Reguladores de Voltaje - Universidad de La Frontera

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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
I. I NTRODUCTION
La mayor parte de los dispositivos electrónicos requieren de
voltajes continuos para operar. Las baterías son una opción
útil pero tienen un tiempo de operación limitado. Otra opción
consiste en generar la fuente de alimentación utilizando la
red de 220 volts alterno (220 RMS). Esta tensión puede ser
manipulada fácilmente usando un transformador y circuitos
recti cadores, los que sumados a un dispositivo regulador
proporcionan diferentes valores de tensión. En este artículo,
se analizarán los reguladores más simples, los cuales se irán
modi cando hasta obtener con guraciones más complejas y
mejoradas. En la parte nal se analizan los reguladores basados
en circuitos integrados (CI), mostrando algunos métodos para
aumento de la corriente de salida y protecciones.
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.
A. Requerimientos de un regulador
Mantener la tensión de salida constante independiente de
las uctuaciones de la entrada y la temperatura.
Mantener la tensión constante de salida, a las exigencias
de corriente de carga.
El voltaje de salida no debe contener componentes alternos (ripple =0)
La fuente debe poseer un sistema para limitar la corriente
de salida (protección).
El regulador mantendrá el voltaje sin carga (circuito abierto,
no provee corriente), o a plena carga, entregando una corriente
en la salida como lo indica la Fig.2. El circuito no tiene una
perfecta regulación, pues, no mantiene el voltage voc mientras
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
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.
Fuente
Regulada
vo =v oc
(a)
SALIDA
RE GULA DOR
Fig. 2.
Fig. 1.
i o =i L
i o =0
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 = 0. 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.
vL
100
(1)
vL
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 =
voc
%regulacion =
Note que
voc vL
IL RL
(2)
2
vo
voc
vL
Regulación Perfecta
voc
Regulación Típica
(a)
I
I o =I L
Io
IL
Ro
+
vs
vo =vL
vL
(3)
IL
vs Voltaje no regulado
v s max
v s min
Fig. 5.
Luego si
vL = f (vs ; IL ; T )
(4)
Se de nen los coe cientes
Razón de estabilización (factor de regulación de entrada)
Sv =
vL
vs
(5)
Coe ciente de temperatura
vL
(6)
T
Cuanto más pequeños sean estos coe cientes, mejor será la
regulación de la fuente de alimentación.
ST =
III. T IPOS DE R EGULADORES
A. Regulador básico paralelo
El regulador tipo paralelo es mostrado en la Fig. 5a.
Cuando el voltaje vL excede el voltaje de ruptura del diodo,
la corriente a través de éste se incrementa, luego el voltaje en
el zener y en la carga se mantiene constante e igual al voltaje
nominal del diodo zener, así vL = vz .
En la práctica la fuente de corriente es un resistor, de
acuerdo la Fig. 5b. Éste, se diseña para que el diodo esté
correctamente polarizado y por lo menos circule la corriente
+
v
vz
L
_
RL
_
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
vsmin vL
(7)
IZmin + ILM ax
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
R=
Izmax =
Comportamiento del voltaje no regulado (V N R).
I
(a) Regulador Paralelo básico (b) Implementación práctica.
vr
t
vs
(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.
Fig. 4.
+
RL
_
(b)
voc
vL
iL
R
+
vz
_
Fig. 3.
(a) Curva característica de una fuente de poder. (b) Circuito
equivalente de un regulador con resistencia de salida.
Ro =
iL
ILM in (Vz vsmin ) + ILM ax (vsmax
vsmin 0:9Vz 0:1vsmax
Vz )
(8)
Esto SÓLO permite estimar la corriente máxima que circula
por el zener. Conciendo la potencia del zener, puede determiz
narse la corriente máxima de éste, luego Izmin = 0:1P
vz , 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
paralelo incorporando un transistor (de potencia) como se
muestra en la Fig. 6. Aquí, la corriente que absorve el diodo
zener no es la que no quiere la carga IL , sino la que no desea
la base del transistor. Note que la corriente de carga es la
corriente que circula de colector a emisor, luego IL
IB .
Esto implica que el valor máximo que podría circular por la
base del transistor es la corriente ILmax dividida por el del
transistor. Luego en el caso en que la carga no requiera toda
la corriente, por el zener sólo podría circular como máximo
una fracción de la corriente de la base.
El circuito funciona de la siguiente forma:
La tensión vL debe mantenerse ja ante variaciones de
la corriente de carga (sólo bajo el rango de diseño).
El diodo zener proporciona la referencia de voltaje al
cual debe permenecer el regulador, vz . Siempre debe
estar polarizado adecuadamente, a lo menos debe circular
Izmin .
3
iL
Q
RL
_
vz
+
vs
vL
I
vz
I
vs
RL
_
_
C1
R1
R2
IL
+
v
L
vz
RL
_
_
_
Fig. 7.
(b)
(a)
Fig. 6.
+
R
+
vL
vs
Q
+
I
+
iL
Q
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
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)
ILmax = IBmax
vs
VNR
Luego
(10)
I = Izmin + IBmax
R=
vs min vL
vs min vL
=
Iz min + IB
Iz min + IL max
PD = vCE Ic + IB vBE
vCE Ic
(12)
De acuerdo a lo planteado
(vs max
vL ) IL max < PD
(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 + R 2 =
vs min vL
Iz min + IL max
(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.
+
Amplificador
Error
Detector de
Error
Voltaje de
Referencia
(11)
En la práctica se puede considerar Izmin = 0:1Izmax .
El transistor utilizado de complir con los requerimientos de
potencia adecuados. La potencia disipada en un transistor BJT
se de ne
iL
Transistor
Regulador
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
+
+
V
vL
2
Ref
vz
RL
v1
_
= vz
R1
R2
R2
β
_
Fig. 11.
Fig. 9.
vo
Q
1
vs
Regulador Realimentado usando AO.
Regulador práctico Realimentado.
Como en al AO se cumple que v + = v , entonces
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.
vs
VNR
Q1
R
vz = vo
(16)
R1
+1
R2
(17)
De esta forma
vo = vz
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
R
vL
Rsc
Q1
2
+
Q
v
L
Q
_
R1
v1
Q
3
RL
2
I
R2
Limitador de corriente
Fig. 10.
R2
R1 + R 2
Limitador de corriente
La resistencia R se diseña como
vBE(Q2 )
(15)
IL max
Esto asegura que Q2 comienza a conducir cuando la corriente de carga sobrepasa el máximo permitido.
R=
E. Reguladores Realimentados Utilizando AO
La con guración a nivel de bloques de un regulador con
AO es idéntica la de un regulador con componentes discretos,
sólo cambia la etapa de detección y ampli cación de error, la
cual es realizada por el AO.
Para diseñar este regulador en forma apropiada se requiere
la referencia proporcionada por un zener, una red de realimentación . El funcionamiento es idéntico a cualquier
regulador realimentado. En la Fig. 11, el bloque un simple
divisor de tensión, note que en este caso se esta comparando
y sensando tensión a la vez. La diferencia de tensión excitará
al transistor Q1 .
Fig. 12.
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
de la Fig. corresponde a un circuito integrado monolítico (muy
simpli cado) de la serie 78XX, el cual es una familia de
reguladores positivos de valores jo, note que es un circuito
realimentado y con limitador de corriente, además tiene una
salida en emisor común, para proveer más corriente.
Este regulador posee un ampli cador diferencial (Q1 y Q2 )
que compara el voltaje de zener con el voltaje proporcionado
por el par R1 R2 .(que es la red de realimentación). Los
transistores Q4 y Q5 forman el transistor regulador. La etapa
de protección contra sobre corriente es realizada por Q3 y la
resistencia R5 . El funcionamiento es exáctamente igual que el
de un regulador de voltaje realimentado.
5
vs
1
I
I
1
2
Q
4
Q
R
Cp
Q
Q
1
R
R
R
3
R
5
2
D1
vz
4
3
R
Q
5
2
2
1
7
3
1
A. Reguladores positivos y negativos
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
B. Reguladores de 3 terminales con salida ja
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.
Esquema de un Regulador Integrado simpli cado (78XX).
Las fuentes de corriente I1 e I2 proveen la polarización
adecuada tanto para D1 , como para el ampli cador diferencial.
En este diagrama el zener sólo representa una referencia,
habitualmente este circuito puede ser más complejo. El voltaje
de entrada (no regulado) ingresa entre los terminales 1-3 y el
voltaje de salida se obtiene entre los terminales 2-3. La tensión
de salida depende de la relación de las resistencias R1 R2
de la forma
vL =
R2
+ 1 vz
R1
R1
R 1 + R2
TABLE I
R EGULADORES I NTEGRADOS .
Serie del Regulador
LM78XX
LM79XX
LM317
LM337
Valor
Reguladores positivos Fijos
Reguladores negativos jos
Regulador Ajustable positivo
Regulador Ajustable negativo
(18)
Para determinar esta expresión, podemos ignorar Q3 , pues
no estará activo mientras no circule una corriente mayor a
la corriente máxima en la salida. La caida de tensión en R5
puede considerarse despreciable (¿Por qué?), luego la tensión
en la base de Q2 es:
vBEQ2 =
C. Reguladores de 3 teminales con salida ajustable
Son muy simples de usar, exibles y sus rangos de voltaje
pueden variar entre 1:2 a 40[V ] mediante la incorporación de
dos resistencias externas y la corriente varía entre 100 [mA]
a 3:0 [A].
vL
(19)
Puede considerarse ese valor pues, el ampli cador diferencial debiera tener una resistencia de entrada muy alta. El
mayor o menor voltaje de diferencia hará que por el colector
de Q2 circule mayor o menor corriente, esto implica que la
corriente de base de Q4 , aumentará o disminuirá si el voltaje
aplicado en la base de Q2 baja o sube.
El transistor R3 con la resistencia Q3 forman el el limitador
de corriente.
V. E SPECIFICANDO REGULADORES INTEGRADOS
Existen 5 tipos de reguladores lineales básicos: Positivo,
negativo, salida ja, tracking (seguimiento) y salida otante.
Cada uno de ellos tiene su característica y uso especial,
pero su selección dependerá de las necesidades del diseñador,
prestaciones y costo.
D. Seleccionando un Regulador Integrado
Una vez decidido el regulador, el siguiente paso es especicarlo. Para suministrar corrientes mayores a las que usualmente entregan los reguladores monoliticos (CI), se requerirá
de lo que usualmente se llama un Boost Transistor. Esto puede
complicar las tareas de diseño y además pueden existir muchas
alternativas y soluciones.
Desafortunadamente no existe un una receta que explique
paso a paso como determinar cual es el regulador exacto para
un determinada aplicación. El circuito que resulte, deberá estar
de acuerdo a un compromiso de los siguientes parámetros:
Rendimiento, costo, tamaño y complejidad.
El siguiente procedimiento puede ser sugerido:
Seleccione un regulador que exceda sus requerimientos,
para regulación de línea y para regulación de carga, TC
(Temperature Coe cient) del voltaje de salida y rangos
de temperatura ambiente. Debe considerar también las capacidades del regulador desde el punto de vista de voltaje
de salida, corriente de salida, SOA (Safe Operation Area)
y sus características especiales.
Seleccione el circuito de acuerdo a los requerimientos
adoptados. Realice los diseños preliminares de acuerdo a
las con guaciones elegidas. En base a parámetros como
costo, complejidad y tamaño elija la más adecuada.
6
VI. E LEMENTOS DE PASO SERIE PARA REGULADORES
LINEALES
La mayoria de los reguladores integrados de voltaje (CI)
manejan rangos de corriente entre 100 [mA] y 3:0 [A]. Si es
requerida una corriente más grande o el regulador no posee una
área de seguridad de operación (SOA, safe operating area), es
necesaria la incorporación de elementos de paso adicionales.
En este apartado se muestran y analizan diferentes con guraciones, especi caciones, técnicas para limitar la corriente que
deben ser consideradas para elementos externos de paso.
hF E
La mínima ganancia de corriente continua (DC) está dada
por
ICmax (Q2 )
@VCE = (vs
IB max (Q2 )
hF E
Para algunos transistores existen ciertas combinaciones de
VCE e IC en las cuales pueden operar con seguridad, si se
realiza el grá co de VCE e IC , es posible obtener la región
de llamada SOA mostrada en Fig.
IC
A. Usando transistores PNP
I c max
Si el CI regulador no tiene sensor de carga externa, puede
ser usada la con guración de la Fig. .
Elemento serie de paso
V
V
s
I
CE(Q2)
PD max
C(Q2)
Q
2
VCEO
R
VCE
CI Regulador
I
I
B(Q2)
(23)
vo )
Q
1
O
Fig. 15.
Area de operacion segura del transistor.
V
o
V
in
I
BIAS
C. Técnicas de limitación de corriente
Fig. 14.
Regulador integrado con elemento de paso.
El resistor R proprociona la corriente de polarización
(IBIAS ) para el regulador integrado, en conjunto con la
corriente de la base de Q2 . Si este resistor no es incluido,
la regulación se perderá para bajas corrientes de salida (R es
una pequeña fuente de corriente). El valor de R debe ser lo
su cientemente bajo como para no afectar el funcionamiento
del regulador en operación normal, sin embargo, cuando la
corriente máxima es requerida, la caída de voltaje en la base de
Q2 , lo hace conducir, proporcionando una corriente adicional,
la cual incrementa Io . El valor de R esta dado por
0<R
VBEON (Q2 )
IBIAS
Para estos reguladores, al igual que los construidos enteramente con componentes discretos, es posible diseñar algunos
limitadores de corriente muy sencillos.
El diseño de Rsc dependerá de la máxima corriente que se
requiera del regulador, se diseña para que entre los terminales
b-e de Q3 se apliquen 0:6 [V ] :
Elemento serie de paso
Rsc
V
s
V
I
CE(Q2)
C(Q2)
Q
2
R
Q
3
I
B(Q2)
CI Regulador
I
Q
1
V
O
V
o
in
I
BIAS
(20)
B. Especi cando los elementos de paso
Independiente de la con guración utilizada, el o los transistores utilizados como elementos de paso deben tener los
valores adecuados para satisfacer ICmax , VCEO , hF E , disipación de potencia y SOA.
IC(max)
ICmaxQ2
Io + IBmaxQ2
(21)
VCEO
VCE es igual a vs (max) cuando la salida está en cortocircuito o durante la partida.
VCEQ(Q2 )
vs (max)
(22)
Fig. 16. Regulador integrado con trnasistor de paso y limitador de corriente.
ISC =
VBEON (Q3 )
RSC
(24)
VII. C ÁLCULO DE CAPACITORES
Para el cálculo de los condensadores que sirven de ltro, se
deben considerar el tipo de recti cador (media onda o de
onda completa), Los condesandores de ltrado, se encuentran
ubicados entre el recti cador y el regulador
Su comportamiento se basa en el hecho de que el condensador almacena energía durante el periodo de conducción,
7
ENTRADA
FILTRO
Carga
RECTIFICADOR
REGULADOR
C=
C
Regulador
+ carga
I
D
+
v i (t) = Vm sen( 2π 50 t ) C
vo (t)
R
_
Fig. 17.
Condensador ltro + recti cador de media onda.
liberando dicha energía sobre la carga, justamente en el periodo de no conducción. Cuando el condensador C es sometido
a una señal proveniente de un recti cador de media onda, éste
se cargará de acuerdo a la señal, sin embargo, cuando la señal
cambia de pendiente, el diodo queda polarizado inverso, deja
de conducir y el condensador se descarga a través de RL , hasta
que nuevamente el diodo conduzca.
iL
Vm
=
vr f
RL vr f
(28)
Para un recti cador de onda completa se debe considerar
una frecuencia 2f .
De acuerdo a () mientras más grande la capacidad, menor
será el ripple, así la constante de tiempo RC aumenta y la
carga de C debiera ser más lenta. Por otro lado, si C es
muy grande, la impedancia equivalente es muy pequeña, luego
en paralelo con R la corriente se incrementará demasiado
pudiendo producir la destrucción de los diodos, si el transformador es de gran potencia. El instante en el cual se produce
el incremento de la corriente es cuando el condensador se
empieza a cargar, si este proceso es lento, los diodos estarán
sometidos a una alta corriente demasiado tiempo.
Example 1: Sea el voltaje igual a 12[V ] RMS y la corriente
requerida de 100[mA], considerando la caída en el diodo de
0:7 [V ] de un recti cador de media onda, el voltaje máximo
al cual estará sometido el condesador será de
p
Vm = 12 2 0:7 16:27 [V ]
(29)
Luego, calculando R
−t/ R C
L
vo(t) =Vm e
vo (t)
Vm
vr
1
f
Fig. 18.
R=
t
(25)
Considerando que la variación de la carga ocurre en un
tiempo igual al periodo de la señal del recti cador y la
variación de voltaje corresponde a vr , se tiene
Pero si iL =
Vm
RL
vr
T
= Cvr f
= C
16:27
1000 [ F ]
(31)
162 50 2
Lo que parece un valor aceptable si se quiere tener un ripple
de cerca del 9%, ahora si la corriente requerida fuera menor,
por ejemplo 25[mA], manteniendo el ripple, se determina un
valor para el condensador de
C=
La variación del voltaje en el condesador se llama ripple
(ondulación), la cual depende de la corriente iL ; pues, si ésta
aumenta, RL disminuye, por lo tanto la constante de tiempo
de descarga será más pequeña, lo que implica que la curva
exponencial cae más rapido incrementandose el ripple. Si la
constante de tiempo RL C es muy grande comparada con el
periodo de señal de entrada, el ripple producido será pequeño.
Cuando la constante de tiempo es grande se puede aproximar la corriente media a VRmL . En un diseño típico se puede
considerar que el voltaje contínuo es aproximadamente igual
a Vm , tomando en cuenta la corriente máxima requerida, se
estima el valor de RL . Ahora, si se especi ca el ripple, se
determina el valor de C considerando que la variación de la
carga, está dada por la variación de voltaje en el capacitor, es
decir del ripple, vr . Sea la variación de la carga
Q
t
iL
(30)
Considerando ahora un ripple de 2[V ] y como la frecuencia
de la red corresponde a los 50[Hz], entonces
Curva vo (t) de un recti cador de media onda.
Q=C v
Vm
16:27 [V ]
=
= 162 [ ]
100 [mA]
100 [mA]
(26)
(27)
16:27
= 250[ F ]
(32)
860 50 2
El que se aproxima a un valor estándar de 330[ F ] o
220[ F ]: Si la corriente requerida es mayor, evidentemente
el valor de R debe ser menor, haciendo que el valor de
C se más grande para mantener el ripple. Por ejemplo, si
la corriente requerida igual a 1[A], entonces la capacidad
aumenta 10000[ F ]. Si el ripple requerido es más pequeño,
estonces, C debería ser más grande. Considere que se está
trabajando con un recti cador de media onda. En la práctica,
la elección del ripple debe considerar el voltaje y la corriente
requerida en la carga, y luego el voltaje mínimo requerido
por el regulador que permita matener el voltaje y la corriente
en la salida, es decir, el ripple debe ser tal que el vsmin sea
su ciente para que el regulador funcione.
C=
VIII. D ISEÑO DE REGULADORES
Example 2: Diseñar un regulador paralelo simple para una
corriente máxima de 250 [mA] y un voltaje de 5 [V ], considere
que le voltaje no regulado es 10 2 [V ]. Especi que el diodo
adecuado y la potencia de la resistor R.
Considerando los datos vsmin = 8[V ]; ILmax =
250[mA]; vz = 5[V ]. Para determinar cual es diodo sener
8
correspondiente, éste debe tener el voltaje apropiado y soportar
la corriente que en la peor situación será levemente superior a
la máxima requerida (¿Por qué?). De acuerdo al circuito de la
Fig. 5b, podemos usar la ecuación (7), considerando el diodo
de 5:1[V ]; 1N 5231; se tiene
R=
8 5:1
vsmin vz
=
ILmax Izmin
250 [mA] + Izmin
(33)
Como no se conoce el valor de Izmin del diodo, se recurre
a la hoja de especi caciones del diodo.
TABLE II
PARÁMETROS D IODO Z ENER .
Tipo
Vznom [V ]
Tol Vz %
1N5231
5.1
5.0
iB max =
Zz [ ]
@ Iz [mA]
M ax
17
20
R=
500
De la tabla II se observa que no existe ningún parámetro
llamado Izmin , se tiene vz , Iz y PD , de acuerdo a esto se
]
PD
puede usar Izmin = 10v
= 500[mW
10 (5:1) = 9:809 [mA] y luego
z
obtener la corriente mínima, sin embargo, este valor puede
resultar mayor que el Iz estándar de 1 o 2 [mA]. Por otro
lado, esto nos da un margen bastante amplio de seguridad
para el diseño. En el caso de dar un valor muy superior a Iz ,
podría considerarse como éste o una fracción, pero el regulador
siempre quedaría sobre dimensionado.
R=
8 5:1
= 11:162 [ ]
250 [mA] + 9:809 [mA]
(34)
Este diseño aparentemente se ve bien, pero ocurre la siguiente situación: Cuando el sistema opera en vacío (sin carga),
toda la corriente circulará por el diodo zener, que corresponde
a 260[mA] aproximadamente, de acuerdo a las características
de potencia, el diodo sufriría un severo daño. Una solución
sería poner una carga mínima y la otra cambiar el zener. Se
podría repetir el diseño con el diodo 1N4733 ( 1[W ]).
Otro criterio sería considerar lo que por lo general ocurre,
esto es, la corriente mínima de un zener de 1 [W ], tiene un
valor que uctúa entre 1 y 2[mA]. Luego este valor puede
establecerse como corriente mínima.
R=
8 5:1
= 11:5 [ ]
250 [mA] + 2 [mA]
2
iLmax
=
= 48:8 [mA]
41
41
PD
Considerando un Izmin = 10v
=
z
i = iBmax + izmin = 53 [mA]
PD [mW ] 25 o C
(35)
Como el valor obtenido es muy similar, el comportamiento
del regulador, si éste queda sin carga, perjudicará seriamente
al diodo zener.
Example 3: Diseñe un regulador serie para 12 [V ] y 2 [A],
seleccione además el transistor adecuado para dicha corriente.
Suponga un voltaje no regulador de 15 2:5 [V ].
El requerimiento de corriente amerita el uso de un transistor
de potencia. Para este ejemplo usaremos un 2N3055. El
(36)
iL = iE = ( + 1) iB
Luego
TABLE III
PARÁMETROS D IODO Z ENER C ONT.
IR [mA]
@VR [V]
max
5
20
1N5242B, es un zener de 12 [V ], con PD = 500 [mW ].
Necesitamos conocer el hF E del transistor para poder diseñar
la fuente de corriente (el valor de R). Si se revisan los datos
se puede elegir el valor mínimo hF E = 40, con esto nos
aseguramos que al menos debe entregar la corriente solicitada.
Como la diferencia de potencial en la resistencia es pequeña
y la corriente es pequeña, la potencia no es grande (determine
el valor). Otro elemento importante es saber cuanto voltaje es
capaz de soportar el transistor entre colector y emisor.iB max
500[mW ]
10 (12)
(37)
= 4:16 [mA], así,
12:5 [V ] 12 [V ]
= 9:43 [ ]
53 [mA]
(38)
Si se usara el criterio de usar una izmin de 1 o 2 [mA], el
diseño no varía mucho. Tomando en cuenta que la potencia
del transistor es de 110[W ], se determina que el transistor debe
soportar
(vs max
vL ) iL
= (17:5 12) 2
= 11 [W ]
(39)
Un buen ejercicio consiste en repetir el diseño con el zener
1N4742, evaluar la potencia del transistor y recalcular todo,
considerando que el voltaje no regulado es 25 3 [V ].
IX. C ONCLUSIONES
Los reguladores de voltaje son sistemas que permiten
mantener un voltaje jo en la salida independiente de la
corriente requerida por la carga. Estos pueden ser tipo paralelo
o serie. Si se requiere mayor precisión, el regulador puede
ser realimentado, con lo cual también se podría obtener
reguladores ajustables (voltaje de salida variable). Para el
diseño de reguladores se debe conocer el voltaje y la corriente
máxima requerida así como la ondulación de la entrada. Esto
servirá para especi car el elemento de referencia, el transistor
regulador (en el caso de requerirse corrientes sobre 1[A]) y si
este ha de ser ajustable o no.