grados con respecto a la toma central.

Una variedad de transformadores puede encontrarse en casi todos los dispositivos electrónicos. Debe entender la teoría básica y el propósito del transformador. Repase el capítulo 12 si es necesario.

Una lección de seguridad

Los transformadores producen altos voltajes que pueden ser muy peligrosos. Hay que tener el debido respeto y extremar la precaución en todo momento cuando se trabaje o se midan tensiones elevadas.

Figura 4. Un transformador de toma central.

Rectificación de media onda y onda completa

Después de que una tensión haya pasado por el transformador de una fuente de alimentación, el siguiente paso es la rectificación.

El proceso de cambiar una corriente alterna a una corriente continua pulsante se llama rectificación.

Cuando se cambia una señal de c.a. a c.c., hay dos tipos de rectificación: rectificación de media onda y rectificación de onda completa.

Con el rectificador de media onda, sólo la mitad de la señal de entrada pasa por el rectificador. Con el rectificador de onda completa, pasa toda la onda de entrada.

Rectificación de media onda

En la figura 5, la salida de un transformador se conecta a un diodo y a una resistencia de carga que están en serie. La tensión de entrada al transformador aparece como una onda sinusoidal.

La polaridad de la onda se invierte a la frecuencia de la tensión aplicada. La tensión de salida del secundario del transformador también aparece como una onda sinusoidal. La magnitud de la onda depende de la relación de vueltas del transformador. La salida está desfasada 180 grados con respecto al primario.

La parte superior del transformador (punto A) está unida al ánodo del diodo. Observe que el lado B del transformador está conectado a tierra.

Durante el primer medio ciclo, el punto A es positivo. El diodo conduce, produciendo una caída de tensión a través de la resistencia R igual a IR. Durante el segundo medio ciclo, el punto A es negativo. El ánodo del diodo también es negativo. No hay conducción y no aparece ninguna caída de IR a través de R.

Figura 5. Esquema básico del rectificador de diodos.

Un osciloscopio conectado a través de R produce la forma de onda que se muestra a la derecha en la figura 6. La salida de este circuito consiste en pulsos de corriente que fluyen en una sola dirección y están a la misma frecuencia que la tensión de entrada. La salida es una corriente continua pulsante.

Figura 6. Formas de onda de entrada y salida de un rectificador de diodos.

Sólo se utiliza la mitad de la onda de entrada de corriente alterna para producir la tensión de salida. Este tipo de rectificador se llama rectificador de media onda.

Observe la polaridad de la tensión de salida en la figura 6. Un extremo de la resistencia R está conectado a tierra. La corriente fluye desde la tierra hasta el cátodo. Esta conexión hace que el extremo de R conectado al cátodo sea positivo como se muestra en la Figura 5.

Se puede hacer un rectificador negativo invirtiendo el diodo en el circuito, Figura 7. El diodo conduce cuando el cátodo se vuelve negativo causando que el ánodo se vuelva positivo.

La corriente a través de R sería del ánodo a tierra haciendo que el extremo del ánodo de R sea negativo y el extremo de tierra de R más positivo.

Los voltajes tomados a través de R, la salida, serían negativos con respecto a tierra. Este circuito se llama diodo invertido. Se utiliza cuando se requiere una tensión de alimentación negativa.

Figura 7. Un diodo invertido produce una tensión negativa.

Es posible tener una fuente de alimentación que proporcione rectificación de media onda sin necesidad de utilizar un transformador. Este circuito no está aislado. No hay paso hacia arriba o hacia abajo de los voltajes actuales. Este circuito es un diseño más sencillo y menos costoso, y como no hay transformador, puede utilizarse en espacios más pequeños, Figura 8.

Figura 8. Rectificación de media onda sin transformador.

Rectificación de onda completa

La salida de tensión continua pulsante de un rectificador de media onda puede filtrarse a una tensión continua pura. Sin embargo, el rectificador de media onda utiliza sólo una mitad de la onda de CA de entrada.

Se puede obtener una mejor acción de filtrado utilizando dos diodos. Con esta configuración, se pueden utilizar los dos semiciclos de la onda de entrada.

Ambos semiciclos en la salida tienen la misma polaridad en este rectificador de onda completa. La figura 9 sigue el primer semiciclo. La figura 10 sigue el segundo medio ciclo.

Figura 9. Las flechas muestran la corriente en el rectificador de onda completa durante el primer medio ciclo.

Figura 10. La dirección de la corriente durante el segundo medio ciclo.

Para producir esta rectificación de onda completa, se realiza una toma central en el devanado secundario. Esta toma se conecta a tierra.

En la figura 9, el punto A es positivo y el ánodo del diodo D1 es positivo. El flujo de electrones se muestra con las flechas. Durante la segunda mitad del ciclo de entrada, el punto B es positivo, el ánodo del diodo D2 es positivo, y la corriente fluye como se muestra en la Figura 10.

No importa qué diodo esté conduciendo, la corriente a través de la resistencia de carga R está siempre en la misma dirección. Tanto los semiciclos positivos como los negativos de la tensión de entrada provocan la corriente a través de R en la misma dirección.

La tensión de salida de este rectificador de onda completa se toma a través de R. Consiste en pulsos de corriente continua al doble de la frecuencia de la tensión de entrada, Figura 11. Para producir esta rectificación de onda completa en este circuito, el voltaje secundario fue cortado a la mitad por la toma central.

Figura 11. Las formas de onda de entrada y salida del rectificador de diodos de onda completa.

Los diodos, D1 y D2, utilizados en las figuras 9 y 10, están empaquetados tanto individualmente como en pares. La figura 12 muestra un paquete de dos rectificadores. El cable central se utiliza como conexión para los cátodos. Los cátodos están cableados juntos.

Figura 12. Diodos dobles con toma central.

Rectificadores de puente

No siempre es necesario utilizar un transformador con toma central para la rectificación de onda completa. El voltaje secundario completo puede ser rectificado usando cuatro diodos en un circuito llamado puente rectificador, Figura 13 y 14. Se muestran dos circuitos para poder observar la corriente en cada medio ciclo.

Figura 13. Corriente en el puente rectificador durante el primer medio ciclo.

Figura 14. Corriente en el puente rectificador durante el segundo medio ciclo.

En la figura 13, el punto A del secundario del transformador es positivo. La corriente fluye en el sentido de las flechas. Cuando el punto B es positivo, la corriente fluye como en la figura 14.

De nuevo, observa que la corriente a través de R siempre es en una dirección. Ambas mitades de la tensión de entrada se rectifican y se utiliza toda la tensión del transformador.

Los rectificadores de puente pueden utilizarse en circuitos sin transformadores. Sin transformadores, la tensión o la corriente no se intensificará ni se reducirá. No habrá aislamiento. Estos circuitos también se denominan circuitos de puente operados por la línea, Figura 15.

Precaución

Conectar un osciloscopio directamente a un rectificador de puente operado por la línea dará como resultado una tierra muerta cuando la tierra del osciloscopio esté conectada al puente de tensión de la línea. Debe utilizarse un transformador de aislamiento con una relación de 1 a 1 para evitar que el cable de tierra del osciloscopio se conecte al conductor caliente.

Figura 15. Circuito rectificador de puente operado por línea.

La salida del rectificador de media onda o de onda completa es una tensión pulsante. Antes de que pueda aplicarse a otros circuitos, las pulsaciones deben reducirse. Se necesita una corriente continua más estable. Se puede obtener utilizando una red de filtrado.

En la Figura 16, la línea, Eavg, muestra la tensión media de la onda de CC pulsante. Es igual a 0,637 × tensión de pico. La parte sombreada de la onda por encima de la línea media es igual en área a la parte sombreada por debajo de la línea.

El movimiento por encima y por debajo de la tensión media se denomina ondulación ac. Es esta ondulación la que requiere ser filtrada.

El porcentaje de rizado respecto a la tensión de salida debe mantenerse en un valor pequeño. El porcentaje de rizado se puede encontrar utilizando la fórmula:

Figura 16. Valor medio de la salida del rectificador de onda completa.

Filtros de condensador

Un condensador conectado a través de la salida del rectificador proporciona cierta acción de filtrado, Figura 17. El condensador es capaz de almacenar electrones.

Cuando el diodo o rectificador está conduciendo, el condensador se carga rápidamente hasta cerca del pico de tensión de la onda. Sólo está limitado por la resistencia del rectificador y la reactancia de los devanados del transformador.

Entre las pulsaciones de la onda, la tensión del rectificador cae. El condensador se descarga entonces a través de la resistencia de la carga.

El condensador, en efecto, es una cámara de almacenamiento de electrones. Almacena electrones en el pico de tensión y luego suministra electrones a la carga cuando la salida del rectificador es baja. Véase la figura 18.

Figura 17. Acción filtrante de un condensador.

Figura 18. Entrada y salida del filtro de condensadores mostrando el cambio en la forma de onda.

Los condensadores utilizados para este propósito son de tipo electrolítico porque se necesitan grandes capacitancias en un espacio limitado. Los valores habituales de los condensadores oscilan entre 4 y 2000 microfaradios. Las tensiones de trabajo de los condensadores deben ser superiores a la tensión de pico del rectificador.

Filtros LC

La acción de filtrado puede mejorarse añadiendo una reactancia en serie con la carga. Este circuito de filtro LC aparece en la figura 19. El choke del filtro consiste en muchas vueltas de alambre enrollado en un núcleo de hierro laminado.

Figura 19. Un filtrado adicional es producido por el estrangulador en serie con la carga.

Recuerda que la inductancia era aquella propiedad de un circuito que resistía un cambio en la corriente. Un aumento de la corriente inducía una contrafase que se oponía al aumento. Una disminución de la corriente inducía una contrafase que se oponía a la disminución. Como resultado, el estrangulador se opone constantemente a cualquier cambio en la corriente. Sin embargo, ofrece muy poca oposición a una corriente continua.

Los choques utilizados en las radios tienen valores de 8 a 30 henrys. Los valores de corriente van de 50 a 200 miliamperios.

Los choques más grandes se pueden utilizar en transmisores y otros dispositivos electrónicos. La acción de filtrado como resultado del estrangulador de filtro se muestra en la Figura 20.

Figura 20. Las formas de onda muestran la acción de filtrado del condensador y la reactancia juntos.

Se puede utilizar un segundo condensador en la sección de filtrado después de la reactancia, para proporcionar más acción de filtrado. Véase la figura 21. La acción de este condensador es similar a la del primer condensador. La configuración del circuito aparece como la letra griega π. El filtro se llama filtro de sección pi (π).

Figura 21. Filtro de sección Pi (π).

Cuando el primer componente de filtrado es un condensador, el circuito se denomina filtro de entrada con condensador. Cuando el estrangulador es el primer componente de filtrado, se denomina filtro de entrada de estrangulador, Figura 22. El filtro de entrada de la reactancia parece una L invertida, por lo que también se denomina filtro de sección L. Se pueden utilizar varias de estas secciones de filtro en serie para proporcionar un filtrado añadido.

Figura 22. Filtro L de entrada de la reactancia

En el filtro de entrada de la reactancia, el condensador se carga hasta la tensión de pico de la onda rectificada. En la entrada de reactancia, la corriente de carga del condensador está limitada por la reactancia. El condensador no se carga hasta la tensión de pico. Como resultado, la tensión de salida de la fuente de alimentación que utiliza el filtro de entrada del condensador es mayor que la que utiliza el filtro de entrada de la reactancia.

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