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Reguladores de Voltaje
J.I.Huircan
Universidad de La Frontera
December 3, 2012
Abstract
Los reguladores permiten mantener el voltaje de la salida …jo independiente de las variaciones de carga o ondulación de la entrada (ripple).
Los reguladores pueden ser tipo serie o paralelo, con o sin realimentación.
Pueden implementados usando componentes discretos e integrados. Los
elementos más importantes del regulador serán la referencia (basada en
un zener), usada para …jar la salida y el transistor regulador que permitirá
proveer la corriente.
1
Introduction
La mayor parte de los dispositivos electrónicos requieren de voltajes continuos para operar. Las baterías son útiles pero tienen un tiempo de operación
limitado. Otra opción consiste en generar la fuente de alimentación utilizando
la red de 220 volts alterno (220 RMS). Esta tensión puede ser manipulada fácilmente usando un transformador y circuitos recti…cadores, los que sumados
a un dispositivo regulador proporcionan diferentes valores de tensión. En este
artículo, se analizarán los reguladores más simples, los cuales se irán modi…cando hasta obtener con…guraciones más complejas y mejoradas. En la parte
…nal se analizan los reguladores basados en circuitos integrados (CI).
2
Fuentes Reguladas
El diagrama de bloques de un fuente estabilizada se indica en la Fig. 1.
ENTRAD A
R EC TIFIC AD OR
FILTR O
SALIDA
REGULADOR
Figure 1: Diagrama de bloques de una fuente regulada.
1
La misión del recti…cador es distorsionar la sinusoide de entrada para que
su salida tenga una componente de continua. Mediante el …ltro se rechazan en
gran medida los armónicos de la salida del recti…cador pero un vez …ltrada la
señal, suele permanecer una componente que se conoce como rizado o ripple.
El regulador debe eliminar el ripple y por otro lado, debe poseer una impedancia de salida adecuada, con el …n de que la tensión regulada a la salida
se mantenga independiente de la carga, siempre que ésta varíe entre los límites
exigidos del diseño.Así, a la salida de la fuente de alimentación no estabilizada,
se aplica a un dispositivo de control que regula la tensión para dar una salida
de régimen continuo.
Los reguladores pueden ser tipo serie (el dispositivo de control se conecta en
serie con la carga y para regular la salida en todos los casos debe absorber parte
de la tensión de alimentación) o paralelo (regulador en derivación, el dispositivo
de control está en paralelo con la carga). Cuando la corriente a través del
dispositivo de control cae a cero, la acción de regulación cesa.
2.1
Requerimientos de un regulador
Mantener la tensión de salida constante independiente de las ‡uctuaciones
de la entrada y la temperatura.
Mantener la tensión constante de salida, a las exigencias de corriente de
carga.
El voltaje de salida no debe contener componentes alternos (ripple =0)
La fuente debe poseer un sistema para limitar la corriente de salida (protección).
El regulador mantendrá el voltaje sin carga (circuito abierto, no provee corriente), o a plena carga, entregando una corriente en la salida como lo indica la
Fig.2. El circuito no tiene una perfecta regulación, pues, no mantiene el voltage
voc mientras entrega corriente a la carga.
i o =i L
i o =0
Fuente
Regulada
Fuente
Regulada
vo =voc
(a)
vo =vL
(b)
Figure 2: Voltage de regulación. (a) Sin carga. (b) Con carga.
En un regulador ideal la diferencia entre el voltage de salida sin carga y el
voltage de salida a plena carga es cero o sea voc vL = 0. En la práctica vL
es siempre menor. La variación entre ambos voltajes se conoce como regulación
de carga, sin embargo, el porcentaje de regulación esta dado por (1), mientras
menor sea, mejor es la regulación.
2
voc
vL
100
(1)
vL
Esta relación se de…ne con respecto a una condición de carga especí…ca, es
decir para un iL dado.
%regulacion =
vo
voc
vL
R egulac ión Perfec ta
I o =I L
voc
R e g ula c ió n Típ ic a
(a)
IL
Io
Ro
vo =v L
(b)
Figure 3: (a) Curva característica de una fuente de poder. (b) Circuito equivalente de un regulador con resistencia de salida.
Como vL = IL RL , porcentaje de regulación se expresa el como
%regulacion =
voc vL
IL RL
(2)
Note que
vL
(3)
IL
Corresponde a la resistencia de salida del regulador, mostrada en la Fig. 3b.
En términos generales la salida de una fuente de tensión regulada es función
del voltaje de entrada sin regular, vs (lo podemos llamar V N R, voltaje no
regulado), indicado en la Fig. 4, la corriente de carga y la temperatura.
Ro =
voc
vs Voltaje no regulado
v s max
v s min
vr
t
Figure 4: Comportamiento del voltaje no regulado (V N R).
3
3.1
Tipos de Reguladores
Regulador básico paralelo
El regulador tipo paralelo es mostrado en la Fig. 5a.
3
I
+
vs
iL
+
+
vz
vL
_
iL
R
vs
RL
I
vz
_
_
+
v
L
RL
_
(b)
(a)
Figure 5: (a) Regulador Paralelo básico (b) Implementación práctica.
Cuando el voltaje vL excede el voltaje de ruptura del diodo, la corriente a
través de éste se incrementa, luego el voltaje en el zener y en la carga se mantiene
constante e igual al voltaje nominal del diodo zener, así vL = vz .
En la práctica la fuente de corriente es un resistor, de acuerdo la Fig. 5b.
Éste, se diseña para que el diodo esté correctamente polarizado y por lo menos
circule la corriente mínima bajo cualquier exigencia de carga, dentro de los
límites especi…cados por el regulador. Las condiciones más exigidas serán: Izmin ,
ILmax , vsmin , luego
R=
vsmin vL
IZmin + ILM ax
(4)
En un diseño práctico se especi…can los requerimientos de potencia de tal
forma que ésta pueda ser manejada por los elementos utilizados. Habitualmente,
la corriente mínima de un zener varia entre 1 y 2 [mA] ;esta corriente puede
consisderarse mayor a la que aparece en los datasheet como IZK :
La desventaja del regulador básico es que al quedar sin carga, el zener debe
absorver toda la corriente, por lo tanto, si la corriente máxima requerida por la
carga es mayor que la que soporta el zener, éste se quema.
3.2
Regulador Básico Serie
El regulador serie soluciona el problema del regulador paralelo incorporando un
transistor (de potencia) como se muestra en la Fig. 6. Aquí, la corriente que
absorve el diodo zener no es la que no quiere la carga IL , sino la que no desea
la base del transistor. Note que la corriente de carga es la corriente que circula
de colector a emisor, luego IL
IB . Esto implica que el valor máximo que
podría circular por la base del transistor es la corriente ILmax dividida por el
del transistor. Luego en el caso en que la carga no requiera toda la corriente,
por el zener sólo podría circular como máximo una fracción de la corriente de
la base.
El circuito funciona de la siguiente forma:
La tensión vL debe mantenerse …ja ante variaciones de la corriente de
carga (sólo bajo el rango de diseño).
4
iL
Q
I
+
vs
_
vz
+
R
+
vL
iL
Q
RL
+
vs
I
vL
vz
RL
_
_
_
(b)
(a)
Figure 6: (a) Regulador serie. (b) Implementación práctica.
El diodo zener proporciona la referencia de voltaje al cual debe permenecer
el regulador, vz . Siempre debe estar polarizado adecuadamente, a lo menos
debe circular Izmin .
Si existe un incremento de la corriente de carga IL (por disminución de
RL ), esto implica una disminución del voltaje vL , entonces el voltaje aplicado
vbe = vz vL aumenta, lo que lleva a un incremento de la corriente de base.
Finalmente aumenta la corriente de colector, restaurandose del vL original.
Si existe un disminución de la corriente de carga, crece vL , luego disminuye
IB , lo que lleva a una disminución de la corriente de carga IL , disminuyendo
vL .
El resistor R se debe diseñar para que por el diodo zener circule la corriente mínima necesaria para que se polarice adecuadamente. Además, IBmax
proporciona la corriente de carga máxima (ILmax ). Así
ILmax = IBmax
(5)
I = Izmin + IBmax
(6)
Luego
R=
vs min vL
vs min vL
=
Iz min + IB
Iz min + IL max
(7)
El transistor utilizado de complir con los requerimientos de potencia adecuados. La potencia disipada en un transistor BJT se de…ne
PD = vCE Ic + IB vBE
vCE Ic
(8)
De acuerdo a lo planteado
(vs max
vL ) IL max < PD
(9)
La diferencia entre el voltaje entrada máximo y el voltaje de la carga multiplicada por la corriente de colector no debe superar la potencia del transistor.
5
El regulador de le Fig.7, es una variación del egulador serie, para esta
situación se establece que
R 1 + R2 =
vs min vL
Iz min + IL max
Q
+
I
vs
_
C1
R1
R2
(10)
IL
+
v
L
RL
_
vz
Figure 7: Regulador serie alternativo.
Se de…ne R1 = R2 . El capacitor hace que la corriente sea constante.
El regulador serie funciona en base a un tipo de realimentación, pues la
salida tiene efecto sobre las variables de entrada, sin embrago no está clasi…cado
como regulador realimentado.
3.3
Regulador Básico Realimentado
Los reguladores anteriores no son adecuados cuando se requiere una tensión de
salida extremadamente precisa, dado que:
La tensión de salida es establecida por el diodo zener, luego no existe
posibilidad de ajuste.
Los circuitos revisados no tienen ningún tipo de control interno para que
cuando la tensión de salida disminuya o aumente por cualquier causa, se
produzca un proceso de realimentación que permita que la tensión permanezca constante.
En la Fig. 8 se muestra un diagrama de bloques de un regulador realimentado.
Este regulador funciona como sigue:
Supongamos que por cualquier causa la tensión de salida tiende a aumentar (disminuir), la salida del sensor aumenta (disminuye), luego la salida del
detector de error disminuye (aumenta), luego esta salida es ampli…cada por el
detector de error y es transmitida por el transistor regulador a la salida, que consecuentemente decrece, …nalmente la salida del regulador tiende a mantenerse
constante.
Los bloques transistor regulador, sensor y tensión de referencia permanecen
prácticamente inalterados de un circuito regulador a otro. La principal diferencia entre estos circuitos es el ampli…cador de error, el que puede implementarse
con un transistor, un par diferencial o un ampli…cador operacional.
6
vs
VNR
iL
T ransistor
Regulador
+
Detect or de
Error
Amplificador
Error
Sensor
vL
ZL
_
Volt aje de
Ref erencia
Figure 8: Regulador básico realimentado.
El circuito de la Fig. 9, es un regulador realimentado con componentes
discretos sin limitador de corriente.
iL
Q1
vs
R4
R3
R1
Q
+
vL
2
R2
vz
_
Figure 9: Regulador práctico Realimentado.
Si vL disminuye, debido a un aumento de la corriente requerida, entonces
el voltaje de la juntura b-e de Q2 disminuye, haciendo que la corriente en el
colector de Q2 disminuya, es decir, extrae menos corriente de la base de Q1 ,
permitiendo así que un porcentaje más grande de la corriente que circula por
R4 excite a Q1 (en la base), activándolo más en el estado de conducción.
3.4
Limitador de corriente
Establece una realimentación negativa cuando la corriente de carga sobrepasa
la máxima especi…cada por el regulador, manteniendo la corriente de carga
constante aun cuando la resistencia de carga sea menor al mínimo requerido
por las especi…caciones del regulador. En esta última situación el circuito ya no
funciona como regulador, puesto que la tensión de salida no puede permanecer
constante, sino que decrece conforme la resistencia de carga disminuye.
Cuando la corriente de carga excede el máximo permitido, se genera una
caída de tensión en la juntura b-e de Q2 , logrando que dicho transistor conduzca,
luego disminuye la corriente que excita la base de Q1 , haciendo que la corriente
7
de carga disminuya. Luego R se diseña de tal forma que cuando la corriente de
carga aumente en forma excesiva, el transistor Q2 comience a conducir.
vs
VNR
Q1
R
Q
I
vL
2
Limitador de corriente
Figure 10: Limitador de corriente
La resistencia R se diseña como
R=
vBE(Q2 )
IL max
(11)
Esto asegura que Q2 comienza a conducir cuando la corriente de carga sobrepasa el máximo permitido.
3.5
Reguladores Realimentados Utilizando AO
La con…guración a nivel de bloques de un regulador con AO es idéntica la de
un regulador con componentes discretos, sólo cambia la etapa de detección y
ampli…cación de error, la cual es realizada por el AO.
Q
1
vs
vo
v
L
R
+
V
Ref
=vz
v1
_
R2
RL
R1
β
Figure 11: Regulador Realimentado usando AO.
Para diseñar este regulador en forma apropiada se requiere la referencia
proporcionada por un zener, una red de realimentación . El funcionamiento
es idéntico a cualquier regulador realimentado. En la Fig. 11, el bloque un
simple divisor de tensión, note que en este caso se esta comparando y sensando
tensión a la vez. La diferencia de tensión excitará al transistor Q1 .
Como en al AO se cumple que v + = v , entonces
vz = vo
R2
R1 + R2
8
(12)
De esta forma
vo = vz
R1
+1
R2
(13)
Note que vo puede ser mayor que la referencia, habitualmente se diseña R1 y
R2 , conociendo la tensión en la salida y el voltaje zener. El resistor R se diseña
para la peor condición, es decir vsmin y Iz min . El transistor se elige de acuerdo
a la corriente necesaria requerida. Note que el transistor está siempre en zona
activa.
4
Reguladores Integrados (CI)
En la actualidad existe gran variedad de circuitos integrados (CI) reguladores,
de características …jas o ajustables, los cuales son muy versátiles, de fácil uso
y de bajo costo. El diagrama de la Fig. corresponde a un circuito integrado
monolítico (muy simpli…cado) de la serie 78XX, el cual es una familia de reguladores positivos de valores …jo, note que es un circuito realimentado y con
limitador de corriente, además tiene una salida en emisor común, para proveer
más corriente.
vs
1
I
I
1
2
Q
4
Q
R
Cp
Q
Q
1
2
R
D
4
3
R
Q
5
3
R
5
2
2
1
vz
R
R
1
7
3
1
2
78XX
3
Figure 12: Esquema de un Regulador Integrado simpli…cado (78XX).
Este regulador posee un ampli…cador diferencial (Q1 y Q2 ) que compara el
voltaje de zener con el voltaje proporcionado por el par R1 R2 .(que es la red
de realimentación). Los transistores Q4 y Q5 forman el transistor regulador. La
9
etapa de protección contra sobre corriente es realizada por Q3 y la resistencia
R5 . El funcionamiento es exáctamente igual que el de un regulador de voltaje
realimentado.
Las fuentes de corriente I1 e I2 proveen la polarización adecuada tanto para
D1 , como para el ampli…cador diferencial. En este diagrama el zener sólo representa una referencia, habitualmente este circuito puede ser más complejo. El
voltaje de entrada (no regulado) ingresa entre los terminales 1-3 y el voltaje de
salida se obtiene entre los terminales 2-3. La tensión de salida depende de la
relación de las resistencias R1 R2 de la forma
vL =
R2
+ 1 vz
R1
(14)
Para determinar esta expresión, podemos ignorar Q3 , pues no estará activo
mientras no circule una corriente mayor a la corriente máxima en la salida. La
caida de tensión en R5 puede considerarse despreciable (¿Por qué?), luego la
tensión en la base de Q2 es:
vBEQ2 =
R1
R 1 + R2
vL
(15)
Puede considerarse ese valor pues, el ampli…cador diferencial debiera tener
una resistencia de entrada muy alta. El mayor o menor voltaje de diferencia
hará que por el colector de Q2 circule mayor o menor corriente, esto implica que
la corriente de base de Q4 , aumentará o disminuirá si el voltaje aplicado en la
base de Q2 baja o sube.
El transistor R3 con la resistencia Q3 forman el el limitador de corriente.
5
Especi…cando reguladores integrados
Existen 5 tipos de reguladores lineales básicos: Positivo, negativo, salida …ja,
tracking (seguimiento) y salida ‡otante. Cada uno de ellos tiene su característica
y uso especial, pero su selección dependerá de las necesidades del diseñador,
prestaciones y costo.
5.1
Reguladores positivos y negativos
En la mayoría de los casos los reguladores positivos son usados para regular tensiones positivas (ídem para los reguladores negativos), sin embargo, dependiendo
de los requerimientos de tierra del sistema cada regulador puede ser usado para
tensiones opuestas a las diseñadas.
5.2
Reguladores de 3 terminales con salida …ja
Son muy simples de usar y muy baratos, se encuentran disponibles para distintos valores de voltaje, tanto positivos como negativos. Tienen las siguientes
ventajas: Fácil uso, proteccion interna contra corriente, no requiere circuitos
10
adicionales para el ajuste, bajo costo. Sus desventajas son: Su salida no puede
ser ajustada con precisión, disponibles sólo para algunos valores de salida de
voltaje y corriente, la obtención de grandes corrientes en la salida es más di…cil
de obtener con este tipo que al usar otros reguladores.
5.3
Reguladores de 3 teminales con salida ajustable
Son muy simples de usar, ‡exibles y sus rangos de voltaje pueden variar entre
1:2 a 40[V ] mediante la incorporación de dos resistencias externas y la corriente
varía entre 100 [mA] a 3:0 [A].
Table 1: Reguladores Integrados.
Serie del Regulador
LM78XX
LM79XX
LM317
LM337
5.4
Valor
Reguladores positivos Fijos
Reguladores negativos …jos
Regulador Ajustable positivo
Regulador Ajustable negativo
Seleccionando un Regulador Integrado
Una vez decidido el regulador, el siguiente paso es especi…carlo. Para suministrar
corrientes mayores a las que usualmente entregan los reguladores monoliticos
(CI), se requerirá de lo que usualmente se llama un Boost Transistor. Esto puede
complicar las tareas de diseño y además pueden existir muchas alternativas y
soluciones.
Desafortunadamente no existe un una receta que explique paso a paso como
determinar cual es el regulador exacto para un determinada aplicación. El
circuito que resulte, deberá estar de acuerdo a un compromiso de los siguientes
parámetros: Rendimiento, costo, tamaño y complejidad.
El siguiente procedimiento puede ser sugerido:
Seleccione un regulador que exceda sus requerimientos, para regulación
de línea y para regulación de carga, TC (Temperature Coe…cient) del
voltaje de salida y rangos de temperatura ambiente. Debe considerar
también las capacidades del regulador desde el punto de vista de voltaje de
salida, corriente de salida, SOA (Safe Operation Area) y sus características
especiales.
Seleccione el circuito de acuerdo a los requerimientos adoptados. Realice
los diseños preliminares de acuerdo a las con…guaciones elegidas. En base
a parámetros como costo, complejidad y tamaño elija la más adecuada.
11
6
Cálculo de capacitores
Para el cálculo de los condensadores que sirven de …ltro, se deben considerar
el tipo de recti…cador (media onda o de onda completa), Los condesandores de
…ltrado, se encuentran ubicados entre el recti…cador y el regulador
EN TR AD A
FILTRO
Carga
R E C TIFIC A D OR
RE GULA DOR
C
Regulador
+ carga
I
D
+
v i (t) = Vmsen( 2 π 50 t )
C
vo (t)
R
_
Figure 13: Condensador …ltro + recti…cador de media onda.
Su comportamiento se basa en el hecho de que el condensador almacena
energía durante el periodo de conducción, liberando dicha energía sobre la
carga, justamente en el periodo de no conducción. Cuando el condensador
C es sometido a una señal proveniente de un recti…cador de media onda, éste
se cargará de acuerdo a la señal, sin embargo, cuando la señal cambia de pendiente, el diodo queda polarizado inverso, deja de conducir y el condensador se
descarga a través de RL , hasta que nuevamente el diodo conduzca.
vo(t)
−t/ R C
L
Vm
vo(t) =Vm e
vr
1
f
t
Figure 14: Curva vo (t) de un recti…cador de media onda.
La variación del voltaje en el condesador se llama ripple (ondulación), la
cual depende de la corriente iL ; pues, si ésta aumenta, RL disminuye, por lo
tanto la constante de tiempo de descarga será más pequeña, lo que implica que
la curva exponencial cae más rapido incrementandose el ripple. Si la constante
de tiempo RL C es muy grande comparada con el periodo de señal de entrada,
el ripple producido será pequeño.
Cuando la constante de tiempo es grande se puede aproximar la corriente
media a VRmL . En un diseño típico se puede considerar que el voltaje contínuo es
12
aproximadamente igual a Vm , tomando en cuenta la corriente máxima requerida,
se estima el valor de RL . Ahora, si se especi…ca el ripple, se determina el valor
de C considerando que la variación de la carga, está dada por la variación de
voltaje en el capacitor, es decir del ripple, vr . Sea la variación de la carga
Q=C v
(16)
Considerando que la variación de la carga ocurre en un tiempo igual al
periodo de la señal del recti…cador y la variación de voltaje corresponde a vr ,
se tiene
Q
t
iL
Pero si iL =
vr
T
= Cvr f
= C
(17)
(18)
Vm
RL
C=
iL
Vm
=
vr f
RL vr f
(19)
Para un recti…cador de onda completa se debe considerar una frecuencia 2f .
De acuerdo a () mientras más grande la capacidad, menor será el ripple, así
la constante de tiempo RC aumenta y la carga de C debiera ser más lenta. Por
otro lado, si C es muy grande, la impedancia equivalente es muy pequeña, luego
en paralelo con R la corriente se incrementará demasiado pudiendo producir la
destrucción de los diodos, si el transformador es de gran potencia. El instante
en el cual se produce el incremento de la corriente es cuando el condensador se
empieza a cargar, si este proceso es lento, los diodos estarán sometidos a una
alta corriente demasiado tiempo.
Example 1 Sea el voltaje igual a 12[V ] RMS y la corriente requerida de 100[mA],
considerando la caída en el diodo de 0:7 [V ] de un recti…cador de media onda,
el voltaje máximo al cual estará sometido el condesador será de
p
(20)
Vm = 12 2 0:7 16:27 [V ]
Luego, calculando R
R=
Vm
16:27 [V ]
=
= 162 [ ]
100 [mA]
100 [mA]
(21)
Considerando ahora un ripple de 2[V ] y como la frecuencia de la red corresponde a los 50[Hz], entonces
C=
16:27
162 50 2
13
1000 [ F ]
(22)
Lo que parece un valor aceptable si se quiere tener un ripple de cerca del 9%,
ahora si la corriente requerida fuera menor, por ejemplo 25[mA], manteniendo
el ripple, se determina un valor para el condensador de
C=
16:27
= 250[ F ]
860 50 2
(23)
El que se aproxima a un valor estándar de 330[ F ] o 220[ F ]: Si la corriente
requerida es mayor, evidentemente el valor de R debe ser menor, haciendo que
el valor de C se más grande para mantener el ripple. Por ejemplo, si la corriente
requerida igual a 1[A], entonces la capacidad aumenta 10000[ F ]. Si el ripple
requerido es más pequeño, estonces, C debería ser más grande. Considere que
se está trabajando con un recti…cador de media onda. En la práctica, la elección
del ripple debe considerar el voltaje y la corriente requerida en la carga, y luego
el voltaje mínimo requerido por el regulador que permita matener el voltaje y la
corriente en la salida, es decir, el ripple debe ser tal que el vsmin sea su…ciente
para que el regulador funcione.
7
Diseño de reguladores
Example 2 Diseñar un regulador paralelo simple para una corriente máxima de
250 [mA] y un voltaje de 5 [V ], considere que le voltaje no regulado es 10 2 [V ].
Especi…que el diodo adecuado y la potencia de la resistor R.
Considerando los datos vsmin = 8[V ]; ILmax = 250[mA]; vz = 5[V ]. Para
determinar cual es diodo sener correspondiente, éste debe tener el voltaje apropiado y soportar la corriente que en la peor situación será levemente superior a la
máxima requerida (¿Por qué?). De acuerdo al circuito de la Fig. 5b, podemos
usar la ecuación (4), considerando el diodo de 5:1[V ]; 1N 5231; se tiene
R=
vsmin
ILmax
vz
Izmin
=
8 5:1
250 [mA] + Izmin
(24)
Como no se conoce el valor de Izmin del diodo, se recurre a la hoja de
especi…caciones del diodo.
Table 2: Parámetros Diodo Zener.
Tipo
Vznom [V ]
Tol Vz %
1N5231
5.1
5.0
Zz [ ]
@ Iz [mA]
M ax
17
20
De la tabla 2 se observa que no existe ningún parámetro llamado Izmin , se
]
PD
= 500[mW
tiene vz , Iz y PD , de acuerdo a esto se puede usar Izmin = 10v
10 (5:1) =
z
9:809 [mA] y luego obtener la corriente mínima, sin embargo, este valor puede
resultar mayor que el Iz estándar de 1 o 2 [mA]. Por otro lado, esto nos da
14
Table 3: Parámetros Diodo Zener Cont.
IR [mA]
@VR [V]
max
5
20
PD [mW ] 25 o C
500
un margen bastante amplio de seguridad para el diseño. En el caso de dar un
valor muy superior a Iz , podría considerarse como éste o una fracción, pero el
regulador siempre quedaría sobre dimensionado.
R=
8 5:1
= 11:162 [ ]
250 [mA] + 9:809 [mA]
(25)
Este diseño aparentemente se ve bien, pero ocurre la siguiente situación:
Cuando el sistema opera en vacío (sin carga), toda la corriente circulará por
el diodo zener, que corresponde a 260[mA] aproximadamente, de acuerdo a las
características de potencia, el diodo sufriría un severo daño. Una solución sería
poner una carga mínima y la otra cambiar el zener. Se podría repetir el diseño
con el diodo 1N4733 ( 1[W ]).
Otro criterio sería considerar lo que por lo general ocurre, esto es, la corriente mínima de un zener de 1 [W ], tiene un valor que ‡uctúa entre 1 y 2[mA].
Luego este valor puede establecerse como corriente mínima.
R=
8 5:1
= 11:5 [ ]
250 [mA] + 2 [mA]
(26)
Como el valor obtenido es muy similar, el comportamiento del regulador, si
éste queda sin carga, perjudicará seriamente al diodo zener.
Example 3 Diseñe un regulador serie para 12 [V ] y 2 [A], seleccione además el
transistor adecuado para dicha corriente. Suponga un voltaje no regulador de
15 2:5 [V ].
El requerimiento de corriente amerita el uso de un transistor de potencia.
Para este ejemplo usaremos un 2N3055. El 1N5242B, es un zener de 12 [V ], con
PD = 500 [mW ]. Necesitamos conocer el hF E del transistor para poder diseñar
la fuente de corriente (el valor de R). Si se revisan los datos se puede elegir el
valor mínimo hF E = 40, con esto nos aseguramos que al menos debe entregar la
corriente solicitada. Como la diferencia de potencial en la resistencia es pequeña
y la corriente es pequeña, la potencia no es grande (determine el valor). Otro
elemento importante es saber cuanto voltaje es capaz de soportar el transistor
entre colector y emisor.iB max
iL = iE = ( + 1) iB
15
(27)
Luego
iB max =
Considerando un Izmin =
53 [mA]
PD
10vz
R=
iLmax
2
=
= 48:8 [mA]
41
41
=
500[mW ]
10 (12)
(28)
= 4:16 [mA], así, i = iBmax +izmin =
12:5 [V ] 12 [V ]
= 9:43 [ ]
53 [mA]
(29)
Si se usara el criterio de usar una izmin de 1 o 2 [mA], el diseño no varía mucho.
Tomando en cuenta que la potencia del transistor es de 110[W ], se determina
que el transistor debe soportar
(vs max
vL ) iL
=
=
(17:5 12) 2
11 [W ]
(30)
Un buen ejercicio consiste en repetir el diseño con el zener 1N4742, evaluar la
potencia del transistor y recalcular todo, considerando que el voltaje no regulado
es 25 3 [V ].
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Conclusiones
Los reguladores de voltaje son sistemas que permiten mantener un voltaje …jo
en la salida independiente de la corriente requerida por la carga. Estos pueden
ser tipo paralelo o serie. Si se requiere mayor precisión, el regulador puede
ser realimentado, con lo cual también se podría obtener reguladores ajustables
(voltaje de salida variable). Para el diseño de reguladores se debe conocer el
voltaje y la corriente máxima requerida así como la ondulación de la entrada.
Esto servirá para especi…car el elemento de referencia, el transistor regulador
(en el caso de requerirse corrientes sobre 1[A]) y si este ha de ser ajustable o no.
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