Fuentes de Poder 1/14

Transcripción

1 Fuenes de Poder 1/14 1. nroducción Una fuene de poder es equipo diseñado para suminisrar una señal de c.c. consane y esable en el iempo. Puede represenarse a ravés del siguiene diagrama de bloques. (Figura 1). M.O. 1ac O.. x D Red de Alimenación ransformador Recificador Filro Regulador R Figura 1 En la figura 1, la carga (R ) represena la impedancia de enrada del equipo elécrico al cual se le suminisra la señal generada por la fuene. a red de alimenación represena la señal proveniene de la compañía de elecricidad. Se considera aquí como una señal senoidal de 60 Hz. de 10 ó 40 eficaz. os bloques enre la red de alimenación y la carga es el ema de esudio. a figura 1 muesra ambién la ransformación que sufre la señal proveniene de la red de alimenación al pasar por cada bloque de la fuene de poder hasa converirse en una señal compleamene lisa en la carga.. ransformador Es el bloque encargado de adapar el nivel de la señal de c.a. proveniene de la red de alimenación (10 ó 40) al nivel que se requiere en la fuene para el suminisro en la carga. (Figura ). 1ac ransformador 1ac 1ac Señal proveniene de la red de alimenación Señal en el secundario del ransformador Figura

2 Fuenes de Poder /14 3. Recificador El bloque recificador se encarga de converir la señal de c.a. proveniene del secundario del ransformador (), en una señal de c.c. pulsane; es decir, conviere una señal bipolar de enrada en una señal monopolar. a recificación de la señal se hace a ravés de diodos y puede ser de dos ipos: media onda u onda complea. (Figura 3) p () p p () () Media Onda p S p Onda omplea Figura 3 a forma de onda de la señal de salida del recificador (pulsos senoidales) presena una ondulación o rizo, lo que indica que esa señal presena componenes de c.a Recificación de Media Onda a señal de salida de un recificador de media onda () se expresa como: 1 1 ( ) p + cos w + cos w cos 4w + π 3π 15π En esa expresión se observa una componene de c.c. y varias componenes de c.a. a componene de c.c. se conoce como alor Medio de () o D : p D D p π as componenes de c.a corresponden a un volaje, denominado olaje de Rizado, riz(): ac( ) ( ) riz( ) D a relación enre el valor eficaz del volaje de rizado riz (rms) y el valor medio de () se conoce como Facor de Rizado (r), el cual es medido en porcenaje a ravés de la ecuación:

3 Fuenes de Poder 3/14 riz % r D 100 El valor eficaz del volaje de rizado riz(), se evalúa por definición, como: 1 riz ) ( riz( ) 0 d, con π riz 0. p 385 Por ano el porcenaje de rizado %r en la salida de un recificador de media onda es: p % r p % r 11% Ese valor de 11% como porcenaje de rizado indica que la señal de salida de un recificador de media onda iene una ala canidad de componenes alernas y en cieros casos donde se requiera una señal muy esable, ese recificador no sería el mas apropiado. 3.. Recificación de Onda omplea a señal de salida de un recificador de media onda () se expresa como: on una componene de c.c. D igual a: 4 4 ( ) p + cos w cos 4w + π 3π 15π D p D p π Y un volaje de rizado eficaz: rizado es: riz p. De al modo que el porcenaje de p % r p % r 48% El valor del porcenaje de rizado en un recificador de onda complea indica que la señal de salida de un recificador de ese ipo iene una menor canidad de componenes alernas, en comparación con el recificador de media onda, por lo cual los recificadores de onda complea son mas eficaces cuando se requiere obener una señal de c.c. con poca ondulación.

4 Fuenes de Poder 4/14 4. Filrado El rizado en la señal de salida del recificador puede disminuirse con la inclusión de un condensador en paralelo con la salida del bloque recificador, al como muesra la figura 4. 1ac R ransformador Recificador Filro arga Figura 4 El bloque de filrado es el encargado de aenuar o suavizar la señal de c.c. pulsane o reducir las componenes alernas de la señal enregada por el bloque recificador, para lograr así una señal de c.c mas lisa; a ravés del proceso de carga y descarga del condensador. a figura 5, muesra ese proceso cuando la señal aplicada en una señal proveniene de un recificador de media onda y cuando proviene de un recificador de onda complea. Recificador de Media Onda on Filro Señal del recificador de Media Onda. Señal en el ondensador (x) p c d rizpp Recificador de Onda omplea on Filro Señal del recificador de Onda omplea. Señal en el ondensador (x) p c d rizpp / 3/ Figura 5 uando el diodo esá polarizado direcamene, la corriene fluye a ravés del condensador y ese se carga hasa el valor pico o máximo de la señal de enrada. Una vez que el condensador esá cargado y la señal de enrada comienza a disminuir, el diodo se polariza inversamene y el condensador se descarga a ravés de la carga R hasa que la señal de enrada nuevamene vuelve a esar por encima del volaje del condensador. a ensión en el condensador es ambién un volaje de rizado, llamado aquí x, al como se observa en la figura 5. Se reduce basane la ondulación con el filro, más no se elimina. El porcenaje de rizado dependerá del ipo de recificación Recificación de Media Onda con ondensador de Filro

5 Fuenes de Poder 5/14 El esquema circuial de una fuene de poder con recificación de media onda, no regulada se muesra en la figura 6. D x 1ac R Figura 6 a figura 5 muesra la señal de volaje en el condensador (x), donde se observa los iempos de carga y descarga del condensador. El iempo de carga (c) es menor que el iempo de descarga (d), pueso que la resisencia de carga del condensador, represenada a ravés de la resisencia del diodo en polarización direca (R D ) y la resisencia inerna del ransformador, es mucho menor que la resisencia de descarga del condensador (R ). Ese hecho permie aproximar la forma de la onda de la señal x a una señal riangular, considerando que c 0 y d. er figura 7. x M m d rizpp Figura 7 El porcenaje de rizado en la señal x, se expresa como: % r riz XD 100 XD corresponde a la componene de c.c. de la señal x, pero en visa de que el condensador esá en paralelo con la carga R : XD D. El valor eficaz del volaje de rizado en el condensador riz (rms) se calcula omando en cuena que la señal de rizado en el condensador es aproximada a una señal riangular, de al forma que: rizp riz 3

6 Fuenes de Poder 6/14 Donde: rizpp rizp El volaje de rizado pic o pico en el condensador (rizpp ) se obiene a parir de la gráfica de la figura 7, como la diferencia enre los valores M y m. Así: m M c, donde c corresponde al volaje en el condensador cuando ese efecúa el cambio de descarga a carga. De ese modo: rizpp ( c) c M m M M El valor de c se deermina a ravés de la relación volaje corriene en el condensador: 1 c 0 i( ) d onsiderando que i() es la corriene de descarga del condensador, D, ese volaje crizpp, queda como: D rizpp f rizp D f Y así el volaje de rizado eficaz en el condensador es: riz rizp 3 D 3 f on D D y XD D se iene el porcenaje de rizado como: R riz( rms) D % r fr XD D % r fr En ese puno, conociendo el volaje en el condensador se puede deerminar el valor de volaje en el secundario del ransformador necesario para el rabajo final de la fuene de poder (enrega de energía a la carga). El valor pico del secundario del ransformador (p) se mide a ravés de una malla, al como muesra la figura 8.

7 Fuenes de Poder 7/14 γ R D x 1ac i D R Figura 8 γ + R D D represena la caída en el diodo y D + rizp represena la caída en la carga. p γ + R + + rizp D D D 4.. Recificación de Onda omplea con ondensador de Filro os esquemas circuiales básicos de una fuene de poder con recificación de onda complea, no regulada se muesra en la figura 9. D 1 1ac Recificador de Onda omplea D R con ransformador de oma enral. D D 4 D 1 1ac D D 3 D R Recificador de Onda omplea con Puene de Diodos. Figura 9 Sea cual sea el ipo de configuración para el bloque recificador: circuio recificador con ransformador de oma cenral o circuio recificador con puene de diodos, la señal de salida resulane es la misma. a diferencia en la señal de salida de un recificador de onda complea y un recificador de media onda (ver figura 3) esá en su período, al que:

8 Fuenes de Poder 8/14 MediaOnda Ondaomplea, lo que implica que: f Ondaomplea f MediaOnda El hecho de que la frecuencia de una señal de onda complea sea el doble de la frecuencia de una señal de media onda indica que las ecuaciones para: rizpp, rizp, riz (rms) y %r, se modifican en el érmino frecuencia, quedando ahora las ecuaciones como: rizpp rizp D f D 4 f riz D 4 3 f % r fr El volaje en el secundario del ransformador (p) depende del esquema circuial uilizado en el bloque recificador. Sea cual sea el esquema uilizado, el valor de p se deermina a ravés de una malla (ransformador-diodo-carga). En el recificador de onda complea con ransformador de oma cenral, sólo un diodo rabaja en cada semiciclo de la señal de enrada, por ano p se obiene como: p γ + R + + rizp D D D Ahora en el recificador de onda complea con puene de diodos, dos diodos rabajan en cada semiciclo, con lo que la ecuación anerior cambia un poco para ese caso: 5. Regulación ( + RD D ) + D rizp p γ + El volaje de salida c.c. ( D ) de la fuene de poder varía denro de ciero rango de operación. Eso puede deberse a cambios en el volaje de la línea de alimenación ( 1 ac), que provoca cambios en el secundario del ransformador, o a cambios en la corriene de carga ( D ). El volaje en el secundario del ransformador puede variar enre un mínimo y máximo de acuerdo a la siguiene expresión:

9 Fuenes de Poder 9/14 ( 1± ) n % reg ac os valores de (volaje del secundario variable) y n (alor nominal del volaje ) son valores expresados en rms. El %reg ac, se refiere a la variación presene en la señal proveniene de la red de alimenación ( 1 ac). Asi: ( 1+ reg ac máx n % ) y mín n( 1 % ) reg ac on respeco a la corriene en la carga, D varía enre los valores DMAX e Dmin. El volaje de salida de la fuene sin carga se reduce cuando se coneca la carga, el cambio de una condición a ora (sin carga, sc y a plena carga, pc) se evalúa mediane el facor de regulación (%reg): c pc % reg 100 c Donde los valores: c olaje sin carga y pc olaje plena carga, son valores de c.c. El c D sc se consigue para carga mínima, es decir para D Dmin y el pc D pc se consigue para carga máxima o D DMAX. Mienras mas pequeña sea la regulación de volaje mejor es la operación de la fuene, pueso que eso significa que el volaje de salida de la fuene es independiene de las variaciones en el volaje de la línea de alimenación, 1 ac, o del consumo de corriene en la carga, D. Eso dice enonces, que no sólo un %r pequeño es indicaivo de una buena fuene, sino que ambién esa debe ener un %reg pequeño. Una de las formas para manener consane el volaje de salida de c.c. de la fuene a pesar de las variaciones, es con la inclusión de un diodo zener en paralelo con la carga, (figura 10), asegurando previamene que el zener rabaje en la zona zener. x Rp 1ac Z Z D R ransformador Recificador Filro Regulador arga Figura 10 El bloque regulador esá formado, al cual se observa en la figura 10, por un diodo zener polarizado inversamene y una resisencia de proección Rp que permie que a ravés

10 Fuenes de Poder 10/14 del zener circule una corriene enre los valores ZMN e ZMAX que definen la zona zener juno al volaje z. El zener una vez en la zona zener acúa como una baería de valor z en el modelo ideal, y esa baería en serie con una resisencia Rz en el modelo linealizado. omando en cuena el modelo linealizado del zener, el esquema circuial equivalene del bloque zener-carga mosrado en la figura 11 permie deerminar el %reg. Rp Rp R D z Z Z D R D Z Rz D Figura 11 D sc D pc % reg 100 sc D sc se obiene para carga mínima Dmin y en ese caso zzmax, por lo ano: D D sc z + Rzzmáx D pc se obiene para carga máxima DMAX y en ese caso zzmín, por lo ano: D pc z + Rzzmín El facor de rizado ambién es indicaivo del buen desempeño de una fuene de poder. on la fuene regulada, el %r se deermina a parir del volaje de rizado en el condensador (riz ). El volaje de rizado es un volaje de c.a. por ano se pare del equivalene de c.a. de la fuene a parir de la salida del filro. Ese equivalene circuial se muesra en la figura 1. Rp Rp riz rms Z R riz rmsr rizrms Rz R riz rmsr Figura 1

11 Fuenes de Poder 11/14 El porcenaje de rizado en la carga se mide a ravés de: % r R riz R D 100 El volaje de rizado eficaz en la carga R, se puede obener a ravés de un divisor de ensión en el esquema de la figura 1, como: riz R riz Rp + ( Rz // R ) ( Rz // R ) Y el paralelo carga-zener indica que: 6. Análisis ircuial de Fuenes de Poder Reguladas D z. omando como base una fuene de poder regulada con recificación de media onda se explica aquí el análisis circuial para el diseño de fuenes de poder, el cual puede adaparse para cualquier oro ipo de recificación. a figura 13 muesra el esquema básico de una fuene de poder regulada con recificación de media onda. D X Rp 1ac z Z R D Figura 13 El funcionamieno adecuado de una fuene de poder regulada se logra asegurando que el diodo zener rabaje denro de la zona zener, de al manera que: ZMN < Z < ZMAX y x > z El volaje recificado y filrado, x, iene una componene de c.c. ( XD ) y componenes de c.a. (riz ). XD se evalúa en c.c. a ravés de una malla: Rp z, siendo, la corriene a XD + ravés de Rp y corriene de descarga del condensador, medida como: z +. D

12 Fuenes de Poder 1/14 a componene de c.c. de x debe ser al que pueda superar el volaje del zener a pesar de la caída en Rp. Por al razón, es aconsejable verificar que se cumpla la condición: XD 1. 5z En c.a. debe considerarse el volaje de rizado en el condensador (figura 14), de al forma que el valor pico inferior de la onda de rizado en el condensador nunca esé por debajo del volaje del zener. Esa condición se asegura a ravés del llamado margen de seguridad, que indica: XD z >> rizp x XD z Margen de Seguridad rizp rizpp Figura 14 En una fuene de poder no regulada con recificación de media onda el rizp se deermina a ravés de la ecuación: rizp D f En ese caso, el condensador se descarga a ravés de la carga R con la corriene D. Ahora, al incluir el bloque regulador el condensador se descarga a ravés de la resisencia Rp, con la corriene y la ecuación para el rizp cambia: rizp f Enonces: XD z >> f Así, se puede deerminar el valor del condensador necesario para asegurar la operación del zener denro de la zona zener: >> f ( z) XD

13 Fuenes de Poder 13/14 Qué an mayor se elige? El valor del condensador se elige 5 o 10 veces mayor que la relación para luego normalizarlo al inmediao superior. f ( z) XD, a normalización del valor de un elemeno calculado maemáicamene consise en llevarlo a un valor exisene en el mercado. No es una aproximación, sino una esandarización del valor calculado. A la hora de normalizar el condensador ambién debe omarse en cuena que ese se carga hasa el valor pico de la señal de ensión en el secundario (p), por al razón el condensador debe ser capaz de soporar ese nivel de ensión y así: c > p. El valor de Rp se obiene a parir de Rp z : XD + Rp XD z Ese valor de Rp debe ser normalizado al inmediao inferior para asegurar que z> ZMN. a ubicación de z denro de los valores límies especificados por el fabricane ( ZMN, ZMAX ) esablece dos condiciones para el análisis y diseño de fuenes de poder reguladas. ondición 1: Es la condición que produce corriene mínima por el zener (zmin) y se da cuando D es máxima ( DMAX ) y es mínimo (min). El valor de DMAX así como el de Dmin es conocido (la carga a alimenar se conoce). El zmin, se selecciona un poco mayor que el ZMN es decir: zmin > ZMN. Se aconseja sumarle 5 o 10 unidades al valor de ZMN para ener el zmin de rabajo en la fuene. En ese puno se recomienda verificar, si es posible, la condición: XD 1. 5z manener el margen de seguridad, así como ambién deerminar o comprobar que: para >> y f ( z) XD Rp XD z omando en cuena que z + D es bajo esa condición: zmín + DMAX. os valores de y Rp se normalizan para luego deerminar el valor de n, sabiendo que:

14 Fuenes de Poder 14/14 mín n con ( 1 % reg ac ) pmín mín pmín γ + R + + rizp D XD pueso que ahora el valor de p corresponde a la caída en la carga mas la caída en el condensador con descarga a ravés de Rp con. El valor de n calculado se normaliza al inmediao superior y ese valor resulane se uiliza en la condición. ondición : Es la condición que produce corriene máxima por el zener (zmáx) y se da cuando D es mínima ( Dmin ) y es máximo (máx). zmáx debe ser menor que ZMAX para asegurar que el zener no salga de la zona zener. Para verificar eso se deermina el valor de zmáx en la fuene, a ravés de: z + D, siendo para esa condición: zmáx + D. Así: min zmáx D min El valor de en esa condición se deermina a ravés de: pmáx γ + R + + rizp D XD pmáx máx y máx n( 1+ % reg ac ) XD Rp + z rizp f Enonces: pmáx γ + RD + Rp + z + y la corriene en la condición es: f pmáx γ z R D + Rp + 1 f on se calcula enonces zmáx, para su comprobación con ZMAX y por supueso verificar el comporamieno adecuado del zener como regulador en la fuene.