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APUNTE-1

ELECTRÓNICA II

REGULADORES DE TENSIÓN

ÁÁrreeaa ddee EEEETT

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Dirección Área Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones

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REGULADORES DE TENSIÓN

DIODO ZENER Características Generales: Si un diodo semiconductor común se polariza en forma inversa, circula por el una corriente de portadores minoritarios muy pequeña, (del orden de los micro Amperes µA). Si la tensión inversa se hace lo suficientemente grande, se alcanza un punto en que la corriente inversa crece muy rápidamente, con un leve aumento de la tensión, quedando limitada solo por la impedancia del circuito que polariza el diodo. Si esta corriente inversa alcanza un valor elevado, debido al exceso de calor producido en la juntura, este diodo se destruye. Si la corriente inversa, circulara en forma inversa a través del área de la juntura, el diodo podría manejar corrientes mayores. Pero en los diodos para propósitos de rectificación, de junturas comunes esto no sucede. La ruptura ocurre en uno o dos lugares en donde la densidad de corriente, y el calor producido es mayor. Por lo general el resultado es el mismo, el diodo se destruye. Utilizando técnicas especiales, las cuales permiten producir un flujo de corriente uniforme a través del área de la juntura se construyen los denominados DIODOS ZENER. Este tipo de diodo sí opera dentro de un rango nominal con polarización inversa, puede soportar corrientes inversas, relativamente grandes sin destruirse. Si la tensión inversa se reduce, o suprime, bajo el valor de ruptura, la juntura se restaura a un estado origina. Los Diodos Zener son componentes electrónicos de silicio especialmente diseñados para trabajar en su zona inversa. Presentan una tensión de ruptura que es fija y que permanece relativamente constante dentro de un amplio rango de variación para la corriente inversa.

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CARACTERÍSTICAS GRAFICAS DEL DIODO ZENER

Al observar la Curva Característica del Diodo Zener, en la región de ruptura (VZ), la tensión a través del diodo permanece relativamente constante, para cambios apreciables de corriente. Por esta razón el Diodo Zener se puede utilizar como regulador de tensión. El estado de tensión constante del Diodo Zener, depende de su construcción, lo que nos permite un amplio rango en tensiones reguladas, aproximadamente entre 2 volts y 200 volts, con potencias de disipación que pueden ir sobre los 50 watt. La tensión de ruptura de los Diodos Zener depende de la Temperatura. La manera de cómo varía la Tensión Zener con la Temperatura, depende del tipo de ruptura que ocurre con la tensión inversa. Los Diodos Zener que regulan tensión bajo los 6 Volts, presentan un tipo de ruptura denominado RUPTURA POR EFECTO ZENER. Este tipo de ruptura se caracteriza porque al aumento la Temperatura, disminuye la Tensión Inversa (Vz) a la cual ocurre la ruptura. (COEFICIENTE TÉRMICO DE TENSIÓN DE RUPTURA NEGATIVO).

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Los Diodos Zener que se fabrican para regular tensiones sobre los 6 Volts, el fenómeno que ocurre se denomina RUPTURA POR AVALANCHA. Este tipo de ruptura se caracteriza, porque al aumento la Temperatura, se produce un aumento de la Tensión Inversa (Vz) a la cual ocurre la ruptura. (COEFICIENTE TÉRMICO DE TENSIÓN DE RUPTURA POSITIVO). SIMBOLO DEL DIODO ZENER

Para un buen funcionamiento del Diodo Zener, según las indicaciones dadas por el fabricante, si la Corriente Inversa se mantiene dentro de los limites indicados de seguridad, el Diodo no tendría que sufrir daños. Si por el contrario, se aumenta la corriente mas allá del limite de seguridad, el diodo sufrirá un daño permanente debido a que la energía es tan alta que es capas de arrancar átomos enteros del material, destruyendo en forma inmediata la juntura y por ende el Diodo. REGULADOR DE TENSIÓN BÁSICO ZENER Como los Diodos Zener presentan una Zona de Ruptura típica a una determinada Tensión Inversa (Vz), si se utiliza esta propiedad que corresponde a una fuente ideal de Voltaje, es capaz este Diodo de entregar una Tensión relativamente Constante a una determinada carga, que presenta un Consumo Variable, en su funcionamiento. También este dispositivo electrónico debe resguardar las posibles fluctuaciones o variaciones de la tensión ondulatoria residual o rizado de entrada.

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CIRCUITO REGULADOR DE TENSION BÁSICO ZENER

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL CIRCUITO

Al analizar el Circuito Regulador Zener, la Tensión en la Carga (RL) permanece Aproximadamente Constante, con un Valor Nominal de Tensión, igual al que presenta el Diodo Zener (Vz), aunque Varíe la Tensión de entrada Vi, o la Corriente a través de la Resistencia de Carga RL, sobre un rango amplio. Si Vz es Constante, el valor de IL depende exclusivamente del valor de RL. Para el caso en que IT se mantenga constante, si IL aumenta, Iz debe disminuir, de modo que siempre se cumpla que IT = Iz + IL. Por otro lado, si IL disminuye, Iz debe aumentar, para el caso que todavía IT sea constante. El caso más desfavorable para el Diodo Zener sería cuando IL = 0, ya que IT = Iz y la potencia que debería disipar el Diodo Zener sería la máxima.

( )( )

( )[ ] ( )

( )

( )

( )( )( )DiscipadaPotenciaVzIzPD

ÚtilPotenciaILVoPudaSuministraPotenciaITViPs

TotalCorrienteRsVzViIT

ZenerVoltajeRLILVzVoVz

entradaVoltajeVzILIzRSViTotalCorrienteILIzIT

RsenTensióndeCaidaRsITVs

−−×=−−−×=−

−−×=−

−−−

=−

−−×=−−=−

−−++×=−−−+=−

−−−−−×=−

..10..9..8

..7

..6..5

..4..3..2

( ) −+×=⇒+=− ..1 VzRSITViVzVsVi

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Por otra parte, si la corriente IL es muy alta, la corriente Iz, se hace muy pequeña, pudiendo sacar al Diodo Zener de la Tensión de Ruptura (Vz) o de Regulación dejando de operar este. Para los casos anteriores, las variaciones de la Corriente Zener (Iz) pueden ser tal, que el Diodo deje de operar, o que Circule Excesiva Corriente a través del Diodo y este se destruya. Para este efecto se determina una Corriente Máxima (Iz. Máx.) Que mantiene la Tensión Zener sin destruir el Diodo, con la cual se puede calcular la Potencia Máxima. También se determina una Corriente Mínima (Iz Mín.) para mantener la Tensión Zener. Resumiendo, una Fuente de Alimentación con Regulador de Voltaje, puede ser afectada por una demanda de Corriente por parte de la Carga, es decir; (0 < IL < IL. Máx), o por la Variación de la Tensión de Entrada donde (Vi. Mín. < Vi < Vi. Máx.), las que afectan a dicha Fuente de Alimentación de forma extrema de dos formas: 1. La Fuente deja de Regular. 2. Se queman el Diodo Zener. Naturalmente que al especificar el tipo de Fuente de Alimentación, se conoce la Corriente de Carga Máxima, (IL Máx), como también se puede especificar la Tensión de Entrada Vi con su rango de variación. Esto nos permite determinar el valor aproximado de Rs, (resistencia que asume las variaciones de tensión de entrada), de manera tal que cumpla con el criterio de: 1. Mantener la Regulación de Tensión en el peor de los casos. 2. Especificar Requisitos que debe cumplir el Diodo Zener. Por tanto la condición que debe cumplir el Circuito para que Exista Regulación de Voltaje en la Salida, en las condiciones más críticas es decir; (IL. Máx.) (Vi. Mín), es que permita pasar una Corriente Total (IT) tal, que mantenga el Diodo Zener Regulando. Esto se especifica de la siguiente forma.:

−+≥−

= .)..(máx.).(mín.).(mín ILIzRs

VzViIT

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Es decir el valor de la Resistencia (Rs) que asume las Variaciones de Voltaje está determinada por:

Por otra parte, la condición que debe cumplir el Circuito para que el Diodo Zener no se queme cuando se tienen las condiciones críticas que afectan a este, es decir; IL =0 y Vi = Máx., es que la Corriente Total (IT) sea menor o igual a la Corriente Máxima que soporta el Diodo Zener (Iz. Máx.) . Lo cual se especifica de la siguiente forma:

Por tanto se puede determinar el valor de la Resistencia (Rs) de la siguiente forma:

Ejemplos: Para el circuito de la figura, determinar los parámetros eléctricos necesarios, sobre la base de los datos entregados, para calcular la resistencia (Rs) y seleccionar el Diodo Zener a utilizar. DATOS: IL. Máx. = 380 mA. ; Vi = 25 Volts. ; variación de Vi =8 %. ; VL = 18 Volts; Iz. Mín. = 3 % de IL. Máx.

.).(máx.).(mín.).(máxILIzVzViRs

+−

≥

−−

≥ ..(máx)

.(máx)Iz

VzViRs

−≤−

= ..MáxIzRSVzViIT

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Desarrollo: 1. Calculo del porcentaje de variación de Vi:

2. Calculo de los valores Máximo y Mínimo de Vi:

Vi. Máx. = 25 + 2 ⇒ Vi. Máx. =27 V Vi. Mín. = 25 – 2 ⇒ Vi. Mín. = 23 V

La tensión de entrada varía entre 23 V y 27 V 3. Determinación de la Tensión Zener: Como la carga se encuentra en paralelo con el Diodo Zener, la Tensión Zener será:

Vz = VL ⇒ Vz = 18 V. 4. Calculo del Iz. Mínimo:

5. Calculo de Rs Mínimo, partiendo del criterio de regulación en las peores

condiciones:

6. Calculo de Iz. Máx. :

7. Calculo de la potencia máxima de disipación del Diodo Zener:

La potencia máxima (PDz), calculada del Diodo Zener, es conveniente incrementarla en un 20 %, por tanto:

PDz = 8,4 Watt.

−=⇒−

⇒−

= ..391.23

1827.. mAMáxIzRs

VzMáxViMáxIz

−=⇒××⇒×= − ..0,7.1810391.. 3 WattsMáxPDzVzMáxIzPDz

( ) −Ω=⇒×+

−⇒

+−

= − ..23..103804,11

1827...

..3 MínRs

MáxILMínIzVzMáxViRs

−=⇒××

=⇒×

=−

..4,11.100

310380.100

3...3

mAMínIzMínIzMáxILMínIz

−=×

=− ..2100

825% VVi

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8. Calculo de la potencia máxima de la resistencia Rs:

9. Selección del Diodo Zener a utilizar:

Características Mínimas: - Vz = 18 Volts. - Iz.Mín. = 11,4 mA. - Iz.Máx. = 391. mA. - PDz.Máx. = 8,4 W.

CARACTERÍSTICAS QUE ENTREGA EL FABRICANTE DE UN DIODO ZENER

REGULADORES DE TENSIÓN TRANSISTORIZADOS REGULADOR DE TENSIÓN BÁSICO SERIE: ANÁLISIS FUNCIONAL: El más utilizado de los de los reguladores de tensión lineal, es el Regulador Serie. El Transistor es la etapa de Control y RL es el consumo o la carga.

CODIGO COD. ECG. T. REGULADA I. NOMINAL P. MÁXIMA FIGURA TOLERANCIA I. MÁXIMA

M5.6Z1 5011T1 5,6 VOLTS.

20 mA 500 mW Z4 5% 89 mA

MZ10T5 5019T1 10 VOLTS.

20 mA 500 mW Z4 5% 50 mA

( ) ( )−⇒=⇒

−⇒

−= ..2/1..391..

231827...

22

WattsWattsmMáxPsRsVzMáxViMáxPs

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La resistencia R entrega la corriente al Diodo Zener y a la Base del Transistor, pero también polariza en forma inversa la juntura del transistor VCB para que este entre en conducción. El Diodo Zener entrega al circuito una Tensión de Referencia para la salida, este Diodo no Trabaja como Regulador de Tensión, asume las variaciones de Corriente que se producen en el circuito. El Transistor es el elemento de Control, controla la Regulación de Tensión, él asume cualquier variación de voltaje que se provoque, ya sea de aumento o disminución, de tal forma que la Tensión de Salida Vo permanezca lo más contante posible. Al aumentar la Corriente consumida por la Carga IL, por cualquier razón, la Tensión VL sube e incrementa el valor de VBE, llevando el Emisor a un Potencial más Positivo con respecto a Base. Por tanto la Polarización Directa Base – Emisor se reduce lo que implica que la corriente de Colector IC disminuye, aumentando la Tensión entre Colector y Emisor. Se ve que a un aumento de la corriente IL, corresponde un efecto de control por parte del Transistor, existe entonces un efecto de compensación o de Regulación. El circuito Detector de Error, en este Regulador, actúa por la característica Base–emisor del circuito, y el mismo Transistor hace las veces de Amplificador. EJEMPLO DE DISEÑO: Para el circuito de la figura, determine los parámetros eléctricos del circuito, seleccione que Diodo Zener se debe utilizar y que Transistor, basado en los siguientes Datos: DATOS: Vi = 12 V.; VZ = 5,68 V.: VBE = 0,65 V.:β =95. : RL =20.: R =470 Ω.

Desarrollo: 1.Calculo de la tensión de salida VL:

−=⇒−⇒−= ..0,565,068,5 VVLVBEVzVL

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2. Calculo de la corriente de carga IL:

3.Calculo de la Potencia Útil en la carga:

4. Calculo de la caída de tensión en R:

5. Calculo de la corriente por la resistencia IR:

6. Calculo de la corriente total de entrada Ii :

7. Calculo de la potencia suministrada o la potencia de entrada PS:

8. Calculo de la tensión en el transistor VCE:

9. Calculo de la corriente de colector IC:

10. Calculo de la potencia disipada por el transistor PD:

11. Calculo de la corriente de base del transistor IB:

12. Calculo de la corriente del Diodo Zener Iz:

−=⇒⇒= ..25020

0,5 mAILRLVLIL

−=⇒××⇒×= − ..25,1102500,5 3 WattsPUILVLPU

−=⇒−⇒−= ..32,668,512 VoltsVRVzViVR

−=⇒⇒= ..4,13470

32,6 mAIRRVRIR

( ) −=⇒×+⇒+= − ..4,263102504,13 3 mAIiILIRIi

−=⇒××⇒×= − ..16,3104,26312 3 WattsPSIiViPS

−=⇒−⇒−= ..0,70,512 VoltsVCEVoViVCE

−=⇒== ..250. mAICILIEIC

−=⇒××⇒×= − ..75,1710250 3 WattsPDVCEICPD

−=⇒×

⇒=⇒=−

..63,295

10250 3

mAIBICIBIBIC

ββ

( ) −=⇒×−⇒−=⇒+= − ..77,101063,24,13 3 mAIzIBIRIzIBIzIR

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13. Calculo de la potencia disipada por el Diodo Zener PDz:

14. Calculo del rendimiento del circuito η:

15. Selección ce los Componentes Electrónicos: Diodo Zener Parámetros Eléctricos: Vz = 5, 68 V. Iz = nominal = 11, 77 mA. PDz = 61,2 mW. Transistor Parámetros Eléctricos:

IC = 250 mA. IB = 2, 63 mA. β.nominal = 95. PD = 1,75 W. VCB. Inverso = 7, 0 V.

−=⇒××⇒×= − ...2,6168,51077,10 3 mWattsPDzVzIzPDz

−=⇒×⇒×= .%.5,3910016,325,1100 ηη

PSPU

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REGULADOR DE TENSIÓN SERIE REALIMENTADO Y ESTABILIZADO ESQUEMA EN BLOQUE:

Una Fuente de Tensión Regulada, utiliza normalmente un Circuito Automático de Control, que detecta, prácticamente de un modo instantáneo las variaciones de tensión y las Corrige Automáticamente. En general un sistema de control requiere de las siguientes etapas: 1. ETAPA DE REFERENCIA:

Para determinar si una magnitud ha variado se precisa de una referencia, que deberá ser lo más estable posible. (batería, diodo zener).

2. ETAPA DE MUESTREO:

Su misión es detectar las variaciones de tensión que se producen en la salida (Vm).

(Realimentación Negativa con un divisor de tensión).

3. ETAPA COMPARADORA: Su finalidad es comparar, en todo momento, las tensiones de referencia con las de muestra, dando una resultante llamada tensión de error (V. Error) (amplificador operacional, amplificador diferencial).

4. ETAPA AMPLIFICADORA DE ERROR:

La tensión de muestra es muy pequeña y se debe amplificar, para compararla con la de referencia, y de esa manera la tensión de error pueda accionar la etapa de control.(amplificador transistorizado o amplificador operacional)

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5. ETAPA DE CONTROL: Como su nombre lo indica controla las variaciones de tensión, contrarresta las

variaciones producidas en la salida. (Transistor en Zona Lineal o Activa). Asume las variaciones de tensión producidas por efecto del consumo de la carga, o por efecto de la línea o red.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO: Una fracción de la tensión de salida % Vo, es amplificada Vm y luego comparada con la tensión de referencia Vr, si la tensión de muestra Vm es igual a la tensión de referencia Vr la etapa de control no actúa. Si la tensión de muestra Vm es menor que la tensión de referencia Vr, el elemento de control debe reducir su caída de tensión en sus extremos (entrada – salida). Si la tensión de muestra Vm es mayor que la tensión de referencia Vr, la caída de tensión en el elemento de control (entrada – salida) ha de aumentar. Si la tensión de salida Vo tiende a aumentar, la señal de error ha de ejercer sobre el transistor una acción tal que haga disminuir el Vo, contrarrestando el efecto inicial, para que este Vo se mantenga relativamente cte. CIRCUITO REGULADOR DE TENSIÓN SERIE REALIMENTADO Y ESTABILIZADO

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ANALISIS FUNCIONAL DEL CIRCUITO En el circuito de la figura el Transistor Q1, es el elemento de Control, Regulando la Tensión de salida VO, asumiendo él las Variaciones de Tensión que se producen por efecto de la tensión de entrada, o por el consumo de la carga RL. Este Transistor Q1 trabaja en la zona activa o lineal, aumentando o disminuyendo su conductividad, según la tensión de error que recibe por base. El Transistor Q2, se encuentra conectado en Paralelo o en Darlington con Q1 para excitar mucho más la base de Q1, Amplificando la Corriente. También este Transistor Q2 se encuentra trabajando en la zona activa o lineal. El Transistor Q3 cumple la función Amplificar la Muestra y Compararla con la Tensión de Referencia, entregando la Tensión de Error para el de control de Q1. Este Transistor Q3 trabaja al igual que los otros dos Transistores, en la zona activa o lineal. El Diodo Zener solo funciona como elemento de Referencia, entrega una Tensión fija o constante al Transistor Q3, la Resistencia R1 le entrega la corriente necesaria para que este funcione. El divisor de tensión compuesto por Ra, Rb y Rc forma la etapa de Realimentación, por donde se extrae la Tensión de Muestra de la salida, se amplifica y se Compara con la de Referencia. La resistencia R2, solo entrega corriente para que funcionen los transistores Q2 y Q3. El Diodo Zener asume las Variaciones de Corriente que puedan provocarse por efecto de la línea o el consumo de la carga. REGULADORES DE TENSIÓN INTEGRADOS DE TRES TERMINALES El avance en el campo de la integración en la electrónica, han permitido disponer en el mercado de unos elementos que se incorporan en un único encapsulado, componentes necesarios para conseguir una buena regulación de tensión, con unos pocos elementos exteriores. Son muchos los tipos de reguladores de tensión existentes en el mercado, solo analizaremos los reguladores de tres terminales de la familia LM- 78xx, LM – 79xx y la serie de los ajustables LM –3xx. Estos reguladores de tensión integrados se encuentran en dos tipos de encapsulados TO – 220. y TO – 3 , según la disipación de potencia. Por su alta complejidad, no se analizará el esquema circuital interno, pero sí su circuito en bloques.

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CARACTERISTICAS ELÉCTRICAS DADAS POR EL FABRICANTE CODIGO REEM.

E.C.G. CARACT. Vo. Io MÁX Vi MÍN Vi MÁX PD.

W. CAPS.

LM-7805 ECG-960 I.C. POS. 5,0V. 1,0 A. 7,0 V. 35 V. 15. TO-220 LM-7812 ECG-1914 I.C. POS. 12 V. 1,5 A. 14,1V. 35 V. 15. TO-3. LM-7918 ECG-959 I.C. NEG. 18 V. 1,0 A. -20V. -35V. 15. TO-220 LM-317 ECG-956 IC.POS.AJ. 1,2-37V 1,5 A. 3,7V. 40V. 15. TO-220 LM-338 ECG-935 IC.POS.AJ. 1,2-32V 5,0 A. 2,45V. 35V. 50. TO-3. CIRCUITO EN BLOQUE DEL REGULADOR INTEGRADO

FUNCIÓN DE CADA BLOQUE: CIRCUITO DE ARRANQUE: Es un circuito de protección que inhibe la salida del regulador cuando la tensión de entrada no supera a lo menos en dos volts a la tensión nominal de salida. GENERADOR DE CORRIENTE: Proporciona una corriente constante a la etapa de referencia, independiente de la entrada y de la salida. ETAPA DE REFERENCIA: Mantiene una tensión constante entre sus extremos, enviándola al amplificador de error.

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AMPLIFICADOR DE ERROR: Compara la tensión de referencia con una tensión de muestra que proviene del divisor de tensión de la salida, el resultado es amplificado y enviado a la etapa de control. ETAPA DE CONTROL: Recibe la señal proveniente del amplificador de error con la cual varía su caída de tensión interna en función de dicha señal. Es el elemento que soporta la diferencia de tensión entre Vi y Vo nominal. PROTECCIÓN TÉRMICA: Es un circuito de protección contra cortocircuitos; si la corriente de salida supera cierto nivel, desconecta automáticamente el elemento de control, interrumpiendo la corriente de salida. PROTECCIÓN DE SOBRECARGA: Protege el elemento de control cuando el regulador se desconecta, permitiendo el paso de la corriente inversa que de otra forma dañaría a dicho elemento. CIRCUITO DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN REGULADOR INTEGRADO FIJO

FUNCIONAMIENTO: En el esquema circuital de la figura, a la entrada del Regulador Integrado existe una Tensión Continua VCC, que no es Estable o Constante, puede variar por efecto de la línea o consumo de la carga. Dicho Regulador Integrado, es capaz de mantener en la salida una Tensión Vo Estable y Regulada a un valor fijo. El condensador C2 no es necesario como estabilizador, es una simple protección contra pequeñas señales variable para que no pasen a la carga RL.

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EJEMPLO DE DISEÑO: Para el circuito de la figura y con los datos entregados, determinar las características eléctricas del circuito para la selección de un regulador. Datos: C1 = 2200 µf.; C2 = 100 nf. ; relación de transf. Vp/Vs = RV: 26,2: 1; Vp = 220 v; RL = 12 Ω. ; Io = IL = 500 mA.

DESARROLLO: 1. Calculo de la tensión secundaria en el transformador VS:

2. Calculo del VCC de entrada al regulador:

3. Calculo del voltaje en la carga VL = Vo:

4. Calculo de la tensión que soporta en sus extremos el regulador fijo:

5. Elección del regulador: - TENSIÓN DE REGULACIÓN = 6 Volts. - CORRIENTE MÁXIMA = 0,5 Amper. - POTENCIA DISIPADA = 3,0 Watt. REGULADOR SELECCIONADO = LM - 7806

−=⇒=⇒=⇒= .4,82,26

2202202,26 vVSVSVSVS

VpRV

−=≈=⇒×=⇒×= .1284,1141,14,82 vVCCvVCCVCCVSVCC

−=⇒×=⇒×= .6125,0 vVoVoRLILVo

−=⇒−=⇒−= .6..612.... vREGVREGVVoVCCREGV

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REGULADOR DE TENSIÓN INTEGRADO DE TRES TERMINALES AJUSTABLES Como su nombre lo indica, este es un Regulador de Tensión Integrado de tres terminales Ajustable, que presenta el Divisor de Tensión Resistivo de la etapa de Realimentación por el exterior del chip. El fabricante del Chip Indica los valores que deben asumir las Resistencias del Divisor de Tensión de la etapa de Realimentación: R1= 200 Ω a 300 Ω. P = 4 KΩ a 5KΩ. Este Divisor que extrae la Tensión de Muestra, se encuentra en Paralelo con la salida, por tanto al variar una de las resistencias, y la otra mantenerla fija, se pueden obtener diferentes valores de Voltaje en los extremos de la carga RL. Como se mostró al principio en un cuadro resumen de Características Eléctricas entregadas por el Fabricante, los Reguladores Integrados de tres terminales, pueden variar su tensión de salida entre 1,25 V y 37 V, para una capacidad máxima de Corriente que va de 1A a 5A aproximadamente. El condensador C2 actúa como supresor de señales transitorias que pueden afectar la tensión en la carga RL. CIRCUITO DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN REGULADOR DE TENSIÓN INTEGRADO AJUSTABLE:

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS: 1. La Tensión Vo en la salida está determinada por:

( ) ( )−×+×= .2211 RIRRIRVo

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2. La Corriente IR2 será:

Pero como: IR1>>I3⇒IR2≈IR1. 3. Por tanto la Tensión de salida Vo se puede determinar:

4. El fabricante entrega como data la Tensión entre los terminales 2 y 3 llamada de

Referencia y es constante. V. REF= 1, 25 Volts. 5. Por último podemos en forma general, determinar la Tensión de Salida Vo, sobre

la base de la siguiente formula:

EJEMPLO DE DISEÑO: Para el circuito de la figura y sobre la base de los datos entregados, determine en forma analítica, distintos Voltajes de Salida Vo para algunas posiciones del Potenciómetro P, con sus respectivos consumos de Corriente Io o IL en la Carga RL. También, determine las distintas Potencia; Potencia Suministrada, Potencia Disipada por el chip y Potencia Utilizada en la carga. DATOS: VCC = + 30v. : R1 = 250 Ω.: P = 5 KΩ.: R= 45 Ω.

−+= .132 IRIIR

( )

( ) −+×=

−+×=

.211

.212

RRIRVo

RRIRVo

( ) −+×= .211

25,1 RRR

Vo

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DESARROLLO: I ETAPA: 1. Calculo de Vo1 para P = 5 kΩ:

2. Calculo de Io1 para P = 5 kΩ:

3. La Tensión en los extremos del chip (pines 1 y 2) será:

4. La Potencia Suministrada para P = 5 kΩ.:

5. La Potencia Útil en la carga para P =5 kΩ.:

6. La Potencia Disipada en el integrado será:

II ETAPA: 7. Calculo de V02 para P =2 kΩ.:

8.Calculo de Io2 para P =2 kΩ:

9. Calculo de la Tensión en los extremos del Integrado (pines 1y 2):

( ) ( ) −=⇒+×=⇒+×= .25,2615000250250

25,11311

25,11 vVoVoRRR

Vo

−=⇒⇒= .58,0145

25,2611 AIoRLVoIo

−=−⇒−=−⇒−=−⇒+−= .75,32125,2630212121 vVVVoVCCVVoVVCC

−=⇒×=⇒×= .4,1758,0301 WPiPiIoVCCPi

( ) ( ) −=⇒×=⇒×= .14,1558,0451 22 WPuPuIoRLPu

−=⇒×=⇒×−= .17,258,075,3121 WPdPdIoVPd

( ) −=⇒+×= .25,1122000250250

25,12 vVoVo

−=⇒=⇒= .25,0245

25,11222 AIoIoRLVoIo

−=−⇒−=−⇒−=− .75,182125,113021221 vVVVoVCCV

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10. Calculo de Potencia Suministrada para P =2 kΩ:

11. Calculo de la Potencia Útil:

12. Calculo de la Potencia Disipada:

REGULADORES DE TENSIÓN CONMUTADOS O SWITCHING El Regulador Switching basa su funcionamiento en la característica que presenta el Transistor en Disipar Baja Potencia al trabajar en Conmutación. Cuando el Transistor se encuentra en Estado de Corte, su caída de tensión VCE es Alta, y su Corriente IC es prácticamente Nula. Por el contrario, cuando el Transistor se Satura, circula por el una Corriente Máxima IC, pero su Caída de Tensión VCE se aproxima Cero. Estas características permiten al elemento de Control presentar un Consumo de Potencia Muy Bajo, a diferencia del Regulador de Tensión Lineal. En este Regulador de Tensión, el Voltaje de Salida Vo, depende del Tiempo (t on), o del Ciclo Útil (D.C.) del pulso de control.

La Conmutación, (Corte - Saturación) la realiza el Pulso de Base, que presenta una Frecuencia sobre los 20KHz. Dicho Pulso es Modulado en el Tiempo, es decir va ha variar el Tiempo t(on) o el Tiempo t(off), que pertenecen al Período, pero dicho Período permanece constante. T = t(on) + t(off). (seg.) El Pulso de Control se Modula, con el fin de Regular el Tiempo de Conducción del Transistor, según la Variación que se puede producir en el Voltaje de Entrada o en el consumo de la carga. Como conclusión, se puede decir que la Tensión de Salida Vo puede ser Regulada, variando el Tiempo de Conducción t(on), pero manteniendo la Frecuencia y por ende el Período constante.

−=⇒×=⇒×= .5,7225,030222 WPiPiIoVCCPi

( ) ( ) −=⇒×=⇒×= .81,2225,045222 22 WPuPuIoRLPu

−=⇒×=⇒×−= .68,425,075,18221 WPdPdIoVPd

)(.)( vTontViVo −×=

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También, si se analiza la ecuación de Vo, se puede variar la Frecuencia, lo que implica que varía el Período T, pero se debe mantener el Tiempo de Conducción t(on) del Transistor Constante. Forma también aceptada, para Regular la Tensión de Salida Vo. Por tanto se puede Regular la Tensión de Salida Vo, de dos forma distintas: - TIEMPO DE CONDUCCIÓN t(on) = VARIABLE ⇒ FRECUENCIA = CTE. - FRECUENCIA = VARIABLE ⇒ TIEMPO DE CONDUCCIÓN t(on) = CTE. CLASIFICACIÓN DE LOS REGULADORES DE TENSIÓN CONMUTADOS Desde el punto de vista de la Entrega de la Energía al Circuito de Consumo, los Reguladores de Tensión Conmutados se Clasifican en: 1: REGULADORES ELEVADORES O (STEP – UP). 2: REGULADORES REDUCTORES O (STEP – DOWN). CIRCUITO BÁSICO DEL REGULADOR CONMUTADO

PULSO DE CONTROL AL MODULAR

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EJEMPLO DE DISEÑO: Para un Regulador de Tensión Básico Switching, calcular la Tensión de Salida en base a los siguientes datos: DATOS: VCC = 30 V. t (on) = 0,5 m. Seg. T = 0,95 m seg.

DESARROLLO: 1. Para este Tiempo de Conducción del Transistor t(on), la Tensión de Salida Vo será:

2. Si se Modula el Pulso, el Tiempo de Conducción del Transistor cambia, siendo

ahora t(on) = 0,7 m seg. Sin variar el período T, la Tensión Vo de salida será:

3. Para el pto. 1, el ciclo Útil corresponde:

Este resultado, implica decir, que para este caso, el Transistor Conduce un 52,6

% del tiempo total del Período. 4. Para el pto. 2, el Ciclo Útil se modifica, y el transistor conduce más, por tanto

ahora este Ciclo Útil será:

Nuevamente al analizar el resultado, el Ciclo Útil aumentó, lo que implica que el

Transistor Conduce un mayor porcentaje del Tiempo del Período 73,7. %.

−=⇒××

×=⇒×= −

−

..8,151095,0105,030)(

3

3

vVoVoTontVCCVo

−=⇒××

×=⇒×= −

−

..221095,0107,030)(

3

3

vVoVoTontVCCVo

−=⇒×××

=⇒×= −

−

.%.6,52..1001095,0105,0..100)(.. 3

3

CDCDTontCD

−=⇒×××

=⇒×= −

−

.%.7,73..1001095,0107,0..100)(.. 3

3

CDCDTontCD

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ANÁLISIS GRÁFICO DEL PULSO MODULADO

1. REGULADOR DE TENSIÓN SWITCHING ELEVADOR (“STEP-UP”).

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FUNCIONAMIENTO: El Circuito de la figura se denomina Elevador, debido a que la Tensión de salida Vo >> Vi. El Transistor Q1 se encuentra en Conmutación por efecto del Pulso de Base. La Tensión de entrada Vi queda aplicada al Circuito a través de la Bobina L1. Durante el Tiempo t(on), el Transistor Q1 se encuentra en Conducción o Saturado, y la Energía entregada por Vi se almacena en la Bobina L1, el Diodo D1 se encuentra con Polarización Inversa. La Corriente en la Resistencia de Carga RL es debido a la Energía Acumulada en el Condensador C. Cuando el Transistor Q1 es llevado al Tiempo t(off) la Tensión en la Bobina se hace Positiva y el Diodo Conduce, entregándose la Energía acumulada en la Bobina L1 a la carga RL, también el Condensador en este Tiempo t(off) acumula energía. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL CIRCUITO 1. La Tensión de Salida Vo se encuentra determinada por:

2. La Corriente de la Entrada Ii se encuentra determinada, según los Tiempos t(on)

y t(off) por tanto:

Pero también se puede determinar la Corriente Ii sobre la base de las Tensiones;

3. La Potencia Suministrada o Entregada al Circuito estará dado por:

( )( ) −

+×= .1OFFtONtIoIi

( )( ) −

+×= .1OFFtONtViVo

−

×= .ViVoIoIi

−×= .ViIiPi

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4. La potencia útil en la carga, está determinada por:

5. El Rendimiento del Regulador se puede Determinar por:

También el Rendimiento del Regulador se puede determinar sobre la base de las Tensiones:

6. El Período del Pulso Modulador se encuentra determinado por:

También el Período se determina por:

Por otro lado el Tiempo de Conducción t(on) se puede calcular por:

7. Sobre la base de las formulas anteriores se puede determinar la Capacidad del

Condensado del filtro:

( )( ) −

+×=⇒×= .1OFFtONtIoPoVoIoPo

−×= %.100PiPoη

−×+

= %.1001Vi

Viη

( ) ( ) −+= .segofftontT

−= .1 segf

T

( ) −−

×= .segVoViVoTont

−∆

−

××= .F

VoVoViVoTIo

C

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Finalmente la Capacidad del Condensador se Determina por:

Siendo: ∆Vo = variación de la tensión de rizado de salida que se aproxima a 1. f = frecuencia en Hz.

8. El valor de la Inductancia en la Bobina L1, estaría dado por la Variación de la

Corriente IL (bobina).

Siendo esta variación: ∆IL peack to peack = 40%. Por tanto:

De donde el Valor de la Inductancia L1 queda dado por:

9. El Ciclo Útil del Pulso se determina por:

EJEMPLO DE DISEÑO: Para el circuito regulador switching elevador, determinar los parámetros eléctricos de este, sobre la base de los siguientes datos: DATOS: Vi=18v.: t=50 µseg. : D.C.=40 %. : RL =100 Ω.

( )−

×∆×−×

= .FVoVofViVoIoC

( )−

××

×=⇒

××= .

4,014,0 Hy

ViVoIo

ONtViLViVoIoIi

( ) ( )( )

−××

−××= .5,21 2

2

HyVoIoF

ViVoViL

( )−×= %.100..

TONtCD

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DESARROLLO: 1. Calculo del Tiempo ON.

2. Calculo del Tiempo OFF.

3. Calculo de la Tensión de Salida Vo:

4. Calculo de Io:

5. Calculo de la Potencia Útil:

6. Calculo de la Ii:

7. Calculo de la Potencia Suministrada Pi:

8. Calculo de la Frecuencia:

9. Calculo del la Capacidad del Condensador de filtro, C:

( ) ( ) ( ) ( ) −=⇒××=⇒×=⇒×= − .2010504,0..100.. 6 segONtONtTCDONtTONtCD µ

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) −=⇒×−=⇒−=⇒+= − .30102050 6 segOFFtOFFtONtTOFFtOFFtONtT µ

( )( ) −=⇒

××

+×=⇒

+×= −

−

.30103010201181 6

6

vVoVoOFFtONtViVo

−=⇒== .30010030 mAIo

RLVoIo

−=⇒×=⇒×= .9303,0 WPoPoVoIoPo

( )( ) −=⇒

××

+×=⇒

+×= −

−

.5001030102013,01 6

6

mAIiIiOFFtONtIoIi

−=⇒×=⇒×= .9185,0 WPiPiViIiPi

−=⇒×

== − .20105011

6 KHzfT

f

( ) ( )−=⇒

××−×

=⇒×

−×= .6

30102018303,0

3 FCCVofViVoIoC µ

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10. Calculo de la Inductancia de la Bobina de filtro L1:

2.REGULADOR DE TENSIÓN SWITCHING REDUCTOR (STEP DOWN)

FUNCIONAMIENTO: Para este Circuito Reductor, el Transistor sigue operando en conmutación (corte y saturación), y se conoce como Regulador Reductor ya que Vi ≥ Vo. Los cambios que se provocan en el Transistor son Controlados por el Modulador de Ancho de Pulso. Cuando el Transistor Q1 se encuentra en Conducción la Tensión de entrada Vi se aplica a la Carga RL a través de la bobina L1, donde la Tensión de Salida Vo es aproximadamente igual a Vi. Para este caso donde el Transistor Conduce, el Diodo D1 presenta Polarización Inversa y el Condensador C se encuentra en período de carga. Cuando el Transistor Q1 se encuentra al Corte, durante el Tiempo t(off), la Bobina genera una Contrafuerza electromotriz con un valor de Tensión Negativo en el nudo VA. Esta Tensión Va Negativa, Polariza en forma Directa al Diodo D1 el cual entra en Conducción fluyendo una Corriente a través de la Carga RL desde la Bobina L1 Descargándose a las ves el Condensador. La Tensión, o fuerza contra electromotriz, es generada por L1 y el Condensador C, que funcionan además como un Filtro L-C eliminando el Rizado, de tal forma de obtener en la salida una Tensión y Corriente Continua. La Corriente a través de la Bobina L1 es igual a la Corriente Continua de la Carga más las variaciones de esta.

( ) ( )( )

( ) ( )( ) −=⇒

×××××

=⇒××

−××= .8,11

9003,01020123245,215,21 32

2

mHyLLVoIof

ViVoViL

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CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS: Para este Circuito Regulador de Tensión, Step-Down en Conmutación, sus Parámetros Eléctricos se pueden determinar de la siguiente forma: 1. La tensión de salida en este circuito, depende y esta determinada por:

2. La corriente de entrada Ii se encuentra determinada por:

3. La potencia suministrada al circuito se encuentra determinada por:

4. La potencia útil en la carga, esta dada por:

5. El rendimiento del circuito estará dado por:

6. El período de la señal y su frecuencia, se encuentra dado por:

( )( ) ( ) ( ) −

+

×= .vONtOFFt

ONtViVo

( )( ) ( ) ( ) −

+

×= .AONtOFFt

ONtIoIi

( ) −×= .. wViIiPi

( )( ) ( ) ( ) −×

+

×= .vViONtOFFt

ONtIoPi

VoIoPo ×=

( )( ) ( )

( ) −×

+

= .wVo

ONtOFFtONtIiPo

−×= %.100PiPoη

( ) ( )( ) −+= .segOFFtONtT

( ) −= .1 HzT

f

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7. El valor de la inductancia de la bobina viene dada por:

8. La capacidad del condensador, se encuentra determinada por:

9. Para determinar el ciclo útil de la señal:

EJEMPLO DE DISEÑO: Para el Circuito Regulador de Tensión Switching Reductor, determine los parámetros eléctricos de este sobre la base de los datos entregados: DATOS: Vi=22v. RL=150Ω.:T= 40µ seg.: t(on) =22 µ seg.

DESARROLLO: 1. Calculo de la tensión de salida Vo:

2. Calculo de la corriente Io:

3. Calculo de la corriente de entrada Ii:

( ) ( ) −××−××

= .5,21 HyfViIoVoViVoL

( ) ( ) ( ) −××∆×××−

= .18

2

FLViVoTVoVoViC

( )−×= %.100..

TONtCD

( )−=⇒

××

×=⇒

×= −

−

.121040102222 6

6

vVoVoTONtViVo

−=⇒=⇒= .8015012 mAIoIo

RLVoIo

( )−=⇒

××

××=⇒×= −

−− .44

104010221080 6

63 mAIiIi

TONtIoIi

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4. Calculo de la potencia suministrada:

5. Calculo de la potencia útil en la carga:

6. Calculo de la frecuencia de la señal:

7. Calculo del valor de la inductancia:

8. Calculo del valor de la capacidad: la ∆Vo=1.

9. Calculo del ciclo útil D.C.:

−=⇒××=⇒×= − .968221044 3 mWPiPiViIiPi

−=⇒××=⇒×= − .960121080 3 mWPoPoVoIoPo

−=⇒×

=⇒= − .25104011

6 KHzffT

f

( ) ( )−=⇒

××××−××

⇒××−××

= − .8,611025221080

1222125,25,21 36 mHYLfViIoVoViVoL

( ) ( ) ( ) ( )−=⇒

××××××−

==⇒××

××−= −

−

.160108,6228

104012122218 3

262

nFCCLViTVoVoViC

( )−=⇒×

××

=⇒×= −

−

%.55..10010401022..100.. 6

6

CDCDTONtCD

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ESQUEMA CIRCUITAL REGULADOR DE TENSIÓN SWITCHING STEP DOWN

Características generales del circuito: Para que el Transistor funcione en Conmutación, aumentando o disminuyendo su Conducción, se requiere Controlarlo, y para ello se necesitan de las siguientes etapas: GENERADOR: Este circuito denominado Oscilador de Relajación, genera una Señal Rectangular, con una determinada amplitud y con una frecuencia que depende de los valores que asume R5 y C3. La frecuencia de esta señal debe ser superior a los 20 KHz. INTEGRADOR: Circuito que Trasforma una Señal Rectangular en una Señal Triangular, provocando el proceso de Modulación con la Tensión Continua de Error. También a este circuito se le denomina Generador de Rampa. La Señal Triangular tendrá una determinada Amplitud, pero la Frecuencia será la misma que presenta la Señal de Entrada.

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AMPLIFICADOR DE ERROR: Este circuito toma una Muestra del Voltaje de salida en todo momento, por medio de la etapa de Realimentación, formada por el divisor de tensión (R1 y R2). Dicha Tensión de Muestra se Amplifica y se Compara con una Tensión fija de Referencia que entrega la Fuente V1. Como resultado se obtiene en la salida de esta etapa, un Voltaje denominado de Error, que se Mezcla con la Señal Triangular y a la salida del Modulador se tiene una Señal Rectangular Asimétrica, donde los Tiempos t(on) y t(off) no son iguales. MODULADOR DE PULSO: En esta etapa la Señal Triangular o de Rampa sufre un cambio en su forma de onda, por otro lado, de acuerdo al Voltaje de Error el Tiempo t(on) Aumenta o Disminuye. La variación en el Tiempo t(on) se conoce como Modulación del Pulso. CONTROL: La etapa de control está formada por el Transistor que Regula el Voltaje en la salida. Este Transistor Conduce más si el Tiempo t(on) aumenta, lo que implica que su caída de tensión VCE disminuye. Por el contrario, si el Tiempo t(on) disminuye esto implicará que el Transistor Conduce menos, aumentando así su caída de tensión VCE. De esta forma el Transistor asume las Variaciones de Tensión que se pueden producir en la Entrada del R7egulador o por efecto del Consumo de la Carga. Por medio de este Sistema de Regular la Tensión de Salida, Switchando el Transistor, se logra un Mínimo de Potencia Perdida lo que implica que la Potencia Útil en la Carga, sea casi igual a la Potencia Entregada, por tanto el Rendimiento se aproxima al 100%. También este método favorece la Miniaturización del Circuito, ya que la Potencia de los dispositivos será menor y se ocuparán componentes mucho mas pequeños.

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REGULADORES DE TENSIÓN SWITCHING CON ETAPA DE CONTROL INTEGRADOS El bloque conectado en la base del transistor, (modulador de pulso mencionado en los circuitos anteriores, corresponde a un circuito que tiene por finalidad modular el ancho del pulso (t on) y mantener constante la frecuencia. Este Circuito puede ser construido sobre la base de elementos Discretos, como resistencias transistores condensadores etc. Pero hoy en día la construcción de este Circuito ha sido reemplazada por Diversos tipos de Circuitos Integrados que cumplen esta función, en forma mas Eficiente que cualquier Circuito Discreto. Un tipo de Control Integrado para Reguladores de Tensión en Conmutación bastante empleado es el LM - 3524 el cual Funciona Modulando el Ancho del Pulso. Interiormente contiene todos los Circuitos de Control necesarios para implementar un Regulador tipo Switching. Además este circuito incluye un Regulador de Tensión de 5 volts capas de suministrar una corriente de 50 mA.

CIRCUITO EN BLOQUE DEL LM - 3524.

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Características Generales: El rango de tensión en modo común del amplificador de error se ha elevado a 5 V eliminando la necesidad del divisor resistivo de la tensión de referencia. El integrado LM-3524 presenta su línea de alimentación aislada de la tensión interna del chip. De esta forma se previene la generación del pulso, en amplitud y frecuencia. También a frecuencias altas (300KHz) como máximo, se ha mejorado el rendimiento de un 35% a un 44% máximo. Este chip presenta la característica de ser sincronizado en forma exterior, por el pin 3. Funcionamiento: 1. El bloque del regulador de referencia, suministra una tensión constante de 5V en

el pin 16, tensión que puede servir de referencia para que operen los elementos de comparación, donde además alimenta los circuitos internos.

2. El bloque oscilador que genera el pulso, presenta una frecuencia que depende de

RT y CT, pines 6 y 7 respectivamente. La señal diente de sierra obtenida en el pin 7, también es aplicada a la entrada no

inversora del comparador. 3. Por otra parte, la salida de este bloque presenta una señal cuadrada de frecuencia

constante, la cual es aplicada a los flip-flop internos como a las compuertas de salida.

4. Los flip-flop cambian la salida por cada flanco ascendente de la entrada, donde las

salidas de los flip-flop Q y Q son aplicada a las entradas de las compuertas NOR, lo que a su ves permite que cambien de estado los transistores de salida A y B que funcionan en conmutación.

5. El comparador, es un amplificador operacional con dos entradas, donde en la

entrada inversora se tiene presente una tensión continua de referencia llamada compensación.

La otra entrada tiene presente la señal diente de sierra. La salida del comparador tendrá un nivel alto cuando la tensión de la señal diente

de sierra sea mayor que la tensión de referencia (compensación), cuando ocurra lo contrario, el comparador presentará en su salida un nivel bajo.

Dichos niveles del comparador provocaran cambios de estado en el flip-flop R-S. 6. Las compuertas NOR entregarán una salida baja, cuando cualquiera de sus

entradas se encuentre en un nivel alto.

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Su salida será alta, solamente cuando todas las entradas sean bajas o presenten un nivel 0. CIRCUITO PRÁCTICO

Características generales: El circuito de aplicación indicado en la figura, es un Regulador de Tensión SWITCHING Reductor o Step – Down, que Regula 5 Volts en la Salida, para una Corriente de Carga de 1 Amper. y una frecuencia de señal de 20 KHz.

El Transistor Q1 es el encargado de Regular el Voltaje en la salida funcionando en Conmutación, mientras el Circuito Integrado, Controla por Base este Transistor Modulando el Pulso generado por el mismo.

El Pulso Rectangular Modulado, ingresa o es acoplado a la Base de Q2 por medio de los Diodos.

La Modulación se provoca según la Muestra que se toma en la salida por medio del divisor de tensión formado por R1 y R2 que se lleva a la entrada inversora del amplificador de error, mientras que en la entrada no inversora se presenta una tensión de referencia dada por el divisor resistivo formado por R4 y R5.

Otra característica de este regulador es su eficiencia que corresponde al 80% y presentándose en su salida un rizado muy débil, siendo su ciclo útil del 90%.

La tensión de salida se puede determinar en forma general por:

Dentro del uso del Integrado LM - 3524 presenta muchas más aplicaciones prácticas que la vista aquí como Regulador Switching.

−

+×= .

211RRVINVo