ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACION

UNIVERSIDAD DE CANTABRIA

INSTRUMENTACION ELECTRÓNICA DE COMUNICACIONES

(5º Curso Ingeniería de Telecomunicación)

Tema VI: Referencias de tensión y reguladores de tensión.

(Ejercicios resueltos) José María Drake Moyano Dpto. de Electrónica y Computadores Santander, 2005

Problema 6.1: Diseño de un regulador de tensión. Diseñar un regulador de tensión de 7.5 V nominal con capacidad de alimentar cargas comprendidas entre 1.5 Ω y 10 Ω. Para ello se dispone de una fuente de tensión no regulada de 12 V y con un nivel de rizado de 0.5 Vrms.

Analizar dos posibles diseño: Diseño basado en el circuito de referencia de tensión AD580, y en el amplificador

operacional TL081. Utilizando el regulador de tensión integrado LM317

Si se necesita utilizar una etapa de potencia, utilizar el transistor de potencia 2N2055 , cuyas hojas características se acompañan.. Requerimientos: Bajo las condiciones de variación de la fuente y de la carga especificadas y con el

rango de 0º a 40ºC de temperatura ambiente, las variaciones de la tensión de salida deben ser inferiores al 0.01% de la tensión nominal.

El nivel de ruido en la banda 0.1- 10Hz debe ser inferior 5 mVrms.

Debe necesitar ser ajustada sólo una vez por año.

Debe aguantar cortocircuitos circuito de salida de hasta 5 s.

Transformación Rectificación y filtrado

Reguladorde tensión 220 ac

12 Vdc + 0.5 Vrms

7 Vdc + 0.01%

RL (1.5Ω-10Ω)

Diseño funcional

R

R(1.5 -10 )Ω

R

R

R’

Rb

1

1

2

sc

L

Q

Q

Q1

2

3

(2N3055)

(BC549)

(BC549)

V =7.5 Vo

V =12 Vi

+TL81

AD580

-

La tensión de salida Vo es función de R1, R2 y Vz,

Ω=Ω=

Ω=

Ω=⇒=⇒

+=⇒

+=

1001801

220

2200.215.25.71

'1

1

2

1

2

1

2

1

2

RR

R

R

RR

RR

RRVV zo

La intensidad de salida en cortocircuito ISC se puede limitar a,

Ω==⇒=⇒=Ω

> 1.066.060.5

5.15.7 RscAISCelijoAVISC

La resistencia Rb debe proporcionar la intensidad IB2 sin que el operacional se sature.

Ω=⇒Ω=

×+

−−−≈

++

−−−< 5603800

2005015

6.00.15.711

))21(11(max

21b

L

BEBEoAOsatb RI

VVVVR

ββ

Diseño térmico Máxima potencia disipada en Q1

WIVP MaxLCEQ 5.225)5.712(1 =×−==

La resistencia máxima que puede ofrecer el radiador del transistor Q1 es

WCD /º6.552.15.2240200

=−−

<Θ

Verificación de los requerimientos Se requiere que ∆Vo<0.1/100*Vo=7.5 mV Variación de la salida debida al rizado de la fuente:

Debido al PSRR del AO: (PSRR=86 dB=20000) VVo µ7520000/3*5.0 ==∆ (Se cumple)

Debido al PSRR de la referencia de tensión: ∆Vo<1.5mV*3=4.5 mV (Se cumple) Variación debido a los cambios de la carga La impedancia de salida del amplificador se puede deducir de la gráfica de VCE-IC, RoQ1=0.1Ω La impedancia de salida del regulador, que es también la regulación de carga es, Ro=RoQ1/(1+Ad*α)=0.1Ω/(1+200000∗(1/3))=1.5 µΩ ∆Vo=Ro*Vo(1/RLmin-1/RLmax)=7.5V*1.5 10-6*(1/1.5-1/10)=6.4 µV (Se cumple)

Pmax=22.5W

TJ<200ºC ΘJC=1.52ºC/W ΘD

TA=40ºC

IC=5A RoQ1=(1.3-0.4)V/(10.0-1.0)A= = 0.1 Ω

Evaluación del ruido en el rango 0.1Hz-10Hz Ruido debido al amplificador operacional En el amplificador TL81: e2

nw=5.2 10-16 V2/Hz fce=100 Hz

=

+=

L

HcenwnoAO f

fLnfeRRE

1

21 3*5.2 10-16*(100*Ln(10/0.1))1/2=1.46 µVrms

Ruido debido a la referencia de tensión: El ruido integrado en el rango 0.1-10 Hz es 8.0 µV pp, por tanto el ruido en la salida,

rmsnRpp

noR VE

RRE µ0.8

30.83

31

1

2 ==

+=

El ruido total a la salida del circuito regulador de tensión es,

rmsnoRnoAOno VEEE µ13.80.846.1 2222 =+=+= (se cumple) Variación en la salida debido a las variaciones de temperatura (0º-40ºC)

mVCVTVCppmVo 5.16º405.710555.7/º55 6 =××=∆××=∆ − (AD580S) mVCVTVCppmVo 5.7º405.710255.7/º25 6 =××=∆××=∆ − (AD580T) mVCVTVCppmVo 0.3º405.710105.7/º10 6 =××=∆××=∆ − (AD580U)

No se cumple la especificación si se utiliza el modelo AD580S, pero sí se cumple si se utilizan los modelos AD580T y AD580U.

1/RoQ1

Variación en la salida en un año

La desviación de la tensión de referencia a largo plazo (plazo indefinido) es de 250 µV, por tanto, en la salida

mVVVRRV Ro 75.025031

1

2 =×=∆

+=∆ µ (Se cumple)

Diseño utilizando el Regulador de tensión integrado LM317 No es posible utilizar directamente el regulador de tensión LM317, ya que solo tiene capacidad de proporcionar una intensidad de salida de 1.5 A. y en la aplicación se requieren 4 A. Por ello, se utiliza un transistor de potencia de salida.

VRIRRVV ADJo 5.7125.1 2

1

2 =+

+=

Si utilizamos R2=1200Ω (R2=1000 Ω +R’2=500Ω)

Ω==

=−

−=

−−

= −

2405

1200

125.1

1200100.465.71200

125.1

26

21 RIV

RRADJo

Diseño térmico: La potencia térmica se disipa en el transistor Q1 y el modelo térmico es exactamente el mismo que en el diseño implementado con amplificador operacional. PmaxQ1= 22.5W y ΘD=5.6 ºC/W Variación de la salida debida al rizado de la fuente: La regulación de línea del LM317 es: 0.02 %/V ( incluye la fluctuación de temperatura)

rmsioo mVVVRCV 75.05.05.70002.0)100/( =××=∆××=∆ (se cumple)

LM317

Input

Output

Adjust R1

R2

R’2

RL

Vi=12V

Vo=7.5V

(1.5 –10) Ω

Q1 (2N3055)

Variación de la salida debida a los cambios de la carga En este caso, la introducción del transitor Q1 hace difícil estimar las variaciones que se produce por variación de la carga, ya que no se tiene información de la ganancia de bucle alrededor de él. Posiblemente sea del orden del evaluado en el regulador basado en el amplificador operacional. No tiene sentido aplicar el regulador de carga del LM317, ya que la variación de la carga está amortiguada por el efecto del transistor Q1. Variación en la salida en un año En las hojas características de LM317,

mVVV oo 5.22100

3.0==∆ (no se cumple lo requerido en la especificación)

Ruido en la salida (0.1-10 Hz): En las hojas características de LM317,

No se dispone información para evaluar el ruido en el rango 0.1 a 10 Hz. Le ruido en el rango 10Hz – 10KHz

rmsoo mVVV 225.0100003.0

==∆

Problema 6.2: Caracterización automatizada de una fuente de tensión.