Especificaciones de las fuentes de alimentación

Las especificaciones básicas que hay que tener en cuenta al seleccionar una fuente de alimentación son las relativas a su entrada y a su salida (tabla 2.1). La figura 2.11 es un esbozo del panel frontal de una fuente de alimentación lineal de banco de laboratorio, doble y simétrica. Las dos tensiones de salida se toman respecto al borne común (central), que es independiente del borne de toma de tierra.

Tabla 2.1 Especificaciones básicas de una fuente de alimentación (Promax FAC-662)

Campo de tensiones de entrada -0,1Vred a +0,1 Vred Vred: 220 V a 240 V, (50 a 60) Hz

Potencia de entrada 145 W

Vn,In 0 V a 30 V, 1 A Valores nominales

Efecto de la fuente d 1 mV Para una variación de ±0,1Vred

Resistencia interna, Ro 6 m: a 1 kHz

10 m: a 10 kHz

Efecto de la carga d 1,5 mV Al pasar de vacío a plena carga Ruido y zumbido d 500 μV Valor eficaz

Figura 2.11 Controles e indicadores básicos de una fuente de alimentación de laboratorio simé-

trica.

Para la entrada de la fuente se especifica el campo de tensiones y frecuencias aceptables, el consumo (potencia) que toma de la fuente de energía eléctrica y el factor de potencia, sobre todo para las fuentes con- mutadas. El condensador conectado a la salida del rectificador permanece casi siempre cargado y sólo se carga un poco más durante el tiempo breve

de cada semiciclo durante el cual la tensión de red es mayor que la tensión del condensador (que inevitablemente se descarga un poco a cada semici- clo, tal como muestra la figura 2.5). En consecuencia, la corriente de en- trada de la fuente dista mucho de ser sinusoidal como la tensión de red y durante un tiempo breve tiene un valor muy alto, sobre todo en las fuentes conmutadas donde viene limitada sólo por la impedancia equivalente de la red eléctrica (que es muy baja, del orden de 0,4 : + j0,25 :: 0,24 : + j0,15: en la fase y 0,16 : + j0,10 : en el neutro) y la impedancia del rectificador (que también es baja). El producto de la tensión y corriente de entrada se denomina potencia aparente,

in in

S V uI (2.13)

y se mide en volt-amperes (VA). La potencia real se define como el valor medio del producto de la tensión y corriente de entrada,

³

y se mide en watts (W). Dado que la corriente es nula durante gran parte del ciclo de red, P < S. El factor de potencia se define como el co- ciente entre la potencia real y la potencia aparente,

P S

O (2.15)

En una fuente conmutada típica, O§ 0,65.

Una fuente de tensión constante tiene especificada la tensión nominal de salida (o su campo de ajuste, en su caso), su incertidumbre y la máxima corriente (regulada) de salida. Por ejemplo, 5 V ± 50 mV, 2 A. Para la corriente nominal de salida en una fuente de corriente se procede de forma análoga. El valor de la tensión (y a veces también la corriente) de salida en un momento dado suelen venir indicadas en el panel frontal de la fuente, aunque a veces con poca resolución. Cuando hay varias fuentes de alimenta- ción en un mismo instrumento conviene que sus respectivos puntos de refe- rencia (0 V) sean independientes (distintos). En cualquier caso, el punto de referencia no está puesto a tierra en la propia fuente, sino que es flotante. En un instrumento formado por distintos subsistemas, cada uno con su propia fuente de alimentación, los respectivos puntos de referencia se conectan a un

único punto, elegido juiciosamente (apartado 2.5), que se conecta normal- mente a la masa del instrumento.

El cambio del valor de la salida (tensión, corriente) cuando la entrada (tensión de red) cambia de su valor nominal a su valor máximo especifica- do, y de su valor nominal a su valor mínimo especificado, se denomina efec- to de la fuente (source effect) y suele expresarse como porcentaje. Antes se

denominaba regulación de línea (line regulation).

El cambio en el valor de la salida (tensión, corriente) estacionaria, de- bido a un cambio lento de la resistencia de carga desde circuito abierto (para fuentes de tensión) o cortocircuito (para fuentes de corriente) hasta la plena carga—valor que produzca la máxima tensión o corriente de salida especificada, respectivamente—, se denomina efecto de la carga (load effect)

y suele darse como porcentaje de la salida. Antes se denominaba regulación de carga (load regulation). Si la salida es una tensión, el efecto de la carga es

scircuito abierto splena carga s plena carga

V V

V

D  (2.16)

También puede darse como una variación de tensión (o corriente) constante, o como una combinación de un porcentaje de la salida y un valor constante.

El efecto de la carga permite calcular la resistencia (interna) de salida

de la fuente Ro. Para una fuente de tensión que da Vn con una corriente no-

minal In (la máxima corriente para la que aún hay regulación, “plena car-

ga”), y un efecto de la carga D, si en el circuito equivalente de la figura 2.12a se excluyen Lo y Co tendremos scircuito abierto n n o n n D  V V V R I I (2.17)

Esta resistencia hace que el tramo horizontal de la característica de la figura 2.7b esté ligeramente inclinado hacia abajo.

Figura 2.12 Circuito equivalente de Thévenin para una fuente de tensión real y dependencia de

su impedancia interna con la frecuencia.

Ejemplo 2.2 Calcular la resistencia interna (de salida) de una fuente de alimentación para la que se

especifica:Vn = 5 V, In = 2 A y un efecto de carga de “0,05 % + 2 mV”.

El porcentaje en el efecto de carga hay que entenderlo como aplicado a la tensión nominal, luego

D   u u  u 4 4 5 10 5 V 2 mV 4,5 mV = 9 10 5 V 5 V Aplicando ahora (2.14),  u u : 4 o 9 10 5 V 2,3 m 2 A R

Laimpedancia de salida describe el mismo fenómeno de variación de

la salida cuando varía la carga, pero sin limitarse a variaciones lentas de la resistencia de carga. Una fuente de tensión ideal tiene una impedancia de salida nula. En la práctica, la impedancia de salida primero crece con la frecuencia debido a Lo y después decrece debido a Co (figura 2.12b). Ro supera fácilmente las décimas de ohm si los bornes de conexión no hacen un buen contacto. Lo hace que un cambio repentino en la corriente de carga reduzca la tensión instantánea de salida en Lou di/dt. Co, que puede ser simplemente el condensador C2 de la figura 2.6, hace que Vs tarde en al- canzar su amplitud final cuando se enciende y se apaga la fuente. Análo- gamente, una fuente de corriente ideal tiene una impedancia de salida infi- nita pero una fuente de corriente real tiene una impedancia de salida que decrece a alta frecuencia.

La presencia de la impedancia interna Zo (= Ro + jZLo) se puede veri- ficar en el laboratorio observando, por ejemplo, la tensión de alimentación

de un circuito que tenga un consumo que cambia rápidamente con el tiempo (e.g., un oscilador de alta frecuencia). Aunque los cables de conexión del circuito a la fuente de tensión sean cortos, para que el circuito tenga poca autoinductancia, la tensión en los bornes de alimentación del circuito no será constante.

Lasdesviaciones periódicas y/o aleatorias (PARD, Periodic and/or Ran- dom Deviations) son desviaciones no deseadas en la magnitud suministrada.

El zumbido y el rizado son desviaciones periódicas, mientras que el ruido y las fluctuaciones son desviaciones aleatorias. Se especifica su valor eficaz y a veces también el valor de pico a pico o el valor de pico, directamente o como porcentaje del valor medio de la salida nominal. El rizado u ondulación (rip- ple) es el conjunto de desviaciones periódicas no deseadas que se produce a

frecuencias que pueden estar relacionadas con aquéllas de la red de alimenta- ción o con alguna otra fuente definida, como un conmutador accionado perió- dicamente. El zumbido (hum) es el conjunto de desviaciones no deseadas de

baja frecuencia y de forma aproximadamente sinusoidal que se producen a frecuencias relacionadas con las de la red de alimentación. El ruido (noise) es

el conjunto de desviaciones no deseadas que ocurre de forma aleatoria y que tienen un espectro de frecuencias amplio. Las fluctuaciones son el conjunto de

desviaciones no periódicas (aleatorias) y no deseadas que tiene una duración relativamente larga. Todas estas desviaciones constituyen la componente al- terna residual superpuesta a la tensión o corriente continua de salida, y se pueden observar con un osciloscopio acoplado en alterna y con su amplifica- dor vertical en una posición de alta sensibilidad.

Eltiempo de calentamiento (warm-up time) es el tiempo que hay que

esperar hasta que la fuente de alimentación se caliente a su temperatura de régimen. Es una consecuencia de la disipación interna de energía, que hace que al poner en marcha la fuente ésta se vaya calentando hasta que se igua- len la potencia generada internamente y la potencia transmitida al entorno, sobre todo por convección térmica.

La deriva térmica o coeficiente de temperatura de la salida es el cambio

en la salida por cada kelvin de variación de la temperatura ambiente, después del tiempo de calentamiento, cuando las demás características de funciona- miento (tensión y frecuencia de entrada, y carga) se mantienen constantes.

La impedancia de aislamiento entre la entrada y la salida es la impe-

dancia que hay entre la red y la tensión regulada. Viene determinada por el transformador y se puede modelar mediante una resistencia (del orden de megaohms) en paralelo con un condensador (de decenas de picofarads), que describe la capacidad entre el primario y el secundario (Cuadro 2.5). Esta impedancia aumenta si se encierra el primario o el secundario dentro de un conductor (formando una caja de Faraday) conectado a tierra.