Download Ejemplo de un Diseño de Regulador de Voltaje con Zener

Universidad Abierta Interamericana
Facultad de Tecnología Informática
Sede Centro
Proyecto
“Fuentes de Tensión Estabilizadas con Diodos
Zener”
Asignatura:
Electromagnetismo en Estado Sólido II
5º Año – Comisión “B” - Turno Noche.
Profesores:
Cingolani; Sola
Alumno:
Berrueta, Jerónimo
1º Cuatrimestre - Año 2009
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Índice
Qué es una Fuente de Alimentación…………………………………………………………..3
Fuentes de Alimentación Continuas……………………………………………………………3
Fuentes Estabilizadas y Reguladas……………………………………………………………..5
Qué es un Diodo Zener……………………………………………………………………………..6
Curva Característica del Diodo Tener………………………………………………………….7
Qué es el Efecto Zener……………………………………………………………………………..8
Diferenciación Entre Diodos Zener……………………………………………………………..9
Qué Hace un Regulador con Zener…………………………………………………………….10
Cálculo de la Resistencia Limitadora Rs………………………………………………………11
Ejemplo de un Diseño de Regulador de Voltaje con Zener……………………………11
Fuente de Tensión Estabilizada con Diodos Zener……………………………………….12
Bibliografía………………………………………………………………………………………………15
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¿Qué es una Fuente de Alimentación?
En electrónica, una fuente de alimentación es un circuito que convierte la
tensión alterna de la red industrial en una tensión prácticamente continua.
Fuentes de Alimentación Continuas
Usualmente la entrada es una tensión alterna proveniente de la red
eléctrica comercial y la salida es una tensión continua con bajo nivel de rizado.
Constan de tres etapas:

Sección de entrada: compuesta principalmente por un rectificador,
también tiene elementos de protección como fusibles, varistores, etc.

Regulación: su misión es mantener la salida en los valores prefijados.

Salida: su misión es filtrar, controlar, limitar, proteger y adaptar la fuente a
la carga a la que esté conectada.
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Este tipo de fuentes pueden ser tanto lineales como conmutadas.
Las fuentes lineales siguen el esquema: transformador, rectificador,
filtro, regulación y salida. En primer lugar el transformador adapta los niveles
de tensión y proporciona aislamiento galvánico. El circuito que convierte la
corriente
alterna
en
continua
utilizando diodos rectificadores,
se
ya
llama rectificador.
Esto
sean semiconductores de
se
realiza
estado
sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio.
Dependiendo de las características de la alimentación en corriente
alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados
por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases.
Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando
sólo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente, o de onda completa, donde
ambos semiciclos son aprovechados.
El tipo más básico de rectificador es el rectificador monofásico de media
onda, constituido por un único diodo entre la fuente de alimentación alterna y
la carga.
Después suelen llevar un circuito que disminuye el rizado (es la pequeña
componente de alterna que queda tras rectificarse una señal a corriente
continua) como un filtro de condensador. La regulación se consigue con un
componente disipativo regulable. La salida puede ser simplemente un
condensador.
Las fuentes conmutadas tienen por esquema: rectificador, conmutador,
transformador, otro rectificador y salida. La regulación se obtiene con el
conmutador, normalmente un circuito PWM(Pulse Width Modulation) que
cambia el ciclo de trabajo. Aquí las funciones del transformador son las mismas
que para fuentes lineales pero su posición es diferente. El segundo rectificador
convierte la señal alterna pulsante que llega del transformador en un valor
continuo. La salida puede ser también un filtro de condensador o uno del tipo
LC.
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Las ventajas de las fuentes lineales son una mejor regulación, velocidad
y mejores características EMC. Por otra parte las conmutadas obtienen un
mejor rendimiento, menor coste y tamaño.
Fuentes Estabilizadas y Reguladas
Además de la clasificación en fuentes de corriente y fuentes de tensión,
cabe distinguir dos tipos:
a) Fuentes estabilizadas: Consiguen la estabilización de la magnitud de
salida (tensión ó corriente) utilizando directamente la característica no lineal de
un dispositivo electrónico.
b) Fuentes reguladas: consiguen la estabilización de la magnitud de salida
mediante un sistema de control o de realimentación negativa que corrige
automáticamente dicha magnitud de salida.
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¿Qué es un Diodo Zener?
El diodo zener es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza
polarizado inversamente.
Recordar que los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde
se aprovechan sus características de polarización directa y polarización
inversa).
En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el
diodo.
Si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un
diodo rectificador común.
Cuando el diodo zener funciona polarizado inversamente
mantiene entre sus terminales un voltaje constante.
En el gráfico se ve el símbolo de diodo zener (A - ánodo, K - cátodo) y el
sentido de la corriente para que funcione en la zona operativa.
Se analizará el diodo Zener, no como un elemento ideal, si no como un
elemento real y se debe tomar en cuenta que cuando éste se polariza en modo
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inverso si existe una corriente que circula en sentido contrario a la flecha del
diodo, pero de muy poco valor.
Curva Característica del Diodo Tener
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Analizando la curva del diodo zener se ve que conforme se va
aumentando negativamente el voltaje aplicado al diodo, la corriente que pasa
por el aumenta muy poco.
Pero una vez que se llega a un determinado voltaje, llamada voltaje o
tensión de Zener (Vz), el aumento del voltaje (siempre negativamente) es muy
pequeño, pudiendo considerarse constante.
Para este voltaje, la corriente que atraviesa el diodo zener, puede variar
en un gran rango de valores. A esta región se le llama la zona operativa.
Esta es la característica del diodo zener que se aprovecha para que
funcione como regulador de voltaje, pues el voltaje se mantiene prácticamente
constante para una gran variación de corriente.
¿Qué es el Efecto Zener?
El efecto zener se basa en la aplicación de tensiones inversas que originan,
debido a la característica constitución de los mismos, fuertes campos eléctricos
que causan la rotura de los enlaces entre los átomos dejando así electrones
libres capaces de establecer la conducción. Su característica es tal que una vez
alcanzado el valor de su tensión inversa nominal y superando la corriente a su
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través un determinado valor mínimo, la tensión en bornas del diodo se
mantiene constante e independiente de la corriente que circula por él.
Diferenciación Entre Diodos Zener
Tres son las características que diferencian a los diversos diodos Zener
entre si:
a) Tensiones de polarización inversa, conocida como tensión zener.- Es la
tensión que el zener va a mantener constante.
b) Corriente mínima de funcionamiento.- Si la corriente a través del zener es
menor, no hay seguridad en que el Zener mantenga constante la tensión en sus
bornas
c) Potencia máxima de disipación. Puesto que la tensión es constante, nos
indica el máximo valor de la corriente que puede soportar el Zener.
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¿Qué hace un Regulador con Zener?
Un regulador con diodo zener ideal mantiene un voltaje predeterminado
fijo a su salida, sin importar las variaciones de voltaje en la fuente de
alimentación y/o las variaciones de corriente en la carga.
Nota: En las fuentes de voltaje ideales (algunas utilizan, entre otros elementos
el diodo zener), el voltaje de salida no varía conforme varía la carga.
Pero las fuentes no son ideales y lo normal es que el voltaje de salida
disminuya conforme la carga va aumentado, o sea conforme la demanda de
corriente de la carga aumente.
En otras palabras, el diodo zener se puede utilizar para regular una
fuente de voltaje.
Este semiconductor se fabrica en una amplia variedad de voltajes y
potencias. Estos van desde menos de 2 voltios hasta varios cientos de voltios, y
la potencia que pueden disipar va desde 0.25 watts hasta 50 watts o más.
La potencia que disipa un diodo zener es simplemente la multiplicación
del voltaje para el que fue fabricado por la corriente que circula por él. Pz = Vz
x Iz.
Esto significa que la máxima corriente que puede atravesar un diodo
zener es:
Iz = Pz/Vz.
Donde:
-
Iz
-
Pz
=
=
Corriente
Potencia
que
del
diodo
pasa
por
zener
el
(dato
diodo
del
Zener.
fabricante).
- Vz = Voltaje del diodo zener (dato del fabricante).
Ejemplo: La corriente máxima que un diodo zener de 10 Voltios y 50
Watts, podrá aguantar será: Iz = Pz/Vz = 50/10 = 5 Amperios.
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Cálculo de la Resistencia Limitadora Rs.
Esquema del regulador de voltaje con diodo zener.
El cálculo del resistor Rs está determinado por la corriente que
pedirá la carga (lo que vamos a conectar a esta fuente de voltaje).
Este resistor se puede calcular con la siguiente fórmula:
Rs = [Venmin - Vz]/1.1 x ILmáx
Ejemplo de un Diseño de Regulador de Voltaje con Zener
Una fuente de 15 voltios debe alimentar una carga con 9 Voltios, que
consume una corriente que varía entre 200 y 350 mA. (mili amperios). Se
escoge un diodo zener de 9.1 voltios:
-
Calculo
de
Rs:
Rs
=
(15-9.1)
/
(1.1x0.35)
=
15
ohms
- Cálculo de la potencia del diodo zener: PD = [(15 - 9.1) / 15] x 9.1 = 3.58
watts.
Como no hay un diodo zener de 3.58 Vatios, se escoge uno de 5 vatios
que es el más cercano
- Potencia de Rs: Un cálculo adicional es la potencia del resistor Rs. Este se
hace con la fórmula: P = I2 x R.
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Los datos actuales son: I (max) = 350 miliamperios = 0.35 amperios y
Rs = 15 Ohmios. Aplicando la fórmula, PRs = 0.352 x 15 = 1.84 Watts. Esto
significa que a la hora de comprar este resistor deberá ser de 2 Watts o más.
Nota: Ohmios = Ohms. Watts = Vatios.
Fuente de Tensión Estabilizada con Diodos Zener
El rizado y la resistencia de salida de una fuente no estabilizada
(transformador, rectificador
filtro) resultan ser demasiado grandes para
algunas aplicaciones. Se trata de reducirlos mediante una fuente estabilizada
que utiliza un diodo zener.
F A. no estabilizada
estabilizador
carga
Los datos de salida suelen ser:

Vs deseada.

Is máxima e Is mínima.

Rr.
Se desea calcular el zener y Rs
El
margen
de
variación
de
RLmáx = Vs / Ismín
la
resistencia
de
carga
será:
RLmín = Vs / Ismáx
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Elección del zener:
La tensión nominal del zener ha de ser igual a la tensión deseada:
Vz = Vs
Elección de Rs:
Para calcularla deberemos ver primero el circuito equivalente del zener
Diodo Ideal
Rz
vz
rz , Iz y Vz son características de cada zener en particular, y son suministradas
por el fabricante
El circuito resultante es:
en el que R's = Rr + Rs
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Resulta:
Vs = Iz rz + Vz
Vs = Is RL
Ve = Ie R's + Vs = (Iz + Is) R's + Vs
De donde operando :
Los valores límites de que garantizan que el zener trabaja en la zona
deseada son :
El valor de R's que se escoja debe cumplir :
R's mín < R's < R's máx
Se deberá procurar que el valor comercial de R's escogido esté más
cerca de R's
máx
que de R's
mín,
a fin de evitar que el zener se caliente
excesivamente.
Recuérdese que R's = Rr + Rs.
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Bibliografía:

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuente_de_alimentación

http://es.wikipedia.org/wiki/Rectificador

http://es.wikipedia.org/wiki/Rizado

http://www.ifent.org/lecciones/CAP16/cap1601.htm#16.2
FUENTE
ESTABILIZADA O

http://www.unicrom.com/Tut_diodozener_.asp

http://www.unicrom.com/Tut_reg_con_zener.asp

http://www.ifent.org/lecciones/zener/default.asp

http://www.unicrom.com/Tut_reg_con_zener.asp

http://www.ifent.org/lecciones/CAP16/cap1604.htm
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