Diseño de una fuente regulada con el regulador tipo LM7805, compacta

Diseño de fuente de alimentación regulada compacta.

Objetivo

Se requiere obtener una fuente de alimentación para un circuito integrado digital. Se desea que ocupe el menor espacio posible por lo que se construirá con los componentes de menor tamaño, pero que brinden seguridad de funcionamiento.

Los requerimientos necesarios para cumplir con el propósito de alimentar el circuito son:

Voltaje de carga 5V Corriente de carga 500mAVoltaje de rizado 1mVpp, después de regulador.

Esto porque la carga es un circuito digital.

Para cumplir con los requerimientos es necesario que el regulador lineal de voltaje simple, esté compuesto por los siguientes componentes:

a) Transformadorb) Rectificadorc) Filtro (Capacitor)d) Regulador Integrado de Voltajee) Disipador de calor para el regulador integrado

Esta configuración podría ser descrita por el diagrama de bloques que se muestra a continuación:

Figura Nº1. Diagrama de bloque de una fuente regulada de voltaje.

Se procede a diseñar cada uno de los bloques funcionales:

a) TransformadorAquí se procede de tres procedimientos para la obtención de datos.

Primer método

Este punto es el que se desea disminuir su tamaño y para eso se diseñará, partiendo del voltaje mínimo necesario a la entrada del regulador, para que este regule adecuadamente. Según las especificaciones del fabricante es 7.5V

Se tomará un 15% de seguridad sobre este voltaje, obteniendo de esta forma 8.625V;

Es necesario que después del rectificador de puente de onda completa y capacitor, se suministre 8.625V y 1A, donde será el mínimo voltaje necesario, para que el regulador pueda ser utilizado en la zona de operación deseada.

Para el diseño del transformador, se desea el menor tamaño posible; para esto se procede de la siguiente manera:

Vdcpc = 8.625V esto a, (plena carga)ILpc = 1A

Utilizando el siguiente circuito aproximado:

De esta forma se procede a calcular el transformador por medio de la relación de vueltas, donde se modela el efecto neto de las pérdidas internas de la fuente de alimentación. Esas pérdidas ocuren debido al transformador, los diodos, el capacitor e incluso los alambres que se dirigen a la toma de pared. Lo primordial es obtener el efecto neto que se denomina como RO.

Se puede encontrar que

de esta forma se sustituyen los valores, donde se escoge un valor para RO = 6,(criterio propio) Vcdsc = 8.625 + 1(6) = 14.625VDe esta forma se puede obtener el voltaje máximo saliente del transformador

Em = Vcdsc

Entonces V,

Para así encontrar la relación de vueltas del transformador en el peor de los casos, con un voltaje de entrada de 100V, en lugar de 125V.

; lo que se aproxima a una relación de 10 : 1.

Y generalmente existen tranformadores de relación de corriente en el secundario, para la utilización de puente de diodos, como:

Isec rms = 1.8 Ilpc, con lo que se aproxima a 2A en el secundario. Aquí el peor de los casos se debería, tener una corriente menor de la especifica, pero dado que se utilizará el anterior criterio no existirá ningún inconveniente.

Rediseñando con dispositivos reales

Existen comercialmente transformadores que proporciona 115 / 12.6 V @ 2A, de un secundario. Por lo que al retroceder en los cálculos, se obtiene 11.8Vcdpc, con lo que el regulador efectuará su labor. Con lo que RO = 6.01.

Segundo método

Para este método será necesario la utilización de los valores de voltaje de rizado que se dan en la tabla #2. Por el motivo, del tipo de equivalente a utilizar.

Utilizando el siguiente esquema para la obtención de los datos:.

de aquí se puede obtener la expresión:

VL,P = voltaje pico en la carga

VL,DC = voltaje de corriente directa en la carga VS,P = voltaje pico de la señal de entrada, voltaje en el secundario del transformadorVrpp = voltaje de rizo pico a picoVD =voltaje en el diodoRO = resistencia del secundario del transformadorRL = resistencia de carga

Despejando VL,P y sustituyéndolo en la segunda ecuación se resuelve para VS,P:

sustituyendo los valores, VD = 0.7V VL,DC = 8.625V Vrpp = de acuerdo al voltaje de rizado que se desee a la salida del regulador y al capacitor a utilizar.RO = 1.4RL = 8.625V /1 A = 8.625De la siguiente tabla, sustituyendo los valores de voltaje de rizado, se obtiene una determinada entrada:

Tabla #1. Valores obtenidos de la sustitución de los anteriores datos. Capacitor (f) VS.P (V) VS.rms (V) Vrpp1 (V) Vrpp2 (mV)680 15.083 10.66 6.295 51000 13.840 9.786 4.156 3.32200 12.520 8.854 1.889 1.53300 12.160 8.595 1.258 1

VS.rms (V) = voltaje del secundario rms.

Para mi diseño escogería el valor del voltaje de rizo de 1.889V, para obtener a la entrada un voltaje de 8.85V. Esto por el hecho que el nivel de variación en el rizo de salida del regulador es aceptable para la carga, dado que es soportable en le nivel de ruido; y porque se desea obtener un circuito compacto, que reúna las características mínimas. Escogiendo la corriente como en el primer método, de 2 A.

Rediseñando con dispositivos reales

Existen comercialmente transformadores que proporciona 115 / 12.6 V @ 2A, de un secundario. Por lo que al retroceder en los cálculos, se obtiene:

Con VS,P = 17.81V, logrando las siguientes opciones:

Tabla #2 . Valores con dispositivo real. VS.P (V) VL.DC (V) Vrpp1 (V)17.81 10.98 6.29517.81 12.05 4.15617.81 13.18 1.88917.81 13.49 1.258

Tercer método

Aquí lo que se hizo es comparar los datos obtenidos, en los diseños, con los nomogramas de Stringham.

RS incluye la resistencia dinámica del diodo y la resistencia de ca que del secundario del transformador. Donde en la siguiente tabla se dan algunos datos de esta resistencia para fuentes comunes.

Tabla #3. Valores típicos de RS en función del voltaje en el secundario y la corriente

Gráfico # 1. Nomograma para determinar los parámetros del circuito a diseñar.

utilizando las ecuaciones del resultado de los gráficos se pude obtener, para un transformador real, con un capacitor los resultados siguientes:

Rl:= Resistencia de carga.Req := Rl / Rs Ceq := Rs * Cf * (f / 60)Vlpico = Vlmax - 2VdIpico = Vlpico/(Rs*Rcarga)

Con lo que obtiene, para un transformador real:

VD = 0.7VVLpico = 12.6*1.414 -1.4=16.419VRl:= 8.625Rs = 1.4Req := Rl / Rs = 6.16Ceq := Rs * Cf * (f / 60) = 3080 ufCf = 2200 ufV1 = 0.62*VL = 10.18 VV2 = 0.75*VL = 12.31 VVrpp = V1 - V2 = 2.13V

Para encontrar la corriente pico al momento de accionarlo se muestra como sigue, utilizando el siguiente gráfico:

Gráfico #2. Nomograma para determinar las corrientes picos del diodo.

Rcarga = 3.75Ipico = Vlpico/(Rs*Rcarga) = 3.127 A

Lo interesante es la obtención de nuevas variantes, como la del valor de rizo que es muy parecido al obtenido con la aproximación que hace Boylestad.

Que pasa con el valor del transformador que se desea construir, se tendrían los siguientes datos, para un capacitor de 2200f:

Por el primer métodoVrms = 10.34V a la salida del secundario.Vpico = 14.62 -1.4 = 13.22V

V1 = 0.62*VL = 8.196 VV2 = 0.75*VL = 9.915 VVrpp = V1 - V2 = 1.719V

Para encontrar la corriente pico al momento de accionarlo se muestra como sigue:

Rcarga = 3.75Ipico = Vlpico/(Rs*Rcarga) = 2.51A

Para el segundo método:

Vrms = 8.855V a la salida del secundario.Vpico = 12.52 -1.4 = 11.12V

V1 = 0.62*VL = 6 .89VV2 = 0.75*VL = 8.34 VVrpp = V1 - V2 = 1.45V

Para encontrar la corriente pico al momento de accionarlo se muestra como sigue:

Rcarga = 3.75Ipico = Vlpico/(Rs*Rcarga) = 2.12A

Comparando este rizado se aproxima bastante al desarrollado por Boylestad.

Para el diseño del fusible

Dado que durante el encendido puede haber un pico de corriente se escogerá un fusible de disparo o de reacción lenta; esto para cuando el capacitor cargue; para que ese pico de corriente no lo queme, pero con la salvedad de que actúe antes de que se dañen los demás dispositivos. Posteriormente la corriente se estabilizará y se escoge un fusible de al menos una corriente límite 25% mayor que la esperada, así que si se espera una corriente de 0.5 A, el fusible debería ser de:

Dado que comercialmente no existe un fusible para 0.625A se escoge, para un amperio.

b) Capacitor

Primer método

Cuando se enciende la fuente, un voltaje rectificado de 120 Hz se aplica al capacitor. El capacitor debe ser lo suficientemente grande para suministrar la corriente con sólo una pequeña caída. Por lo tanto, se tiene que:

CIcd

VrpicoF

3 2 4( . )( ) 1

y dado que tenemos que el voltaje de rizado pico a pico, se desea de 1mV y la razón PSRR, tiene un valor mínimo de 62 dB, obtenido de las hojas del fabricante del regulador de voltaje LM7805, se obtiene por la relación:

106220

VinVout

Y dado que Vout es de 1mV, como se especificó.

1258.925 * 1e-3 = VIN = 1.258V

Y teniendo esto, el voltaje pico a pico después del filtrado, es de 1.258 V; la corriente en la carga es de 500mA, entonces se procede a calcular el valor de la capacitancia C:

Después de obtenido este valor, resta buscar el valor comercial más cercano que satisfaga la condición de diseño. Para esto existen capacitores de 3300 microfaradios, con tolerancia del 10% y con un voltaje de trabajo de 50V,(este voltaje es V = Vcdsc + 20%Vcdsc). Con 3300f, para el peor de los casos, se tendrá V rp = 0.699V. se encuentra como aceptable, dado que se obtiene Vrpp = 1.1mV; esto a la salida del regulador, con PSRR = 61.99dB.

Pero dado que el capacitor escogido, ocupa bastante espacio físico, si escogemos alguno más pequeño sin llegar a trastornar la regulación, obtenemos:

1 Tomado del Boylestad. Pp 778,792

Tabla #4. Valores de consideración tomando diferentes capacitores. Diseño con transformador realCapacitor (f) VIN (V) Vrpp1 (V) Vrpp2 (mV) PSRR (dB) %rizo (V) VL mínimo (V)680 12.6 6.295 5 62 10 8.6521000 12.6 4.156 3.3 62 6.7 9.7222200 12.6 1.889 1.5 62 5 10.853300 12.6 1.258 1 62 2 11.17

VIN = voltaje de salida del transformador, (rms).Vrpp1 = voltaje de rizo, componente ac del voltaje después del capacitor de filtrado.

Vrpp2 = voltaje después del regulador de voltaje. Y % *100, donde

.

VL mínimo = Vcdpc - Vr(pico), donde VL mínimo, es el voltaje máximo que se encontraría antes del regulador.

Tabla #5. Valores de consideración tomando diferentes capacitores. Diseño con transformador a construir.

VIN (V) %rizo (V) VL mínimo (V)10.4 12 5.47810.4 8 6.54710.4 6 7.680 (7.575*)10.4 2 7.996

* voltaje en el peor de los casos al emplear el 10% menos del valor del capacitor.

Segundo método Se hace un serie de aproximaciones para la obtención del voltaje de rizo, y se llega a

la expresión siguiente:

2 Siendo VO, el voltaje de rizo pico a pico.

Los valores del rizado pico a pico, serán los anteriormente calculados de la relación de rechazo de rizado. Se observa de la tabla #6:

Tabla #6. Valores de capacitores obtenidos del segundo método.2 Tomado del Coughlin & Driscoll. Pp 463-468.

Capacitor (f) Vrpp1 (V)Teórico Real Teórico Real*794.28 1000 6.295 5.0001203.08 1200 4.156 4.1672647.00 3300 1.889 1.5153974.56 4700 1.258 1.064

*Se refiere al valor calculado del capacitor real.

Estos valores son comparados con los que se obtuvieron en el laboratorio, en la parte experimental.

c) Rectificador

Se escogió un rectificador puente. Cuando la fuente se enciende por primera vez, el capacitor está totalmente descargado y aparece como un corto para el puente rectificador. Lo único que limita la corriente en ese momento es la resistencia de las bobinas del secundario. Este flujo de corriente repentino se llama corriente pico y se calcula como sigue:

IpicoVpico

Rs

donde Rs es la resistencia del secundario cuyo valor típico es de 1.4 ohmios con lo cual la corriente pico, si se tienen 12.6 Vrms para el transformador real:

Ipico = 17.81V / 1.4= 12.72 APara el transformador a diseñar, se desarrollará el fusible con 10.4Vrms, de tal fo4rma se obtendrá: Ipico = 14.70V / 1.4= 10.50 A

Generalmente estos picos no dañarán el puente de diodos si esta corriente pico se presenta en un tiempo muy corto, pero para ello en el rectificador se escoge con una corriente superior a esta no repetitiva.

Por otro lado la fuente va a entregar 2 amperios de corriente, por lo que se debe utilizar un puente rectificador que pueda manejar tal corriente sin dañarse, entonces se tendrá que usar un rectificador que soporte 2A de corriente continua.

Por lo que para la escoger el rectificador, se hace por medio de la corriente que se debe suministrar, el voltaje que debe soportar y además de la corriente pico no repetitiva máxima. Por ello se escoge el NTE 167, de Pvr = 200V, IFSM = 60 A, y una corriente de 2 A.(donde Pvr , se escogió como Vcdsc + 20%Vcdsc de lo teórico, IFSM corriente pico no repetitiva)

d) Regulador de Voltaje

En este diseño, se utilizará el integrado LM7805 que es un regulador de tres terminales. Después de conectar el regulador de voltaje, opcionalmente se puede colocar un capacitor de 100pF para filtrar la salida de ruido de alta frecuencia.

e) Disipador de Potencia

Suponiendo que se trabajará a una temperatura ambiente de 25ºC, tomando los datos del encapsulado TO-220 ( jc = 4ºC/W y ca = 50ºC/W ), en el regulador LM7805.

Empleando la forma de diseño para el disipador, expresado en la revista de EDN, Octubre 26 de 1995. Se pude apreciar si es necesario la utilización de tal dispositivo, por medio del siguiente procedimiento:

al sustituir los valores pertinentes se obtiene:PD = 3.50W, con los valores;

VIN = 11.8V, para el caso del transformador real VOUT = 5VIOUT = 0.500 AIQ = 8.5E-3, obtenido de las hojas del fabricante.

De esta forma, se sustituyen en la siguiente expresión, la potencia, para obtener la resistencia térmica entre la unión y el ambiente.

despejando RJA, y sustituyendo los valores de:

TJ = 150CTA = 26CPD = 3.50W

Se puede obtener RJA = 35.42C (1).

Con lo que se compara con la especificada por el fabricante y si la obtenida por esta manipulación es menor será necesario que se coloque un disipador de calor. Se obtiene entonces del fabricante lo siguiente:

De tal forma se obtiene del fabricante RJC = 4C, RCA = 50C. se obtiene RJA = 54C.Se observa que la resistencia térmica obtenida es menor que la dada por el fabricante.Entonces es necesario colocar disipador, y para ello se debe obtener

Por medio de RJA = RJC + RCS + RSA

Se puede obtener la suma RJA - RJC = 31.42 = RCS + RSA, y así buscar esta suma para encontrar el adecuado disipador.

O por medio de la diferencia de los RJA , encontrados, RJA = RJA1 - RJA2 = 54 - 35.42 = 18.53C/W; este valor es con lo que podemos encontrar el disipador. Por lo que al buscar uno con un valor igual o mayor de RJA, que la encontrada en (1).Con lo que se obtiene para un empaquetado TO-220, de la marca ECG Semiconductors, donde el disipador es el ECG 403, con un RJA = 20C.

Y de la marca Aavid Engineering, se puede encontrar el 576012 FIAAAA, para que se disipe una potencia de 3.6W y un RJA = 20.8; de los siguientes diagramas, para este disipador, se puede observar:

Gráfico #3. Diferencia de resistencia térmica vrs potencia de disipación.

Que los datos encontrados como RJA = 18.53 C/W, a 3.5W; se observa que se encuentra bajo la curva. Con lo que se asegura su disipación sin ningún problema. Pero para asegurar estos datos se verifican con el siguiente gráfico:

Gráfico #4. Temperatura del encapsulado al disipar cierta cantidad de potencia.

Con lo que se puede observar que a una potencia máxima de 3.5W, podrá tener una temperatura de 74 C. A las condiciones expuestas. Su estructura se muestra en la siguiente figura:

Figura #1. Forma del disipador.

Para el diseño que se desea desarrollar, se especifica que no necesita disipador pero al hacer el cálculo de la temperatura a la que se encontrará se puede encontrar que

PD = 1.89W, con los valores;VIN = 8.625V, para el caso del transformador real VOUT = 5VIOUT = 0.500 AIQ = 8.5E-3, obtenido de las hojas del fabricante.

Con lo que se obtiene RJA = 66.13C/W. Siendo este superior al especificado por el fabricante para el TO-220, sería no necesario un disipador. Pero al calcular la temperatura de unión se intuye que sí es necesario, por el motivo de que esta es de:

por lo que se encuentra muy cercano al máximo. Para evitar que se dañe se considera del gráfico de máxima disipación de potencia, que da el fabricante en un rango de valores para el que se escoge el de 10 C/W, con el que nos asegura que a condiciones ambientales se podrá disipar, 7.5W. y esto es un beneficio para el diseño.

Parte experimental

Se procedió a las pruebas pertinentes, para la evaluación del circuito a diseñar, con los siguientes dispositivos:Transformador 120v / 12v @ 2 ARectificador NTE 167 @ 2 A, Prv = 200V, IFSM = 60 A.Capacitores 680, 1000,2200,3300f con 10% de tolerancia.Regulador LM7805Disipador

Tabla #7. Valores obtenidos experimentalmente Capacitores (f)

VIN (V) VL mínimo (V) Datos constantes

Teórico Exp Teórico Exp Teórico Exp RL () IL (A)680 684 12.6 12.1 8.652 8.30 10.2 0.5001000 1062 12.6 12.1 9.722 7.10 10.2 0.5002200 2220 12.6 12.1 10.85 6.92 10.2 0.5003300 3302 12.6 12.1 11.17 7.04 10.2 0.500

VL mínimo = voltaje de entrada al regulador en el caso experimental, tomado hasta el nivel límite donde ya no era regulado el voltaje.

Tabla #8. Valores obtenidos experimentalmenteVrpp1 (V)

Teórico método1 C(f) Experimental Teórico método 2 C(f)6.295 680 5.620 4.156 1000 3.652 5.000 10001.889 2200 1.220 2.272 22001.258 3300 0.800 1.515 3300

Vrpp1 (V) = voltaje de rizo pico a pico.

Simulación del supuesto transformador a diseñar.

Esto se logró al colocar un auto transformador a la entrada del transformador 120 / 12V, de esta forma variar su salida hasta obtener aproximadamente el voltaje al que se quería llegar a tener con el transformador a construir. Se dieron los siguientes resultados:

.

Tabla #9 . Variación del voltaje en el secundario del transformador 120 / 12V. Con capacitor de 2200f.

V1(V) V2(V) V3(V) V4(v) V5(V) V6(mV)120 12.20 1.268 5.030 14.4

99.20 10.30 1.201 5.010 12.195.90 8.81 1.152 5.000 8.89 10.1

V1(V) = voltaje de salida del autotransformadorV2(V) = voltaje de salida del transformador

V3(V) = voltaje rizo pico a pico de entrada al regulador V4(v) = voltaje de salida del regulador de cd V5(V) = voltaje de plena carga en el regulador en cd V6(V) = voltaje de salida del regulador de ca

Se estableció una corriente de carga de 0.5 A, con una RL = 10.

Notas para la justificación de las distintas partes del diseño.Diseño de fuentes de alimentación reguladas

En general, una fuente regulada de voltaje se compone de los siguientes componentes: Fusible Transformador Puente de diodos Filtro Regulador lineal Integrado Disipador de calor

A continuación se estudia brevemente cada uno de estos componentes:

Fusible

Un fusible es esencial en toda pieza de equipo electrónico. Los grandes fusibles de pared o disyuntores (típicamente del orden de 15 a 20 A) en la casa o el laboratorio no protegerán equipo electrónico, dado que se escogen para dispararse sólo cuando la máxima corriente del cableado en la pared se excede.

Por lo tanto, con respecto a la escogencia de los fusibles en las fuentes:a) Es mejor usar un fusible de disparo o reacción lenta en el circuito de alimentación

porque durante el encendido puede haber un pico de corriente.b) El cálculo del límite de corriente del fusible puede ser confuso. Una fuente de

alimentación de corriente directa tiene una alta razón de corriente rms a corriente promedio, debido al pequeño ángulo de conducción (que es la fracción del ciclo sobre la que los diodos conducen). El problema empeora si grandes condensadores se emplearán en el filtro. El resultado es una corriente rms considerablemente mayor de lo que se podría esperar. Para resolver el problema, se debe usar un medidor de corriente ca que mide un valor rms verdadero para medir la corriente de línea rms presente, y luego escójase un fusible de al menos una corriente límite 25% mayor que la medida (para considerar o tomar en cuenta un alto voltaje de línea, los efectos de la “fatiga” del fusible, etc).

Transformador

Para “transportar” energía eléctrica de sistemas que trabajan a una tensión dada a sistemas que lo hacen a una tensión deseada se utilizan los transformadores.

A este proceso de cambio de tensión se le llama “Transformación”.El transformador consta, en una forma simplificada, de un núcleo de hierro cerrado

sobre el que generalmente se disponen dos arrollamientos (bobinas). Los transformadores figuran entre las máquinas eléctricas. Un transformador es una máquina eléctrica en reposo.

Para el caso de diseño, el voltaje y corriente para el transfromador han de escogerse cuidadosamente. Entre más bajo el voltaje de entrada del transformador , más baja disipación en los transistores de paso del regulador lineal. Debe recordarse que la entrada al regulador nunca caerá debajo del mínimo necesario para regulación típicamente de 2 a 3 voltios arriba del voltaje regulado de salida.

La cantidad de rizo es importante aquí, porque es la entrada mínima al regulador la que debe permanecer arriba de cierto voltaje crítico, pero es la entrada promedio al regulador la que determina la disipación en el transistor.

Rectificador de Onda Completa:

Circuito rectificador puente

Este circuito requiere cuatro diodos para rectificación completa . Toma el voltaje proveniente de un transformador y desarrolla un voltaje máximo de Vm.

Al considerar como opera el circuito se debe entender cómo se forman las rutas de conducción y no conducción durante cada mitad del ciclo ca. Durante el semiciclo positivo el voltaje a través del transformador (medido de arriba a abajo) es positivo.

Al ser positivo los diodos D1 y D3 están polarizados directamente, la caída de voltaje idealmente a través de cada uno es 0V y el voltaje de pico del transformador aparece en la entrada, en este instante. (Ver figura 3).

Al mismo tiempo la polaridad del voltaje es tal que los diodos D2 y D4 quedan inversamente polarizados. Esto representa la ruta de no conducción durante el semiciclo positivo de la señal ca.

En la salida del puente se desarrolla un voltaje debido a la corriente en la ruta de conducción de los diodos D1 y D3. Si se suman las caídas de voltaje alrededor del bucle no conductor, entonces el voltaje del transformador y el voltaje en la entrada en el instante del voltaje pico suman 2Vm. Puesto que hay dos diodos en la ruta, el voltaje a través de cada diodo polarizado es Vm.

Durante el semiciclo negativo las rutas de conducción y no conducción se invierten. Los diodos D4 y D2 están polarizados en sentido directo. El voltaje a través de la entrada es así de la misma polaridad durante cada semiciclo de entrada. Durante el semiciclo de polaridad nagativa la ruta de los Diodos D1 y D3 no conduce.

En general, los diodos y puentes rectificadores para uso en fuentes de alimentación tienen corrientes máximas de 1 a 25 amperios o más y voltajes de ruptura de 100 a 1000 voltios. Tienen relativamente altas corrientes de fuga (entre microamperios y miliamperios) y capacitancia de unión. No se fabrican para altas velocidades.

Sin embargo, para aplicaciones de rectificación donde la alta velocidad es importante, existen diodos de rápida recuperación.

Para aplicaciones de bajo voltaje, es deseable usar rectificadores de barrera Schottky, con caídas en directo de menos de 0.4 voltios a 5 amperios.

Figura Nº3: Puente de diodos

Consideraciones sobre el filtro

Un circuito rectificador es necesario para convertir una señal que tiene un valor promedio de cero a una que tiene un promedio no cero. Sin embargo, la señal cc pulsante que se obtiene como resultado no es una señal cc pura o aún una buena aproximación.

En muchas aplicaciones, para una operación eficiente, el voltaje cc de salida desarrollado tendrá que ser mucho más “liso” que el de la señal cc pulsante obtenida directamente de los circuitos rectificadores de media onda o de onda completa.

Regulación de voltaje con filtro y voltaje de rizo

El voltaje cc derivado de una señal ca por medio de la rectificación y el filtraje tendrá alguna variación (rizado). Entre más pequeña sea la variación ca de la señal con respecto al nivel cc mejor será la operación del circuito filtro.

Esta variación del voltaje cc derivado de una señal ca se conoce con el nombre de rizado y se define como:

r rizadovoltaje de rizado rms

voltaje ccVr rms

Vccx

( ) ( )100% (1)

Regulación de voltaje

Otro factor de importancia en una fuente es la cantidad de cambio en el voltaje cc de salida sobre el rango de operación del circuito.

El voltaje proporcionado a la salida sin carga (sin ninguna corriente drenada de la fuente de suministro) se reduce cuando se tiene que drenar corriente de la fuente de suministro. Este cambio de voltaje se describe por un factor denominado regulación de voltaje.

Regulación de voltaje= (Voltaje sin carga - voltaje a plena carga)/Voltaje a plena carga (2)

V RV V

VxNL FL

FL

. .

100% (2)

Si el valor de voltaje a plena carga es el mismo que el valor de voltaje sin carga, el V.R. calculado es 0%, el cual es el mejor valor que se puede esperar. Este dato significa que el suministro es una fuente de voltaje para la cual el voltaje de salida es independiente de la corriente drenada de la fuente. El voltaje de salida que se obtiene de la mayoría de la fuentes de suministro disminuye cuando la cantidad de corriente drenada des la fuente de suministro aumenta.

Factor de rizado de la señal rectificada

Aunque el voltaje rectificado no es un voltaje filtrado , de todas maneras contiene una componente c.c. y una componente rizada. Los valores de estas componentes se pueden calcular y a partir de estos obtener un factor de rizado para los voltajes rectificados de onda media y de onda completa. Los cálculos mostrarán que la señal rectificada de onda completa tiene un menor porcentaje de rizado y por consiguiente una señal mejor

rectificada que la señal rectificada de media onda. Sin embargo, depende de la aplicación el que se puedan obtener muy buenos resultados utilizando los rectificadores de media onda.

Los valores rms de la componente c.a. de la señal, se calculan de la siguiente manera :

El factor de rizado de un voltaje se define por:

el cual puede expresarse como:

rrms

VccRV

( ) (3)

Puesto que el voltaje C.A. de una señal que contiene un nivel C.C.

Vca v Vcc (4)

El valor rms de la componente C.A. es:

r caV vrms d v vVcc Vcc d

V rms Vcc Vcc V rms Vcc

( )

1

21

22

2

2

0

21

22 2

0

21

2

2 2 21

2 2 21

2

(5)

donde V(rms) es el valor del voltaje total.

Para la señal rectificada de media onda

valor rms de la componente CA de la señalvalor promedio de la señal

V rms V rms Vcc

Vm Vm

Vm

V rms Vm Media Onda

r

r

2 21

2

2 21

2

2 21

2

2

12

1

0 385

. ( )

(6)

Para la señal rectificada de onda completa:

(/)

La salida c.c. es Vcc=0.318*Vm. Por lo tanto el factor de rizado para el rectificador de media onda es:

rV rms

VccVmVm

r ( )

*..

*1000 3850 318

100 121% (8)

De forma semejante tenemos que para el rectificador de onda completa:

rV rms

VccVmVm

r ( )

*..

*1000 3080 636

100 48% (9)

Filtro simple con condensador

Comúnmente se construye un filtro simple colocando un capacitor a través de la salida del rectificador., por lo que el voltaje de salida se encuentra en el condensador de filtro.

El objetivo de la colocación de dicho capacitor, consiste en que el mismo se encargue de suministrar la carga necesaria para mantener la operación circuito mientras que el rectificador este dando valores bajos de voltaje.

Y para encontrar este capacitor se parte de la siguiente expreción:

Reguladores de Voltaje Discretos

Desde los inicios de la regulación de voltaje se han ideado múltiples formas y configuraciones de circuitos que logran dicho fin. A continuación se presentarán los dos tipos de métodos más utilizados. Por un lado el diodo zener apareció como un buen dispositivo de regulación (Fig. Nº4). Luego este fue sustituido por los reguladores de voltaje transistorizados, los cuales como su nombre lo indica, se basan en el uso de un dispositivo activo, como el transistor(Fig. Nº 5 y Fig. Nº 6).

Fig. Nº 4. Diodo Zener

Fig. Nº 5: Regulador de voltaje en serie transistorizado.

Lo importante de la regulación de voltaje, es que logra mantener un voltaje de salida VL mientras se presentan variaciones en la corriente demandada por la carga.

Fig. Nº 6: Regulador de voltaje en paralelo transistorizado

Historia de los Reguladores de Voltaje Lineales

Primera generación:

Un regulador de voltaje CD excelente se puede construir con un amplificador operacional, un diodo zener, dos resistencias o un potenciómetro y uno o más transistores. En 1968, la división de semiconductores de Fairchild integró todos esos componentes en un solo circuito integrado y lo llamó regulador monolítico de voltaje A 723. Gracias a su flexibilidad ha logrado sobrevivir hasta el presente. Sin embargo, requiere de varios componentes de soporte; posee un mínimo de circuitos internos de protección y el usuario debe incorporar transistores de refuerzo para obtener más capacidad de corriente y una resistencia para limitar la corriente en cortocircuito.

A partir de ese momento la carrera para construir un regulador de voltaje fijo con tres terminales se inició. La ganó National Semiconductors con el LM309, seguida muy de cerca por Fairchild que lanzó al mercado su serie 7800. Ambos reguladores constan de tres terminales. Para utilizar uno, lo único que debe hacerse es conectar una fuente no regulada entre su entrada y las terminales comunes. Se conecta después una carga entre la salida y la terminal común, con lo cual se está terminado el diseño.

Conectando un capacitor desacoplador entre las terminales de entrada y las de salida con el fin de mejorar su rendimiento.

Luego de esta primera generación, surgieron otras generaciones que siguieron el mismo camino de la primera con algunas mejorías.

Con la tercera generación surgieron los reguladores de voltaje en circuitos integrados.

Reguladores de Voltaje Lineales en Circuitos Integrados

Clasificación:

Los reguladores lineales de voltaje de circuitos integrados se clasifican considerando cuatro características:

1. Polaridad: negativos, positivos o bipolar.2. Número de terminales: de tres terminales o multiterminales.3. Voltaje de salida fijo o ajustable: los voltajes fijos estándar son 5, 12, y 15V. El intervalo ajustable suele ser de 1.2 a 37 V, o bien, -1.2 a -37 V.4. Corriente de salida: las capacidades normales de la corriente de salida son 0.1, 0.2, 0.25, 0.5, 1.5 y 3 A y las nuevas son de 5 y 10 A.

Características Comunes:El voltaje instantáneo en la salida de un regulador de circuito integrado siempre es

mayor que el voltaje de salida de CD por un valor que suele ser de 0.5 a 3 V. Este requisito se denomina voltaje instantáneo mínimo de entrada-salida, caída de voltaje o simplemente, voltaje extremo. Es importante tener siempre en cuenta la disipación de calor.

Circuitos de autoprotección:Los circuitos internos de estos dispositivos detectan la corriente de carga. Si esta

corriente rebasa determinado valor, la corriente de salida queda automáticamente limitada hasta que se quita la sobrecarga.

Estos reguladores pueden medir su propia temperatura para comprobar si el usuario realiza adecuadamente la extracción de calor. Si la temperatura interna del integrado pasa de 150 a 175 ºC se apagan, si se elimina la falla, el regulador vuelve a funcionar.

Reducción del rizo: Los fabricantes de reguladores lineales en circuitos integrados especifican su

comportamiento en corriente alterna mediante un parámetro denominado rechazo de rizo. Es la razón pico a pico de la onda de entrada entre el voltaje de rizo pico a pico de la onda de salida. Suele ser de 60 dB o más.

Algunas características importantes

Regulación de línea: Indica la capacidad de rechazo del regulador respecto al voltaje de entrada y su efecto en el de salida. Se determine por la relación :

Re . ( ) /g Lin Vout Vout Vout 1 2 1 (10)donde: Vout 1 es el voltaje de salida para el máximo voltaje de entrada.

Vout 2 es el voltaje de salida para el mínimo voltaje de entrada.

Regulación de carga:

Manifiesta las variaciones del voltaje de salida para diferentes cargas. Se determina por la relación:

Re . ( ) /g Car VoutO Vout VoutO ,(11)

donde:Vouto es el voltaje de salida sin carga.Vout es el voltaje de salida a plena carga.

Relación de rechazo de rizado (PSRR)

Es la razón del cambio en el voltaje de la onda de salida entre la razón de cambio del voltaje de la onda de entrada. En decibelios se tiene que el rechazo de rizado es el 20 logaritmo de la relación de rechazo de rizo en unidades lineales(adimensionales, pues en un cociente de voltajes las unidades se cancelan).

(12)

Regulador de Voltaje en Circuitos Integrados

Con la tecnología de los circuitos integrados, aparecieron una amplia gama de reguladores de voltaje de múltiples aplicaciones.

Estas unidades contienen los circuitos para la fuente de referencia, el amplificado de error, el dispositivo de control y la protección de sobrecarga.

Una fuente de poder puede construirse en forma muy sencilla, utilizando un transformador conectado a una fuente de corriente alterna, para elevar el voltaje a un nivel deseado. Luego se colocan puente de diodos, rectificador de media onda o onda completa, el voltaje se filtra con un simple capacitor y de último se coloca un regulador de voltaje en circuito integrado.

Es importante resaltar el hecho de que hay tanto reguladores de voltaje positivos como negativos. Además es posible encontrar reguladores de voltaje con salida fija o salida ajustable.

Reguladores de Voltaje de tres terminales:

Estos circuitos integrados poseen una terminal de VENT para que suministre el voltaje de entrada, otro terminal para VO (voltaje de salida regulada). La última terminal es la conexión de tierra. Se deba resaltar que el circuito integrado necesita que se mantenga un voltaje de entrada superior al voltaje de salida, puesto que en este dispositivo debe darse una caída de potencial mínima para que pueda operar.

En las siguientes tablas se muestran algunas características de los reguladores integrados de las familias 78XX y 79XX.

Tabla Nº 5: Reguladores de voltaje positivos con CI, serie 78XX

Número de parte CIVoltaje positivoregulado (V) VENT mínimo (V)

7805 + 5 7.37806 + 6 8.357808 + 8 10.57810 + 10 12.57812 + 12 14.67815 + 15 17.77818 + 18 217824 + 24 27.1

Tabla Nº6: Reguladores de voltaje negativos fijos, serie 79XX

Número de parte CIVoltaje positivoregulado (V) VENT mínimo (V)

7905 - 5 -7.37906 - 6 -8.357908 - 8 -10.57910 -10 -12.57912 - 12 -14.67915 - 15 -17.77918 - 18 -217924 - 24 -27.1

Disipadores de Calor

Una manera de aumentar la especificación de potencia de un transistor consiste en deshacerse con mayor rapidez del calor interno. Este es el propósito de un disipador de calor (una masa de metal). Si se aumenta el área superficial del encapsulado del transistor, se permite que el calor se escape más fácilmente hacia el aire circundante.

Existen varios tipos de disipadores de calor, por ejemplo el llamado “Disipador de calor enchufable”, cuando este se acopla al encapsulado de un transistor, el calor se radia más rápidamente debido al aumento en el área superficial suministrada por las aletas.

Otro tipo es el llamado transistor de potencia con ceja. Una ceja metálica proporciona una trayectoria de salida para el calor del transistor. Esta ceja metálica se puede sujetar al chasis del equipo electrónico. Como el chasis es un disipador masivo de calor, este se puede escapar fácilmente del transistor al chasis.

Los grandes transistores de potencia (de uso industrial), tienen el colector conectado directamente a la cápsula para dejar que el calor escape tan fácilmente como sea posible. La cápsula del transistor se sujeta al chasis. Para evitar que el colector se ponga en corto con la tierra del chasis, se coloca una pequeña lámina de mica entre el encapsulado del transistor y el chasis. En todo esto, la idea importante es que el calor abandone el transistor con la mayor rapidez, lo que se traduce en una mayor especificación de potencia para el transistor a la misma temperatura ambiente. A veces, se sujeta a un gran disipador de calor con aletas; esto es todavía más efectivo para eliminar el calor del transistor.

Sin importar la clase de disipador de calor que se emplee, el objetivo es reducir la temperatura del encapsulado, ya que esto hará que descienda la temperatura interna del transistor.

La hoja de datos del fabricante incluye otras cantidades llamadas; Resistencias Térmicas. Estas permiten al diseñador investigar la temperatura del encapsulado para diferentes disipadores de calor.

La capacidad con que el calor se puede transferir de un elemento a otro es una medida de la conductividad térmica entre los dos. En relación inversa con la conductividad está la resistencia térmica antes mencionada, la cual es una medida de cuánto se opone el medio al flujo de calor.

Se necesita establecer una ruta posible de resistencia térmica más baja de la unión al aire de los alrededores.

La resistencia térmica se denota por y se mide en ºC / W.

La ruta serie entre elementos resultará en una resistencia térmica de la unión al aire de los alrededores de :

con disipador (13) [ºC / W]de calor.

sin disipador (14) [ºC / W]de calor

La temperatura de unión se relaciona con JA , la potencia de unión disipada (PD) y la temperatura ambiente TA por:

(15) [ºC]

La temperatura de unión es igual a la temperatura del aire que la rodea más el aumento de temperatura debido a la conversión de calor de la unión. Entre mejor se pueda retirar calor de la unión con valores bajos de JA más elevada será la especificación de temperatura para la misma temperatura de unión.

En suma:donde (JC + SC + SA ) = CA (16)

Este valor de TJ por lo general se especifica en las hojas del fabricante.

JA = CS + SA

JA = JC + CA

TJ = PD JA + TA

TJ = PD (JC + SC + SA ) + TA

Como se indicó; TA es simplemente la temperatura del medio que rodea el dispositivo medida en grados centígrados. JA se establece de acuerdo al dispositivo escogido, su nivel de potencia, construcción de la envoltura.

PD es el nivel de potencia de disipación determinado por P=VD*ID para un diodo. CA ó JA normalmente se suministra en la hoja de datos para un dispositivo semiconductor específico. CS es la resistencia térmica de la envoltura y de como se monte en el disipador de calor. El uso de un aislador aumentará la resistencia térmica sobre la que se obtiene con un montaje directo. El término “aislador” se refiere aquí al flujo de carga y no al flujo de calor. La meta es diseñar un aislador que pueda bloquear el flujo de carga pero que no afecte severamente los niveles de flujo de calor.

La relación básica de transferencia de calor o la disipación de potencia se etablece como:

(16) donde

TJ = temperatura de la unión, en ºC.TC = temperatura de la cápsula del dispositivo semiconductor, en ºC.TS = temperatura de la superficie de montaje (enfriador) en contacto térmico con el dispositivo.TA = temperatura ambiente, en ºC.CS = resistencia térmica de contacto entre el semiconductor y la superficie de montaje, en ºC / W.SA = resistencia térmica desde la superficie de montaje hasta el ambiente, en ºC / W JC = resistencia térmica de unión cápsula del dispositivo semiconductor, en ºC / W

Esta ecuación se aplica para determinar la resistencia térmica requerida del enfriador (SA) conociendo los parámetros anteriores.

Reescribiendo la ecuación térmica:

(17)

donde; JA es la resistencia térmica de la unión al ambiente y puede expresarse como una suma de resistencias térmicas: JA = JC + CS + SA.

La ecuación anterior se usa solo cuando un disipador externo se emplea. Si no se usa disipador, JA es igual a la resistencia térmica JA que aparece en la hoja de datos del fabricante.

JC depende del dispositivo y el tipo de encapsulado mientras que SA es una propiedad del disipador y CS depende del tipo de interfaz cápsula-disipador empleado. Los valores JC y SA se encuentran en las hojas del dispositivo y del disipador.

JA

Metal a Metal* Usando un aislador *

SecoCon compuestode disipador

Con compuestode disipador Tipo

PD = (TJ - TA) / (JC +CS +SA )

TJ =TA + PD * JA

Encapsulado 0.36 ºC / W 3 mil mica

TO-3 0.2 ºC / W 0.1 ºC / W 0.28 ºC / Waluminio enodizado

TO-06 1.5 ºC / W 0.5 ºC / W 0.9 ºC / W 2 mil mica

TO-220 1.2 ºC / W 1.0 ºC / W 1.0 ºC / W 2 mil mica

* Valores típicos; la superficie del disipador debería estar libre de oxidación, pintura y anodización.

Ejemplo: Radiador de calor para la cápsula TO-220La cápsula tipo TO-220 disipando 5 WJC = 3.0 ºC / W TJ = 150 ºC TA = 50 ºCSolución:Para encontrar un radiador de calor que mantenga la unión del semiconductor a menos de 150 ºC con convección natural:PD = (TJ - TA ) / (JC + SC + SA), despejando SA SA = (TJ - TA )/ PD - (JC

+ SC)Suponiendo que se monta el dispositivo sin aislamiento. Tomando los datos necesarios de los datos del fabricante.SC = 1,0 ºC/W con un par de montaje de 6 libras por pulgada, entonces evaluando tenemos que: SA = 16 ºC / W.