REGULACIÓN DE VOLTAJE 2015-1 Prof. Gustavo Patiño. M.Sc. Ph.D MJ 12- 14 28-04-2015.

REGULACIÓN DE VOLTAJE

2015-1

Prof. Gustavo Patiño. M.Sc. Ph.DMJ 12- 1428-04-2015

Fig. 3.36 Block diagram of a dc power supply.

TRANSFORMACIÓN AC/DC

Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

REGULADORES DE VOLTAJE

Un regulador de voltaje es un circuito cuya finalidad consiste en proporcionar un voltaje constante entre sus terminales de salida.

Es necesario que el voltaje de salida se mantenga tan constante como sea posible a pesar de: Cambios en la corriente de carga. Cambios en el voltaje de entrada a la etapa

reguladora.


REGULADORES DE VOLTAJE (2)

Existen varias formas de implementación de esta función. A continuación se estudiarán algunas de ellas:Regulador con diodo ZenerRegulador con circuito integrado



REGULADOR CON CIRCUITO INTEGRADO

2015-1


REGULADOR CON CIRCUITO INTEGRADO

Algunos diseños de circuitos reguladores se empaquetan en forma de C.I., cuyo diseño presenta un moderado nivel de complejidad que permite al dispositivo exhibir un buen desempeño en su función reguladora.

Usando estos elementos integrados como dispositivos base, se pueden construir circuitos reguladores con los cuales se logran altos niveles de rendimiento.


REGULADOR CON CIRCUITO INTEGRADO (2)

A continuación se estudiará un cierto tipo de reguladores en C.I., específicamente integrados de la familia MC78XX, los cuales permiten implementar voltajes regulados de distintos valores: 5V, 6V, 9V, 12V, etc.

El símbolo más utilizado para representar este tipo de dispositivos se muestra en la figura 1.9.5:



En la figura 1.9.6 se muestra el circuito básico que se utiliza para implementar la función reguladora con este tipo de C.I.:





Este circuito está diseñado para entregar un voltaje de salida lo más constante posible ante cambios en el voltaje de entrada y en la corriente de carga.

Además, posee circuitos de protección contra cortocircuitos, sobrealimentación y otras funciones que hacen de ésta una muy buena opción a la hora de implementar circuitos reguladores de voltaje.



Debido a estas características de funcionamiento, el diseño de circuitos reguladores que utilizan estos dispositivos se simplifica al punto de que basta con escoger el elemento adecuado para el nivel de tensión al cual quiere regularse el voltaje de salida, de acuerdo con su número de referencia, siguiendo la nomenclatura establecida para ello.



En el caso de C.I. de la serie MC78XX, los dos últimos caracteres corresponden al voltaje de salida regulado; por ejemplo, el C.I. MC7805 es un regulador de voltaje para 5V.

Si bien el diseño consiste simplemente en escoger el integrado adecuado, es necesario asegurarse de que su operación se encuentra enmarcada dentro de los niveles límite de voltaje, corriente y potencia para que su funcionamiento sea el esperado.

En especial, se debe asegurar que el voltaje de entrada al regulador esté contenido dentro del rango permitido por el integrado, y que la corriente que exige la carga no sea excesiva.


EJEMPLO DE ANÁLISIS DE UN CIRCUITO CON REGULADOR INTEGRADO

Considere el diseño de una fuente regulada de voltaje DC de 8V, usando un CI MC7808, como muestra la figura.


EJEMPLO DE ANÁLISIS DE UN CIRCUITO CON REGULADOR INTEGRADO (...CONT)

La hoja de especificaciones para este CI indica que debe existir una tierra común entre la entrada y la salida, y que la tensión mínima en la entrada del CI debe estar al menos 2 ó 4V por encima de la salida regulada.

Para asegurar esta última condición, es necesario filtrar la salida del rectificador. En la figura, CF realiza este filtrado cuando se combina con la resistencia de entrada del CI. La resistencia de entrada equivalente más pequeña del CI está

dada por Vsmin/ILmáx.Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

EJEMPLO DE ANÁLISIS DE UN CIRCUITO COM REGULADOR INTEGRADO (...CONT)

Entonces:

Donde Vsmáx es la tensión más grande que se aplica al CI, VL es el voltaje esperado en la carga. V es la caída de tensión del capacitor (es decir, la

tensión pico más grande aplicada al CI, menos la salida del CI más 4V) .

y fp es el número de pulsos por segundo.


EJEMPLO DE ANÁLISIS DE UN CIRCUITO COM REGULADOR INTEGRADO (...CONT)

El capacitor de salida Co, se añade para ayudar a aislar los efectos de la variación de carga. El capacitor corta las variaciones de alta frecuencia provenientes de la circuitería de carga.


CIRCUITO REGULADOR LM317

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DEL INTERIOR DEL LM317


CIRCUITOS DE REGULACIÓN DE VOLTAJE

BASADO EN EL LM317



MODELO DE SPICE DEL CIRCUITO INTEGRADO REGULADOR DE VOLTAJE LM317


EJEMPLO DEL USO DE MODELO DEL LM317 EM SPICE

RESULTADO DE LA SIMULACIÓN

Señales en el condesador y en la carga


EL DIODO ZENER

2015-1


OPERACIÓN SEGURA EN REGIÓN DE RUPTURA


DIODO ZENER


CURVA CARACTERÍSTICA DE LOS DIODOS ZENER


VOLTAJE Y CORRIENTE EN EL DIODO ZENER


DETALLE DE LA REGIÓN DE RUPTURA EN LOS DIODOS ZENER


Fig. 3.31 The diode i-v characteristic with the breakdown region shown in some detail.

Aproximando la característica del Zener a una recta (cerca de Q) se tiene que:

Donde rZ se conoce como la Resistencia Dinámica del diodo Zener.

IrV Z

DETALLE DE LA REGIÓN DE RUPTURA EN LOS DIODOS ZENER (2)


ZZZZ irVv 0

MODELO LINEAL POR PARTES DEL DIODO ZENER

Fig. 3.32 Model for the zener diode.

Donde:

ZZZZ IrVV 0

V V II ZOZZKZ y

con:

z.1 Eq.


REGULADOR ZENER DE VOLTAJE


REGULADOR ZENER DE VOLTAJE (2)

El circuito básico que se utiliza para implementar la función reguladora con diodo Zener se presenta en la figura:


REGULADOR ZENER DE VOLTAJE (3)


ANÁLISIS DEL REGULADOR ZENER


ANÁLISIS DEL REGULADOR ZENER (2)







EJEMPLO

El diodo Zener de la figura está especificado para tener Vz= 6.8V a Iz=5mA, rz=20Ω,

Izk=0.2mA (Datos obtenidos de la hoja

de datos del Zener)

El voltaje de alimentación V+ es nominalmente de 10V, pero puede variar en ±1V.


EJEMPLO (..CONT)

1. Encuentre Vo cuando no hay carga y con V+ a su valor nominal.

2. Halle el cambio en Vo que resulta del cambio de ±1V en V+.

3. Encuentre el cambio en Vo que resulta de conectar una resistencia de carga RL=2kΩ.

4. Encuentre el valor de Vo cuando RL=0.5kΩ5. ¿Cuál es el valor mínimo de RL para el

cual el diodo todavía opera en la región de ruptura?


SOLUCIÓN AL EJEMPLO

1. Primero debemos determinar el valor del parámetro Vzo del modelo del diodo Zener. Al sustituir Vz= 6.8V, Iz=5mA, rz=20Ω, en la ecuación

resulta Vzo= 6.7V. En la siguiente figura, se muestra el circuito con el

diodo Zener reemplazado por su modelo. Cuando no hay carga conectada, la corriente que pasa por el Zener está dada por:

z.1 Eq.


SOLUCIÓN AL EJEMPLO (..CONT)

2.Para un cambio de ±1V en V+, el cambio en el voltaje de salida se puede encontrar a partir de:

VxrIVV

Entonces

mArR

VVII

zzzoo

z

zoz

83.602.035.67.6

:

35.602.05.0

7.610

mVrR

rVV

z

zo 5.38

20500

201



3. Cuando se conecta una resistencia de carga de 2kΩ, la corriente de carga será aproximadamente 6.8V/2kΩ=3.4mA. Entonces el cambio en la corriente de Zener será

ΔIz=-3.4mA y el cambio correspondiente en el voltaje Zener (voltaje de salida) será de:

mVIrV zzo 68)4.3(20



Se puede obtener una estimación más precisa de ΔVo al analizar el circuito del modelo equivalente del Zener. El resultado de este análisis es ΔVo=-70mV.



4. Una RL de 0.5kΩ tomaría una corriente de carga de 6.8/0.5=13.6mA.

4.Esto no es posible porque la corriente I alimentada a través de R es de sólo 6.4mA (para V+=10V).

5.Por lo tanto el Zener debe apagarse. Si éste es el caso, entonces Vo está determinado por el divisor de voltaje formado por RL y R:

VRR

RVVo

L

L 55.05.0

5.010



Como este voltaje es menor que el voltaje de ruptura del Zener, de hecho el diodo ya no opera en la región de ruptura.

5. Para que el Zener se halle en el borde de la región de ruptura, Iz=Izk=0.2mA y Vz≈ Vzk≈ 6.7V.

En este punto (en el peor de los casos) la mínima corriente alimentada a través de R es (9-6.7)/0.5=4.6mA y entonces la corriente de carga es 4.6-0.2=4.4mA. El valor correspondiente de RL es:

RL = 6.7/4.4 ≈ 1.5kΩ.Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

**** INCLUDING zener-SCHEMATIC1.net ***** source ZENERR_Rs 1 2 265 V_Vs 1 0 10vD_D4 0 2 D1N750 R_RL 0 2 {Rval} .PARAM Rval=100

*Analysis directives: .DC LIN V_Vs 0 30 0.1 .STEP PARAM Rval LIST 940, 94.PROBE V(*)

.END

Ejemplo de un Ejemplo de un regulador Zenerregulador Zener

Esto es:

A menor RL se requiere más voltaje en la fuente de entrada que permita que el zener actúe como regulador con su valor aproximadamente constante.

A qué se debe esto ??

DISEÑO DEL REGULADOR ZENER EN PARALELO

Del circuito se observa que la mínima corriente Zener se presenta cuando VS está a su mínimo e IL está a su máximo.


DISEÑO DEL REGULADOR ZENER EN PARALELO

La resistencia Ri debe ser tal que el diodo permanezca en el modo de voltaje constante sobre el intervalo completo de variables.

Del circuito se obtiene que en general:

DISEÑO DEL REGULADOR ZENER EN PARALELO (2)

Para asegurar que el diodo permanezca en la región de voltaje constante (ruptura) se examinan los dos extremos de las condiciones de entrada-salida.

Caso de VZ constante (Diodo zener ideal)

z.4 Eq.z.3 Eq.

DISEÑO DEL REGULADOR ZENER EN PARALELO (3)

Para el caso de un diodo más real, el cambio en las ecuaciones sería sólo en la expresión del voltaje en el Zener, tanto en condición de corriente mínima en el Zener, como su condición de corriente máxima:

minmin 0 ZZZZ IrVV

maxmax 0 ZZZZ IrVV


ANÁLISIS DEL CIRCUITO Y ECUACIONES (2)

maxmin

minmin

maxmin

minmin 0

LZ

ZZZs

LZ

Zsi II

IrVV

II

VVR

iR

VVI zs

Rminmin

min

maxminmin LZR III

z.5 Eq.

CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE EL DISEÑO DE REGULADORES CON ZENER

Es necesario conocer los niveles extremos del voltaje que desea regularse, así como el nivel de voltaje que se desea a la salida.

Con base en dichos datos se escoge el diodo Zener adecuado, a fin de luego determinar el valor de la resistencia Ri que asegure su correcto funcionamiento (usando las ecuaciones y ), y así completar el diseño de la configuración básica presentada en la figura 3.35 (Sedra/Smith, Cuarta Edición).

z.3 Eq. z.4 Eq. z.5 Eq.


Fig. 3.36 Block diagram of a dc power supply.

TRANSFORMACIÓN AC/DC


EJEMPLO: ANÁLISIS EN SPICE DE UNA FUENTE DE VOLTAJE DC


Fig. 3.33: A 5V regulated Power supply

R

R= ?C= ?

ESPECIFICACIONES DE DISEÑO

Let us consider using the circuit configuration shown in Fig. 3.33 to design a 5V power supply for an application that requires a maximum load current of 20mA.

The 120Vrms AC household voltage is stepped down to a 12 Vpeak level using a center-tapped transformer with each coil on the secondary side having a turns ratio of 14:1 with respect to the primary coil.


ESPECIFICACIONES DE DISEÑO (...CONT)

Further, we have at our disposal a zener diode that has V_Z=5.1 V at a current of 20 mA and has a dynamic resistance r_z=10 Ohms.

We also know that the minimum zener diode current must be limited to 5 mA if we are to maintain the diode in its breakdown region.

Assuming that the input voltage to the voltage regulator circuit ranges between 9 and 12 V, design the Voltage Regulated Power Supply.


SEGMENTO DEL CÓDIGO EN SPICE CON LA SOLUCIÓN DEL EJEMPLO


SEGMENTO DEL CÓDIGO EN SPICE CON LA SOLUCIÓN DEL EJEMPLO (...CONT)


SEGMENTO DEL CÓDIGO EN SPICE CON LA SOLUCIÓN DEL EJEMPLO (...CONT)


RESULTADO DE LA SIMULACIÓN

C= 193.7uf


RESULTADO DE LA SIMULACIÓN (..CONT)

C= 193.7uf

Zoom en el voltaje en el condensador

Vr = 9.722 – 9.015 = 707.6mV





Zoom en el voltaje en el condensador

C= 583ufVr = 9.47 – 9.223 = 245.8mV


Análisis del comportamiento del regulador para varios valores de carga RL


Voltaje de salida del regulador para diferentes valores de carga

DESEMPEÑO DE UN CIRCUITO REGULADO MEDIANTE DIODO ZENER

DESEMPEÑO DE UN CIRCUITO REGULADO MEDIANTE DIODO ZENER (2)

Esta configuración permite entregar un voltaje Vo casi constante al bloque de carga, a pesar de cambios en la corriente exigida por ella, y de variaciones en el voltaje de entrada.

Analizando dicha configuración:

)//.(.. RrIrR

rV

rRR

VV zLz

zs

zzoo

z.2 Eq.



Para medir el desempeño de un circuito regulador se usan dos parámetros:

Regulación de Línea: Expresa el cambio en Vo debido a un cambio de 1V en Vs.

Regulación de Carga: Expresa el cambio de Vo debido al cambio de 1mA en IL.

s

o

VV

L

o

IV


De la relación anterior y los conceptos de regulación de línea y regulación de carga se tiene que para este regulador con diodo Zener:

z

z

s

o

rRr

VV

)//( RrIV

zL

o

Regulación de línea

Regulación de carga

z.2 Eq.


Generalmente rz << R, y la regulación de carga está determinada casi por entero por el valor de rz.

La última ecuación también indica que sería deseable un valor grande de R, pero hay un límite superior en el valor de R para asegurar que la corriente que pasa por el diodo Zener nunca se haga demasiado baja. De lo contrario, rz aumentará y la operación del

zener se degradará.


ANÁLISIS DEL CIRCUITO Y ECUACIONES

maxmin

minmin

maxmin

minmin 0

LZ

ZZZs

LZ

Zs

II

IrVV

II

VVR

iR

VVI zs

Rminmin

min

maxminmin LZR III

z.5 Eq.

APORTE DEL ESTUDIANTE

Para el estudiante: En tu tiempo extra-clase, de qué manera puedes

complementar el contenido dado en esta clase ? Qué información adicional complementa y ayuda a

comprender mejor el contenido de estas diapositivas ?

Qué preguntas te surgen de esta clase? Qué respuestas le das a dichas preguntas?

Busca más bibliografía e información adicional que complemente tus respuestas y el contenido de esta clase. Consulta oportunamente al profesor del curso para

complementar tus respuestas y resolver tus dudas restantes.


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REGULACIÓN DE VOLTAJE 2015-1 Prof. Gustavo Patiño. M.Sc. Ph.D MJ 12- 14 28-04-2015.

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