Capítulo 3 Unidad de Potencia

Transcripción

1 apítulo 3 Undad de Potenca Una fuente de almentacón de corrente drecta cd converte la energía de una línea de corrente alterna ca en corrente contnua ó drecta, que es una voltaje constante a un valor deseado. La energía de entrada de ca es rectfcada prmeramente para proporconar una cd pulsante y luego fltrada para producr una voltaje semestable. Fnalmente, el voltaje puede regularse para mantener un nvel de salda constante a pesar de las fluctuacones de la tensón de línea o de la carga del crcuto. La rectfcacón, el fltrado y la regulacón en una fuente de almentacón de cd se muestra en la fgura Rectfcacón Fgura 3.1 Dagrama a bloque de una fuente regulada El crcuto rectfcador más adecuado para una aplcacón depende de los requermentos de voltaje y corrente de cd, de la magntud de la ondulacón que puede tolerar el crcuto y del tpo de energía de ca dsponble. La forma de onda deal de voltaje debe ser lo más plana posble (acercándose a una cd cas pura), la rectfcacón se clasfca ya sea como de meda onda o de onda completa Rectfcacón de meda onda. El rectfcador de meda onda generalmente es usado para aplcacones de baja corrente, o de alta frecuenca, ya que requere un fltrado mayor para mantener el voltaje de cd que un rectfcador de onda completa. La fgura 3.2 (a) muestra un crcuto rectfcador de meda onda smple. uando el voltaje de entrada es postvo, el dodo está polarzado drectamente y es posble sustturlo por un corto crcuto (suponendo que el dodo sea deal), por el lado contraro, s el voltaje de entrada es negatvo, el dodo está polarzado en forma nversa, y puede sustturse por un crcuto aberto. Fgura 3.2 (a) Rectfcador de meda onda (b) oltaje de salda de cd. 33

2 omo se muestra en la fgura 3.2 (b) el rectfcador de meda onda smple no posee una buena aproxmacón a un voltaje de cd constante a la salda de su forma de onda; posee un factor de rzado sgnfcatvamente elevado, lo que sgnfca que tene más componentes de tensón de ca en su salda que componentes de tensón de cd Rectfcacón de onda completa. El crcuto puente de onda completa transfere energía de la entrada a la salda durante ambas mtades del cclo de entrada, como se muestra en la fgura 3.3(b) emplea cuatro dodos rectfcadores. Es utlzado para exponer a cada dodo ndvdual a la mtad de la tensón nversa de pco para la msma tensón de salda. A través de cada rectfcador crcula sólo el 50 % de la corrente total. (a) (b) Fgura 3.2.a oltaje de entrada de ca, 3.2.b oltaje de cd pulsante (c) 3.2 Fltrado Las etapas de fltrado se utlzan generalmente para suavzar la ondulacón de ca (voltaje de rzo) a la salda de un crcuto rectfcador está suavzacón de la onda se conoce como voltaje de rzo. Los fltros pueden ser de dos tpos báscos: de entrada a choke nductvo y de entrada capactva fgura 3.3. Fgura 3.3 (a) Entrada a choke nductvo (b) Entrada capactva 34

3 El más smple de estas etapas de fltrado es la de entrada capactva, este tpo de fltrado se emplea comúnmente en crcutos de baja corrente en los cuales se puede tolerar un voltaje de rzo bastante grande. Una capactanca grande reduce el voltaje de rzo pero se debe tener cudado ya que el rectfcador se calenta a causa de las excesvas correntes efcaces y de pco, esto es, el capactor se carga hasta aproxmadamente el pco de la tensón de entrada en cada semcclo de conduccón del rectfcador. La corrente que se drge a la carga es sumnstrada entonces por el capactor, y no por la fuente de almentacón, hasta que la tensón de entrada vuelva a ser gual a la tensón exstente a través del capactor en el semcclo sguente. En la fgura 3.3 se muestra esta confguracón. Fgura 3.3.a Fuente de almentacón de cd no regulada 3.3.b aracón del voltaje de carga de cd a plena carga 3.3 Porcentaje de regulacón Una forma de caracterzar el funconamento de una fuente de almentacón de cd es medante el porcento de regulacón de voltaje para ello, se mde el voltaje sn carga y el voltaje a plena carga de la fuente. cd NL cd FL % de regulacónde voltaje= 100 cd NL : oltaje de corrente drecta sn carga. cd FL : oltaje de corrente drecta a plena carga. cd FL (Ec.3.1) La fuente de almentacón no regulada tene dos característcas ndeseables: al aumentar el consumo de corrente en la carga, el voltaje de cd dsmnuye mentras que le voltaje de rzo de ca aumenta. Para atenuar estas desventajas se añade una seccón de regulacón de voltaje y por lo tanto se converte en una fuente regulada de voltaje. 3.4 Regulacón La regulacón de una fuente de almentacón de cd se efectúa generalmente medante algún tpo de crcuto realmentado que detecta cualquer varacón en la salda de cd y desarrolla una señal de control para anular esta varacón. En consecuenca, la salda se mantene cas constante. 35

4 Reguladores de voltaje Lneales Los reguladores de voltaje ntegrados se clasfcan de acuerdo con cuatro característcas: 1. Polardad: negatva, postva o bpolares. 2. antdad de termnales: tres termnales o varas termnales. 3. oltaje de salda fjo o varable. 4. orrente de salda: el valor de las correntes de salda vara desde 0.1 hasta 3 A aracterístcas comunes El voltaje nstantáneo de entrada de un regulador ntegrado sempre debe exceder al voltaje de salda de D, por una cantdad que por lo general va de 0.5 a 3 como mínmo. A esta condcón se la conoce como voltaje nstantáneo mínmo de entrada- salda, voltaje de caída. Aunque se puede obtener un cd FL con un valor bastante alto para lograr así un margen amplo, hay que tener en cuenta que el calor dspado por el regulador en el peor de los casos es P. Un cd FL mayor dspa más calor en el regulador. P= L FL ( cd FL - O reg ) (Ec. 3.2) cd FL : oltaje de corrente drecta a plena carga. L FL : orrente de carga a plena carga. O reg : oltaje de salda del regulador. La parte de voltaje de referenca del regulador es en realdad lo que determna la caldad de la etapa de regulacón. ualquer nestabldad, rudo o varacón térmca de la referenca repercutrá drectamente en la salda. Los crcutos nternos de estos dspostvos cuentan con dferentes etapas de segurdad que evtan la falla del regulador apagándolo. Al elmnar la falla, el regulador vuelve a trabajar. 1. Lmtacón de corrente: consttuye el control contra cortos, s se rebasa un valor determnado de la corrente de carga, se lmta automátcamente la corrente de salda hasta que se elmna la sobrecarga. 2. Área de segurdad: mde la dferenca del voltaje y de la corrente de entrada y de salda para comprobar que no exsta nnguna combnacón no permtda reacconando ante un excesvo dferencal de entrada/salda. 3. Límte térmco: mde la temperatura para verfcar que cuentan con una adecuada dspacón de calor evtando temperaturas demasado altas en la unón. 36

5 3.5 Drver de la corrente de salda Muchas aplcacones requeren sumnstros de corrente superores a la capacdad de los reguladores de tres termnales. El empleo de transstores sere externos como los que se muestran en las fguras 3.5(a) y 3.5(b) permte ncrementar sustancalmente la ntensdad de corrente de salda. La fgura 3.5(a) muestra la confguracón básca, mentras que en la fgura 3.7(b) se añade una proteccón de cortocrcuto para el transstor sere externo. (a) Fgura 3.4 Transstores externos para ncrementar la corrente de salda. a) Transstor sere smple; b) elevador de corrente con proteccón de cortocrcuto. (b) El valor de R b establece el punto en el que el transstor externo comenza a conducr y se obtene de R = g 1 Re b (Ec 3.3) Q = R1 R 1 1 (Ec. 3.4) Q 1 = R 1 ( Re g b ) (Ec. 3.5) = β (Ec. 3.6) c b R b ( ON ) Q1 = (Ec. 3.7) sal reg (max) β sal(max) Q1 ( ON ) Q1 = β Q ( ) 1 reg (max) (Ec. 3.8) R b La ntensdad de corrente de cortocrcuto está determnada por Rsc y el voltaje base emsor de Q2. ( ON ) RS = Q 2 S (Ec. 3.9) 37

6 3.6 nterruptor Electrónco Una aplcacón básca de los transstores es ser usados como nterruptores electróncos para el control de corrente en una carga externa. Hay dos formas de conectar la carga, como se muestra en la fgura 3.5. uando la carga es colocada en dervacón con el transstor, una resstenca Rc es conectada en sere entre la red paralela y la fuente de voltaje. uando el nterruptor esta en corte (OFF), la corrente fluye a través de la carga y la resstenca R en sere. uando el transstor esta saturado (ON), la carga es cortocrcutada y la corrente esta drgda desde la carga a través del transstor. (a) (b) Fgura 3.5.a arga en sere con el transstor, 3.6.b arga en dervacón con el transstor uando una carga externa esta en sere con el transstor, la corrente a través de la carga es la msma que la corrente de colector c. Para entender mejor este funconamento del transstor TBJ como nterruptor se debe consderar las característcas - E. uando un transstor se usa como nterruptor electrónco trabaja solamente dentro de la regón de saturacón (ON) y de corte (OFF). En el nterruptor en dervacón, el voltaje colector-emsor es: E = c R c. (Ec. 3.10) La ecuacón 3.10 representa la recta de carga de la fgura 3.6. Y es la corrente de base quen controla el nterruptor. El transstor entra en la regón de corte cuando B =0, s la unón B-E esta en crcuto aberto entonces B =0. on B=0 no habrá, con esto el voltaje a través de Rc será esencalmente cero, stuando al transstor en la zona de corte. Entonces el E será gual al voltaje de almentacón v. v = 0 (Ec. 3.11) E E R E = v (Ec. 3.12) R = v R (Ec. 3.13) Fgura 3.6 Transstor TBJ como nterruptor, gráfca de E c 38

7 uando la unón B-E es polarzada en drecta fluye corrente en la base. S el transstor esta en la regón actva el resultado será la corrente de colector de la ecuacón 3.6, s B crece, el valor de crecerá hasta que sea gual al valor de saturacón (sat). Al aplcar ncrementos en B no producrá ncrementos en. Podemos usar el hecho que E 0 en la regón de saturacón para encontrar el valor de (sat). omo E 0, la fuente de voltaje caerá a través de R así: E = v R (Ec. 3.14) 0 v R (Ec. 3.15) R v (Ec. 3.16) v ( sat ) (Ec. 3.17) R Para un transstor dado, habrá un mínmo valor de corrente de base necestado para saturar a la corrente de colector, este valor es llamado B(sat). uando la corrente de base B que fluye es mayor que B(sat), el transstor esta saturado con = (sat). De otro forma el transstor esta en la regón actva con =β B. 3.7 onexón a la carga S la carga externa requere correntes muy altas, estas pueden ser sumnstradas por un transstor que es controlado por una corrente-lmte de base y una fuente de voltaje, es posble conectar transstores en como se muestra en la fgura 3.7. La unón base-emsor de Q2 es la carga dervatva de Q1. La corrente de base de Q2 depende de la fuente de voltaje, el resstor R c y BE(ON)Q2. v BE( ON ) Q2 B( Q2) = (Ec. 3.18) R Sempre que Q1 esta saturado la corrente de base de Q2 es práctcamente cero, por lo tanto Q2 esta en corte, y cuando Q1 esta en corte hay una corrente de base B(Q2) para Q2. La corrente a través de la carga es gual que la corrente de colector (Q2). S se escoge el resstor R de tal forma que la corrente de base de Q2 cause saturacón, la corrente en la carga será: v BE( ON ) Q2 ( Q2) = β (Ec. 3.19) R Fgura 3.7 onexón de transstores en cascada 39