TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y FUENTES DE ALIMENTACIN DEPARATMENTO ACADMICO DE ANLISIS Y DISEO DE PROCESOSLABORATORIO DE INGENIERA QUMICAPROFESORA: ING. PONCEUNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSFACULTAD DE QUMICA E INGENIERA QUMICAE.A.P. INGENIERA QUMICA

TRANSFORMADORES DE POTENCIA:Los transformadores son los enlaces entre los generadores del sistema de potencia y las lneas de transmisin y entre lneas de diferentes niveles de voltaje. Son altamente eficientes (cerca del 100%) y muy confiables. El transformador de potencia es un importante componente de los sistemas de potencia que permite la transmisin econmica de la potencia elctrica con una alta eficiencia y bajas cadas de tensin en serie. Ya que la potencia elctrica en proporcional al producto de la tensin y la corriente, Se pueden mantener niveles bajos de corriente (y, por tanto, prdidas I2R bajas y tambin bajas cadas de tensin IZ).Los transformadores de potencia llevan la tensin y la corriente hasta niveles ptimos para la generacin, transmisin, distribucin y utilizacin de la potencia elctrica.

Transformador trifsico que eleva el voltaje del generador al de las lneas de transmisin. Sus valores nominales son 750 MVA, 525/22.8 kV.ANSI/IEEE defineuntransformadorcomoundispositivo elctricoesttico, que implicasin partesmviles,continuamente utilizado ensistemas de energa elctricapara transferir energaentre los circuitos mediante el uso de la induccin electromagntica.El trminotransformador de potencia se utilizapara referirse alos transformadores utilizadosentre el generador yloscircuitos de distribucin,y stasse clasifican generalmenteen500kVA ypor encima.Los sistemas de alimentacinpor lo general constan deungran nmero delugaresde generacin, puntosde distribucin,y las interconexionesdentro del sistema oconsistemas cercanos.La complejidad del sistemaconduce auna variedad detransmisin ydistribucin detensiones.Los transformadores de potencias se deben utilizaren cada uno deestos puntos donde hayunatransicin entreniveles de tensin. El transformador es un aparato que realiza una funcin muy poco vistosa no realiza ningn trabajo mecnico (salvo vibrar) pero en cambio s muy til para el transporte de la energa elctrica.

2.1. CONSTITUCIN:Ncleo: Columnas. Culatas. Transformadores acorazados y transformadores de columnas. Chapas magnticas.Devanados. Alta y Baja. Concntricos o alternados.Refrigeracin. Seco. Bao de aceite. (Depsito de expansin). Pirelanos prohibidos. Ahora aceite de siliconas. Radiadores para potencias grandes (ms de 200kVA).

Placa de caractersticas:

Potencia nominal. Tensiones nominales. Frecuencia e impedancia equivalente en tanto por ciento, o cada de tensin relativa de cortocircuito. Tensiones de las derivaciones (si las hay) Esquema de conexin interna. Tipo de transformador, clase de refrigerante, fabricante, serie, cdigo, etc.

El transformador viene definido por su placa de caractersticas, que contiene la siguiente informacin mnima: Corriente nominal del primario [1], Tensin nominal del primario [2], Potencia aparente [3],Tensin nominal de secundario [4], Corriente nominal de secundario [6], Frecuencia [5].

2.2. SMBOLOS PRINCIPALES:

A tomar en cuenta:La invencin del transformador y los desarrollos de las fuentes de corriente alterna, resolvieron los graves problemas que tena la distribucin de energa elctrica en corriente continua.

Si se eleva por ejemplo en diez veces la tensin en la distribucin, la corriente se reduce justamente en esas diez veces, con lo que las cadas de tensin tambin se reducen en ese factor, y las prdidas en los cables en 100 veces ().

2.3. EL TRANSFORMADOR DE POTENCIA IDEAL:El transformador consiste en dos o ms bobinas colocadas de tal forma que estn enlazadas por el mismo flujo magntico. En un transformador de potencia, las bobinas se colocan sobre un ncleo de acero con el propsito de confinar el flujo de manera que el que enlace una bobina tambin enlace a todas las dems. Se pueden conectar varias bobinas en serie o en paralelo para forma un devanado, cuyas bobinas se apilan en el ncleo de manera alternada con aquellas de otros devanados. En la figura anterior se muestra cmo se pueden colocar dos devanados sobre un ncleo de acero para formar un transformador monofsico del tipo acorazado. El nmero de vueltas de un devanado puede variar desde varios cientos hasta miles.Se empezar el anlisis suponiendo que el flujo vara sinusoidalmente en el ncleo y que el transformador es ideal, lo que significa que: La permeabilidad del ncleo es infinita. Todo el flujo est confinado en el ncleo y por tanto, enlaza todas las vueltas o espiras de ambos devanados. Las prdidas del ncleo y la resistencia de los devanados son cero. As los voltajes e1 y e2 inducidos por la variacin del flujo son iguales a los voltajes en terminales v1 y v2 respectivamente. De la relacin de los devanados se puede ver que los voltajes instantneos e1 y e2 inducidos por el flujo variable estn en fase cuando se definen por las marcas de polaridad, + y -, indicadas. Entonces por ley de Faraday se cumple lo siguiente:

La direccin positiva del flujo para la bobina 1 se considera de acuerdo a la regla de la mano derecha. Se llega a la conclusin que: Lo que significa que debido a que se ha considerado un transformador ideal, la potencia compleja que entra al devanado primario es igual a la potencia compleja que sale del devanado secundario.

2.4. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN TRANSFORMADOR DE POTENCIAEl circuito equivalente se acerca a igualar las caractersticas fsicas de un transformador real. Sin embargo, tiene tres deficiencias: No muestra alguna transformacin de voltaje o de corriente. No provee un aislamiento elctrico entre el primario y el secundario. No toma en cuenta las prdidas del ncleo.Cuando se aplica un voltaje sinusoidal al devanado primario de un transformador real que esta sobre un ncleo de acero con el devanado secundario abierto, fluye una pequea corriente (corriente de excitacin). La componente mayor de esta corriente se llama corriente de magnetizacin, y corresponde a la corriente que pasa a travs de la suceptancia de magnetizacin . La corriente de magnetizacin produce el flujo en el ncleo. La componente ms pequea de , que contempla las prdidas en el ncleo de acero adelanta la corriente de magnetizacin en 90.Las prdidas del ncleo ocurren debido a que los cambios cclicos de la direccin del flujo en el acero requieren de energa que se disipa como calor. A esta disipacin se le denomina prdidas por histresis. El otro tipo de prdidas se debe a que circulan corrientes que son inducidas en el acero por el flujo variable y que producen perdidas llamadas perdidas por corriente de Eddy. Las prdidas por histresis se reducen mediante ciertas aleaciones de alto grado de acero para construir los ncleos. Las prdidas por corriente de Eddy se reducen si se construye el ncleo con hojas de acero laminado. Con el secundario abierto, el circuito primario del transformador es de muy alta inductancia debido al ncleo de acero. se toma totalmente en cuenta en el circuito equivalente por medio de una rama de conductancia en paralelo con la susceptancia de la magnetizacin . En un transformador bien diseado, la densidad de flujo mxima en el ncleo ocurre en la curvatura del lazo de saturacin o curva B-H del transformador. As, la densidad de flujo no es lineal con respecto a la intensidad del campo. La corriente de magnetizacin no puede ser sinusoidal si se requiere producir un flujo sinusoidal que, a su vez, d voltajes inducidos e1 y e2 sinusoidales cuando el voltaje aplicado tambin es de esta tipo. La corriente de excitacin tiene un contenido hasta del 40% de la tercera armnica, adems de armnicas ms altas en menor cantidad. Sin embargo, por conveniencia, es considerada como sinusoidal porque su valor es pequeo comparado con la corriente nominal y as, es aceptable el uso de y en el circuito equivalente.

Circuito equivalente del transformador sin considerar la corriente de magnetizacin

Las transformaciones de voltaje y de corriente, as como el aislamiento elctrico entre el primario y el secundario, se pueden obtener al aadir un transformador ideal con una relacin como se muestra en la figura anterior. La localizacin del transformador ideal no es fija. Por ejemplo, se puede mover hacia la izquierda pasando los elementos serie que vienen a ser la resistencia y la reactancia de dispersin del devanado secundario. Lo anterior esta en concordancia con la regla establecida anteriormente para los transformadores ideales, esto es, el valor de la impedancia de una rama que se refiere al lado opuesto del transformador ideal se obtiene al multiplicar el valor de la impedancia por el cuadrado de la relacin de espiras del lado opuesto a las del lado.

Con el fin de obtener el equivalente de la figura anterior. Todas las impedancias y voltajes en la parte del circuito que est conectada a las terminales del secundario se deben referir al lado primario.Se define a la regulacin de voltaje como la diferencia entre la magnitud del voltaje a plena carga, medido en las terminales en que se coloca la carga y conservando el voltaje de entrada constante. En forma de ecuacin: Donde: es la magnitud de (magnitud del voltaje en la terminal de la carga) en ausencia de carga. es la magnitud de a plena carga, con constante. Ejemplo 1:Un transformador monofsico tiene 2000 vueltas o espiras en el devanado primario y 500 en el secundario. Las resistencias de los devanados son y . Las reactancias de dispersin son y . La resistencia de la carga es de . Encontrar el valor de y la regulacin de voltaje, si el voltaje aplicado en las terminales del devanado primario es de 1200 V. no considerar la corriente de magnetizacin. Solucin:

Del circuito equivalente anterior se puede calcular:

Adems:

Entonces: Los parmetros R y X del transformador de dos devanados se determinan por la prueba de cortocircuito, donde la impedancia se mide entre las terminales de un devanado cuando el otro est cortocircuitado. Ejemplo 2: Un transformador monofsico tiene valores nominales de 15MVA y 11.5/69 KV. Si el devanado de 11.5 KV (denominado devanado 2) se cortocircuita, la corriente nominal fluye cuando el voltaje aplicado al devanado 1 es de 5.50 kV. La potencia de entrada es de 105.8 KW. Encuentre en ohms referidos al devanado de alto voltaje.Solucin: La magnitud de la corriente nominal para el devanado de 69 kV es de

Entonces

Ejemplo 2: La prueba de circuito abierto, realizada en el transformador del ejemplo anterior con un voltaje aplicado de 11.5 kV, da como resultado una potencia de entrada de 66.7 kW y una corriente de 30.4 A. Encuentre los valores de GC y Bm referidos al devanado 1 de alto voltaje. Cul es la eficiencia del transformador para una carga de 12 MW a factor de potencia de 0.8 en atraso y a voltaje nominal?Solucin: La relacin de espiras es a= N1/N2 = 6. Se hacen las mediciones sobre el lado de bajo voltaje. Para referir la admitancia paralelo del lado 1 de alto voltaje al lado 2 de bajo voltaje, hay que multiplicar por a2 ya que se tendra que dividir entre a2 si se tratara de transferir la impedancia del lado 1 al 2. En las condiciones de la prueba de circuito abierto

Bajo condiciones nominales, las prdidas totales son aproximadamente iguales a la suma de las prdidas en la pruebas de cortocircuito y de circuito abierto, y ya que la eficiencia es igual a la relacin de los kilowatts de salida a los de entrada, se tiene

Este ejemplo ilustra el hecho de que GC es mucho ms pequea que Bm, y por lo tanto, puede omitirse. Frecuentemente IE se desprecia por completo, debido a que el valor de Bm es tambin pequeo.2.5. EL SISTEMA POR UNIDADLas cantidades de los sistemas de potencia, como la tensin, la corriente, la potencia y la impedancia, a menudo se expresan por unidad o porcentaje de valores base especificados. Por ejemplo, si se especifica un voltaje base de 20 kV, entonces la tensin de IS RV es (l8/20) = 0.9 por unidad, o 90%. Entonces se pueden hacer los clculos con cantidades por unidad, en lugar de cantidades reales.Una ventaja del sistema por unidad es que, especificando de manera apropiada las cantidades base, se puede simplificar el circuito equivalente del transformador. Se puede eliminar el devanado del transformador ideal, de tal forma que las tensiones, las Corrientes y las impedancias y admitancias externas, expresadas por unidad, no cambian cuando se refieren de uno de los lados del transformador hacia el otro.Las Cantidades por unidad se calculan como sigue:

En donde la Cantidad real es el valor de la cantidad en unidades reales. El valor base tiene las mismas unidades que la cantidad real. Por lo que, de este modo, la cantidad por unidad es adimensional. Asimismo, el valor base Siempre es un nmero real. Por tanto, el ngulo de la cantidad por unidad es igual al ngulo de la cantidad real.En un punto de un sistema de potencia se pueden Seleccionar arbitrariamente dos valores bases independientes. Por lo comn, se seleccionan la tensin base y la potencia compleja base para un circuito monofsico o para una de las fases de uno trifsico. Entonces, para que las leyes elctricas sean vlidas en el sistema por unidad, se deben utilizar las relaciones siguientes para los dems valores base:

Donde: LN es lnea a neutro y 1 es por fase para los circuito trifsico Por convencin, se adoptan las dos siguientes reglas para las cantidades bases:1- El valor de es el mismo para todo el sistema de potencia.2- La relacin de transformacin con respecto a las bases de tensin en cualquiera de los dos lados de un transformador se selecciona igual a la relacin de transformacin con respecto a las tensiones nominales de este.Cambio de base.En general, los fabricantes expresan las impedancias de transformadores y otras mquinas elctricas en por unidad o en porcentaje, tomando como bases el voltaje nominal y la potencia aparente nominal del equipo. Como en los problemas aparecen involucrados diferentes aparatos (con distintas caractersticas nominales) se hace necesario expresar las impedancias en tanto por unidad, respecto a otra base.Para una impedancia dada Zd (pu) es posible calcular una impedancia nueva Zn (pu) o respecto a otra base, utilizando la siguiente expresin: Donde MVABd y MBABn son los MVA bases dado y nuevo respectivamente y kVBd y kVBn corresponden a los respectivos kV bases dadas y nuevas.

Ventajas del sistema en tanto por unidad Los valores en por unidad, base propia, caractersticos de mquinas similares, aunque de tamaos muy diferentes, varan muy poco. En los transformadores, la impedancia equivalente en por unidad es independiente del lado a que est referida. En los clculos se manejan cantidades que estn en un margen estrecho alrededor de la unidad (condiciones normales), lo que permite comprobar los valores por inspeccin.Sistema en tanto por unidad en circuitos trifsicosLos circuitos trifsicos balanceados se resuelven como si fueran una lnea con un neutro de retorno, en el llamado circuito equivalente monofsico o por fase; por ello, las bases para las diferentes cantidades en los diagramas de impedancias son los kVA (o MVA) por fase y los kV de lnea a neutro. Generalmente, los datos que se dan son los kVA o MVA trifsicos totales y los kV de lnea a lnea (entre lneas o de lnea).Debido a esta costumbre de especificar el voltaje lnea a lnea y los kilovoltamperes o megavoltamperes totales, puede surgir alguna confusin al considerar la relacin entre el valor por unidad del voltaje de lnea y el del voltaje de fase. Aunque se puede especificar un voltaje de lnea como base, el voltaje que se requiere para la solucin del circuito monofsico es el voltaje a neutro. Para los sistemas monofsicos o para los sistemas trifsicos, donde el trmino corriente se refiere a la corriente de lnea (IL), el de voltaje se refiere a voltaje al neutro (VLN) y el de los kilovoltamperes corresponde al valor por fase (kVA1), las siguientes expresiones relacionan las distintas cantidades: Donde SB3 corresponde a la potencia base total (trifsica). Por comodidad se acostumbra usar como bases los MVA trifsicos (MVAB3) y los kV entre lneas (kVBLL), en cuyo caso, la impedancia base se puede determinar simplemente como:

Fuentes de alimentacin.Cualquier circuito electrnico necesita energa para funcionar, esta energa la podemos obtener desde una pila o batera o a travs de la red elctrica. La tensin que nos suministra la red elctrica es alterna (AC) y habitualmente excede en mucho el voltaje que necesitamos, por lo que tenemos que insertar un circuito electrnico que nos transforme el voltaje y tipo de corriente de la red (230 v en Espaa) al voltaje y tipo de corriente (AC o DC ) que necesitamos en nuestro circuito. Este circuito se denominafuente de alimentacin.Bsicamente existen dos tipos de fuentes de alimentacin, las lineales, que utilizan un transformador para disminuir el nivel de tensin en la red elctrica al nivelnecesario en nuestro circuito y las fuentes conmutadas que utilizan circuitos basados en transistores y bobinas trabajando en conmutacin para reducir la tensin. Las ventajas de la fuente de alimentacin lineal es su sencillez y que generan menos ruido electromagntico, las desventajas son su mayor tamao y su menor eficiencia (disipanms energa en forma de calor que las fuentes conmutadas).Fuentes de alimentacin linealEn la siguiente figura podemos ver la estructura bsica de una fuente de alimentacin lineal:Figura 1.Podemos apreciar en el diagrama que una fuente de alimentacin esta compuesta por distintos mdulos que poseen una funcin concreta. En los siguientes puntos del tema estudiaremos cada una de estos mdulos.Conexin red elctrica: Esta formada por el enchufe, bornas o cualquier dispositivo fsico, que nos permite conectar nuestra fuente de alimentacin a la red elctrica. Los parmetros que hay que tener en cuenta a la hora de elegir el enchufe es que soporte la tensin de la red y la corriente que va a consumir el circuito. Los mismos parmetros utilizaremos para elegir el cable de alimentacin.Fusible: Si nuestra fuente de alimentacin tuviera un fallo y se cortocircuitara, producir una subida muy fuerte en el consumo de corriente, las consecuencias de esta subida son impredecibles, ya que si esta fuera muy elevada podramos hacer saltar el automtico de nuestra vivienda e incluso del edificio y si fuera relativamente pequea podra subir la temperatura de nuestro circuito hasta el punto de producir un incendio. El fusible es un dispositivo que cuando la corriente que circula por l es superior a su corriente nominal se funde interrumpiendo el suministro de corriente. El parmetro bsico que necesitamos calcular para seleccionar nuestro fusible es la corriente nominal. En el punto 6 de este documento se explica como calcular la intensidad nominal del fusible.Filtro de red: Este dispositivo no es estrictamente necesario ya que su funcin es la de eliminar las posibles perturbaciones electromagnticas que puedan llegar a nuestra fuente de alimentacin desde la red elctrica, pero su uso es imprescindibles si queremos hacer a nuestro equipo inmune a dichas interferencias. Aunque el filtro de red lo podemos realizar nosotros, lo mejor es adquirir un filtro comercial, ya que estos han sido testados para cumplir con las normas sobre EMIsTransformador: El transformador es un dispositivo electrnico que nos permite transformar una tensin alterna de entrada en una tensin alterna de salida de distinto valor. La principal ventaja que tienen los transformadores es su alto rendimiento. En la figura 2 se puede ver un esquema de un transformador

Figura 2La corriente alterna que circula por el devanado del primario induce un flujo magntico que circula por el ncleo induciendo en el secundario una tensin alterna. El flujo magntico en el devanado 1 y 2, suponiendo que no hay perdidas, lo podemos expresar segn las ecuaciones:

Como el flujo es igual en los dos devanados, si dividimos la primera ecuacin por la segunda tenemos:

Esta ecuacin nos dice que la relacin entre la tensin de entrada y de salida viene dada por la relacin que existe entre el nmero de espiras que tengan los devanados. A esta relacin r se le denomina relacin de transformacin en vaco.Como hemos dicho anteriormente el transformador es un dispositivo con muy pocas prdidas por lo que podemos decir que la potencia en el primario ser igual a la potencia en el secundario (si hubiera prdidas la potencia del primario seria igual a la potencia del secundario ms la potencia de las perdidas). Esto nos permite igual las potencial del primario y del secundario segn la siguiente ecuacin:

Esta ecuacin es muy til para calcular la intensidad nominal del fusible de alimentacin, ya que si tenemos, por ejemplo, un transformador con 230v en el primario y 9v en el secundario y estamos consumiendo 1A en el secundario, podemos calcularla intensidad en el primario de la siguiente manera:

Esto significa que en el primario tendramos que poner un fusible mayor de 39 mA para poder soportar esta intensidad en el secundario. En el mercado no hay una variedad infinita de fusibles por lo que habr que buscar el valor estndar que ms se aproxime al valor calculado.Aunque hemos dicho que el rendimiento del transformador es muy alto, este valor no es 100% y por tanto siempre hay prdidas que aumentan segn vamos aumentando la intensidad consumida en el secundario, esto se traduce en una bajada de la tensin en el secundario y un desfase entre la seal de entrada y la de salida. De todas maneras si no sobrepasamos la corriente del transformador estas ecuaciones son perfectamente validas.Los transformadores suelen llevar dos bornas de entrada para el devanado del primario en el que conectaremos los 230v, en el secundario sin embargo podemos encontrar 3 configuraciones bsicas:Un devanado secundario:En este caso solo hay dos bornas para el secundario por las que obtenemos la tensin de salida. Un ejemplo sera un transformador de 230v/12v y 1A.Un devanado con toma intermedia:El secundario dispone de 3 bornas, en el que la tercera toma esta conectada en medio de la bobina del secundario. Un ejemplo sera un transformador de 230v/12v+12v y 1A.Dos devanados independientes:El secundario esta dividida en dos bobinas independientes para poder conectarlas de la forma que nosotros queramos, de tal forma que podramos obtener dos tensiones diferentes, una tensin que ser la suma de los dos devanados o un solo devanado con toma intermedia. Si nos basamos en el diagrama de conexiones del transformador encapsulado de la figura 3 y usando como ejemplo un transformador de 230v/12v+12v y 1A, podramos obtener 12v de cada una de las bobinas si las utilizamos independientemente o en el caso de unir las tomas O y V, podramos obtener 24v de las tomas V y O. Tambin podemos utilizamosOV como toma intermedia de un rectificar de media onda (ver Rectificador).En el dibujo inferior podemos ver dos fotos de transformadores reales, uno encapsulado y pensado para ser soldado directamente en la placa de CI y otro con terminales soldables preparado para poner en panel.

Figura 3

Un detalle a tener en cuenta es la diferencia que existe entretensin eficazytensin de pico. Cuando utilizamos corriente alterna las tensiones se dan en su valor eficaz, es decir, el valor que la tensin tendra si fuera continua, pero como esta no lo es, aparece otro parmetro que es la tensin de pico Vpk que podemos ver grficamente en la figura 4 y que esta relaciona con la tensin eficaz mediante la siguiente ecuacin:

Rectificador: La mayora de los circuitos electrnicos utilizan para funcionar corriente continua (DC), mientras que, como hemos comentado anteriormente, la tensin que llega y sale del transformador es alterna (AC). Para poder transformar esta corriente alterna en continua utilizamos un circuito basado en diodos semiconductores al que denominamosrectificador. En la figura 4 vemos la forma de la tensin alterna como sale del transformador y como queda despus de rectificarla:

Figura 4Existen diversas configuraciones para realizar esta funcin, aqu nos vamos a centrar en la rectificacin monofsica de onda completa. En la figura 5 se puede ver dos configuraciones para un rectificador de onda completa con transformador con y sin toma intermedia.

Figura 5La configuracin de los cuatro diodos se denomina puente rectificador y en el mercado existen puentes rectificadores que integran en un mismo encapsulado los 4 diodos. En la figura 6 vemos algunos de componentes reales.

Figura 6Normalmente estos componentes tienen impresos el nombre de las patillas siendo + y las salidas en continua ylas entradas de alterna. Para seleccionar el puente rectificador (o diodos) que necesitamos, necesitamos determinar la tensin y la corriente mxima de trabajo, que han de ser suficientes para nuestro circuito. Por ejemplo, si queremos construir una fuente de alimentacin de 12v y 1A en el secundario, necesitaremos un puente rectificador (o 4 diodos) que soporten al menos 1 amperio y 12v, siempre intentando dejar un margen de al menos un 30%, lo que quiere decir que necesitaramos uno de 1,3A y 15,6v (este valor de corriente posiblemente no lo encontremos en el mercado y tendremos que ir a uno de 1,5A, en cuanto a la tensin normalmente utilizaremos de 230v por lo que no habr problemas).Rectificador de onda completaEs este el ms utilizado y su esquema electrnico es el siguiente:

Se puede apreciar cmo se combinan los cuatro diodos para obtener una tensin de salida, aunque todava no va a ser estable. En la misma imagen se puede ver la onda de salida que se produce en el punto 1.Filtro: Una vez la seal esta rectificada, obtenemos una forma de onda que no es precisamente continua (ver figura 7). Para poner eliminar la ondulacin, y dejar la tensin lo ms continua posible, filtraremos la seal utilizando uno o ms condensadores en paralelo. En la figura 7 se puede apreciar como queda esta seal una vez filtrada.

Figura 7

Para calcular el valor del condensador, podemos utilizar una aproximacin bastante buena con la siguiente ecuacin:

En donde: Vmax:Es el valor mximo de la tensin de entrada que equivale al valor de pico del secundario del transformador (Vpk). Vmin:Tensin mnima que queremos que tenga la tensin de entrada y que determina el rizado de la fuente. Imax:Intensidad mxima en el secundario. T:Periodo de la seal de la red, para 50Hz y rectificador de onda completa son 10 ms. En media onda seria 20 ms. C:Capacidad del condensador de filtro en faradios.

Regulador de tensin: Como vemos en la figura 7, la salida filtrada presenta una pequea ondulacin, para eliminar esta ondulacin y controlar la tensin para que esta no cambie ante variaciones de corriente en la carga, utilizamos un regulador de tensin.El circuito regulador se encarga de reducir el rizado de la onda as como de proveer una tensin de salida con la magnitud exacta que se desee.

FUENTE DE ALIMENTACION CONMUTADADEFINICION:Una fuente conmutada es un dispositivo electrnico que transforma energa elctrica mediantetransistoresen conmutacin. Mientras que un regulador de tensin utiliza transistores polarizados en su regin activa de amplificacin, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutndolos activamente a altasfrecuencias(20-100kHztpicamente) entre corte (abiertos) y saturacin (cerrados). La forma de onda cuadrada resultante se aplica a transformadores con ncleo deferrita(Los ncleos dehierrono son adecuados para estas altas frecuencias) para obtener uno o variosvoltajesde salida de corriente alterna (CA) que luego son rectificados (Condiodosrpidos) y filtrados (inductoresycondensadores) para obtener los voltajes de salida de corriente continua (CC). Las ventajas de este mtodo incluyen menor tamao y peso del ncleo, mayor eficiencia y por lo tanto menor calentamiento. Las desventajas comparndolas con fuentes lineales es que son ms complejas y generan ruido elctrico de alta frecuencia que debe ser cuidadosamente minimizado para no causarinterferenciasa equipos prximos a estas fuentes.Las fuentes conmutadas tienen por esquema:rectificador, conmutador,transformador, otro rectificador y salida.La regulacin se obtiene con el conmutador, normalmente un circuitoPWM(Pulse Width Modulation) que cambia el ciclo de trabajo. Aqu las funciones del transformador son las mismas que para fuentes lineales pero su posicin es diferente. El segundo rectificador convierte la seal alterna pulsante que llega del transformador en un valor continuo. La salida puede ser tambin un filtro de condensador o uno del tipoLC.Las ventajas de las fuentes lineales son una mejor regulacin, velocidad y mejores caractersticasEMC. Por otra parte las conmutadas obtienen un mejor rendimiento, menor coste y tamao.

CONFIGURACIONES BSICASLas fuentes conmutadas son de circuitos relativamente complejos, pero podemos siempre diferenciar cuatro bloques constructivos bsicos:

En el primer bloque rectificamos y filtramos la tensin alterna de entrada convirtindola en una continua pulsante.

El segundo bloque se encarga de convertir esa continua en una onda cuadrada de alta frecuencia (10 a 200 kHz.), la cual es aplicada a una bobina o al primario de un transformador.

El tercer bloque rectifica y filtra la salida de alta frecuencia del bloque anterior, entregando as una corriente continua pura.

El cuarto bloque se encarga de comandar la oscilacin del segundo bloque. Este bloque consiste de un oscilador de frecuencia fija, una tensin de referencia, un comparador de tensin y un modulador de ancho de pulso (PWM). El modulador recibe el pulso del oscilador y modifica su ciclo de trabajo segn la seal del comparador, el cual coteja la tensin continua de salida del tercer bloque con la tensin de referencia.

-Aclaracin:ciclo de trabajo es la relacin entre el estado de encendido y el estado de apagado de una onda cuadrada.En la mayora de los circuitos de fuentes conmutadas encontraremos el primer y el tercer bloque como elementos invariables, en cambio el cuarto y el segundo tendrn diferentes tipos de configuraciones. A veces el cuarto bloque ser hecho con integrados y otras veces nos encontraremos con circuitos totalmente transistorizados.El segundo bloque es realmente el alma de la fuente y tendr configuraciones bsicas:BUCK , BOOST, BUZZZZCK-BOOST.

Buck:el circuito interrumpe la alimentacin y provee una onda cuadrada de ancho de pulso variable a un simple filtro LC. La tensin aproximada es Vout = Vin * ciclo de trabajo y la regulacin se ejecuta mediante la simple variacin del ciclo de trabajo. En la mayora de los casos esta regulacin es suficiente y slo se deber ajustar levemente la relacin de vueltas en el transformador para compensar las prdidas por accin resistiva, la cada en los diodos y la tensin de saturacin de los transistores de conmutacin.Boost:el funcionamiento es ms complejo. Mientras el Buck almacena la energa en una bobina y ste entrega la energa almacenada ms la tensin de alimentacin a la carga.Buck-Boost:los sistemas conocidos como Flyback son una evolucin de los sistemas anteriores y la diferencia fundamental es que ste entrada a la carga slo la energa almacenada en la inductancia. El verdadero sistema Boost slo puede regular siendo Vout mayor que Vin, mientras que el Flyback puede regular siendo menor o mayor la tensin de salida que la de entrada.

CARACTERISTICAS Las fuentes de alimentacin convencionales usan trasformadores operando a 50Hz y que suelen inconvenientes, tanto por el elevado costo, excesivo peso y volumen, asi como su bajo rendimiento de conversin y la consiguiente perdidas de potencia en generacin de calor La alternativa a este tipo de fuentes ha sido desde hace tiempo el empleo de fuentes de alimentacin (switching). Este tipo de fuentes conmutadas operan directamente sobre el lado de alta tensin, con elevados rendimientos(usualmente mejor del 705 % u 80%), de bajo costo y volumen y, usando muy pocos componentes(con la consiguiente facilidad de ensamblado y mayor confiabilidad. Los reguladores conmutados disipan menos energa en forma de calor y adems son capaces de suministrar voltajes de salida mayores o menores que el voltaje de entrada. Adems estos pueden suministrar un voltaje de salida con polaridad opuesta a la del voltaje de entrada.

CLASIFICACION

Las fuentes de alimentacin conmutadas pueden ser clasificadas en cuatro tipos: alimentacin CA, salida CC: rectificador, conmutador, transformador, rectificador de salida, filtro. (Ej.: fuente de alimentacin de ordenador de mesa) alimentacin CA, salida CA:variador de frecuencia, conversor de frecuencia. (Ej.: variador de motor alimentacin CC, salida CA:inversor (Ej.: generar 220 v/50 ciclos a partir de una batera de 12 v) alimentacin CC, salida CC: conversor de voltaje o de corriente. (Ej.: cargador de bateras de celulares para auto)

VENTAJAS Laeficienciade lasfuentes conmutadasest comprendida entre el 68 y el 90%. Esto hace reducir el costo de los dispositivos de potencia. Adems, los dispositivos de potencia funcionan en el rgimen de corte y saturacin, haciendo el uso ms eficiente de un dispositivo de potencia. Debido a que la tensin de entrada esconmutadaen un forma de alterna y ubicada en un elemento magntico, se puede variar la relacin de transformacin pudiendo funcionar como reductor, elevador, o inversor de tensin con mltiples salidas. No es necesario el uso del transformador de lnea, ya que el elemento magntico de transferencia de energa lo puede reemplazar, funcionando no en 50/60 Hz, sino en alta frecuencia de conmutacin, reduciendo el tamao del transformador y en consecuencia, de la fuente; reduciendo el peso, y el coste.

DESVENTAJAS Ladesventaja de las fuentes conmutadases su diseo ms elaborado. Undiseo de una fuente conmutadapuede llevar varias semanas o meses de desarrollo y puesta a punto, dependiendo de los requerimientos. Segundo, el ruido es mayor que el de lasfuentes lineales.En la salida y entrada, radia interferencia electromagntica y de radiofrecuencia. Esto puede dificultar el control y no deber ser ignorado durante la fase de diseo. Por ste motivo se debern agregar de proteccin, de arranque suave, y filtros de lnea adicionales como etapas previas. Tercero, lafuente conmutadatoma proporciones de energa de la entrada en pulsos de tiempos limitados para transferirlo a la salida en otras condiciones de corriente y tensin, por lo que le llevar mayor tiempo de restablecimiento al circuito para soportar variaciones en la entrada. Esto se llama respuesta transitoria en el tiempo. Para compensar este funcionamiento lento, los capacitores de filtro de salida se debern incrementar para almacenar la energa necesaria por la carga durante el tiempo en que la fuente conmutada se est ajustando.