Todos los dispositivos electrónicos vistos en las entradas anteriores que conforman la categoría «Electrónica Básica» necesitan estar alimentados para funcionar. Tanto los componentes pasivos (resistencias, condensadores, etc.) como los activos (aquellos con una respuesta no lineal, como un transistor) son, esencialmente, consumidores de potencia. Por lo tanto, es necesaria la existencia de algún otro componente capaz de proporcionarles esa potencia, es por ello que se dará una introducción a las fuentes de alimentación
En la figura 1, podemos ver las fuentes mas comunes, del lado izquierdo se presenta una fuente lineal mientras que del lado derecho vemos a una fuente conmutada, de las cuales estaremos hablando más adelante.
Es importante aclarar aquí que el término «fuente» de alimentación puede dar lugar a cierto malentendido. Aunque muchas veces se considera que esa fuente es la que genera la potencia para hacer funcionar un determinado circuito, lo cierto es que la fuente a su vez necesita estar alimentada. En sentido estricto, la fuente de alimentación no genera la corriente eléctrica, si no que transforma un tipo de corriente determinado en otro apropiado para alimentar el circuito. Así, las fuentes transforman la corriente alterna (apropiada para la distribución) en corriente continua de baja tensión. Este tipo de fuentes es las más habituales al trabajar con circuitos electrónicos.
Tipos de fuentes y sus limitaciones
Podríamos decir que las fuentes mas comunes para el giro electrónico son las fuentes de tensión. Si bien para la polarización de componentes activos dentro de un circuito integrado es frecuente el uso de fuentes de intensidad, es muy poco probable encontrarse con una fuente de este tipo en forma de dispositivo en un laboratorio de electrónica. Así nos dedicaremos a mencionar, únicamente, las fuentes de tensión, que como su propio nombre indica, una fuente de tensión ha de ser capaz de mantener una tensión de salida constante para cualquier valor de la carga que esté alimentando. Así, en la figura 2, aparece una fuente de 5V proporcionando alimentación a una carga con una resistencia equivalente de 1 KΩ, es decir que la fuente estará generando una intensidad de corriente eléctrica de:
y la potencia que estará proporcionando el circuito será:
Ahora bien, si cambiamos la carga por una de 10Ω, tal y como aparece en la Figura 2, los valores de intensidad y potencia generados por la fuente cambiarán:
Para lograr esta independencia de la tensión de salida con la intensidad solicitada por la carga, las fuentes de alimentación utilizan un regulador lineal, que no es otra cosa que un componente con una relación I-V casi vertical, es decir, de tensión prácticamente constante para cualquier valor de la intensidad. Estos reguladores lineales pueden ser de muchas clases, desde aquellos basados en transistores hasta diodos zener. Es a causa del empleo de estos reguladores lineales que a este tipo de fuentes de alimentación se las denomina fuentes de alimentación lineales. Lógicamente, el que la fuente proporcione un nivel de tensión constante no quiere decir que sea capaz de generar potencias arbitrariamente altas. Toda fuente tiene un límite de potencia máxima que es capaz de entregar a la carga, por encima de la cual se correría el riesgo de dañar los componentes internos de la fuente.
Etapas de una fuente de alimentación lineal
Una fuente de alimentación que proporcione un determinado nivel de tensión de corriente continua a partir de corriente alterna de distribución tiene que estar conformada, mínimo, por 3 etapas básicas que son transformación, rectificación, y filtrado. La combinación de estas fases proporciona una tensión de corriente continua dependiente del valor de intensidad entregado por la fuente. Es decir, que dependiendo de la carga que se conecte a la fuente de alimentación, la tensión de salida puede sufrir variaciones. Esta dependencia no es apropiada para una fuente de tensión, que por definición ha de proporcionar un valor de tensión en sus bornes independiente de la intensidad entregada (siempre que la potencia generada por la fuente esté dentro de sus parámetros máximos). Para lograr esto, se introduce una cuarta etapa en las fuentes de alimentación, la etapa de regulación (figura 3). Para ello se emplean los reguladores lineales, de donde proviene el nombre de fuentes de alimentación lineales o incluso fuentes de alimentación reguladas lineales.
1. Transformación: El objetivo de la etapa de transformación es adecuar el nivel de la señal eléctrica proveniente de la distribución a aquel nivel requerido por las etapas posteriores. El componente que realiza esta función es el transformador, formado por la unión de dos o más bobinas, y cuyo símbolo es el mostrado en la figura 4.
2. Rectificación: La etapa de transformación cambia la amplitud de la señal alterna de entrada, pero esa señal sigue siendo alterna. Las fuentes de alimentación lineales deben proporcionar a los circuitos electrónicos corriente continua, por lo que es necesario algún tipo de dispositivo capaz de realizar esa conversión. A ese dispositivo se le denomina rectificador. Existen muchas clases de rectificadores que veremos a continuación , aunque todos ellos se basan en diodos (ya sean diodos semiconductores, diodos de vacío, válvulas gaseosas, etc.) Parece lógico que así sea, puesto que el diodo es un componente que permite el paso de la corriente en un único sentido, lo cual lo hace ideal para transformar corriente alterna (que circula en ambos sentidos) en corriente continua (que lo hace únicamente en uno).
2.1 Rectificador de media onda: El rectificador mas sencillo posible es llamado rectificador de media onda. Una corriente alterna de entrada atraviesa un diodo y alimenta una carga. Suponiendo que el diodo es ideal, durante la mitad del ciclo en que la tensión Vs es positiva (semiciclo positivo), el diodo estará directamente polarizado y por tanto permitirá el paso de la corriente entrando el ánodo y saliendo por el cátodo. Durante la otra mitad del ciclo (semiciclo negativo) estará inversamente polarizado y se comportará como un circuito abierto. La corriente que circulará por la carga tendrá valores siempre positivos, o lo que es lo mismo, un único sentido. La Figura 5 muestra la señal de tensión alterna generada por la fuente.
2.2 Rectificador de onda completa: Los rectificadores de media onda tienen la desventaja de que la señal rectificada es nula durante la mitad del ciclo, lo cual supone una tensión efectiva de salida inferior. Para evitar esto, pueden utilizarse rectificadores de onda completa, como el que aparece en la Figura 6.a . Durante el semiciclo positivo, la corriente circulará por los diodos D1 y D3, mientras que durante el semiciclo negativo lo hará por D2 y D4. En ambos casos la corriente eléctrica atraviesa la carga en el mismo sentido, dando lugar a una intensidad con una forma de onda como la mostrada en la Figura 6.b. Este montaje recibe el nombre de puente de diodos, y su única desventaja es el requerir cuatro diodos en lugar de uno solo.
3. Filtrado: A la salida de la etapa de rectificación, la señal de tensión, si bien es siempre positiva, sigue variando con una frecuencia igual a la señal alterna de entrada. Esta señal no es por tanto adecuada para alimentar los circuitos electrónicos, que necesitan un nivel constante de tensión de alimentación. Por ello, es necesaria una etapa de filtrado que elimine esta componente en frecuencia. El filtro más sencillo consiste en un condensador colocado en paralelo con la carga, como se muestra en la Figura 7. De esta manera se puede asumir que el condensador se comportará como un circuito abierto para la componente continua, mientras que para la componente alterna lo hará como un cortocircuito. De este modo, en alterna la carga estará cortocircuitada a tierra (es decir, la amplitud alterna de salida será nula), por lo cual únicamente la componente continua de la tensión alcanzará la carga.
4. Regulación: La salida de la etapa de filtrado proporciona un nivel de tensión constante para un determinado valor de la resistencia de carga, entonces ¿De dónde surge la necesidad de una etapa adicional de regulación?. Hasta ahora se ha supuesto que los componentes de nuestra fuente carecían por completo de resistencias parásitas; en estas circunstancias, la utilidad de la etapa de regulación puede ser la mejor opción para nuestra fuente, de esa manera completamos el flujo para la creación de una fuente lineal básica, como vemos en la figura 8.
Por otra parte hay que mencionar que no solamente se cuenta con fuentes lineales, ya que aunque también hay otras que utilizan un regulador lineal, no son lineales propiamente, estas son las fuentes conmutadas. La diferencia con las anteriores estriba en la forma en que la corriente alterna de entrada se escala a valores de tensión apropiados para el resto de las etapas de la fuente. Mientras que las fuentes lineales, en sentido estricto, utilizan un transformador operando sobre la señal alterna de entrada, las fuentes conmutadas elevan la frecuencia de esta señal alterna mediante una serie de transistores cambiando muy rápidamente entre sus zonas de corte y saturación; esta señal de muy alta frecuencia puede ser posteriormente modificada con un transformador mucho más pequeño (y económico), pero ese tema lo veremos en una próxima entrada ya que el tema es amplio y merece la pena tener su propia entrada, así que por el momento esto sería todo con la introducción a las fuentes de alimentación.
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Un artículo muy completo para lo que se inician en las fuentes conmutadas, gracias por compartir
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