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Curso de Electrnica Ing. Alberto Onildo Plasencia

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Fuentes de Alimentacin

Diversos tipos de Rectificadores

Caractersticas de los rectificadores

Filtros. Diversos tipos Rectificadores polifsicos

Reguladores integrados de tensin

Reguladores de tensin variable

Diodos zener. Caractersticas y aplicaciones

Disipadores de Calor

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OBJETIVOS DEL CAPITULO 2

Comprobar el funcionamiento de los circuitos derectificacin de media onda y de onda completa (bifsico y

tipo puente) monofsicos. Comprender el funcionamiento de circuitos rectificadores

trifsicos, sus ventajas y aplicaciones.

Comprender el funcionamiento de los filtros.

Conocer las caractersticas de las fuentes de alimentacin.

BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA

Dispositivos y circuitos electrnicos, Jacob Millman y Christos C. Power Electronics Handbook, Muhammad H. Rashid. Halkias, Anaya, Introduccin a la fsica de los semiconductores,

Semiconductor Electronics Education Commitee (SEEC), Tomo 2, Editorial

Revert Fundamentos de Electrnica Fsica y Microelectrnica, Albella,J.M. y Martnez-Duart, J.M., Addison-Wesley/UniversidadAutnoma de Madrid

Semiconductor Devices. An introduction, Jasprit Singh,McGraw-Hill, Electrical Engineering Series

Principios de Electrnica, Malvino, A.P., McGraw-Hill Manual de Diodos Semiconductores, Ruiz Vassallo, Francisco,

Ediciones CEAC Electrnica Analgica. El diodo y fuentes de alimentacin. E.

Maeco, I. Doate, J. Campos, Edeb

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1- FUENTES DE ALIMENTACION

Las empresas de energa elctrica generan, transportan y distribuyen lacorriente en forma alterna. Esto es as porque de esta forma se obtienenventajas tales como mejor rendimiento y mayor eficiencia en el transportede la misma. En el caso de nuestro pas, la energa se distribuye en formatrifsica, a 220 Voltios fase-neutro, con una frecuencia de 50 ciclos por

segundo. Sin embargo, los equipos electrnicos, en su mayora, funcionancon corriente contnua. As, el dispositivo que convierte la corriente alternaa corriente contnua, en los niveles requeridos por el circuito electrnico aalimentar, se llama fuente de alimentacin.

Se entiende por fuente de alimentacin un sistema electrnico quesuministra las tensiones y corrientes necesarias para el funcionamiento delos circuitos electrnicos. Por tanto, las fuentes de alimentacin sonsistemas suministradores de energa elctrica. Usualmente la entrada es unatensin alterna proveniente de la red elctrica comercial y la salida es unatensin continua con bajo nivel de rizado. Constan en general de tresetapas:

Seccin de entrada: compuesta principalmente por un transformador,un rectificador, y tambin tiene elementos de proteccin comofusibles, varistores, etc.

Seccin de salida: su misin es filtrar, controlar, limitar, proteger yadaptar la fuente a la carga a la que est conectada.

Regulacin: su misin es mantener la salida en los valores prefijados.

Este tipo de fuentes pueden ser tanto lineales como conmutadas.

Las fuentes lineales siguen el esquema: transformador, rectificador, filtro,regulacin y salida. En primer lugar el transformador adapta los niveles detensin y proporciona aislamiento galvnico. El circuito que convierte lacorriente alterna en continua se llama rectificador, despus suelen llevar uncircuito que disminuye el rizado como un filtro de condensador. Laregulacin se consigue con un componente disipativo regulable. La salida

puede ser simplemente un condensador.

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Las fuentes conmutadas tienen por esquema: rectificador, conmutador,transformador, otro rectificador y salida. La regulacin se obtiene con elconmutador, normalmente un circuito PWM (Pulse Width Modulation) quecambia el ciclo de trabajo. Aqu las funciones del transformador son lasmismas que para fuentes lineales pero su posicin es diferente. El segundorectificador convierte la seal alterna pulsante que llega del transformadoren un valor continuo. La salida puede ser tambin un filtro de condensadoro uno del tipo LC.

Las ventajas de las fuentes lineales son una mejor regulacin, velocidad ymejores caractersticas EMC. Por otra parte las conmutadas obtienen unmejor rendimiento, menor coste y tamao.

En este curso, veremos solamente las fuentes de alimentacin simples.Por fuente de alimentacin simple (o primaria) se entiende aquellacompuesta por, quizs, un bloque transformador, otro bloque rectificador yun ltimo bloque de filtrado:

El bloque transformador, en caso de existir, estar formado por elcomponente de nombre anlogo. El bloque rectificador est formadotpicamente por diodos, y puede ser media onda o de doble onda. Porltimo, el bloque de filtrado lo constituye un condensador de grancapacidad o una asociacin de condensadores y bobinas o resistencias.

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El transformador de alimentacin:

Lo normal es que sean transformadores reductores, con un primario nico yuno o varios secundarios. Las caractersticas ms imortantes de untransformador de alimentacin son:

Tensin del secundario o secundarios: viene expresada en tensineficaz.

Potencia mxima entregable por los secundarios: expresada en VA(voltamperios).

Resistencia de primario y secundarios: expresada en ohmios, a latemperatura de 25C.

Perdidas en el ncleo y en los bobinados: expresada en W (vatios). Corriente consumida por el transformador sin carga conectada

expresada en mA (miliamperios).

Otros datos que suelen aparecer en las hojas de caractersticas de los

transformadores son, por ejemplo, la eficiencia energtica, la regulacin decarga, etc. amn, claro est, de las dimensiones fsicas del mismo.

Los diodos rectificadores:

Deben ser diodos con unas caractersticas especiales. De hecho, existe unsubgrupo de diodos llamados as, rectificadores. Los diodos rectificadoresdeben poder ser capaces de soportar de forma continua valores de corrienteque, segn de qu aplicaciones se trate, puede llegar a ser elevada o muyelevada. Adems, deben soportar picos de corriente varias veces mayores

que su corriente nominal mxima de funcionamiento. En cuanto a lascaractersticas de tensin, es normal que puedan trabajar con tensionesinversas de algunas centenas de voltios. Tomemos como ejemplo un diodorectificador muy difundido, el 1N4007. Tiene aplicacin en fuentes dealimentacin de pequea potencia de salida. Sus principales caractersticasson:

Picos repetitivos de tensin inversa: 1000V mximo. Picos no repetitivos de tensin inversa: 1200V mximo. Tensin inversa mxima de forma continua: 700V. Corriente nominal directa mxima: 1A. Picos de corriente directa no repetitivos: 30A mximo.

Los condensadores de filtrado:

Los condensadores que se usan son de tipo electroltico, con un valor decapacidad que como mnimo suele ser de 1000uF. Deben poder soportar almenos una tensin doble de la tensin de pico que entregue eltransformador. As mismo, deben elegirse condensadores con pocacorriente de fuga, ya que de lo contrario se tendra una disipacin de

potencia apreciable en dicho elemento, provocando que se calentase y, si

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alcanza temperaturas elevadas, llegado el caso podran estallar. Tambin esdeseable (imprescindible si se trata de la fuente primaria de un sistema dealimentacin conmutado) elegir condensadores con una Resistencia SerieEquivalente (ESR) pequea, ya que ello posibilitar que la fuente puedaentregar picos elevados de corriente ante demandas de la carga.

2- DIVERSOS TIPOS DE RECTIFICADORES

Un rectificador es un circuito que convierte una seal de CA en una sealunidireccional. Los diodos son utilizados intensamente en rectificadores. Elrectificador monofsico de media onda es el tipo mas simple, pero no esnormalmente el mas utilizado en aplicaciones industriales. Sin embargo,este rectificador es til para comprender los principios de operacin de losrectificadores.

2.1. Rectificadores monofsicos

La eleccin de un circuito rectificador depende de la economa delrendimiento y de los valores lmite de los diodos utilizados.

Para los circuitos de baja potencia puede resultar adecuada la

alimentacin desde la red monofsica (circuitos rectificadores monofsicos

de media onda u onda completa), si se consideran aceptables una

frecuencia de ondulacin baja y un factor de ondulacin relativamente

elevado. Pero si se necesita mayor potencia de salida, resulta preferible la

alimentacin a partir de una red trifsica (con circuitos rectificadores

trifsicos o hexafsicos), debido al menor factor de ondulacin y al mayor

rendimiento de conversin, aun cuando sean mayores las prdidas porconmutacin.

Si la red de c.a. disponible lo permite, ciertos circuitos rectificadorespueden conectarse directamente sin transformador (con ahorro de espacio ydinero), tomando las debidas precauciones de seguridad para el usuario.

2.1.1. Rectificadores de media onda

El circuito rectificador ms simple, que utiliza un solo diodo, es el que

aparece en la figura 1.Se tiene una tensin alterna

sinusoidal en el primario deltransformador T (conectado general-mente a la red de energa alterna, 220V),que se reduce o aumenta en elsecundario, en funcin de lasnecesidades.

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La tensin alterna Vipresente en el secundario, se aplica al diodo, queconduce solamente cuando la tensin en el nodo es superior a la tensinen el ctodo. Si la tensin Vies suficientemente elevada, se puede pasar poralto tranquilamente la presencia de la tensin umbral Vddel diodo.

En estas condiciones, nicamente la parte positiva de la seal de entradapodr atravesar el diodo y llegar a los bornes de salida, proporcionando a la

salida una tensin unidireccional (aunque no sea constante) con valormedio Vm distinto de cero. Por esta razn, a este circuito se lo denominacircuito rectificador de media onda. La figura 1 muestra un circuitomonofsico de media onda. El ngulo de conduccin del diodo es de 180(medio ciclo de la onda).

Parmetros de los rectificadores de media onda:

Tensin media en la carga:Este valor nos determina la componente deC.C. de la tensin en la carga. Lo obtenemos calculando el promedio del

voltaje de salida del rectificador.

As que tendremos una componente continua del orden del 30% delvalor de pico. Aunque este circuito produce una tensin continua a travsde la resistencia de carga, sera inaceptable como fuente de polarizacin enmuchos dispositivos electrnicos, debido a que la tensin de salida en lacarga tiene componentes alternas adems de la continua.

Tensin eficaz en la carga:

La corriente media de salidaes:

Imed= Imax/

La corriente eficaz (Irms ) de salidavale:

en donde lmax es la corriente depico de salida.

Regulacin: Mediante este parmetro se mide la variacin de la tensincontinua de salida (Vdc) en funcin de la corriente continua que circula por

la carga. Dicha variacin de la tensin de salida es debida a una pequea

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resistencia que presenta el devanado secundario (Rs). Por eso, lo msconveniente para nuestro rectificador es que el porcentaje de regulacin sealo menor posible:

Siendo el valor de tensin media en la carga:

Factor de Forma (FF): Se lo define como la razn entre el valor eficaz dela tensin (o corriente) en la carga y su valor medio.

Factor de ondulacin o ripple (): Es una buena forma de medir elalisamiento en la salida de C.C.

Rendimiento (o tambin, razn de rectificacin): es una figura de mritopara comparar la efectividad de la la rectificacin, y se define como:

Factor de utilizacin del transformador (TUF): es una medida delmrito de un circuito rectificador, y se define como la razn entre la

potencia de salida y los V.A. en el secundario del transformador

Donde Vs e Is son los valores eficaces de la tensin y de la corriente en elsecundario del transformador. Para el rectificador de media onda es:

El valor eficaz de la corriente Is del secundario del transformador es elmismo que el de la corriente en la carga IL

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Por lo tanto, el TUF en un rectificador de media onda puede obtenerse,sustituyendo los valores en la ecuacin :

El bajo valor del TUF en un rectificador de media onda significa que eltransformador empleado debe proveer 3,496 V.A (1/0,286) para entregar1 W de potencia de salida en la carga. Adicionalmente, el bobinado delsecundario del transformador debe transportar una corriente continua que

puede producir saturacin magntica del ncleo. Como resultado de ello,los rectificadores de media onda son usados cuando los requerimientos de

potencia son pequeos. En general, la red monofsica suele ser suficientepara alimentar rectificadores de potencia mediana o pequea.

2.1.2. Rectificadores de onda completa

Con el rectificador monofsico de media onda se obtiene en la salida unatensin continua pulsante, inservible en la mayora de los casos. Una mejorsolucin es mediante el uso de rectificadores de onda completa, que se

pueden considerar como dos rectificadores de media onda.

Circuito de onda completa bifsicoSe lo ha representado en la figura 2. El secundario del transformador est

subdividido, a travs de una toma central de corriente, en dos partes quepresentan dos tensiones, V1 y V2, desfasadas 180 entre s.

De esta forma, los dos diodospresentes en el circuito conducenalternativamente, cada uno de ellosuna semionda. El valor medio Vmquese obtiene a la salida (fig. 2b) ser as,el doble del rectificador de media

onda.

En este circuito hay que prestar atencin y comprobar que la tensininversa que se aplica a los dos diodos no supere los valores tolerables. Elngulo de conduccin de los diodos es tambin de 180 (medio ciclo).

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En el rectificador de onda completa:

La corriente media de salida es: Imed= 2 Imax/

La corriente eficaz (Irms) de salidavale:

en donde lmax es la corriente de pico de salida.

Aunque el circuito rectificador de onda completa necesita slo dosdiodos, en lugar de los cuatro del circuito monofsico tipo puente (fig. 3), la

potencia del transformador debe ser mayor y, por consiguiente, el coste dedicho transformador constituye el principal inconveniente de dicho circuito.

Circuito de onda completa tipo puente (puente de Graetz)

El circuito monofsico de onda completa tipo puente es el msutilizado. Se aplica generalmente cuando interesa que la tensin de salidasea de valor similar al de la tensin eficaz de alimentacin. En cambio, elcircuito de onda completa bifsico se emplea, sobre todo, para aplicacionesde baja tensin, dado que en el de onda completa tipo puente circula toda lacorriente de salida a travs de los diodos por lo cual produce una cada detensin directa mayor que en el circuito de onda completa contransformador con punto medio.

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Para determinar los. valores de los componentes utilizados, esimportante conocer el tipo de carga a que ser sometido el rectificador(resistiva, capacitiva o inductiva). La figura 3 presenta un circuitorectificador monofsico de onda completa tipo puente en el cual el ngulode conduccin de los diodos vale 180.

En este circuito puente se emplean cuatro diodos: cuando la tensin deentrada Vi es positiva, conducen los diodos D2y D4; cuando es negativa,conducen D1 y D3 , y los otros dos estn en corte. Las corrientes media yeficaz que circulan por cada diodo son iguales a las del circuito monofsicode onda completa con transformador con punto medio.

Debe notarse que en el circuito puente las tensiones inversas a las que

estn sometidos los diodos son la mitad de las de la configuracin de onda

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completa bifsico. El diseo de un circuito rectificador de red monofsicacon carga resistiva es bastante sencillo.

Valor instantneo de la tensin de salida (vo)

El valor instantneo de la tensin de salida vo (fig. 2b) de unrectificador monofsico de onda completa tipo puente, en el instante t , se

puede expresar como una serie que contiene una componente continua ycomponentes armnicas:

Esta frmula es la representacin matemtica de la onda de salida delrectificador.

Valor pico de la tensin de salida(Vomax)

El valor pico de la tensin de salida (Vomax) es igual al valor de picode la tensin de entrada

Valor eficaz de la tensin de salida(Vorms)

La tensin eficaz de salida (Vorms), en funcin del valor mximo desalida, se deduce de:

Valor medio de la tensin de salida(Vo)

La tensin media de salida (Vo), en funcin del valor mximo de salida, es:

Valor instantneo de la corriente

La forma de onda de la corriente de salida es idntica a la de latensinde salida para carga resistiva (fig- 3b)

Valor medio de la corriente de salida

La corriente media de salida es: Imed= 2 Imax/

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Valor eficaz de la corriente de salida

La corriente eficaz (Irms) de salidavale:

en donde lmax es la corriente de pico de salida.

3- CARACTERSTICAS DE LOS RECTIFICADORES

Rendimiento de conversin, Factor de Forma y Ripple

En un rectificador ideal, toda la potencia de entrada de CA setransforma en potencia de salida de CC. En realidad, solo una parte de la

potencia de CA se convierte en CC, mientras que la restante se disipa enforma de componente de CA, llamada ondulacin. Cuanto menor es elcontenido de ondulacin, mejor ser la conversin de CA en CC, expresada

en rendimiento de conversin.

El rendimiento de conversin (c ,), tambin llamado eficiencia de larectificacin, es igual a la potencia de salida de CC dividida por la potenciaactiva de salida en CA del sistema rectificador.

Un filtro situado en la salida del rectificador reducir la ondulacin ypor tanto aumentar el rendimiento de conversin, siempre que dicho filtro

no introduzca nuevas prdidas.Calcularemos el rendimiento de conversin para una carga puramente

resistiva, suponiendo que el sistema rectificador no presente prdidashmicas, que sean despreciables las resistencias de las lneas dealimentacin y de los devanados del transformador, as como las prdidasen los diodos, y que no se utilicen filtros a la salida.En estas condiciones, la potencia eficaz de entrada es igual a:

Pin = PormsA su vez:

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Porms = Po+ PrmsEs decir,

donde:Pin : potencia eficaz de entradaPorms: potencia (total) eficaz de salidaPo : potencia de salida de CCPrrms: potencia eficaz de ondulacin (en la carga).

De esta ltima ecuacin se deduce que:

Introduciendo el FACTOR DE ONDULACIONde la tensin de salidacomo:

Al factor de ondulacin tambin se lo conoce como RIPPLE.

Vemos que el Ripple es la relacin entre el valor eficaz de la ondulacin yla tensin continua de salida.

Definiremos elFACTOR DE FORMAde la tensin de salida como larelacin entre la tensin eficaz de salida y la tensin de salida de CC:

Resulta, reemplazando en la ecuacin (1):

El rendimiento de conversin, se define como la relacin entre lapotencia de salida de CC y la potencia eficaz de entrada, y ser:

(1)

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La tabla siguiente nos muestra los factores de forma, factor deondulacin y rendimiento de conversin para varios circuitos rectificadores(en las condiciones supuestas).

CIRCUITO RECTIFICADOR RIPPLE Factor deforma

Rendim. deconversin

Monofsico de Media Onda 1.21 1.57 0.405

Monofsico de OndaCompleta

0.484 1.11 0.813

Trifsico de Media Onda 0.183 1.02 0.963

Hexafsico de Media Onda 0.042 1.00 0.998

Trifsico de Onda Completa 0.042 1.00 0.998

Puesto que la forma de onda de la tensin de salida no depende de la clasede carga, los valores del factor de ondulacin (ripple) de la tensin desalida, Frv, y del factor de forma de la tensin de salida Ffv indicados en la

tabla son tambin vlidos con carga inductiva.

4- FILTROS. Diversos tipos.

4.1 - Filtro con entrada a capacitor

El mtodo ms usual para disminuir la ondulacin en la salida de unrectificador consiste en emplear carga capacitiva.

En la figura 1 se muestra elcircuito monofsico de media ondacon carga capacitiva queconstituye el rectificador mssencillo para suministrar c.c. a lacarga.

En ausencia del condensador C, el rectificador suministra potencia a lacarga slo durante el semiciclo positivo, de modo que la tensin de salida yla corriente de carga se reduce a cero peridicamente.

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Si el circuito dispone del condensador C, ste se carga con un valor casiigual al de cresta de la tensin aplicada durante el primer semiciclo

positivo. El condensador, por tanto, almacena energa. Mas cuando latensin aplicada es menor que su valor de cresta, la tensin en elcondensador resulta mayor que la tensin aplicada, por lo que el diodo se

polariza en sentido inverso. Entonces, el condensador se descargaparcialmente a travs de la carga, hasta que la tensin aplicada rebasa la delcondensador.

El diodo se polariza entonces ensentido directo y el condensador se cargade nuevo hasta el valor de cresta de latensin aplicada. Al cargarse elcondensador el diodo deja de conducir,repitindose el ciclo.

En la figura 2 se muestran las formas de

onda de corrientes ideales para elcircuito, una vez obtenido unfuncionamiento estable.

Debido a la carga y descarga del condensador, la tensin que aparece enl no es constante y la ondulacin tiene idntica frecuencia que la tensinaplicada. El resistor en serie, Rs, se ha incluido en el circuito para limitarla corriente de pico que circula por el diodo en el momento de conectar el

rectificador a la red. La corriente que circula por el diodo carga elcondensador con impulsos de amplitud considerable, por lo cual esnecesario utilizar un condensador caro en el filtro para reducir as laondulacin.

El funcionamiento del circuito de ondacompleta bifsico (fig. 3) es igual al delcircuito monofsico de onda completatipo puente (fig. 4) cuyas formas deonda de tensin y corriente se

representan en la figura 5.

En el circuito monofsico de onda completa tipo puente, la tensin alternaaplicada se rectifica y la tensin de salida se filtra por medio delcondensador, de modo similar al descrito para el circuito monofsico demedia onda.

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Sin embargo, se obtiene un filtrado ms eficaz gracias a que el condensadorsuministra corriente a la cargadurante intervalos ms brevesy, por lo tanto, es menor lavariacin de tensin sobre elcondensador.De este modo la tensincontinua disponible a la salidaes mayor que en el caso delcircuito monofsico de mediaonda, y la tensin deondulacin menor.La frecuencia de ondulacin esdoble que la frecuencia de latensin aplicada.

4.2 - Filtros LCUn circuito rectificador con carga capacitiva est limitado por el hecho deque, para elevadas corrientes de carga, se requiere un condensador de filtrode capacidad elevada que reduzca las grandes corrientes de ondulacin quese presentan.Esta limitacin puede superarse sise utiliza una bobina de filtro que

proporcione una carga inductivapara el rectificador.

El circuito rectificador monofsicode media onda no puede serutilizado con bobina de filtro en laentrada, ya que se necesitara unainductancia de valor infinito paraque la corriente circulase durantetodo el ciclo.En los circuitos monofsico de onda completa tipo puente y con

transformador con punto medio (figs. 3 y 4). se sustituye Rspor unabobina en serie, L.

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Dicha bobina sirve para reducir los valores eficaz y de pico de lacorriente y para reducir la tensin de ondulacin.

El filtro L y el tipo PI son los ms utilizados para circuitos concargas elevadas.

Estos filtros son ms caros, pero garantizan una disminucin de latensin de ripple.

5- RECTIFICADORES POLIFASICOS

Existen varias ventajas en el empleo de sistemas rectificadorespolifsicos para la conversin de potencias elevadas:

Mayor tensin de salida para la misma tensin de entrada Frecuencia fundamental de ondulacin ms elevada y

menor tensin de ondulacin con lo cual se reduce oelimina la necesidad de filtro

Mayor rendimiento de conversin.

En los circuitos trifsicos los devanados primarios del transformador suelenconectarse en tringulo (salvo en el caso del circuito trifsico en dobleestrella sin bobina de compensacin, que se describe ms adelante), conobjeto de suprimir los armnicos

En los circuitos que se describirn, el secundario est siempre conectado enestrella, aunque en el circuito trifsico de onda completa pueda emplearsela conexin en tringulo.

Con la potencia que generalmente se exige a un circuito rectificadortrifsico, las prdidas introducidas por un filtro seran demasiado elevadas.Cuando se reduzca el consumo necesario, se podr utilizar un filtro conentrada inductiva; sin embargo, con corrientes elevadas el valor delcondensador en paralelo con la carga seria enorme y debera conducir unagran corriente de ondulacin.

A continuacin se estudiarn los circuitos rectificadores trifsico de

media onda, trifsico de onda completa, hexafsico de media onda ytrifsico en doble.estrella.

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5.1 Rectificador trifsico de media onda

El circuito trifsico de media onda (trifsico en estrella) se muestra en lafigura 1. El devanado secundario est conectado en estrella y el puntocentral se usa como terminal comn de la carga. Su funcionamiento se

comprende mejor analizando las formas de onda tericas que muestra la figura 2. Supongamos que la tensin de la faseR. es lams positiva.Eneste caso el diodo D1 conducir sis.t = /6, y la corriente circular por lacarga y retornar al transformador a travs del punto neutro.

El diodoD1seguir conduciendo hasta que la tensin de la fase Y sea mspositiva que la de la fase R, paras.t = 5/6 . Entonces la corriente setransferir del diodo D1 al diodo D2. Este conducir durante los 120'siguientes, y luego la corriente se transferir al diodoD3, el cual a su vez

conducir durante otros 120. De ese modo cada diodo conducesucesivamente durante120La frecuencia de ondulacin es tres veces mayor que la de la red.

En un rectificadorde media onda, lacorriente media deldiodo por fase es:

IFAV= Io/n (1.1)en donde lo es lacorriente continuade salida y n elnmero de fases.

La corriente eficazque circula por eldiodo vale:

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(1-2)

en donde Iorms indica la corriente eficaz de salida.

En el circuito trifsico de media onda el ngulo de conduccin de losdiodos vale 120.

IFAV = Io/ 3 ; IF rms = (1 / 3) Io rms

El rendimiento de conversin de este circuito es elevado si lo comparamoscon el delos circuitos monofsico, mientras que la tensin de ondulacin sereduce a algo ms de un tercio dela obtenida con circuitos monofsicos deonda completa. No obstante, el factor de utilizacin del transformador es

bajo en comparacin con el de un circuito trifsico de onda completa; elcircuito que nos ocupa se utiliza nicamente cuando se debe realizar laconversin de bajas tensiones.

5.2 Rectificador trifsico de onda completa

En la figura 3 se muestra el circuito trifsico de onda completa. Es uno delos ms utilizados para la conversin de potencias elevadas mediantediodos semiconductores.

En el circuito trifsico de onda completa, el devanado secundario deltransformador puede conectarse en estrella (fig. 3), o en tringulo, puestoque ambos montajes son idnticos en lo esencial.

Los siguientes datos son comunes siempre que las tensiones de lossecundarios sean idnticas:

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la tensin entre las fases del transformador conectado en tringulodebe ser 3 veces la del secundario conectado en estrella.

Las frmulas para las corrientes media y eficaz de cada diodo sonidnticas a las del circuito trifsico de media onda, es decir:


Consideremos ahora el circuito junto con las formas de onda que muestra lafigura 4. Si la fase R es la ms positiva, el diodo D1empezar a conducircuando s.t = /6

La corriente circula a travs de D1hacia la carga y retorna al transformadora travs del diodo D5o D6, segn que la fase ms negativa sea la Y o la B,respectivamente. Cuando s.t = /6, la fase Y es la ms negativa y lacorriente retornar a travs del diodo D5. Cuando s.t = /2, la fase Bserla ms negativa y la corriente de retorno circular por D6.

Con s.t = 5./6 la fase Yse hace ms positiva y la corriente se transfieredel diodo D1 al D2. Cada diodo conduce durante 120 por ciclo y lacorriente se conmuta cada 60.

La tensin de ondulacin es pequea y su frecuencia es seis veces lafrecuencia de la red. Este circuito presenta el mayor factor de utilizacindel transformador y, por tanto, requiere menor potencia de c.a. para obtenerunos valores determinados de corriente y tensin continuas.

Este circuito se emplea para la carga de bateras de alta tensin, fuentes dealimentacin industriales, aparatos electrolticos (salvo los que funcionancon tensiones muy bajas) y, en general, siempre que se necesite unaconversin de gran potencia con rendimiento elevado.

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5.3 Rectificador hexafsico de mediaonda

En la figura 5 se muestra el circuito rectificador hexafsico de mediaonda, tambin conocido como circuito hexafsico en estrella. Si se conectael punto central de la estrella al terminal comn, se obtiene una

alimentacin hexafsica. Las formas de onda de este circuito se muestranen la figura 6.

Cada diodo conduce durante 60 y la frecuencia de ondulacin es seisveces la frecuencia de la red.


Este sistema tiene mayor rendimiento de conversin que el circuito trifsicode media onda. No obstante, es el que tiene el menor factor de utilizacindel secundario del transformador de entre todos los circuitos rectificadorestrifsicos. El rendimiento de conversin es elevado e igual al del circuitotrifsico de onda completa

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La principal ventaja de este circuito consiste en que todos los diodos sehallan conectados a un terminal comn y, por tanto, pueden montarse en unmismo radiador. Por lo general se utiliza solamente para conversin de

potencias reducidas, debido al bajo factor de utilizacin del secundario deltransformador.

5.4 Rectificador trifsico en doble estrella

El transformador para rectificador que se alimente de la red puede tener dossecundarios trifsicos independientes, unidos entre s mediante una bobinade compensacin. De esta manera se obtienen dos sistemas rectificadorestrifsicos completos conectados en paralelo y mutuamente desfasados.. La

bobina de compensacin evita que un diodo conductor en un secundariobloquee a otro diodo en el otro secundario. La bobina de compensacinacta como divisor inductivo equilibrando las diferencias en los valoresinstantneos de las tensiones de salida. Este mtodo puede aplicarse tantoen circuitos rectificadores de media onda como en los de onda completa.

La figura 7 representa el circuito trifsico de media onda en doble estrella.

Un conjunto de tensiones trifsicas est desfasado 60 respecto del otro,para suministrar una salida hexafsica.

No obstante, el ngulo de conduccin de los diodos se aproxima a 120,debido a la presencia de la bobina de compensacin. Las corrientes mediay eficaz que circulan por cada diodo son, respectivamente:

IFAV = Io/ 6 ; IF rms = (3) Io rms

En la figura 7 se representa el circuito trifsico en doble estrella con bobinade compensacin. Tiene dos secundarios conectados en estrella. Lastensiones en los centros de las estrellas estn desfasadas entre s 180.

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Dichos puntos se hallan unidos por una bobina de compensacin conderivacin central.

En cualquier instante, la corriente circula por dos fases, una de cadaestrella, segn muestra la figura 8. La corriente de retorno se divide entrelos dos secundarios con ayuda de la bobina de compensacin. Por tanto, elvalor instantneo de la tensin de salida es el promedio de los valores

instantneos de las tensiones de los secundarios que en aquel momentoestn conduciendo. Una variacin de c.c. produce una fem del tercerarmnico en un nodo y se resta de la del otro, con lo que ambos semantienen a una tensin comn.

Para valores bajos de la c.c. se alcanza un punto de transicin cuando lacorriente es demasiado pequea para producir la fem del tercer armnico yel circuito pasa a funcionar en forma de hexafsico de media onda, con loque se produce un repentino aumento de la tensin de salida.

Este circuito presenta una ondulacin hexafsica, pero una relacin detensiones trifsica. Con l se reduce la corriente secundaria de cada faseaproximadamente a la mitad de la que corresponde a un circuito hexafsicode media onda; por tanto, pueden utilizarse diodos con menores valores

lmite de corriente de pico, aunque los valores de la tensin inversa de picodeben ser algo mayores. Este montaje se suele emplear cuando el coste dela bobina de compensacin se amortiza con la economa obtenidaempleando diodos con valores lmite de corrientes relativamente bajos. Seutiliza a menudo para los baos electrolticos (baja tensin y grancorriente). El factor de utilizacin del primario y el del secundario sonelevados; sin embargo, este ltimo factor es 2 veces menor que el delcircuito trifsico en puente. La frecuencia ser el triple de la de red.

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En las grandes instalaciones alimentadas por red trifsica las prdidas sonimportantes, tanto por lo que se refiere al mal aprovechamiento de potenciacomo a la cada de tensin (regulacin).

Regulacin de tensin

La regulacin de tensin depende de tres factores principales: prdidasen el cobre del transformador, cada de tensin en los diodos y cada detensin en la conmutacin.

Prdidas de potencia

Las principales prdidas de potencia en una instalacin se debern altransformador (prdidas en el ncleo y en el cobre) y a los diodos. Las

prdidas en el transformador se pueden determinar mediante dos pruebasque se describen a continuacin.

Para la prueba en circuito abierto se deja el secundario sin conectar y semiden la corriente y la potencia de alimentacin a tensin y frecuencianominales. La corriente I(oc) es la suma de la corriente de imanacin y lascomponentes de prdidas en el ncleo. La potencia indicada W(oc)representa las prdidas en el cobre y en el ncleo. Las primeras son

pequeas, puesto que I(oc) es pequea comparada con la corriente, a plenacarga, por lo cual pueden despreciarse.

En la prueba en cortocircuito, se cortocicuita el primario o el secundarioy se aumenta gradualmente la tensin hasta que por el devanado circula la

corriente especificada. Se mide la tensin de cortocircuito Vsc necesariapara que por el devanado circule la corriente de plena carga. La potenciacorrespondiente Wsc , representa las prdidas en el cobre, I

2R, y unapequea prdida del ncleo, que puede despreciarse.

Mediante las pruebas anteriores puede estimarse el funcionamiento deun transformador del modo siguiente:

Potencia nominal del transformador VAn(voltamp.)

Conexin del transformador Estralla-tringulo

Prdidas

Tensin nominal del primario VPL(voltios) Tensin nominal del secundario VL Prueba en circuito abierto en el lado en estrella para la tensin nominal

VL Prdidas en el ncleo = W(oc) Corriente sin carga = I(oc)

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Prueba en cortocircuito en el lado en tringulo con secundariocortocircuitado

Tensin de cortocircuito Vsc Prdidas en el cobre, PK=Wsc vatios a la corriente especificada Corriente en el primario lPL= Van / 3.VPL Corriente en el primario, por fase = lPL/ 3 Prdidas en el cobre, por fase = Wsc / 3 vatios

Rendimiento del circuito

% de rendimiento= salida / (salida + prdidas) x 100

en donde, las prdidas son

W(oc) + Wsc+ I0.VFAV x nmero de diodos en serie.

5.5 Comparacin de resultados de los circuitos trifsicos

La tabla siguiente incluye los resultados de los circuitos rectificadorestrifsicos generalmente empleados. Los resultados representados en dichatabla suponen el empleo de diodos y transformador ideales. Sin embargo,la tabla da una buena idea del rendimiento de cada circuito y puedeutilizarse para comparar los kilovatios por rectificador que se puedenobtener de cada circuito.

Ello se comprender mejor con un ejemplo. Supnganse que se dispone dediodos con tensin de 400 V y una corriente de 20 A. La tabla compara loscircuitos monofsico y trifsico de onda completa. De los resultadosanteriores se observa que se aprovechan mejor los diodos en el circuitotrifsico en puente.

Monofsico de ondacompleta puente

Trifsico de ondacompleta

Nmero de diodos utilizados 4 6

Tensin de salida V0 400/1,57 = 255V 400/1,05 = 380VCorriente de salida I0 2 x 20 = 40A 3 x 20 = 60A

Potencia disponible V0.I0 255 x 40 = 10,2 kW 380 x 60 = 22,8 kW

kW de CC por diodo 10,2 / 4 = 2,55 kW 22,8 / 6 = 3,8 kW

TABLA - Comparacin de circuitos(Empleando diodos en los ue VRWM= 400V , IFAV= 20A)

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6- REGULADORES INTEGRADOS

Todo dispositivo electrnico, desde una supercomputadora hasta un simpledestellador, debe necesariamente poseer una parte esencial para sufuncionamiento. Me estoy refiriendo a la fuente de alimentacin. En efecto,diseada y realizada de mil formas distintas, siempre se encuentra presenteen todo equipo electrnico cualquiera sea su uso o complejidad.

Es por esto que a la hora de realizar cualquier circuito electrnicoprctico, el diseador deba necesariamente realizar una fuente dealimentacin acorde a las necesidades del circuito. La mayora de las vecesse le exiga a sta que mantuviera la tensin de salida constante paracualquier condicin de uso (esto significa, distintas corrientes de salida ydistintas tensiones de entrada). En muchas ocasiones disear tal fuenteresultaba una tarea bastante difcil y tediosa. Se deban asumircompromisos que relacionaban la complejidad del diseo con la estabilidaddel mismo. As, por ejemplo, una pequea fuente que requera pocos

componentes presentaba una regulacin psima, mientras que una queofreca una buena estabilidad, precisaba una cantidad faranica decomponentes y, por consiguiente, aumentaba el tiempo y el costo deldiseo.Afortunadamente las empresas diseadoras de componentes han puesto fina esta peripecias, presentando, hace ya algunos aos, los reguladoresintegrados. Estos dispositivos de gran utilidad anan todas las ventajas deuna completa fuente de alimentacin en un solo encapsulado reduciendo el

problema de un buen diseo a unos pocos componentes. Veamos, ahora, un

poco ms en profundidad de qu se trata esto.Reguladores fijos

En la mayora de las aplicaciones serequiere una tensin fija y estable de undeterminado valor. La lnea dereguladores ideales para este tipo denecesidades es la conocida comoLM78XX.

Las primeras letras y dos nmeroscorresponden a la denominacin,mientras que las dos ltimas XX debenser reemplazadas por la tensin de salidarequerida.Las tensiones disponibles se observan enla siguiente tabla.

Nmero Tensin desalida

LM7805 5 Voltios

LM7806 6 Voltios

LM7808 8 VoltiosLM7809 9 Voltios

LM7812 12 Voltios

LM7815 15 Voltios

LM7818 18 Voltios

LM7824 24 Voltios

LM7830 30 Voltios

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Cada uno de estos dispositivos posee slo tres terminales, una correspondea la entrada de tensin no regulada, otra es la salida regulada y la restante esla masa comn a ambas. En cuanto al encapsulado, conviene aclarar que, si

bien estn disponibles en varios tipos, generalmente se los suele encontraren el encapsulado del tipo TO-220.

Resumiendo, y para comprender completamente la simplicidad de una

fuente de alimentacin de este tipo, podemos observar el diseo de lasiguiente figura:

Como se observa, slo fueron agregados dos capacitores al circuitointegrado. Expliquemos la funcin de cada uno de ellos. C1, que se halla ala entrada del regulador, filtra la tensin de posibles transitorios y picosindeseables, mientras que C2, que se encuentra a la salida, disminuye latensin de rizado de salida, a la vez que evita oscilaciones.

En cuanto a la tensin de entrada, se puede mencionar que es de una rango

muy amplio, como se aprecia. Por ejemplo, si el regulador elegido es unode nueve voltios (LM7809), la tensin de entrada podr ser de entre 12 y 39voltios.

Para realizar una fuente de alimentacin fija completa, observemos lafigura siguiente que constituye slo una modificacin de la anterior:

En este diseo partimos directamente de la tensin alterna de red (220v 110v depende del pas), para lograr una tensin perfectamente estable.Primeramente, como es lgico, la tensin es reducida hasta una valormanejable por un transformador. Luego, esta tensin alternada de bajo

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valor es rectificada por el puente D1, obtenindose as una seal de ondacompleta. Despus la seal se filtra por medio de C1 consiguindose deesta forma una tensin continua no estabilizada, que es inyectada al circuitoanterior para su regulacin.

Caractersticas de las fuentes con reguladores integrados

Vimos como se puede realizar de forma muy sencilla una fuente de tensinfija regulada. Examinemos ahora las excelentes caractersticas que sta

posee a pesar de lo simple de su diseo.

Comencemos por la regulacin de lnea, que es un parmetro que establececunto vara la tensin de salida frente a variaciones en la tensin deentrada. Es posible comprobar que para un cambio de 20 voltios a laentrada se produce una variacin de slo 4 milsimas de voltio a la salida,con lo cual, podemos suponerla inmune a los cambios de tensin de

entrada.Otro parmetro importante es la denominada regulacin de carga, queindica cunto vara la tensin de salida cuando la corriente vara de unmnimo al mximo. Nuevamente los resultados obtenidos son excelentes:

para una variacin de corriente de 1,5 amperios, la tensin de salidasolamente se modifica en 10 milsimas de voltio.

Tambin es vital el denominado rechazo al ripple. Este valor indica cuntasveces ms chico es el valor de la tensin de rizado a la salida con respecto ala entrada. Con el capacitor de salida se obtienen valores tpicos de 75 dB.

Esto implica que la tensin de rizado a la salida es 5000 veces menor que ala entrada. Esta caracterstica posibilita la disminucin de la capacidad deC1, con la reduccin de costo y tamao que esto trae aparejado.Finalmente estudiemos la corriente que este tipo de dispositivo es capaz deentregar. Para un LM7805 sta adopta un valor de 2 amperios. Si encambio, se trata de un LM7808 a un 7815 sta es de 1,5A, mientras para

para reguladores de tensin superiores la corriente es de 1,2A. Esimportante aclarar que estos valores son vlidos cuando se utiliza undisipador adecuado y cuando la tensin de entrada no es superior en ms 15

voltios con respecto a la de salida. Es decir que Vent-Vsal

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en ms de 15mV para cualquier condicin. Este tipo de fuente es ms quesuficiente para la mayora de las aplicaciones electrnicas.

REGULADORES DE TENSIN NEGATIVA

Hasta ahora hemos conocido los reguladores fijos cuya tensin de salida espositiva con respecto a masa. Sin embargo, tambin existe la serie anloga

a la LM78XX, de similares caractersticas, cuyas tensiones de salida sonnegativas con respecto a tierra. Dicha serie es la 79XX. Donde nuevamentelas X son reemplazadas por los valores anteriormente mencionados.

Las caractersticas de esta serie son similares a la anterior en lo querespecta a regulacin de carga, de lnea, rechazo al rizado y corriente desalida. La nica diferencia, adems claro est de ser reguladores de tensinnegativa, en la distribucin de patas en el encapsulado.

A travs de la combinacin de ambas series es perfectamente factible eldiseo de una fuente de tensin simtrica como la indicada en la figura:

De esta forma obtenemos una fuente simtrica con las caractersticas de laanterior fuente simple. Es necesario aclarar que, aunque no es conveniente,las tensiones de salida del regulador positivo y negativo no tienen por quser las mismas. Sin embargo, es recomendable que no sean muy diferentesuna de la otra.

7- REGULADORES DE TENSIN VARIABLEEn ciertas ocasiones, sobre todo cuando realizamos alguna aplicacin delaboratorio, es necesario disponer de una fuente que posea una tensin desalida regulable.

Como no poda ser de otra forma existen distintas formas muy simples derealizarlas con reguladores integrados.

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La primera forma que veremos es a travs de la utilizacin de la conocidaserie LM78XX. Este diseo sirve tanto para generar una fuente regulable,como para una fuente fija que provea un valor de tensin no convencional.Por ejemplo, a travs de este circuito es factible el desarrollo de una fuentefija de 7,2V con todas las ventajas que los reguladores integrados ofrecen.Un posible diseo es el indicado en la figura anterior.

El principio de funcionamiento de esta configuracin no resulta para nadacomplicado. Entre sus terminales GND y OUT del regulador se desarrollauna tensin de XX voltios (recordar el significado de las equis). Estatensin aparece sobre los bornes de R1 desarrollndose as una corriente Ide XX/R1 amperios. Ahora bien, la tensin de salida es I*(R1+R2), o sea(XX/R1)*(R1+R2). Es decir que, la tensin de salida es de XX*(R2/R1+1)voltios.

Si R2 es un potencimetro, entonces disponemos de una fuente de tensin

regulable. Basta variar R2 para que la tensin de salida vare a un valordeseado. Una vez fijado este valor, se mantiene casi constante ya que slodepende XX (salida del regulador) que es casi constante. Si, por elcontrario, R2 es un preset o una resistencia fija, La tensin de salida semantendr casi constante en el valor prefijado creando as una fuente detensin de un valor no estndar.

Un detalle importante a resaltar, que surge de la observacin del trmino

entre parntesis de la expresin de salida, es que la tensin de salida

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mnima es la propia tensin nominal del regulador, cualquiera sea larelacin R2/R1 escogida. Es por este motivo, y teniendo en cuenta que lamnima tensin nominal de la lnea 78/79XX es de cinco voltios, que estediseo no es til para el diseo de una fuente de tensin verstil delaboratorio. Para ello recurriremos a otro tipo de regulador integrado.

CIRCUITO INTEGRADO LM317

Para las aplicaciones en las que se requiere disear especficamente unafuente regulable de amplio margen de salida, es altamente recomendableutilizar otro regulador: el LM317. En principio sus caractersticas sonsimilares a cualquier 78XX, es decir un regulador positivo. Sin embargo,

posee una diferencia fundamental que lo hace ideal para fuentes regulables:su tensin de referencia (la XX de la expresin anterior) es de slo 1,25V,con lo que ofrece la posibilidad de un amplio rango de tensiones de salida.

Un diseo estimativo de una fuente de laboratorio, con las excelentes

caractersticas de regulacin y rechazo de rizado ya comentadas, capaz deproveer una tensin de salida entre 1,25V y 25V es el siguiente:

Se observa que fueron agregados dos diodos y una capacitor con respecto alltimo circuito. Tanto D2 como D3 evitan que se descargue el nuevocapacitor incluido a travs del integrado. A su vez dicho capacitor (C4 eneste caso) mejora el rechazo al rizado elevndolo hasta los 80dB.

Para obtener el rango de salida indicado en la figura R1 debe ser de 220,R2 un potencimetro de 5k y D1 y D2 cualquier diodo pequeo como,

por ejemplo, 1N4001. En cuanto a la corriente de salida, es de 1,5amperios si se utiliza un disipador adecuado.

8- DIODOS ZENER

8.1. Caractersticas

A diferencia del diodo comn, el diodo Zener es un diodo que ha sidodiseado para trabajar en el codo de la polarizacin inversa, llamada reginZener. La corriente en la regin Zener tiene una direccin opuesta a la de

un diodo polarizado directamente.En la zona directa lo podemos considerar como un generador de tensincontinua (tensin de codo).En la zona entre la tensin de codo y la tensin zener (Vz nom) lo podemosconsiderar un circuito abierto.

Cuando trabaja en la zona de disrupcin se puede considerar como ungenerador de tensin de valor Vf= -Vz. El zener se usa principalmente en laestabilidad de tensin trabajando en lazona de disrupcin.

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De acuerdo con la definicin, se puede decir que eldiodo Zener ha sido diseado para trabajar convoltajes negativos (con respecto a l mismo).

Es importante mencionar que en un diodo Zener, laregin Zener se controla o se manipula variando losniveles de dopado. Un incremento en el nmero deimpurezas agregadas, disminuye el potencial o elvoltaje de Zener VZ.

Smbolos deDiodo Zener

As, se obtienen diodos Zener con potenciales o voltajesde Zener desde -1.8V a -200 V y potencias de 1/4 a 50 W. El diodo Zener se puede ver comoun dispositivo el cual cuando ha alcanzado su potencial VZ se comportacomo un corto. Es un "switch" o interruptor que se activa con VZ volts. Seaplica en reguladores de voltaje o en fuentes.Podemos distinguir:

1. Vz nom,Vz: Tensin nominal del zener (tensin en cuyo entornotrabaja adecuadamente el zener).2. Iz min: Mnima corriente inversa que tiene que atravesar al diodo a

partir de la cual se garantiza el adecuado funcionamiento en lazona de disrupcin(Vz min).

3. Iz max: Mxima corriente inversa inversa que puede atravesar eldiodo a partir de la cual el dispositivo se destruye (Vz max).

4. Pz: Potencia nominal que no debe sobrepasar el componente.Aproximadamente se corresponde con el producto de Vz nom y Iz

max.

Cuando usamos un diodo zener en un circuito se deben tener en cuenta lassiguientes consideraciones (a partir de las hojas de caractersticassuministradas por el fabricante):

1. Para un correcto funcionamiento, por el zener debe circular unacorriente inversa mayor o igual a Iz min.

2. La corriente mxima en sentido inverso ha de ser siempre menor queIz max.

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3. La potencia nominal Pzque puede disipar el zener ha de ser mayor (delorden del doble) que la mxima que este va a soportar en el circuito.

En sntesis:

Diodos diseadospara trabajar en lazona de polariza-

cin inversa, en lazona de ruptura.

En esta zona elvoltaje es prctica-mente constante, eindependiente de lacorriente: fuente devoltaje ideal.

Se considera el Diodo

zener ideal: Rz=0 [W]

8.2Regulador de voltaje tener. Configuracin tpica

Ri tiene la funcin

de absorber la dife-rencia de voltajeentre Vs y Vz.

Vs es una fuentede tensin noregulada.

Condiciones para la regulacin1) Corriente de carga mxima: (RLmin) , y Vsmin=>> Izmin=>> Prdida deregulacin2) Corriente de carga mnima: (RLmax) y Vsmax=>> Izmax=>> Prdida deregulacin

De condicin1):

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De condicin2):

Siendo (1) = (2)

.Luego se puede calcular Izmax, asumiendo Izmin= 0.1Izmaxen (3)

La principal desventaja de este esquema es la disipacin de potencia en Ri

8.3. Aplicaciones: Circuitos basados en diodos zener

a) Fuente de Poder Regulada

Clculo del condensador:

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Diodo zener realIncluye el efecto de la resistencia interna El voltaje a travs del zenervara con la corriente.

Considerando que izvara en el rango [izmin,izmax]:

Vzmin= Vz, nominal+ Izmin*Rz

Vzmax= Vz, nominal+ Izmax*Rz

Se define la cifra de mrito regulacincomo:

Si Rz = 0 ohms =>> Reg = 0% (Caso ideal),Si Rz es distinto de 0 ohms =>> Reg es distinto de 0%

b) Alimentacin estabilizada para motores de 12V c.c.

Este circuito se alimenta a partir de la batera del automvil o similar ysuministra una tensin de 12 voltios, completamente estabilizada frente a

posibles variaciones de tensin a la entrada y a diferencias de consumo a lasalida.

MATERIALES:

TR1 transistor AD 162;D1 Diodo Zener BZY 88/ 12v.R1 resistencia 1/2w. 300

ohmios (Nar. Bl. Ma.).C1 condensador Electroltico

1000 Mf/16 v.Radiador que mejor convengapara el transistor AD162.

La tensin nominal debe ser igual a la del Diodo Zener, e igual a la tensinde salida. Deber de disipar una potencia de 400 miliwatios. La intensidadmxima permitida en este circuito, sin cada brusca de tensin, se de 400miliamperios, suficiente para la mayora de los motores de seguimiento decualquier telescopio de aficionado existente en el mercado.

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Se recomienda colocar en la entrada un fusible de 1 amperio para evitarposibles cortocircuitos que pudieran deteriorar el transistor TR1, AD 162.

AJUSTE: Este circuito no requiere de ningn ajuste. Solamentecomprobaremos si la tensin a la salida es correcta. Para ello laconectaremos a una tensin comprendida entre 12 y 15 voltios ycolocaremos a la salida, paralelo con el polo positivo y negativo de la

fuente, una resistencia de 1K, 1/2w a modo de carga. Entonces, con laayuda de un comprobador, mediremos la tensin, que deber ser de 12voltios. Si se observara una pequea diferencia, esto es debido a lastolerancias de los diodos Zener. No se debe medir nunca la tensin sin estaresistencia de carga.

9- DISIPADORES DE CALOR.

Los disipadores de calor son unos elementos complementarios que se usanpara aumentar la evacuacin de calor del componente al que se le coloquehacia el aire que lo rodea. Esto trae como consecuencia que se reduce latemperatura de trabajo del componente ya que la cantidad de calor que seacumula en l es menor que sin disipador. Un clculo estricto de losdisipadores puede ser complejo. En este captulo se tratar un sistema declculo aproximado, que sin embargo proporciona buenos resultados y estmuy difundido. Este sistema se basa en una analoga entre circuitos de flujode calor y circuitos elctricos resistivos.

Disipador o radiador?Ambos trminos se usan como sinnimos en el mbito de la evacuacin decalor en los componentes electrnicos. Sin embargo, el trmino apropiadoes el de disipador de calor. Y esto porque el mtodo que se usa para extraerel calor del componente no es el de radiacin, sino el de conveccin. Portanto, al ser el trmino disipador (que disipa o extrae el calor) ms genricoque el de radiador (que extrae el calor por radiacin) creo que el primero esel ms adecuado. Por tanto, me referir a estos elementos como disipadoresy no como radiadores.

Establezcamos la analoga: la Ley de Ohm trmica

Al igual que en los circuitos elctricos, se puede definir una Ley de Ohm enlos circuitos de flujo de calor. Pero antes identifiquemos los elementostrmicos equivalentes a sus anlogos elctricos.As, el papel de la fuente de tensin elctrica (por ejemplo una batera) locumple el componente que genera el calor que se desea evacuar. El papelde masa de un circuito elctrico lo tiene el aire, que supondremos a unatemperatura de unos 25C. La diferencia de tensin elctrica encuentra suhomlogo en la diferencia de temperatura. La potencia generada en forma

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de calor en el componente tiene su equivalente en la corriente elctricaentregada por la fuente de tensin. Por ltimo, la resistencia elctrica tienesu reflejo en la resistencia trmica medida en C/W (grados centgrados porvatio).Con estos elementos podemos ya formular la Ley de Ohm trmica:

Tj Ta = P Rth t

donde: Tj : temperatura mxima de la unin del elemento semiconductor.Ta : temperatura ambienteP : potencia consumida por el componenteRth t : resistencia trmica total entre la unin y el aire ambiente.

Es realmente necesario colocar un disipador?

Supongamos que tenemos cierto componente de tipo semiconductor yqueremos saber si necesitar o no un disipador. Pues bien, deberemosempezar por buscar en su hoja de caractersticas (data sheet) algunos datos.A saber,

Temperatura mxima de la unin (o las uniones), Tj. Resistencia trmica entre la unin y el aire circundante, Rth j-amb

(o en su defecto la resistencia trmica entre la unin y la cpsuladel componente, Rth j-c).

Conocidos estos parmetros, se hace necesario saber tambin la potenciaque va a estar disipando el componente, P, y la temperatura ambiente detrabajo que estimemos oportuna, Ta (digamos 35 40C).Pues bien, si conocemos Rth j-amb podemos estimar la temperatura quealcanzara la unin (o uniones) del componente, Tj estimada, de la siguienteforma:

As, si Tj estimada > Tj o Tj estimada = Tj o Tj estimada < Tj pero estpeligrosamente cerca de esta ltima, debe colocarse un disipador que ayudeal componente a evacuar el calor. Qu ocurre si el fabricante proporcionaRth j-c en lugar de Rth j-amb en el data sheet? En ese caso el fabricante

proporcionar tambin la potencia mxima disipable por el componente,normalmente a 25C. Entonces Rth j-amb se puede hallar mediante unsimple clculo:

donde Ta es en este caso la temperatura para la que el fabricante especificala potencia mxima, Pmx.

Entonces, Rth j-amb se obtendra de la siguiente forma:

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Rth j-amb = Rth j-c+ Rth c-amb

Llegados a la conclusinde que el disipador esnecesario tendremos querealizar un clculo que nosoriente sobre el disipadorque debemos usar.El diagrama del montajecomponente-disipador

podra ser el siguiente:

Este montaje tiene el siguiente circuito trmico, o de flujo de calor,asociado:

Por la analoga con los circuitos elctricos se puede ver que

Rth t= Rth j-c+ Rth c-d+ Rth d-amb

con lo que la Ley de Ohm trmica podr expresarse as:

Tj Ta = P(Rth j-c+ Rth c-d+ Rth d-amb)

Lo que se pretende hallar es Rth d-amb, debiendo de ser conocidos el restode parmetros (por el data sheet del componente y por un clculo de la

potencia que deba disipar dicho componente).

As, despejando de la Ley de Ohm trmica el valor de Rth d-amb tendremosque:

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Por regla general, Rth c-d se puede tomar entre 0.5 y 1 C/W siempre ycuando la unin que se haga entre el componente y el disipador sea directa

(sin mica aislante) y con silicona termoconductora. Si esta unin se efectacon mica y sin silicona estaremos hablando de resistencias trmicas decontacto entre 1 y 2C/W. Si necesitamos usar mica para aislar tambin

podemos aplicar silicona termoconductora, en cuyo caso la resistenciaestara comprendida entre 1 y 1.5C/W.

Ejemplo Prctico

Se necesita calcular el disipador que debe colocarse a un transistor2N3055 que trabajar disipando una potencia de 30W. Considerar

la temperatura ambiente de trabajo igual a 40C.

Por el data sheet del 2N3055 sabemos que Rth j-c es de 1,5C/W. Adems,su temperatura mxima de la unin, Tj, es de 200C. Este valor lorebajaremos por seguridad hasta los 150C (a pesar de lo que diga elfabricante). Como la unin con el disipador ser directa con siliconatermoconductora supondremos Rth c-d de 1C/W. Con estos datos ya

podemos calcular Rth d-amb:

Por tanto, el disipador que le coloquemos al transistor deber tener unaresistencia trmica de como mucho 1.2C/W. La eleccin del modeloconcreto ya se hara mirando en los catlogos.

Qu temperatura alcanzar el disipador del ejemplo anterior? Y la

cpsula del transistor?La unin estar, segn hemos supuesto en el clculo anterior, a 150C. EnRth j-c existir una diferencia de temperatura debida al flujo de calor. Enconcreto:

Tj Tc = P.Rth j-c= 30W 1.5C/W = 45C

Tambin en Rth c-dcaer una temperatura dada por

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Tc Td = PRth c-d = 30W 1C/W = 30 C

Entonces, la temperatura de la cpsula del transistor ser

Tc = Tj 45 C = 105 C

y la temperatura del disipador ser

Td = Tc 30 C = 75 CConexin de ms de un componente activo en undisipador:

Es habitual colocar ms de un componente semiconductor en un solodisipador. Por ejemplo, podran colocarse sobre un disipador lostransistores finales de un amplificador con la etapa de potencia en simetracomplementaria. Veamos cmo calcular el disipador necesario en estoscasos basndonos en el ejemplo expuesto. El circuito trmico sera el

siguiente:

Supondremos que la situacin (tanto elctrica como fsica a efectos detransmisin de calor) es simtrica, ya que de lo contrario podra darse el

caso de que uno de los componentes fuese receptor de calor del otro, lo quecomplicara todo el clculo amn de que podra darse el caso de que elcomponente que actuase como receptor alcanzase una temperatura mayorque sin disipador. Bien, con esta limitacin que hemos impuesto se podrasimplificar el circuito trmico a este otro:

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Un circuito de este tipo ya se ha calculado en el apartado anterior, con loque no debera tener ningn problema con l.

cap2

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