Existe el viejo dicho: "Puedes darle un pescado a un hombre y comerá por un día o puedes enseñarle a pescar y comerá para siempre". Hay muchos artículos que le dan al lector un diseño específico para construir una fuente de alimentación, y no hay nada de malo en estos diseños de libros de cocina. Suelen tener muy buen rendimiento. Sin embargo, no enseñan a los lectores cómo diseñar una fuente de alimentación por sí mismos. Este artículo de dos partes comenzará desde el principio y explicará cada paso necesario para construir una fuente de alimentación analógica básica. El diseño se centrará en el omnipresente regulador de tres terminales e incluirá una serie de mejoras al diseño básico.

Siempre es importante recordar que la fuente de alimentación, ya sea para un producto en particular o como una pieza general del equipo de prueba, tiene el potencial de electrocutar al usuario, iniciar un incendio o destruir el dispositivo que está alimentando. Obviamente, estas no son cosas buenas. Por esa razón, es fundamental abordar este diseño de forma conservadora. Proporcione suficiente margen para los componentes. Una fuente de alimentación bien diseñada es aquella que nunca se nota.

CONVERSIÓN DE POTENCIA DE ENTRADA

La figura 1 muestra el diseño fundamental de una fuente de alimentación analógica típica. Consta de tres componentes principales: conversión y acondicionamiento de la potencia de entrada; rectificación y filtrado; y regulación. La conversión de potencia de entrada suele ser un transformador de potencia y es el único método considerado aquí. Sin embargo, hay un par de puntos que es importante mencionar.

FIGURA 1. Una fuente de alimentación analógica básica consta de tres partes. Los dos primeros se analizan en este artículo y el último en la próxima entrega.

La primera es que 117 VCA (voltios de corriente alterna) es realmente una medida RMS (raíz cuadrática media). (Tenga en cuenta que he visto la potencia doméstica ordinaria especificada en cualquier lugar de 110 VCA a 125 VCA. Acabo de medir la mía y descubrí que es precisamente de 120.0 VCA). Una medición RMS de una onda sinusoidal es mucho más baja que el voltaje pico real y representa el voltaje de CC (corriente continua) equivalente necesario para proporcionar la misma potencia.

La conversión RMS varía según la forma de onda; para una onda sinusoidal, el valor es 1.414. Esto significa que la desviación alrededor de cero voltios es en realidad de 169.7 voltios (para mi alimentación de 120 VCA). La potencia va de -169.7 voltios a +169.7 voltios cada ciclo. Por lo tanto, ¡el voltaje de pico a pico es en realidad de 339.4 voltios!

Este voltaje se vuelve especialmente importante cuando se agregan condensadores de derivación a las líneas eléctricas principales para evitar que el ruido entre o salga de la fuente de alimentación (una situación común). Si cree que el voltaje real es de 120 voltios, puede usar capacitores de 150 voltios. Como puede ver, esto no es correcto. El voltaje de trabajo seguro mínimo absoluto para sus condensadores es de 200 voltios (250 voltios es mejor). No olvide que si espera ver ruido/picos en la línea, debe agregar ese voltaje de ruido/pico al voltaje máximo.

La frecuencia de entrada es universalmente de 60 Hz en los EE. UU. En Europa, 50 Hz es común. Los transformadores clasificados para 60 Hz generalmente funcionarán bien en 50 Hz y viceversa. Además, la estabilidad de frecuencia de la línea eléctrica suele ser excelente y rara vez es una consideración. Ocasionalmente, puede encontrar transformadores de 400 Hz disponibles. Suelen ser dispositivos militares o aeronáuticos y, por lo general, no son adecuados para su uso con una potencia de 50/60 Hz (o viceversa).

La salida del transformador también se especifica como un voltaje RMS. Además, el voltaje especificado es el voltaje mínimo esperado a plena carga. A menudo, hay un aumento del 10% en la salida nominal sin carga. (Mi transformador de 25.2 voltios/dos amperios mide 28.6 voltios sin carga). ¡Esto significa que el voltaje de salida pico/sin carga real para mi transformador de 25.2 voltios es de 40.4 voltios! Como puede ver, siempre es importante recordar que los voltajes RMS nominales para la alimentación de CA son sustancialmente menores que los voltajes máximos reales.

La Figura 2 proporciona un diseño típico de conversión y acondicionamiento de potencia de entrada. Prefiero usar un interruptor bipolar aunque no es absolutamente necesario. Protege contra tomas de corriente mal conectadas (lo cual es raro hoy en día) o cables de alimentación mal conectados en la propia fuente de alimentación (mucho más común). Es vital que cuando el interruptor de alimentación esté apagado, el cable vivo esté desconectado de la fuente de alimentación.

FIGURA 2. El acondicionamiento de entrada es bastante básico, pero debe recordarse que el voltaje RMS no es lo mismo que el voltaje pico. El voltaje máximo de 120 VAC RMS es de aproximadamente 170 voltios.

El fusible (o disyuntor) es necesario. Su objetivo principal es prevenir incendios porque sin él, un transformador o un cortocircuito en el circuito primario permitirán que fluyan corrientes masivas que hagan que las piezas metálicas se pongan rojas o incluso blancas. Por lo general, es un tipo de soplado lento clasificado en 250 voltios. La clasificación de corriente debe ser aproximadamente el doble de lo que el transformador puede esperar consumir.

Por ejemplo, el transformador de dos amperios de 25.2 voltios mencionado anteriormente consumirá alrededor de 0.42 amperios de corriente primaria (25.2 voltios/120 voltios x dos amperios). Entonces, un fusible de un amperio es razonable. Un fusible en el secundario se discutirá en el próximo artículo.

Los condensadores de derivación ayudan a filtrar el ruido y son opcionales. Dado que el voltaje máximo es de aproximadamente 170 voltios, una clasificación de 250 voltios es mejor que una clasificación marginal de 200 voltios. Es posible que desee utilizar un "filtro de entrada de energía". Hay muchos tipos de estas unidades. Algunos contienen un conector de alimentación estándar, un interruptor, un portafusibles y un filtro en un paquete pequeño. Otros pueden tener solo algunos de estos componentes. Por lo general, los que tienen todo son bastante caros, pero las unidades excedentes generalmente se pueden encontrar a precios muy razonables.

Es importante poder determinar si el circuito primario está alimentado, por lo que se utiliza una luz piloto. Se muestran dos circuitos típicos. La lámpara de neón se ha utilizado durante décadas. Es simple y económico. Tiene los inconvenientes de que es algo frágil (al ser de cristal); puede parpadear si la resistencia es demasiado grande; y en realidad puede generar algo de ruido eléctrico (debido a la repentina descomposición iónica del gas neón).

El circuito LED también requiere una resistencia limitadora de corriente. A 10,000 hms, se proporcionan unos 12 mA de corriente. La mayoría de los LED están clasificados para una corriente máxima de 20 mA, por lo que 12 mA es razonable. (Los LED de alta eficiencia pueden funcionar satisfactoriamente con solo 1 o 2 mA, por lo que la resistencia se puede aumentar según sea necesario).

Tenga en cuenta que los LED tienen voltajes de ruptura inversa muy bajos (típicamente de 10 a 20 voltios). Por esa razón, es necesario un segundo diodo. Este debe poder operar con al menos 170 voltios de PIV (Peak Inverse Voltage). El 1N4003 estándar tiene una calificación de 200 PIV, lo que no proporciona mucho margen. El 1N4004 tiene una calificación de 400 PIV y cuesta quizás un centavo más. Al colocarlo en serie con el LED, el PIV general es 400 más el PIV del LED.

RECTIFICACIÓN Y FILTRADO

Las Figuras 3, 4 y 5 muestran los circuitos de rectificación más típicos con la forma de onda de salida que se muestra arriba. (El condensador de filtro no se muestra porque al agregarlo, la forma de onda cambia a algo así como un voltaje de CC). Es útil examinar estos tres circuitos básicos para identificar las fortalezas y debilidades de ellos.

La figura 3 muestra el rectificador básico de media onda. La única característica redentora de esto es que es muy simple, usando solo un rectificador. La característica negativa es que utiliza solo la mitad del ciclo de energía, lo que hace que la eficiencia teórica del circuito sea inferior al 50% solo para comenzar. A menudo, las fuentes de alimentación del rectificador de media onda tienen solo un 30% de eficiencia. Dado que los transformadores son elementos costosos, esta ineficiencia es muy costosa. En segundo lugar, la forma de onda es muy difícil de filtrar. La mitad del tiempo no sale nada de energía del transformador. Suavizar la salida requiere valores muy altos de capacitancia. Rara vez se usa para una fuente de alimentación analógica.

FIGURA 3. El circuito rectificador de media onda es simple pero produce una forma de onda de salida pobre que es muy difícil de filtrar. Además, se desperdicia la mitad de la potencia del transformador. (Tenga en cuenta que los condensadores de filtrado se omiten para mayor claridad porque cambian la forma de onda).

Algo interesante e importante sucede cuando se agrega un capacitor de filtro a un circuito rectificador de media onda. El diferencial de tensión sin carga se duplica. Esto se debe a que el capacitor almacena energía de la primera mitad (parte positiva) del ciclo. Cuando ocurre la segunda mitad, el capacitor mantiene el voltaje pico positivo y el voltaje pico negativo se aplica a la otra terminal, lo que hace que el capacitor vea un voltaje pico a pico completo y, a través de eso, el diodo. Por lo tanto, para un transformador de 25.2 voltios anterior, ¡el voltaje máximo real visto por estos componentes puede ser superior a 80 voltios!

La figura 4 (circuito superior) es un ejemplo de un circuito rectificador típico de onda completa/derivación central. Cuando se usa esto, en la mayoría de los casos, probablemente no debería ser así. Proporciona una buena salida que está completamente rectificada. Esto hace que el filtrado sea relativamente fácil. Utiliza solo dos rectificadores, por lo que es bastante económico. Sin embargo, no es más eficiente que el circuito de media onda presentado anteriormente.

FIGURA 4. El diseño de onda completa (arriba) produce una buena salida. Al volver a dibujar el circuito (abajo), se puede ver que en realidad son solo dos rectificadores de media onda conectados entre sí. Una vez más, se desperdicia la mitad de la potencia del transformador.

Esto se puede ver volviendo a dibujar el circuito con dos transformadores (Figura 4 abajo). Cuando se hace esto, queda claro que la onda completa es en realidad solo dos circuitos de media onda conectados entre sí. La mitad de cada ciclo de potencia del transformador no se utiliza. Así, la máxima eficiencia teórica es del 50% con eficiencias reales en torno al 30%.

El PIV del circuito es la mitad del circuito de media onda porque el voltaje de entrada a los diodos es la mitad de la salida del transformador. La derivación central proporciona la mitad del voltaje a los dos extremos de los devanados del transformador. Entonces, para el ejemplo del transformador de 25.2 voltios, el PIV es de 35.6 voltios más el aumento sin carga, que es aproximadamente un 10 % más.

La Figura 5 presenta el circuito puente rectificador que generalmente debería ser la primera opción. La salida está completamente rectificada, por lo que el filtrado es bastante fácil. Sin embargo, lo más importante es que utiliza ambas mitades del ciclo de potencia. Este es el diseño más eficiente y aprovecha al máximo el costoso transformador. Agregar dos diodos es mucho menos costoso que duplicar la potencia nominal del transformador (medida en "Volt-Amps" o VA).

FIGURA 5. El enfoque del puente rectificador (arriba) proporciona el uso completo de la potencia del transformador y con una rectificación de onda completa. Además, al cambiar la referencia de tierra (abajo), se puede obtener una fuente de alimentación de doble voltaje.

El único inconveniente de este diseño es que la energía debe pasar a través de dos diodos con una caída de voltaje resultante de 1.4 voltios en lugar de los 0.7 voltios de los otros diseños. En general, esto es solo una preocupación para las fuentes de alimentación de bajo voltaje donde los 0.7 voltios adicionales representan una fracción sustancial de la salida. (En tales casos, generalmente se usa una fuente de alimentación conmutada en lugar de cualquiera de los circuitos anteriores).

Dado que se utilizan dos diodos para cada medio ciclo, cada uno solo ve la mitad del voltaje del transformador. Esto hace que el PIV sea igual al voltaje de entrada pico o 1.414 veces el voltaje del transformador, que es lo mismo que el circuito de onda completa anterior.

Una característica muy interesante del puente rectificador es que la referencia a tierra se puede cambiar para crear un voltaje de salida positivo y negativo. Esto se muestra en la parte inferior de la Figura 5.

Circuito	Filtrar Necesidades	Factor PIV	Uso del transformador
media onda	Grande	2.82	50% (teórico)
onda completa	Pequeño	1.414	50% (teórico)
Puente	Pequeño	1.414	100% (teórico)

TABLA 1. Resumen de las características de los distintos circuitos rectificadores.

Filtrado

Casi todo el filtrado de una fuente de alimentación analógica proviene de un condensador de filtro. Es posible usar un inductor en serie con la salida, pero a 60 Hz, estos inductores deben ser bastante grandes y costosos. Ocasionalmente, se utilizan para fuentes de alimentación de alto voltaje donde los capacitores adecuados son costosos.

La fórmula para calcular el capacitor del filtro (C) es bastante simple, pero necesita conocer el voltaje de ondulación pico a pico aceptable (V), el tiempo de medio ciclo (T) y la corriente consumida (I). La fórmula es C=I*T/V, donde C está en microfaradios, I está en miliamperios, T está en milisegundos y V está en voltios. El tiempo de medio ciclo para 60 Hz es de 8.3 milisegundos (referencia: Manual de radioaficionados de 1997).

Está claro a partir de la fórmula que los requisitos de filtrado aumentan para fuentes de alimentación de alta corriente y/o baja ondulación, pero esto es solo sentido común. Un ejemplo fácil de recordar es que 3,000 microfaradios por amperio de corriente proporcionarán unos tres voltios de ondulación. Puede trabajar varias proporciones a partir de este ejemplo para proporcionar estimaciones razonables de lo que necesita con bastante rapidez.

Una consideración importante es el aumento de corriente en el encendido. Los condensadores del filtro actúan como cortocircuitos muertos hasta que se cargan. Cuanto más grandes sean los condensadores, mayor será este aumento. Cuanto más grande sea el transformador, mayor será la sobretensión. Para la mayoría de las fuentes de alimentación analógicas de bajo voltaje (<50 voltios), la resistencia del devanado del transformador ayuda un poco. El transformador de 25.2 voltios/dos amperios tiene una resistencia secundaria medida de 0.6 ohmios. Esto limita la irrupción máxima a 42 amperios. Además, la inductancia del transformador reduce esto un poco. Sin embargo, todavía hay un gran aumento potencial de corriente en el momento del encendido.

La buena noticia es que los rectificadores de silicio modernos a menudo tienen grandes capacidades de sobretensión. La familia estándar de diodos 1N400x generalmente se especifica con 30 amperios de sobrecorriente. Con un circuito de puente, hay dos diodos que transportan esto, por lo que el peor de los casos es de 21 amperios cada uno, que está por debajo de la especificación de 30 amperios (suponiendo que se comparte la misma corriente, que no siempre es el caso). Este es un ejemplo extremo. Generalmente, se usa un factor de aproximadamente 10, en lugar de 21.

Sin embargo, este aumento actual no es algo que se deba ignorar. Gastar unos centavos más para usar un puente de tres amperios en lugar de un puente de un amperio puede ser dinero bien gastado.

DISEÑO PRÁCTICO

Ahora podemos poner en práctica estas reglas y principios y comenzar a diseñar una fuente de alimentación básica. Usaremos el transformador de 25.2 voltios como núcleo del diseño. La figura 6 se puede ver como un compuesto de las figuras anteriores pero con los valores de las partes prácticas agregados. Una segunda luz piloto en el secundario indica su estado. También muestra si hay carga en el capacitor. Con un valor tan grande, esta es una consideración de seguridad importante. (Tenga en cuenta que, dado que se trata de una señal de CC, no se necesita el diodo de voltaje inverso 1N4004).

FIGURA 6. Diseño final de la fuente de alimentación con especificaciones prácticas de las piezas. La regulación de la potencia se analiza en el siguiente artículo.

Puede ser más económico usar dos capacitores más pequeños en paralelo que uno grande. El voltaje de trabajo del capacitor debe ser de al menos 63 voltios; 50 voltios no es suficiente margen para el pico de 40 voltios. Una unidad de 50 voltios proporciona solo un 25% de margen. Esto puede estar bien para una aplicación no crítica, pero si el capacitor falla aquí, los resultados pueden ser catastróficos. Un condensador de 63 voltios proporciona un margen del 60 %, mientras que un dispositivo de 100 voltios proporciona un margen del 150 %. Para las fuentes de alimentación, una regla general es entre un 50 % y un 100 % de margen para los rectificadores y condensadores. (La ondulación debe ser de unos dos voltios, como se muestra).

El puente rectificador debe ser capaz de manejar el alto pico de corriente inicial, por lo que vale la pena gastar uno o dos centavos adicionales para mejorar la confiabilidad. Tenga en cuenta que el puente está especificado por lo que el transformador puede suministrar en lugar de por lo que finalmente se especifica la fuente de alimentación. Esto se hace en caso de que haya un cortocircuito en la salida. En tal caso, toda la corriente del transformador pasará a través de los diodos. Recuerde, una falla en la fuente de alimentación es algo malo. Por lo tanto, diséñalo para que sea robusto.

CONCLUSIÓN

Los detalles son una consideración importante en el diseño de una fuente de alimentación. Notar la diferencia entre el voltaje RMS y el voltaje pico es fundamental para determinar los voltajes de trabajo adecuados para el suministro. Además, la corriente de sobretensión inicial es algo que no se puede ignorar.

En la Parte 2, completaremos este proyecto agregando un regulador de tres terminales. Diseñaremos una fuente de alimentación de voltaje ajustable, de corriente limitada y de uso general con apagado remoto. Además, los principios utilizados para este diseño se pueden aplicar a cualquier diseño de fuente de alimentación.

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