1

REGULADORES LINEALES DE TENSIN (I) 1. Introduccin

El diagrama de bloques de una fuente estabilizada se muestra en la figura 1.

El transformador permite reducir la amplitud de la tensin. Esta reduccin es necesaria para alimentar muchos sistemas electrnicos con tensiones inferiores a la de la red de suministro (por ejemplo, los equipos electrnicos de consumo). Adems, el transformador proporciona aislamiento entre el equipo y la red.

El rectificador convierte la seal senoidalvs en una tensin unipolar con una componente de continua. A su salida se obtiene una forma de onda pulsante, pero esta tensin no es adecuada para alimentar equipos en continua.

La forma de onda a la salida del rectificador contiene, adems de la componente continua, componentes de seal (armnicos) que es preciso rechazar con ayuda delfiltro. En el caso ideal, la salida del filtro solo debera incluir la componente continua de la salida rectificada. Pero a la salida del filtro se observa un nivel de continua al que se le superpone una oscilacin (rizado) debida sobre todo al armnico principal, y que no se ha eliminado del todo.

El regulador desempea un doble papel, puesto que a su salida la tensin VO debe estar regulada al valor deseado, eliminndose el rizado. Dicho de otro modo, el regulador debe producir una tensin de salida de un valor estable aun cuando pueda haber fluctuaciones en la tensin de entrada. Pero tambin debe mantenerse estable la tensin de salida frente a variaciones en la corriente de carga. Por este motivo la impedancia de salida del regulador debe ser baja para que la tensin de salida se mantenga estable con independencia de la carga (cuando sta pueda variar; lgicamente, dentro de los lmites impuestos en el diseo).

Figura 1. Diagrama de bloques de una fuente de alimentacin de continua.

Fuente: A. Sedra, K.C. Smith, Circuitos Microelectrnicos, Oxford UniversityPress, 2004.

Consultar tambin la referencia [1].

RectificadorReguladorde tensin

Filtro Carga

Transformador

+

230 V (rms)50 Hz

-

+

vs

-

+

VO

-

IL

t t t t t

2

2. Revisin: regulador bsico con diodo zener (regulador paralelo)

Primero vamos a recordar cules son las regiones de operacin de un diodo de unin: - En la regin de polarizacin directa la corriente crece rpidamente con la tensin una vez se alcanza la tensin umbral (la tensin del codo en la curva I-V). Esta tensin vara de unos 0.6 V a 0.7 V en diodos de pequea seal, pero puede ser mayor en diodos rectificadores. Los clculos a mano se simplifican suponiendo que en el diodo cae una tensin constante e igual a la tensin umbral (despreciando la resistencia que ofrece el diodo). - Si el diodo se polariza en inversa la corriente se suele considerar despreciable: se comporta como un circuito abierto. - En la regin de ruptura la corriente crece rpidamente con la tensin, aunque tiene un valor negativo: ahora circula en sentido contrario al que tena en directa. Si despreciamos la resistencia que presenta el diodo en esta zona, podemos decir que la tensin tambin se mantiene constante.

Figura 2. Curva corriente-tensin de un diodo.

Los diodos zener pueden operar, dentro de ciertos mrgenes, en la zona de ruptura. En estos diodos (figura 3), por convenio, se suele considerar que la corriente iZ es positiva cuando va del ctodo K (la regin N) al nodo A (la regin P). El diodo est polarizado en la zona de ruptura siempre que la tensin vZ entre K y A supere un valor mnimo VZK: la tensin de rodilla (ahora el subndice K es la inicial de knee). Si queremos que la tensin sea prcticamente constante, la corriente en el punto de trabajo deber estar comprendida entre IZK e IZ(max). Si aseguramos que la corriente vare entre IZK e IZmax, entonces la tensin apenas sufrir variacin: esto equivale a despreciar el efecto de la resistencia incremental rZ del zener. SI la corriente es mayor que IZ(max), la disipacin de potencia supera el mximo garantizado por el fabricante, PZ(max). Y si es menor que IZK, el diodo entra en inversa y no estabiliza la tensin. Estos lmites de corriente estn marcados la curva IZ-VZde la figura 4 (se ha utilizado una aproximacin por tramos lineales). El fabricante suele indicar adems el valor de la tensin nominal VZT del zener medido a la corriente IZT (IZtest current).

iD

vD

Regin de ruptura

Polarizacininversa

Polarizacindirecta

iD

vD

Regin de ruptura

Polarizacininversa

Polarizacindirecta

3

Figura 3. Convenio para indicar la tensin (vz) yel

sentido de la corriente (iz) en un zener.

Figura 4. Aproximacin por tramos lineales (regiones

inversa y de ruptura).Fuente: M.H. Rashid: Circuitos

Microelectrnicos, International Thomson Editores,

2000. Se puede estabilizar la tensin de salida de una fuente de alimentacin conectando un diodo zener en paralelo con la carga (figura 5). La fuente no regulada incorporara el transformador, rectificador y filtro. El zener debe fijar la tensin de salida a un valor constante aun cuando puedan variar la tensin de entrada VI (la salida de una fuente no regulada) o la corriente por la carga (IL). Esto se consigue imponiendo como condicin: IZmin

4

Para imponer la condicin maxZZminZ III

5

Solucin.- 1. Calculamos la resistencia R suponiendo que la tensin de entrada es mnima y la corriente de carga mxima:

=+

=

+

= 209010

1214

mAmA

VV

II

VVR

(max)L(min)Z

Z(min)I

2. A la hora de elegir la resistencia debemos conocer tambin la potencia que disipar en las peores condiciones. La corriente por la resistencia y por el zener ser mxima con la carga desconectada y la mxima tensin de entrada:

A.VV

R

VVII

Z(max)I

(max)Z(max)R 3020

1218=

=

==

3. Podemos estimar fcilmente la mxima potencia que disipar la resistencia:

W..RIP (max)R(max)R 81203022

===

4. El zener disipar la mxima potencia tambin con la carga desconectada:

W..VIP Z(max)Z(max)Z 631230 ===

(consultando en los catlogos. se elige un diodo con potencia nominal mayor)

5. Si se produce un cortocircuito a la salida:

A.V

R

VI

(max)I

SC(max),R 9020

18=

== ( ) ( ) W..RIP SC(max),RSC(max),R 2162090 22 ===

6. En funcionamiento normal, la potencia total consumida por el circuito se expresa como:

R

VVVIVP LIIRIT

==

Vemos que solo depende de la tensin de entrada. Tendremos:

( ) W.P maxT 4520

618 =

=

( ) W.PTnom 23

20

416 =

=

( ) W.P minT 41

20

214 =

=

6. El rendimiento ser

Para IL = 90 mA: ( )( ) ( )%.

W.

A.V

P

IV

P

P

Tnom

LL

Tnom

L 3434023

09012===

Para IL = 45 mA: ( )( ) ( )%.

W.

A.V

P

P

Tnom

L 1717023

045012==

Vemos que, al ser independiente el consumo del circuito de la carga, el rendimiento se reduce bastante al reducirse la corriente de carga.

6

3. Regulador serie con transistor de paso

El regulador bsico del apartado anterior tiene como desventaja principal el hecho de que el zener debe absorber la corriente que no solicite la carga. Esta dificultad se puede soslayar conectando un transistor en serie con la carga. Como se observa en la figura (6), el transistor est conectado como seguidor por emisor. Al incorporar el transistor de paso, la corriente por la resistencia es ms pequea:

debe ser igual a la suma de la corriente mnima por el zener y la corriente de base, veces inferior a IL. Si la corriente IL disminuye, el incremento de corriente en el zener ser bastante menor que con el regulador bsico. Y tambin el zener utilizado soportar, en las peores condiciones, corrientes menores. Si es necesario, cuando la corriente requerida por la carga es grande, se puede reemplazar el transistor por un par Darlington. Si optamos por disear el circuito minimizando la corriente por el zener, razonando como en el apartado anterior tendremos:

(max)B(min)Z

Z(min)I

II

VVR

+

= ,

puesto que la corriente de base es mxima para la mxima corriente de carga.

Figura 6. Regulador serie con transistor de paso

Se puede sustituir la resistencia R por otras dos y utilizar un condensador de desacoplo como se indica en la figura 7. Este condensador ayuda a eliminar el rizado. Con el mismocriterio que antes:

(max)B(min)Z

Z(min)I

II

VVRR

+

=+ 21

Figura 7. Versin modificada del regulador serie

R

VIIL

IZ+

VZ-

IB

-VBE+

+

VL-

R2

VI IL

+VZ-

+

VL-

R1

C

7

Ejemplo 2.- (Ref. 7)Se trata de disear el regulador serie con las especificaciones siguientes:

Tensin de entrada: VI = 16 2 V

Tensin zener: VZ = 12 V para IZ(min) = 10 mA

Corriente mxima de salida: IL(max)= 1 A

Se utiliza el transistor BD135 ( = 100, VBE = 0.7 V) - Calcular el valor de la resistencia - Indicar las potencias mximas disipadas por el zener y la resistencia en funcionamiento normal. - Calcular la potencia consumida por el circuito en vaco (para la tensin de entrada nominal). - Calcular el rendimiento a media corriente y a plena corriente (para la tensin de entrada nominal). Solucin.- Con un zener de 12 V la tensin de salida es VL = VZ VBE = 12 V -0.7 V = 11.3 V. La resistencia

mnima que ofrece la carga ser entonces de 11 .

1. Calculamos la resistencia R de forma que pueda circular una corriente IZ(min) = 10 mA por el

zener y la mxima corriente de base, igual a IL(max)/( +1):

+

=

++

= 100

101

110

1214

1

AmA

VV

II

VVR

(max)L

(min)Z

Z(min)I

2. El diodo zener disipa la mxima potencia con la carga desconectada (IL = 0, lo que implica que

el transistor est en corte) y la mxima tensin de entrada:

mAVV

R

VVII

Z(max)I

(max)Z(max)R 60100

1218=

=

==

( )( ) W..VIP Z(max)Z(max)Z 72012060 ===

La disipacin mxima de potencia en la resistencia ser ahora:

( ) ( ) W..RIP (max)R(max)R 360100060 22 ===

3. Potencia consumida en vaco:

VI = 16 V IR = (VI-VZ)/R = (16 V-12 V)/100 = 40 mA PT = IRVI = (40 mA)(16 V) = 0.64 W

4. Para calcular la potencia consumida por el circuito, tenemos que calcular la corriente que entra en el regulador, cuyo valor aproximado es IL + IR. As:

PT= VI(IL + IR) - Potencia consumida a media corriente: PT = (16 V) (0.5 A +0.04 A) = 8.64 W Potencia entregada a la carga: PL= (11.3 V) (0.5 A) = 5.65 W

Rendimiento: = 5.65/8.64 = 0.65 (65 %) - Potencia consumida a plena corriente: PT = (16 V) (1 A +0.04 A) = 16.64 W Potencia entregada a la carga: PL= (11.3 V) (1 A) = 11.3 W

Rendimiento: = 11.3/16.64 = 0.68 (68 %)

El rendimiento no depende tanto de la corriente de carga como en el regulador bsico.

8

4. Regulador bsico realimentado

Los reguladores presentados en los apartados anteriores no pueden proporcionar una tensin de salida extremadamente precisa, ya que:

(1) La tensin de salida la establece directamente el diodo zener, sin que haya posibilidad de hacer ajustes

(2) Los circuitos analizados antes no incorporan ningn tipo de control interno. Es decir, si la tensin de salida tiende a modificarse (por ejemplo, debido al calentamiento del transistor regulador), no se consigue contrarrestar este efecto mediante un proceso de realimentacin.

Estos inconvenientes pueden superarse con los reguladores realimentados (figura 8), de forma que se obtienen tensiones de salida mucho ms precisas. Vamos a ver cmo funcionan este tipo de reguladores (sin tener en cuenta de momento el limitador de corriente). Supongamos que la tensin de salida tiende a crecer (decrecer). Entonces la salida del

sensor, VO, tiende a crecer (decrecer) y la del detector de error, VR VO, a decrecer (crecer). Esta tensin es amplificada por el amplificador de error y transmitida al transistor regulador, que trabaja como seguidor por emisor: por tanto, la salida tiende a decrecer (crecer). En resumen, el regulador tiende a contrarrestar las variaciones de la tensin de salida: debido a la accin de la realimentacin negativa, la salida tiende a mantenerse constante.

Figura 8. Estructura de un regulador realimentado (con limitador de corriente).

Fuente: E. Ded, J. Esp, Diseo de Circuitos y Sistemas Electrnicos, Marcombo, 1983.

Los bloques transistor regulador, sensor y tensin de referencia se implementan de forma parecida en este tipo de circuitos. En cambio, el amplificador detector de error se puede realizar de diferentes formas: con un amplificador operacional, con un par diferencial o con un amplificador con transistor.

Limitador de corriente

Si se produce un aumento excesivo de la corriente de carga, el transistor regulador puede resultar daado. Por esta razn conviene limitar la mximacorriente que entrega el regulador, sobre todo cuando pueda haber cortocircuitos entre la salida y tierra. Tambin la corriente se dispara si la carga conectada a la salida ofrece una resistencia demasiado pequea, o cuando se forma un puente de estao entre la salida y tierra en una placa impresa. El circuito de la figura 9 permite limitar la corriente de carga en situaciones como las que hemos comentado. Cuando la corriente de carga sobrepasa el mximo especificado para el regulador, la tensin en la resistencia R aumenta hasta llevar al transistor Q2 a conduccin: esto implica una reduccin de la corriente de base del transistor regulador Q1, evitando que la corriente de salida crezca sin control y protegiendo dicho transistor.

SENSOR(muestreode tensin)

LIMITADOR DE CORRIENTE

TRANSISTORREGULADOR

AMPLIFICADORDE ERROR

DETECTORDE ERROR

TENSIN DEREFERENCIA

CARGA

VR

VOVI

VOVR-VO

A(VR-VO)

9

La resistencia R debe elegirse de forma que Q2 entre en conduccin si la corriente de carga sobrepasa el mximo tolerado, IL(max):

( )maxLBEQ

I

VR

2=

Figura 9. Limitador de corriente.

Fuente: E. Ded, J. Esp, Diseo de Circuitos y Sistemas Electrnicos, Marcombo, 1983.

Ejemplo 3.- (Refs. 3 y 4)El circuito de la figura es un regulador realimentado bsico:

El amplificador y el detector de error estn integrados en un solo elemento: el amplificador operacional de ganancia A (que en realidad se trata de un amplificador diferencial).

La tensin de referencia la establece un diodo zener, polarizado mediante la resistencia R1.

La red de muestreo de tensin (sensor) es el divisor resistivo R1-R3.

El circuito no incorpora el bloque para la limitacin de corriente.

(a) Indicar de forma razonada cmo tiende a estabilizar la tensin de salida este regulador. (b) Deducir la expresin que relaciona la tensin de salida con la tensin de referencia.

I

Q1

Q2

R IL

IB

Al amplificador

detector de error

Al sensor

R1

D1

VIQ1 V O

R3

R2

I L

AAmplificador / detector

de error

VREFV

P

VN

-VBE

+

Red de muestreo

de tensin

10

(a) Supongamos el circuito entrega una corriente IL a la carga. Si VO se reduce (porque VI o la resistencia de carga se reducen), entonces la tensin VN disminuye. Pero la tensin VP se mantiene constante e igual a VREF gracias a la accin del zener. La tensin en la base del transistor, que se expresa como VB = A(VREF VN), aumenta. Como VO = VB VBE, VO tambin aumenta hasta que las tensiones en las entradas del operacional coincidan. El circuito contrarresta as la disminucin de VO. Si VO aumenta, entonces VN aumenta. AhoraVBdisminuye. Y VO tambin disminuye hasta que VN = VP = VREF. Tambin el circuito contrarresta el aumento de la tensin de salida.

De manera esquemtica:

(b) La tensin en la base del transistor se expresa como:

( )NREFB VVAV =

El divisor de resistencias muestrea la tensin de salida, de modo que la tensin VN es proporcional a la tensin de salida:

oN VV = ,

siendo el factor de proporcionalidad = R3/(R2+R3) (factor de realimentacin). Teniendo en cuenta que

BEBo VVV = ,

si combinamos estas relaciones:

( ) ( )( )

A

VV

A

AV

VVAVA

VVVAVVVAV

BEREFo

BEREFo

BEoREFBENREFo

+

+=

=+

==

11

1

En la prctica puede ignorarse el segundo trmino. Por ejemplo, con VBE =0.7 V, y A = 210

5 V/V (LM741), en el clculo de la tensin de salida

claramente domina el primer trmino.

( )

=

==

OB

NPB

REFP

N

NO

VV

VVAV

.cteVV

V

VV

( )

=

==

OB

NPB

REFP

N

NO

VV

VVAV

.cteVV

V

VV

11

Como la ganancia diferencial A de un amplificador operacional es muy grande (infinita si lo

consideramos ideal), podemos suponer A>> 1. Por tanto:

REFREFREFo VR

RV

R

RRVV

+=

+=

3

2

3

32 11

Como sabemos, esta misma expresin relaciona las tensiones de entrada y salida en un amplificador no inversor.

Ejemplo 4.-(Ref. 5) Calcular el voltaje de salida del siguiente circuito:

Suponemos que el diodo zener est correctamente polarizado con la resistencia de 1 k (la corriente que lo atraviesa es casi 10 mA). Si aplicamos la expresin deducida en el apartado anterior:

( ) V.V.k

kV

R

RV REFo 21015

10

1011

3

2=

+=

+=

[Tambin, considerando ideal el amplificador operacional, tendremos: VP = VN = 5.1 V

La corriente por R3 es: IR3 = VN/10 k = 5.1 V/10 k = 0.51 mA

Esta corriente se puede relacionar con VO:IR3 = VO/(R2+R3) = VO/20k

Igualando: VO /20 k = 0.51 mAVO = (0.51 mA)(20 k) = 10.2 V ]

R 1

+5.1 V

-

+ 15 V V O

R 3

R 2

1 k

10 k

10 k

12

5. Reguladores integrados de tres terminales

Este tipo de dispositivos se encuentran disponibles en encapsulado metlico o plstico. Solo se van a presentar dos tipos de reguladores de tres terminales: - los reguladores fijos de la serie 78XX (positivos) y 79XX (negativos) - los reguladores ajustables 117/317 (positivos) y 337 (negativos) A principios de los aos 70 la empresa Fairchild lanz al mercado los reguladores de la serie 7800. Su uso empez a extenderse por la facilidad de manejo, pero tambin por su tamao reducido, bajo coste y fiabilidad. Estos reguladores permiten fijar la tensin a diferentes valores, dependiendo la corriente mxima de salida del tipo de regulador. Por ejemplo, los reguladores del tipo LM78XX y LM78XXA de Fairchild son reguladores de tensin positivos de 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18 y 24 V, con una corriente mxima de salida de 1 A. En el cdigo marcado sobre la pastilla los dos ltimos dgitos corresponden a la tensin de salida. Es decir, el LM7805 proporciona una tensin de salida de 5 V, el LM7812 una tensin de 12 V, etc. Adems, en las hojas de datos se indican las tensiones de entrada mnima y mxima. A continuacin se indican las tensiones de salida y el rango de tensiones de entrada para los reguladores de la serie 78XX:

Regulador Vo(V) Vi(min)(V) Vi(max)(V)

7805 5 7 35

7806 6 8 35

7808 8 10 35

7809 9 11 35

7810 10 12 35

7812 12 14 35

7815 15 17 35

7818 18 20 35

7824 24 26 40

Para los reguladores de la serie 79XX se especifican los mismos valores, pero negativos. Los reguladores proporcionan diferentes corrientes de salida, dependiendo del tipo:

78LXX-79LXX: 0.1 A

78MXX-79MXX: 0.5 A

78XX-79XX: 1 A

78TXX-79TXX: 3 A Adems de Fairchild (LM78XX/79XX), otros fabricantescomercializan estos reguladores, como Texas Instruments (UA78XX/79XX) y Motorola (MC78XX/79XX). En la figura 10 se muestra el diagrama de bloques de este tipo de reguladores. Incorporan un divisor interno que muestrea la tensin de salida, un amplificador de error y una referencia de tensin, como los reguladores realimentados presentados antes. Tambin incorporan circuitos para la limitacin de la tensin de salida y una proteccin trmica que, caso de ser necesario, permite desconectar el elemento de control.

13

Figura 10. Diagrama de bloques de los reguladores 78XX y 79XX.

El conexionado de este tipo de circuitos es muy simple, sin necesidad de incorporar elementos externos (figura 11). A la entrada se puede conectar la salida de una fuente no estabilizada pero tambin de una fuente continua. En cualquier caso, la tensin de entrada debe ser entre 2 y 3 V superior a la de salida: esta diferencia recibe el nombre de dropout, y se puede consultar en la documentacin tcnica. Sin embargo, en las notas de aplicacin el fabricante recomienda conectar un condensador C1 de 330 nF en la entrada para eliminar efectos inductivos. Este problema surge si se utilizan conductores de potencia largos: por ejemplo, si el condensador de filtro de la fuente de alimentacin no regulada est

alejado del regulador. Tambin se recomienda conectar un condensador C2 de 0.1 F en la salida con el fin de mejorar la estabilidad y la respuesta transitoria, evitando la aparicin de oscilaciones indeseadas. Por ltimo, se conectan dos diodos como medida de proteccin. El diodo D1 se emplea para proteger al regulador ante una eventual descarga de C2 (si la tensin de entrada se reduce o se anula). Y el diodo D2 protege el circuito cuando hay una inversin de polaridad en la salida.

Figura 11. Conexionado y patillajede los reguladores 78XX

Elementode control

Proteccin trmica / Limitacin de corriente

Amplificador de error

Referencia

IN OUT

GND

R1

R2

78XX OUTIN

GND

Vi Vo

14

Figura 12.Conexionado de los reguladores 78XX con condensadores (en la entrada y la salida) y diodos de

proteccin.

A continuacin se enumeran algunas de las especificaciones recogidas en los catlogos:

Tensin de salida: valores tpico, mximo y mnimo

Regulacin de carga: variacin de la tensin de salida para una variacin en un cierto rango de la corriente por la carga

Regulacin de lnea: variacin de la tensin de salida para una variacin en un cierto rango de la tensin de entrada

Deriva de la tensin de salida: variacin que experimenta la tensin de salida con la temperatura (en mV/

oC)

Cada de tensin (dropout): valor mnimo de la cada de tensin entre entrada y salida

Corriente de reposo o de polarizacin (quiescentcurrent): corriente necesaria para el funcionamiento del regulador

Corriente de salida en cortocircuito

Corriente de pico de salida

El fabricante indica, como es habitual con los dispositivos semiconductores, tambin:

la resistencia trmica unin-ambiente y unin-cpsula

el rango de temperaturas de operacin y almacenamiento

Ejemplo 5.- (Ref. 7)Se trata de disear la fuente de alimentacin de la figura para una tensin de salida

de 5 V y una corriente mxima de salida de 1 A. Se utiliza el regulador A7805C de Motorola.

V o A7805C OUTIN

GND

C20.1 F

C 1 330 nF

C R L

+

v s

220 Vrms 50 Hz

V o 78XX OUT IN

GND

V i

D 1

D 2 C 2 0.1 F

C 1 330 nF

El fabricante especifica una tensin de salida entre 4.8 V y 5 V 25

oC) y entre 4.75 V y 5.25 V (si

prueba con una corriente de salida entre 5 mA y 1 A, una tensin de entrada entre 7 V y 20 V y una disipacin de potencia inferior a 15 W. Aunque la cada de tensin o dropoutV. As, tendremos una tensin mnima de 8 V en la entrada

VIN(min)

siendoVr la amplitud pico-pico del rizado, utilizar un transformador con una tensin de 8 V= 1 V, VR = 100 V). As:

82V 21V- Vr 8 V

CVr = ILtdescarga Vr = ILt

Puede emplearse un condensador de 8200

Ejemplo 6.-Se conecta a la salida de una fuente no estabilizada el regulador lineal LM7805, con una tensin de entrada media de 20 V y una corriente continua en la carga de 0.5 A. En la hoja de datos del LM7805 se especifica:

JC = 5

(a) Supongamos que queremos limitar lde 40

oC. Si la resistencia trmica

disipador-ambiente permitida? (b) Si la corriente por la carga fuera de 0.9 Aun disipador adecuado? (c) Supongamos que no se utiliza disipador. Lacorriente que puede consumir la carga sin dete (d) Si la temperatura ambiente fuera de 40sin disipador de forma segura?

El fabricante especifica una tensin de salida entre 4.8 V y 5 V (si la unin est a una temperatura C) y entre 4.75 V y 5.25 V (si TJ vara entre 0 y 125

oC). En ambos casos el dispositivo se ha sometido a

prueba con una corriente de salida entre 5 mA y 1 A, una tensin de entrada entre 7 V y 20 V y una disipacin de potencia inferior a 15 W.

dropout tiene como valor tpico 2 V, podemos fijar una V. As, tendremos una tensin mnima de 8 V en la entrada del regulador. Es decir:

IN(min) = Vsp 2V - Vr 8V

pico del rizado, V la cada de tensin de los diodos en directa. Decidimos utilizar un transformador con una tensin de 8 Vrms en el secundario y el puente de diodos B40C1000 (

Vr 1.31 V

tdescarga/C (1 A)(0.01 s) /C 1.31 V C 7630

Puede emplearse un condensador de 8200 F (tolerancia del 5 %) o de 10000 F (tolerancia del 10 %).

Se conecta a la salida de una fuente no estabilizada el regulador lineal LM7805, con una tensin de entrada media de 20 V y una corriente continua en la carga de 0.5 A. En la hoja de datos del LM7805 se especifica:

= 5oC/W; JA = 65oC/W; TJ(max) = 125oC

(a) Supongamos que queremos limitar la temperatura de la unin a 120oC. La temperatura ambiente es

C. Si la resistencia trmica cpsula-disipador es de 1 oC/W, cul ser la mxima resistencia

ambiente permitida?

e por la carga fuera de 0.9 Ay la temperatura ambiente de 80oC, podramos encontrar

(c) Supongamos que no se utiliza disipador. La temperatura ambiente es de 40oC. Cul ser la mxima

corriente que puede consumir la carga sin deterioro del regulador?

emperatura ambiente fuera de 40oC y la corriente de carga 0.5 A, podra operar el regulador

15

una temperatura TJ = el dispositivo se ha sometido a

prueba con una corriente de salida entre 5 mA y 1 A, una tensin de entrada entre 7 V y 20 V y una

una cada mnima de 3

la cada de tensin de los diodos en directa. Decidimos en el secundario y el puente de diodos B40C1000 (VF

F

F (tolerancia del 10 %).

Se conecta a la salida de una fuente no estabilizada el regulador lineal LM7805, con una

temperatura ambiente es C/W, cul ser la mxima resistencia

C, podramos encontrar

C. Cul ser la mxima

y la corriente de carga 0.5 A, podra operar el regulador

16

Solucin.

(a) En este caso se utiliza un disipador, luego el circuito trmico equivalente incorpora las resistencias

trmicas unin-encapsulado (JC), encapsulado-disipador (CS) y disipador-ambiente (JSA). La potencia media disipada por el regulador es igual a

PD = (20-5)(0.5) = 7.5 W , pues la tensin media en la entrada del regulador es de 20 V. Planteando la ecuacin del circuito trmico equivalente:

TJ TA = PD (JC + CS +SA)

SA = [(TJ TA)/ PD] - JC - CS Sustituyendo los valores:

JC = 5oC/W, CS = 1oC/W, PD = 7.5 W,TJ = 120oC, TA = 40oC,

se obtiene:

SA (mx.) = 4.67 oC/W (b) Razonando como en el apartado (a), si tenemos en cuenta que ahora la potencia disipada por el

LM7805 vale PD = (20-5)(0.9) = 13.5 W, sustituyendo valores (JC = 5oC/W, CS = 1oC/W, PD = 13.5 W,TJ = 120

oC, TA = 80

oC) en la expresin

SA = [(TJ TA)/ PD] - JC - CS se obtiene

SA = -3.04 oC/W, lo que carece de sentido fsico. Es decir, no existe un disipador adecuado para esta aplicacin porque el problema no tiene solucin. Habra que replantear los trminos del problema: utilizar otro regulador, reducir la temperatura ambiente mediante ventilacin forzada, Si admitimos una temperatura mxima en la unin de 125

oC (la que se especifica para el LM7805), obtendramos

Rth,SA= -2.67oC/W. Por tanto tampoco podramos encontrar un disipador que cumpla con los requisitos.

(c) Ahora el circuito trmico equivalente solo incluye la resistencia trmica JA. Se utiliza la relacin

TJ TA = PDJA , de la que podemos despejar la mxima potencia que puede disipar el regulador:

PD= (TJ TA)/JA = (125oC 40oC)/(65oC/W) = 1.3 W

Como PD = (VI VO)I, tendremos: I = PD/(VI VO) = 1.3 W/15 V = 87mA (e) La corriente est muy por encima del lmite calculado en el apartado (c). Lo mismo puede decirse de la potencia (que sera de 7.5 W). Por tanto, el regulador acabara destruyndose en estas condiciones. Otra forma de verlo consiste en calcular la temperatura que alcanzara la unin:

TJ = TA + PDJA = 40 oC + (7.5 W)(65 oC/W) = 527.5 oC,

muy por encima del mximo que soporta el componente.

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Referencias.-

(1) A. R. Hambley:Electrnica, Prentice Hall, 2000. (2) A. Sedra, K.C. Smith: Circuitos Microelectrnicos, Oxford University Press, 2004. (3) Thomas L. Floyd: Dispositivos Electrnicos, Pearson, 2008. (4) E. Ded, J. Esp:Diseo de Circuitos y Sistemas Electrnicos, Marcombo, 1983. (5) M.H. Rashid: Circuitos Microelectrnicos, International Thomson Editores, 2000. (6) S. Segu (y otros): Fuentes de alimentacin lineales, Servicio de Publicaciones de la Universidad

Politcnica de Valencia, 1993. (7) F. Montilla (y otros): Fuentes de alimentacin, Servicio de Publicaciones de la Universidad

Politcnica de Valencia, 1997. (8) S. Franco: Diseo con Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Analgicos, McGraw-

Hill, 1998.

(9) Hojas de datos de los reguladores A78XX: http://www.ti.com/product/ua7805 (10) Hojas de datos de los reguladores LM78XX: http://www.fairchildsemi.com/datasheets/LM