Semana 05 Fuentes 2019.pdf

16/03/2019

• SEMANA 05

2019-I

ZONAL: JUNIN PASCO HUANCAVELICA

FUENTE DE ALIMENTACION NO REGULADA V SEMESTRE

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16/03/2019

Esta configuración de 4 diodos se llama Puente Rectificador. La onda obtenida se llama onda pulsante.

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16/03/2019

Fíjate que el condensador está en paralelo con la salida.

Vemos como el condensador se carga, pero justo en el momento en que la señal de tensión en el condensador llega a la máxima, el condensador se descarga sobre la salida, suministrando la tensión de salida el propio condensador. Durante la carga y descarga del condensador, al estar en paralelo con Rl, la señal de salida será igual a la del condensador. Será la media onda de la cresta. El condensador estará cargándose y descargándose constantemente. Este ciclo se repite constantemente

Si te fijas la señal de salida siempre será alta. Aun así, existen unas pequeñas variaciones en la tensión que se obtiene, llamadas tensión de rizado El factor de rizado es la medida de la cantidad en que se suaviza la onda. Además se llama tensión de rizado a la variación alterna de la tensión de salida después de rectificada. Esta tensión de rizado es debida a la carga y descarga de los condensadores, como ya se explicó.

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16/03/2019

Para evitar las tensiones de rizado se usa un estabilizador.

Ahora ya tenemos nuestra señal en c.c. y bien plana. Vamos a unir esta última parte en el circuito con el rectificado de onda completa y tendremos nuestra fuente de alimentación.

Hemos añadido un transformador a la entrada para disminuir la tensión antes de llegar al circuito. Recuerda que la mayoría de los aparatos electrónicos trabajan a tensiones mucho menores de 230V, y 230V es la normal en los enchufes de casa de corriente alterna.

Imagina que queremos un fuente de alimentación que trabaje a 9V. Deberíamos poner un transformador de 230V a 9V en alterna y después el circuito con el rectificador, el filtro por condensador y el estabilizador, para que esos 9V se conviertan en 9V de c.c.

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Un filtro RL paso bajo es un circuito formado por una resistencia y una bobina conectados en serie de manera que este permite solamente el paso de frecuencias por debajo de una frecuencia en particular llamada frecuencia de corte (Fc) y elimina las frecuencias por encima de esta frecuencia. Estos filtros RL no son perfectos por lo que se hace el análisis en el caso ideal y el caso real.

Filtro RL Paso Bajo ideal El filtro paso bajo ideal es un circuito formado por una resistencia y una bobina, que permite el paso de las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte (Fc) y elimina las que sean superiores a ésta. (ver la figura)

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Filtro RL paso bajo Real La reactancia inductiva (XL) cambia con la frecuencia. Para altas frecuencias XL es alta logrando con esto que las señales de estas frecuencias sean atenuadas.

La frecuencia de corte es aquella donde la amplitud de la señal entrante cae hasta un 70.7 % de su valor máximo. Y esto ocurre cuando XL = R. (reactancia inductiva = resistencia). Si XL = R, la frecuencia de corte será: Fc = R / (2 x π x L). Donde π = 3.1416 La banda de frecuencias por debajo de la frecuencia de corte se llama Banda de paso, y la banda de frecuencias por encima de Fc se llama Banda de atenuación.

En cambio a bajas frecuencias (por debajo de la frecuencia de corte) la reactancia inductiva es pequeña. Ver la figura. Esto causa que estas frecuencias no se vean afectadas o son afectadas muy poco por el filtro. Con la ley de Ohm: Vin = I x Z = I x (R2 + XL2)1/2 Vo = I x R Vo = Vin x R / (R2 + XL2)1/2 Donde Z = Impedancia

Filtro RC Paso Bajo Un filtro RC paso bajo es un circuito formado por una resistor y un capacitor conectados en serie, como se muestra en el gráfico más abajo. El filtro paso bajo permite sólo el paso de frecuencias por debajo de una frecuencia en particular llamada frecuencia de corte (Fc) y elimina las frecuencias por encima de esta frecuencia. Estos filtros RC no son perfectos por lo que se hacen dos anàlisis. Un análisis en el caso ideal y otro en el caso real. La unidad de frecuencia es el: Hertz, Hertzio o ciclo por segundo

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Filtro Paso Bajo ideal El filtro paso bajo ideal es un circuito formado por un resistor y un capacitor, que permite el paso de las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte (Fc) y elimina las que sean superiores a ésta. (ver figuras arriba)

La reactancia capacitiva cambia con la frecuencia. Para altas frecuencias XC es baja logrando con esto que las señales de estas frecuencias sean atenuadas. En cambio a bajas frecuencias (por debajo de la frecuencia de corte) la reactancia capacitiva es grande, lo que causa que estas frecuencias no se vean afectadas o son afectadas muy poco por el filtro.

Filtro paso bajo Real

Con la ley de Ohm: Vin = I x Z = I x (R2 + XC2)1/2 Vo = I x XC Vo = Vin / ( 1 + (2 x π x RC)2 )1/2 donde Z = Impedancia La frecuencia de corte es aquella donde la amplitud de la señal entrante cae hasta un 70.7 % de su valor máximo. Y esto ocurre cuando XC = R. (reactancia capacitiva = resistencia). Si XC = R, la frecuencia de corte será: Fc = 1 / (2 x π x RC) La banda de frecuencias por debajo de la frecuencia de corte se llama Banda de paso, y la banda de frecuencias por encima de Fc se llama Banda de atenuación Nota: π = Pi = 3.14159

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En el siguiente diagrama en bloques vemos una fuente de alimentación no regulada:

Fuente de alimentación con rectificación de media onda. En la siguiente figura podemos ver una fuente de alimentación de media onda y su gráfico de salida. Simulación y estudio echo con el software Livewire.

Fuente de alimentación con rectificador de onda completa. Ahora veremos el circuito de onda completa y su simulación en Qucs.

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Fuente de alimentación con rectificador de puente de onda completa.

Filtro por condensador

Rectificador

ve

RL C

 Evita el uso de inductancias • Pesadas y voluminosas para frecuencias de 50 / 100Hz.

 Análisis más complejo • La evolución de corrientes y tensiones en el circuito da lugar a instantes en los que todos los diodos del rectificador no conducen (están inversamente polarizados)

 Comportamiento no lineal. • No es posible aplicar el principio de superposición

Análisis

Filtro por condensador

Filtro por condensador

Análisis

vo

 Aplicación al puente:



rectificador en 0

iD1-D2

io 0

i2

D1

D3

iD3-D4

ic

10

20

30

40

50

t(ms)

Tensión de salida: exponencial y senoidal • Un análisis detallado resultaría complicado

 Aproximación por onda triangular  simplifica cálculos • Considera descarga lineal del condensador (RL·C>>T/2) • Supone carga instantánea de C cuando los diodos conducen

0

220 V 50 Hz

v1

C

v2

ic

RL

vo 0

i2

D4

D2 0

9

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Análisis

Supone descarga de C a corriente constante.

Filtro por condensador

vo

Análisis

Filtro por condensador  Consideraciones importantes:

• iC = icarga = Io



T/2

VoM

Io 

Vr

Vom

Vo

Vr   El valor de Vr suele ser conocido • Limitado por las especificaciones • Permite calcular el valor de C • Hay que tener en cuenta las tolerancias (±20%)

 Se define el factor de rizado como:

v o (cc ) RL

V  o RL

Vo I  o 2 f RL C 2 f C

• La tensión en la carga tiene un rizado menor cuanto mayor es la capacidad del condensador • Una mayor capacidad provoca un menor intervalo de conducción de los diodos  mayores“picos” de corriente en ellos

v2

v2

t

iD

t

iD

Vr FR 

Vr ( RMS ) Vo



2 3 1  Vo 4 3 f RL C

t

T1

C 

t

C 

T

T1

T

Filtro por bobina iL L Rectificador

ve

RL

TIPOS DE FILTROS ZL = 2··f·L

ZL = 0

ve(cc)

RL

ve(ca)

RL

Elección del valor de L: • ZL(ca) >> RL • iL > 0

2·V v e(cc) = —— 

2·V 4·V v e(ca) = - ——·cos (2t) - ——·cos (4t) + ··· 3· 15·

10

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ESTABILIZADOR  El conjunto Trafo + Rectificador + Filtro puede constituir una fuente de alimentación

Filtro por bobina y condensador iL

• Si la carga no demanda demasiada corriente • Sensible a las variaciones de carga y de la tensión de red

L ve

Rectificador

RL C

Mejora el funcionamiento.

• C contribuye a impedir que componente ca llegue a la carga

la

 Para conseguir una mayor “calidad” en la tensión de salida se puede incluir un estabilizador • La estabilidad se consigue aprovechando las características de un dispositivo electrónico (generalmente, un diodo zener) • No se utiliza realimentación • Su funcionamiento está basado en recortar la tensión de entrada hasta el nivel deseado

(cc)

Elección de los valores de L y de C:

Filtro Pasivo

Rectificador

• ZC(ca) << RL

(ca)

• ZL(ca) >> ZC (ca)

Estabilizador

• iL > 0

Con diodo zener

RS

FUENTE SIN REGULAR

iR

io

 Límites de funcionamiento del estabilizador propuesto

iZ vi

Vz

vo

RL

• Corriente en el zener: Iz(min)  iz  Iz(max) • Corriente en RS: IR(min) = Io(max) + IZ(min)

vo = Vz

RS

iR

La tensión vi debe ser siempre mayor que la tensión vo

vi ViM Vz

io

Vi (min)  VZ I o (max)  I Z (min)

iZ Vz

vo

La diferencia entre ambas tensiones es soportada por la resistencia RS • Interesa que vi no sea mucho mayor que vo. • Elección de N2:N1.

RL

 RS 

Vi (max)  VZ I o (min)  I Z (max)

En general, interesa RS grande: • Menor calentamiento del zener • La tensión vo se ve menos afectada por las variaciones de vi

 Principal inconveniente:

• Si el circuito se diseña para suministrar corrientes de salida elevadas, el diodo zener debe ser capaz de soportar esas corrientes  zener de potencia

11

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Con diodo zener y transistor serie

Q1

FUENTE SIN REGULAR

iR

vi

RS

REGULADAS

iB iz

vo

Vz

RL

TIPOS Y APLICACIONES vo = Vz – vBE

• La potencia generada por la diferencia de tensión entre vi y vo se disipa fundamentalmente en el transistor • La resistencia RS aumenta su valor 

RS (max) 

Vi (min)  V Z I o (max)

I Z (min) 

 1

• No se necesita un zener capaz de soportar corrientes elevadas

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REGULACIÓN DE TENSIÓN Introducción  Los circuitos estabilizadores tienen algunas limitaciones:

• La exactitud de la tensión de salida depende en gran medida de las características de los dispositivos electrónicos utilizados. • Carecen de un mecanismo de control de la tensión de salida que detecte y contrarreste sus posibles variaciones.

 Regulador lineal  mantiene la tensión de salida constante

• Sistema realimentado negativamente para mantener la tensión de salida constante ante variaciones de carga y/o tensión de entrada.

Filtro Pasivo

Rectificador

REGULACIÓN DE TENSIÓN Introducción

Regulador

Introducción

 Existen dos tipos de reguladores: serie y paralelo

• Las posibles variaciones de la tensión de salida debidas a cambios en la tensión no regulada y en la corriente de salida se compensan con variaciones de: •La caída de tensión en un elemento situado en serie con la carga  Regulador serie •La corriente en un elemento situado en paralelo con la carga  Regulador paralelo • En la práctica, el regulador serie es el más utilizado.

Surgieron debido a la necesidad de utilizar reguladores de tensión en las fuentes de alimentación. • Primera generación  componentes de aplicación general. • La gran demanda de determinadas tensiones de alimentación (por ejemplo, 5V) condujo a la realización de reguladores de tensión fija, con sólo tres terminales. • bajo costo y facilidad de empleo. • Posteriormente se desarrollaron reguladores de tensión ajustable de tres terminales. • bajo costo + facilidad de empleo + gran versatilidad.

Una posible clasificación:

Ii

Ii

Io Regulador

Fuente no regulada

Vi

Serie

Io

Rs

Ic Vo

Fuente no regulada

Vi

Regulador

Vo

• Reguladores de múltiples terminales. • Reguladores de tres terminales: • de tensión fija: • positiva • negativa • de tensión ajustable: • positiva • negativa

Paralelo

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REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales • Su estrutura interna se corresponde con la del regulador lineal básico.

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales A723

Emisor

Zener Limitación de corriente Detección de corriente

Colector Alimentación positiva

• Muchas de las partes del circuito son independientes y pueden ser conectadas por el usuario.

VOUT

VC

VZ CL

CS

V+

• Son dispositivos versátiles que simplifican el diseño de fuentes de alimentación lineales.

Fuente de referencia 7,15 V

723

V-

• Los componentes más representativos de esta familia son:

VREF IN+ IN-

FC NC

• A723 (14 terminales)

• • • • • •

A723

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales

Compensación en frecuencia Entrada inversora Entrada no inversora Tensión de referencia

Alimentación negativa

• L200 (5 terminales).

Un amplificador de error Una fuente de referencia Un transistor como elemento de control Un transistor para limitación de corriente Un zener para aplicaciones especiales Un terminal para compensación en frecuencia

FC V+

IN-

4

11

VC

723

VOUT

IN+ 5

10

VREF 6

9

VZ

7

8

NC

I o (max) 

RCL

• Tensión de entrada • Máxima............ 40 V. • Mínima ............ 9,5 V.

• Corriente máxima de salida......150 mA.

NC

13 12

V-

Principales características eléctricas:

• Tensión de salida..... 2 a 37 V.

14

2 3

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales

A723

V OUT

VC

• Diferencia entre entrada y salida • Máxima............ 38 V. • Mínima.............3 V.

1

CL CS

VZ

CL

0,65 RCL

CS

V+ Fuente de referencia 7,15 V

vi

 R1  vvo o  VREF  1  R  2  

723 VV REF

R3

IN+ IN-

FC

C1

R1

• Tensión de referencia típica......7,15 V. • Corriente máxima en el terminal de referencia....15 mA. • Corriente de cortocircuito para RCL = 10 .........65 mA.

R2

Tensión de salida superior a la de referencia (7 a 37 V)

• Máxima disipación de potencia.........................900 mW.

14

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REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales

A723

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales

A723

RCL

RCL VC

VZ

VOUT

CL

V+

VZ

CL

CS

V+ Fuente de referencia 7,15 V

vi

vvo o  VREF

723 VV REF

IN+ IN-

R2 R1  R2

Fuente de referencia 7,15 V

vi

723 V-

FC

V REF

IN+ IN-

C2

R4

VR  VREF

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales

R2

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales

L200

RCL

5 1

V OUT

P1

R4 R3  R 4

Salida ajustable con tensión mínima inferior a la de referencia.

Tensión de salida inferior a la de referencia (2 a 7 V)

VC

 R1   P1  vvo o  VR  1   R2  

FC

C1

R3

R3

R2

C2

R1*

C1

R1

A723

V OUT

VC

CS

VZ

CL

Q1

CS Fuente de referencia 2,77 V

2 Q2

V+ Fuente de referencia 7,15 V

L200

vi

vo

723

3

4

Disposición de terminales

V-

Circuito equivalente V REF

R3

FC

IN+ IN-

C1

R1

R2

Aumento de la corriente máxima mediante transistor externo (tensión de salida superior a la de referencia)

• • • •

Regulador de tensión positiva, ajustable desde 2,85 a 36 V. Admite tensiones de entrada de hasta 40 V. Es capaz de suministrar hasta 2 A, sin transistor externo. Incluye limitación de corriente, limitación de potencia, protección térmica y protección contra sobretensiones de entrada (hasta 60 V). • La corriente máxima de salida se fija con una resistencia de bajo valor. • La tensión de salida se fija con dos resistencias o, si se requiere una salida variable, con un resistencia y un potenciómetro.

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REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de múltiples terminales

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores de tres terminales

RCL

L200

 Incorporan en un único encapsulado de tres terminales todos los elementos necesarios para conseguir una tensión de salida regulada.

Aplicación típica

5 1

2

L200 3

vi 0,22F

 Proporcionan un medio sencillo, práctico y barato para implementar fuentes de alimentación reguladas lineales. 4

R2

R1

P1

vo

RL

0,1F

 Se pueden clasificar en dos grupos: •Reguladores fijos: proporcionan una tensión de salida fija, positiva o negativa.

IN

•Reguladores ajustables: permiten variar la tensión de salida añadiendo unos pocos componentes externos. Dicha tensión puede ser positiva o negativa.

IN

OUT GND

• La tensión de salida se obtiene como:  R   P1  v o  VREF  1  1  R2  

con VREF = 2,77 V típico.

•La corriente máxima de salida viene dada por: V I o (max)  52 con V5-2 = 0,45 V típico. RCL

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales • La serie de reguladores 78XX proporciona tensiones positivas, mientras que la serie 79XX lo hace con tensiones negativas. • Los dos últimos dígitos, marcados como XX, indican la tensión de salida regulada.

Tipo

Io(max) (A)

78LXX-79LXX

0,1

78MXX-79MXX

0,5

78XX-79XX

1

78TXX-79TXX

3

• Se encuentran en el catálogo de numerosos fabricantes: •LM78XX  National Semiconductor, Fairchild. •UA78XX  Texas Instruments •MC78XX  Motorola, ON Semiconductors,...

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales Características básicas

Vo

Vi(min)

Vi(max)

(V)

(V)

(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

18

20

35

• Protección térmica  se llega a desconectar el elemento de control.

24

26

40

• Amplificador de error compensado internamente

Tipo

7818 7824 79XX

OUT ADJ

Los mismos valores que arriba pero negativos

• Dispone de todos los elementos indicados para un regulador lineal básico, a los que se han añadido ciertas prestaciones:

IN

Elemento de control

• Limitación de la corriente máxima de salida en función de la diferencia de tensión entrada-salida  limitación de potencia.

Protección térmica y Limitación de corriente

Referencia

OUT

R1

Amplificador de error

R2

• Tensión de referencia de bajo ruido y gran estabilidad. GND

Diagrama de bloques

16

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REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales Encapsulados

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales Reguladores positivos • Ningún componente externo es indispensable. • La entrada puede proceder de una fuente no estabilizada o de una alimentación continua de la que ya se disponga. • La tensión de entrada debe ser superior a la de salida en, al menos, 23 voltios (depende del fabricante). In

78XX Out Gnd

Vi

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales Reguladores positivos

Vo

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales Ejemplo

 En algunas ocasiones resulta conveniente añadir algunos componentes suplementarios al montaje básico.

25,46Vpico +12V

Mejora la respuesta transitoria del regulador

Protege al regulador frente a la descarga de C2, si la tensión Vi disminuye o se anula

IN

OUT

io

7812 18Vef

D1 vred

C vi

220Vef

470µF

GND 10nF

vo

RCARGA

18Vef

78XX

Sólo es necesario si el regulador está “lejos” de la fuente sin regular

Vi

C1 330nF

C2 0,1µF

D2

Vo

Protección contra inversiones de polaridad en la salida

• Conviene elegir la relación de espiras del transformador más adecuada para minimizar disipación de potencia. • El condensador C debe asegurar que vi nunca disminuye por debajo del valor mínimo permitido. • La corriente de descarga es io.

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REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales Reguladores negativos

Especificaciones

Serie 79XX.

• Análogos a los reguladores positivos de la serie 78XX. • Es necesario colocar un condensador en la salida para asegurar la estabilidad. • Como en la serie 78XX, el condensador C1 sólo es necesario si el regulador está a una distancia apreciable del filtro y C3 mejora la respuesta transitoria. • Todos los condensadores asociados al regulador deben estar colocados lo más cerca posible del mismo.

Tensión de salida (Output Voltage). Valores típico, mínimo y máximo. Regulación de salida (Load Regulation). Máxima variación en vo cuando la corriente io varía en un rango dado. Caída de tensión (Dropout Voltage) Mínimo valor de la diferencia de tensión entre entrada y salida. Corriente de polarización o de reposo (Quiescent current) Corriente que necesita el regulador para su funcionamiento.

2,2F

Corriente de salida en cortocircuito (Short-Circuit Current). Cantidad de corriente que puede entregar el regulador.

1F

vi

Corriente de salida de pico (Peak Output Current). Máxima corriente de salida que puede entregar el regulador.

IN

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales

0,1F

RL

vo

GND

C1

C2

C3

OUT

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales

Reguladores negativos

Reguladores negativos

78XX 78XX

+

+

 Facilitan la construcción de fuentes de alimentación simétricas.

N2 v red

+

Rectif.

Filtro

Trafo

Rectif.

Filtro

+

+

+

+

78XX

79XX 79XX

-

+V

N2 vred

78XX Trafo

N1 N2

• Aunque se pueden implementar fuentes simétricas con 78XX, habría que diseñar dos fuentes completas. N1

N2

78XX

+

+

-V

0

N2

78XX

79XX

-

-

N1

79XX

+

+

N2

-

N2 +

N1

+

N2

Uitlizando 79XX se simplifica el diseño

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REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales

Aumento de la corriente de salida

Aumento de la corriente de salida

Se pueden manejar corrientes de salida elevadas añadiendo una resistencia y un transistor. • Transistor  se encarga de soportar la mayor parte de la corriente que circula hacia la carga. • Regulador  asegura la estabilidad de la tensión de salida. La diferencia de tensión mínima entrada-salida es mayor. • vEB + Caída de tensión mínima en el regulador (23 V). Ii

RCL

Ii

IC

Q1

RCL 

VEB2(ON )

Q2

IB

R1

R1 

Io 78XX

IiR

Vi

Se puede conseguir dicha protección añadiendo un circuito de limitación a corriente constante. • Transistor suplementario asociado a una resistencia.

IC

Q1

v EB

El circuito anterior tiene el inconveniente de que el transistor no está protegido frente a cortocircuitos.

IoR

C1

C2

v EB I I iR  c

78XX

Vi



I C (max)

Io

R1

C1

Vo

Vo

C2

I o  I oR  I c

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales

Aumento de la tensión de salida

Empleo como fuente de corriente

Con un regulador fijo también es posible obtener una tensión de salida diferente del valor nominal. Todos los métodos se basan en colocar el terminal común del regulador (Gnd/Common) a un potencial positivo. • Es necesario permitir la circulación de corriente de reposo (8,5 mA como máximo, para la serie 78XX). 78XX IQ Vi D

Io

R

La tensión de salida del regulador se aplica sobre una resistencia, dando lugar a una una corriente constante a su través.

78XX

Vi

C1

IQ

VoR Vo

330nF

Io 

78XX VoR

IR + VZ 

R

IQ Vo

V oR

R1 Vo

Vi R2

Vi

C1 2,2µF

IQ

C2

Vo

1µF

R

79XX

Vo  VoR  Vz

VoR  IQ R

La tensión de entrada debe ser suficiente para el funcionamiento del regulador.

 R  Vo  VoR  1  2   I Q  R2 R1  

• Suponiendo que la mínima caída de tensión entrada-salida para la serie 78XX es de 3 V:

Io

Vi  3  VoR  Vo

19

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REGULADORES INTEGRADOS

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores fijos de tres terminales

Reguladores ajustables de tres terminales

Tensiones de entrada elevadas

Características básicas

En general, la máxima tensión aplicable a la entrada de un regulador de la serie 78XX es de 35 V (para la serie 79XX, -35 V). Si la tensión de entrada es superior a la máxima indicada por el fabricante, se puede colocar un estabilizador antes del regulador. Esta solución también puede ser interesante para reducir la disipación de potencia en el regulador, incluso aunque Vi < Vi(max).

Q1

78XX

C1 D1

+ Vz -

• El retorno de la corriente de reposo tiene lugar a través de la salida  se debe permitir su circulación.

0,22µF

OUT

Circuito de protección

Referencia

ADJ

Diagrama de bloques

REGULADORES INTEGRADOS

Reguladores ajustables de tres terminales

Reguladores ajustables de tres terminales

Parámetros característicos Vo(min) (V)

Elemento de control

• La corriente de salida debe ser, al menos, de unos pocos mA.

Vo

REGULADORES INTEGRADOS

Tipo

IN

• La elección de la tensión de salida se realiza mediante un divisor externo conectado al terminal de ajuste (ADJ).

• Para un funcionamiento correcto necesitan un consumo mínimo.

vBE R1

Vi

• Diferencia fundamental respecto a un regulador fijo  el divisor resistivo no está integrado.

Encapsulados Vo(max) (V)

Io(max) (mA)

Io(min) (mA)

Iadj(min) (mA)

(Vi-Vo)min (V)

(Vi-Vo)max (V)

LM317

1,2

37

500 1000 1500

3,5

0,1

3

40

LM350

1,2

32

3000

3,5

0,1

3

35

LM338

1,2

32

5000

3,5

0,1

3

35

Tipo

Vo(min) (V)

Vo(max) (V)

Io(max) (mA)

Io(min) (mA)

Iadj(min) (mA)

(Vi-Vo)min (V)

(Vi-Vo)max (V)

LM337

-1,2

-37

500 1000 1500

2,5

0,1

-3

-40

LM333

-1,2

-32

3000

5

0,1

-3

-35

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REGULADORES INTEGRADOS

REGULADORES INTEGRADOS

Reguladores ajustables de tres terminales

Reguladores ajustables de tres terminales

Reguladores positivos (montaje básico)

Reguladores positivos (montaje mejorado)

Basta con añadir un divisor resistivo al circuito integrado. Condición de corriente mínima  valor máximo para R1. • El caso más desfavorable es cuando el regulador funciona sin carga. Toda la corriente que sale del regulador circula por el divisor resistivo. • Se suele imponer un consumo mínimo de unos 10 mA. • Una corriente insuficiente provoca un aumento de la tensión de salida.

Permite la descarga de C3 en caso de cortocircuito en la salida

D1 Sólo es necesario si el regulador está “lejos” de la fuente sin regular

In

• En funcionamiento normal:

Protege al regulador frente a la descarga de C2, si la tensión Vi disminuye o se anula

317

317

Out

R1

Adj

VR

 R  Vo  VR  1  2   I A  R2 R1  

IA

Vi

R1

Vi

I1 Vo

Mejora la respuesta transitoria del regulador

D2

C1

C2

100nF

1µF

C3

Vo

R2

10µF

R2

con VR = 1,25 V e IA  100 A

Contribuye a disminuir el rizado de la tensión de salida

Permite ajustar la tensión de salida al valor deseado

• Generalmente, el efecto de IA es despreciable.

REGULADORES INTEGRADOS Reguladores ajustables de tres terminales Reguladores negativos (montaje básico) • Es obligatorio colocar un condensador en la salida para asegurar la estabilidad del sistema. • En la entrada sólo es necesario un condensador si la distancia entre la fuente y el regulador es apreciable. • La expresión de la tensión de salida es la misma que en el regulador positivo, aunque VR es de polaridad opuesta (-1,25 V típico).

337

DIODO ZENER El diodo zener sirve para regular o estabilizar el voltaje en un circuito. Esto quiere decir que tiene la propiedad de mantener en sus extremos una tensión constante gracias a que aumenta la corriente que circula por el.

R1

Vi

C1

C2

1µF

1µF

Vo

R2

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Esta va a ser la última etapa dentro de nuestra fuente de alimentación. Aunque ya tenemos una corriente continua casi perfecta después del paso por las tres etapas anteriores, todavía hay aparatos electrónicos que no se conforman con que la corriente pase por un filtro y necesitan mejorarla usando dispositivos electrónicos.

En estos reguladores toda la energía que no hemos liberado en la carga la tenemos que liberar en el regulador, aunque no sea aprovechada. Sin embargo, El dispositivos más simple que se usan para regular las fuentes de alimentación es el diodos Zener.

Una fuente de alimentación regulada ideal es la que mantiene constante la tensión de salida a pesar de los cambios en la tensión de entrada.

CURVA CARACTERÍSTICA

Fig. 1 El Diodo Zener - símbolo

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CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES CURVA CARACTERÍSTICAS

 Trabaja en la zona inversa  Pequeñas variaciones de tensión originan grandes cambios de corriente. Polarizado directa- mente actua como un diodo normal  Polarizado inversamente, fluye una pequeña corriente de saturación  Alcanza la región destructiva Zener en Vz. La Tensión Zener se mantiene constante.  En el cuerpo del diodo suele venir indicada la tensión a la que ejemplos:

Ejemplo

5V1 Diodo zener que estabiliza a 5,1 voltios 6V2 Diodo zener que estabiliza a 6,2 voltios Según el código de identificación europeo será: Ejemplo: B Z Y 79 - C 15 Fig. 3 Diodo Zener - dispositivo

BZY79.....Indica el tipo de diodo zener - C ...........Indica la tolerancia, A= 1%, B= 2%, C= 5%, D= 10%, E= 15% - 15 ..........Indica que el zener estabiliza a 15 voltios

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CALCULO DE LA RESISTENCIA

SUS ESPECIFICACIONES TÉCNICAS SON:

La Tensión Zener(Vz).;Máxima disipación de Potencia; Máxima temperatura;I inversa de fuga El diodo zener se utiliza en los circuitos, con polarización inversa, positivo en el cátodo y negativo en el ánodo.

FUNCIONAMIENTO DEL DIODO ZENER Al colocar un diodo tipo zener intercalado en un circuito la carga a alimentar (R L) y el condensador de filtro (Cf), se origina una regulación real de tensión en la alimentación de la carga. Esto se debe a que estos diodos zener se fabrican de forma específica para que se comporten como un diodo normal si no se alcanza la tensión zener (ya comentada) y responden, con una elevada corriente ante pequeñas variaciones de tensión si trabajamos en esa zona.

Por ejemplo

Si deseamos estabilizar a 12 V una tensión consume 100 mA tenemos que:

La utilización de esta característica hace que el diodo realice una regulación de tensión. Dicha tensión es indicada en la cápsula del mismo y viene prefijada de fábrica. De todos modos el diodo necesita el concurso de una resistencia limitadora para configurar totalmente la etapa "reguladora". El cálculo de dicha resistencia es sencillo si aplicamos la fórmula siguiente:

R=

V-

Si aplicamos la Ley de Ohm podemos deducir que la potencia de la resistencia y del diodo zener deberán ser de:

VZ

IL + IZ

Siendo: V: Tensión en la salida del filtro (Cf) VZ: Tensión zener o tensión de salida IL: Corriente que circula por la carga. IZ: Corriente que circula por el zener (IZ = 10 % IL)

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Formas de onda de una fuente de alimentación regulada con diodo zener

Fig. 6 Fuente regulada con diodo zener

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN

MATEMATICA APLICADA

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DIODO ZENER Los diodos zener, zener diodo o simplemente zener, son diodos que están diseñados para mantener un voltaje constante en su terminales, llamado Voltaje o Tensión Zener (Vz) cuando se polarizan inversamente, es decir cuando está el cátodo con una tensión positiva y el ánodo negativa.

POLARIZACION - FUNCIONAMIENTO Cuando lo polarizamos inversamente y llegamos a Vz el diodo conduce y mantiene la tensión Vz aunque la aumentemos. La corriente que pasa por el diodo zener en estas condiciones se llama corriente inversa (Iz).

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 Se llama zona de ruptura por encima de Vz.  Como ves es un regulador de voltaje o tensión.  Cuando está polarizado directamente el zener se comporta como un diodo normal. Pero OJO mientras la tensión inversa sea inferior a la tensión zener, el diodo no conduce, solo conseguiremos tener la tensión constante Vz, cuando esté conectado a una tensión igual a Vz o mayor. Aquí puedes ver una la curva característica de un zener:

Para el zener de la curva vemos que se activaría para una Vz de 5V (zona de ruptura), lógicamente polarizado inversamente, por eso es negativa. En la curva de la derecha vemos que sería conectado directamente, y conduce siempre, como un diodo normal.

La relación entre Vz y Pz nos determinará la máxima corriente inversa, llamada Izmáx. OJO si sobrepasamos esta corriente inversa máxima el diodo zener puede quemarse, ya que no será capaz de disipar tanta potencia.

Sus dos características más importantes son su Tensión Zener y la máxima. Potencia que pueden disipar = Pz (potencia zener).

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Un ejemplo: Tenemos un diodo zener de 5,1V y 0,5w. ¿cual será la máxima corriente inversa que soportará? Recordamos P = V x I; I = P/V. En nuestro caso Izmáx = Pz/Vz = 0,5/5,1 = 0,098A.

Para evitar que nunca pasemos de la inversa máxima, los diodos zener se siempre con una resistencia en serie que "Resistencia de

corriente conectan llamamos Drenaje".

La Rs sería la resistencia de drenaje y la Rl la Carga a la salida del zener. ¿Te das cuenta que la conexión es inversa?. Así se conectan siempre el zener diodo.

La Rs absorbe la diferencia de tensión entre la entrada y la salida. ¿Cómo se calcula la Rs? Rs = (Vs- Vo)/ (Il + Iz)

En el circuito anterior la tensión de salida se mantendrá constante, siempre que sea superior a la Vz, y además será independiente de la tensión de entrada Vs. Esto nos asegura que la carga siempre estará a la misma tensión. Si aumentamos por encima de Vz la tensión de entrada Vs a la salida tendremos siempre la tensión constante igual a Vz.

Siendo Vs la tensión de entrada del regulador, Vo la tensión de salida, que será igual a Vz, Il es la intensidad de carga máxima e Iz la intensidad o corriente a través del diodo zener. Esta última se escoge siempre de un valor del 10% o del 20% de la corriente máxima.

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También tenemos que decir que estos diodos se utilizan como reguladores de tensión para determinadas tensiones y resistencias de carga, por encima de ellos el zener puede bloquearse e incluso destruirse. Vamos a poner un ejemplo. Se desea diseñar un regulador zener de 5,1V para alimentar una carga de 5 ohmios, a partir de una entrada de 9V. Para ello utilizaremos un zener de 5,1V y 1w. Calcular:

Vamos a resolver el problema: Para calcular la resistencia de drenaje ya sabemos que es: Rs = (Vs- Vo)/ (Il + Iz); en nuestro caso: Vs = 9V; Vo = 5,1V; Il = Vo / Rl = 5,1/5 = 1,02A; Iz = Il / 10 = 1,2 /10 = 0,102A (el 10%) Si ponemos estos valores en la fórmula de la Rs tendremos: Rs = (9V-5,1V)/(1,02A-0,102A)= 3,48Ω.

a) La resistencia necesario de drenaje, asumiendo una corriente de zener del 10% de la corriente máxima. b) Los límites de variación del voltaje de entrada dentro de los cuales se mantiene la regulación. Se asume que la carga es constante. c) La potencia nominal de la resistencia de drenaje.

como este valor de resistencia no existe en la realidad escogeremos el valor de una resistencia de 3,3Ω que si existe en la realidad y se comercializa. Vamos ahora a resolver el apartado b). Los valores máximos y mínimos de la tensión de entrada entre los cuales el circuito mantiene regulada la tensión de salida, podemos despejarlos de la fórmula anterior, despejando Vs y teniendo en cuenta que la Iz, corriente a través del zener, no puede ser superior a su valor máximo Izmáx ni inferior a cero. Despejamos Vs: Vs = (Il + Iz) x Rs + Vo;

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El valor mínimo para Vs será cuando Iz es igual a cero. Vsmínimo= Il x Rs + Vo; El valor máximo será cuando Iz es igual a Izmáx. Vs = (Il + Izmáx) x Rs + Vo; Los valores para nuestro ejercicio son: Il = 1,02A; Rs = 3,3Ω; Vo = 5,1V y la Izmáx será: Izmáxima= Pz/Vz = 1/5,1= 0,196A. Si ponemos los valores en las fórmulas anteriores, tenemos: Vsminimo = 1,02 x 3,3 + 5,1 = 8,47V

¿Qué significa esto? Pues que la tensión de entrada puede ser entre 8,47V y 9,11V para que exista regulación de tensión del diodo zener. Si el zener tiene una tensión inferior a 8,47V deja de conducir y si es superior a 9,11V se destruye por sobrecalentamiento. Este será el rango del que hablamos anteriormente y por lo que los zener no se pueden usar para todos los casos.

Vmáxima = (1,02 + 0,196) x 3,3 + 5,1 = 9,11V.

En ambos casos no habrá regulación de tensión y el circuito se comportará como un divisor de tensión normal. Conclusión a esto es que los diodos zener solo se pueden utilizar para un rango limitado de tensiones de carga o corrientes de carga. Para manejar tensiones elevadas se debe utilizar junto con un transistor, que se encargará de transportar la corriente d carga sin alterar la tensión aplicada a ella. Pero para eso tendríamos que entender el transistor. Si te interesa aquí tienes el enlace: Transistor.

Por último calculemos el apartado c). La potencia nominal mínima de la resistencia de drenaje se calcula con la fórmula: Ps = (9,11V -5,1V)/3,3Ω= 4,87w. Según esto debe escogerse como mínimo una resistencia d 3,3Ω y que aguante una potencia de 5w. En la práctica, por seguridad se elegirá una de 3,3Ω y de 10w de potencia.

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REGULADOR LM 317 Hay principalmente dos variedades de zener, los ZD o ZDP que son los europeos y los 1N que son americanos. Los ZDP por ejemplo el ZPD12 significa que tienen una tensión zener de 12V. Para el resto tendremos que mirar sus características en la tabla de fabricante, aunque normalmente su tensión de ruptura viene impreso sobre el mismo diodo zener.

FUNCIONAMIENTO Con el propósito de optimizar el funcionamiento del regulador se pueden incorporar al diseño algunos elementos adicionales. Ver el diagrama inferior.

El LM317 es un regulador de tensión lineal ajustable capaz de suministrar a su salida en condiciones normales un rango que va desde 1,2 hasta 37 Voltios y una intensidad de 1,5 A. Sus patillas son tres: ajuste (ADJ), entrada (IN) y salida (OUT). El complemento al LM317 pero en tensión negativa es el circuito integrado LM337. Es uno de los primeros reguladores ajustables de la historia; el primero que salió fue el LM117, y más tarde el LM137 el cual tenía una salida negativa; después le siguió el LM317 siendo notablemente popular.1

Se pone un capacitor C1 de 0.1uF en la patilla de entrada (IN) si el regulador se encuentra alejado del bloque que se encarga de la rectificación. Se pone un capacitor C3 de 1 uF de tantalio o 25 uF electrolítico en la patilla de salida (OUT) con le propósito de mejorar la respuesta a transitorios. Se pone un capacitor electrolítico de 10 uF (C2) en paralelo con R2 con el propósito de mejorar el rechazo del rizado. Se pone un diodo D1 (1N4001) para proteger el regulador contra posibles cortos circuitos en la entrada del regulador. Se pone un diodo D2 (1N4001) para proteger al regulador contra posibles cortos circuitos en la salida al dar camino a la descarga de capacitores. Nota: R1 = 240 Ohmios y R2 = 5 Kilohmios (potenciómetro)

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CARACTERISTICAS Las características básicas del LM317, para que te hagas una idea de los circuitos en los que puedes utilizar este elemento:  Tensión de salida desde 1.2V hasta 37V. Tolerancia del voltaje de salida del 1%. Corriente de salida de hasta 1.5A. La limitación de corriente no depende de la temperatura. Protección contra el ruido a la entrada (RR= 80dB). Puede trabajar a temperaturas altas (125ºC). Tensión nominal (Vref) de 1.25V.

Cuando usamos los reguladores de tensión ajustables, como el LM317 y el LM337, la entrada de tensión tiene que ser de un valor entre 1,2 y 1,25 V por encima de la tensión de salida deseada. Esto es debido a que la tensión en la entrada (ADJ) se compara internamente con una tensión de referencia (Vref) que tiene ese valor. La tensión de referencia siempre existe en los extremos de la resistencia R1. Esta junto a la resitencia R2 determinan la corriente que va a pasar por el terminal ADJ. Esto está determinado por la siguiente fórmula:

Para poder diseñar un circuito de un regulador de tensión ajustable con un LM317, o hacer un nuevo diseño del mismo, necesitamos calcular los valores de dos resistencias, R1 yR2.

out =Vref [1+(R2/R1)] + (iADJ)(R2) Luego de despejar y considerando que iADJ toma siempre un valor muy bajo nos queda: R2 = (R1/Vref) (Vout - Vref) R2 = (R1/1,2) (Vout - 1,2) Ejemplo: Si queremos una tensión en la salida del 317 de 25 V y tomamos a R1=240 ohms: R2 = (240/1,2) (25 - 1,2) = 4760

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Y nos quedaría así el circuito.

LM317 - Ejemplo 25V Para facilitar el cálculo si a R1 le damos el valor de 1K2 ohms y tomando a Vref=1,2 nos quedará la fórmula de manera mas simplificada: R2 = 1000 (Vout - 1,2)

DIBUJO TECNICO

ESQUEMA DE FUENTE DE ALIMENTACION DE NO REGULADA DE ½ ONDA

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ESQUEMA DE FUENTE DE ALIMENTACION DE NO REGULADA DE ONDA COMPLETA

ESQUEMA DE FUENTE REGULADA POR DIODO ZENER

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Fuentes con zener

SEGURIDAD E HIGIENE INDUSTRIAL AMBIENTAL

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PRECAUCIONES EN LA CONEXION DEL CONDENSADOR Al manipular un condensador es conveniente tomar una serie de precauciones por seguridad. Cuando se desconecta un condensador de la tensión, el condensador continúa cargado con la tensión de alimentación, por lo que si se cortocircuitan las placas al tocarlo puede provocar un accidente peligroso al descargarse el condensador violentamente.

La normas EN-61048 y EN-60252 establecen la necesidad de dotar a los condensadores de alumbrado y motor de la resistencia de descarga adecuada, de tal forma que al dejar de aplicar la tensión de alimentación , este debe acumular una tensión máxima de 50 V en un periodo de 60 segundos.

Igualmente los condensadores trifásicos deben estar equipados con una resistencia de seguridad que descargue hasta lograr una tensión máxima de 75 V en 3 minutos, según se establece en la norma EN-60831-1 en su Anexo B.

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PRECAUCIONES EN LA CONEXION DEL DIODO ZENER MANUAL

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