Fuentes de alimentación lineales

Los circuitos electrónicos funcionan en la mayoría de los casos con Corriente Continua (CC) de unos pocos voltios, mientras que la energía eléctrica se distribuye hasta nuestros hogares en forma de Corriente Alterna (CA). Cuando enchufamos un TV, un equipo de música o una consola de juegos al toma de la pared de nuestro hogar, debe realizarse primero una conversión de CA a CC de valor apropiado para el correcto funcionamiento de ese equipo. Eso se hace generalmente en el interior de cada uno de estos aparatos, en una parte fundamental del mismo que se denomina fuente de alimentación. Veremos en este artículo una breve clasificación de las fuentes de alimentación y luego abordaremos el estudio de los distintos bloques que forman una fuente de alimentación lineal.

Corriente alterna

En este artículo haré referencia a varios términos y conceptos específicos de la corriente alterna. Tal vez te sea de utilidad repasar este artículo y este otro antes de seguir avanzando.

Definición y simbología

Como ya se dijo en la introducción, una fuente de alimentación es un circuito electrónico que convierte Corriente Alterna (CA) en Corriente Continua (CC) de valor apropiado.

El símbolo empleado para representar una fuente de alimentación en un esquema eléctrico es el que se ve a continuación. Como se puede ver, hace referencia a su función de convertir CA en CC.

Fig. 1. Símbolo de una fuente de alimentación

Clasificación

De acuerdo a su principio de funcionamiento, las fuentes de alimentación se clasifican en dos tipos:

  • Fuentes lineales
  • Fuentes conmutadas

Las fuentes lineales son de diseño sencillo, generan poco ruido eléctrico y son económicas para potencias bajas (menos de 10 Watts). La principal desventaja es que no son muy eficientes (60% como máximo).

Las fuentes conmutadas (también llamadas switching) son mas complicadas, generan mucho ruido eléctrico, lo que puede causar interferencias en otros circuitos. Son altamente eficientes (entre 70% y 90%) y ocupan menos volumen porque no usan transformador.

Fuente de Alimentación lineal

El diagrama en bloques de una fuente de alimentación lineal puede verse en la Fig. 2. Consta de cuatro partes: Transformador, Rectificador, Filtro y Regulador.

Fig. 2. Diagrama en bloques de una fuente lineal

Veamos ahora el funcionamiento de cada una de ellas.

Transformador: Disminuye la tensión alterna de línea a un valor mas bajo, según la tensión de salida de la fuente de alimentación. Su salida es también una tensión alterna que cumple con la conocida fórmula:

Donde: Ve y V1 son la tensión de primario y secundario del transformador (Fig. 2), Np y Ns son el número de vueltas del primario y secundario respectivamente y m la relación de transformación.

Despejando la tensión de salida del transformador V1:

Fig. 3. Un transformador de baja potencia (12 voltios y 1 Amper). Los cables rojos son del primario y los azules del secundario.
Fig. 4. Símbolo empleado para un transformador

Las características fundamentales del transformador son sus tensiones de entrada y salida (en voltios) y la corriente de secundario que es capaz de entregar. Por ejemplo el transformador de la Fig. 3 es de 220/12V 1A. Esto significa que está construido para trabajar con una tensión de 220V en el primario y en esas condiciones entrega en el secundario 12V alternos y una corriente de hasta 1 Amper.


Rectificador: El rectificador se encarga de convertir la corriente alterna (CA) que entrega el transformador a una corriente continua (CC). Para ello usualmente se emplea un circuito con diodos, que tienen la característica de dejar pasar la corriente sólo en una dirección, cuando el ánodo es positivo con respecto al cátodo.

Fig. 5. Diodo 1N5408, muy utilizado en fuentes de alimentación
Fig. 6. Símbolo del diodo

Los parámetros mas importantes en un diodo rectificador son la tensión inversa máxima (tensión entre ánodo y cátodo cuando está polarizado inversamente) y la corriente directa máxima (la corriente que soporta al estar polarizado en forma directa). Dos tipos de de diodos muy usados como rectificadores son el 1N4007, que soporta hasta 1A de corriente directa y el 1N5408 que soporta hasta 3A. Ambos están preparados para trabajar con tensiones inversas de 700 voltios, mas que suficiente para una fuente de alimentación conectada a la red eléctrica.

Volviendo a la etapa de rectificación, hay tres circuitos básicos de rectificadores, uno de media onda y dos de onda completa, que veremos a continuación:

Rectificador de media onda

Es el circuito mas simple y consiste en sólo un diodo conectado a la salida del transformador.

El circuito de un rectificador de media onda puede verse en la Fig. 7. a continuación. Respetando los nombres usados en la Fig. 2, V1 es la salida del transformador y V2 la salida del rectificador. RL es una resistencia que representa el resto del circuito que sigue al rectificador y D1 es el diodo rectificador.

Fig. 7. Circuito rectificador de media onda

Para explicar el funcionamiento del circuito debemos recordar que la corriente alterna tiene dos semiciclos, de polaridad opuesta, que llamaremos semiciclo positivo y semiciclo negativo. En el semiciclo positivo, la forma de onda de la tensión del transformador y su polaridad es como se ve en la Fig. 8. El positivo está conectado al ANODO del diodo y el negativo (a través de la resistencia) al CATODO. En esas condiciones, el diodo está polarizado en forma DIRECTA y permite la circulación de corriente a través de él y por la resistencia RL, lo que produce que la tensión de salida tenga la misma forma que la tensión de entrada.

Fig. 8. Rectificador de media onda durante el semiciclo positivo

Cuando la tensión a la salida del transformador se invierte, durante el semiciclo negativo, el diodo queda polarizado inversamente y no permite la circulación de corriente, como se puede ver en la Fig. 9. En esas condiciones, la tensión de salida es igual a cero.

Fig. 9. Rectificador de media onda durante el semiciclo negativo.

Esto significa que a la salida del rectificador hay tensión sólo durante los semiciclos positivos de la tensión de entrada. En la Fig. 10. puede verse en una misma gráfica la tensión de entrada y la de salida del circuito rectificador de media onda.

Fig. 10. Tensiones de entrada y salida en el rectificador de media onda

Como se puede apreciar, la tensión rectificada media onda dista bastante de un CC ideal, sin variaciones de tensión. Además, la tensión de salida es baja, ya que la mitad del tiempo es cero. Este circuito tiene la ventaja de su gran simplicidad (sólo un diodo) pero prácticamente no tiene aplicación.

Podemos ver lo anterior en funcionamiento en la siguiente simulación. Podemos ver como el diodo deja pasar la corriente cuando la tensión en su ánodo es positiva (verde) pero no cuando es negativa (roja). El transformador en esta simulación tiene una relación de transformación de 1, así que la tensión del secundario es igual a la del primario. Así, se puede ver que la tensión pico en la carga es ligeramente menor a la salida del transformador porque cae un voltaje en el diodo.

Fig. 11. Funcionamiento del rectificador de media onda

Rectificador de onda completa con dos diodos y transformador con punto medio

Este circuito funciona con dos diodos y un transformador especial, con una derivación al medio de su secundario, lo que divide la tensión de salida en dos partes iguales.

Fig. 12. Rectificador de onda completa con dos diodos y transformador con punto medio.

Analizaremos el funcionamiento de este circuito de la misma forma que lo hicimos con el anterior, viendo que sucede durante el semiciclo positivo y el semiciclo negativo.

Durante el semiciclo positivo, la polaridad a la salida del transformador es como se aprecia en la Fig. 13. El punto medio es “menos positivo” o negativo respecto al extremo superior que es positivo y “menos negativo” o positivo respecto del extremo inferior que es negativo. En estas condiciones, el diodo D1 está polarizado en forma directa, permitiendo la circulación de corriente a través de RL y el diodo D2 está polarizado en forma inversa, bloqueando la circulación de corriente.

Fig. 13. Rectificador de dos diodos durante el semiciclo positivo

Cuando la tensión de entrada se invierte, durante el semiciclo negativo, el que queda polarizado en forma directa es el diodo D2 y D1 en forma inversa. La corriente ahora circula por D2 pero cuando pasa por RL lo hace en la misma dirección que antes, por lo que la tensión de salida tiene la misma forma que en el semiciclo positivo.

Fig. 14. Rectificador de dos diodos durante el semiciclo negativo

Vemos entonces una diferencia fundamental con el circuito del rectificador de media onda: la corriente circula por RL tanto en el semiciclo positivo como en el negativo. Esto se aprecia en la siguiente figura:

Fig. 15. Tensiones de entrada y salida del rectificador de onda completa de dos diodos

Como se puede apreciar en la Fig. 15, la tensión de salida de este circuito se parece mas a una CC ideal. Sin embargo, este circuito tiene la contra de requerir un transformador algo “especial”, lo que puede encarecerlo un poco.

Veamos la simulación en la siguiente imagen. Puede apreciarse como la corriente por la resistencia de carga siempre circula en el mismo sentido, proveniente de un diodo y luego del otro.

Fig. 16. Funcionamiento del rectificador con dos diodos

Rectificador de cuatro diodos

Veremos ahora el ultimo circuito rectificador, uno que emplea cuatro diodos conectados en una configuración llamada “puente” y que emplea un transformador común, sin punto medio.

Fig. 17. Rectificador con cuatro diodos

Analizando el circuito como en los casos anteriores, podemos ver que durante el semiciclo positivo los diodos D1 y D3 están polarizados en forma directa, mientras que D2 y D4 lo están en forma inversa. Eso crea un circuito para la corriente que circula por RL como se ve en la Fig. 18 a)

Fig. 18. Circulación de corriente en un rectificador puente

Durante el semiciclo negativo, los diodos D2 y D4 están polarizados en forma directa, mientras que D1 y D3 lo están en forma inversa. En esta condición, el circuito que realiza la corriente es el que se puede apreciar en la Fig. 18 b).

Como consecuencia de este funcionamiento, la tensión a la salida del rectificador consta siempre de semiciclos positivos, aunque se invierta la polaridad a su entrada. Esto hace que la forma de la tensión sea idéntica a la del rectificador de onda completa de dos diodos, como se ve a continuación.

Fig. 19. Tensión de entrada y salida del rectificador de onda completa de cuatro diodos.

La ventaja del circuito rectificador con cuatro diodos, como se dijo antes, es que no requiere de un transformador especial. La desventaja es que utiliza mas diodos, sin embargo el costo de estos es mucho mas bajo. Este circuito es el mas utilizado como rectificador, lo que ha producido que se fabriquen puentes de diodos que contienen los cuatro diodos conectados entre si en su interior, para simplificar el armado.

Fig. 20. Distintos tipos de puentes de diodos

En la siguiente imagen podemos ver a este circuito en funcionamiento, apreciando el sentido de circulación de la corriente por dos diodos. Algo a tener en cuenta es que en este circuito, la corriente siempre atraviesa dos diodos y cada uno de ellos provoca una caída de tensión, con lo que la tensión disponible a la salida será menor a la del circuito anterior con punto medio.

Fig. 21. Funcionamiento del rectificador puente

Conclusión

Analizamos el funcionamiento de las dos primeras etapas de una fuente lineal: el transformador, que disminuye el voltaje de alterna y el rectificador, que convierte esa alterna a una continua pulsante. En un próximo artículo veremos los bloques siguientes: filtro y regulador. Cualquier duda o sugerencia, pueden dejarla en la sección de comentarios.

1 comentario en «Fuentes de alimentación lineales»

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