Fonts d'alimentació

En la figura podeu veure la connexió de cadascun dels blocs d’una font lineal. A l’entrada tenim un senyal AC i a la sortida DC; com que és un senyal continu hem de diferenciar el terminal positiu del negatiu. Després del bloc rectificador, el senyal tractat ja té polaritat. A la sortida de cada un d’aquests blocs tenim un tipus d’ona diferent; per tant, observant-la, podrem detectar avaries, mals funcionaments i verificar que funciona correctament. Per poder fer aquests mesuraments és necessari saber utilitzar correctament l’oscil·loscopi i el multímetre.

L’estabilitzador és l’últim bloc de la FA i, com el seu nom indica, té la funció d’eliminar les fluctuacions de la tensió de sortida, és a dir, estabilitzar-la a una tensió contínua (figura).

En la figura podeu veure l’esquema final d’una FA amb l’esquema de connexió de l’estabilitzador.

El díode Zener és un element electrònic bàsic, que en sentit directe es comporta com un díode normal. Però, al contrari del díode, quan es polaritza en sentit invers, també condueix, i manté en els extrems una tensió constant, fins i tot si varia el corrent invers que el travessa.

El símbol del díode Zener és el que apareix en la figura.

Per trobar el valor de la resistència de protecció (R_p) del díode Zener per a un circuit com el de la figura, utilitzarem la fórmula següent:

En què V₄ és la tensió de sortida del filtre i I_o és la intensitat que es vol lliurar a la càrrega.

Els reguladors de tensió més habituals són els de tres terminals. Hi ha diferents encapsulacions, com les que apareixen en la figura, depenent del consum de potència que han de tenir.

En la figura apareix una font d’alimentació amb regulador integrat.

Les característiques o requisits del circuit de la figura són:

• La tensió entre V_o i GND serà de valor fix i estable, i dependrà del tipus de regulador.
• La tensió d’entrada al regulador V₄ ha de ser uns 3 volts superior a la V_o per tal d’assegurar el funcionament correcte del circuit regulador.
• El condensador de sortida evita possibles oscil·lacions o impureses.

Alguns reguladors permeten el muntatge d’un radiador mitjançant un orifici (com és el cas de l’encapsulació TO-220). L’orifici és metàl·lic i coincideix amb el terminal GND. El radiador es col·locarà verticalment, i és millor utilitzar el tipus d’aleta anoditzada i negra, ja que dissipa més calor que les d’alumini blanc. L’objectiu principal és refredar el regulador; si no ho aconseguim, s’han d’utilitzar altres mètodes de refrigeració com poden ser ventiladors, com es fa, per exemple, en la FA d’un ordinador personal.

Els reguladors més utilitzats són els 78XX i 79XX. La nomenclatura utilitzada és descrita en la taula.

A part dels reguladors de sortida fixa, n’hi ha d’ajustables, com el component LM317.

Les fonts commutades són circuits electrònics que converteixen un corrent continu en un corrent polsant de freqüència alta, que després es convertiran una altra vegada en un corrent continu.

Les fonts commutades es van desenvolupar inicialment per a aplicacions militars i aeroespacials en els anys seixanta. La raó principal d’aquest desenvolupament es basava en el fet que tenien un pes i un volum molt més reduïts que les fonts lineals.

D’aleshores ençà s’han desenvolupat diverses topologies i circuits de control que han esdevingut d’ús comú en fonts commutades per a aplicacions industrials i comercials.

Avui en dia la majoria dels equips que utilitzem tenen alimentacions de 12 V.

Els avenços de la tecnologia han implicat també que aquests equips comportin un alt grau de sofisticació i que, per tant, siguin molt sensibles als sorolls, les sobretensions o els canvis bruscos en les tensions d’alimentació.

La sofisticació dels equips electrònics ha fet imprescindible que les fonts d’alimentació regulades garanteixin l’estabilitat de la tensió que alimenta l’equip. D’altra banda, per poder aconseguir potències de sortida d’uns 100 a 500 W amb les baixes tensions que necessiten els transistors actuals (12 V), calen corrents d’alimentació alts (20 A o més), la qual cosa ha implicat que les antigues fonts basades en transformadors voluminosos s’hagin substituït per fonts més segures i més petites, les fonts commutades.

Les fonts commutades són circuits que generen la seva freqüència de treball, per la qual cosa es diu que són reguladors a la freqüència pròpia, per diferenciar-los dels reguladors que funcionen a la freqüència de la xarxa elèctrica. Poden funcionar a una freqüència fixa o variable, i fan servir convertidors a partir d’un corrent continu per generar un corrent polsant de cicle de treball o freqüència variable. En la figura podem veure el temps de variació del cicle de treball.

Les fonts commutades són circuits relativament complexos, però sempre en podem diferenciar quatre blocs constructius bàsics, com es mostra en la figura.

• El primer bloc rectifica i filtra la tensió alterna d’entrada i la converteix en una tensió contínua polsant.
• El segon bloc s’encarrega de convertir la tensió contínua en una ona quadrada d’alta freqüència (de 10 a 200 kHz). Aquesta és aplicada a una bobina o al primari d’un transformador.
• El tercer bloc rectifica i filtra la sortida d’alta freqüència del bloc anterior i dóna una tensió contínua pura.
• El quart bloc s’encarrega de regular l’oscil·lació del segon bloc. Aquest bloc consisteix en un oscil·lador de freqüència fixa, una tensió de referència, un comparador de tensió i un modulador d’amplada de pols (pulse width modulator, PWM).

El modulador d’amplada de pols (PWM) rep el pols de l’oscil·lador i en modifica el cicle de treball segons el senyal del comparador, el qual confronta la tensió contínua de la sortida del tercer bloc amb la tensió de referència.

En la majoria dels circuits de fonts commutades trobarem el primer i el quart blocs com a elements pràcticament invariables. En canvi, el segon i el tercer tindran diferents tipus de configuracions.

De vegades el quart bloc estarà format per un circuit integrat; altres vegades, però, ens trobarem amb circuits totalment transistoritzats. El segon bloc és realment l’ànima de la font i tindrà configuracions bàsiques anomenades reductor (buck), elevador (boost) i reductor-elevador (buck-boost).

El reductor és un circuit, de configuració bàsica, del segon bloc d’una font commutada (figura); aquest circuit interromp l’alimentació i proveeix d’una ona quadrada d’amplada de pols variable un simple filtre LC. La tensió es produeix per mitjà de la variació de la freqüència de treball del transistor. La característica més important d’aquest circuit és que la tensió de sortida V_out és més petita que la tensió d’entrada V_in:

En la majoria dels casos, n’hi ha prou amb aquesta regulació i només caldrà ajustar lleument la relació de voltes en el transformador per compensar les pèrdues per l’acció de càrrega resistiva, la caiguda en els díodes i la tensió de saturació dels transistors en la commutació.

L’elevador és un circuit, de configuració bàsica, del segon bloc d’una font commutada (figura). Aquest dispositiu presenta un funcionament una mica complex: el circuit elevador emmagatzema l’energia en la bobina i aplica l’energia emmagatzemada més la tensió d’alimentació a la càrrega. Aquest procediment és molt utilitzat en sistemes de flaix fotogràfics o d’ignició de l’automotor per recarregar la càrrega capacitativa. També es fa servir com un molt bon carregador de bateries. Aplica sempre una quantitat fixa de potència a la càrrega sense fixar-se en la seva impedància.

La característica més important d’aquest circuit és que la tensió de sortida V_out és més gran que la tensió d’entrada V_in:

El reductor-elevador és un circuit, de configuració bàsica, del segon bloc d’una font commutada (figura). Aquest circuit, també anomenat flyback, és una evolució dels circuits reductor i elevador, però presenta una diferència fonamental respecte d’aquests, atès que aplica a la càrrega només l’energia emmagatzemada en la inductància.

Com podem observar, el sistema elevador només pot regular quan la tensió de sortida V_out és més gran que la tensió d’entrada V_in, mentre que el flyback o reductor-elevador pot regular sempre, independentment de si la tensió de sortida és més petita o més gran que la tensió d’entrada.

En l’esquema de la figura podem veure una font commutada de tipus professional en blocs. Hi podrem observar cadascuna de les parts que la componen.

Hi podem distingir tres grans blocs: el primer, comú a totes les fonts, comprèn el rectificador i el filtre; el segon, que és el bloc del convertidor amb aïllament, pot ser perfectament qualsevol dels que confirmen les configuracions bàsiques de les fonts commutades o d’altres configuracions disponibles (forward, semipont, pont, etc.), i el tercer, anomenat realimentació, està format per un amplificador comparador, un controlador d’amplada de pols (PWR) i un altre convertidor de CC que governarà el circuit de comandament del primer convertidor. Com podem veure, hi ha dos convertidors de CC que garanteixen una gran estabilitat i control.