La mayoría de los equipos electrónicos utilizan una o más tensiones de energía. Estas tensiones son suministradas, en régimen de DC (CC), por las fuentes de alimentación, que convierten las diversas tensiones de la red de AC (CA) en varias tensiones de DC, estabilizadas o no.
Nota: Artículo publicado en la revista Saber Electrónica 228 de 1992.
Para esta conversión se utilizan varias tecnologías en el proyecto con el fin de regular la corriente o la tensión, que pueden ser reguladores, lineal tipo serie o paralelo, regulador tipo serie resonante, tipo hierro resonante, reguladores controlados por tiristores y fuentes reguladoras conmutadas. Las condiciones de corriente, tensión, potencia, costo y otras influyen en la elección del tipo de sistema a adoptar en cada proyecto.
Presentamos el proyecto de una fuente de tensión continua estabilizada y configurable basada en el sistema de regulador lineal del tipo en serie, construida con componentes activos y pasivos (es decir, transistores, diodos, capacitores, resistores, etc.) todos discretos, haciéndolo así muy simple de construir y, al mismo tiempo, extremadamente eficaz, versátil y confiable, combinado con su bajísimo costo. Esta fuente regulada, debido a sus bajas características de ruido (ripple) a la salida, así como por estar dotada de protección automática contra sobrecorrientes, junto con el hecho de ser capaz de suministrar tensiones de salida contenidas en el banda de 11 a 32 V, y corriente del orden de 1 A, la hace extremadamente útil como sistema suministrador para auto radios, grabador de cintas, y principalmente radio transceptores PX, del tipo utilizado para la banda del ciudadano, o cualquier otros aparatos similares.
Este proyecto no presenta ninguna dificultad en la obtención de los componentes ni en la fabricación de dicha placa de circuito impreso, pudiendo incluso ser montado en puente de terminales. El diagrama esquemático completo del proyecto se representa en la figura 1, en su forma básica.
CÓMO FUNCIONA
El circuito presentado es una fuente de energía regulada, con protección contra sobrecorrientes y capaz de proporcionar una tensión de salida entre 11 y 32 VCC, con los componentes especificados y la corriente de salida máxima prevista es de 1 A.
El puente de diodos DI a D4 proporciona rectificación de onda completa desde el secundario de 25 V de T1. El capacitar CI actúa como primer filtro, con el fin de reducir la ripple de la tensión rectificada, que se aplica al conjunto de colectores Q1 y Q2. Estos transistores están montados en la configuración "Darlington", donde Q1 opera como transistor "Driver", y Q2 es el transistor regulador conectado en serie (colector y emisor) con la carga y es responsable del control final de la tensión de salida, previamente establecida por el sistema de configuración.
El resistor R1 proporciona corriente para la polarización de la base de Q1, mientras que el capacitor C2 actúa de dos maneras: la primera reduciendo la ripple en la base de Q1, que, al estar conectado en el sistema "Darlington" con Q2, hace que el conjunto posea una ganancia muy alta y donde cualquier perturbación presente en la base de Q1 aparece muy amplificada en el emisor de Q2, y la segunda es proporcionar una tensión CC pura a los colectores de Q3 y Q4.
El transistor Q4 actúa como amplificador de error, y es capaz de cambiar su estado de conducción comparando los tensiones existentes en su emisor y en su base. La tensión de referencia, existente en el emisor de Q4, está establecida por R3 y D5 (diodo zener, conocido como diodo de referencia). La tensión de control presente en la base de Q4 proviene del conjunto resistivo R4, P1 y R5 que constituyen un dispositivo sensorial. La tensión existente en el cursor del potenciómetro P1 se aplica directamente a la base de Q4, que la compara con la tensión del diodo zener D5. La diferencia entre las dos tensiones determina el grado de conducción de Q4.
Si la tensión de salida aumenta, la tensión base de Q4 también aumenta, haciéndola más conductiva. Esto reducirá la corriente base de Q1, lo que a su vez reducirá la conducción de Q2, reduciendo así la tensión de salida del sistema. Si la tensión de salida decae, Q4 se vuelve menos conductivo, lo que hace que el conjunto Q1 y Q2 sean más conductivos, aumentando así la tensión de salida. En resumen, el circuito es un amplificador suministrado cuya función es tratar de mantener la tensión de salida en un nivel constante, independientemente de las condiciones de carga.
La tensión de salida se determina configurando el potenciómetro P1 según la siguiente fórmula:
Si el cursor de P1 se encuentra en su extremo inferior (punto A), la tensión de salida será máxima y dada por la fórmula:
La tensión de salida mínima se produce cuando el cursor de P1 se encuentra en su extremo superior (punto B) y:
De los hechos ya expuestos, se concluye que el valor de la tensión de salida puede configurarse variando la posición del cursor de P1.
La configuración de la tensión de salida es una función del valor final del conjunto divisor de tensión, formado por R4, P1 y R5, ya que determina la cantidad de retroalimentación a base de Q4. De lo anterior se concluye que, cuanto más cerca esté la base de Q4 de la salida positiva, mayor será la cantidad de retroalimentación y, en consecuencia, mejor será la regulación.
En aplicaciones donde la tensión de salida se sitúa cerca de los 12 V, como por ejemplo, autoradios, reproductores de cintas y transceptores PX, los valores de los resistores R4 y R5 pueden ser alterados, pero de modo que, sin embargo, la suma de los valores finales de R4, P1 y R5 no sean muy diferentes de la suma de los valores constantes del proyecto inicial.
A modo de ejemplo, si el valor de R4 se cambia a 560 Ω y el valor de R5 a 10 kΩ, el sistema proporcionará tensiones entre 10 y 15 V, una situación muy adecuada para configurar la tensión de energía de autoradios y similares.
EL SISTEMA DE PROTECCIÓN
La protección contra el exceso de corriente es provista por R2 y Q3. Dado que R2 está conectado en serie a la salida, la tensión a través de él es proporcional a la corriente de carga. Esta tensión se utiliza para excitar Q3, de modo que cuanto mayor sea la corriente de salida, mayor será la conducción de Q3. Cuando Q3 conduce, la excitación base se elimina de Q1, que apaga el regulador de potencia Q2, limitando así la corriente de salida. Los valores se eligieron para limitar la corriente máxima a aproximadamente 1 A.
En la figura 2 se puede ver el conjunto de curvas que representan la tensión de salida frente a la corriente de carga, demostrando la efectividad del limitador de corriente para el regulador básico.
La figura 3 representa el conjunto de curvas de regulación del sistema básico, obtenidas para varias tensiones de salida.
Cabe señalar que el circuito de protección degrada un poco el rendimiento del circuito regulador, particularmente a altos niveles de corriente, ya que reduce la excitación de la base de Q1. Otro factor que también degrada el rendimiento del sistema reside en la existencia del resistor R2 en serie con la línea de salida, lo que eleva un poco la impedancia interna de la fuente, que idealmente debería ser la más baja posible.
Las etapas de potencia Q1 y 02 se eligieron para tener una alta ganancia a bajas temperaturas con el objetivo de maximizar el control del regulador de tensión y del protector de exceso de corriente. Por lo tanto, en el caso de la tensión de salida máxima, Q1 requiere una corriente base de aproximadamente 1 mA. R1 fue seleccionado para proporcionar un máximo de aproximadamente 2,5 mA. Esta configuración eleva la corriente de 0,4 a 1,5 mA cuando el regulador de corriente no está funcionando. Cuando Q3 se vuelve conductivo, debe manipular esta corriente.
En condiciones opuestas, es decir, altas temperaturas y bajas tensiones de salida, R1 proporciona aproximadamente 25 mA de corriente máxima. Los requisitos de excitación para la etapa de potencia no son críticos aquí, pero Q3 y Q4 deben ser capaces de manipular esta corriente para obtener un control efectivo.
Dicho esto, se concluye que Q2 necesita un disipador de calor eficiente y también se debe utilizar una pasta térmica, para mantener la temperatura de Q2 en un valor adecuado. Si la temperatura ambiente es muy alta, puede ocurrir que Q1 también necesite un disipador.
UTILIZACIÓN
Dado que el aparato no tiene voltímetro, la configuración de la tensión de salida debe hacerse con la ayuda de un multímetro digital o analógico conectado en paralelo con los terminales de salida, y actuando sobre el trimpot P1, se hace variar la tensión de salida.
Si se desea obtener una fuente en la que la tensión de salida varía constantemente, se puede sustituir el trimpot P1 por un potenciómetro lineal de 15 kΩ y además, añadir al aparato un voltímetro de CC con la escala adecuada a los valores de tensión proporcionados.
OTROS DETALLES CONSTRUCTIVOS
Además del sistema regulador, se prevo en el proyecto un punto de salida conectado a la recolección de Q2, lo que proporciona la obtención de una tensión positiva no regulada, solo rectificada y filtrada, del orden de 35 V sin carga, que puede servir como suministrador para otras etapas del circuito bajo prueba.
En cuanto al transformador, en el prototipo se utilizó una unidad mod. 3027/4 del fabricante Audium-Semikron, que posee bobinado primario que, conectado en serie o paralelo se adapta a redes de 110 o 220 V y devanados secundarios que pueden ser conectados en serie, a fin de proporcionar la tensión alterna adecuada a la fuente y en la figura 4 se pueden ver las conexiones del primario del transformador, mientras que la figura 5 representa las conexiones del secundario de T1. En esta figura, se observa que T1 tiene, en el lado secundario, 5 terminales pertenecientes a dos devanados. De izquierda a derecha, los tres primeros pertenecen al devanado que suministra 0,3 V y 8 V, mientras que los dos últimos suministran de 0 a 20 V. Conectando en serie estos dos devanados (unión de los 39 y 49 terminales) y obteniendo las salidas entre el 2° y 5° terminales, se obtiene la suma de las tensiones 5 V (2° y 3° terminales) y 20 V (4° y 5° terminales), valor que se constituye en la tensión alterna necesaria para suministrar el sistema regulador. El LED, conectado a través de R6 a la salida del puente rectificador indica que el aparato está encendido. Por razones de seguridad, el fusible F1 debe tener un tamaño máximo de 500 mA para el uso de redes de 110 V y un máximo de 250 mA, cuando la red es de 220 V. La fabricación de la placa de circuito impreso es bastante sencilla y se muestra en la figura 6.
CONCLUSIÓN
La fuente aquí presentada, aunque no puede ser utilizada para tensiones por debajo de 10 V es muy útil, en su banda de tensiones, debido a su alta estabilidad y protección efectiva contra sobrecargas, lo que protege sus componentes contra accidentes, y también debido al hecho de que prácticamente no presenta ripple en la salida regulada, lo que la hace eficiente en la energía de circuitos de audio y RF.
