Circuitos Y Cálculos De Suavización De Condensadores - Conceptos, Valor Y Tensión De Ondulación

En una fuente de alimentación, ya sea una fuente de alimentación lineal o una fuente de alimentación conmutada que utiliza una fuente de alimentación de AC y rectificadores de diodo, la salida rectificada en bruto se suaviza normalmente utilizando un condensador de reserva antes de aplicarla a cualquier regulador u otro circuito electrónico similar.

Los condensadores electrolíticos de aluminio son ideales para actuar como condensadores de suavizado, ya que muchos electrolíticos son capaces de proporcionar una capacitancia suficientemente alta y soportar el nivel de corriente de ondulación necesario para suavizar la forma de onda.

Básicamente, el circuito de suavizado rellena las principales caídas de la forma de onda rectificada en bruto para que el regulador lineal o los circuitos de la fuente de alimentación conmutada puedan funcionar correctamente.

Cambian la forma de onda de ser uno que cambia de cero a la tensión de pico en el transcurso del ciclo de la forma de onda de potencia entrante y lo cambian a uno donde los cambios son mucho menos. Esencialmente, suavizan la forma de onda, y de ahí su nombre.

Como los condensadores de suavización se utilizan tanto en las fuentes de alimentación reguladas lineales como en las fuentes de alimentación conmutadas, forman parte esencial de muchos de estos circuitos electrónicos.

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Conceptos básicos sobre el alisado de condensadores

El alisado de condensadores se utiliza en la mayoría de los tipos de fuentes de alimentación, ya sea una fuente de alimentación regulada lineal, una fuente de alimentación conmutada o incluso una forma de alimentación suavizada y no regulada.

La CC bruta suministrada por un rectificador de diodos por sí sola consistiría en una serie de medias ondas sinusoidales con la tensión que varía entre cero y √2 veces la tensión RMS (ignorando cualquier diodo y otras pérdidas).

Una forma de onda de esta naturaleza no serviría para alimentar circuitos porque cualquier circuito analógico tendría el enorme nivel de ondulación superpuesto a la salida, y cualquier circuito digital no funcionaría porque la energía se eliminaría cada medio ciclo.

El suavizado del condensador permite que las siguientes etapas de la fuente de alimentación regulada lineal, o la fuente de alimentación conmutada, funcionen correctamente.

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Para suavizar la salida del rectificador se utiliza un condensador de reserva, colocado a través de la salida del recitador y en paralelo con la carga.

El suavizado funciona porque el condensador se carga cuando la tensión del rectificador sube por encima de la del condensador y, a continuación, cuando la tensión del rectificador baja, el condensador proporciona la corriente necesaria a partir de su carga almacenada.

De este modo, el condensador puede proporcionar carga cuando no está disponible en el rectificador y, en consecuencia, la tensión varía considerablemente menos que si el condensador no estuviera presente.

El suavizado del condensador no proporcionará una estabilidad total de la tensión, siempre habrá alguna variación en la tensión. De hecho, cuanto mayor sea el valor del condensador, mayor será el alisado, y también cuanto menos corriente se consuma, mejor será el alisado.

Hay que recordar que la única vía de descarga del condensador, aparte de las fugas internas, es a través de la carga hacia el rectificador/sistema de alisado. Los diodos evitan el reflujo a través del transformador, etc.

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Otro punto que hay que recordar es que el alisado del condensador no proporciona ninguna forma de regulación y la tensión variará en función de la carga y de las variaciones de entrada. La regulación de la tensión puede ser proporcionada por un regulador lineal o una fuente de alimentación conmutada.

Valor del condensador de alisado

La elección del valor del condensador debe cumplir una serie de requisitos. En el primer caso, el valor debe elegirse de forma que su constante de tiempo sea muy superior al intervalo de tiempo entre los picos sucesivos de la forma de onda rectificada:

Donde:

• R_load = la resistencia global de la carga para la alimentación
• C = valor del condensador en faradios
• f = la frecuencia de Ondulación, que será el doble de la frecuencia de la línea si se utiliza un rectificador de onda completa.

Suavizar la tensión de ondulación del condensador

Como siempre habrá algo de ondulación en la salida de un rectificador que utilice un circuito de condensadores de alisado, es necesario poder estimar el valor aproximado. Si se especifica demasiado un condensador, se añadirá coste, tamaño y peso adicionales, y si se especifica menos, se obtendrá un mal rendimiento.

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El diagrama anterior muestra el rizado de un rectificador de onda completa con suavizado de condensadores. Si se utilizara un rectificador de media onda, faltaría la mitad de los picos y el rizado sería aproximadamente el doble de la tensión.

En los casos en los que el rizado es pequeño en comparación con la tensión de alimentación -lo que ocurre casi siempre- es posible calcular el rizado a partir del conocimiento de las condiciones del circuito:

Rectificador de onda completa

Rectificador de media onda

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Estas ecuaciones proporcionan una precisión más que suficiente. Aunque la descarga del condensador para una carga puramente resistiva es exponencial, la inexactitud introducida por la aproximación lineal es muy pequeña para valores bajos de rizado.

También conviene recordar que la entrada de un regulador de tensión no es una carga puramente resistiva, sino una carga de corriente constante. Por último, las tolerancias de los condensadores electrolíticos utilizados en los circuitos de suavización de los rectificadores son grandes - ±20% en el mejor de los casos, y esto enmascarará cualquier inexactitud introducida por las suposiciones de las ecuaciones.

Corriente de ondulación

Dos de las principales especificaciones de un condensador son su capacidad y su tensión de trabajo. Sin embargo, para las aplicaciones en las que pueden fluir grandes niveles de corriente, como en el caso de un condensador de alisado de rectificador, hay un tercer parámetro importante: su corriente de rizado máxima.

La corriente de rizado no es simplemente igual a la corriente de alimentación. Hay dos situaciones:

Corriente de descarga del condensador: En el ciclo de descarga, la corriente máxima suministrada por el condensador se produce cuando la salida del circuito rectificador cae a cero. En este punto toda la corriente del circuito es suministrada por el condensador. Esto es igual a la corriente completa del circuito.

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Corriente de carga del condensador: En el ciclo de carga del condensador de alisado, el condensador necesita reponer toda la carga perdida, pero sólo puede conseguirlo cuando la tensión del rectificador supera a la del condensador de alisado.

Esto sólo ocurre durante un corto periodo del ciclo. En consecuencia, la corriente durante este periodo es mucho mayor. Cuanto más grande sea el condensador, mejor reducirá el rizado y más corto será el periodo de carga.

El menor tiempo de carga da lugar a niveles de corriente de pico muy grandes, ya que el condensador de alisado necesita absorber suficiente carga para el periodo de descarga en un tiempo muy corto.

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En algunas aplicaciones no se utilizaría un regulador de tensión lineal, sino que podría ser necesaria una forma mejorada de suavizado. Esto podría proporcionarse utilizando dos condensadores y un inductor o resistencia en serie.

El enfoque de la fuente de alimentación suavizada se utiliza en algunos sistemas de alta tensión y en otras áreas especializadas, pero no es tan común como las fuentes de alimentación reguladas linealmente y las fuentes de alimentación conmutadas, que proporcionan una regulación y suavización mucho mejores.

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Este enfoque también se puede ver en muchos conjuntos inalámbricos antiguos donde el uso de una fuente de alimentación regulada lineal no era factible.

Hay dos opciones para un sistema de suavizado de sección π. Con dos condensadores entre la línea y la tierra, el elemento en serie era un inductor o una resistencia. El inductor costaba mucho más y daba mejores resultados, pero la resistencia era una opción mucho más barata aunque disipaba más potencia.

Los condensadores de suavizado son elementos esenciales tanto de las fuentes de alimentación lineales como de las fuentes de alimentación conmutadas y, como tales, se utilizan ampliamente.

Cuando se selecciona un condensador de reserva para aplicaciones de suavizado en una fuente de alimentación, no sólo es importante el valor en términos de capacitancia para dar la reducción de la tensión de ondulación requerida, sino que también es muy importante asegurarse de que no se supere el valor nominal de la corriente de ondulación del condensador. Si se consume demasiada corriente, el condensador se calentará y se reducirá su esperanza de vida, o en casos extremos podría fallar, a veces de forma catastrófica.

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