Rectificador de onda Completa

En un filtro rectificador de onda completa, el condensador de filtro se

carga solamente una vez durante cada ciclo de voltaje de entrada. Por

tanto debe suministrar corriente a la carga durante la mayor parte del

tiempo. Esto obliga a utilizar condensadores de gran capacidad para

minimizar el rizado y sostener la corriente de carga.

Un mejor resultado se obtiene utilizando un rectificador de onda

completa, figura 1.

Figura 1. Rectificador de Onda Completa con filtro

condensador

En este caso el condensador se recarga dos veces por semiciclo, lo

cual implica que su tiempo de descarga se reduce a la mitad. Como

resultado, disminuye el rizado y el voltaje de salida se mantiene casi

constante, muy próximo al valor pico.

Observamos que los diodos D3 y D2 conducen durante los semiciclos

positivos del voltaje de entrada (V2), mientras que los diodos D1 y D4

lo hacen durante los semiciclos negativos.

Por lo tanto podemos concluir lo siguiente:

1. El valor medio del voltaje de salida de un rectificador aumenta a

medida que lo hace el valor del condensador filtro. Esto se debe

a que disminuye el valor pico a pico del voltaje de rizado, el cual

es inversamente proporcional a la capacidad.

2. El valor medio de salida de un rectificador aumenta a medida

que lo hace el valor de la resistencia de carga. Esto se debe a

que disminuye el valor pico a pico del voltaje de rizado, el cual es

directamente proporcional a la corriente de carga e inversamente

proporcional a la resistencia misma.

3. El efecto neto del condensador de filtro a la salida de un

rectificador es convertir el voltaje de CD a un voltaje casi

uniforme, caracterizado por unas pequeñas variaciones

periódicas de amplitud que constituyen el rizado.

4. El rizado en el voltaje de salida de un rectificador con filtro se

debe a los procesos de carga y descarga del condensador. La

magnitud de estas variaciones depende, directamente de la

corriente de carga e inversamente de la capacidad del filtro. En

el caso de un rectificador de onda completa, la frecuencia del

rizado es igual al doble de la frecuencia del voltaje de CA de

entrada.

Otros tipos de filtros

Los voltajes rectificados en media onda son mas difíciles de filtrar que

los rectificados en onda completa, debido a que requieren

condensadores de muy alta capacidad para compensar la ausencia de

voltaje durante la mitad de cada ciclo y mantener el rizado dentro de

los limites razonables. Una alternativa en estos casos, es utilizar un

circuito como el mostrado en la figura 2.

Figura 2. Rectificador de media onda

Formado por dos condensadores (C1 y C2) y una resistencia (R)

conectados de tal forma que recuerdan la letra griega phi . Por esta

razón se denominan un filtro .

La idea básica de un filtro pi es conseguir que la mayor parte del

rizado aparezca sobre la resistencia en serie ( )R en lugar de hacerlo

sobre la resistencia de carga (RL). De este modo se atenúan

considerablemente las variaciones de voltaje de salida. La principal

desventaja de este tipo de filtro es la caída de voltaje que se presentan

sobre la resistencia. Por esta razón solo es adecuado para cargas que

exigen muy poca corriente. En algunos casos, la resistencia R se

sustituye por una bobina, con lo cual se minimiza la caída de voltaje y

se mejora la acción de filtrado.

Fuentes de alimentación reguladas

Como hemos visto, es posible reducir el rizado en el voltaje de salida

de un rectificador a cualquier nivel deseado utilizando un condensador

de filtro suficientemente grande. Sin embargo, esto no garantiza que el

voltaje de la carga permanezca constante. De hecho, este último

puede variar debido a otras causas, por ejemplo, las fluctuaciones en

el voltaje de CA de entrada del transformador o los cambios en la

resistencia de carga. Para minimizar el efecto de estos factores y

garantizar un voltaje de salida verdaderamente constante, la mejor

solución es utilizar un regulador entre el filtro y la carga, figura 3.

Figura 3. Estructura básica de una fuente de alimentación

regulada

Las fuentes de alimentación con esa característica se denominan

fuentes reguladas.

La idea básica del regulador en una fuente regulada es, por tanto,

mantener constante el voltaje de salida, independiente de las

variaciones en el voltaje de entrada o en la corriente de la carga. El

regulador puede estar conectado en serie o paralelo con la carga y

actúa esencialmente como una resistencia variable. En un regulador

en serie, por ejemplo, si aumenta el voltaje de entrada, debe aumentar

la resistencia del regulador para que el voltaje sobre la carga no

cambie. Lo mismo sucede si disminuye la demanda de corriente.

Los reguladores de voltaje están basados en el uso de dispositivos

activos como los diodos Zener, los transistores y los circuitos

integrados. Estos últimos denominados comúnmente reguladores

monolíticos, son los más populares debido a su bajo costo, facilidad de

uso y excelentes características de funcionamiento. Además requieren

de una mínima cantidad de componentes externos y normalmente

están protegidos contra cortocircuitos, sobrecalentamiento y otras

adversidades.

Reguladores de voltaje con diodo Zener

Un elemento regulador de voltaje muy común es el diodo Zener figura

4.

Figura 4. Regulador Zener básico de carga

Estos diodos están especialmente diseñados para mantener un voltaje

constante entre sus terminales, llamado voltaje Zener (Vz), cuando se

polarizan inversamente, es decir una tensión positiva en el cátodo (K)

y negativa en el Ánodo (A). En condiciones de polarización directa o

mientras la tensión inversa de entrada este por debajo de Vz, un diodo

Zener se comporta como un diodo rectificador común.

Los diodos Zener se especifican principalmente por su voltaje nominal

(Vz) y la máxima potencia que pueden disipar (Pz). La relación entre

Pz y Vz determina la máxima corriente inversa (Izmax) que puede

conducir el diodo sin sobrecalentarse. Por ejemplo la máxima corriente

inversa de un diodo Zener de 5.1V y 0.5W es Pz/Vz = 0.5W/5.1V

=0.098A = 98mA. Si sobrepasa esta corriente, el diodo puede

destruirse. Para evitar que esto suceda, los diodos Zener deben ser

protegidos mediante una resistencia en serie, llamada resistencia de

drenaje.

En la figura 4 se muestra la estructura básica de un regulador con

diodo Zener, este ultimo (DI), polarizado inversamente y conectado en

paralelo con la carga (RL) mantiene el voltaje de salida (VL) constante

igual a su voltaje nominal (Vz), independiente de las variaciones de

voltaje de entrada (Vs). La resistencia de drenaje (Rs) absorbe la

diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida. Su valor se

puede evaluar en forma aproximada mediante la siguiente formula:

L z

Vs VoRs

I I

Siendo Vs (V) el voltaje de entrada del regulador, procedente del filtro,

(Vo (V) el voltaje de salida, igual al voltaje Zener (Vz), IL (A) la

corriente de carga máxima e Iz la corriente a través del diodo Zener.

Esta ultima se escoge normalmente de modo que este entre el 10% y

el 20% de la corriente máxima. Este tipo de circuitos proporcionan

regulación de voltaje únicamente para un cierto rango de voltajes de

entrada y de resistencias de carga.

Por fuera de estos rangos el diodo Zener puede bloquearse inclusive

destruirse. El siguiente ejemplo aclarar estos conceptos.

Ejemplo 1

Se desea diseñar un regulador Zener de 5.1 V para alimentar una

carga de 5 a partir de una tensión de entrada de 9V. Para ello se

utiliza un diodo Zener de 5.1V, 1W. Determine:

a. El valor de la resistencia de drenaje. Asuma una corriente Zener

igual al 10% de la corriente máxima.

b. Los limites de variación del voltaje de entrada dentro de los

cuales se mantiene la regulación. Asuma que la carga es

constante

c. La potencia nominal de la resistencia de drenaje.

Solución

Inciso a

El valor nominal de la resistencia de drenaje (Rs) puede ser evaluado

a partir de la formula

L Z

Vs VoRs

I I

En nuestro caso, Vs = 9V, Vo = 5.1V, IL = Vo / RL = 5.1V / 5ohm =

1.02A e Iz = IL / 10 = 1.02V / 10 = 0.102A. Por tanto:

9 5.1 3.93.48

1.02 0.102 1.122Rs

Puesto que el valor obtenido 3.48 no es estándar, puede utilizarse

una resistencia de 3.3 , que es el valor comercial más próximo.

Inciso b

Los valores mínimo y máximo del voltaje de entrada, entre los cuales

el circuito mantiene regulado el voltaje de salida, pueden ser

evaluados a partir de la formula Rs = (Vs-Vo) / (IL+Iz), despejando Vs

y teniendo en cuenta que la corriente a traves del diodo Zener (Iz) no

puede ser superior a su valor máximo (Izm) ni inferior a cero. Esto es:

L ZVs I I Rs Vo

El valor mínimo de Vs se obtiene haciendo Iz = 0. Esto es:

min ( )Vs IL Rs Vo

El valor máximo de Vs, por su parte, se obtiene haciendo Iz = Izm.

Esto es:

max L zm s oVs I I R V

En nuestro caso:

1.02 , 3.3 , 5.1 e / 1 / 5.1 0.196L o zm z zI A Rs V V I P V W V A

Por tanto:

min 1.02 3.3 5.1 8.47

max 1.02 0.196 3.3 5.1 9.11

Vs A V V

Vs A A V V

Lo anterior implica que el voltaje de entrada puede fluctuar entre 8.47

V y 9.11 V para que exista regulación. Si este voltaje es inferior es

8.47V, el diodo Zener deja de conducir, mientras que si es superior a

9.11V se destruye por sobrecalentamiento.

En ambos casos, no hay regulación y el circuito se comporta como un

divisor de voltaje ordinario.

Inciso c

La potencia nominal mínima de la resistencia de drenaje puede ser

evaluada a partir de la formula

29.11 5.1

4.873.3

V VPs W

Por tanto como mínimo debe utilizarse una resistencia de 3.3 / 5W . En

la práctica, por seguridad, debe escogerse una resistencia con una

capacidad de potencia superior a este valor. De este modo, una

resistencia de 3.3 /10W es más apropiada.

Reguladores de voltaje con diodo Zener y transistor

Un diodo zener solo puede proporcionar regulación dentro de un rango

limitado de voltajes de entrada o de corrientes de carga. Esto se debe

a que la corriente a través suyo no puede exceder de un cierto valor

limite. Para manejar altas corrientes con un diodo Zener, sin perder

sus características de regulación, es necesario acoplarlo a un

dispositivo activo que se encargue de transportar la corriente de la

carga sin alterar el voltaje aplicado a ella. Esta función la puede

efectuar un transistor bipolar, figura 5.

PNP NPN

Figura 5. Símbolos de transistores bipolares representativos.

Un transistor bipolar es un dispositivo de tres terminales, llamados

base (B), colector (C) y emisor (E), que se comporta como una fuente

de corriente controlada por corriente. Esto significa que una corriente

muy pequeña inyectada en la base (IB) puede controlar el paso de una

corriente muy grande entre colector y emisor (IC). La relación entre IC

e IB es fija y se denomina la ganancia de corriente del dispositivo. La

misma se representa mediante el símbolo (se lee beta). Por tanto,

BIc BI . Esta característica puede ser aprovechada para regular el

voltaje sobre una carga, como se ilustra en la figura 6.

Figura 6. Regulador básico con transistor y diodo Zener. Con

los valores de componentes indicados, este circuito entrega una

tensión de salida (Vo) de 5V con una capacidad de corriente (IL)

superior a 1A. El transistor (Q1) debe ser provisto de un

disipador de calor.

En este caso, el transistor (Q1) actúa como una resistencia variable,

conectada en serie con la carga y controlada por la corriente base (IB),

figura 6. El voltaje de salida (Vo) es igual a Vz – VBE, siendo Vz el

voltaje del Zener y VBE la tensión entre la base y el emisor de Q1.

Esta última es del orden de 0.7V. Si aumenta le voltaje de entrada (Vi),

tiende a aumentar el voltaje de entrada (Vi), tiende aumentar el voltaje

de salida (Vo), pero esta tendencia es neutralizada automáticamente

por Q1, el cual aumenta su resistencia entre colector y emisor para

compensar el cambio y mantener así constante el voltaje de salida.

Fuentes de alimentación con reguladores de tres terminales

Actualmente, la mayor parte de las fuentes de alimentación practicas

se diseñan con reguladores de voltaje integrados o monolíticos, los

cuales poseen tres terminales figura 7; uno que recibe la tensión de

entrada no regulada (VIN), otro que entrega la tensión de salida

regulada (VOUT) y otro que actúa como electrodo de referencia o

tierra. (GND). Estos dispositivos pueden proporcionar directamente

corrientes de carga desde 100 mA hasta 5A o más. Los mismos se

ofrecen en capsulas plásticas o metálicas y son extremadamente

populares debido a su bajo costo y facilidad de uso.

Los reguladores de tensión monolíticos de tres terminales pueden ser

fijos o ajustables, dependiendo de si entregan una tensión de salida

fija o variable sobre un cierto rango. Ambos tipos, a su vez, pueden ser

positivos o negativos dependiendo de si entregan una tensión de

salida positiva o negativa con respecto a su terminal de referencia. Las

series comerciales más populares de cada clase, junto con sus

ejemplos representativos, son los siguientes:

Reguladores fijos positivos: LM340-5 (5V); LM340-12 (12V), LM340-

15(15V), LM7805 (5V), LM7806 (6V), LM7808 (8V), LM7809 (9V),

LM7812 (12V), LM7815 (15V), LM7818 (18V), LM7824 (24V), LM7830

(30V).

Reguladores fijos negativos: LM320-5 (-5V); LM320-12 (-12V), LM320-

15(-15V), LM7905 (-5V), LM7912 (12V), LM7915 (-15V).

Reguladores ajustables positivos: LM317 (desde +1.2V hasta +37V),

LM317HV (desde +1.2V hasta +37V), LM317HV (desde +1.2V hasta

+57V), LM338 (desde +1.2V hasta + 32V).

Reguladores ajustables negativos: LM337 (desde -1.2V hasta -37V),

LM337HV (desde -1.2V hasta -47V), LM333 (desde -1.2V hasta -32V).

Además del voltaje o rango de voltaje o rango de voltajes de salida,

otra especificación importante de los reguladores de tres terminales es

su capacidad de corriente. Esta ultima determina el tipo de capsula.

Figura 7. Reguladores fijos de tres terminales

Fuentes reguladas fijas

En la figura se muestra 8 se muestra la estructura básica de una

fuente de alimentación con un regulador de tres terminales. Los

condensadores Ci y Co actúan, respectivamente, como filtros de

desacople de entrada y de salida. Sus valores están, típicamente, en

el rango de 0.1 F a 1uF . Se utilizan para desacoplar o eliminar señales

de ruido presentes en la entrada o en la salida del regulador. Por esta

razón, deben de conectarse de este último como sea posible. Para

garantizar una optima regulación, el voltaje de entrada (Vi) debe ser,

por lo menos 2.5V mayor que el voltaje de salida (Vo) deseado. De

todas formas, este último no debe ser superior al valor máximo

especificado por el fabricante.

Como puede verse, el diseño de fuentes de alimentación con

reguladores fijos de tres terminales es extremadamente simple, ya que

solo se requiere un par de pequeños condensadores de desacople,

uno a la entrada y otro a la salida. Este último puede omitirse en

muchos casos. En la figura 8 se muestra como ejemplo una fuente

regulada de + 15 V/1A con un regulador LM7815T. La letra “T” al final

de la designación indica de qué se trata de un regulador de 1A en

cápsula TO-220. Las líneas punteadas alrededor del símbolo del

regulador indican que el mismo debe estar provisto de un disipador

adecuado.