Fuentes de alimentación

Una fuente da la corriente que pide el circuito a la tensión adecuada. Una fuente ideal mantendría la tensión para cualquier corriente; una real varía un poco y tiene un límite.

• No regulada (sin regulador): la salida es la del filtro, con mucho rizado y una tensión que baja al aumentar la corriente.
• Regulada: tensión prácticamente constante y rizado muy pequeño.
• Según la salida: fija, ajustable (potenciómetro) o programable (microprocesador).

Transformador: reduce los 230 V y aísla de la red. Datos eficaces V_N, I_N; pico V_p = √2 V_N; potencia P_N = V_NI_N.

En vacío la tensión es hasta un 20–30 % mayor que la nominal: diodos y condensador deben soportarla.

Puente con condensador (Tema 1), con V_D ≈ 1 V:

Regulador Zener: R en serie soporta V_i − V_o; el Zener fija la salida y se lleva a masa lo que sobra:

Problema: R es fija. Se diseña para el peor caso y por ella pasa siempre ≈ I_L,max, pida lo que pida la carga.

Regulador serie: un elemento serie que se ajusta solo. El control compara la salida con una referencia y deja pasar justo la corriente de la carga:

Tres terminales: entrada, salida y común (por él sale la corriente de reposo I_q). El elemento serie es un transistor (Tema 3).

El elemento serie sigue haciendo el papel de R:

• Soporta V_i − V_o y conduce toda I_o:
  P ≈ (V_i − V_o) I_o · η ≈ V_o/V_i
• Con V_i = 20 V y V_o = 10 V, η = 50 %: el regulador disipa tanto como la carga.
• Necesita una tensión mínima entre sus extremos, la caída mínima (dropout):
  V_i ≥ V_o + V_drop

Es lo mismo que en el Zener, donde V_i debía bastar para que por R pasaran I_L,max + I_Z,min.

Integran referencia, elemento serie, control y protecciones (cortocircuito y sobretemperatura, ≈ 150 °C).

• 78XX: positivos fijos (7805, 7812…). 79XX: negativos.
• LM317: ajustable de 1,25 a 37 V con dos resistencias (LM337, negativo).

Datos importantes:

• V_o, tolerancia e I_max (limitada por la potencia).
• V_drop ≈ 2 V (valor por defecto en los problemas; LDO: décimas).
• I_q: pocos mA (78XX); I_adj = 50–100 µA (LM317).
• Rechazo al rizado: ΔV_o = ΔV_i/10^RR/20.
• T_J,max, R_θJA, R_θJC.

El condensador de entrada solo es imprescindible si el del filtro está lejos; el de salida mejora la respuesta a cambios bruscos de carga.

Modelo: un 78XX mantiene V_reg entre su salida y su común, y por el común sale I_q.

Un 79XX se conecta igual, con todas las tensiones negativas.

Si el común no va a masa: V_o = V_reg + V_com.

Con resistencias: R₁ (salida–común) soporta V_reg; por R₂ pasa V_reg/R₁ + I_q:

Como I_q varía de un regulador a otro, conviene V_reg/R₁ ≫ I_q.

Con un Zener en el común: V_o = V_reg + V_Z. R₁ asegura corriente suficiente para que el Zener esté en avalancha. Con R₂ en serie se suma R₂(V_reg/R₁ + I_q).

Mantiene V_ref = 1,25 V entre la salida y el terminal de ajuste. Por R₁ pasan 1,25/R₁; por R₂, eso más I_adj:

• I_adj se desprecia salvo que el enunciado dé su valor.
• Necesita unos mA de salida: R₁ pequeña (típico 240 Ω).
• LM337: igual, V_o = −1,25(1 + R₂/R₁).

R entre salida y común (o ajuste) y la carga después: el regulador mantiene V_reg en R, sea cual sea R_L:

V_reg = 1,25 V (LM317, aquí I_adj es realmente despreciable), 5 V (7805), 6 V (7806)…

El límite es la tensión: la salida está a I_LR_L + V_reg y hace falta V_drop más:

P_reg = (V_i − V_L − V_reg)I_L: máxima con la carga mínima. La resistencia disipa V_regI_L.

1. Tensión de salida con la expresión del montaje.
2. Corrientes: I_L = V_o/R_L; I_o = I_L + I_R1; I_i = I_o + I_q (a menudo I_i ≈ I_L).
3. Entrada: V_max, ΔV = I_i/(f_rC), V_min.
4. ¿Regula? V_min ≥ V_o + V_drop siempre. Si no, la salida sigue al rizado. De aquí salen V_i,min, R_2,max o R_L,max.
5. Potencia: P_reg ≈ (V_i,med − V_o)I_o, con V_i,med = V_max − ΔV/2. Peor caso: entrada y corriente máximas.
6. Rendimiento: η = V_oI_L/(V_i,medI_i) ≈ V_o/V_i,med.
7. Temperatura: T_J = T_A + P_regR_θJA y, si hace falta, disipador.

Puente con V_N = 24 V, C₁ = 2200 µF, V_D = 1 V. R_θJA = 65 °C/W, T_A = 25 °C.

a) R = V_reg/I_L = 5/0,5 = 10 Ω.

b) V_max = 24√2 − 2 = 31,94 V; ΔV = 0,5/(100·2200 µ) = 2,27 V; V_min = 29,67 V.

c) V_min ≥ I_LR_L + 5 + 2 ⇒ R_L,max = (29,67 − 7)/0,5 = 45,3 Ω.

d) Con R_L,max: V_L = 22,67 V, salida a 27,67 V; V_med = 30,8 V:

Con cargas menores la potencia crece: haría falta disipador.

R₁ = 240 Ω, R₂ potenciómetro de 0 a 2 kΩ, I_adj ≈ 0. Entrada con rizado entre 12 y 15 V.

a) Con 0–2 kΩ, V_o de 1,25 a 11,67 V. Pero para regular, V_o ≤ 12 − 2 = 10 V:

Rango útil: R₂ ∈ [0; 1680] Ω, V_o ∈ [1,25; 10] V.

b) R_L = 10 Ω, V_i,med = 13,5 V:

• 5 V: 0,5 A, η = 37 %, disipa 4,25 W.
• 9 V: 0,9 A, η = 67 %, disipa 4,05 W.

Más eficiente a 9 V: menos caída en el regulador respecto a la salida.

I_adj = 0; R₃ potenciómetro de 0 a 800 Ω en serie con R₂.

a)

b) Con R₃ = 0, 5 V; con R₃ = 800 Ω, 15 V:

R₁ = 100 Ω, R₂ = 300 Ω.

c) Con la salida máxima: V_i,min = 15 + 2 ≈ 17 V.

R₁ = 250 Ω, R₂ = 100 Ω, R₃ de 0 a 300 Ω, I_q = 3 mA.

a) Por R₁: 5/250 = 20 mA; por R₂ + R₃: 23 mA.

b) Caso más exigente, salida máxima: V_i,min = 14,2 + 2 = 16,2 V.

c) R₃ = 150 Ω: V_o = 10,75 V, común a 5,75 V; I_L = 107,5 mA, I_o = 127,5 mA. Peor caso V_i = 25 V:

Despreciando el divisor e I_q: (25 − 10,75)·0,1075 = 1,53 W, también aceptable.

Fuente con transformador, puente, condensador y 7805; R_L = 47 Ω.

a) Fuente de tensión constante de 5 V: el transformador reduce y aísla, el puente rectifica, el condensador filtra y el 7805 elimina el rizado.

b) V_C,med ≈ 16 V, I_L = 5/47 = 106 mA:

El regulador disipa más del doble que la carga (0,53 W).

c) El condensador no debe bajar de 5 + 2 = 7 V. Con unos 7 V, η ≈ 5/7 = 71 %: cuanto más cerca del mínimo, mejor.

Regulador: 7812 de 1 A, RR = 60 dB, V_drop = 2 V.

• Rizado admisible a la entrada: 3 mV·10^60/20 = 3 V.
• Salida hasta 12,5 V ⇒ entrada ≥ 14,5 V ⇒ V_max = 17,5 V.

Transformador (V_D = 1 V):

P_N ≥ 1·(15√2 − 1,5) = 19,7 W ⇒ I_N ≥ 1,31 A.

Condensador:

En vacío (+30 %): 1,3(15√2 − 2) ≈ 25 V → condensador de 35 V.

Diodos: P_D = V_DI_o/2 = 0,5 W; inversa en vacío 1,3·15√2 = 27,6 V → 1 A, ≥ 40 V.

Regulador: V_max = 19,2 V, ΔV = 3 V, V_med ≈ 17,7 V:

T_A = 40 °C, límite de diseño T_J = 130 °C:

Con R_θJC = 5 °C/W y R_θCS = 0,5 °C/W:

Un regulador lineal disipa (V_i − V_o)I_o. Uno conmutado usa un interruptor que se abre y cierra a alta frecuencia (kHz–MHz; un transistor en conmutación, Tema 4) y un filtro LC.

• Cerrado: v_A = V_i. Abierto: la bobina mantiene la corriente por el diodo y v_A ≈ 0.
• En régimen permanente la tensión media en la bobina es nula:

El control ajusta el ciclo de trabajo D para mantener V_o constante.

El interruptor está abierto (i = 0) o cerrado (v ≈ 0): disipa muy poco. L y C, idealmente, no disipan. Pérdidas reales: η ≈ 80–95 %.

Con otras disposiciones: elevadores (V_o > V_i) e inversores (V_o < 0).

• Tensión nominal y tolerancia (12 V ± 0,3 V) y corriente máxima.
• Regulación de carga, del orden de mV:
  (V_o,vacío − V_o,plena)/V_o,nom · 100
• Regulación de línea:
  [V_o(V_i,max) − V_o(V_i,min)]/V_o,nom · 100
• Rizado de salida (mV) o rechazo al rizado (dB).
• Impedancia de salida: la resistencia de Thévenin vista desde la salida (mΩ).
• Rendimiento: η = P_o/P_i.