ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD D INGENIERÍE …Tesis de Grado, el mismo que const da e una...

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

TESIS DE GRADO

DISEÑO DE UN PANEL INSTRUMENTAL PARA

APLICACIONES ELECTROQUÍMICAS

Por: BAYARDO SÁNCHEZ

TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE

INGENIERO EN LA ESPECIALIZAC ION DE ELECTRO^

NICA Y TELECOMUNICACIONES

Quito, Marzo de 1981

CERTIFICADO

Por la presente, certifico que constate el funcionamiento y

la realización de las pruebas de trabajo del equipo que el

señor Bayardo Sánchez Viteri ha diseñado como parte de su

Tesis de Grado, el mismo que consta de una fuente regulada

de voltaje, de una fuente regulada de corriente, de un am-

plificador variable D.C. y un medidor de señales, habiendo

constatado que funciona con sujeción a las especificaciones

con las que fue diseñado con finalidades electroquímicas.

Quito, Octubre 28 de 1980

IngC Freddie E. Orbe M.

Profesor de Electroquímica dela Fac. de Ing. Química

Certifico, que el presente

trabajo ha sido elaborado

en su totalidad por el se^

ñor Bayardo Sánchez.

ING-»—tUI S B ARA J'A S

DIRECTOR DE SIS

A MIS PADRES

Y HERMANOS

AGRADECIMIENTO

A mi Director de Tesis Ing. Luis Barajas y al Ing. Erwin Ba-

rriga, quienes me guiaron en la realización del presente tra_

bajo.

Í N D I C E

CAPITULO I.-

Pág

1.1. Introducción 1

1.2. Justificación de los instrumentos 2

1.3. Consideraciones generales respecto a cada modulo,

diagramas de bloques de cada uno de ellos 3

CAPITULO II.-

ANALISIS Y DISEÑOS

2.1. Fuente de voltaje regulada 16

2.2. Fuente de corriente regulada 40

2.3. Medidor de señales DC 56

2.4. Amplificador DC de ganancia variable y elevador de

corriente 58

2.5. Alimentación de los circuitos 67

CAPITULO III.-

3.1. Respuestas obtenidas, conclusiones, recomendaci^

nes 79

APÉNDICE I 82

APÉNDICE II 83

APÉNDICE III 84

APÉNDICE IV 86

C A P I T U L O I

1.1. INTRODUCCIÓN

La presente tesis ha sido desarrollada para dar facilidades a

los laboratorios de la Facultad de Ingeniería Química en el

análisis de Electroquímica, Electrolítica, Cronopotenciometría

etc.

La tesis consta de tres módulos:

El primer modulo es una fuente de voltaje regulada, en un ran_

go variable de O a 20 voltios D.C. y con una corriente máxima

de salida de 4 Amperios^ esta fuente regulada tiene un selec_

tor de sobrecorrientes de rango variable, el mismo que cumple

las funciones de limitar la corriente cuando exista sobrecar_

gas, y también como protección para corto-circuitos por tiem

po indefinido.

El segundo modulo es una fuente de corriente regulada en un

rango variable de O a 2 amperios, su voltaje mas alto no exce^

derá los 15 voltios, además este modulo tiene un selector de

sobrevoltajes en 4 rangos, selector que sirve para limitar el

voltaj e de salida VQ en caso de existir sobrecargas y también

sirve como protección para circuito abierto por tiempo indef±_

nido.

El tercer modulo comprende dos partes:

La una es un amplificador D.C. para ganancias 1, 5, 10, 50,

100 y 500 veces la señal, incluyendo un medidor de senales,el

mismo que cuenta con escalas de selectividad para obtener ma^

yor apreciación en las lecturas de las señales. La segunda par_

te consiste de un elevador de corriente, que sirve para sum_i

nistrar corriente necesaria, cuando lo requieran.

1.2. JUSTIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS

Usualmente en los laboratorios de Ingeniería Química se re-

quieren realizar análisis de sustancias, investigaciones 6 a_

plicac iones industriales, para lo cual se requiere de un equi_

po mínimo de trabajo, el mismo que deberá cumplir con requji

rimientos y especificaciones propias para dicho laboratorio.

Las especificaciones y rangos han sido seleccionados de acuer_

do al tipo de experimentos, invest igaciones que se llevarán

a efecto.

La fuente de corriente regulada ha sido diseñada, puesto que

en las técnicas de Intenciestato durante todo el proceso se

requiere que la corriente permanezca constante, de igual ma_

ñera la fuente de voltaje regulada ha sido diseñada para cum

plir con las técnicas del uso del potenciostato, puesto que

en este análisis se requiere que el voltaje permanezca con_s_

tante aún cuando existan variaciones en la carga.

La fuente del voltajetiene un selector de sobrecorrientes y

la fuente regulada de corriente tiene un selector de sobre-

voltajes: estos selectores permiten seleccionar previamente

el rango de trabajo, así como también evitar cualquier daño

a los instrumentos, cuando se produzcan corto-circuitos o f a_

lias en la operación de los instrumentos.

Paralelamente a los diferentes análisis que se realizan, se

requiere conocer los efectos ocurridos o medirlos para lo cual

se usarán sensores o electrodos cuyas señales son débiles y

se requieren amplificarlas m.ediante un amplificador D.C, de

ganancia variable y si es necesario elevar la potencia, para

lo cual usaremos un elevador de corriente, por último se ne_

cesitará medir las señales para lo cual se usará un me

didor con selector de escalas, para tener una me j or aprecia.

clon en las lecturas.

1.3. CONSIDERACIONES GENERALES RESPECTO A CADA MODULO: DIA-

GRAMAS DE BLOQUES DE CADA UNO. DE ELLOS

Tomando en consideración las especificaciones mencionadas en

la introducción, realizare un análisis para escoger los ci£

Güitos más adecuados, que cumplan satisfactoriamente los re^

querimientos propuestos en el Laboratorio de Electroquímica

(Facultad de Ingeniería Química) .

FUENTE 'REGULADA DE VOLTAJE

Es un circuito electrónico, en el que se requiere que el vol^

taje de salida Vo permanezca constante a variaciones del vol_

taje de línea, y variaciones de carga (hasta un valor pr ed^

terminado) .

Como circuitos reguladores se pueden mencionar:

- Reguladores en base a diodos zener o tubos de gas.

- Reguladores con seguidor de emisor .

- Reguladores con real im en tac ion.

REGULADORES EN BASE A DIODOS ZENER O TUBOS DE GAS

Como parámetros principales, para estos reguladores se

deran:

El voltaje de ruptura V~ , máxima corriente permitida IT 5 ,má** jj niax ~~xima po tenc ia de dis ipación Pp= Vz.Iz+Iz2.rd , res is tencia dina_

mica rd, que es la resis tencia de la curva de r u p t u r a de un

zener .

Rl IL

r

n

rin

f

Iz ]f ̂ í) "-^ Vo=Vz

Fig. 1.1. R e g u l a d o r con tubo de gas

RiIL

Vin S

*-''

RL^

Fig. 1.2. Regulador con diodo zener

Haciendo referencia a la Fig. 1.2.

Vemos que si V¿n o RL aumentan, Iz crece y la caída de tensión

en RT. > que es igual a Vz permanece constante, de igual mane-

ra si V¿n o RL disminuyen Iz disminuye.

El valor de RI debe asegurar que la corriente en el zener sea

siempre menor que la máxima permitida, es decir:

V. ^ - V> in max z

1 ~ Iz max

Con ello RI cumple como resistencia limitadora, evitando una

excesiva disipación de potencia, como también estabilizar V0

frente a variaciones de Vfn.

El mínimo valor de RL » para que se conserve la regulación e_s_

ta dado por:

R.min A R

V

V-,- -1L min >

min max~z min(Ref.1)

Para aumentar la corriente máxima permitida, se pueden

tar dos diodos zener en paralelo, como se muestre en la Fig.

1.3. por lo cual se deben colocar resistencias Ra, RS en se-

rie con los diodos, para distribuir en forma igual las co-

rrientes, estas resistencias degradarían la regulación:

Ri

RL Vo

Fig. 1.3. Reguladores con diodos zener conectados en paralelo

De lo expuesto anotamos las características más importantes

de los reguladores en base a diodos zener.

1.- Si el voltaje de entrada V - es variable, se debe usarindiodos zener, con voltajes Vz menores que el menor vol-

taje de entrada.

2.- La corriente en el zener, al máximo voltaje de entrada,

puede llegar a ser mayor que la corriente de carga, esto

hace que en este tipo de regulador se desperdicie poten-

cia» por lo que se usa solo para casos en que la poten-

cia de salida es baja y se requiere poca corriente IT.

- REGULADORES CON SEGUIDORES DE EMISOR

Este tipo de reguladores se caracterizan porque usan el dio-

do zener para compensar las variaciones en la corriente de

base del transistor, además pasa toda la corriente de carga

por el transistor T (Fig. 1.4.).

IE

Ri

Vin

2Slz

IL

Fig. 1.4. Regulador con seguidor de emisor

Para diseñar un regulador de este tipo es necesario conside^

rar: corriente de colector máximo Ic(máx) igual a la co-

rriente máxima de carga IT (máx) , voltaje de ruptura colector

a' base, con emisor abierto VCJJQ y voltaje de ruptura de co-

lector a emisor con la base abierta VCEQ. En condiciones nor_

males el voltaje de ruptura de colector a emisor con la base

en corto circuito con el emisor Ve ES > determina el valor de

VCE» Por tanto se debe garantizar:

VCES > VEC máx = Vin (máx) - Vo (mín)

y en el peor de los casos de que existiría un corto circuito

o se elimina el elemento de referencia, debería cumplirse :

VCEQ > vCE(máx) = vin(max); aquí vemos

je sería necesario de alguna manera compensar la subida o ba_

jada del voltaje de entrada V¿n, o variaciones en la carga,

para ello necesitamos' diseñar un circuito con realimentac ion

el mismo que funciona tomando una muestra del voltaje de sa_

lida y comparándola con una referencia, de la comparación, de

estas dos señales se obtiene una señal de error, la misma que

después de ser amplificada excita al elemento de control pa_

ra que esta tienda a reducir el error a cero, además por ana_

lisis anteriores se concluye que se requiere necesariamente,

un limitador de corriente y protección para corto circuito -

por tiempo indefinido, esto se ilustra en la Fig. 1.5.

-Vin-Vo

Vin

CIRCUITODARLINGTON

(5)

(4)

AMPLIFICADOR

(6)

SELECTOR DESOBRECORRIENTES

COMPARADOR (2)I \A

JL

Vo

Fig. 1.5. Diagrama de bloques para un regulador de voltaje

Para comenzar el análisis de la Fig. 1.5. se supone que el vo_l

taje de entrada V¿n de la fuente varía un AV¿n pOr alguna razón

este cambio de voltaje V¿n , causa un cambio de voltaje de sa_

lida AVo, puesto que la fracción ex de la tensión de salida Vo,

se aplica a la entrada del amplificador de error, el cambio en

la tensión de error er será "CtAVo ,

Debido a que el voltaje entre colector y emisor del elemento

de control es V¿ - V0 y también debido a que el elemento de

control y el amplificador o amplificadores de errores se encuen_

tran en cascada, se puede aplicar la siguiente relación:

A(Vin - Vo) = a AV0 Gi. G2 (l.D

GI - función de transferencia de voltaje o ganancia del ampli-

ficador de error.

G2 = función de transferencia de voltaje del elemento de

trol.

De 1.1. tenemos :

AVo 1a Gl G2

aquí se puede ver en lo que respecta a las variaciones del vol^

taje de entrada V¿n, el regulador mejora la estabilidad de sa_

lida por un factor igual a la ganancia total de trayectoria

ct Gl Gz del sis tema de control.

Además utilizando la ecuaci6n:

AVo= pAV¿n + a A!L referencia (2) ,

10

Donde los coeficientes se definen como:

P =A V,AVin

; factor de regulación de la fuente

AIL = O

a = ; resistencia de salida

AVin = O

Cuanto menores sean los coeficientes p, a, mejor será la regu_

lacion de la fuente, por tanto, si queremos obtener una mejor

regulación de la fuente, (haciendo referencia a la ecuación

1.1) deberíamos aumentar la ganancia de G l 5 G2, 6 aumentar la

ganancia utilizando amplificaciones en cascada.

Con este tipo de regulador se puede obtener algunas ventajas:

- Mejorar la regulación.

- Una mayor ganancia de G l 5 62» Gn con la cual se puede bajar

el rizado, mucho más del valor que posee después de pasar

la señal por el rectificador y el filtro.

- Protección del circuito para sobrecorrientes y corto-ciri

tos.

El diseño completo de este regulador lo detallamos en el

tulo II.

FUENTE DE CORRIENTE REGULADA

Es un circuito electrónico que tiene por objeto mantener cons_

tante la corriente de salida IT, una vez seleccionada dicha

11

corriente, por tanto, no deberían influenciar las variaciones

del voltaje de línea o variaciones en la carga.

Existen varios circuitos que se pueden diseñar como regulad^

res de corriente, como referencia antes de escoger el circu^

to más apropiado para que cumpla con las especificaciones da^

das, hacemos referencia a los siguientes:

- REGULADOR DE CORRIENTE EN BASE A UN TRANSISTOR

4-Vcc

RA

-Vcc

Fig. 1.6. Circuito de una fuente de corriente en base a un

transistor .

El circuito de la Fig. 1.6. muestra un regulador de corriente,

Realizando un breve análisis podremos decir:

Si R, disminuye. I, se incrementaría, produciéndose un incre^L ij

mentó del voltaje Vg^» como VBN permanece prácticamente cons_

tante, al subir VEN» disminuirá VBE, lo que provocaría una dis

minucion de IB e IL, por tanto, el incremento inicial de IL

ha s ido compensado ,

Con el circuito reguladcrde corriente de la Fig. 1.6. no se po_

12

drá cumplir con los requerimientos dados, ya que se necesita

seleccionar la corriente en un rango de O a 2 Amperios, te-

ner una muy buena regulación y una alta impedancia de salida.

En parte lo dicho, se puede mejorar con:

- REGULADOR DE CORRIENTE EN BASE A UN DIFERENCIAL

+ Vcc

Voi Voz

-Vcc

Fig. 1.7. Regulador de corriente en base a un diferencial

De igual manera que en el caso anterior, realizando el análjL

sis. IE se man ti en e constante, independientemente de los va_

lores de ^01, V o a » es decir cuando se produzca una diferencia

de voltaje de entrada Vd = V¿T - V¿2, lo que varía es IEi,IE2

pero IE no cambia.

Además con este tipo de reguladores se puede mej orar más reem-

plazando RE por una fuente de corriente en base a un transi_s_

tor (Fig. 1.6.).

1 3

Uno de los problemas de este circuito es conseguir los dos

transistores que componen el diferencial, con característi-

cas iguales, puesto que con ello se consigue el equilibrio

es decir:

AVBE2

Si Alca aumenta, Ale i disminuye , manteniendo IE constante.

REGULADOR DE CORRIENTE CON REALIMENTÁCION

De igual manera que en el análisis del regulador de voltaje

hacemos algo similar para el regulador de corriente, es de-

cir para obtener una mej or regulación, disminución del riza-

do , etc . utilizaremos un circuito con realimentacion , muy pa_

recido en el diagrama de bloques al regulador de voltaj e, pues

to que básicamente tiene el mismo funcionamiento que este, d_í_

f erenciándose en que regula corriente y no voltaje, para lo

cual es necesario sensar la corriente que se desea controlar,

esta corriente desarrollará una tensión en el sensor, ten-

sión que será comparada con una tensión zener de referencia,

de las 2 tensiones mencionadas dan lugar a un error er, el

mismo que después de ser amplificado excitará al elemento de

control del circuito, que a su vez controla IL .

Además de lo mencionado , se necesita proteger al regulador

de corriente, por lo cual, es necesario incluir un limitador

de sobrevoltajes para cuando exista circuito abierto, en la

Fig. 1.8 se ilustra el diagrama de bloques del regulador de

corriente .

14

Vin

CIRCUITO

DARLINTON

(3)

COMPARADOR

AMPLIFICADOR

(5)

SELECTOR DESOBREVOLTAJES

SENSOR

U)

VOLTAJE ZENER

DE REFERENCIA

Vo

73O

Fig. 1.8. Diagrama de bloques para un regulador de corriente

El diseño completo con detalle, lo explicaremos en el capítu.

lo II.

AMPLIFICADOR PC DE GANANCIA VARIABLE, MEDIDOR DE SEÑALES

Para el diseño de este ultimo modulo, hemos considerado apro

piado usar amplificadores operación ales, puesto que, el dise

ño en general dependerá solo de los parámetros externos, con

lo cual se facilitan los cálculos y podremos además cumplir

satisfactor i amenté las especificaciones requeridas sin muchas

complicaciones, decimos esto ya que en electrónica existen al

gunas maneras de diseñar un circuito cumpliendo espec if icacio

15

nes requeridas.

El amplificador D.C. de ganancia variable lo hacemos a través

de un switch mecánico, de contactos anchos, con el objeto que

cuando se seleccione cualquier ganancia no exista circuito a

bierto entre la entrada y salida del amplificador DC y evitan

do así posibles problemas al amplificador operacional. Como

en algunos casos se requiere la señal ya amplificada,para dar-

le otras aplicaciones, en las que es necesario una mayor co-

rriente (orden de los mA) se necesita entonces incorporar un

elevador de corriente, sin alterar las ganancias del amplifi-

cador D.C.

Por ütlimo las señales ya amplificadas necesitan ser medidas,

para lo cual usaremos un medidor D.C. medidor que va de O a

25 voltios DC, contándose con un selector de escalas, para te

ner mayor apreciación en las lecturas.

Todo lo descrito lo podemos ilustrar en la Fig. 1.9. Indicán-

dose ademas que el análisis completo, con detalles lo explica,

remos en el capítulo II.

SWITCH

ENTRADAINVERSOR AMPLIFICADOR E

--DSALIDA

SELECTOR DEESCALAS

MEDIDOR

Fig. 2.19. Diagrama de bloques del amplificador De de Ganancia

Variable Gn, elevador de corriente E y medidor de

señales.

C A P I T U L O I I

16

DISEÑOS DE:

2.1. FUENTE DE VOLTAJE REGULADA:

- Especificaciones

- Descripción, análisis y diseño del circuito

- Diagrama completo

- Pruebas

ESPECIFICACIONES. -

Tomando en cuenta los trabajo.s que se realizarán en los di-

versos experimentos y estudios, consideramos apropiadas las

especificaciones siguientes: Tensión de salida máxima 20 Vol_

tíos DC, corriente de salida 1̂ max ~ 4 Ámp , % rizado r _f

0,1.

Para cumplir con lo mencionado se necesitará, a la entrada de

la fuente, por lo menos Vin = 23 voltios DC, esto es porque

se considera el máximo voltaje de salida 20 VDC> más 3 vol-

tios que caen entre colector-emisor del transistor que hace

las veces de elemento de control del circuito; se conside-

ran 3 voltios para trabajar en la parte plana de las curvas

Ic Vs VCE y con ello es posible controlar corriente de .colec_

tor Ic con corriente de base I0p

DESCRIPCIÓN, ANÁLISIS _Y DISEÑO DEL CIRCUITO.-

El procedimiento general para el diseño del regulador de vol_

taje, está representado en el diagrama de bloques de la Fig .

1.6.

YIN

— Vin-Vo

CIRCUITO

DARLINGTON

(5)

(4)

AMPLIFICADOR

SELECTOR DE

SOBRECORRIENTES

(3)

COMPARADOR

REFERENCIA(i)

(2)

Vo

2emenH50

Fig. 1.5. Diagrama de bloques para un regulador de volta.i.e .

Razones fundamentales para escoger el regulador de voltaje

con realimentacion, caracterizado con sus principales comp_o_

nentes (Fig. 1.5) lo analizamos ya, en la sección 1.3. De to^

das maneras las ventajas más sobresalientes con respecto a

otros reguladores como lo analizamos en la sección 1.3 son:

una muy buena regulación, impedancia de salida baja, una dis-

minución notoria del rizado, y si se desearía mejorar aún más

las características indicadas, se podría aumentar la ganan.

cía del lazo de realimentacion del circuito, como se anali-

z6 en la sección 1.3. y esto se conseguiría aumentando en

cascada etapas de amplificación.

La estabilización del voltaj e se realiza comparando una mue^

tra de voltaje de salida, con un voltaje de referencia, cuaJL

quier error resultante de la comparación de las dos

18

tensiones mencionadas se amplifica y luego se excita- al ele-

mento de control, que a su vez controla la salida.

A continuación se realiza el análisis y cálculo para cada blo-

que.

a) VOLTAJE PE REFERENCIA VARIABLE (VR).-

Generalmente se utilizan diodos zener que se discutio en la

sección 1.3.

Es fundamental obtener una tensión de referencia constante,

por lo que el diodo tiene que ser alimentado por medio de una

fuente de corriente constante, en la práctica esto se consi-

gue polarizando ¿1 zener de alguna tensión estabilizada.

Para el diseño de la presente tesis se usarán en algunas par_

tes circuitos amplificadores operacionales, los mismos que se

polarizarán con + 15 VDC, aprovechando de estas fuentes auxjL

liares (fuente periférica) se tomará la alimentación de la sa,

lida de + 15 VDC que también es estabilizada para polarizar

al diodo zener, garantizando una corriente Iz constante.

El circuito a utilizarse lo representamos en la fig. 2.1.

15V

Iz

R

1N4740

Vr=10vaVR

Fig. 2.1. Voltaje de referencia variable VR

19

Para obtener el voltaje regulado en un rango de O a 20 vol-

tios DC, se necesita una referencia estable y además que se

pueda variar en cierto rango, la misma que irá al comparador

de error, bloque (3). Para el presente caso se selecciona el

diodo zener 1N47AO con Vz = 10 V, Iz = 10 mA; se selecciona

ese valor para mayor facilidad de cálculos, ya que bien se

puede seleccionar un zener de otro valor, lo cual implicaría

tomar una muestra tal que sea proporcional al voltaje zener

seleccionado. Para obiarnos lo dicho se escoje V% = 10 V.con

lo cual se puede obtener el voltaje Vr de referencia varia-

ble en un rango de O a 10 V. que a su vez, permitirá selec_

cionar el voltaje de salida VQ en un rango de O a 20 voltios

considerando también la atenuación de la muestra.

La corriente Ip, representa la corriente que puede sacarse

del elemento de referencia para el comparador de error,se e_s_

coge una Ip mucho menor que Iz, con lo que no se alterarla la

estabilidad del zener.

15 V - 10 VR — 10 mA

R = 500 fí

R - 470 fit valor comercial.

Seleccionando este valor, se comete un error 5%, que no afe_

ta en nada al circuito.

Para el cálculo del potenciómetro P, se considera Ip = -y-̂ - Iz >

por la razón ya explicada en el análisis del circuito.

P . 10 V1 mA

20

P = 10 Kíí, Watt.

b) OBTENCIÓN DE LA MUESTRA

La función de este circuito es tomar una parte fraccional de

V o, para ello en la mayoría de los .casos se utiliza un s im-

ple divisor de tensión. Concatenando con lo dicho en el vol_

taje de referencia VR, tomamos la nuestra en el punto medio

del divisor de tensión, para facilidad de cálculos y además

esto permite utilizar el zener de 10 voltios. Esta muestra irá

al circuito comparador de error; bloque (3) , A continuación ±_

lustramos el circuito a utilizarse, Fig. 2.2.

Vo

RK

Vo/2

RK

Fig. 2.2. Obtención de la muestra

V0i = cx.Vo

Rk2.1

Voi = Vo

2Rk ~ 1 mA

21

10 KH Watt.

La ecuación 2.1. es válida si las R^ tienen el mismo coef icieri

te de temperatura y son del mismo material. Con R^ = 10 KQ, se

tom6 una corriente de 1 mA, cuando hay 20 voltios en la salida;

esta corriente comparada con la corriente de carga 1̂ es despre_

dable, y no afecta al funcionamiento del circuito.

c) CIRCUITO COMPARADOR

Es el circuito que se encarga de comparar las señales de la

muestra, y del voltaje de referencia, dando como resultado un

error que es proporcional a la diferencia entre las señales mei^

cionadas, para esto se puede utilizar algunos circuitos de los

cuales consideramos :

- Circuito comparador utilizando un diferencial.

- Circuito comparador utilizando un amplificador operacional.

El análisis de este circuito, se realiza, haciendo referencia

a la Fig. 2.3.

Vcc

V

1

• \ i L_S iv hz r . ^* J teR6-C.r

<o

f

> R4

'

-Vcc

Fig. 2.3. Circuito comparador utilizando un diferencial

22

En el diferencial mostrado, la disposición simétrica de los

transistores TI, Ta hace que el circuito se autocompence pa-

ra efectos de temperatura , lo que se podría mejorar más, si

los dos transistores se colocan en un disipador de calor co-

mún entre ellos, y en caso de no conseguirse lo explicado, e_s_

to representaría una limitación en diseños en que se usen d_i

f erenciales .

La fuente de corriente constante lg (analizado en la sección

(1.3), es independiente de los volt aj es de colector (A y A1)

cuando se produce una diferencia de voltaje a la entrada

Vd - VR - Voa, IE permanece constante, lo que varían son:

AIc2 - S2AIB2 = 32 y AIcx - (3iAIBl =

hacen que a su vez vari en los puntos A1 y A, variando

AV^T = - Alca . RS por tanto, si disminuye o aumenta Ale 2 »

aumentará o disminuirá AV¿* que representa una de las salidas

del diferencial, compensando así cualquier desbalance que ha-

bría entre los dos brazos del diferencial.

Del análisis del diferencial, se concluye que puede ser uti-

lizado como un comparador , teniendo en cuenta que se tiene

que disponer de dos transistores iguales, calcular los valo-

res de resistencias Re y RS » y además disponer de los volta-

jes de polarización + Vcc y - Vcc.

CIRCUITO COMPARADOR UTILIZANDO UN AMPLIFICADOR QPERACIONAL

Se utiliza un Amplificador Operacional, puesto que, presenta

algunas características importantes , tales como :

- alta impedancia de entrada

- baj a impedancia de salida

-. alta ganancia

23

- El diseño depende s6lo de los parámetros externos.

Las características mencionadas representan una ventaja so-

bre otros elementos. Pero esto es válido según el tipo de cir_

cuitos a diseñarse.

El comparador, utilizando un amplificador operacional, puede

ser utilizado al mismo tiempo como comparador y amplificador

para el presente caso, se lo utilizara como comparador. Ver

apéndice (2).

El circuito comparador de la Fig. 2.4, está constituido en bja

se al amplificador operacional LM1458, que disponde de dos

entradas, a la una entrada del comparador llega la muestra -

del voltaje de salida, que para este caso es Vo/2,y a la otra

llega el voltaje de referencia VR» de la comparación de es_

tas dos tensiones da lugar a un error er, el mismo que irá a

la entrada del amplificador de error, bloque (4).

La polarización para este operacional, se obtendrá de la fuen_

te periférica.

Curva de transferencia del comparador.

Vi = voltaje de entrada

er = voltaje de salida.

24

Fig. 2.4. Circuito Comparador

La resistencia que va en serie con la referencia variable VR,

sirve para balancear las dos entradas del comparador, por tari

to, Rg = 10 Kfi// 10 Kfi ~ 4,7 Kft, a la salida del comparador se

pone un condensador C = 2 yF/25 V, como ayuda para disminuir

el rizado.

CIRCUITO AMPLIFICADOR DE ERROR.-

Debido a que se necesita una mayor amplificación , para ob te_

ner una mejor regulación, disminución del rizado, etc. se r̂

quiere del circuito amplificador de error .

seEs necesario aclarar que para el presente diseño no

ta un diseño crítico y exacto del amplificador de error, ya

25

que la ganancia de tensión puede ser estimada, considerando

las características generales del diseño, el amplificador de

error a ser utilizado en el regulador de voltaje, lo obtene^

mos mediante el circuito de la Fig. 2.5.

La función primordial de este circuito es amplificar la se-

ñal de error er, que proviene del circuito comparador y esto

lo conseguimos utilizando un transistor To 40408, que es el

elemento que sirve para controlar el circuito Darlington. Blo_

que (5).

20p¿

i

<

r

>720JX

•• . -e

/777T"

Fig. 2.5. Amplificador de error

Se han calculado esos valores de resistencia, considerando -

un voltaje de salida bajo en el comparador , y teniendo en cuen_

ta que la corriente de salida del operacional va a estar va_

riando desde los y A hasta unos pocos mA.

La atenuación que sufre la señal er, debido a este divisor de

tensión , como la ganancia de'l transistor TO, son calculadas

en la regulación de la fuente.

CIRCUITO DARLINGTON .- es el elemento de control de la

001926

26

te reguladora, en esta etapa se realiza el ajuste necesario

para mantener el voltaje de salida constante. El darlington

de la Fig. 2.6. permite suministrar la corriente necesaria a

la salida, como también controlar dicha corriente, con bajas

corrientes.

Para seleccionar se debe tener en cuenta las especificaciones

de corriente, tensión y potencia de disipación.

C(máximo) — L(máximo)

__ , ,. . N — E. / * .. — E Q , * NCE(maximo) in(max) (min)

P — VCE(máx) CE(máx)

Escojo entonces el transistor de potencia 2N3055, con J5 = 20

y el transistor 2N4743 con $ = ^00» con los cuales se confo_r

ma el Darlington mostrado en la Fig. 2.6,

2N3055

2N4743

Fig, 2.6. Circuito Darlington

27

IQ ~ "oT » donde $d = $3P 5 Pd

„ 0 m A~ 2mA2000

Para calcular la superficie necesaria de disipación del tran-

sistor de potencia T 5 , se debe tomar en cuenta, la máxima

potencia disipada, diferencia de temperaturas y tamaño de las

chapas refrigeradoras, para ello usamos la expresión simpli-

ficada y muy práctica:

„ f 2v P (mW)S (cm } 1,5AT{grados}

AT - diferencia de temperaturas entre la chapa de refrigera-

ción Tj y el aire ambiente T2, At en grados centígrados

p = potencia colector-emisor máximo,

AT - 120°C - 20°C = 100°C

P = 104 vatios

Cf *\4 . 103 , Q _ 2S(cm ) = —z—= = 693 cm1,5 x 100

Se considera para el cálculo realizado, que las chapas de re_

frigeración tienen un espesor >̂ 3 mm, para cumplir con este re^

quisito, se usa un disipador proporcionado por el Laboratorio

de Circuitos Digitales de la Escuela Politécnica Nacional,el

mismo que tiene una S - 800 cm2.

28

El circuito Darlington descrito va al selector de sobreco -

rrientes bloque (6).

Con IB(;9 podemos asumir Inrr ; en el caso extremo de que elp b LIO

elemento de control deje de conducir, To tiene que soportar

una corriente de colector > 2 ID, se asume entonces""-" "I_T = 5 mA, y con ello se puede calcular RIO (Fig. 2.7).U18

Rio

IRIO

Calculo de Rio

CTo

T,Rio

wR I O

+

* 7 mA

29

V - VIN BTz

RIO = =

25 V - 22 2 VRio - 7 mA = 4°°n ' 1/2 Watt

SELECTOR DE SOBRECORRIENTE.-

Como se analizo en la sección 1.3. es necesario contar con un

limitador de sobrecorrientes, a la vez que sirva como protec-

ción de corto circuito por tiempo indefinido y esto se consi

gue con el circuito de la Fig. 2.8.

Para el diseño de este selector se toma en cuenta la corrien

te I * que se quiere limitar - 4 A. I + - 1,5 Amp , y al limax * mxn —mitar para cualquiera de esos valores, se esta limitando la

corriente de carga para corto circuito; esta limitación se cotí

sigue calibrando el potenciómetro Ps, para los mencionados va

lores, tal que V del transistor Ti», que permanece en corte,

conduzca cuando la base este 0,6 V más en el emisor; para ca^l

cular Ro se asume un voltaje pequeño entre los puntos ab y

se considera I.,.Lmax.

RO = •= = —*T-T— ~ 0,4ft, 10 watts, valor comercial;J. .» *( A.max

Se calcula el valor del potenciómetro Ps, suponiendo que por

Pst circulará una corriente muy pequeña, comparada con I. ^i^max *

escogo 0.2 mA. .

ps = • '•- — = 8 Kfi, 1/2 Watt, valor comercial

Calculo el valor de Psi, para que el transistor Ti* entre a cotí

30

ducir:

FSl

0,6V . 8~1,6V = 3. Kfí

De igual manera calculo el valor del potenciómetro Ps , cuan-

do se limita en IL mínimo = ^ » ̂ A, con R0 - 0,4^ calculo Vab

cuando circula 1,5 A, entonces Vab = 0,4£2x1,5 A - 0,6 V, con

este voltaje calculo el valor de Ps 2 para que el transistor Ti+

conduzca

Ps2 = 8 KflxO,6 V0,6 V = 8 Kíi = 3 KÍHP

Colocando una resistencia de Rs = 3K , se asegura que el cir-

cuito limitará por lo menos en 4A y para limitar la corriente

IL mín ~ 1>5A, se necesita un potenciómetro P = 5K , 1/2 W

El transistor T\e debe escoger tal que la corriente de co-

lector de Tit, permita el paso de la corriente 10 del elementoP

de paso, que es la corriente que tomaría cuando se produzca u

na sobrecarga, escojo entonces el transistor 40408, cuyas ca-

racterísticas se adjuntan al final del apéndice.

Fig. 2.8 Circuito limitador de sobrecorrientes

31

VR

15V

IZ

480J2

1 KJÍ.

1N4740

Vz = 10V

Fig. 2.9. DIAGRAMA COMPLETO DE LA FUENTE REGULADA DE VOLTAJE

32

El circuito además de tener protecci6n de corto con el selec^

tor de sobrecorrxentes, tiene otra protección que es la del

amplificador operaciónal.

REGULACIÓN DE LA FUENTE.- Fig, 2.10.

Para el presente diagrama no tomamos en cuenta el limitador

de corriente, puesto que el limitador actúa cuando existe una

sobrecorriente.

VR —

Vo/2

Vin

Vo

Fig. 2,10.

a = Factor de realimentaci6n.

_1 5

_1 o

Ganancia del transistor Ts (incluido el elemento de pa™~

so) .

Ganancia del transistor To (ganancia del amplificador

de error incluida la atenuación K debido al divisor de

tensión) .

V.:n - Voltaje de entrada.

33

Vn = Voltaje en el punto medio del divisor de tensión a la

lida del circuito.

Haciendo referencia al diagrama completo calculamos Vn.

Vo = 10 Kfl + 10 Kfl// ZinopVn " 10 Kfi// Zinop

Zinop - Impedancia de entrada del amplificador operacional

que es grande comparada con 10 K£3

Vo ^ 10 Kft + 10 KV« ~ 10 Kft = 2'n

1Vo

La señal que se tiene a la salida del comparador, se atenúa

debido al divisor de tensión, se trata de que la atenuación

K sea mínima, es decir K •*• 1 , calculo entonces K =

considerando La Fig. 2,10.

V2Vi

Fig. 2.11, Divisor de Tensi6n

34

V2720 fi// ( 2 , 7 KQ + ZIN^ )

, ¿o33fi + (7200/7 ( 2 , 7 Kfl + Z I N T o ) (2.2)

- (B + 1)(re + RE)

RE = O

5 mARef. 4.

ZIN_ = (101) (5ÍÍ) = 505fl

Reemplazando los valores obtenidos en 2.2

V2 * 0.94

- CALCULO DE LA GANANCIA DE VOLTAJE

Grp - Ganancia del voltaje del transistor TO.» considerando la

Fig. 2.11, se tiene:

V3

V4

ZINTO

J

Fig. 2.12. Amplificador de error

35

G = —3— = yRC;*5 , cons ide rando IC = 81,

GT = 7TM » ^e^ diagrama completo Re - 400 íí , reemplazando

x - j /- 400 fl. 100 Qn ,los valores obtenidos, G = - so SO - ' tomando en

cuenta la atenuación K, G = G . K - 77l L

-1, por ser seguidor de emisor.5

Utilizando la ecuación 1.1 AVS =pAVin + aAIs

P =AVsAVin , donde p r ep resen ta el f a c t o r de regula-

Als = O

ción de en t rada y dicho f a c t o r esta d i r e c t a m e n t e r e l a c i o n a d o

con la ganancia to ta l de t r ayec to r i a del c o n t r o l , se p u e d e

obtener entonces la a tenuac ión del r i zado ^on la expres ión

p = —=—— p ~ , ana l i zada en la sección 1.3. r e e m p l a z a n d ol *r otijrp ijJ- o L s

valores, se obtiene p -~r~z— > el rizado que esta presente en

la salida del filtro de la fuente reguladora de voltaje es

%Y ~ 2.2; este porcentaje después de pasar por el regulador

se reduce ^40 veces, con lo que se cumple %Y< 0.1.

V sLa impedancia de salida, está dada por la expresión a = —

(ecuación 1.1), donde Vs = Vo, Is = IT .

El cálculo del rizado a la salida del filtro utilizado para la fuente

regulada de voltaje, está detallado en FILTROS.

36

y considerando además que el cambio de tensión de salida AVo

se supone causado por_ el cambio de corriente de carga A!L en

lugar de por un cambio de voltaje en el primario . Sin embajr

go, el cambio de corriente de carga A!L causará un cambio de

tensión de entrada AVi

Considerando la ecuación 1.1, descrita en el capítulo I:

AVo = , . ̂-7;—™; y dividiendo por Air , se tiene_L-rUfj i 2 *J 2 3

AVo „ AVi/AlT.AIL l+aG12G23

7 nia = Zo = T ,^n ^ , donde Zo es la impedancia de salida

1-f-CtU 1 2 ÍJ2 3

del regulador y Zo = AVi /AlL es la impedancia

de salida del rectificador y filtro, sin el regulador.

Nuevamente nótese que el regulador reduce la impedancia de

salida y en consecuancia la regulación de tensión por un fac_

tor igual a la ganancia total de trayectoria del sistema de

control, referencia (5).

En el caso del regulador de voltaje se tiene que la ganancia

ctGj2G23 ~ 40, con lo cual se asegura que la impedancia Zo de

salida será muy baja para cualquier AVo/Al^, ya que Zo se r^

ducirá unas 40 veces aproximadamente.

37

PRUEBAS:

Utilizando el circuito de la fig. 2.9. , en el que consta el

diagrama completo de la fuente regulada de voltaje, se rea-

lizaron varias mediciones de voltaje, variando la carga, con

ello se probo el rango de la fuente regulada de O a 20 vol-

tios, como también el limitador de corriente, para llevar a

efecto esas mediciones se utilizo un os c iloscopio , un amper^

metro y un voltímetro; a continuación ilustramos las figuras

2.13, 2.14 y 2.15, en las que se puede observar el comporta-

miento de la fuente regulada para distintos ejemplos:

Ejemplo No.l .- Se fija el voltaje de salida Vo en 20 vol-

tios, y el limitador de corriente en 4 ampe-

rios, para esos valores la resistencia de carga RC = 5fi, va-

lor a partir del cual el limitador de corriente comienza a

actuar, para comprobar lo dicho, se fue variando la carga p^

ra valores diferentes de RC, el resultado que se obtuvo se ±_

lustra en el fig. 2.13.

Vo/V

CIRCUITO ABIERTO20

CORTO CIRCUITO

2 3

Fig. 2.13 Vo Vs I,

38

Ej emplo No. 2.- Se fija el voltaje de salida Vo en 15 vol-

tios y el limitador de corriente en 2 ampe-

rios y se procede como en el caso anterior, con la diferen-

cia que se tiene un nuevo RC = 7,5£2, el resultado se ilustra

en la fig. 2.14

Vo/Vt CIRCUITO ABIERTO

15

.5 1 1.5

Fig. 2.14 Vo Vs IL

CORTO CIRCUITO

í > IL/A

Ej emplo No. 3.- Se fija el voltaje de salida Vo = 8 voltios

y el limitador de corriente en 1,6 amperios,

para este caso la resistencia de carga RQ = 5£2, el resultado

se ilustra en la fig. 2.15

Según se puede apreciar en las figuras 2.13, 2.14, 2.15 y corn

parando con el comportamiento ideal de una fuente reguladade

voltaje (ver apéndice III), se observa que cuando comienza a

funcionar el limitador de corriente, se forma un pequeño co-

do y no una arista perfecta como se ve en la fig. de una fuen-

te ideal de voltaje.

También se ralizaron pruebas de corto circuito, para los di-

ferentes ej emplos, comprobándose que Vs = O e IL = Is, y es-

39

1.6

Fig. 2.15 Vo Vs IL

t o s e lo realizo para culquier tiempo t. El rizado máximo

que se obtuvo, con Vs - 20, 1̂ = 4 amp. fue < 0.1 %, con lo

cual estamos dentro de las especificaciones requeridas.

40

2.2 FUENTE DE CORRIENTE REGULADA

Especificaciones

- Descripción, análisis y diseño del circuito

- Pruebas

ESPECIFICACIONES

Tomando en cuenta los trabajos se consideran apropiadas las

especificaciones siguientes: corriente de salida IL máx = 2A

(variable de O a 2 Amperios), tensión máxima de salida = 15

voltios DC, % rizado á.0,1; para cumplir con ello se necesita

a la entrada de la fuente de un mínimo de 18 voltios DC, co_n

siderando que a la salida se requieren 15 voltios DC, mas 3

voltios DC que caen entre colector emisor del transistor que

hace las veces de elemento de paso o control del circuito,

con los 3 voltios se puede trabajar en la parte plana de las

curvas Ic vs Vce y con ello se puede controlar corriente de

colector Ic con corriente de base IQP

DESCRIPCIÓN, ANÁLISIS Y DISEÑO DEL CIRCUITO

Como se analizo en el capítulo I, un regulador de corriente

con realimentacion es un circuito que puede satisfacerlas ne-

cesidades requeridas para su funcionamiento, para ello es ne_

cesario tomar en cuenta las especificaciones indicadas, para

lo cual será necesario dar una ganancia que se puede estimar

cuando se analice el bloque de amplificación. La descripción

en bloques se ilustra en la fig. 2.16

41

CIRCUITO

DARLINTON

Vin

(3)

COMPARADOR

AMPLIFICADOR

Í5)

SELECTOR DE

SOBREVOLTAJES

(2)SENSOR

IL

U>

VOLTAJE ZENER

DE REFERENCIA

Vo

o>?aO

Fig. 2,16. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA FUENTE REGULADA DE CO-

RRIENTE.

La estructuración de la fuente regulada de corriente tiene

bastante parecido con la fuente de voltaje, como se observa

en la Fig. 2.16, es decir se necesita comparar 2 señales de

voltaje de referencias distintas, las mismas que dan lugar

a un error que sera amplificado e Ínterconectado al elemen-

to de control, controlando así la corriente de salida IL ;

para ello, se necesita disponer de un SENSOR bloque (2), cu.

yo circuito a utilizarse se ilustra en la Fig, 2,17 y que

constituye básicamente una resistencia por la que circulara

la corriente que se desea controlar; se trata de obtener

42

Vz

Fig, 2.17 CONFIGURACIÓN DEL PUENTE BALANCEADO

la resistencia que sirve como sensor lo más pequeña posible ,

tal que cuando circule la corriente 1̂ y desarrolle' la ten-

si6n sea despreciable con la tensión máxima de salida» se eri

coge entonces V^m = 1 voltio, cuando en la salida circule 2A,

que es la corriente más alta que se obtendrá, y con ello se

calcula el valor de Rm.

Rm - —̂ 5_ = -~- = 0.5Í2, 2 WattsIL 2A

Rm = 0. 5Í3 , 10 Watts valor comercial

Esta tensión desarrollada por la corriente IL va a una de las

entradas del comparador amplificador, por ' lo que se debe ba_

lancear la otra entrada VRX del comparador-amplificador; cor\o además la tensión que se requiere con otra referen^

cía Va y teniendo en cuenta que el control de la corriente se

lo hace desde una conexión anexa al sensor, para ello se re^

quiere cumplir V^m = VRX y Va = VR , esto se ilustra en la fi_

gura 2.17, que constituye en si el puente.

43

Para calcular el valor de RX» que es la resistencia para el

control , se considera que circula una corriente IRX pequeña ,

comparada con IL máxima, se escoge entonces IRX = ImA y conn j ^ * T> VRm IVello se puede determinar Rv = —r - - — : — : —

X IRX ImA

Rx = 1 Kfí, 1/2 WATT

La referencia Va, se lo consigue con un zener de un valor que

no sea muy grande , comparado con la tensión VRm, el zener -

1N4734, con V% = 5.6 voltios, es el que se escoge, el mismo

que estara polarizado con una fuente auxiliar DC.

Por ultimo para tener balanceado el puente se calcula el v_a

lor de R, teniendo en cuenta que circulará la misma corriente

y considerando también Va.

R = TVa - 5/6 7 = 5.6 Kft, I/A WATTIRX 1 mA

AMPLIFICADOR-COMPARADOR.- El amplificador comparador bloque

C-3).» está constituido por el ampljL

ficador operacional Lm 1458, el mismo que tiene una altísima

ganancia en lazo abierto, la que asegura cumplir con las es^

pecificaciones requeridas, las características del Lml458,se

adj untan al final del apéndice.

La función del amplificador-comparador es tomar las tensio^

nes mencionadas anteriormente, detectar el error er entre ê

lias y amplificarlas, bloque (3). Por tanto, cuando las eii

tradas al comparador-amplificador son desiguales momentánea-

mente, entonces la salida del amplificador-comparador cambia

44

la conducción del regulador serie, cambiando la carga de co-

rriente y la caída de voltaje a través de Rm , hasta que el

error de voltaje en la entrada del amplif i c ador- comparador

se reduzca a cero.

Desequilibrios momentáneos en el amplif icador-compar ador pue-

den ocurrir como resultado de un cambio manual de la resis-

tencia RX (resistencia mediante la cual se selecciona el va-

lor de IL) , cualesquiera que fuera la causa, la acción regu-

ladora del lazo de realiment ación (lazo que actúa constante-

mente) aumentará o disminuirá la corriente de carga, hasta

cuando se contrareste el cambio .

Para balancear las impedancias de. entrada al comparador -am-

plificador, se calcula R$[ (se hace referencia a la Fig. 2.18).

) || R = (lKfí+0,5^) || 5 , 6KÍÍ

RJJ ='820 , 1/4 WATT , valor comercial, con este valor existe

un 5% de error que no afecta al circuito; la salida del am

plif icador-comparador , será aplicada al elemento de paso, blo_

que (4) .

El sensor y el amplif icador-comparador descrito se muestra en

la fig. 2.18

45

Fig. 2.18 SENSOR Y AMPLIFICADOR

CIRCUITO DARLINGTON.-

Es el circuito que constituye el elemento de paso de la fuen

te de corriente regulada, este circuito Darlington suminis-

tra la corriente necesaria a la salida y controla también 3a

corriente de salida, con bajas corrientes. El Darlington

bloque (4) que se utiliza para la fuente regulada esta con-

formado de un transistor de potencia Te, (el mismo que re-

quiere cumplir: Ic (máx) _> I (máx), VCE (máx) = Vin (máx) - Vo

(mini), PCE (máx) = VCE (máx) IE (máx), el transistor 2N3055 cum-

ple con esos requerimientos) Ty 2N3014 con 3= 100 y el tran

sistor Tg 40408 con $= 100, cuyas características se adjun-

tan al final del apéndice.

46

La configuración del Darlington se ilustra en la fig. 2.19

I L — 2 Amp2N3055

40408

Fig. 2.19 CIRCUITO DARLINGTON

I (máxí) = J = 2 Amp, con

2 Amp _ 1 .

= -20 se calcula

20 10

= ImA

I3v = lOyA

Para calcular la superficie S de disipación del transistor de

potencia T6 , se hace uso de la formula:

S (cm ) = -=—g Arr /m 3 T Referencia (3)1,5AT {grados}

P = 45 vatios

AT = 120° C - 20° C = 100° C

reemplazando en la formula:

S = ' • = 450 cm ; se utilizo un disipador del Laboratorioo

de Diseño de S - 600 era , de un espesor -. 4mm.

47

La base del Darlington descrito va ínterconectada a la sali-

da del amplificador-comparador, como también al selector de

sobrevoltajes, bloque (5).

SELECTOR DE SOBREVOLTAJES.- Tiene la función de limitar so-

brevoltajes en 4 rangos:IV, 5V,

10 V, 15V, con lo que se evitará sobrecargas y servirá de pr^

teccion para circuito abierto por tiempo indefinido.

Su funcionamiento se basa en el aprovechamiento de las regio^

nes de corte y saturación de un transistor, el mismo que pe_r

manecerá cortado mientras la muestra de voltaje Vs de salida

no sea mayor al voltaje de referencia que se desea limitar ;

para el presente caso se toma una muestra del voltaje de sa-

lida Vs por medio de un simple divisor de tensión, para ello

se considera que por el divisor de tensión (un potenciómetro)

circulará una corriente IQ « IL mínima, con lo que no afecta

al funcionamiento del circuito, se escoge entonces IQ = 1,5 mA

y con Vs = 15 voltios DC , se calcula el valor del potencióme^Vs 15V

tro Prj ~ —- = -—-—- = 10 KÍ2 el transistor que se escogex IQ l,5mA * &

es Tg 40408 con 3 - 100, (cuyas características se adjuntan

en el apéndice V) como voltaje de referencia fijo se usa el

zener 1N4731A con V^ = 4,1 voltios, con ello el transistore¿

cogido conducirá solamente cuando su base sea 0,6 V más posjL^

tiva que su emisor, el selector descrito se ilustra en la

fig. 2.20

a) Para limitar el voltaje Vs en 15 voltios, se calcula el va_

lor del potenciómetro PQI

VK = Vz + 0,6 = 4,7 V, es el voltaje zener, más 0,6 V de

la juntura base-emisor, por divisor de tensión

p ._ 4_..7V x 10 Kfl „., . - ..0PQ1 - iJ^j- - 3'1 M

48

'IL• !•• •'— " ••"•* '•* —-•—""—

ImA

i t

40408 L^^i Vk _<

> RL

Fig. 2.20 SELECTOR DE SOBREVOLTAJES

b) Para limitar el voltaje Vs = 10 voltios

PQ2 = 4,7 Kfí = PQl + 1,6 Kft

c) Para limitar el voltaje Vs = 5 voltios

PQ3 = 9,4 M = PQI + 6,3 M

Para lograr el funcionamiento más adecuado de este limitador

se coloca como fija una resistencia de 3,1 Kfi , con lo que se

asegura siempre la limitación de Vs = 15 voltios, para el res_

to de valores usaremos un potenciómetro de - 7 Kíí , -T- WATT.

d) Para limitar el voltaje Vs = 1 voltio, se usa un swicht

mecánico de 2 posiciones, tomando como r ef er ene ia los 0,6 V

de la juntura base-emisor y una nueva referencia del

sor de tensión Pq4

10Q4 = 6 KÍJ, WATT

49

Vin

Fig. 2.21. DIAGRAMA COMPLETO DE LA FUENTE REGULADA DE CORRIENTE

50

REGULACIÓN DE LA FUENTE DE CORRIENTE

Para el presente diagrama no se toma en cuenta el limitador

de voltaje, puesto que este actúa cuando la corriente deja

de ser constante, el diagrama se ilustra en la fig. 2.22

V=Rx.l2

I selec. TnIL

— ̂ VRM

Fig. 2.22 REGULACIÓN DE LA FUENTE DE CORRIENTE

Tri = transductor 1 (resistencia Rx = 1

Tr2 = transductor 2 (resistencia RM = 0,

GX& = ganancia del elemento de paso - 1

Vin = voltaje de entrada.

Vd = diferencia de voltaje a la entrada del amplificador o-

perac ional.

Va = voltaje de saturación del operacional

51

CALCULO DE LA IMPEDANCIA DE SALIDA

Utilizando la ecuación (1.1)

AVo p- ~~

a _a

____

AIL

A TT -AVín

^ mirando el circuito ,de la fig. 2.21.

a = 10

Cuando el circuito esta en funcionamiento la impedancia que

se mira en la salida será 10 Kfi // resistencia de carga.

La atenuación del rizado p, esta dado por la relación

P = !+CtGiG2

62» -es muy grande, con lo que p tiende a O

PRUEBAS.- Considerando el circuito de la fig. 2.21, en el

que consta el circuito completo de la fuente re-

gulada de corriente, donde IL = 2A, Vs = 15 voltios, y uti-

lizando un amperímetro, osciloscopío y un avometro se reali-

zaron algunas mediciones, con lo cual se probo el circuito

completo, incluyendo el limitador de voltaje de 1, 5, 10, y

15 voltios, a continuación ilustramos algunos ejemplos con

sus respectivas figuras.

Ejemplo 1.- Se fija la corriente 1̂ en un cierto valor, co_

mo también se limita el voltaje de salida Vs-15 V

luego se va variando la resistencia de carga, hasta cuando actúa el li-

mitador de voltaje, presentamos a continuación en el cuadro

No. lias lecturas realizadas:

CUADRO No. 1

52

CORRIENTE FIJADA

1̂ (amperios)

2

1,6

0,4

LIMITADOR DE VOL^

TAJE Vs (Voltios)

14,97

14,97

14,95

RESISTENCIA

RL (omhios)

7,48

9,34

37,3

En la fig. 2.23 se ilustra el comportamiento de la fuente de

corriente, para ello se toma de referencia IL = 2 Amp,

Vs = 15 voltios.

14.95

Vs/Vr LIMITADOR DE VOLTAJE

IL/A

Fig . 2 . 2 3 Vs = 15 V O L T I O S Vs IL = 2 AMP.

Ejemplo 2.- Se repiten algunas mediciones fijando la corrien

te 1^, y limitando el voltaje Vs - 10 voltios,

los valores se presentan en el cuadro No. 2

CUADRO No. 2

53

CORRIENTE FIJADA

IL (amperios)

2

1

0,5

LIMITADOR DE VOL^

TAJE Vs (voltios)

9,96

9,95

9,90

RESISTENCIA

RL (omhios)

4,98

9,95

19,81


corriente, se toma de referencia IL - 0,5 amp. Vs = 10 vol-

tios .

Vs/ VLIMITADOR DE VOLTAJE

IL/A0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Fig. 2.24 Vs = 10 VOLTIOS Vs IL = 0,5 ÁMP .

Ej emplo 3 . - Como en los casos anteriores se repiten algunas

mediciones fijando la corriente 1̂ y limitando

el voltaje Vs = 5 voltios, los valores se presentan en el

dro No. 3.

CUADRO No. 3

54

CORRIENTE FIJADA

IL (amperios)

1

0,6

0,2

LIMITADOR DE VOL.

TAJE Vs (voltios)

4,99

5

5

RESISTENCIA

RL (omhios)

4,99

8,33

25

En la fig. 2.25, se ilustra el comportamiento de la fuente

de corriente, tomándose de referencia IL = 0.2 amperios,

Vs = 5 voltios.

Vs/V

/LIMITADOR DE VOLTAJE

0.1 0.2

Fig. 2.25 Vs - 5 VOLTIOS Vs IL - 0,2 AMP.

Ejemplo 4.-. Se realizan algunas mediciones fijando la corrien-

te IL, y limitando el voltaje Vs = 1 voltio, los valores se

presentan en el cuadro No. 4

CUADRO No. 4

55

CORRIENTE FIJADA

IL (mA)

700

100

49

LIMITADOR DE VOT.TAJE Vs (voltios;

0,98

0,95

0,97

RESISTENCIARL (omhios)

1,4

9,5

19,8


corriente, se toma de referencia IL = 49 mA, Vs = 1 voltio

? LIMITADOR DE VOLTAJE

iL/mA

Fig. 2 . 2 6 Vs = 1 VOLTIO Vs IL = 49 mA

56

En todos los ejemplos presentados se realizaron las pruebas

de circuito abierto para cualquier tiempo t, comprobándose

que el limitador de voltaje respondió a las especificaciones

requeridas .

De los ejemplos realizados, se puede comparar el comporta-

miento con la fuente ideal de corriente (apéndice III), no-

tándose que cuando actúa el limitador de voltaje, se forma

un pequeño codo entre Vs e IL.

El % de rizado que se midió fue 0.1, considerando I;L=2 am

perios, V s = 15 voltios.

2.3. MEDIDOR DE SEÑALES

Para el diseño, se considera un convertidor de tensión a ĉ

rriente, se usa para ello el amplificador operacional Lm 1458

el análisis se realiza a continuación y el circuito se

tra en la Fig. 2.27.

Fig. 2.27. CONVERTIDOR DE TENSIÓN A CORRIENTE

57

Tomando en cuenta las condiciones de un amplificador opera-

cional ideal, estas son: A = aquí se observa que IT> es solo función de -n

puesto que VL es constante, para el diseño del medidor de

nales De, se tienen los siguientes datos:

IB = V = 0,5 vol t ios , se calcula RR == 5KÍ2

Para calibrar fondo escala del medidor M, se usa además de

RR; un potenciómetro P = líC^, como se requiere el medidor en

varios rangos, se usa para ello el divisor de tensión mostra.

do en la fig. 2.28

26V 10V 5V 0.5 V

RF RE RD Re

Fig. 2.28 DIVISOR DE TENSIÓN

Para el cálculo de los valores de reistencías se asume

Re « 220 M, 1/2 WATT y se aplica el divisor de tensión

58

0.5 V220 KO

5VR + 2 2 0 Wat t

RE 2,2 Mft, 1/2 Watt, RF - 6,6 MB, 1/2 Watt

2.4. AMPLIFICADOR De DE GANANCIA VARIABLE Y ELEVADOR DE

RRIENTE

SWITCH

ENTRADA

INVERSOR

-O

AMPLIFICADOR

El diseño del amplificador De de ganancia variable, se basa

en la utilización de un amplificador operacional pA 751 , el

mismo que permite obtener las diferentes ganancias, utilizan-

do parámetros externos , en este caso se puede diseñar el m̂ jl

ció na do amplificador en base a resistencias; como se requiere

obtener la misma fase de la señal de entrada a la salida, se

utiliza primero un amplificador- inversor de ganancia 1 para

acoplar a la entrada del amplificador De de ganancia variable.

También se requiere de un elevador de corriente, para el disji

no, para ello se usan los transistores TÍO, Tía trabaj ando en

59

clase AB, y para eliminar la distorsión de cruce producidapor

la no linealidad de los transistores, se utiliza las resis ten.

cias R i 9 j &2 o » tratando que la polarización sea cerca de cla-

se B, el circuito a utilizarse se ilustra en la fig. 2.29

1 +15 J

<

Fig. 2.29 AMPLIFICADOR De Y ELEVADOR DE CORRIENTE

60

Cálculos de las resistencias:

„ • * i -, - «. • n Vo' (2.2.1) , paraConsiderando el inversor se tiene que G = TTTX1 r1 VIN

el diseño se requiere que esta etapa sea de ganancia 1, en-

tonces 1 = R i l / R i O s tomando en cuenta que la ímpedancia de

salida del elevador de corriente es baja, se asume R I O alta ,

se escoge R 1 0 = R j x = 100 Kfi , 1/2 watt.

Para calcular las diferentes ganancias se usa la expresión

(2.2.1), haciendo referencia a la fig. 2.29

Para : G = 1

_V° - = Ría = ls se escoge Rl8 = Rl2 = 100 M? 1/2 wattVof Kie

G = 5

V o * * "R i 9tT , - ~- = 5 , de donde R 1 3 = 500 KÍ2, 1/2 WATTvo Ríe

G = 10, R14 - 1 Míí, 1/2 WATT

G = 50, R! 5 = 5 MSÍ, 1/2 WATT

G - 100, R16 = 10 MU, 1/2 WATT

G = 500, R1 7 = 50 Míí, 1/2 WATT

Considerando el voltaje de polarización = 15 voltios, las caí-

das de 0,6 voltios en el diodo, en la juntura base-emisor del

transistor Til y 0,6venla resistencia R2iy teniendo en cuen.

ta la corriente de polarización Ii9= 16 mA , se calcula R19

* - 15V - 0,6V - 0,6V - 0,6V 1/?K i 9 — -. , 7 ~

61

Considerando una Ig baja, y los 0,6 voltios = Vg-p se cal-

cula R2 1

R2i - 0,6 ti la resistencia de carga se asume R22=300 ti

Además se usan 2 diodos para protección de los transistores.

El diagrama completo incluido el medidor de señales se ilus-

tra en la fig. 2.30

62

330-íl

25V 10V

rvAA6,6 2,2 M Jl.

c

; 2,30. DIAGRAMA COMPLETO

63

2.4.1 PRUEBAS:

Para realizar las pruebas del tercer modulo, lo hicimos en

dos partes:

PRIMERA PARTE:

Mediciones utilizando el amplificador De de ganancia varia-

ble y el medidor de señales en forma conjunta, es decir po-

niendo una señal De a la entrada del amplificador De y luego

tomando la lectura en el medidor de señales, lo cual ilustrji

mos en el cuadro No. 5

CUADRO No. 5

SEÑAL DEENTRADA

V

0,1

0,5

GANANCIAG

1

5

10

50

100

1

5

10

SEÑAL DESALIDAV

0.1

0.5

1,01

4,99

10

0,5

2,5

5,1

ERRORRELATIVO %

0

0

0,99

0,20

0

0

0

1,96

Como se puede observar el error relativo es < 2% con lo que

estamos dentro del límite de tolerancia que es hasta de un

64

5 % , y no se podía esperar en todos los errores relativos ca_l

culados O % , porque las resistencias usadas para el diseño tie_

nen una tolerancia del 1%.

SEGUNDA PARTE:

Para comprobar el error que se puede tener en la lectura del

medidor de señales, y utilizando el amplificador D.C con ga-

nancia G = 1, se puso señales D.C a la entrada del amplific^

dor D.C y luego se fueron variando las amplitudes, tal que

cubra todos los rangos de medida que pueden ser utilizados,

se hicieron pruebas para las escalas de 0.5V, 5V, 10V y 25V

que ilustramos a continuación en los cuadros No. 6 , No.7,No.8

No. 9 respectivamente.

- ESCALA 0.5V

CUADRO No. 6

SEÑAL DEENTRADA

V

0 , 5

0 ,4

0,3

0 , 2

0,1

G A N A N C I AG

1

1

1

1

1

M E D I D O R DES E Ñ A L E S

V

0,5

0 ,4

0 ,298

0 , 2 0 2

0,103

ERRORR E L A T I V O %

0

0

0 , 6 7

0 , 9 9

2.91

- ESCALA 5V

CUADRO No. 7

65

SEÑAL DEENTRADA

V

1

2

3

4

5

GANANCIAG

1

1

1

1

1

MEDIDORDE SEÑALES

V

0,99

1,98

2,98

3,99

4,99

ERRORRELATIVO %

1,01

1,01

0,67

0,25

0,20

- ESCALA 10V

CUADRO No. 8

SEÑAL DEENTRADA

V

1

2

3

4

5

0,6

0,7

r 0,8

0,9

G A N A N C I AG

1

1

1

1

1

10

10

10

10

M E D I D O RDE SEÑALES

V

1

2

3

4

4,99

5,99

6,99

7,99

9

ERRORRELATIVO %

0

0

0

0

0,20

0,17

0,14

0,13

0

- ESCALA 25 V

CUADRO No. 9

66

SEÑAL DEENTRADA

V

0,5

0,10

0,15

GANANCIAG

5

100

100

MEDIDOR DESEÑALES

V

2,5

10

15

ERRORRELATIVO %

0

0

0

En todos los cuadros mostrados vemos que los errores en lec-

tura son menores que el 5%, tomando en cuenta que para estas

mediciones se utilizo el osciloscopio para comprobación y

exactitud.

67

2.5 ALIMENTACIÓN DE LOS CIRCUITOS

DISEÑOS DE:

-Fuente Periférica

- Transformador

-Rectificadores

- Filtros

FUENTE PERIFÉRICA.- Considerando la necesidad de poder di_

señar fuentes de + 15 voltios De, aprove-

chando la salida de + 15 VQQ se puede obtener la salida de

+ 10 voltios De que se requiere para el primer modulo, pero no

es necesario realizar un diseño sofisticado, pero si que cum-

pla con los requisitos mencionados.

Para el presente diseño se aprovecha la introducción teórica

que se realizo en el capítulo I respecto a fuentes reguladas

de voltaje, como también el desarrpllo y análisis de la misma

en el capítulo II, por tanto, se tomará como referencia el diji

grama de bloques mostrado en la fig. 1.5.

El circuito a utilizarse se ilustra en la fig. 2.31 y la des-

cripción y análisis del mismo se lo hace a continuación:

Las características que debe cumplir son: tensión máxima de

salida VOut = 15 voltios, corriente de salida IOut " ̂ ampe-

rio; para escoger el voltaje de entrada Vin se considera: vo^

taje de salida Vout más un mínimo de 3 voltios que cae entre

emisor -colector del transistor de control, con ello se ase-

gura poder controlar corriente de colector con corriente de bji

se, se escoge entonces Vin = 23 voltios.

68

R26VOUT

Fig. 2.31. CIRCUITO DE LA FUENTE + 15 VDC

El funcionamiento del circuito se basa en comparar una mues-

tra del voltaje de salida Vout, con el voltaje zener de refe

rencia, y su diferencia amplificarla a través del transistor

Tj3 40408, que hace las veces de comparador-amplificador, es

te voltaje ya amplificado esta interconectado al transistor

Tía 2N1721 que hace las veces de elemento de paso que

te controlar el circuito.

Para el presente circuito se usa como referencia el diodo ze_

zer 1N4735 con Vz »• 6.8 voltios, se escoge ese valor para ma

yor facilidad de cálculos, ya que se puede tomar la muestra

del voltaje de salida Vout, en el punto medio del divisor de

tensión, para el cálculo de las resistencias R25 y el poten_

ciometro ?3 se considera que circula una corriente Ix

69

15V2 R 2 5 + P 3 = —r~—7 = 1,25 K$l, se escoge el p o t e n c i ó m e t r o

P3 = 550ft , 1/2 w a t t , de donde 2R 2 5 = 700, R 2 5 = 350Í2, 1/2 w a t t

Para po la r izar el zener se usa la res is tencia R 2 3 , y se calcu-

la cons ide rando el v o l t a j e de en t rada V i n , el v o l t a j e zener y

l a cor r ien te I z a -

Vin-Vz 2 3 V - 6 . 8 V , , ^n 1 / 0R 2 3 = = T^—Í 1,6 Kfi , 1/2 w a t t

i2 3 lUmA

Para calcular la res is tencia R 2 4 , se cons ide ra la c o r r i e n t e de

base del t r an s i s t o r ! ^

lout+lT = lA+lOmA£ 1 2 " 3 i 2 200

I g i 2 ~ 5 , 0 6 m Á , t ambién se cons idera la co r r i en te de colec tor

del t rans is tor T í a - lOmÁ, 124 = I G i 3 + 1512

I 2 i * - 15mA

u _ Vin -Vou t -VBE „ / Q-, ,oR24 = T = 49J.Ji¿12 i»

R2^ = 560£^, 1/2 watt , valor comercial , escogiendo este valor

existe un error del 10% con lo que el circuito no esta afecta-

do.

La corriente de base IR depende del 3 del transistor T í a-r leí 3 lOmA . _ c .Ift = ñ^— = JTTTT- = 0.05mAP 1 3 Pl3 ¿.\J\J

Para calcular el área de disipación del transistor Ti2 se hace

uso de la referencia (3).

S(cm2) = 1.5ATUC

2 23.103 2S(cm ) = —-—-—* u — - 153 cm , se usa un disipador dado por el

o

Laboratorio de diseño 170 cm , y de 1.5 mm de espesor.

Las características de los transistores TI 2, TI 3 , se adjuntan al f i na l

del apénd ice .

70

También se incluye al circuito protección, en el caso de que

existiera sobrecargas, y esto se lo consigue mediante los

diodos Di, Di los mismos que no conducirán hasta cuando la

diferencia de potencia a través de la resistencia Ras no ŝ

brepase la tensión de umbral directa Vrl, consiguiéndose de

esta manera limitar la corriente lout, hasta un valor dadoVrl+Vrl-VBEi2 f ,, ̂ ,por la expresión lout =- ~ &£L-Í! referencia (6) , de

K 2 6

donde

R26 = ___2_ = Q,6Í2, 1 watt,1 Amp

R26 = 0,6^, 2 watts valor comercial

El diodo DII se coloca con el fin de eliminar voltajes

reversos que podrían existir en la carga.

Finalmente se incluye a la salida del circuito el condensa-

dor Co como ayuda para bajar el rizado.

La fuente de + 15 voltios DC con los valores calculados

ilustra en la fig. 2.32

se

Vin

"2N1721

15mA

-V660 -a

10mA

1,6

20mA

0,6 _a IOUT=1 A• >

DI Di

5,06mA

s40408

1N4735

lOmA

0,5mA

350.a

VOUT

7JDH -h_L_ Co

Fig. 2.32 VALORES DE LA FUENTE DE + 15 VDC

71

REGULACIÓN.- Como el circuito de la fuente periférica tiene

la misma configuración con la fuente regulada

de voltaje analizada en el capítulo II, para calcular la im-

pedancia de salida a y el factor de regulación p, se hace uso

de las siguientes expresiones

AVout = aAVin + a Alout. referencia (2)

AVout _ iA Vin 1+otGi 3Gi 2

Como se analizo en el capítulo I, mientras mayor sea G i s G i a ,

mejor es la regulación, y la impedancía de salida se hace más

baj a, y también disminuye el rizado.

Gi2= 1? por seguidor de emisor

Para calcular aGi 3 hacemos referencia a la fig. 2.32 en don-

de GIS es la ganancia del transistor T i 3 , y a la atenuación

debido al divisor de tensión:ü // 7_ K 2 5 // ¿ T N T 1 3

-n e + f "R // 7 T XT m ^

_ R 2 H / / ( B T 1 2 + D ( R T + K Z S )

ZINTi3 =

i 3 = ~í— referencia (4)IT

25mV „ n _i 3 - 10mA = 2.5Í2 , RE -O

13 ~ (2,5S7)(201) = 502 , 5fi, reemplazando los valores se

tiene:

550^/7 502,5^ - ,.a " 550^+(550// 502,5^) 'JJ

550U// (201) (15,6fl)13 " 2,5^+12ti

GIS - 32,3 , entonces

aGi3 - 10,7

72

Para la fuente de -15 VDc, sirve el mismo diseño de la fuen-

te + 15 VDC, para ello es necesario cambiar los transistores

NPN por PNP, e invertir la polaridad de los diodos, como se

indica en la fig. 2.32.

0,6

Vin

2N1721

VOUT

VT14

560 A

r

Di

KH <

C 550J3 v 7D — -Co

&Vz =: 6,8V1N4735350 _TL

4--T-

Fig. 2.32 CIRCUITO DE LA FUENTE DE -15V.DC

Para el diseño del transformador y filtros uso las curvas de

Langsford, Radiotron Páginas 235, 239, 1172, 1175, referen-

cia (7) de la bibliografía.

CALCULO DEL TRANSFORMADOR

Tomando de referencia las curvas de la página 1173 se escoge

73

un mayor % EDC / E (relación voltaje rectificado de volta-

je pico ac en el secundario del transformador,) para un me-

nor % RS/RL (resistencia referida al secundario, a resisten-

cia de carga. )

a.- Cálculo de ER^SI para la fuente regulada de voltaje

Selecciono los siguientes valores:Rq

WCRi = 20, % a = 1 y con esos valores determino:RL

% E|° = 93%

Calculo Rs

RL =~T̂ L- = 7'8Í2

Rs - 0,078^ - 0,08^

Calculo ERMs-j^ en el secundario 1

RMS1 - - + 2(°'7) - 20,8 voltios0,93 /T

b.- Cálculo de E^32 para la fuente regulada de corriente co_n

siderando el mismo criterio anterior, es decir:

RqWCRy = 20, % PD = 1 y determinoKL

% _MO_ = 93 %E%

Calculo Rs

RL = unRS = 0,Calculo

0,93 /T"

ERMS2 = 17,8 voltios

74

c. - Cálculo de Erms 3 para la fuente periférica

Haciendo consideraciones iguales a las anteriores es de-

cir con

RSWCRL = 20 , % RL

„, Edc -= 93%E,

Calculo Rs

RL =

-= 1, y determino :

Cálculo de Erms3 en el secundario 3

Erms . EDC3 " 27V>0,93/F

Erms — 16,27 voltios

Tomando en consideración los voltajes y corrientes necesarios

para los tres secundarios y usando las formulas de las pági-

nas 235*, 238* de Longsford, Radiotron, se necesita el trans-

formador con las siguientes características:

V = 110 Voltios

I = 1,8 A

N = 167

b v =c x =£» N =

22 Vrms

5 , 2 Amp

46 espiras

b v =5 x s? N =

18 Vrms

2 , 6 Amp

61 espiras

£ V =

Ŝ x °C N =

36 Vrms

1 , 6 Amp

128 espiras

75

- RECTIFICADORES

La rectificación que se usa es de onda completa, como ayuda

para disminuir el rizado y para ello se usa A diodos de si-

licio; la configuración se muestra en la fig. 2.33 y es la

misma para los 3 rectificadores de onda completa; para los

secundarios 1 y 2 se utilizan los diodos IN3208 y para el sê

cundario 3 los diodos 1N1222, las características de los dip_

dos se adjuntan al final del apéndice.

Fig. 2.33 CONFIGURACIÓN DEL RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA

FILTROS.-

El filtro que uso por su sencillez, es en base a condensado-

res y viene dado por:

C = 202 X TT X f X Ri

76

Para el filtro referido al secundario 1

C = 6849 yF

Utilizo 2 condensadores:

C = 5.700 pF/60V,

C - 2000 yF/60V

De las curvas de la página 1176* determino el porcentaje de

rizado sobre el voltaje continuo de salida, para:

= 1 Y WCRL = 20, determino

rizado „ .o „ - y -

EDC

EDC = 0, 93/2" x 22V - 2(0, 7V)

EDC = 27,5 voltios

r - i 2,2 x 27, 5VErizado =—- 1QQ > . ---

Erizado = 0,605 voltios

Para el filtro referido al secundario 2 .

c , _ 20 _2xTixfxRL

C = 4.822 yF

Uso

C = 5.600 yF/60V

De las curvas de la pág. 1176*, determino

v rizado _ 9A „ — z , zEDC

= O, 93/2" x 18V-2(0,7V)

= 22,27 voltios

„ - , 2,2x22 .27VErizado = - 2 — -

Er i zado = 6 .48V

77

Para el filtro referido al secundario 3.

C - 202xrrxf xR-L

C = 2.653,9 pF

Uso C4 = 2.500 yF/50V

De las curvas de la pág, 1176*, considerando

% ^S = 1 y WCRL - 20, termino

« rizado „

= 0,93/Tx 18V-2(0,7V)

= 22,27 voltios

= 22 volt ios

„ - , 2,2 x 22VErizado - —-

Erizado = 0,48 voltios

De acuerdo a los cálculos realizados, incluyendo transforma-

dor, rectificadores y filtros, las salidas de voltaje DC, pa.

ra las entradas de los módulos son los que se ilustran en la

Fig. 2.34.

78

110V

1N3208

27,5V

S.OOOuF

GOV "

5.700 uF

60V

1N3208X 22,27V¿^ ^f i5-600"

' N . / "T GOVK ^jr

1 NI 222

Fig 2.34. Salidas de voltaje DC para las entradas a los di-

ferentes módulos.

C A P I T U L O I I I

79

3.1. RESULTADOS OBTENIDOS

CONCLUSIONES, RECOMENDACIONES . -

El objetivo de la presente tesis fue presentar un prototipo

experimental, de lo que será el equipo conformado básicame^n

te de tres módulos a saber: Fuente de voltaje regulada de

voltaje, fuente regulada de corriente, amplificador DC de

ganancia variable, incluido un medidor de señales.

De los tres módulos descritos se puede observar los result^_

dos obtenidos, en la parte de pruebas, capítulo II.

- De la fuente regulada de voltaje en un rango de O a 20

tíos DC, con una corriente de salida 1̂ máxima de 4

rios, se pudo así comprobar exper iment alment e que la fueri

te respondió a las especificaciones requeridas.

- En la fuente regulada de voltaje, también se comprobó ê c

per imentalment e el funcionamiento del limitador de corrier^

te.

- El valor mas grande del rizado que se midió fue menor que

el 0.1 % a plena carga.

- Se comprobó que la fuente regulada, cumple con el requeri-

miento de que se puede seleccionar cualquier voltaje entre

O a 20 voltios DC.

Con respecto a la fuente regulada de corriente en un rango de

O a 2 amperios, con Vs máximo = 15 VDC y los resultados que

obtuvimos fueron:

- Se comprobó que la fuente trabaja desde los 5 mA hasta 2

80

Amperios, no se consiguió desde O mÁ, porque los elementos

siempre tienen un rango de tolerancia, además para ello se

requeriría de un diseño más complejo y sofisticado.

- Se obtuvo los 15 voltios, como voltaje máximo en la salida.

- Se realizaron algunas lecturas y mediciones, que constan

en el capítulo II, parte de pruebas, con las que se reali-

zaron varios gráficos, en los que se verifico su comporta_

miento, como fuente regulada de corriente.

- El limitador de voltajes en rangos fijos de IV, 5V, 10V y

15 V, se lo probo uno a uno, observando con la ayuda del oĵ

ciloscopio, el funcionamiento completo del selector de vo_l_

tajes, cumpliendo así con uno dé los requisitos de las es_

pecificaciones requeridas.

- Se" realizaron pruebas de circuito abierto, en cualquier -

tiempo t y por intervalos de tiempo indefinido, asegurando

la no destrucción de la fuente de corriente, en casos de _e

rrores de operación 6 trabajando en situaciones extremas.

Con respecto al amplificador DC de ganancia variable y el m_e

didor de señales se obtuvieron los siguientes resultados:

- Como se puede ver en la parte pruebas, capítulo II, en las

mediciones realizadas se obtuvieron errores relativos meno^

res que el 3 %, con lo que estamos dentro de las especif^

caciones, para ello se fue variando la señal de entrada y

luego las diferentes ganancias, como son ganancias de 50,

100, 500 veces la señal, obteniéndose un pequeño error r^

lativo; además este amplificador DC de ganancia variable,

cuenta con una elevación de potencia, en caso de que las ŝ

nales una vez amplificadas, se requieran para otros usos ,

81

para esto la resistencia de carga mínima que se uso fue de

330 fí.

- Se probo que el diseño del medidor de señales se puede usar

para medir señales bajo cero y sobre cero, pero por limíta_

ciones en el mercado, no se pudo conseguir sino un medidor

para señales en un solo sentido.

Como conclusión debo decir que los resultados obtenidos en

general fueron muy satisfactorios, puesto que los problemas

que se presentaron en las diversas etapas del desarrollo del

tema de tesis fueron superados uno a uno, tomando en considj^

ración las especificaciones requeridas para trabajar con el

panel.

- Para armar el panel de aplicaciones se aconseja en lo pos_i

ble conseguir un medidor de corriente directo DC para valo_

res bajo y sobre cero, con lo que se mejoraría la eficien-

cia del equipo.

- Se aconseja usar 2 disipadores de potencia, por separado :

es decir uno para el transmisor de potencia de la fuente -

regulada de corriente, y otro para la fuente regulada de

voltaje, puesto que los colectores están a diferentes po-

tenciales .

82

APÉNDICE I

EFECTOS DE LA REALIMENTACION SOBRE LA GANANCIA

Los circuitos de realimentacion tienen la configuración genje_

ral que se muestra en la figura 1.1

La señal esta indicada en los distintos puntos por el símbo-

lo X. Puede verse del diagrama y de la definición de la furi

cion de transferencia, que existe la siguiente relación.

X3 =

X2 =

Fig. 1.1 DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN AMPLIFICADOR CON REALIME^N

TACION NEGATIVA

Para obtener la función de transferencia se necesita tener

%3 en función de X; combinando las ecuaciones anteriores se

tiene:

'13G23

1+G23G34

83

APÉNDICE II

CIRCUITO COMPARADOR Y CURVA DE TRANSFERENCIA

0 si la

señal de salida es mayor que cero eo > O entonces se defiere

el terminal de entrada ej como positivo.

Cuando ei-ez

84

APÉNDICE III

COMPORTAMIENTO IDEAL DE UNA FUENTE DE VOLTAJE

Vo

? CIRCUITO ABIERTO

CORTO CIRCUITO

Fig. III.1

„ . j J T T ^ •Considerando Vs máximo e - ,- ,. •máximo , se tiene maxmax

que vendría a constituir la resistencia de carga.

Tomando en cuenta el gráfico de la Fig. III.1 se observa que

cuando no existe carga se cumple, que R^ = °°, IL = O y Vo = Vs

es decir se tendría circuito abierto, y cuando se aplica en

los terminales de salida una resistencia de carga RL>RC > Vs

se mantendría constante, estaríamos en el punto A que, rep re^

senta un típico punto de operación de la fuente regulada de

voltaje; a medida que la corriente I, sigue incrementándose,

según el gráfico, estaríamos acercándonos al punto B, que se^

ría justamente cuando 1^ = valor de corriente seleccionado en

el limitador, en donde se cumple RQ = Rl, a partir del punto

B, la corriente de salida comienza a permanecer constante y

85

Vs tiende a disminuir, estaríamos en el punto C, es decir

Rl RQ, llegando finalmente al punto .D, donde IL = Is, Vs = O

punto de corto circuito.

86

APÉNDICE IV

CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS UTILIZADOS

absolute máximum ratings

Supply VoUaffr LM155S - S?2VLM1458 S18V :

Power Diswwtion (Note 1) LM1558H/L.M1458H 500 mWLM1458N a 400 mW

Dilíerenlial lopot Voliage ° ±3QVInpul Votuge (Note 21 ±15V

electrical characteristics (Note3)

ÜuUxjl Shoft-Circuil Durat'on Indfft.mtfOpí-r-ating Tpmptraiure fian^ LM1S68 -55° C lo 12$°C

LM14&8 O'C to 70'~CSiorage Temperature Rjnge -65'C to 150°C

Lead Tempcraiure (Soldennfl. 10 scc) 300°C

PARÁMETER

InoutCMfset Voltage

Input Oflsel Curtent

Input Bias Current

Input R«istance

Stjpply Curreni BothAmplif.ers

Lar^e Signal Voltagc Gain

Inpol Offset Voltage

Input Ofltet Curren!

Input Bias Curren!

Ltrje Signal Voltage Gain

Outpul Vottage Swing

Input Voltage Range

Cotnmon Mode .Rejcction Ratio I

(Soppty VoltageRejection Raüo

CONDITIONS

C. Rs< lOkíí

TA - 25°C

TA • 25' C

TA-25°C. V S -H5V

vs-;i5V.vOUT'iiovRL>2kSÍ

V5- 115V, RL • JOkííRL • 2 kI3

LM1558

112110

TYP

1.0

80

20O

1.0

3.0

ISO

±14-13

MAX

•5.0

200

500

6.0

500

1.5

-12

70

TYP

1.0

80

200

1.0

3.0

160

7.5

300

0.8

MS:

mA

V/mV

mV

rtA

Non 1: TW mjmniuhi iimction iím¡j*'itur» oi it-.í LM15«3 n ISO C. w*»>

•m6

rm

is a hígh performance operational ampltfier withhigh opcn loop gain, interna! compcnsation, hiyh cornmonmode rango and exceptional temperature síabrlity. The¿iA741 is shcrt-circuít protected and allows for nulling ofoffsetvoltage.

• INTERNA- hrfEQUENCYCOMPENSATION• SHORT CIRCUIT PROTECTION» OFFSET VQLTAGE NULL CAPABIIJTYt EXCELLtNT TEMPERATURE STAE1LITY• HIGHINPUT VQLTAGE RANGEt NO LATCH-UP

ABSOLUTu MÁXIMUM RATINGS '

Supply VoltageInternal Po\verOissipation {f L ..e 1) ,

Differential ín^.-jV VottageInput Volíage (Note 2}Voltage betv.'cen Offse;Nuil and V~

±18V

500mW±30V±15V

±0.5V

±22V

500mW±30V±15V

±0.5V

Operating Tem,.- -ratu. íRange 0°C to +70*0 -55°C to 125°C

Storage Temp' .-dturpRange -65°Cto +150°C -65°C to -t-150°C

Lead Tcmpí -í;^?(Solder, 60 suci

Output Shor* CircuitDuration (Nctr. 3)

300 CIndefinite

300 CIndefinite

1. Ratlng ifjft ni for casa temporaturos to 125°C; derete llnoarly at6.8mW/ ¿ *nr ambieot fumperKUJí-íis Bbov(t +75 C.

2. For supp •• voiTaces le« thsn +1 GV, ttie abioluta máximum inputvnltr-, .• ¡- c"n!¡'.! to the si:>c•c

"L-íx.^s> — U

t^

ZJ' 1._, 2-~JT 3.

3- t:> 7:

8.

Ofísct Nuil

trw. Input

Non-tnv. Input

V"Offset Nuil

Output

NC

OFrSET NULL

SIGNETICS GENERAL PURPOSE OPERATIONAL AMPLIFIER « ¿iA741

ELECTÍÜCAL GHABACTEmSTICS (Vs -~- ± I5V, TA * 26°CunlessothefwseSpnc¡fied)

PÁRAMETE!! M1N. TYP. | MAX. UNITS TESTCONOIT1ONS

p^741C "~^

nput Offset Vollagenput Offset Currentnput lilas Currentnput Resistancenput Capacítanca

Offset Volljfjü Adjiístment Rangotnput Voltíige RangaCommon Mode Rejecrion RatioSupply Voltee Rejection RatioLargU-Signal Voltaye GainOutput Voltage Swing

Ouíput ResistanceOutput Short-Circuit CurrentSupply CurrentPower ConsumptionTransíent Response (unity gain)

RisiJtirneÜverihoot

Slow RateThe fotlowing specifications apply

for 0°C^ TA < +70" CInput Oífsüt VoltapsInput Offset CurreníInput Dios CurrentLarge-Síijnal Voltage GaínOutput Vottage Swing

0.3

2.020802.01.4

±15±12 ±13

70 i 90

20,000±1?±10

. 15,000±10"

to200,000±14±13

7525

i.450

0.3t-,00.5

±13

G.O2CO500

150

¿-385

7.5300800

mVnAnAMilpFmVVdB¿iV/V

VVíímA¡nAmW

ps%V/íis

mVnAnA

V

R3^ lOkn -' -- .

R3 -í. lOkíiRá < 10ki"íRL.^ 2kíl .V0 ü t-±10VRL^ iciíííRL í- 2kii

V¡n = 20mV, RL = 2kíl, CL < 100pF

RL > 2klí

RL>2kíl, V01J, = ±10VRL>2kíí

.UA741

Input Offset VolíageInput Offset CurrentInput B'.-*s CurrcntInput RejislünceInput CapacitanceOffset Voítaga Acíjustment RangeLargr;-Sig¡-T,i| Voltoge GainOutput Rcr-istanccOutput Short Circuit CurrentSupply Curren!Power ConsumptionTransíenl Response [unity gain)

Ri sel! meOvershoot

Slew RateThe following specifications spply

for-5CJC -S TA 2kn.vullt-±iovRL > iokíiR L > 2kliTA = +125'JCTA = -55^CTA-+125 CTA - -55"C

G-132

SIGNETICS GENERAL PURPOSF. OPERATÍONAL AMPLIFIER B

TYPICAL CHARACTFRtSTIC CURVES

OUTPUT VOLTAGE SWJNGASAFUWCTIONOFSUPPLY VOLTAGE

INPUT COMMON MODEVOLTAGE RANGE AS

A FUNCTIÜN OF SUPPLY VOLTAGE

PCWKR CQNSUfiAPTlQNAS A rUNCTION OrSUi'PLY VOLTAC£

LY VOLTAGE tV

INPUT BIASCU3RENTASAFUNCTtONOl-

AMBIENT

INPUT RESISTANCEASA FUNCTION OF

AMBIENT TEf/.PERATUilE

^ÜT OFFfíET CUnRHAS A FUNCTION OFSUPPLY VGLTAGE

100

"

1t

f^V VOLT AGE IV

ir;r J'-: POWER CQNSUMPTEO*' ^UTPUT VOLTAGEAS A r-uucnoN OF AS A FUNCTION OH AS A FUNCTION OF

AMBIENl TEWERATURE AMBIENT TEMPERATURE LOAD RFPISTAWCE140

í 10O

í

E 10U

tC toal-

I **K

i

~-¿.

Vj-

1

~— .>-— -

1

"H

-

_

~~ 1

—

". —

—

,>

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD D INGENIERÍE …Tesis de Grado, el mismo que const da e una...

Documents

Transcript of ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD D INGENIERÍE …Tesis de Grado, el mismo que const da e una...