Apuntes sobre electrónica de potencia y tiristores del IEDIB

Fuentes de alimentación

Apuntes GM_0233 4.1 Institut d'Ensenyaments a Distancia de les Illes Sitio: Balears Curso: Electrónica Libro: Apuntes GM_0233 4.1 Imprimido por: Jordi Pujol Resa Día: viernes, 11 de abril de 2025, 10:31Tabla de contenidos

1. Fuentes de alimentación
2. Elementos de una fuente de alimentación
1. Etapas de rectificación y filtrado
2. La etapa de regulación
3. Estabilizador de tensión con diodo Zener
4. Estabilizador de tensión con regulador integrado
3. Fuentes de alimentación con tensiones simétricas
4. Fuentes de alimentación conmutadas
1. Convertidor flyback
2. Convertidor forward
3. Convertidor simétrico en puente o contrafase
4. El circuito de regulación y control
5. Electrónica de potencia
6. El tiristor
1. Funcionamiento del tiristor
2. Estados de un tiristor
3. Activación y bloqueo de un tiristor
4. Curva característica
7. El triac
1. Funcionamiento y aplicaciones de los triacs
2. Curva característica
8. El diac
9. Otros dispositivos semiconductores de potencia
10. Aplicaciones con electrónica de potencia
11. Ejercicios de autoevaluación

Introducción a las fuentes de alimentación

1. Fuentes de alimentación INTRODUCCIÓN O Una fuente de alimentación es un sistema electrónico capaz de transformar una corriente alterna (CA) en una o varias corrientes continuas (CC). La salida de la fuente de alimentación deberá ser una corriente continua con unas características adecuadas para el tipo de aplicación al que se debe suministrar la energía. Estas características serán habitualmente el valor de la tensión de salida, su estabilidad, la capacidad de regulación , la potencia, etc. En electrónica, la gran mayoría de los circuitos funcionan mediante una determinada tensión de alimentación continua, proveniente, generalmente, de una fuente de alimentación que se alimenta en corriente alterna. Es el caso, por ejemplo, de los ordenadores, los televisores o las cadenas de audio. Existen también muchos otros dispositivos que se alimentan directamente con la corriente continua procedente de una batería alojada en su interior, la cual es recargada a su vez con una fuente de alimentación que se alimenta también en corriente alterna. Este sería el caso, por ejemplo, de los teléfonos móviles, las tablets o los libros electrónicos. Por tanto, tanto en un caso como en el otro, las fuentes de alimentación juegan un papel fundamental para proporcionar las corrientes continuas necesarias para el funcionamiento de los equipos electrónicos. El estudio de las fuentes de alimentación se realiza basándose en componentes y dispositivos ya vistos en las entregas anteriores. IMPORTANTE I Una fuente de alimentación es un sistema electrónico capaz de convertir una corriente alterna en una tensión continua adecuada para poder alimentar los circuitos electrónicos conectados a ella.

Esquema de bloques de una fuente de alimentación

El siguiente diagrama muestra el esquema de bloques de una fuente de alimentación, con los distintos elementos existentes entre la entrada en CA (Red) y la salida en CC (Carga): RED Transformador Rectificador Filtro - tensión de salida - Carga El transformador es el primer bloque de una fuente de alimentación. Se conecta a la corriente alterna de entrada (normalmente a 230 V) y proporciona a su salida una corriente alterna de valor similar al que debe proporcionar la fuente (por ejemplo, 12 V). En realidad, el transformador cumple una doble misión: además de obtener en susecundario una tensión similar a la de la salida de la fuente, proporciona también aislamiento eléctrico entre la red de alimentación y la salida de la fuente. El segundo bloque, el rectificador, realizará la conversión de la corriente alterna proporcionada por el secundario del transformador en una corriente continua pulsante, que tendrá siempre el mismo sentido, aunque llevará un rizado superpuesto. El tercer bloque, el filtro, realizará la función de intentar reducir y suavizar el nivel de rizado existente a la salida del rectificador, con el objetivo de proporcionar a la carga una tensión continua más estable. Sin embargo, el filtro permite reducir el rizado existente en la salida, pero no puede por si solo garantizar que la tensión de salida de la fuente se va a mantener estable ante perturbaciones en la corriente alterna de entrada o ante variaciones de la carga conectada a su salida. Por ello, cuando se requiere una alta estabilidad en la tensión de salida, se añade un bloque adicional a la fuente de alimentación, que constituye el bloque de regulación o estabilización. En este caso, hablaremos de una fuente de alimentación regulada y estabilizada, cuyo diagrama de bloques va a ser el mostrado en la siguiente figura: RED Transformador Rectificador Filtro Regulador o estabilizador tensión de salida Carga Fuentes de alimentación para Pc's Catálogo comercial de fuentes de alimentación AMPLIACIÓN

Elementos de una fuente de alimentación

2. Elementos de una fuente de alimentación PC 5 Enchufe Fuente Corriente directa Corriente alterna Como ya hemos indicado, una fuente de alimentación está compuesta por los siguientes bloques funcionales:

• Transformador de potencia: es el primer elemento que constituye una fuente de alimentación. Toma la energía de la red eléctrica en corriente alterna y, como ésta tiene unos valores de tensión muy elevados para la mayoría de los circuitos electrónicos, reduce su tensión a valores más adecuados. De este modo, antes del rectificador encontraremos una etapa encargada de reducir el voltaje, consistente en un simple transformador. Este transformador proporciona dos ventajas: una tensión de salida de valor más adecuado para poder ser empleada en un circuito electrónico y un aislamiento eléctrico entre el circuito y la red eléctrica.
• Rectificador: el siguiente bloque realiza la conversión de la corriente alterna procedente del transformador en corriente continua, es decir, la corriente que entrega el transformador se hará pasar por un rectificador que eliminará los semiperiodos negativos de la señal, convirtiendo la señal alterna senoidal de entrada (sin componente continua) en una tensión de salida pulsante que contiene un determinado valor de corriente continua.
• Filtro: tras el proceso de rectificación, será necesario eliminar o reducir todo lo posible el resto de componente alterna (rizado) o fluctuación que pudiera quedar en la tensión de salida. Esto se consigue mediante una etapa de filtrado.

Los bloques hasta ahora vistos, conforman una fuente de alimentación elemental, capaz de suministrar una corriente continua a circuitos electrónicos poco exigentes. Si queremos una fuente de alimentación más completa, debemos introducir un bloque adicional que estabilice la tensión de salida frente a variaciones de la tensión de entrada o de la carga conectada a la salida. Este bloque es el llamado Regulador o estabilizador:

• Regulador o estabilizador: es el bloque encargado de mantener una estabilización o regulación constante del voltaje y la intensidad de salida, para que se mantengan dentro de los límites para los que la fuente de alimentación fue diseñada.

13 Vred T1 R1 2 120 V 160 Hz ODegi 1.0kg Dz >Rc ≥1.0k0 3 3N24 1001F 02BZ2.2 OND GND GND GND GND RED Transformador Rectificador Filtro Regulador 0 Estabilizador Tensión de salida Figura: Esquema de una fuente de alimentación estabilizada. 12 16 CF NLT_PQ_4_10;

Etapas de rectificación y filtrado

D2.1. Etapas de rectificación y filtrado Los principales conceptos de las etapas de rectificación y de filtrado han sido ya vistos en la entrega anterior. Se remite a los apuntes de la Entrega 3 para resolver cualquier duda sobre las mismas. En relación a la etapa de rectificación, recuerda que vimos los siguientes tipos de rectificadores:

• Rectificador monofásico de media onda
• Rectificador monofásico de onda completa
• Rectificador trifásico de media onda
• Rectificador trifásico de onda completa

Todo ellos entregaban a su salida una determinada tensión continua con un cierto rizado superpuesto. Para valorar la calidad de la señal de salida resultante, se utiliza el llamado "Factor de rizado", FR, que es la relación entre el valor eficaz de la ondulación superpuesta y el valor medio de la señal rectificada. Recuerda que un rectificador ideal sería aquel que convirtiera la tensión alterna presente en su entrada, en una tensión continua constante en su salida, sin ninguna ondulación superpuesta. En consecuencia, el Factor de rizado a la salida de un rectificador ideal sería igual a 0. Sin embargo, las características de un rectificador real difieren sensiblemente de las ideales, de manera que el Factor de rizado de un rectificador monofásico de media onda es 1,21 y el de un rectificador monofásico de onda completa es 0,48, tal como vimos en el entrega anterior. En cuanto a la etapa de filtrado, recuerda que vimos que existían diversos tipos de configuraciones para los filtros, todas ellas con el objetivo de reducir o atenuar el rizado existente a la salida del rectificador: AV Entrada t V Salida real t V Salida ideal Las fuentes de alimentación incorporan una etapa de filtrado para "alisar" en la medida de lo posible la tensión entregada a su salida. De hecho, el factor de rizado de la ondulación existente a la salida de la fuente de alimentación es uno de los principales parámetros a tener en cuenta para valorar la calidad de la misma. Recuerda que básicamente los filtros se encuentran formados por condensadores y bobinas, y que se sitúan a continuación del rectificador.El filtro más utilizado es colocar un condensador en paralelo con la resistencia de carga. Este condensador se carga cuando los diodos conducen y se descarga sobre la resistencia de carga en el intervalo en que los diodos dejan de conducir. La efectividad de un filtro dependerá de la duración del intervalo en el que los diodos no conduzcan, ya que es cuando el condensador tendrá que suministrar corriente a la resistencia de carga. Así, el mismo filtro funcionará mejor en una señal rectificada de doble onda que en uno de media onda, ya que el intervalo de trabajo de la primera es menor. Otro filtro más eficaz es el filtro en «PI». Estos mejoran la tensión de salida pero resultan más caros, voluminosos y pesados por contener bobinas. Con la aparición de los circuitos regulados su uso en pequeñas potencias se ha reducido, quedando relegados únicamente a fuentes de alimentación de gran potencia.