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Fuentes de alimentación II

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El mes pasado vimos cómo se adapta la corriente del enchufe al voltaje que necesita un aparato: ahora toca “limpiarla”

Texto: Redacción

Decíamos en esta misma sección el mes pasado que una fuente de alimentación es aquella parte o partes de un aparato dedicadas a convertir la electricidad disponible (corriente alterna del enchufe, es decir 230V a 50Hz) en el voltaje o voltajes necesarios para la electrónica interna, que suelen ser inferiores (la única excepción son las válvulas) y siempre en corriente continua. Vimos que la fuente de alimentación debía cumplir dos misiones: reducir la tensión entrante (230 Voltios) a los necesarios para la electrónica, y convertir la corriente alterna en continua para que aquélla pueda usarla. Ahora vamos a añadir dos exigencias más: que esta alimentación sea “limpia” y “estable”, de lo que se ocuparán los filtros y la regulación dentro de la propia fuente o, de forma local, a lo largo del circuito alimentado.

FILTRADO

En el número anterior dejamos nuestra fuente de alimentación teórica en dos elementos: un transformador, que bajaba el voltaje de la red eléctrica (220V) al nivel adecuado al aparato (entre 5 y 18V normalmente), y un rectificador, que convertía esa corriente alterna en la continua necesaria para los aparatos (el tipo de corriente de una batería).

Pero una fuente tan elemental ofrecería un voltaje todavía muy poco puro: esa corriente continua todavía tiene mucha parte de alterna, es irregular y ruidosa puesto que el rectificador sólo deja pasar corriente cuando la onda sinusoidal de la alterna original está en la fase adecuada, e incluso con los rectificadores de onda completa (un puente de diodos en lugar de un diodo solitario) se aprecia esa irregularidad si analizamos la salida en un osciloscopio.

Hace falta filtrarlo, y para eso se usan componentes capaces de almacenar y devolver energía de forma rápida y secuencial: para tomar energía cuando esa corriente continua aún irregular ofrece un pico, y devolverla cuando tiene un valle. Por eso se usan condensadores en esta función, pues precisamente ésa es su especialidad (almacenar y entregar energía), y también pueden usarse inductancias (bobinas).

La capacidad de almacenar energía de un condensador es precisamente lo que le mide, en fracciones de Faradio (siendo el micro-Faradio la más común), y el tamaño del componente aumenta en proporción directa a su capacidad. Además de filtrar, los condensadores en las fuentes de alimentación sirven como almacén de energía: en un amplificador, por ejemplo, será el condensador de salida de la alimentación quien entregue el pico necesario para un pasaje musical puntual fuerte.

La necesidad del filtrado y lo económico de un condensador hace que no existan fuentes sin por lo menos un filtrado elemental con uno o más condensadores: en el próximo número veremos qué tipo de condensadores se usan para esto. Pero quédense con la idea de su necesidad, de que cuanto más grande mejor (superior filtrado y más energía almacenada) y también de que no existe el condensador perfecto para todo uso y por eso a veces se combinan dos o más de diferentes tipos para conseguir un filtrado eficaz en todas las frecuencias.

Ya tenemos nuestra fuente ofreciendo un voltaje apropiado y más libre de ruidos de rectificación, pero todavía no es perfecta: su voltaje variará en función de la carga y tal vez tengamos en el circuito algunas partes que exigen un voltaje muy preciso y estable para funcionar bien. Aquí entra en juego la regulación: a partir de la tensión filtrada, un circuito la controla y ofrece a su salida un voltaje muy estable (mejor que el 1 por ciento) además de todavía más libre de ruidos.

Es posible conseguir esto de forma pasiva si nuestro circuito tiene un consumo estable, combinando condensadores y resistencias e incluso inductancias, y así son las alimentaciones de algunos aparatos clásicos, pero hoy día casi siempre se usan reguladores activos, ya sean integrados o no (ver recuadro).

Después del circuito regulador siempre encontraremos nuevos condensadores, en este caso más dedicados ya al almacenaje de energía que al filtrado. Un diseñador hábil colocará un regulador más a su condensador de salida cerca de cada parte clave de su circuito, por ejemplo al lado de cada convertidor DAC, para alimentarlo de forma óptima: es la regulación local.

CONCLUSIÓN

El conjunto de transformador, rectificador, filtro y regulación es lo que conforma la fuente de alimentación del aparato: de su calidad dependerá el rendimiento del equipo, sea una fuente o un amplificador. Una fuente ideal no sólo ofrece la corriente apropiada y limpia, sino que es capaz de mantenerla estable en las condiciones más exigentes.

REGULADORES INTEGRADOS

Como hemos visto la función del regulador es ofrecer una tensión estable sea cual sea la carga aplicada (la corriente que absorbe el circuito). La tecnología electrónica ha permitido conseguir circuitos reguladores integrados de tamaño muy compacto, muy prácticos, desde hace tiempo, y los más populares entre ellos son los de tres patas del tipo LM317 o LM337 (modelo de salida regulable para voltaje positivo y negativo, respectivamente) o los también muy utilizados 78xx y 79xx, de nuevo en positivo y negativo pero de salida fija, donde las “xx” serían el voltaje que regularán: un 7805 nos dará 5 Voltios a su salida, un 7812 12V, un 7915 regulará a -15V, etcétera. Ahora cuando vean una placa electrónica, la referencia de estos componentes ya les estará diciendo qué voltajes de trabajo utiliza ese circuito.

Uno de estos reguladores integrado, bien aplicado y con filtrado anterior y posterior, ya ofrece unas prestaciones muy aceptables puesto que su regulación es mejor del 1 por ciento y su capacidad para rechazar el ruido de la alimentación precedente llega a los 80dB. Por ello es que la gran mayoría de aparatos del mercado -incluso de gama muy alta- no montan componentes mejores, aunque en los mejores casos sí montan múltiples unidades, ubicados estratégicamente (por ejemplo un regulador para cada chip y cerca de éste en la placa).

¿Hay algo mejor? Siempre lo hay: existen de una parte algunos reguladores integrados de prestaciones algo superiores a estos pero, un claro paso más allá en prestaciones (y varios pasos en complejidad y precio) están los circuitos de regulación dedicados, de los que hay muchos diseños y cuyo análisis nos tomaría todas las páginas de la revista... Baste que se queden con la idea de que, si un aparato ofrece en su lista técnica (ya sea la de la marca o lo que nosotros podamos observar en un Laboratorio) una regulación más elaborada que los simples (aunque -insisto- eficaces) integrados, estamos delante de algo excepcional y muy prometedor.

ALIMENTADORES REGULADOS

Hay bastantes componentes, sobre todo de gama baja y media, que vienen con un alimentador separado: el mes pasado vimos qué precauciones debíamos tener a la hora de reemplazar esos “transformadores” externos, sea por avería o buscando una eventual mejora.

Precisamente pensando en esto último, en mejorar nuestro equipo, podemos aprovechar ese eventual cambio para adquirir una fuente externa que además de apropiada sea regulada: existen bajo tal nombre en las tiendas de electrónica (incluso en eBay) y una fuente de este tipo siempre ofrecerá una alimentación más limpia y estable a nuestro aparato, de forma que éste posiblemente mejorará sus prestaciones.