Para Fuentes de Alimentación monopolares de Laboratorio con amplio margen de regulación

 Autor: Ramón Huertas González

1.DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO

Este circuito está particularmente pensado para ser utilizado combinado con el regulador serie que habitualmente hay en todas las fuentes de alimenta­ción de laboratorio de tipo monopolares, y que suele tener un amplio margen de regulación de la tensión de salida. No obstante, no es ésta la única aplicación que se le puede dar al circuito, como luego veremos.

Últimamente estamos acostumbrados a ver mul­titud de circuitos de regu­lación que utilizan la técni­ca de conmutación para conseguir una alta eficien­cia energética y un tama­ño pequeño en relación a la potencia entregada. Po­demos decir que gracias a la moderna tecnología, ya, la práctica totalidad de las fuentes de alimentación in­cluidas en televisores, mo­nitores, vídeos, ordena­dores, amplificadores de audio de elevada potencia para automóvil, etc…, trabajan en conmutación, lo que nos indica las exce­lencias de esta técnica.

En general, las fuentes de alimentación conmuta­das son pequeñas, disipan poco  calor  y  tienen   un elevado rendimiento. Sin embargo, también tienen algunas des­ventajas como son una mayor compleji­dad, una regulación con la carga más lenta que en las convencionales y un mayor rizado de salida.

Al utilizar en una fuente de alimenta­ción de laboratorio clásica un circuito pre-regulador conmutado de la tensión de entrada al regulador lineal, le esta­mos añadiendo la característica de un más alto rendimiento mientras mantene­mos el resto de ventajas de los regula­dores clásicos.

Este pre-regulador utiliza un tiristor de tipo SCR (rectificador controlado de silicio, comúnmente conocido con el nombre genérico de «tiristor»), y pode­mos decir que se trata de una tecnología «vieja» en relación a las modernas fuentes conmutadas, pero muy usada en la industria desde hace tiempo en apli­caciones de potencia como la regulación de motores.

En la Figura 1 tenemos el diagrama de bloques de una fuente de alimentación variable clásica. La tensión que tiene el regulador serie en su entrada sólo varía en función de la corriente que se esté entregando en la salida, y que estará comprendida entre el valor de pico de la alterna de entrada (tensión eficaz de salida del transformador Veff x 1.414) cuando la corriente de salida sea mínima, y aproximadamente del mismo valor que la tensión eficaz del transfor­mador cuando la corriente de salida se aproxime a la corriente nominal del transforma­dor. La potencia que tie­ne que disipar en forma de calor el transistor de paso del regulador serie será, en vatios, el pro­ducto de la diferencia de tensión entre el colector y el emisor multiplicado por la corriente de paso. La máxima disipación se dará pues, a mínima ten­sión de salida y máxima corriente, y es cuando se tiene el peor rendimiento energético.

En la Figura 2 tene­mos el diagrama de blo­ques de una fuente de alimentación variable con­mutada. En este caso el transistor de paso está representado por un inte­rruptor, aun cuando pre­senta una pequeña caída de tensión al paso de la corriente (ten­sión de saturación colector – emisor, UCEsat); su potencia disipada se limita al producto de esa pequeña caída multi­plicada por la corriente media de paso, por lo que se obtiene un elevado rendi­miento energético. Su funcionamiento se basa en «trocear» la tensión continua presente en el condensador de filtro asociado al rectificador y aplicarla a un filtro LC que se encarga de transformar el tren de pulsos que le aplica el tran­sistor conmutador en una tensión conti­nua. La variación del ciclo de trabajo de este tren de pulsos posibilita la variación de la tensión de salida. Habitualmente funcionan a una frecuencia elevada, con lo que se consigue que los componen­tes del filtro de salida (condensadores y bobinas) puedan ser de pequeño tama­ño. Desde la salida se toma una mues­tra de la tensión que realimentada sirve para la regulación de la tensión ante va­riaciones de la carga; esta realimenta­ción no está representada en el diagra­ma de bloques.

En la Figura 3 tenemos el diagrama de bloques propuesto para dotar a una fuente variable clásica de un pre-regulador. Este pre-regulador se encargará de aplicar a la entrada del regulador serie una tensión que estará en todo momen­to sólo unos pocos voltios por encima de la tensión de salida. Para que el pre-regulador ajuste automáticamente la ten­sión que entrega, en función de la que entrega a la salida el regulador serie, es necesario tomar una muestra de la sali­da y realimentaria hacia el pre-regulador, además de otra realimentación, no representada en el diagrama, para que el pre-regulador regule su tensión de salida ante variaciones de la carga. La disipación de calor en el transistor del regulador ya no dependerá de la tensión de salida y de la corriente entregada; al mantenerse constante la tensión que soporta entre colector y emisor, la potencia disipada sólo es función de la intensidad de paso, con lo que el fun­cionamiento en todo el margen de regu­lación se asemeja al funcionamiento de una fuente clásica con la tensión al máximo, la situación de más rendimien­to. El rendimiento energético será menor que en una fuente conmutada, pero mucho mayor que en una clásica, lo que nos da la posibilidad de utilizar radiadores pequeños en fuentes va­riables de amplio margen y relativamen­te potentes.

Pasamos a lo que es el pre-regula­dor en sí. Para entender mejor el funcionamiento nos ayu­damos del diagrama de bloques de la Figura 4. En él, el pre-regulador es la zona enmarcada por la línea de puntos. El componente bási­co del montaje es el elemento conmuta­dor, el tiristor SCR, y todo el resto del montaje está destinado a variar el momento en que se le envían los pulsos de disparo que lo ponen en conducción. Debido a las características de los tiris-tores, que alimentados con corriente continua ciertamente necesitan de una circuitería compleja para llevarles al corte, no es posible intercalar este cir­cuito en una línea de corriente continua, y es imprescindible que se le alimente con la corriente pulsatoria procedente del puente rectificador antes de que lle­gue al condensador de filtro. Así, cada vez que la tensión rectificada llega a cero, el tiristor queda automáticamen­te bloqueado y es necesario aplicarle un pulso a su puerta para ponerlo nueva­mente en conducción.

Para conseguir la regulación de ten­sión es necesario que el tiristor no envíe todo el semiciclo sobre el condensador de filtro, sino que es necesario controlar el momento en que inicia su conducción para situarlo a lo largo de la rampa de bajada de cada semiciclo rectificado. De esta manera conseguimos controlar el valor del pico máximo de tensión que llega al condensador de filtro y, por tanto, la tensión que alcanza éste en su carga. Gracias a que la forma de onda tiene la rampa de bajada bastante lineal y es lenta en su caída nos evitamos el tener que usar una bobina en serie con el cátodo del tiristor que aumentase el tiempo necesario para la carga del con­densador de filtro, tal y como ocurre en las fuentes conmutadas, y que, dada la baja frecuencia de funcionamiento, ten­dría unas dimensiones considerables. Para regular la fase de encendido del tiristor utilizamos un generador de diente de sierra de 100 Hz, sincronizado con la alterna de entrada al puente rectificador, a la que sumamos una tensión continua variable (la tensión de control) y que aplicado a un circuito disparador permite controlar la fase de disparo. Ahora bien, este disparador es un comparador al que se le realimenta, convenientemente filtrada, la tensión presente en el con­densador de filtro de la fuente, que si tiende a aumentar provoca un aumento en el umbral del comparador y retrasa automáticamente la fase de disparo del tiristor, con lo que la tensión de salida disminuye y queda controlada; es, por tanto, una realimentación negativa. Con­trariamente, si la tensión tiende a bajar, el umbral del comparador disminuye, obteniendo el efecto contrario y quedan­do nuevamente la tensión bajo control.

Pasamos al circuito real, cuyo esque­ma tenemos en la Figura 5.

Comenzamos por la «fuente de ali­mentación» del circuito. La tensión recti­ficada por el puente no es continua y no puede alimentar a los circuitos de con­trol; para convertirla en continua la apli­camos al diodo D4 y éste carga el con­densador C4, en cuyos extremos ya tenemos tensión continua con algún rizado pero que vale para alimentar a los circuitos. Esta tensión se aplica al circuito formado por el transistor T3, la resistencia R13 y el diodo zéner DZ1, y que funcionan como limitador de tensión (requerido por los límites de la tensión de alimentación de IC1, 32 voltios) que dejará pasar la tensión de C4 casi sin caída cuando ésta sea menor de 30 vol­tios y que quedará limitada a unos 30 voltios para tensiones en C4 superiores. La tensión de salida, en el emisor de T3 queda de nuevo filtrada por C8 y se aplica a los circuitos que alimenta. En adelante, llamaremos al emisor de T3 como el positivo de alimentación. Para tensiones menores de 30 voltios de alterna, el transistor T3 no necesita nin­gún radiador, pero a partir de los 30 y hasta los 50 voltios eficaces de máximo que soporta el circuito, necesitamos colocarle un pequeño radiador en «U» de unos 5 ó 6 cm² de superficie, para el que hay espacio habilitado en el circuito impreso. Hay que decir que para ten­siones de más de 40 voltios de alter­na, la tensión soportada por C4 puede sobrepasar los 63 voltios especificados por su valor, por lo que es necesario colocar uno que soporte al menos una tensión de 80 voltios, pudiendo ser de una capacidad menor, de entre 100|jF y los 220|jF originales.

Veamos ahora el generador de dien­te de sierra sincronizado con la alterna. La tensión alterna de entrada queda aplicada a los terminales marcados como AC1 y AC2 de la placa. Esta ten­sión alterna, debido a que los diodos del puente rectificador que rectifican las semiondas negativas puentean a masa los semiciclos negativos, aparece en realidad como tensión pulsatoria positiva respecto a masa. La suma de estas 2 tensiones pulsatorias la efectúan las resistencias R1, R2, R3 y R4 junto con los condensadores C1, C2 y C3. Así tendríamos en los extremos de la resis­tencia de carga de este circuito, R5, una tensión con la apariencia de una alterna rectificada a onda completa, aunque con la presencia de D1 y D2 ésta queda recortada a valores de alrededor de 1.4 Vpp. Para valores de la alterna de entrada comprendidos entre 6 y 50 vol­tios eficaces, el conjunto de estos com­ponentes consiguen en los extremos de R5 una tensión que se compone de una continua con unos estrechos picos nega­tivos superpuestos, y que coinciden con los cruces por cero de la tensión alterna de entrada. Esta tensión queda aplicada a la entrada inversora del amplificador operacional IC1B, mientras que a la entrada no inversora le aplicamos una tensión continua de unos 0.7 voltios generados por R19 y D5 a partir del positivo de alimentación, aprovechando la tensión umbral del diodo. El operacio­nal trabaja como comparador sin histéresis, y presentará en su salida estrechos pulsos de tensión positiva coincidentes con los instantes en que la tensión de la entrada inversora cae por debajo de la continua aplicada a la entrada no inver­sora. Estos pulsos de salida quedan aplicados a la base del transistor T4 a través del circuito diferenciador formado por C9 y R15, con lo que la conducción de T4 queda reducida a pulsos muy estrechos que se encargan de descargar cíclicamente, cada 10 ms en sincronía con el cruce por cero de la alterna, el condensador C6 a través del cortocircui­to que provoca T4 entre sus terminales. Esta forma de atacar la base de T4 permite el funcionamiento de éste en modo flotante, sin que importe demasia­do el nivel de tensión continua que pre­sente en sus terminales respecto a masa. El condensador C6 está alimenta­do por una corriente constante desde el positivo de alimentación suministrada por el generador de corriente constante formado por T5, T6, R17 y R18; esta corriente tiene un valor de unos 300 pA que se calcula aproximadamente según la fórmula 0.65/R17, y se mantiene bas­tante estable incluso para tensiones entre emisor de T6 y colector de T5 tan bajas como 2 ó 3 voltios. La combina­ción de la corriente contante y la des­carga cíclica generan entre los extremos de C6 una señal de diente de sierra de rampa lineal y unos 0.65 Vpp que puede flotar superpuesta a una tensión continua de valores comprendidos entre O y algo más de 25 voltios; esto, claro está, cuando el circuito se alimente a una tensión tal que en el positivo de ali­mentación haya una tensión cercana a los 30 voltios.

La tensión continua sobre la que va a flotar la señal de diente de sierra no es otra que la tensión continua de con­trol que hemos de sumarle. Siendo el valor de la tensión sobre la que puede flotar el diente de sierra de unos 25 vol­tios como máximo, y previendo que el circuito se utilice con fuentes de alimen­tación de hasta 50 voltios de salida, hemos de atenuar esta tensión antes de sumarla al diente de sierra. El circuito que hace esto es el divisor de tensión formado por R14 y R16, que dados los valores que entran en juego, toman valores iguales para dividir la tensión por 2. El valor de estas resistencias ha de ser relativamente bajo para que la corriente de 300 pA procedente del generador de diente de sierra, en su camino hacia masa, no provoque sobre R14 un error grande. El valor elegido de 1K5 provoca un bajo error a la vez que permite el uso de resistencias de 0.5W hasta tensiones de 50 voltios (disipación de unos 420 mW por cada una). Para conseguir una tensión de salida por encima de la tensión de control y ajustable entre ciertos márgenes es necesa­rio sumar además otra tensión continua ajustable; para conseguirlo sin complicar el circuito aprovechamos la corriente de 300 jjA en su camino hacia masa, que circulando a través de una resistencia (variable, para permitir el ajuste) genera en los extremos de ésta una tensión que queda superpuesta a la de control. El valor de esta tensión no puede ser muy alto, de unos 3 voltios como máxi­mo para el valor de 10K de RV1, que dejará al generador de corriente cons­tante al borde del funcionamiento por excesiva baja tensión para su propio funcionamiento. Si es necesario, para garantizar un mejor funcionamiento en estos extremos de tensión se puede probar a aumentar el valor de R16 a 1K8 y el de R11 a 12K, aunque es pro­bable que no sea necesario dado que para estas tensiones de salida el tiristor esté ya conduciendo al máximo. Volvien­do al ajuste del valor de la diferencia entre la tensión de salida del pre-regulador y del regulador de la fuente, con el valor de 10K de RV1 se consigue una diferencia de un mínimo de unos 2 vol­tios para RV1=0, y un máximo de unos 8 voltios para RV1=10K; estos valores serán suficientes para el funcionamiento correcto de la mayoría de los regula­dores, especialmente los integrados. Hay aún un componente no comentado en este circuito, el condensador C7 que se encarga, filtrando, de evitar que los pul­sos de conducción de T4, así como algún posible ruido que acompañe a la tensión de control provoque inestabilida­des.

Una vez que tenemos convenien­temente sumadas estas señales, cuyo resultado está presente en el colector de T4, lo aplicamos a la entrada no inver­sora del amplificador operacional IC1A, que trabaja, al igual que el IC1B, como comparador sin histéresis. Por otro lado aplicamos a la entrada inversora de éste una tensión que viene realimentada desde la salida del pre-regulador y a la que aplicamos la misma división por 2 que antes aplicamos a la tensión de control, mediante el divisor formado por R11 y R12, y que no tienen por qué ser de tan bajo valor como las del divisor de la tensión de control; además, filtra­mos adecuadamente esta tensión mediante C5 para que el comparador trabaje con niveles de continua y el riza­do de la tensión en la salida del pre-regulador no provoque inestabilidades en el disparo del tiristor. El valor de este condensador tiene una relativa importan­cia como ya veremos en el apartado de ajuste. El comparador coloca un nivel alto en su salida cuando la tensión de la rampa del diente de sierra aplicada a su entrada no inversora sobrepasa el nivel de la continua aplicada a su entrada inversora, y vuelve a cero cuando la tensión de la rampa decrece bruscamen­te en el momento del cruce por cero de la alterna. Para una carga dada y un nivel estable en la tensión de salida del pre-regulador, la tensión aplicada a la entrada inversora será estable; dado que el diente de sierra está sincronizado con la alterna, esto significa que apare­cerá un nivel alto en la salida del com­parador coincidiendo siempre con el mismo instante de cada semiciclo de la alterna. Suponiendo que estos pulsos presentes en la salida del comparador fuesen aplicados a la puerta de tiristor, sin pasar previamente por el amplifica­dor formado en torno a T2 y T1 (que ahora comentaremos), significa que éste será disparado siempre en el mismo ins­tante del semiciclo de la alterna, por lo que la tensión presente en el condensa­dor de filtro se mantendrá estable. Si una variación de la carga provoca una disminución de la tensión en el conden­sador de filtro, esta variación se verá reflejada en la entrada inversora, lo que provocará una disminución en el umbral de actuación del comparador aparecien­do el pulso de disparo antes y, por tanto, la tensión en el condensador aumentará, corrigiéndose la variación. Si la variación provocada por la carga es al alza en la tensión del condensador el umbral del comparador aumenta y el pulso de disparo se retrasa, bajando la tensión y corrigiéndose la variación. Si en cualquier instante la tensión de con­trol aumenta, la señal de diente de sie­rra aplicada a la entrada no inversora ve aumentar la tensión sobre la que flota, provocando un adelanto en el disparo del tiristor, con lo que sube la tensión en el condensador de filtro; esto, a su vez, provoca un aumento en el umbral de disparo del comparador consiguién­dose de nuevo el equilibrio a un nivel de tensión de salida superior. Por con­tra, si la tensión de control disminuye se provoca un retraso en el disparo del tiristor, lo que hace que la tensión de salida baje y que, a su vez, baje el um­bral de disparo del comparador, obte­niéndose de nuevo un equilibrio a un nivel de tensión de salida menor.

Para disparar el tiristor en los ins­tantes adecuados es necesario enviar a su puerta los pul­sos presentes en la salida de IC1A, pe­ro antes hay que acondicionarlos en los niveles de tensión y corriente necesarios para que el disparo sea efectivo en cualquier condi­ción de funcionamiento dentro de los márgenes de actuación del circuito. De esto se encarga el amplificador formado por T1, T2, R6, R7, R8, R9 y R10. La señal de salida de IC1A se aplica a la base de T2 (un transistor con una VCE-max de 80V para condiciones de VBE=OV, capaz de soportar la tensión de pico de la salida del puente rectifica­dor incluso para 50 voltios de alterna en la entrada) a través del divisor de tensión formado por R9 y R10; los valores de estas resistencias garantizan una suficiente excitación de la base de T2 para tensiones de salida de IC1A tan bajas como 5 voltios, así como que en condiciones de máxima tensión de ali­mentación, la corriente de base de T2 no tome valores excesivos. El colector de éste recibe polarización desde la ten­sión pulsatoria de salida del puente; la corriente de colector, al circular por el divisor formado por R6 y R8 provoca una caída de tensión suficiente entre base y emisor de T1 como para poner­lo en saturación. El valor de R6 y R8 garantiza suficiente polarización de base a T1 para tensiones de entrada en alter­na tan bajas como 6 voltios, al tiempo que limita la corriente de base de T1 y la de colector de T2 a valores razona­bles con valores de la tensión alterna de entrada de hasta 50 voltios. Para el peor caso, que es el de máxima tensión de entrada y conducción de los 180° por semiciclo del tiristor, la disipación de potencia de R8 se acerca a 400 mW, por lo que el tamaño de ésta ha de ser al menos de 0.5W para garantizar su buen funcionamiento bajo cualquier con­dición.

La última parte de este amplificador, formada por T1 y R7, es la que se encarga de atacar la puerta del tiristor con pulsos de intensidad suficiente para lograr el cebado del tiristor. El hecho de que el emisor de T1 tome alimentación del ánodo del tiristor resulta muy benefi­cioso, ya que mientras el tiristor no con­duce disponemos de tensión entre sus extremos y permite el funcionamiento de T1; pero en el momento que éste envía corriente a la puerta del tiristor y éste se dispara, la tensión entre sus terminales queda reducida a aproximadamente 1 voltio, lo que hace que la corriente que circula a través de R7 hacia la puerta se vea reducida drásticamente. Esto aporta 2 ventajas: por una parte reducir la intensidad de puerta a valores pe­queños una vez puesto en conducción el tiristor, con lo que se evita la inútil disipación de potencia en la región de puerta del tiristor, en especial para valo­res elevados de tensión de entrada; y por otra, que el valor de la potencia disi­pada por T1 y, sobre todo, por R7 sea muy bajo al trabajar con estrechos pul­sos de corriente, pudiéndose utilizar una resistencia de 0.25W. Queda por comen­tar la función del diodo D3, que se encarga de proteger la puerta del tiristor contra picos de tensión inversa que pue­dan proceder de la carga, si ésta fuese de alguna manera inductiva.

 

2. APLICACIONES Y UTILIDADES

Evidentemente, la principal utilidad de este circuito es la de complementar a un circuito regulador clásico serie, pero puede ser muy útil en otras aplica­ciones. Apuntamos algunas:

• En la propia aplicación para la que ha sido pensado, el circuito permite ade­más de una drástica reducción del tama­ño de los radiadores de calor, la utiliza­ción en el diseño de una fuente de tensión de salida fija (o variable entre ciertos márgenes) de un transformador de relativa elevada tensión de salida con respecto a la de salida del regulador clásico serie, sin miedo a los excesivos calentamientos, y obtendremos la garan­tía de una tensión de salida correcta aun si la tensión de la RED presenta fluctuaciones importantes a la baja de su valor. Tendría pues, mucha utilidad en zonas con fuerte inestabilidad de la tensión de RED.

• En aplicaciones en las que se necesite una tensión de salida relativa­mente estable para cargas variables pero que no tenga mucha importancia el rizado de la tensión de salida, podemos realizar un sencillo circuito estabilizador con un diodo zéner y una resistencia limitadora (alimentado desde la tensión presente en C4 o de un circuito auxi­liar), a cuya salida obtendremos una tensión estable que enviaremos a la entrada de tensión de control del circui­to. De esta forma, el pre-regulador nos entregará una tensión de salida bastan­te estable, aunque con rizado. Si la ten­sión de salida la necesitamos variable, podemos añadir un potenciómetro, de un valor óhmico relativamente bajo, en paralelo al zéner, de cuya salida toma­remos la tensión de control. El valor del zéner y de la resistencia limitadora, así como del potenciómetro si es el caso, estarán en función de las tensiones en juego. Es necesario señalar que es imprescindible colocar un condensa­dor de filtro en la salida, y aconsejable que sea de un valor relativamente elevado de capacidad, de al menos 3300 uF para valores relativamente pequeños de la intensidad de salida, y lógicamen­te de mayor capacidad a medida que la corriente de salida vaya aumentando; se puede tomar el criterio de que el con­densador tenga al menos 2000 uF por cada amperio de salida y nunca menos de los susodichos 3300 uF. Sería ade­más muy conveniente dotar al circuito de una protección contra cortocircuitos y sobreintensidades de salida como podría ser el colocarle un fusible en serie con uno de los cables de salida, después del condensador de filtro, ya que el cir­cuito carece de cualquier protección en este sentido.

• Otra aplicación que puede resultar muy atractiva es la de utilizar el pre-regulador como cargador de baterías de automóvil, utilizando el sistema que aca­bamos de describir. Se puede incluso, utilizando un transformador de unos 30 ó 35 V, implementar un sistema a base de distintos diodos zéner y un conmuta­dor que seleccione la tensión de control para conseguir fácilmente unas tensio­nes de salida de 7, 14 ó 28 V, para car­gar baterías de 6, 12 ó 24 V respectiva­mente. Como ya hemos apuntado es necesario dotar al circuito del adecuado condensador de filtro, y además de una protección contra sobreintensidades; en este caso es muy adecuado el colocar como protección una resistencia de entre 0.2 y 0.5 ohmios y algunos vatios en serie con uno de los hilos de salida del circuito, después del condensador de filtro.

El pre-regulador tendrá muchas más aplicaciones en nada que le echemos un poco de imaginación, y dependiendo de las necesidades de cada cual. Como ya hemos señalado de pasada, en cual­quier aplicación donde lo usemos, hemos de dotarle de algún tipo de pro­tección ante sobreintensidades de salida y cortocircuitos. Cuando lo usemos para lo que ha sido diseñado, complementar a un regulador clásico serie, esta misión de protección queda encomendada a éste último, por lo que habría sido redundante colocar también un protector al pre-regulador, que complicaría y enca­recería el circuito de forma innecesaria. Habremos de colocarle además, en cualquier aplicación donde funcione sin la presencia de un regulador clásico, un condensador de filtro a la salida, como ya se ha dicho. Si necesitamos colocar un LED indicador de funcionamiento será conveniente alimentarlo (a través de la adecuada resistencia limitadora) desde la tensión presente en C4, o bien con ayuda de un circuito auxiliar similar al empleado para cargar a C4, tal y como se ha apuntado para alimentar el circuito con diodo zéner indicado en una de las aplicaciones.

Aunque puede resultar muy ventajo­so la utilización del pre-regulador en una fuente ya construida o en el diseño de una nueva, hay aplicaciones donde su empleo no es del todo recomendable, así como que también tiene algún pequeño inconveniente:

• No es recomendable el uso del pre-regulador cuando necesitemos que la fuente dé una tensión de salida abso­lutamente estable bajo cualquier condi­ción de variación de la tensión de entra­da, interferencias en la RED, fuertes variaciones de la carga conectada a la salida, petición a la fuente de rápidas variaciones al alza de la tensión de sali­da, etc. En estos casos, debido a la remota posibilidad de algún ligero fallo en la activación del tiristor para las pri­meras causas citadas, y a la relativa­mente lenta respuesta del circuito dada su baja frecuencia de trabajo para las últimas, la tensión de salida puede resultar que presente alguna bajada momentánea, más o menos grande, de tensión, y/o algún rizado; este efecto se minimiza en parte si se ajusta la salida del pre-regulador a una relativamente alta tensión con respecto a la de salida del regulador clásico conectado a su salida, pero empeora el rendimiento del conjunto.

• Si alimentamos el transformador de la fuente desde un convertidor estático que entregue a su salida una onda cua­drada, el pre-regulador queda por com­pleto anulado. Esto se debe a que la onda de tensión tiene unos flancos tan rápidos, que la tensión rectificada a la salida del puente es prácticamente con­tinua; el tiempo en que la tensión de entrada al tiristor llega y permanece en los alrededores de cero es tan pequeño que el tiristor no tiene tiempo de dejar de conducir por lo que una vez activado permanece en este estado hasta que desconectemos la fuente. Es como si hiciésemos un puente entre ánodo y cátodo del tiristor; la tensión de salida del pre-regulador será la máxima posi­ble. Podremos usar en estas condicio­nes la fuente, pero sabiendo que el regulador serie puede calentarse mucho en estas circunstancias, aun­que conociendo esta limitación, podrá usarse en algunos casos.

• Si alimentamos el transformador de la fuente desde un convertidor estático que entregue en su salida una onda parecida a la cuadrada que presente unas zonas sin tensión entre el semici­clo positivo y el negativo, la anterior limitación queda superada, pero como ya se dijo en la descripción del circuito, éste basa su acción reguladora en la lentitud de caída que tiene el flanco de bajada la onda senoidal de la RED; como ahora la onda tiene un flanco de bajada rapidísimo, el pre-regulador no podrá controlar con precisión el instante en que conduce el tiristor y como con­secuencia entregará en su salida una tensión de gran inestabilidad.

• El pre-regulador sólo sirve para uti­lizarlo con reguladores que regulen a tra­vés de la rama positiva. Esto es debido a que se utiliza como masa en el pre-regulador el negativo de salida del puen­te rectificador, y es con respecto a esta masa donde va referida la tensión de control que se toma de la salida del re­gulador clásico. Por tanto, la salida del re­gulador tendrá que ser obligatoriamente regulada por positivo y que su masa in­terna sea el negativo del puente de diodos.

• El transformador se vuelve más ruidoso, debido a que los picos de corriente que suministra en los instantes de conmutación del SCR provocan fuer­tes vibraciones dentro del núcleo mag­nético del transformador.

• Para el caso de querer aprovechar al máximo la tensión alterna del trans­formador, hemos de tener en cuenta que la tensión máxima de salida del pre-regulador es, debido a la caída introdu­cida por el tiristor, en torno a 1 voltio más baja que la que se obtendría con una rectificación clásica compuesta del puente rectificador más el condensador de filtro.

 

3. CARACTERISTICAS TECNICAS

El pre-regulador presenta las si­guientes características técnicas:

• Tensión alterna de entrada proce­dente del transformador comprendida entre 6 y 50 voltios RMS, un amplio mar­gen. El circuito deja de tener sentido para tensiones tan bajas como 6V, y se com­plicaría para tensiones mayores de 50V.

• Con el tipo de radiador previsto para el SCR, de 6.6° C/W, la intensidad máxima de salida está en torno a los 7 u 8 amperios, pero si le aplicamos un radiador de mayor tamaño, con menor resistencia térmica, la intensidad máxima podría ser, en teoría, los 12 amperios que anuncian las características del C126D como máxima intensidad RMS de paso.

• Carece de limitador de intensidad máxima y de protección contra cortocir­cuitos, cuya misión queda encomendada al regulador conectado a su salida.

• Los niveles de tensión continua aceptados por el circuito en la entrada de tensión de control están comprendi­dos entre los OV y los 50V. La intensi­dad máxima absorbida por esta entrada está en torno a los 16 mA (se calcula según: lentrada = Vcontrol / (R14+R16)).

• La tensión de salida del circuito puede ajustarse entre 2V y 8V por enci­ma del nivel de la tensión de control.

 

4. MONTAJE Y AJUSTES

Todos los componentes del pre-regu­lador van montados en la placa de cir­cuito impreso representado en la Figura 6, con la disposición que representa la serigrafía que nos muestra la Figura 7.

Primero montaremos las resistencias, seguidas de los diodos a los que pres­taremos atención en la polaridad con que los montamos. Continuaremos con los condensadores, a los que en los electrolíticos también prestaremos aten­ción en la polaridad con que los mon­tamos. Por último montaremos los com­ponentes activos, empezando por el integrado IC1, seguido de los transisto­res, incluido el radiador para T3 si es necesario; y, por último, el tiristor SCR montado en su radiador.

Tanto el puente rectificador como el condensador de filtro no van alojados en la placa dado que se supone que el cir­cuito complementa a una fuente ya construida que posee ambos elementos. Si la fuente va a ser de nueva cons­trucción habremos de dimensionar estos componentes para la intensidad de sali­da deseada, así como el transformador, que debería tener una intensidad nomi­nal de salida de al menos el valor de la intensidad de salida en continua deseada.

Dado que el pre-regulador puede usarse con transformadores de tensio­nes de salida comprendidas en un amplio margen, y de potencias e impedancias internas muy dispares, hay oca­siones en que el generador de diente de sierra no se sincroniza bien y el pre-regulador se vuelve algo inestable, especialmente usando transformadores potentes, de tensión relativamente alta mientras en la salida del pre-regulador obtenemos tensiones bajas e intensida­des relativamente fuertes. Este efecto puede solucionarse si aumentamos el valor de la capacidad del condensador C5, pero en tal caso el circuito se vuel­ve más lento en sus reacciones ante las variaciones de las condiciones de traba­jo. El valor anunciado de 22 uF consi­gue una buena estabilidad para la mayoría de los casos, mientras la rapi­dez de acción se mantiene en valores aceptables. Otra solución puede ser el colocar una resistencia de bajo valor óhmico y algunos vatios en serie con uno de los hilos de entrada de alterna al circuito, pero el rendimiento del conjunto empeora un poco.

En cuanto al ajuste, una vez que te­nemos el circuito conectado entre el puente rectificador y el condensador de filtro, así como conectada a su entrada de tensión de control la salida del regu­lador serie, procedemos a determinar la tensión idónea que ha de enviar el cir­cuito hacia el regulador para obtener un buen funcionamiento. Lo mejor para esto es utilizar un osciloscopio y verificar en la pantalla que no haya rizado a la salida del regulador, pero como no todo el mun­do dispone dé este caro instrumento des­pués veremos como verificar fácilmente la existencia o no de rizado en la salida.

Ajustamos la resistencia variable RV1 de la placa del pre-regulador sobre la mitad de su recorrido y conectamos a la salida del regulador clásico una carga (una resistencia de potencia, una lámpa­ra de baja tensión, etc.) que absorba una intensidad que sea la máxima que tenga que suministrar la fuente; la ten­sión de salida a la que se realice el ajuste no tiene mucha importancia, por lo que podremos, con el mando de variar la tensión de salida del regulador, ajustar la tensión enviada a la carga y conseguir así la intensidad máxima del regulador. Conectamos el conjunto y, con la máxima intensidad de salida, veri­ficamos en la pantalla del osciloscopio la tensión que llega a la carga. Actuamos sobre RV1 en uno u otro sentido hasta encontrar el punto en que deja de haber rizado en la salida y reajustamos un poco la RV1 en sentido horario para evi­tar que el conjunto trabaje al borde del mal funcionamiento. En este momento, la tensión de entrada al regulador esta­rá, para muchos modelos de regula­dores, entre 3.5 y 5 voltios por encima de la tensión en la carga. Es conve­niente comprobar que el circuito funcio­na bien en todo el margen de tensión de la fuente por si hay que proceder a un reajuste que garantice un buen fun­cionamiento, así tendremos el circuito listo para funcionar.

Si no disponemos de osciloscopio ajustaremos el circuito con ayuda de un pequeño altavoz y de un condensador electrolítico de, por ejemplo, 100 ó 200 uF y 63 voltios. La idea es que como la ten­sión que presenta rizado se compone de la suma de la tensión continua más una alterna de 100 Hz superpuesta, pode­mos aplicar esta alterna a través de un condensador que bloquee la continua a un altavoz y allí se oirá. La conexión de estos elementos se efectúa como sigue: el positivo del condensador se conecta al positivo de la tensión en la carga, el negativo del condensador se conecta al terminal positivo del altavoz, y el termi­nal negativo del altavoz se conecta al negativo de la tensión en la carga, o sea, a masa, con lo que queda cerrado el circuito. Ahora haremos exactamente lo mismo que para el ajuste con osci­loscopio, pero ahora verificaremos la existencia del rizado por el zumbido que salga del altavoz en lugar de en la pan­talla. Obviamente, la amplitud del rizado determinará la intensidad del zumbido.

 

5. NOTA DE APLICACIÓN

Como complemento a este diseño se incluye el diseño de un regulador serie clásico muy fácil de construir, realizado en torno al circuito integrado LM317T.

En la Figura 8 tenemos el esquema de este regulador. Con los componentes indicados, el regulador suministra una tensión de salida variable entre 1.2V y unos 34V, con una intensidad máxima de salida de 1.5 amperios. En este esquema se indica también la forma de interconectar los circuitos. Necesita un transformador de alimentación de 36V y 2 amperios.

Para la realización de este regulador se puede utilizar el diseño de la placa de circuito impreso con su serigrafía mostrada en la Figura 9, donde hay habilitado un espacio para poder colocar un radiador en «U» de unos 50 cm², adosado al LM317T.

Nada más, espero que este circuito pre-regulador sea de utilidad a mucha gente; en mi experiencia en el mundo de la electrónica no he tenido la oportu­nidad de encontrarme con ningún circui­to que realice una función similar, por lo que le auguro al menos el interés por parte de los lectores.