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DEPARTAMENTO DE ELECTRICA Y ELECTRONICA UNIDAD N° 2 TRABAJO PREPARATORIO LABORATORIO No. 2.1 Tema de la práctica: FUENTE DE ALIMENTACIÓN DE CORRIENTE CONTINUA Realizado por: Imués Geovanny, Paladines Arleth, Pinto Alejandro Fecha : 29/11/2018 1. Marco teórico. 1.1 Realice el diagrama de bloques de una fuente de alimentación de corriente continua regulada, indique las posibles estructuras y función de cada bloque.

Figura 1 Diagrama de bloques de una fuente de alimentación. Fuente: [ CITATION Mal07 \l 12298 ] Una fuente de alimentación es un circuito compuesto por componentes electrónicos que convierten el voltaje alterno en directo. Casi todos los equipos electrónicos tienen una fuente de alimentación, normalmente un rectificador que excita a un filtro con condensador a la entrada seguido de un regulador de tensión. Esta fuente de alimentación proporciona las tensiones continuas requeridas por los transistores y los restantes dispositivos. Si una parte del equipo no funciona de forma adecuada, lo primero que hay que hacer es comprobar la fuente de alimentación. Muy frecuentemente, los fallos de los que equipos están causados por problemas en la fuente de alimentación.

1.2 Consulte sobre el funcionamiento de los circuitos integrados reguladores fijos. Existe una amplia variedad de reguladores de tensión integrados lineales con una serie de pines que van desde 3 hasta 14. Todos son reguladores serie porque el regulador serie es más eficiente que el regulador paralelo. Algunos reguladores integrados se emplean en aplicaciones especiales en las que se pueden configurar resistencias externas para fijar la limitación de corriente, la tensión de salida, etc. Además, los reguladores integrados más ampliamente utilizados son aquellos que sólo tienen tres pines: uno para la tensión de entrada no regulada, otro para la tensión de salida regulada y otro para tierra. Tipos básicos de reguladores integrados La mayoría de los reguladores de tensión integrados utilizan uno de estos tipos de tensión de salida: positiva fija, negativa fija o ajustable. Los reguladores integrados se clasifican también como estándar, de baja potencia y de baja tensión diferencial. Los reguladores integrados estándar están diseñados para aplicaciones sencillas y no críticas. Utilizando un disipador, un regulador integrado estándar puede trabajar con una corriente de carga de más de 1 A. Si las corrientes de carga alcanzan valores de hasta 100 mA serán adecuados los reguladores integrados de baja potencia, que están disponibles en encapsulados TO-92. Puesto que estos reguladores no requieren disipados, serán adecuados y fáciles de utilizar. La tensión diferencial de entrada/salida mínima (dropout voltage) de un regulador integrado es la diferencia de tensión mínima entre la tensión de entrada y la de salida necesaria para que tenga lugar la regulación. Por ejemplo, los reguladores integrados estándar tienen una tensión diferencial de entrada/salida mínima de 2 a 3 V, lo que significa que la tensión de entrada tiene que ser al menos 2 o 3 V mayor que la tensión de salida regulada, para que el chip lleve a cabo la regulación de tensión de acuerdo con las especificaciones. En aplicaciones en las que no esté disponible esta tensión diferencial mínima de 2 a 3 V, pueden emplearse los reguladores integrados de baja tensión diferencial. Estos reguladores tienen tensiones diferenciales típicas de 0,15 V para una corriente de carga de 100 mA y 0,7 V para una corriente de carga de 1 A. La serie LM7800 La serie LM78XX (donde XX = 05, 06, 08, 10, 12, 15, 18 o 24) es típica de reguladores de tensión de tres terminales. El 7805 proporciona una salida de +5 V, el 7806 una de +6 V, el 7808 una de +8 V, etc., hasta el 7824, que proporciona una salida de +24 V.

Figura 2: Diagrama funcional de bloques de un regulador integrado de tres terminales. Fuente: [ CITATION Mal07 \l 1033 ] La Figura 2 muestra el diagrama de bloques funcional de la serie 78XX. La tensión de referencia Vref excita la entrada no inversora de un amplificador. Un divisor de tensión formado por R1’ y R2’ muestrea la tensión de salida y devuelve una tensión de realimentación a la entrada inversora de un amplificador de alta ganancia. La tensión de salida está dada por:

R'1 + R2' V ref V out= R '1 Ecuación 1 En esta ecuación, la tensión de referencia es equivalente a la tensión del Zener. Las primas de R1’ y R2’ indican que estas resistencias están dentro del propio CI, en lugar de ser resistencias externas. Estas resistencias se ajustan durante el proceso de fabricación para proporcionar las diferentes tensiones de salida (5 a 24 V) de la serie 78XX. La tolerancia de la tensión de salida es del 4 por ciento. El LM78XX incluye un transistor de paso que puede manejar corrientes de carga de 1 A, siempre que se utilice el apropiado disipador. También integra mecanismos de protección térmica y de limitación de corriente. Protección térmica quiere decir que el chip se desconectará por sí mismo cuando la temperatura interna sea demasiado alta, alrededor de 175°C. Se trata de una precaución frente a una disipación de potencia excesiva, que depende de la temperatura ambiente, del tipo de disipador y de otras variables. Gracias a la protección térmica y la limitación de corriente, los dispositivos de la serie 78XX son prácticamente indestructibles. Regulador fijo

Figura 3: (a) Utilización de un 7805 para regulación de tensión, (b) El condensador de entrada impide que se produzcan oscilaciones y el condensador de salida mejora la respuesta en frecuencia. La Figura 3a muestra un LM7805 conectado a un regulador de tensión fijo. El pin 1 es la entrada, el pin 2 es la salida y el pin 3 es tierra. El LM7805 proporciona una tensión de salida de +5 V y una corriente máxima por la carga de aproximadamente 1 A. La regulación de carga típica es de 10 mV para corrientes de carga comprendidas entre 5 mA y 1,5 A. La regulación de red típica es de 3 mV para tensiones de entrada entre 7 y 25 V. También especifica un factor de rechazo del rizado de 80 dB, lo que significa que reducirá el rizado de entrada en un factor de 10.000. Con una resistencia de salida de aproximadamente 0,01 Ω, el LM7805 es una fuente de tensión constante para todas las cargas dentro del rango de corrientes especificado. Cuando un CI está conectado a unos cuantos centímetros del filtro condensador de la fuente de alimentación no regulada, la inductancia del cable de conexión puede producir oscilaciones dentro del CI. Por esta razón, los fabricantes recomiendan utilizar un condensador de desacoplo C1 en el pin 1 (Figura 3b). Para mejorar la respuesta transitoria de la tensión de salida regulada, a veces se utiliza un condensador de desacoplo C2 en el pin 2. Valores típicos para estos condensadores son desde 0,1 hasta l F. Las hojas de características de la serie 78XX sugieren un valor de 0,22 F para el condensador de entrada y de 0,1 F para el condensador de salida. Cualquier regulador de la serie 78XX tiene una tensión diferencial mínima (dropout voltage) de 2 a 3 V, dependiendo de la tensión de salida. Esto significa que la tensión de entrada tiene que ser al menos de 2 a 3 V mayor que la tensión de salida. En caso contrario, el chip dejará de regular. También, se especifica una tensión máxima de entrada a causa de la disipación de potencia excesiva. Por ejemplo, el LM7805 regulará en un rango de la tensión de entrada comprendido entre 8 y 20 V. Las hojas de características de la serie 78XX especifican las tensiones mínima y máxima de entrada para las tensiones de salida prefijadas. La serie LM79XX La serie LM79XX es un grupo de reguladores de tensión negativa con tensiones prefijadas de -5, -6, -8, -10, -12, -15, -18 o -24 V. Por ejemplo, un LM7905 proporciona una tensión de salida regulada de -5 V. En el otro extremo, un LM7924 produce una salida de -24 V. Con la serie LM79XX, la capacidad de corriente por la carga es aproximadamente de 1 A con un disipador apropiado. La serie LM79XX es similar a la serie 78XX e incluye los mecanismos de limitación de corriente y de protección térmica, y un excelente factor de rechazo del rizado. Alimentaciones duales reguladas

Figura 4 :Uso del LM78XX y del LM79XX para salidas duales. Fuente: [ CITATION Mal07 \l 12298 ] Combinando un LM78XX y un LM79XX, como se muestra en la Figura 4, podemos regular la salida de una fuente de alimentación doble. El LM78XX regula la salida positiva y el LM79XX se ocupa de la salida negativa. Los condensadores de entrada impiden las oscilaciones y los condensadores de salida mejoran la respuesta transitoria. La hoja de características del fabricante recomienda la adición de dos diodos, con el fin de garantizar que ambos reguladores puedan funcionar bajo todas las condiciones de funcionamiento. Una solución alternativa para las alimentaciones duales consiste en utilizar un regulador simétrico ajustable. Se trata de un circuito integrado que contiene un regulador positivo y otro negativo en un mismo encapsulado. Dado que es ajustable, este tipo de CI puede variar las alimentaciones mediante una única resistencia variable. Fuente: [ CITATION Mal07 \l 1033 ]

1.3 Consulte sobre el funcionamiento de los circuitos integrados reguladores variables. Existe una serie de reguladores integrados (LM317, LM337, LM338 y LM350) que son ajustables. Pueden trabajar con corrientes máxima desde 1,5 a 5 A. Por ejemplo, el LM317 es un regulador de tensión positiva de tres terminales que puede suministrar una corriente de 1,5 A a la carga en un rango de salida ajustable de 1,25 a 37 V. El factor de rechazo del rizado es de 80 dB. Esto implica que el rizado de entrada es 10.000 veces más pequeño en la salida del regulador integrado. De nuevo, los fabricantes definen la regulación de carga y la regulación de red para adaptarlas a las características del regulador integrado. He aquí las definiciones para las regulaciones de carga y de red utilizadas en las hojas de características de los reguladores ajustables: Regulación de carga = variación en porcentaje de Vout para un rango de corrientes de carga Regulación de red = variación en porcentaje de Vout por voltio de variación de la entrada Por ejemplo, la hoja de características de un LM317 especifica estos valores típicos para las regulaciones de carga y de red: Regulación de carga = 0,3% para IL = 10 mA a 1,5 A Regulación de red = 0,02% por voltio Ya que la tensión de salida es ajustable entre 1,25 y 37 V, tiene sentido especificar la regulación de carga como un porcentaje. Por ejemplo, si la tensión regulada se ajusta a 10 V, la regulación de carga anterior quiere decir que la tensión de salida se mantendrá dentro del 0,3 por ciento de 10 V (es decir, 30 mV) cuando la corriente por la carga varíe desde 10 mA hasta 1,5 A. La regulación de red es igual a 0,02 por ciento por voltio. Esto significa que la tensión de salida varía sólo un 0,02 por ciento por cada voltio que varía la entrada. Si la salida regulada se fija en 10 V y la tensión de entrada aumenta en 3 V, la tensión de salida aumentará un 0,06 por ciento, lo que equivale a 60 mV.

Figura 5 Utilización de un LM317 para regular la tensión de salida. Fuente: [ CITATION Mal07 \l 12298 ] La Figura 5 muestra una alimentación no regulada que excita a un circuito LM317. La hoja de características de un LM317 proporciona esta fórmula para la tensión de salida:

V out=

R1 + R2 V ref + I A DJ R2 R1 Ecuación 2

En esta ecuación, Vref tiene un valor de 1,25 V e IADJ tiene un valor típico de 50 A. En la Figura 5, IADJ es la corriente que fluye por el pin intermedio (el único entre los pines de entrada y de salida). Dado que esta corriente puede variar con la temperatura, la corriente de carga y otros factores, un diseñador normalmente hará que el primer término de la Ecuación (2) sea mucho mayor que el segundo. Por tanto, podemos utilizar la siguiente ecuación para realizar los análisis preliminares de un LM317:

V out =

R1 +R2 (1.25V ) R1 Ecuación 3

En la Figura 5, el valor del filtro condensador C tiene que ser lo suficientemente grande como para asegurar. Esto implica que C tiene que ser un que Vin se mantiene al menos 2 o 3 V por encima de la tensión Vout, cuando Vout e IL toman sus valores máximos condensador muy grande. Rechazo del rizado El rechazo del rizado de un regulador de tensión integrado es alto, desde aproximadamente 65 hasta 80 dB. Esto representa una importante ventaja porque implica que no tenemos que utilizar filtros LC en la fuente de alimentación para minimizar el rizado. Todo lo que necesitamos es un filtro con condensador a la entrada que reduzca el rizado de pico a pico a aproximadamente el 10 por ciento de la tensión no regulada de salida de la fuente de alimentación. Por ejemplo, el LM7805 tiene un rechazo típico al rizado de 80 dB. Si un rectificador en puente y un filtro condensador a la entrada producen una tensión de salida no regulada de 10 V con un rizado de pico a pico de 1 V, podemos utilizar un LM7805 para proporcionar una tensión de salida regulada de 5 V con un rizado de pico a pico de sólo 0,1 mV. La eliminación de los filtros LC en una fuente de alimentación no regulada es una ventaja que incorporan los reguladores de tensión integrados.

Tabla de reguladores

Tabla 1 :Parámetros típicos de reguladores de tensión integrados a 25°C. Fuente: [ CITATION Mal07 \l 12298 ] La Tabla 1 enumera algunos de los reguladores integrados más ampliamente utilizados. El primer grupo, la serie LM78XX, se aplica a tensiones de salida positivas fijas desde 5 a 24 V. La regulación de carga se encuentra entre 10 y 12 mV. La regulación de red se define entre 3 y 18 mV. El mejor rechazo del rizado se obtiene para la tensión mínima (80 dB) y el peor para la tensión máxima (66 dB). La tensión diferencial entrada/salida mínima (dropout) es 2 V para toda la serie. La resistencia de salida aumenta desde 8 hasta 28 mΩ entre las tensiones de salida mínima y máxima. El LM78L05 y el LM78L12 son versiones de baja potencia de sus contrapartidas estándar, el LM7805 y el LM7812. Estos reguladores integrados de baja potencia están disponibles en el encapsulado TO-92, que no requiere disipador. Como se muestra en la Tabla 1, el LM78L05 y el LM78L12 pueden generar corrientes de carga de hasta 100 mA. El LM2931 se incluye como ejemplo de regulador con baja tensión diferencial. Este regulador ajustable puede producir tensiones de salida comprendidas entre 3 y 24 V con una corriente de carga de hasta 100 mA. Observe que la tensión diferencial entrada/salida mínima es sólo de 0,3 V, lo que implica que la tensión de entrada es sólo 0,3 V mayor que la tensión de salida regulada.

El LM7905, el LM7912 y el LM7915 son reguladores de tensión negativa ampliamente utilizados. Sus parámetros son similares a los de sus contrapartidas LM78XX. El LM317 y el LM337 son reguladores ajustables de tensiones positiva y negativa, que pueden suministrar corrientes de carga de hasta 1,5 A. Por último, el LM338 es un regulador de tensión positiva ajustable que puede proporcionar una tensión de carga de entre 1,2 y 32 V con una corriente de carga de hasta 5 A. Todos los reguladores enumerados en la 1 incluyen protección térmica. Esto implica que el regulador cortará al transistor de paso y detendrá el funcionamiento del dispositivo si la temperatura del chip se hace demasiado alta. Cuando el dispositivo se enfría, intentará reanudar la actividad. Si aquello que causaba una temperatura demasiado alta se elimina, el regulador funcionará normalmente. En caso contrario, dejará de nuevo de funcionar. La protección térmica es una ventaja que ofrecen los reguladores monolíticos para garantizar una operación segura. Fuente: [ CITATION Mal07 \l 1033 ]

2. Procedimiento 2.1 Diseñe una fuente de alimentación regulada con diodo Zener. (Cada grupo se impone las condiciones de diseño). El circuito que se va a utilizar para realizar la fuente de alimentación regulara es el siguiente: V1 T1 R1 C1

D2

R2

Figura 6: Fuente de alimentación regulada con diodo zener Fuente: Estudiantes Para el diseño de la fuente se ha establecido como Vo = 5.1 [V], Iomin=0 A, Iomax= 150 mA. El transformador es de 120/12 [V] pero para valores más reales s tomo un valor V2p de 14,12 v.  Selección del Diodo Zener Para escoger el diodo zener en primera instancia se necesita saber el voltaje de salida de la fuente en este diseño será el de 5.1 [V].

Figura 7:Data sheet diodo zener 1N4733A Fuente: [ CITATION Ons \l 12298 ] De la figura anterior se puede reconocer que el diodo que ofrece la cualidad de entregar 5,1 V es el 1N4733A, en el mismo datasheet se podrá encontrar la potencia a la que trabaja este diodo.

Figura 8:Data sheet diodo zener 1N4733A Fuente: [ CITATION Ons \l 12298 ]



En la figura 8 se puede observar que la potencia máxima que soportará el zener es de 1W. Cálculo de corrientes en el diodo zener Es importante para el cálculo de los parámetros del diseño conocer cuáles son los valores de I zMAX e, I zMIN .

Figura 9:Circuito equivalente para cálculo de corrientes Fuente: Estudiantes

Pz =V z∗I zMAX

I zMAX =

Pz Vz

Se conoce que el Vz es el voltaje en el diodo zener y es igual a Vo=5.1 V, por lo tanto se tiene:

I zMAX =

1 =196.078 mA 5.1

Esta I zMAX será la que el diodo zener reciba en caso de que Io sea cero. Para facilitar los cálculo se tomará a I zMIN =0 A .

 Cálculo de RL Para el cálculo de RL se tienes como dato impuesto una Iomin=0 A, Iomax= 150 mA, y sabiendo que Vo=5.1 V.

Figura 10: Circuito equivalente para cálculo de RL. Fuente: Estudiantes

RL = MIN

RL

MIN

RL

MIN

RL

MAX

RL

MAX

Vz

io MAX 5.1 = 150 ×10−3 =34 Ω V = z io MIN 5.1 = 0

R L =∞ MAX

Para encontrar la resistencia mínima que regulará la fuente de se escogió de entre la tabla de a continuación los dos valores comerciales más cercanos siendo estos 33 Ω y 39 Ω , al ser 33 Ω , menor que la resistencia calculada no se la utiliza, y se opta por la resistencia de 39 Ω que asegurará que la fuente regule con normalidad.

Figura 11: Tabla de resistencias comerciales Fuente: Internet

La potencia de la resistencia Rs será

P=Vz∗i OMAX P=5.1∗150 mA P=0.77 W 

Se recurré a utilizar una resistencia de 1w. Cálculo de Rs

Figura 12: Circuito regulador del diodo zener Fuente: Estudiante -

Considerando Vin constante, y RL variable

Figura 13: Circuito regulador del diodo zener Vin constante, y RL variable Fuente: Estudiante

R LMAX =

Vz

i o MIN Vz R LMIN = i o MAX Sabiendo que Is es constante :

Is=

V ¿−V z Rs

Reconociendo que el valor de iz, e io son variables tenemos:

-

Is=izMAX +ioMIN Is=izMIN +ioMAX Considerando Vin variable y RL constante:

Figura 14: Circuito regulador del diodo zener Vin variable, y RL constante Fuente: Estudiante

V ¿ =V Z + V S V inMAX =V z + I sMIN∗Rs V inMIN =V z + I s MAX∗Rs

I s MAX=I 0 +i zMAX I s MIN =I o +i z MIN Se sabe que -

I o=

Vz , siendo Vz, y Rl constantes es un dato Rl

constante en las ecuaciones. Considerando Vin variable y RL variable:

Figura 15: Circuito regulador del diodo zener Vin variable, y RL variable Fuente: Estudiante Para encontrar Rs se necesita saber las fórmulas anteriormente encontradas para encontrar un Rs.

Rs =

V inMAX −V z I zMAX −i omin

Rs =

V inMIN −V z I zMIN −ioMAX

Como ya se había calculado previamente la I zMAX =196 mA , y como datos se tenía que iomin=0 mA , V z =5.1V , y V inMAX =V op =19.5V , el último dato es tomado del simulador a la salida del puente rectificador Con estos datos y con la ecuación de:

Rs =

V inMAX −V z I zMAX −i omin

Tene...