Fuente Alimentación

Que pretendo?

Aqui pretendo explicar las diferentes fuentes de alimentación. De momento empiezo por las fuentes lineales, que son las más sencillas. Voy a explicar de que componentes están formadas y que tener en cuenta para elegir los componentes. Al final quiero diseñar una fuente de alimentación lineal paso a paso para alimentar un Arduino Leonardo. Las características de alimentación de dicho Arduino son las siguientes:

Características Arduino:
V entrada : 7-12V
Consumo máximo sumando todas las patillas: 200mA

Glosario

Ciclo o período y Frecuencia de la Corriente Alterna

El periodo es el tiempo que dura un ciclo completo, se representa por la letra T y se mide en segundos.
La frecuencia es el número de ciclos que se producen en un segundo.
La fórmula que relaciona la frecuencia con el periodo es:
$f=\frac{1}{T}$

Ejemplo

Tenemos una señal con la frecuencia ($f$) de 50Hz, esto significa que esta señal tiene 50 ciclos por segundo y cada ciclo dura $T=\frac{1}{f}=\frac{1}{50}=20ms$

Valor Eficaz (V_RMS o V_ef)

Es el valor que tendría una corriente continua que produjera la misma potencia que la corriente alterna al aplicarla a una resistencia igual. Un voltímetro en modo c.a. mide la tensión eficaz de esa c.a. En un transformador de 230V/9V (primario/secundario), el valor eficaz del secundario es 9V. La relación entre el valor eficaz de la tensión y la tensión de pico es la siguiente:

$V_{RMS}=\frac{V_p}{\sqrt{2}}$

La relación entre el valor eficaz de la corriente y el valor de corriente máxima es la siguiente:

$I_{RMS}=\frac{I_p}{\sqrt{2}}$

La potencia eficaz se expresa:

$P_{RMS}=V_{RMS}\cdot I_{RMS}=\frac{V_p}{\sqrt{2}}\cdot \frac{I_p}{\sqrt{2}}=\frac{V_p\cdot I_p}{2}$

Esta relación nos indica que la potencia eficaz es la mitad de la potencia de pico.

Valor de pico y Valor de pico a pico

La tensión de pico es la máxima tensión que hay en el punto mas alto de la onda sinusoidal de la corriente alterna. Se halla a través del valor eficaz (que nos lo dan las características del transformador). Se representa por $V_p$ o $V_{max}$.

$V_p=V_{RMS}\cdot \sqrt{2}$

La tensión de pico a pico es la suma de la tensión de pico positiva y la tensión de pico negativa. Se halla multiplicando por dos la tensión de pico:

$V_{pp}=V_{RMS}\cdot 2\cdot \sqrt{2}$

Valor Medio

El valor medio de una señal es la media de todos sus valores instantáneos. En una señal sinusoidal como es la señal alterna su valor medio es 0 debido a que los valores positivos se compensan con los valores negativos.
Los multímetros en modo c.c. miden el valor medio de la señal.


Para calcular el valor medio de una señal variable (como es la rectificada por un puente de diodos) se usa esta fórmula (esta fórmula es para un rectificador de doble onda):

$V_m=2\cdot \frac{V_p}{\pi }$

Para ser más exactos podemos tener en cuenta la tensión que cae en el puente de diodos (0,7V por cada diodo = 1,4V). Entonces la fórmula nos quedará así:

$V_m=2\cdot \frac{V_p-1,4}{\pi }$

Este $V_m$ equivale a la lectura del voltímetro en modo c.c. después del puente rectificador.

La corriente media que medirá un amperímetro en medición de continua se calcula:
$I_m=\frac{V_m}{R_L}$

Esta corriente será la que fluya por la carga.

Ejemplo

Tenemos una tensión de entrada de 230V al que conectamos un puente rectificador. Vamos a calcular el valor de corriente continua que vamos a tener después del puente rectificador.

• Calculamos el valor máximo de la c.a.
  

$V_{ef}=230V\to Vp=230\cdot \sqrt{2}=325,26V$

• Con el valor máximo de la corriente alterna podemos calcular el valor medio después del puente rectificador con la fórmula que hemos visto:
  

$V_m=2\cdot \frac{325,26-1,4}{\pi }=206,18V$

En $R_L$ caerá 206,18V y si queremos calcular la corriente que pasará por $R_L$, solo hemos de dividir este voltaje por el valor de $R_L$

Tensión de Rizado

La Tensión de Rizado es la tensión alterna que queda después de rectificar la señal y filtrarla. Si nos fijamos en la gráfica que hay después de la etapa de filtrado en la sección Diagrama de bloques, vemos que la señal va haciendo unas pequeñas ondulaciones. Estas pequeñas ondulaciones son la Tensión de Rizado.
Si no se reduce esta tensión de rizado habrá un zumbido a 60 o 50 Hz muy molesto.

La tensión de rizado ha de ser lo más baja posible, estableciéndose normalmente como el 10% de la $V_{max}$ (esta tensión de rizado establecida a partir del 10% de $V_{max}$ es una tensión de rizado de pico a pico, $V_{riz(pp)}$). La capacidad del condensador es lo que regula la tensión de rizado que habrá en la señal. A más capacidad del condensador, menor será el rizado en la señal (esto está explicado en el apartado del Filtro).
Normalmente calcularé la tensión de rizado para que sea el 10%, porqué si subo mucho la capacidad el condensador tendré los problemas que se exponen en los apartados de Corriente Inicial y en Efecto del condensador en la conducción del diodo rectificador.

Gráfica corriente filtrada por condensador



En la gráfica de arriba podemos ver la señal de la corriente ya filtrada por el condensador. Las ondulaciones que hay es la tensión de rizado. Estas ondulaciones se deben a las sucesivas cargas y descargas del condensador.
La tensión de rizado máxima ($V_{Rmax}$) corresponde al valor más alto de la tensión de salida y además al valor instantáneo de la tensión cuando el condensador empieza a descargarse. La tensión de rizado mínima ($V_{Rmin}$) corresponde al valor más bajo de la tensión de salida y además el valor instantáneo de la tensión cuando el condensador ya está descargado completamente.

Visto lo que es la tensión de rizado comento que es un valor que tenemos que poner nosotros. Cuando veamos el apartado del filtro necesitaremos esta tensión para poder calcular el valor del condensador. Ahora voy a explicar cálculos que se pueden hacer con la tensión de rizado, pero no son necesarios para establecerla, como he dicho la marcamos nosotros.

Por lo visto en la gráfica la tensión de rizado se calcula como:

$V_{riz}=V_{Rmax}-V_{Rmin}$

Luego tenemos la fórmula que relaciona la cantidad de electricidad que almacena un condensador ($Q$) con el voltaje que cae en él ($V$) y su capacidad ($C$):

$Q=C\cdot V$

Con la relación de estas dos fórmulas obtenemos la fórmula que nos calcula la tensión de rizado teniendo en cuenta la capacidad el condensador (el desarrollo de la relación se puede ver en la pag 172 del libro Electrónica aplicada - Pablo Alcalde):

Esta fórmula es meramente orientativa. Es la misma que nos encontraremos en el apartado de Filtro solo que despejando $V_{riz}$

$V_{riz(pp)}=\frac{I}{f\cdot C}$

En donde:
$V_{riz(pp)}:$ es la tensión de rizado de pico a pico en voltios.
$I:$ es la corriente en continua que pasa por la carga en amperios.
$f:$ es la frecuencia del rizado en hertzios. En un rectificador de doble onda la $f$ será igual a 100Hz, en los de media onda es 50Hz
$C:$ es la capacidad del condensador en faradios.

Para obtener la $V_{riz(p)}$ y la $V_{riz(ef)}$ se hace:

$V_{riz(p)}=\frac{V_{riz(pp)}}{2}$

$V_{riz(ef)}=\frac{V_{riz(p)}}{\sqrt{2}}$

Para calcular directamente la $V_{riz(ef)}$ puedo hacer:

$V_{riz(ef)}=\frac{I}{2\sqrt{2}fC}$



Esto que pongo a continuación está extraído del libro mencionado un poco más arriba. Lo pongo aquí como reflexión de la fórmula:

Esta fórmula nos indica que es posible reducir la tensión de rizado poniendo condensadores de gran capacidad. Por otro lado, también nos indica que, según aumenta la corriente por la carga ($I$), al ser más rápidas las descargas del condensador, la tensión de rizado ($V_{riz}$ aumenta, disminuyendo, por tanto, el valor medio de la tensión de salida de la fuente de alimentación.
Esto último es muy importante al diseñar fuentes de alimentación que tengan que alimentar cargas de potencia variable, ya que la tensión de salida se hará más pequeña para corrientes de carga elevadas. Con los Reguladores de Tensión conseguiremos mantener una tensión estable dentro de unos margenes razonables.

Factor de Rizado

Por último explicar que hay el factor de rizado, que se calcula:

$F_r=\frac{V_{r(ef)}}{V_o}\cdot 100$

En donde:

• $V_{r_{(}ef)}$: Es la tensión de rizado eficaz
• $V_o$: Es la tensión continua máxima real
  

No he buscado mucha información, pero de momento no profundizaré mucho en el factor de rizado.

Tipos de fuentes

Lineales

Características

• Son más sencillas que las fuentes de alimentación commutadas

Diagrama de bloques

Dibujo de un diagrama de bloques con dibujo de la modificación de las señales




En las gráficas he dibujado como los diferentes componentes de la fuente de alimentación manipulan la señal hasta dejarla continua.
En la primera gráfica se ve la señal sinusoidal de alterna. El transformador lo que hace es limitar la amplitud (los voltios) de esta señal pero sigue estando en alterna.
Luego viene el rectificador que convierte toda la señal en positiva y por eso tiene esa forma de "montañas". La señal ya ha dejado de ser alterna y ahora es continua.
Después de pasar por el puente rectificador se le aplica un filtro (normalmente es un condensador aunque hay de mas tipos) para poder dejar la señal más continua (más recta).
El regulador es el último paso. Este es un ci que se encarga de dejar lo mas continua posible la señal.

Componentes Fuentes Lineales

Fusible

El Fusible se coloca entre la entrada de 220V y el transformador. Su misión es interrumpir la electricidad si hay una subida de corriente para proteger la fuente (si el problema viniera de la instalación eléctrica) o la instalación eléctrica (si la fuente presentara un problema).

Consideraciones para elegirlo

El valor del fusible ha de ser el de la corriente nominal. Para calcularlo se usa esta ecuación:
$I_1=I_2\frac{V_2}{V_1}$
En donde:

• $I_1$ es la intensidad que circulará por el fusible
• $I_2$ es la instensidad que circulará por el secundario del transformador
• $V_1$ es la tensión del primario del transformardor (usualmente 230V)
• $V_2$ es la tensión del secundario del transformador

Con esta ecuación calculamos el valor del fusible y le tenemos que añadir un 30% al resultado.

Filtro de Red

Su función es la de eliminar las posibles perturbaciones electromagneticas que pueden llegar a la fuente a través de la red eléctrica. No he encontrado mas información y no he visto que se incluyan en pequeñas fuentes.

Transformador

Transforma una tensión alterna de entrada en una tensión alterna de salida sin modificar la frecuencia.
La relación entre la tensión de entrada y la tensión de salida va en función de la relación de espiras del primario (N₁) y el secundario (N₂) y se llama relación de transformación (m). Se expresa mediante la fórmula:
$m=\frac{N_1}{N_2}$

La relación entre el número de espiras y la tensión es:

$\frac{V_1}{N_1}=\frac{V_2}{N_2}$

En un transformador ideal la potencia del primario será igual a la potencia del secundario. Según esto tenemos:

$P_1=P_2\Rightarrow V_1\cdot I_1=V_2\cdot I_2$

Transformador Reductor

Con estas dos ecuaciones podemos calcular las relaciones de corriente y tensión en un transformador reductor:

La tensión del secundario se reducira respecto a la del primario:

$\frac{V_1}{N_1}=\frac{V_2}{N_2}\Rightarrow V_2=V_1\cdot \frac{N_2}{N_1}$

Y la corriente del secundario incrementará respecto a la del primario:

$V_1\cdot I_1=V_1\cdot \frac{N_2}{N_1}\Rightarrow I_1=\frac{N_2}{N_1}\cdot I_2$

Tipos según bornes de salida

• Un devanado con dos bornes para el secundario por la cual tendremos la tensión de salida
• Un devanado con tres bornes. El tercer borne es una toma intermedia en el devanado que nos entrega la tensión del secundario en positivo y negativo
• Dos devanados independientes que nos entrega dos tensiones secundarias diferentes

Consideraciones para elegirlo

Al elegir el transformador hemos de fijarnos en el secundario y en los VA (voltioamperios). La tensión que nos debe entregar el secundario es la que queremos en la carga más 3v. El motivo de los 3v lo veremos en la sección Regulador de Tensión.
La corriente que debe entregar el transformador es la que necesitemos para la carga. Cuando compramos un transformador nos dan la característica de los voltioamperios. Esta es solo la multiplicación de voltios por amperios. Por tanto para saber cuantos amperios nos suministrará el transformador dividimos los voltoamperios entre la tensión que entrega el secundario.
Tenemos que tener un margen de un 30% superior para los valores de corriente y tensión.

Puente rectificador

Que es?

Para rectificar la señal hay varias formas. Aquí solo explicaré la solución del puente rectificador porqué es la mejor comparada con el rectificador de media onda y el rectificador de onda completa con derivación central.

El puente rectificador es el encargado de transformar la corriente alterna (que es positiva y negativa) a corriente continua (solo positiva). Para ser más técnicos la transforma en un corriente continua pulsante.




En el siguiente esquema muestro un circuito rectificador de onda completa con puente rectificador y separados los circuitos que resultan cuando hacemos pasar corriente alterna por el puente rectificador:



El circuito de arriba es como se comporta el puente cuando pasa la parte positiva de la señal alterna, la parte negativa la bloquean los otros diodos. Y en el circuito de abajo se muestra lo contrario.
También he indicado la tensión media ($V_m$) y la corriente media ($I_m$) que tiene $R_L$.

Mediciones

Para calcular la tensión media que obtendremos al rectificar la corriente alterna se utiliza lo ya visto en el apartado Valor Medio.

Para calcular la tensión de pico de salida, se hace la tensión de pico menos la caída de tensión en el puente de diodos:

$V_{o(p)}=V_{max}-1,4$

Consideraciones al elegirlo

Al escoger un puente rectificador para la fuente de alimentación nos hemos de fijar en estos valores del datasheet:

Parámetros en bloqueo:

• $V_{RWM}$: (tensión inversa de pico de trabajo) es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha.
• $V_{RRM}$: (tensión inversa de pico repetitivo) es la que puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada.
• $V_R$: (tensión inversa contínua) es la tensión continua que soporta el diodo en estado de bloqueo. Este valor es el importante y tiene que ser más grande que la tensión del secundario para asegurarnos que no sea sobrepasada y se rompa algún diodo.

Estos tres parámetros suelen ser el mismo valor para un diodo concreto. Creo que esta es la tensión inversa que tiene que soportar el puente rectificador cuando la corriente fluye al revés y deja los diodos trabajando en abierto.

Parámetros en conducción:

• $I_{FSM}$: (intensidad directa de pico no repetitiva) es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 ms.
• $I_{F(AV)}$ ó $I_o$: (media de la intensidad rectificad directa) es la media de intensidad que soporta cada diodo del puente en estado de conducción a 75º en TA y 60Hz. Este es el valor importante y tiene que ser más grande que la corriente de carga.
• $I_{FRM}$: (intensidad de pico repetitivo) es aquella que puede ser soportada cada 20 ms , con una duración de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25º).

La intensidad media rectificada en directa creo que se refiere a la máxima intensidad que puede conducir cada diodo.

Corriente Inicial

En el instante en que se conecta por la fuente de alimentación a la red, el condensador del filtro actúa como un cortocircuito. En este instante la corriente inicial de carga del condensador puede llegar a ser muy grande.
El valor máximo y mínimo (los valores de pico) son en los que la corriente será más alta.

Este tema está tratado en esta página, Corriente Inicial. Me hago una idea de lo que habla, pero utiliza unos datos (por ejemplo Rb o la resistencia del bobinado del secundario) que no se de donde los saca. Debería investigar un poco más sobre esto para poder añadirlo, pero de momento con la referencia a esta página y lo que he puesto en el apartado Efecto del condensador en la conducción del diodo rectificador (que creo que habla del mismo tema) ya es suficiente para hacerme la idea de que es algo a tener en cuenta para valores grandes de condensadores, pero que de momento no es mi caso.
Más adelante ya investigaré más sobre este tema.

Puente con derivación central

Para acabar puntualizaré una ventaja del puente rectificador comparado con el rectificador de onda completa con derivación central. Ésta ventaja es que en el puente rectificador la tensión rectificada en la carga es el doble que la que se obtendría con el rectificador de onda completa con derivación central.



Como se puede ver de los esquemas, la tensión que cae en cada diodo del rectificador de onda completa con derivación central es la mitad de la tensión que tiene el secundario. En cambio, en el puente rectificador de onda completa la tensión que cae en el par de diodos que conducen cada vez, es la tensión completa del secundario, y esa es la misma tensión que cae en la carga.

Filtro

Que es?

Es el encargado de que la corriente continua pulsatoria (corriente continua con formas de ondas) pase a ser corriente continua constante. Para ello se utiliza un condensador que se cargará mientras estemos en la parte de subida del semicilo y descargará la corriente almacenadas cuando estemos en la parte descendiente del semiciclo, consiguiendo así una corriente más uniforme.

Ahora explicaré como el condensador de filtro va "aplanando" la señal. Hay que tener en cuenta que pongo las imágenes de un circuito con puente rectificador, la gráfica de la corriente con un diodo rectificador de media onda es diferente:

• De $t_0\to t_1$:
  

Aqui el condensador se comporta como circuito cerrado, dejando pasar toda la corriente. El condensador se está cargando.

• De $t_1\to t_2$:
  

En $t_1$ el condensador se ha cargado casi hasta $V_{max}$. La tensión de la fuente empieza a bajar hacia 0, como el condensador ya no recibe corriente empieza a descargarse alimentando así a la carga ($R_L$). Después de que la tensión llegue a 0, empiza el siguiente ciclo y el valor de la tensión empieza a subir hasta $t_2$.

• De $t_2\to t_3$:
  

El circuito es el mismo que en $t_0\to t_1$, por tanto no hace falta que lo vuelva a poner.

En este punto la tensión sigue creciendo (ya es más grande que la que tiene el condensador) y empieza a recargar el condensador hasta $t_3$. La carga del condensador vuelve a llegar hasta $V_{max}$.

Tipos de filtros

Hay varios tipos de filtros:

• Filtrado por bobina
• Filtrado por bobina y condensador
• Filtrado por condensador
  • Esta es la mejor solución debido a que las bobinas son pesadas y voluminosas para frecuencias de 50/100Hz
  • Hablan de algo llamado comportamiento no lineal
  • Es la que voy a utilizar y explicar aquí
    

Mediciones

Después de colocar el condensador de filtro el valor de la tensión de salida cambia. Ya no se calcula como en el puente rectificador.

Según lo visto en el apartado que explico lo que [es un filtro], el condensador se carga hasta el pico máximo de la semi-onda. Luego el condensador mantiene un voltaje cercano a $V_{max}$ hasta que vuelve a cargarse hasta $V_{max}$.

Para calcular el valor de tensión que obtendremos a la salida del filtro se hace:

$V_o=V_{max}-1,4$

En donde:

• $1,4$: es la suma de la tensión que cae en cada par de diodos del puente rectificador

Curiosidades

También he encontrado un libro donde explican como calcular la tensión de pico después del filtro:

$V_{o(p)}=V_{max}+V_{riz(p)}$

Esta fórmula tiene su lógica, porque si miramos [gráfica de la tensión de rizado] vemos que la tensión de salida del filtro será la tensión media entre la $V_{riz(min)}$ y $V_{riz(max)}$. Entonces para saber el pico máximo es la suma de la tensión media más el valor de pico de la tensión de rizado.

Esto es algo a lo que yo he llegado, pero no se si es correcto. Lo pongo aquí solo como reflexión, cuando aprenda más ya lo revisaré si es correcto o no.

Consideraciones para elegirlo

Al escoger un condensador para la función de filtrado se debe calcular que capacidad tiene que tener. La capacidad irá relacionada con la Tensión de Rizado. La capacidad también influirá en el comportamiento del puente rectificador como se puede ver en el apartado Efecto del condensador en la conducción del diodo rectificador

Buscando por internet y en varios libros de electrónica he encontrado varias fórmulas para calcular la capacidad del condensador.

1er Fórmula

$C=\frac{Q}{V_{max}-V_{min}}=\frac{I_{max}\cdot T}{V_{max}-V_{min}}$

En donde:

• $V_{max}$: Es el valor máximo de la tensión de entrada que equivale al valor de pico del secundario del transformador $V_p$.
• $V_{min}$: Tensión mínima que queremos que tenga la tensión de entrada y que determina el rizado de la fuente. Se calcula: $V_{ef}+V_{diodos}\to V_{diodos}$ es la tensión que caen en los diodos del puente rectificador. Esto está sacado de esta web
• $I_{max}$: Intensidad máxima en el secundario, que equivale a la $I_p$.
• $T$: Periodo de la señal 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.
  

2nd Fórmula

$C=\frac{I}{V_{r(pp)}\cdot f}$

En donde:

• $C$: Capacidad del condensador en faradios
• $I$: Intensidad en la carga
• $V_{r(pp)}$: Tensión de rizado de pico a pico
• $f$: Frecuencia de la onda pulsatoria (Hz). En el de media onda $f$ = 50 y en el de doble onda $f$ = 100.
  

En esta fórmula se puede establecer $V_{r(pp)}$ como el 10% de $V_p$ (ésta es la tensión que cae en el puente rectificador, que es la $V_{ef}\cdot \sqrt{2}$). Teniendo ya $V_{r(pp)}$ se puede calcular $C$

3er Fórmula

$C=\frac{5\cdot I}{f\cdot V_p}$

En donde:

• $I$: Es la corriente que pasa por la carga, no la corriente máxima que puede suministrar la f.a.
• $f$: Es la frecuencia de la red (50Hz o 60Hz según el país). No es como en la 2nd fórmula que depende de si hay rectificador de onda completa o de media onda.
• $V_p$: Es la tensión pico de salida del puente rectificador o la tensión eficaz del secundario transformada a tensión de pico y restandole la tensión que cae en los diodos$\to V_p=V_{ef}\cdot \sqrt{2}-V_{diodos}$

Esta fórmula establece el valor del condensador según la regla del 10%. Se llama así porque el valor obtenido del condensador hará que se tenga una tensión de rizado del 10% o inferior.
También hay una variante que si se quiere un valor de la tensión de rizado del 7% se calcula el condensador asi:

$C=\frac{5\cdot I}{f\cdot V_p}\cdot 1,4$

Uso práctico

En la práctica, y según lo leido en varios foros, el valor del condensador se calcula con la fórmula de 1000uF por cada amperio. Si utilizamos las fórmulas veremos que el valor que obtenemos del condensador es muy diferente a esta "regla", pero tenemos que tener en cuenta de que después del condensador viene el regulador. Éste se encargará de "aplanar" completamente la señal y el cometido del condensador será entregar una corriente más "amigable" (no como sale del puente rectificador) al regulador.

En un post del usuario Fogonazo del foro forosdeelectronica.com explica el uso de más condensadores para "ayudar" en el filtrado de la señal. Encuentro muy recomendable leerlo porque si compramos algún kit de fuente de alimentación veremos estos condensadores, es decir, tienen sus motivos para estar y son necesarios.

Conclusiones

He encontrado diferentes fórmulas para calcular la capacidad del condensador para tener una tensión de rizado del 10% como máximo. La primera fórmula ni la he probado, pero la segunda y tercera si que las he probado con resultados diferentes. En la tercera fórmula no se utiliza el valor de la tensión de rizado, y se supone que te calcula una capacidad para una tensión de rizado de 10% de tensión máxima. Los cálculos no salen iguales pero hemos de recordar que igualmente ni tenemos todos los valores posibles de condensador en el mercado ni estamos trabajando exactamente.

Efecto del condensador en la conducción del diodo rectificador

Este efecto está explicado en el pdf http://www.info-ab.uclm.es/. Aqui solo pongo la referencia a ese apartado pero no lo explico.

Cuanto mayor es la capacidad del condensador menor es el rizado que tenemos pero aparece un problema bastante importante.
El diodo conduce cuando el condensador se carga. En un tiempo el diodo tiene que dejar pasar la corriente hasta cargar el condensador. Si el condensador tiene una mayor capacidad de carga el diodo tendrá que dejar pasar mucha más corriente para cargarlo que si tuviera menor capacidad (el tiempo de carga para los dos es el mismo).
Podemos encontrarnos fuentes de 1 Amperio que tenga que conducir "de golpe" 10 Amperios para poder cargar el condensador. Esto no quiere decir que tengamos que poner un diodo de 10 amperios, tenemos que fijarnos en los picos de corriente que puede aguantar ese diodo.

Y esto no solo afecta al diodo, al transformador también, ya que a medida que los pulsos de corriente se hacen más estrechos (y más altos a su vez) la corriente eficaz aumenta. Si nos pasamos con el condensador podríamos encontrarnos con que tenemos un transformador de 0,5 A y no podemos suministrar mas de 0,2 A a la carga (por poner un ejemplo). $\leftarrow$ esto esta sacado tal cual de este documento porque no acabo de entenderlo del todo.

Esto son dos gráficas que muestran la comparación entre dos condensadores. En la primera gráfica la capacidad del condensador es menor que en la de la segunda.

Regulador de tensión

Los reguladores de tensión son los encargados de dejar la señal aún más constante, sin apenas rizado. Hay varios tipos de reguladores pero de momento el que yo expongo es el regulador integrado LM78XX.

LM78xx

Aspectos que tienen los reguladores. A la derecha están los encapsulados y a la izquierda el símbolo en los esquemas.



Estos reguladores integrados nos entregan una tensión constante entre Vout y GND. La tensión que nos entregan la marca el tipo de integrado. Si tenemos el LM7809 significa que la tensión que entrega es de 9V.
La corriente que pasará por GND es prácticamente nula, lo que quiere decir que toda la corriente que entra en el regulador saldrá por Vout.
El regulador necesita 3V para poder funcionar por tanto tendremos:

$V_{in}+3\ge V_{out}$

Condesadores

TODO LO QUE VOY A EXPLICAR A CONTINUACIÓN ESTÁ EXTRAIDO INTEGRAMENTE DEL POST EN EL FORODEELECTRONICA.COM DEL USUARIO FOGONAZO. LO ÚNICO QUE HAGO AQUÍ ES UN PEQUEÑO RESUMEN CON MIS PROPIAS PALABRAS Y EN NINGÚN CASO PRETENDO EL PLAGIO NI NADA PARECIDO

Si buscamos circuitos de fuentes de alimentación con reguladores 78XX encontraremos que no solo tienen el condensador de filtro sinó tres condensadores más. En la imagen de abajo se puede ver lo que estoy comentando:

File

• C1 es el condensador de filtro que ya se ha explicado en el apartado Filtro.
• C2 y C3 mejoran la estabilidad del regulador y mejor ala respuesta a los transitorios.
• C4 se usa como "parachoques" local (la reserva de energía) para la carga conectada.

Se debe seguir el esquema de abajo para colocar los condensadores en el PCB:

File

• Como se puede ver el condensador que alisa la señal (C1) lo más junto posible al puente rectificador.
• C2 y C3 deben estar unidos directamente a la entrada y salida del regulador.
• C4 deberia ponerse lo más cercano posible a la carga.
• Las masas deberia encontrarse en un solo punto (punto frio) y este punto deberia encontrarse lo más cercano al C4.

• Con 100nF para C2 y C3 está correcto
• El valor de C4 (electrolítico) no es crítico y puede variar entre 10uF y 47uF dependiendo de la corriente de salida

Esquema F.Alimentación

Aqui voy ha describir los pasos para crear una fuente de alimentación con la siguientes características:

• Tensión de salida: 9V
• Corriente de salida: 300mA
• Fusible
• Tiene que llevar regulador de tensión

Elegir Transformador

Lo primero que elegiremos será el transformador. Para elegirlo tendremos en cuenta que queremos 9V a la salida y que el Regulador de Tensión necesita 3V para funcionar. Por tanto con un transformador de 12Vef en su secundario ya vamos bien.

El amperaje que consumirá nuestro circuito es como máximo 300mA, así que buscaremos un transformador que almenos tenga 500mA a la salida para tener un poco de margen.

Con esto tenemos las características del transformador:

• 12Vef en el secundario
• 500mA en el secundario
• El transformador sera de 6VA

No se si venden un transformador con estas características, pero si no lo encontramos puede tener características superiores.

Elegir Fusible

Para calcular que valor pondremos de fusibles utilizaremos la fórmula vista en la sección Fusible

$I_1=I_2\frac{V_2}{V_1}=0,5\frac{12}{230}=26mA$

Este valor de fusible no lo encontraremos así que pondremos el más próximo.

También comentar que este fusible solo nos protege el circuito de entrada, es decir donde vienen los 230V, y nos protege de que si hay un fallo en el circuito que alimenta la fuente y empieza a consumir mas de lo que puede la fuente, entonces saltará el fusible para que no se queme la instalación de 230V, pero no protegerá el circuito de la fuente.

Se podría poner un fusible en el interior del circuito de la fuente para proteger el circuito de la fuente ante una subida de corriente. Este tema lo explicaré mejor al poner el esquema total de la fuente.

Elegir Puente Rectificador

Para elegir el puente rectificador tenemos que saber cuanta tensión en inversa tienen que soportar los diodos y cuanta corriente en directa. También hemos de tener en cuenta otras características que se mencionan en Consideraciones para elegirlo.

La tensión máxima que caerá en el puente cuando trabaje en inversa se calcula:

$V_{max}=V_{ef}\cdot \sqrt{2}=12\cdot 1,4142=16,97V$

Y la corriente máxima ya hemos dicho que seria 500mA.

FALTA EXPLICAR LOS PICOS DE TENSION CUANDO SE CARGA EL CONDENSADOR

Elegir Condensador para el Filtro

Para elegir el condensador tenemos esta fórmula:

$C=\frac{I}{V_{r(pp)}f}$

El valor de $f$ lo sabemos, 100 (porque tenemos un puente rectificador que rectifica dos ondas). La $I$ tenemos la que consumiremos o la máxima que soporta la f.a. Yo creo que para poder tener una tensión de rizado del 10% como máximo es mejor tener en cuenta la intensidad que consumirá el circuito, en nuestro caso 300mA.

En resumen tenemos:

• $f=100$
• $I=0,3A$

No sabemos la $V_{r(pp)}$ y obviamente la $C$. Si miramos en el apartade de Tensión de Rizado vemos que la fórmula para calcular la tensión de rizado es la misma que la que estoy utilizando, solo que con la $V_{riz(pp)}$ aislada en vez de $C$. Por tanto no podemos utilizar esa fórmula.

Leyendo en algunos libros y sitios web dicen (ya comentado anteiormente) que la tensión de rizado se establece como el 10% de la $V_{max}$. En este caso:

$V_{riz(pp)}=V_{max}\cdot 10\mathrm{\%}=1,697V$

Ahora ya tenemos la $V_{riz(pp)}$ así que podemos calcular la capacidad del condensador:

$C=\frac{I}{V_{r(pp)}f}=\frac{0,3}{1,697\cdot 100}=1767\mu F$

Si utilizo la tercera fórmula:

$C=\frac{5I}{V_{max}f}=\frac{5\cdot 0,3}{(16,97-1,4)\cdot 50}=1926\mu F$

Me da un valor diferente pero tampoco es tan dramático porque en el mercado no hay condensadores de todos los tamaños, hay unos estandares y creo que son 1700 µF y luego passan a 2200 µF. Asi que se podrían dar las dos fórmulas como buenas.

Elegir Regulador de Tensión

Como la fuente que voy a realizar quiero que lleve un regulador de tensión para poder tener una tensión estable. Voy a elegir el regulador 7809. Este regulador entrega 9V positivos.
Una de las primeras cosas que tengo que tener en cuenta es que:

$V_{in}>V_o\Rightarrow$ la tensión de entrada al regulador ha de ser mayor que la tensión de salida

Si sabemos que este regulador consume 3V, la tensión de entrada del regulador ha de ser de 11V como mínimo, sino el regulador no podrá "hacer bien su trabajo".

En el apartado Mediciones del Filtro explico que para calcular la tensión continua de salida filtrada se hace:

$V_o=V_{max}-1,4=16,97-1,4=15,57V$

Entonces tenemos que antes del regulador de tensión tendremos 15,57V y necesitamos que sean como mínimo 11V para que el regulador pueda hacer su trabajo.
Asi que a la salida del regulador tendremos los 9V y los 500mA que queremos.

Calculos de las tensión y corrientes del circuito de una f.a.

El transformador nos entrega $12V_{ef}$ y $500mA$.
La corriente que pasará por el primario se calcula: $I_1=I_2\frac{V_2}{V_1}=0,5\frac{12}{230}=26mA$. Por tanto el fusible tiene que ser como mínimo de $26mA$
La tensión media ($V_m$) que habrá después del puente rectificador sino está conectado el filtro ni el regulador se calculará:

$V_{max}=V_{ef}\cdot 1,4142=16,97V$

$V_m=2\cdot \frac{V_{max}-1,4}{\pi }=9,91V$

Después del filtro tendremos una tensión muy cercana a $V_{max}-1,4$ que caen en el puente rectificador.

El regulador coge estos $15,57V$ y los deja en unos $9V$ constantes.

La corriente máxima que podrá suministrar la fuente será de $500mA$, que es la que nos entrega el secundario.

Conslusiones y cosas a tener en cuenta

Una cosa que creo que se tiene que tener en cuenta (es una teoria mia, no se si es correcta) es que cuando se diseña una fuente de alimentación se hace para una tensión y una corriente determinada. El aparato a alimentar tendrá una carga fija que estará relacionada con la tensión y corriente que consume dicho aparato (Ley de Ohm). Si ese aparato no consume la corriente para la que hemos diseñado la fuente, el rizado de la fuente no será del 10%, porque como la función para calcular el filtro que reduce el rizado depende de la corriente, si esta varia, varia la capacidad del condensador que tenemos que poner.

Esto en la teoría creo que es así. Pero en la práctica hay que tener en cuenta que no existen todos los valores de condensadores, así que aunque queramos no podremos nunca poner el condensador que nos salen de los cálculos. Además si ponemos un regulador de tensión, éste deja el rizado a niveles muy muy bajos, nada preocupantes.

Esto lo explico solo para tenerlo en cuenta, pero no afecta en absoluto al resultado, ya que como he dicho, el regulador de tensión deja la señal muy "aplanada".

Documentación

txapuzas.blogspot.com - Paperduino de una fuente de alimentacion
electan.com - Fuente Alimentación de 9V 300mA de Cebek
pisotones.com - Circuito Ejemplo Fuente Alimentación 9V
electronicasi.com - Circuito Fuente Alimentación Regulable
construyasuvideorockola.com - Otro ejemplo de fuente de alimentación con el 78xx
forosdeelectronica.com - Reguladores de Voltaje 78XX en la práctica - Interesante documento que analiza mejoras en un circuito de fuente de alimentación con los reguladores 78xx
mcbtec.com - Teoría Fuentes Alimentación - Explicación bastante buena de los componenetes y configuración paso a paso de una fuente
info-ab.uclm.es - Teoría Fuentes Alimentación - Explicación muy completa de las fuentes de alimentación
electronicadpe - Calculo de la tensión de rizado
elrincondeloscircuitos.blogspot.com.es - Colección de circuitos de fuentes regulables
faxter.es - Fuente de alimentación con regulador 78xx variable en la salida (interesante para "sacar" voltajes diferentes)
Fuentes de alimentación lineales - monografias.com - Explicación muy completa
Fuentes de alimentación - Cálculo y diseño
Curso de Electrónica Básica en Internet - Explicaciones muy completas de todo el proceso de diseño de una f.a. y muy técnicas. La más completa que he encontrado.
Fogonazo en forodeelectronica.com