Fuentes cc no reg - UNQ 2015

FUENTES NO REGULADAS
DE CC
Cátedra: Electrónica Analógica I
RECTIFICADOR
Convierte la tensión alterna suministrada por la red en una
tensión pulsada unidireccional, con valor medio no nulo.
v1
v1
N2
vo
v1
vo
vo
N1
N2
N1 : N2
N1 : N2
V
V
V
vo
vo
vo
N2
V
N1
N2
V
N1
N2
V
N1
t
t
t
t
UNQ
v1
v1
v1
t
t
RECTIFICADOR
 En la práctica, se utilizan casi exclusivamente los montajes
rectificadores de doble onda, por sus mejores características.
 Calidad de la tensión de salida  análisis de Fourier
• cc (valor medio) + ca (suma infinitos términos sinusoidales)
T
V


2V
V
 sin t   
cos n t 
2
2
(
n

1
)

n  2 , 4...
Vcc 
V
t
Vca
T
2V

4V
4V

cos 2t  
cos 4t   ...
3
15
Vcc 
V
t
UNQ
Vca
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Reducir la componente alterna en la salida del rectificador.
Acción de filtrado “ideal”:
•Permitir el paso de la componente continua hacia la carga
•Impedir que la componente alterna llegue a la carga
Análisis aplicando el principio de superposición
•Sólo si comportamiento lineal
Transformador
+
Rectificador
UNQ
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Filtro con inductor
iL
L
Rectificador
ve
ZL = 2··f·L
ZL = 0
ve(cc)
RL
2·V
ve(cc) = ——

UNQ
RL
ve(ca)
RL
2·V
4·V
ve(ca) = - ——·cos (2t) - ——·cos (4t) + ···
3·
15·
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Filtro con inductor y capacitor
iL
L
Rectificador
ve
RL
C
Mejora el funcionamiento.
• C contribuye a impedir que
la componente ca llegue a la
carga
(cc)
Elección de los valores de L
y de C:
• ZC(ca) << RL
• ZL(ca) >> ZC (ca)
• iL > 0
UNQ
(ca)
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Filtro con capacitor
Rectificador
ve
RL
C
 Evita el uso de inductores
• Pesados y voluminosos para frecuencias de 50 / 100Hz.
 Análisis más complejo
• La evolución de corrientes y tensiones en el circuito da lugar a instantes
en los que todos los diodos del rectificador no conducen (están
inversamente polarizados)  Comportamiento no lineal.
• No es posible aplicar el principio de superposición
UNQ
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Filtro con capacitor
Análisis
 Tensión de salida: exponencial y senoidal
• Un análisis detallado resultaría complicado
 Aproximación por onda triangular  simplifica cálculos
• Considera descarga lineal del condensador (RL·C>>T/2)
• Supone carga instantánea de C cuando los diodos conducen.
UNQ
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Análisis
Filtro con capacitor
vs
vo
Vsmáx
0
t2
/2
t
t1

2
2+t2
2
ωt- ωt 1
 ωt1
2π

ωt
2
1 
Vocc 
 Vsmáx sen ωt d ωt  Vsmáx sen ωt1 e ωRLC d ωt
2π ωt2
ωt1

Vocc
1
2

1 (ω RLC)
(1 - cos(ω t1 - ω t2))
Vsmáx 2 π
UNQ




FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Análisis
Filtro con capacitor
vo
Supone descarga de C
a corriente constante
y carga instantánea.
T/2
VSM
Vrpp
VSm
V 
Q
ICC T

C
C
V  Vrpp 
VCC
ICC T/2
C
VCC  Vsmáx -
Vrpp 
 El valor de Vr suele ser conocido
• Limitado por las especificaciones
• Permite calcular el valor de C
• Hay que tener en cuenta las tolerancias (±20%)
 Se define el factor de rizado como:
UNQ
FR 
Vrpp
2
ICC
VCC

2 f C 2 f RL C
Vrpp
Vr( RMS )
VCC

1
2 3

VCC 4 3 f RL C
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Análisis
Filtro con capacitor
 Consideraciones importantes:
• La tensión en la carga tiene un rizado menor cuanto mayor es la
capacidad del filtro involucrado.
• Una mayor capacidad provoca un menor intervalo de conducción
de los diodos  mayores“picos” de corriente en ellos
v2
v2
t
iD
C 
UNQ
t
T1
T
t
iD
C 
t
T1
T
FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA
Filtro con capacitor
Análisis
 Acerca de los picos de corriente en los diodos:
• Son de difícil evaluación. Suelen considerarse entre 5 y 20 veces
mayores que la corriente media en la carga.
• Es importante comprobar que no superen la IFRM de los diodos.
• El instante más peligroso es la primera conexión de la fuente, ya
que el condensador completamente descargado  pico de corriente
más elevado.
• Además, un menor intervalo de conducción de los diodos provoca
un aumento de la corriente eficaz  mayor calentamiento del trafo.
 Conclusión: no se debe usar un capacitor de
excesivo valor para proteger los diodos.
• Se evita un aumento innecesario de volumen y costo.
• Menores problemas con la corriente en los diodos y en
el transformador.
UNQ
Electrónica Analógica I
Fuentes no reguladas de cc
Problema:
Diseñar una fuente no regulada, a capacitor de entrada, cuyos datos son:
•
•
•
•
Vdc : tensión continua de salida= 18V
Idc : corriente continua en la carga = 2A
r% : ripple o zumbido máximo permitido 5%
R% : regulación por variación de la corriente de carga 30%
DETERMINAR:
 El circuito rectificador más adecuado
 El capacitor de filtro (capacidad, tensión nominal de trabajo Vdc, Tolerancia %, corriente eficaz a
través del capacitor)
 Diodos rectificadores (corriente nominal que circula a través del rectificador IFAV, corriente pico
repetitiva IFRM, corriente pico inicial o de encendido IFSM, tensión de pico inversa VRRM)
 Transformador (Corriente eficaz a través del secundario, Tensión eficaz del secundario, Régimen
de VA del secundario)
13
UNQ
Electrónica Analógica I
Para este problema tenemos 3 opciones de circuito :
Rectificador de media onda
Rectificador de onda completa con punto medio
Rectificador de onda completa en puente
14
UNQ
Electrónica Analógica I
CIRCUITO RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA
15
UNQ
Electrónica Analógica I
CIRCUITOS RECTIFICADORES DE ONDA COMPLETA
16
UNQ
Electrónica Analógica I
Elección del circuito rectificador más adecuado
½ onda
Tensión media de
salida
Vo MO 
Tensión eficaz
Voef MO 
Factor de ripple:
r
Ica ef
Icc
rMO 
2
4
Vo máx

Vo máx
2
 1  1, 21
Onda completa
VoOC  2
Vo máx
Voef OC 
Vo máx
2
r
2
8

 1  0, 48
(más alterna que continua)
¿Qué ventajas se obtienen al trabajar con un rectificador de onda completa?
Con el solo hecho de agregar un diodo, se obtiene:
• El doble de tensión media en onda completa que en media onda
• Un 41% más de tensión eficaz
• Una mejora en el factor de ripple de 1,21 a 0,48
17
UNQ
Electrónica Analógica I
Elección del circuito rectificador más adecuado
18
UNQ
Electrónica Analógica I
COMPARACIÓN DE LAS CORRIENTES POR LOS DIODOS DE
AMBOS CIRCUITOS DE ONDA COMPLETA
CIRCUITO CON PUNTO MEDIO:
T
CORRIENTE EN CADA RAMA DEL
BOBINADO SECUNDARIO
• Una componente de cc (valor medio no nulo)
• Componentes de todas las armónicas: pares e impares
(las impares en fase y las pares en contrafase)
19
UNQ
Electrónica Analógica I
COMPARACIÓN DE LAS CORRIENTES POR LOS DIODOS DE
AMBOS CIRCUITOS DE ONDA COMPLETA
CIRCUITO PUENTE:
T
CORRIENTE EN EL BOBINADO
SECUNDARIO
• No hay componente de cc (valor medio nulo)
• Las armónicas pares se anulan, sólo quedan las impares (I1, I3, I5, etc)
20
UNQ
Electrónica Analógica I
RÉGIMEN DE POTENCIA DE LOS SECUNDARIOS
S II [VA]  Vef II  I ef II
Potencia aparente del secundario
2  Vef II
I ef II
2 Vef II
 I ef II
Puente
 Vef II
Puente
PtoMedio
 2  I ef II
Puente
 Vef II
Puente
PtoMedio
 2  I ef II
PtoMedio
PtoMedio
2  S Puente  2  S PtoMedio
S PtoMedio  2  S Puente  1,41 S Puente
21
UNQ
Electrónica Analógica I
CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE
Procedimiento de diseño
1)
Determine el valor de Edc y RCARGA.
2)
Asuma un valor de RS (normalmente entre 1 y 10% de RCARGA)
3)
Calcular RS/RCARGA.
4)
Calculo de C: del gráfico de porcentaje de ripple versus RCARGAC, determine el valor
de  RCARGA C requerido para reducir el ripple al valor deseado y con la (RS/ RCARGA)%
determinada en (3). Despejar C.
5)
Determine la razón Edc/ET(MAX).
6)
Determine ET(MAX) y ET(RMS) que debe ser aplicado al circuito.
7)
Determine el valor máximo de voltaje que deben resistir los semiconductores.
8)
Determine el valor eficaz de la corriente por los rectificadores y el capacitor.
9)
Calcule la corriente pico repetitiva.
10)
Decida que rectificadores va a utilizar.
11)
Verifique la corriente inicial de encendido Ion dada por ET(MAX) /RS. Si el valor excede la
corriente máxima permitida por el diodo, se debe aumentar el valor de RS y se debe
repetir el procedimiento de diseño.
12)
Diseñe un transformador y ajuste RS Recuerde que RS incluye la resistencia del diodo a
corriente media, la resistencia de los devanados del transformador, etc.
22
UNQ
Electrónica Analógica I
CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE
1)
Determine el valor de Edc y RCARGA.
Edc  18V
2)
Rc 
Vo 18V

 9   Rc  9 
Io 2 A
Asuma un valor de RS (normalmente entre 1 y 10% de RCARGA )
RS  0,9 
3)
Calcule RS/RCARGA.
Rs
0,9
%
100  10 %
Rc
9
4)
Del gráfico de porcentaje de ripple versus RCARGAC, determine el valor de RCARGAC
requerido para reducir el ripple al valor deseado y con la (RS/RCARGA)% determinada
en (3). Calcule el valor de C.
 r%
 5% 
23
UNQ
Electrónica Analógica I
CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE
Rs
%  10%
Rc
r%  5%
 RcC  12
24
UNQ
Electrónica Analógica I
CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE
 RcC  12
4)
•
Cálculo inicial de C:
 RcC  12
•
 Cmín 
12
12

 4244  F
2  f · Rc 2  50 · 9 
Tolerancia 20%:
C  4244 F / 0.8  5305 F
•
Valor Comercial:
C  5305 F  2 X 3300 F  6600 F
 RcC  2  50  9  6600 F  18,66
18,66  0,8  15
Caso peor
25
UNQ
Electrónica Analógica I
CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE
5) Determine la razón Edc/ET
(MAX).
Rs
%  10 %
Rc
Edc
%  74 %
ET máx
UNQ
 RcC  15
26
Electrónica Analógica I
CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE
6)
Determine ET(MAX) y ET(RMS) que debe ser aplicado al circuito.
ET máx 
ET ef 
7)
Edc 18V

 24.3V
0.74 0.74
ET máx
2

Edc
%  74 %
ET máx
  2V  ET máx  25,7 V
25,7 V
 18 V
2

ET ef  18 V
Determine el valor máximo de tensión que deben resistir los semiconductores.
VRRM = Tensión pico inversa repetitiva en los diodos (Repetitive Peak Reverse Voltaje)
ET máx  26 V

VRRM  26 V
27
UNQ
Electrónica Analógica I
CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE
8)
Determine el valor eficaz de la corriente por los rectificadores y el capacitor.
Utilizaremos las curvas que relacionan
Ief D
 f n  Rc C  con
IoD
Onda completa:
n=2
Rs
%
n Rc

n    Rc  C  30
Rs
0 ,9 
%
100  5 % 
n Rc
29 
IoD 
como parámetro
Rs
%  5%
n Rc
Idc 2
 A 1A
2
2
28
UNQ
Electrónica Analógica I
CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE
Rs
%  5%
n Rc
Ief D
 2.4
IoD
n    Rc  C  30
29
UNQ
Electrónica Analógica I
CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE
8)
Determine el valor eficaz de la corriente por los rectificadores y el capacitor.
Ief D
 2.4 
IoD
Ief D  2.4 IoD  2.4
Idc
2
 2.4 
2
2
Ief D  2, 4 A
IefCAP  I ef2 T  Icc 2  2 I D2 ef  Icc2
IefCAP  2   2, 4    2  
2
2
IefCAP  2,74 A
30
UNQ
Electrónica Analógica I
CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE
8)
Calcule la corriente pico repetitiva.
Utilizaremos las curvas que relacionan
Ipk D
 f n  Rc C  con
IoD
Onda completa:
n=2
Rs
0 ,9 
%
100  5 %
n Rc
2 9 
IoD 
Rs
%
n Rc
como parámetro


n    Rc  C  30
Rs
%  5%
n Rc
Idc 2
 A 1 A
2
2
31
UNQ
Electrónica Analógica I
CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE
Rs
%  5%
n Rc
Ipk D
 6 ,5
IoD
n    Rc  C  30
UNQ
32
Electrónica Analógica I
CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE
8)
Calcule la corriente pico repetitiva.
Ipk D
 6,5  Ipk D  6,5  1A
IoD
Y con

IpkD  6,5 A
IoD 1 A
VRRM  26V
9)
Decida que rectificadores va a utilizar.
10)
Verifique la corriente inicial de encendido Ion dada por ET(MAX)/RS. Si el
Rectificador elegido: ?
valor excede la corriente máxima permitida por el diodo, se debe aumentar el
valor de RS y se debe repetir el procedimiento de diseño.
Rs  0,9 

Ion 
ET máx
Rs

26V
 29 A
0 ,9 
33
UNQ
Electrónica Analógica I
CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE
LA REGULACIÓN
Vdc Mínima Carga  Vdc Plena Carga
La regulación se define como: R% 
100
Vdc Mínima Carga
Condición de máxima carga:
Condición de mínima carga:
Rc 
18V
 9   VoPlena
2A
Carga
 18V
Rcmáx   Condición sin carga 
 VdcMínima Carga  ET máx  26V
R% 
26V  18V
100  25 %
26V
34
UNQ
Electrónica Analógica I
Circuito de ensayo
UNQ
Electrónica Analógica I
Evaluación del ripple
El factor de ripple “r” es la relación entre el valor eficaz de las componentes de alterna y el valor
de continua en la carga, ya sea de tensión o de corriente:
r
Como pedíamos un ripple del 5%:
Ief CA
I dc

Eef ca
Edc
 Eefca  r  Edc  0,05 18 V  0,9 V
Introduciendo un pequeño error, podríamos admitir que el ripple es una onda triangular y que cumple:
^
Eef ca 
^
Eripp
3
 Eripp  3 Eef ca  1, 73  0,9 V  1,56 V
UNQ
Electrónica Analógica I
Tensión en la carga
UNQ
Electrónica Analógica I
Corriente en los diodos
UNQ
Electrónica Analógica I
Trabajo dentro de la evaluación del curso
Diseñar una fuente no regulada, a capacitor de entrada, cuyos datos son:
•
•
•
•
Vdc : tensión continua de salida= 240V
Idc : corriente continua en la carga = 0,4A
r% : ripple o zumbido máximo permitido 5%
R% : regulación por variación de la corriente de carga  25%
DETERMINAR:
 El capacitor de filtro (capacidad, tensión nominal de trabajo Vdc, Tolerancia %, corriente eficaz a
través del capacitor)
 Diodos rectificadores (corriente nominal que circula a través del rectificador IFAV, corriente pico
repetitiva IFRM, corriente pico inicial o de encendido IFSM, tensión de pico inversa VRRM)
 Realizar la simulación con SPICE
 Fecha de entrega 24 de abril de 2015
39
UNQ

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