FUENTE REGULADA ALTO VOLTAJE
Introducción.
Comenzaremos por señalar que dados los altos voltajes, no es un proyecto recomendado para principiantes, ya que éstas tensiones pueden causar la muerte. La ejecución técnica no es en absoluto complicada, pero cuenta con un serio peligro.
Los amplificadores y previos que consumen altos voltajes engloban a los de válvulas y algunos diseños híbiridos. No existen tubos de vacío de tipo "P", por lo que el diseño en esta disciplina tiene unas serias restricciones frente a los transistores. Veremos a continuación cómo una de estas restricciones es el rechazo al ruido de la alimentación.
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Uno de los parámetros que determinan el nivel ruido y la independencia de la fuente de alimentación es el PSRR, power supply rejection ratio, es una relación entre en ruido de la alimentación y las señales residuales de ruido a la salida, dicho en otras palabras, cuánto ruido se cuela por la alimentación.
Una alimentación no regulada posee un tipo especial de ruido llamado rizado, consecuencia del rectificado y de la carga de los condensadores. Su frecuencia fundamental es de 100 Hz y de ahí en adelante hay armónicos que dececen de amplitud. Se suele medir en porcentaje, y en etapas está entre el 10 y el 1%, siendo el 5% lo habitual. Nos referiremos al rizado como ruido de alimentación.
Ese es uno, pero hay más: la tensión de red fluctúa a muy bajas frecuencias, inferiores a 1 Hz, y esto también modifica el ruido y más cosas. Se puede compromar cómo en etapas de muy bajo PSRR el zumbido de 50-100 Hz suena más en unos momentos que en otros, y se alternan zumbidos mayores con otros de menos intensidad, incluso ausencia de ruidos.
Llegamos al punto que nos interesa: el rechazo al ruido en etapas de válvulas. Las estrucutras de ganancia en voltaje posibles en válvulas son la etapa clase A, la etapa diferencial y la configuración SRPP. Entre ellas y la siguiente etapa el acoplo es habitualmente capacitivo, y mientras uno de los polos del condensador de salida es referido a la tensión de alimentación el otro se refiere a tierra. El ruido de alimentación encuentra un camino muy bueno para sumarse a la señal y ser amplificado. En el acoplo por transformador esto no sucede pero eleva bastante el coste.
Como se emplean corrientes bajas y voltajes altos se suele recurrir a filtrados LC y RC (en un previo o en una etapa, el primer triodo siempre lleva un filtro RC propio, señal de lo delicado de éste punto. Normalmente este filtrado RC empeora las prestaciones dinámicas de las etapas, requieren polos a menos de 10 Hz y condensadores de gran calidad.
El circuito propuesto consiste en un regulador de alto voltaje (15-300V) para previos y algunas secciones en amplificadores de válvulas o transistores en configuraciones especiales. Consiste en un sistema realimentado, con limitación de corriente a la salida, regulable y que produce rechazos al ruido de alimentación del orden de 50dB. Su impedancia de salida es inferior a 1 Ohm incluso a altas frecuencias
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Esquema
El esquema se muestra a continuación.
Éste regulador no posee rectificado y posee muy poco filtrado, por lo que se debe emplear el rectificado y filtrado ya existentes. Sólo existe un condensador a la entrada para evitar oscilaciones por alimentación.
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Se basa en una etapa en clase A (Q2, D1, R1, C1) cargada por una fuente de corriente (Q1, D2, R3, C2) y con una pequeña etapa de salida (M1) con limitación de corriente (Q4, R5).
La red de realimentación (R11, R2, R7) controla el voltaje de salida, que se puede regular con una gran precisión al usar un potenciómetro cermet multivuelta. Para voltajes muy altos puede ser necesario aumentar el valor de R7, aunque puede llegar a 280V sin que sea necesario cambiar nada.
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Funciona de la siguiente manera. D1 y C1 junto a Vbe(Q2) forman una referencia de voltaje. Cuando el voltaje en la base de Q2 sube, Q2 tiende a conducir más corriente, lo que hace que la carga diminuya el voltaje de colector de Q2 (salida) y se llegue a un equilibrio (principio de funcionamiento de la realimentación negativa). Al contrario pasa lo mismo. Ésta etapa puede interpretarse (con reservas) como una etapa en base común realimentada, donde la entrada es la referencia de voltaje. Está polarizada con 0,5mA. Es muy recomendable utilizar un radiador para M1 y para Q1 y Q2. Éstos pueden compartirlo, pero el radiador debe estar aislado de la parte metálica en todos los casos.
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La limitación de corriente es completamente necesaria por dos motivos: Cargar condensadores es un trabajo duro para un transistor, tiende a producir picos de corriente que acaban por dañar irreversiblemente el transistor. El otro motivo es nuestra propia seguridad, los altos voltajes son muy peligrosos y pueden causar la muerte.
R5 es una resistencia de sensado de corriente. Cuando la corriente de salida es muy alta, V(R5) tiende a crecer, pero cuando sobrepasa los 0,65V, Q4 empezará a conducir. Ésto hará que absorva corriente de la fuente, disminuyendo la tensión de salida.
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Características
El voltaje máximo DC a la entrada es de 300V, y el mínimo de 18V. El voltaje de salida mínimo es de unos 13V y el máximo de 280V. Se puede modificar con los transistores adecuados para dar voltajes mayores, pero queda a la elección del lector.
La corriente máxima de salida es de 80mA, pero se puede modificar según las necesidades. Para ello hay que variar R4 y seguir la fórmula I(max)=0,6/R4.
Es recomendable usar un radiador en los transistores Q1, Q2 y M1. En los primeros no es estrictamente necesario, ya que incluso con los valores máximos el valor de potencia que puede disipar el transistor es mayor a la potencia consumida.
No obstante, por derivas térmicas, etc... es recomendable usarlo. En M1 puede ser necesario porque 80mA y una caída de tensión de 250V suponen 20W, que es muy superior a los 2W de disipación que soporta el TO-220. La potencia consumida por éste transistor es P=(I(out)+2.5mA)*(Vin-Vout).
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No se indican los valores de C11 y C7 porque la huella puede variar en función del voltaje del condensador. Quedan a la elección del lector, los mínimos recomendados son 10uF en cada caso. El máximo, lo que quepa en la huella, aunque se describe con relativa frecuencia que una capacidad demasiado alta es causa de oscilación en etapas de válvulas.
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Las conexiones son sumamente sencillas, por un lado la entrada de DC y por el otro la salida de DC regulada.
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PCBs
Puede descargar aqui las máscaras para realizar la PCB. Son para uso personal no lucrativo.
También está disponible la lista de componentes.
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