TIPOS DE Reguladores DE Voltaje PDF

Preview

Summary

ó Los reguladores permiten mantener el voltaje de la
salida jo independiente de las variaciones de carga o ondulaciÛn
de la entrada (ripple). Las caracterÌsticas se especican a travÈs
del porcentaje de regulaciÛn. Los reguladores pueden ser tipo
serie o paralelo, con o sin ...

Description

1

Reguladores de Voltaje J.I Huircán

Abstract— Los reguladores permiten mantener el voltaje de la salida jo independiente de las variaciones de carga o ondulación de la entrada (ripple). Las características se especican a través del porcentaje de regulación. Los reguladores pueden ser tipo serie o paralelo, con o sin realimentación. Los reguladores de voltaje pueden ser implementados usando componentes discretos e integrados. Los elementos más importantes del regulador serán la referencia, basada en un zener, usada para jar la salida y el transistor regulador que permitirá proveer la corriente. Index Terms— Power Supply

control que regula la tensión para dar una salida de régimen continuo. Los reguladores pueden ser tipo serie (el dispositivo de control se conecta en serie con la carga y para regular la salida en todos los casos debe absorber parte de la tensión de alimentación) o paralelo (regulador en derivación, el dispositivo de control está en paralelo con la carga y para efectuar la regulación, debe dejar pasar corriente en todos los casos). Cuando la corriente a través del dispositivo de control cae a cero, la acción de regulación cesa.

I. I NTRODUCTION A. Requerimientos de un regulador La mayor parte de los dispositivos electrónicos requieren de  Mantener la tensión de salida constante independiente de voltajes continuos para operar. Las baterías son una opción las uctuaciones de la entrada y la temperatura. útil pero tienen un tiempo de operación limitado. Otra opción  Mantener la tensión constante de salida, a las exigencias consiste en generar la fuente de alimentación utilizando la de corriente de carga. red de 220 volts alterno (220 RMS). Esta tensión puede ser  El voltaje de salida no debe contener componentes altermanipulada fácilmente usando un transformador y circuitos nos (ripple =0) recticadores, los que sumados a un dispositivo regulador  La fuente debe poseer un sistema para limitar la corriente proporcionan diferentes valores de tensión. En este artículo, de salida (protección). se analizarán los reguladores más simples, los cuales se irán El regulador mantendrá el voltaje sin carga (circuito abierto, modicando hasta obtener conguraciones más complejas y no provee corriente), o a plena carga, entregando una corriente mejoradas. En la parte nal se analizan los reguladores basados en circuitos integrados (CI), mostrando algunos métodos para en la salida como lo indica la Fig.2. El circuito no tiene una perfecta regulación, pues, no mantiene el voltage voc mientras aumento de la corriente de salida y protecciones. entrega corriente a la carga. II. F UENTES R EGULADAS El diagrama de bloques de un fuente estabilizada se indica en la Fig. 1. ENTRADA

RE CTIFICA DOR

FILTRO

Fuente Regulada

(a)

S ALIDA RE GULA DOR

Fig. 2.

Fig. 1.

i o =i L

i o =0

Diagrama de bloques de una fuente regulada.

La misión del recticador es distorsionar la sinusoide de entrada para que su salida tenga una componente de continua. Mediante el ltro se rechazan en gran medida los armónicos de la salida del recticador pero por lo general, un vez ltrada la señal, suele permanecer una componente que se conoce como rizado o ripple. El regulador debe eliminar el ripple y por otro lado, debe poseer una impedancia de salida adecuada, con el n de que la tensión regulada a la salida se mantenga independiente de la carga, siempre que ésta varíe entre los límites exigidos del diseño. En en otras palabras, a la salida de la fuente de alimentación no estabilizada, se aplica a un dispositivo de Universidad de La Frontera Departamento de Ingeniería Eléctrica. Ver. 2.0.

vo =v oc

Fuente Regulada

vo =v L

(b )

Voltage de regulación. (a) Sin carga. (b) Con carga.

En un regulador ideal la diferencia entre el voltage de salida sin carga y el voltage de salida a plena carga es cero o sea voc  vL . En la práctica vL es siempre menor. La variación entre ambos voltajes se conoce como regulación de carga, sin embargo, el porcentaje de regulación esta dado por (1), mientras menor sea, mejor es la regulación.

=0

%regulacion = vocvL vL  100

(1)

Esta relación se dene con respecto a una condición de carga especíca, es decir para un iL dado. Como vL IL RL , porcentaje de regulación se expresa el como

=

%regulacion = vocI R vL L L

Note que

(2)

2

v o voc

I

Regulación Perfecta

iL

I o =I L

vL

Ro

Regulación Típica

+ vs

vo=vL

voc

vz

+

+

vL

vs

_

(a)

IL

I

+ v

vz

L

_

_

(b)

Ro

RL

_

=

voc



vL

(3)

IL

vs Voltaje no regulad o v s max v s min

Fig. 5.

(a) Regulador Paralelo básico (b) Implementación práctica.

mínima bajo cualquier exigencia de carga, dentro de los límites especicados por el regulador. Las condiciones más exigidas serán: Izmin , ILmax , vsmin o para ILmin , Izmax y vsmax , luego R

Izmax

t

V NR).

Luego si =

f (vs ; IL ; T )

(4)

Se denen los coecientes  Razón de estabilización (factor de regulación de entrada) Sv

=

vL

(5)

=

vsmin IZ min



vL

(7)

+ ILMax

En un diseño práctico se especican los requerimientos de potencia de tal forma que ésta pueda ser manejada por los elementos utilizados. Habitualmente, la corriente mínima de un zener varia entre 1 y 2 [mA], pudiendo usarse dicho valor. Una condición adicional establece que Izmax = 10Izmin ; reemplazando en la ecuación (7), la corriente máxima que circulará por el diodo zener será

vr

Comportamiento del voltaje no regulado (

(b)

(a)

Corresponde a la resistencia de salida del regulador, mostrada en la Fig. 3b. En términos generales la salida de una fuente de tensión regulada es función del voltaje de entrada sin regular, vs (lo podemos llamar V N R, voltaje no regulado), indicado en la Fig. 4, la corriente de carga y la temperatura.

vL

RL

Io

Fig. 3. (a) Curva característica de una fuente de poder. (b) Circuito equivalente de un regulador con resistencia de salida.

Fig. 4.

iL

R

=

ILMin

(Vz



vsmin )

vsmin

+ ILM ax (vsmax

09 01 : Vz

: vsmax



Vz )

(8)

Esto SÓLO permite estimar la corriente máxima que circula por el zener. Conciendo la potencia del zener, puede determinarse la corriente máxima de éste, luego Izmin = 0:v1zPz , dicha corriente evidentemente será mayor que la mínima real pero permite establecer un rango para asignar los valores. La desventaja del regulador básico es que al quedar sin carga, el zener debe absorver toda la corriente, por lo tanto, si la corriente máxima requerida por la carga es mayor que la que soporta el zener, éste se quema.

B. Regulador Básico Serie El regulador serie soluciona el problema del regulador  Coeciente de temperatura paralelo incorporando un transistor (de potencia) como se muestra en la Fig. 6. Aquí, la corriente que absorve el diodo vL (6) zener no es la que no quiere la carga I , sino la que no desea ST = L T la base del transistor. Note que la corriente de carga es la Cuanto más pequeños sean estos coecientes, mejor será la corriente que circula de colector a emisor, luego IL   IB . regulación de la fuente de alimentación. Esto implica que el valor máximo que podría circular por la base del transistor es la corriente ILmax dividida por el  del III. T IPOS DE R EGULADORES transistor. Luego en el caso en que la carga no requiera toda A. Regulador básico paralelo la corriente, por el zener sólo podría circular como máximo una fracción de la corriente de la base. El regulador tipo paralelo es mostrado en la Fig. 5a. El circuito funciona de la siguiente forma: Cuando el voltaje vL excede el voltaje de ruptura del diodo,  La tensión vL debe mantenerse ja ante variaciones de la corriente a través de éste se incrementa, luego el voltaje en la corriente de carga (sólo bajo el rango de diseño). el zener y en la carga se mantiene constante e igual al voltaje  El diodo zener proporciona la referencia de voltaje al nominal del diodo zener, así vL = vz . cual debe permenecer el regulador, vz . Siempre debe En la práctica la fuente de corriente es un resistor, de estar polarizado adecuadamente, a lo menos debe circular acuerdo la Fig. 5b. Éste, se diseña para que el diodo esté Izmin . correctamente polarizado y por lo menos circule la corriente vs

3

iL

Q

Q

Q

iL +

I

+

vs

RL

_

vz

vL

+

I vz

vs

+ v L

vs

RL

_

_

C1

IL

R2

vz

RL

_

_

_

Fig. 7.

(b)

(a)

Fig. 6.

R1

+

R

vL

+

I

Regulador serie alternativo.

(a) Regulador serie. (b) Implementación práctica.

C. Regulador Básico Realimentado Si existe un incremento de la corriente de carga IL (por disminución de RL ), esto implica una disminución del voltaje vL , entonces el voltaje aplicado vbe = vz  vL aumenta, lo que lleva a un incremento de la corriente de base. Finalmente aumenta la corriente de colector, restaurandose del vL original. Si existe un disminución de la corriente de carga, crece vL , luego disminuye IB , lo que lleva a una disminución de la corriente de carga IL , disminuyendo vL . El resistor R se debe diseñar para que por el diodo zener circule la corriente mínima necesaria para que se polarice adecuadamente. Además, IBmax proporciona la corriente de carga máxima (ILmax ). Así I

Lmax =  IBmax

Los reguladores anteriores no son adecuados cuando se requiere una tensión de salida extremadamente precisa, dado que:  La tensión de salida es establecida por el diodo zener, luego no existe posibilidad de ajuste.  Los circuitos revisados no tienen ningún tipo de control interno para que cuando la tensión de salida disminuya o aumente por cualquier causa, se produzca un proceso de realimentación que permita que la tensión permanezca constante. En la Fig. 8 se muestra un diagrama de bloques de un regulador realimentado.

(9) vs VNR

Luego I

=

I

zmin + IBmax

s min  vL IL max Iz min +  En la práctica se puede considerar Izmin = R

=

s min  vL Iz min + IB v

=

v

P

D = vCE Ic + IB vBE  vCE Ic

(12)

De acuerdo a lo planteado (vs max



L ) IL max < PD

v

(13)

La diferencia entre el voltaje entrada máximo y el voltaje de la carga multiplicada por la corriente de colector no debe superar la potencia del transistor. El regulador de le Fig.7, es una variación del egulador serie, para esta situación se establece que R1

+ R2 =

s min  vL z min + IL max v

I

(14)

Se dene R1 = R2 . El capacitor hace que la corriente sea constante. El regulador serie funciona en base a un tipo de realimentación, pues la salida tiene efecto sobre las variables de entrada, sin embrago no está clasicado como regulador realimentado.

Detector de Error

Voltaje de Referencia

(11)

0:1Izmax . El transistor utilizado de complir con los requerimientos de potencia adecuados. La potencia disipada en un transistor BJT se dene

+ Amplificador Error

(10)

iL

Transistor R eg ulador

Fig. 8.

Sensor

vL

ZL

_

Regulador básico realimentado.

Este regulador funciona como sigue: Supongamos que por cualquier causa la tensión de salida tiende a aumentar (disminuir), la salida del sensor aumenta (disminuye), luego la salida del detector de error disminuye (aumenta), luego esta salida es amplicada por el detector de error y es transmitida por el transistor regulador a la salida, que consecuentemente decrece, nalmente la salida del regulador tiende a mantenerse constante. Los bloques transistor regulador, sensor y tensión de referencia permanecen prácticamente inalterados de un circuito regulador a otro. La principal diferencia entre estos circuitos es el amplicador de error, el que puede implementarse con un transistor, un par diferencial o un amplicador operacional. El circuito de la Fig. 9, es un regulador realimentado con componentes discretos sin limitador de corriente. Si vL disminuye, debido a un aumento de la corriente requerida, entonces el voltaje de la juntura b-e de Q2 disminuye, haciendo que la corriente en el colector de Q2 disminuya, es decir, extrae menos corriente de la base de Q1 , permitiendo así que un porcentaje más grande de la corriente que circula por R4 excite a Q1 (en la base), activándolo más en el estado de conducción.

4

iL

Q1

vs

v

L

R

R4

R3

R1

Q

2

+

+ V

Ref

vL

_

= vz

vz

RL

v1 R1

R2

R2 _

Fig. 11. Fig. 9.

vo

Q 1

vs

Regulador Realimentado usando AO.

Regulador práctico Realimentado.

= v , entonces

Como en al AO se cumple que v+ D. Limitador de corriente Establece una realimentación negativa cuando la corriente de carga sobrepasa la máxima especicada por el regulador, manteniendo la corriente de carga constante aun cuando la resistencia de carga sea menor al mínimo requerido por las especicaciones del regulador. En esta última situación el circuito ya no funciona como regulador, puesto que la tensión de salida no puede permanecer constante, sino que decrece conforme la resistencia de carga disminuye. Cuando la corriente de carga excede el máximo permitido, se genera una caída de tensión en la juntura b-e de Q2 , logrando que dicho transistor conduzca, luego disminuye la corriente que excita la base de Q1 , haciendo que la corriente de carga disminuya. Luego R se diseña de tal forma que cuando la corriente de carga aumente en forma excesiva, el transistor Q2 comience a conducir.

vz

= vo R R+2 R

De esta forma

= vz

vo

Q1

(16)

2

R

1

R2

+1

 (17)

Note que vo puede ser mayor que la referencia, habitualmente se diseña R1 y R2 , conociendo la tensión en la salida y el voltaje zener. El resistor R se diseña para la peor condición, es decir vsmin y Iz min . El transistor se elige de acuerdo a la corriente necesaria requerida. Note que el transistor está siempre en zona activa. Si se necesita más corriente se puede usar un par Darlington y además puede tener un limitador de corriente como se muestra en la Fig. 12. vs

vs VNR

1

R

R sc

Q1

R

v L

Q

v

2

L

+ _

R1 v1

Q

3

RL

Q 2

I

R2

Limitador de corriente

Fig. 10.

Limitador de corriente Fig. 12.

La resistencia R se diseña como R

(Q2 ) = vBE IL max

(15)

Esto asegura que Q2 comienza a conducir cuando la corriente de carga sobrepasa el máximo permitido.

Regulador con AO, par darlingon y limitador de corriente.

IV. R EGULADORES I NTEGRADOS (CI)

En la actualidad existe gran variedad de circuitos integrados (CI) reguladores, de características jas o ajustables, los cuales son muy versátiles, de fácil uso y de bajo costo. El diagrama E. Reguladores Realimentados Utilizando AO de la Fig. corresponde a un circuito integrado monolítico (muy La conguración a nivel de bloques de un regulador con simplicado) de la serie 78XX, el cual es una familia de AO es idéntica la de un regulador con componentes discretos, reguladores positivos de valores jo, note que es un circuito sólo cambia la etapa de detección y amplicación de error, la realimentado y con limitador de corriente, además tiene una cual es realizada por el AO. salida en emisor común, para proveer más corriente. Para diseñar este regulador en forma apropiada se requiere Este regulador posee un amplicador diferencial (Q1 y Q2 ) la referencia proporcionada por un zener, una red de re- que compara el voltaje de zener con el voltaje proporcionado alimentación  . El funcionamiento es idéntico a cualquier por el par R1  R2 .(que es la red de realimentación). Los regulador realimentado. En la Fig. 11, el bloque  un simple transistores Q4 y Q5 forman el transistor regulador. La etapa divisor de tensión, note que en este caso se esta comparando de protección contra sobre corriente es realizada por Q3 y la y sensando tensión a la vez. La diferencia de tensión excitará resistencia R5 . El funcionamiento es exáctamente igual que el al transistor Q1 . de un regulador de voltaje realimentado.

5

vs

A. Reguladores positivos y negativos

1 I

I

1

2 Q

4 Q

R Cp

Q

Q

1

3

R

2 R

D

4

3 R

Q

5

B. Reguladores de 3 terminales con salida ja

5

2 2

1

vz

R R

1

7

3

1

En la mayoría de los casos los reguladores positivos son usados para regular tensiones positivas (ídem para los reguladores negativos), sin embargo, dependiendo de los requerimientos de tierra del sistema cada regulador puede ser usado para tensiones opuestas a las diseñadas.

2 78XX

Son muy simples de usar y muy baratos, se encuentran disponibles para distintos valores de voltaje, tanto positivos como negativos. Tienen las siguientes ventajas: Fácil uso, proteccion interna contra corriente, no requiere circuitos adicionales para el ajuste, bajo costo. Sus desventajas son: Su salida no puede ser ajustada con precisión, disponibles sólo para algunos valores de salida de voltaje y corriente, la obtención de grandes corrientes en la salida es más dicil de obtener con este tipo que al usar otros reguladores.

3

Fig. 13.

C. Reguladores de 3 teminales con salida ajustable

Esquema de un Regulador Integrado simplicado (78XX).

Las fuentes de corriente I1 e I2 proveen la polarizac...