Download Lab07 - Reguladores de voltaje

UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA
FACULTAD DE INGENIERÍA YCIENCIAS
DEPTO. DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS II
TEMA 7: Reguladores De Tensión Y Fuentes De Poder
PROFESOR :
J. I. Huircan
OBJETIVOS
ִ Familiarizar al alumno con los diferentes circuitos utilizados como fuentes de poder.
ִ Armar los diferentes diseños para tal efecto.
ִ Comprobar experimentalmente las características de las configuraciones propuesta.
INTRODUCCIÓN
En general la gran mayoría de los circuitos electrónicos requieren de una fuente de alimentación
de c.c. Como las baterías resultan poco económicas, sobretodo ante requerimientos de potencia
elevados, se recurre a sistemas que permitan convertir la señal de 220 Volts AC de la red en
corriente continua, con las condiciones de voltaje y corriente exigidas por el circuito en
particular. En esta sesión se analizará el comportamiento de diversos circuitos que cumplen
este cometido.
FUNDAMENTO TEÓRICO (Basic Review)
Los elementos de una fuente regulada se indican en el diagrama de bloques de la figura 1.
vs Voltaje no regulado
SALIDA
ENTRADA
RECTIFICADOR
FILTRO
REGULADOR
vs max
vs min
vr
t
(a)
(b)
Figura 1. (a) Diagrama de bloques de una fuente regulada. (b) Voltaje no regulado a la salida del filtro.
Estas etapas se decriben en los siguientes apartados. Para todos los casos RL representa la
carga al regulador y C corresponderá al filtro. Los esquemas presentados muestran las tres
configuraciones básicas.
Etapa Rectificadora
a. Rectificador de media onda
La forma más sencilla de rectificar la C.A. es cargar un condensador a través de un diodo.
D
vL
IL
+
220 vac
C
RL
Figura. 2. Rectificador de ½ onda.
Rev. 25-05-2015
Laboratorio de Circuitos II
b. Rectificador de onda completa
Este circuito aprovecha ambos semiciclos de la onda alterna.
D1
D2
v
L
220 vac
D3
D4
IL
+
C
RL
Figura 3. Rectificador de onda completa.
c. Rectificador de onda completa con punto medio
Este circuito aprovecha ambos semiciclos, con la diferencia que utiliza menos componentes y
además la configuración es más sencilla.
D 1
vL
IL
+
220 vac
C
RL
D 2
Figura 4. Rectifcador de onda completa con punto medio.
Etapa de Regulación
a. Reguladores De Tensión
Con Componentes Discretos
Existe un amplia gama de configuraciones que permiten realizar tanto la regulación de voltaje o
corriente de una fuente. Existen dos formas básicas de establecer la regulación: Paralelo o serie.
Fuente no
Regulador
regulada
Fuente no
Carga
regulada
(a)
Regulador
(b)
Figura 5. Esquemas de regulación. (a) Serie. (b) Paralelo.
Todos estos reguladores están construidos utilizando transistores, diodos zener, resistencias,
condensadores y AO´s. Un regulador básico consta de un resistor y un diodo zener, el cual se
conectará en paralelo con la carga (figura 6a). Sin embargo, este método no provee una buena
regulación debido a las limitaciones del zener (resistencia distinta de cero, capacidad de
corriente del zener, Vz disponibles, etc.).
El diseño de este regulador se basa en el cálculo de R, esto de acuerdo a la siguiente expresión.
Laboratorio de Circuitos II
Carga
R=
VNR − Vz
V − Vz
V − Vz
= smax
= smin
I
I zmax + I Bmin I zmin + I Bmax
El VNR (Voltage No Regulado) fluctua entre un Vsmax y Vsmin, el cual corresponderá al
voltaje de ondulación vr.
vL
R
IL
vs
VNR
vs
VNR
I
I
Iz
vz
vL
Q
R
IL
RL
RL
C
vz
(a)
(b)
Figura 6. (a) Regulador básico paralelo. (b) Regulador básico Serie.
Una modificación al regulador paralelo indicado, es la que se muestra en la Figura 6b. El zener se
conecta a la base de un transistor de potencia reduciendo de esta forma el flujo de corriente
por el diodo. En este caso R (para el circuito de la Figura 6b) se diseña de acuerdo a la expresión
R=
Vsmax − Vz
Vsmin − Vz
=
I Lmin
I Lmax
I zmax +
β I zmin +
β
Si se conoce la corriente maxima requerida (ILmax), se debe asegurar que por el zener circule
Izmin al menos. Esta corriente puede considerarse lévemente mayor que IZK del manual.
Habitualmente la corriente mínima de un zener fluctua entre 1 y 10 mA, de acuerdo a esto
puede estimar la corriente máxima que circulará por el zener
Izmax=10 Izmin
Debe asegurarse que la corriente máxima que circula por el zener no sea mayor que la permitida
por éste. Podría usar la expresión de la Potencia para estimar la corriente máxima.
b. Reguladores De Tensión Con CI´s
Idealmente se espera que la tensión de salida de una fuente sea independiente de la carga
aplicada. Sin embargo, en la práctica esto no sucede, pues, la exigencias de carga que se le
impongan a la fuente tienden en gran medida a hacer disminuir la tensión de la salida (a medida
que se requiere más corriente). Se hace necesario entonces recurrir a circuitos reguladores que
mantengan constante la salida, dentro de ciertos rangos de la corriente de carga dados por el
circuito regulador en particular.
Reguladores de tensión fija
A esta clasificación pertenecen los CI´s de la serie 78xx y 79xx, se tienen:
LM7812
LM7912
Regulador positivo, voltaje de salida: 12 volts, hasta 1 A
Regulador negativo, voltaje de salida: -12volts, hasta 1 A
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LM7805
Regulador positivo, voltaje de salida: 5 volts (hasta 1.5 A)
En el comercio se pueden encontrar reguladores fijos de 5, 6, 8, 12 y hasta 24 volts. La
configuración de uso es la que se muestra en la fig. 7.
78XX
Vi
Vo
Salida regulada
Salida rectificada
Figura 7. Regulador fijo.
Reguladores de tensión ajustable
A esta clasificación pertenecen los integrados de la línea que a continuación se indican:
LM317
LM350
LM338
Rango de salida: 1.2 - 37 volts (hasta 1.5A)
Rango de salida: 1.2 - 33 volts (hasta 3A)
Rango de salida: 1.2 - 32 volts (hasta 5 A)
Habitualmente un regulador ajustable se conecta como se indica en la Figura 8. La señal Vi
corresponderá a la salida del rectificador+filtro, luego Vo se conecta a la carga.
LM3XX
2
3
Vi
Vo
1
R2
R1
Figura 8. Regulador devoltaje ajustable.
Conviene revisar los data sheet de los CI´s.
Configuración mejorada para corrientes elevadas
Utilizando básicamente las mismas configuraciones anteriores, se pueden obtener corrientes de
salida aún mayores, empleando una configuración transistorizada de acuerdo al siguiente
esquema
Transistor de potencia
Vi
Regulador
Vo
R
Figura 9. Transistor de Paso.
Donde
R=
VEB(ON )
I REG
Laboratorio de Circuitos II
Etapa de Filtraje
La etapa de filtaje en este caso consiste en un capacitor electrolítico el cual puede ser
calculado en forma aproximada por la siguiente ecuación. De acuerdo al peak de la señal
sinusoidal, a la corriente promedio requerida, el usuario puede especificar el rango de la
ondulación. De esta forma el cálculo de los condensadores puede hacerse usando
C=
Vm
I
=
fv r Req fv r
Donde el Req representa el efecto de carga del regulador y RL. Para un rectificador de ½ onda,
donde I es la corriente máxima requerida, f es la frecuencia después de la rectificación de la red
y vr es el ripple. Para un rectficador de onda completa se usa
Vm
I
C=
=
2 fv r 2 Rfv r
Finalmente es posible construir un sencillo regulador reemplazando en el esquema de la Figura 1a,
los circuitos y componentes respectivos, de acuerdo a lo indicado en la Figura 10.
Filtro
Rectificador
D
220 vac
IL
R
vs
+
Regulador
C
I
vz
RL
v
L
Carga
Figura 10. Sistema Completo, EJEMPLO.
DESARROLLO TEÓRICO
1.
Diseñe el regulador básico indicado de la Figura 10 para:
ILMax
VL
vr
Considere los aspectos de potencia de los componentes en los cálculos. Revise las
conexiones del transformador disponible en pañol.
2. Diseñe el regulador de la Figura 6b, considerando el esquema de la Figura 10 con componentes
discreto para ser usado con el rectificador diseñado.
ILMax
VL
vr
Laboratorio de Circuitos II
3. ¿ A qué se le llama curva de regulación y cómo se determina? Especifique el circuito para
medir la curva de regulación
4. Revise y estudie la configuración de pines de los reguladores integrados, tanto fijos como
ajustables (LM78XX, 79XX, LM317 y LM337).
5. Diseñe un regulador de voltaje fijo (Figura 9)
ILMax
VL
CUESTIONARIO
1.
2.
3.
4.
Explique el concepto de factor de ripple.
Explique los conceptos de factor de regulación y factor de regulación de línea.
¿Qué desventajas le ve Ud. al usos de reguladores transistorizados?
Explique el mecanismo de regulación que usa un regulador serie y un regulador en derivación.
REVISE EL APUNTE RELACIONADO
RELACIONADO CON REGULADORES
REGULADORES DE TENSIÓN DISPONIBLE
DISPONIBLE
BIBLIOGRAFÍA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Savant, C.J, Diseño Electrónico
Caughlin, R., Driscoll, F., Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales.
Motorola, Linear Interface ICs databook.
Schilling, D.,Circuitos electrónicos discretos e integrados
Apuntes de Circuitos Electrónicos I
National Semiconductor, Linear Circuits.
PREINFORME: DESARROLLO TEÓRICO Puntos 1, 2, 4, 5 LAYOUT DE LOS CIRCUITOS
¡Recuerden que el layout es su diagrama de trabajo!.
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