FUENTE REGULADA DE TENSIN DC CON BJT Y ZENNER

1. QU ES UNA FUENTE?En electrnica, una fuente de alimentacin es un dispositivo que convierte la tensin alterna de la red de suministro, en una o varias tensiones, prcticamente continuas, que alimentan los distintos circuitos del aparato electrnico al que se conecta. Para lograr este proceso, la tensin que ingresa a la fuente pasa por una serie de fases, las cuales se explicarn con mayor detenimiento en el transcurso del informe.2. TIPOS DE FUENTELas fuentes de alimentacin se clasifican en dos tipos: Fuentes de Alimentacin Lineales Fuentes de Alimentacin ConmutadasFuentes de alimentacin lineales: En primer lugar el transformador adapta los niveles de tensin y proporciona aislamiento galvnico. El circuito que convierte la corriente alterna en continua se llama rectificador, despus suelen llevar un circuito que disminuye el rizado como un filtro de condensador. La regulacin, o estabilizacin de la tensin a un valor establecido, se consigue con un componente denominado regulador de tensin. La salida puede ser simplemente un condensador.El esquema de una fuente de alimentacin lineal es el siguiente:Fuentes de alimentacin conmutadas: Una fuente conmutada es un dispositivo electrnico que transforma energa elctrica mediante transistores en conmutacin. Mientras que un regulador de tensin utiliza transistores polarizados en su regin activa de amplificacin, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutndolos activamente a altas frecuencias (20-100 Kilociclos tpicamente) entre corte (abiertos) y saturacin (cerrados). La forma de onda cuadrada resultante es aplicada a transformadores con ncleo de ferrita (Los ncleos de hierro no son adecuados para estas altas frecuencias) para obtener uno o varios voltajes de salida de corriente alterna (CA) que luego son rectificados (Con diodos rpidos) y filtrados (Inductores y capacitores) para obtener los voltajes de salida de corriente continua (CC). La regulacin se obtiene con el conmutador, normalmente un circuito PWM (Pulse Wide Modulation) que cambia el ciclo de trabajo. Aqu las funciones del transformador son las mismas que para fuentes lineales pero su posicin es diferente. El segundo rectificador convierte la seal alterna pulsante que llega del transformador en un valor continuo. La salida puede ser tambin un filtro de condensador o uno del tipo LC.Las fuentes conmutadas tienen por esquema: rectificador, conmutador, transformador, otro rectificador y salida.

Ventajas y desventajas Las fuentes lineales cuentan con una mejor regulacin, velocidad y mejores caractersticas EMC. Por otra parte las conmutadas poseen un menor tamao y peso del ncleo, mejor rendimiento, mayor eficiencia y por lo tanto menor calentamiento. Las desventajas de las fuentes conmutadas comparndolas con fuentes lineales es que son ms complejas y generan ruido elctrico de alta frecuencia que debe ser cuidadosamente minimizado para no causar interferencias a equipos prximos a estas fuentes.

3. ETAPAS:

a. ETAPA DE TRANSFORMACIN

La tensin de entrada Vique recibimos del suministro de red, generalmente esta entre 115 v o 230 v, lo que se busca en esta fase del proceso es reducir la tensin Via valores de entre 5 v o 12 v (tensin de salida:V0).

Esta parte del proceso se lleva a cabo con un transformador, el cual consta de dos enrollamientos sobre un mismo ncleo de hierro. Ambos enrollamientos: principal y secundario son independientes el uno del otro. La energa elctrica se transmite a travs del primario al secundario en forma de energa magntica a travs del ncleo. La corriente que circula por el enrollamiento primario genera una corriente magntica que circula por el ncleo, esta corriente magntica ser ms fuerte entre ms espiras tenga el enrollamiento. La corriente magntica que circula por el ncleo genera una tensin en el enrollamiento secundario que ser ms fuerte entre ms espiras posea este enrollamiento y ms fuerte sea la corriente magntica que circula por el ncleo.

La razn de transformacin (m) del voltaje entre el bobinado primario y el secundario depende de los nmeros de vueltas (espiras) que tenga cada uno.

Por ejemplo, si el nmero de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habr el triple de tensin.As, obtenemos que para la tensin de salida V0:

Un transformador puede ser "elevador o reductor" dependiendo del nmero de espiras de cada bobinado.Si se supone que el transformador es ideal (la potencia que se le entrega es igual a la que se obtiene de l, se desprecian las prdidas por calor y otros), entonces:

Sabemos que, para calcular la potencia de un dispositivo:

Aplicando este concepto al transformador y como:

Entonces:

Podemos observar as que la nica manera de mantener la misma potencia en los dos bobinados es que cuando el voltaje se eleve, la corriente se disminuya en la misma proporcin y viceversa. Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energa elctrica: al poder efectuar el transporte a altas tensiones y pequeas intensidades, se disminuyen las prdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores.

b. ETAPA DE RECTIFICACINLa tensin que sale del transformador sigue siendo alterna, esto quiere decir que la seal sigue presentando variaciones en su lnea de tiempo y su amplitud no es la misma (presenta picos positivos y negativos), para lograr que la tensin que sale del secundario sea continua necesitamos un elemento o circuito capaz de permitir solo el paso de los valores positivos de la seal, en respuesta a esto se usan diodos, estos dispositivos se conocencomo los elementos rectificadores pues al usarlos la seal que entra por ellos adquiere una sola polaridad, lo cual nos indica que nuestra seal ahora es continua; sin embargo, no basta solo con rectificar la seal, se requieren de ms factores para lograr una estabilidad en la seal de salida continua.Un diodo es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente si se encuentra polarizado correctamente, es decir, en polarizacin directa, esto es si el nodo se encuentra conectado al terminal positivo y el ctodo al terminal negativo. Visto de otra manera, es como un interruptor que se abre y se cierra segn la tensin entre sus terminales.

El circuito en cuestin va conectado a la salida del secundario del transformador.

La tensin de entrada Vi es alterna y sinusoidal, es decir, que presenta dos polaridades. Si conectamos un osciloscopio, la seal que veramos sera esta:

Al pasar la tensin de entrada por el circuito rectificador, obtendremos la salida de tensin V0, la cual ser una seal rectificada. Si conectamos un osciloscopio y dependiendo del tipo de circuito rectificador que usemos, la seal que veramos puede ser esta:

CIRCUITOS RECTIFICADORESPara hablar de estos circuitos y sus salidas, previamente tenemos que saber algunos conceptos de la onda, tales como valor medio, valor eficaz, valor pico o valor mximo de una seal sinusoidal de CA. Valor pico: es el valor instantneo mximo de la seal.

Valor Medio o Promedio: Se llamavalor mediode una tensin (o corriente) alternaa la media aritmticade todos los valores instantneos de tensin (o corriente), medidos en un cierto intervalo de tiempo.Este puede calcularse mediante la siguiente frmula:

Se sabe que para calcular el valor promedio del semiciclo positivo de una onda sinusoidal se requiere el uso de integrales:

Donde: : es la funcin que se va a integrar.

Valor eficaz: es el valor del voltaje o corriente en C.A. que produce el mismo efecto de disipacin de calor que su equivalente de voltaje o corriente directa, es decir, se llamavalor eficazde una corriente alterna al valor que tendra una corriente continuaque produjera la misma potenciaque dicha corriente alterna, al aplicarla sobre una misma resistencia. El valor de cc equivalente se llama valor rms o eficaz de la cantidad sinusoidal.

Rectificador de media onda:Es el circuito rectificador ms sencillo, utiliza tan solo un diodo a la salida del secundario del transformador.Cuando ingresa el ciclo positivo de la seal, la tensin en el nodo ser mayor a la del ctodo por lo tanto el dispositivo conducir; mientras que cuando el semiciclo negativo de la seal ingrese la tensin en el nodo ser menor a la del ctodo, provocando as que el dispositivo no conduzca y por lo tanto la tensin de salida V0 ser cero.

Segn lo que acabamos de decir la tensin Vo tendr esta forma:

De la definicin de valor eficaz, sabemos que:

Tenemos que:

Igualando ambas ecuaciones en (1), obtenemos:

Hallamos el valor eficaz para una rectificacin de media onda:

Consideramos que T= T/2.

Sabemos que:

Luego reemplazando w, en (*):

Rectificador de onda completa:El rectificador ms usado es el llamado rectificador en puente, su esquema es el siguiente:

Cuando Vi es positiva los diodos D2 y D3 conducen, siendo la salida Vo igual que la entrada Vi Cuando Vi es negativa los diodos D1 y D4 conducen, de tal forma que se invierte la tensin de entrada Vi haciendo que la salida vuelva a ser positiva. El resultado es el siguiente:

Hallamos el valor eficaz para una rectificacin de onda onda:

Consideramos que T= T.

Sabemos que:

Luego reemplazando w, en (*):

Ventajas y desventajas

Si bien ambos circuitos presentados son circuitos rectificadores, podemos observar que la salida del circuito rectificador no se asemeja tanto a la de una batera, esto es debido a que durante la mitad de cada ciclo la entrada se bloquea completamente desde la salida, perdiendo as la mitad de la tensin de alimentacin.

c. ETAPA DE FILTRO EN UNA FUENTE DE VOLTAJE DC

Son sistemas de 2 puertos, uno de entrada y otro de salida, que funcionan en el dominio de la frecuencia. Su operacin se basa en discriminar seales en trminos de su contenido espectral, dejando pasar inalteradas aquellas seales cuya frecuencia est dentro de cierto rango de frecuencia conocido como banda de paso y rechazando aquellas seales fuera de rango.

De aqu podemos distinguir varios tipos de filtro

Filtro pasa baja Filtro pasa alta Filtro pasa bandaPara una fuente de voltaje se usan filtros PASA-BAJA, dado que solo dejan pasar aquellas frecuencias que estn por debajo de una determinada frecuencia. Para lo cual se utiliza bobinas, condensadores, o ambos al mismo tiempo. Para el clculo de los condensadores que sirven de filtro, se deben considerar el tipo de rectificador (media onda o de onda completa), Los condensadores de filtrado, se encuentran ubicados entre el rectificador y el regulador. Su comportamiento se basa en el hecho de que el condensador almacena energa durante el periodo de conduccin,

Liberando dicha energa sobre la carga, justamente en el periodo de no conduccin. Cuando el condensador C es sometido a una seal proveniente de un rectificador de media onda, este se cargara de acuerdo a la seal, sin embargo, cuando la seal cambia de pendiente, el diodo queda polarizado inverso, deja de conducir y el condensador se descarga a travs deRL, hasta que nuevamente el diodo conduzca.La variacin producida de voltaje en el condensador se llama Ripple (ondulacin). Por lo tanto:

Este voltaje depende de la corriente iL; pues, si esta aumenta, RL disminuye, por lo tanto la constante de tiempo de descarga ser mspequea, lo que implica que la curva exponencial cae ms rpido incrementndose el ripple.

Si la constante de tiempo RLC es muy grande comparada con el periodo de seal de entrada, el ripple producido ser pequeo.

Cuando la constante de tiempo es grande se puede aproximar la corriente media a Vm/RL. En un diseotpico se puede considerar que el voltaje continuo es aproximadamente igual a Vm o VDC de salida, tomando en cuenta la corriente mxima requerida, se estima el valor de RL(Resistencia de la carga). Ahora, si se especifica el ripple, se determina el valor de C considerando que la variacin de la carga, estar dada por la variacin de voltaje en el capacitor, es decir del ripple, Vr. Sea la variacin de la carga,

Considerando que la variacin de la carga ocurre en un tiempo igual al periodo de la seal del rectificador y la variacin de voltaje corresponde a Vr, se tiene lo siguiente

Perosi

Entonces

Para un rectificador de onda completa se debe considerar una frecuencia .

NOTA:

De acuerdo a la formula obtenida mientras ms grande la capacidad, menor ser el ripple, as la constante de tiempo RC aumenta y la carga de C debiera ser ms lenta. Por otro lado, si C es muy grande, la impedancia equivalente es muy pequea, luego en paralelo con R la corriente se incrementara demasiado pudiendo producir la destruccin 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 estarn sometidos a una alta corriente demasiado tiempo.

FACTOR DE RIZADO:Se denomina a la relacin porcentual entre el Voltaje de Rizado y el valor mximo de la Fuente de voltaje DC

Al igual que el Voltaje de Rizado, el Factor de Rizado se especificapara la mxima carga que puede manejar la Fuente de Voltaje DC.

d. ETAPA DE REGULACIN

Los reguladores de voltaje son sistemas que permiten mantener un voltaje fijo en la salida independiente de la corriente requerida por la carga. Estos pueden ser tipo paralelo o serie. Si se requiere mayor precisin, el regulador puede ser realimentado, con lo cual tambin se podra obtener reguladores ajustables (voltaje de salida variable). Para el diseo de reguladores se debe conocer el voltaje y la corriente mxima requerida as como la ondulacin de la entrada. Esto servir para especificar 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.

Requerimientos de un regulador

Mantener la tensin de salida constante independiente de las fluctuaciones de la entrada y la temperatura. Mantener la tensin 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 (proteccin).

El circuito regulador debe mantener el voltaje ya sea sin carga (circuito abierto), en la cual no provee corriente, o a plena carga, entregando una corriente en la salida como lo indica la Fig 6.2. Este circuito no presenta una perfecta regulacin, pues no mantiene el voltaje Voc mientras entrega corriente a la carga.

En un regulador ideal la diferencia entre el voltaje de salida sin carga y el voltaje de salida a plena carga es cero o sea Voc-VL=0, VL es siempre menor. La relacin presentada a continuacin da cuenta de la cantidad de regulacin en porcentaje, mientras menor sea, mejor es la regulacin.

Esta relacin ha sido definida con respecto a una condicin de carga especfica.

Por otro lado, como , podemos expresar el porcentaje (%) de regulacin como:

De la expresin tenemos

Que no es ms que la resistencia de salida del regulador, como es mostrada en la Fig. 6.3b.Finalmente, se debe considerar que la salida de una fuente de tensin regulada es funcin del voltaje de entrada sin regular, Vs (lo podemos llamar VNR, voltaje no regulado), indicado en la fig. 6.4, la corriente de carga y la temperatura. Es decir:

De acuerdo a esto se definen los coeficientes Razn de estabilizacin(Factor de regulacin de entrada)

Coeficiente de temperatura

Cuantos ms pequeos sean estos coeficientes, mejor ser la regulacin de la fuente de alimentacin.

TIPOS DE REGULADORES

Regulador Zener BsicoEste es un regulador tipo paralelo y su esquema bsico es el indicado en la Fig. 6.5a.

Cuando el voltajeVL excede el voltaje de ruptura del diodo, entonces la corriente a travs de ste se incrementa, luego el voltaje en el zener y en la carga se mantiene constante e igual al voltaje nominal del diodo zener. As VL=Vz.

En la prctica la fuente de corriente es un resistor, como lo indica en la Fig. 6.5b. Este resistor R se disea para que el diodo est correctamente polarizado y por lo menos circule la corriente mnima bajo cualquier exigencia de carga, esto dentro de los lmites especificados por el regulador.

El regulador se disea bajo las condiciones ms exigidas, es decir: Iz min, ILmax, Vsmin.

Existe otra condicin, la cual ocurre cuando la corriente de carga es maxima (ILmin), luego la corriente del zener ser mxima (Izmax), para esta situacin, lo peor que puede ocurrir es que el voltaje no regulado de la entrada sea mximo (vsmax), en base a estos antecedentes se puede encontrar una expresin para R.

En un diseo prctico no basta determinar el valor de la resistencia, sino que se deben especificar los requerimientos de potencia de los componentes, de tal forma que sta pueda ser manejada por los elementos utilizados.De la ecuacin anterior se puede determinar la corriente mxima que circular por el diodo zener. Como la ecuacin tiene dos incgnitas como regla prctica se hace que la corriente mxima del zener sea al menos 10 veces la corriente mnima, luego tenemos

Finalmente

Esto SLO permite estimar la corriente mxima que circula por el zener.

Regulador Bsico Serie

La principal desventaja del regulador de la Fig. 6.5, es que el diodo zener debe absorber toda la corriente que la carga no requiera, una forma de solucionar esto es incorporando un transistor (de potencia) como se muestra en la Fig. 6.6. En esta configuracin, la corriente que absorbe 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. Esto implica que:

Entonces el valor mximo que podra circular por la base del transistor es una fraccin de la corriente dividida por el b del transistor. Luego en el caso en que la carga no requiera toda la corriente, por el zener slo podra circular como mximo una fraccin de la corriente de la base.

El circuito funciona de la siguiente forma:

La tensin de salida VL debe mantenerse fija ante variaciones de la corriente de carga (slo bajoel rango de diseo considerado). El diodo zener proporciona la referencia de voltaje al cual debe permanecer el regulador, Vz.Por lo tanto siempre debe estar polarizado adecuadamente, por lo menos debe circular Izmin.Si existe un incremento de la corriente de carga IL (por disminucin de RL), esto implica una disminucin 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, restaurndose del VL original.

Si existe una disminucin de la corriente de carga, crece VL, luego disminuye IB, lo que lleva a una disminucin de la corriente de carga IL, disminuyendo VL.

La resistencia R debe disearse para que por el diodo zener circule la corriente mnima necesaria para que se polarice adecuadamente. Adems, IB max proporciona la corriente de carga mxima (ILmax).

De acuerdo a esto:

Donde

En la prctica se puede considerar

Luego

Esta ecuacin es similar a la planteada en el apartado anterior para el regulador simple, salvo que Izmax est dividido por El transistor utilizado de cumplir con los requerimientos de potencia adecuados y la corriente mxima que es capaz de entregar.La potencia disipada en un transistor BJT se define como:

De acuerdo a lo planteado

La diferencia entre el voltaje entrada mximo y el voltaje de la carga multiplicada por la corriente de colector no debe superar la potencia del transistor. Por otro lado, la corriente que circula entre colector y emisor NO debe superar la corriente mxima que es capaz de entregar el transistor.

Bibliografa http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448171624.pdf http://ocw.usal.es/ensenanzas-tecnicas/electronica/contenido/electronica/Tema4_Falimentac.pdf http://quidel.inele.ufro.cl/~jhuircan/PDF_CTOSII/reguieee.pdf http://www.labc.usb.ve/paginas/mgimenez/Lab_Circ_Electronicos_Guia_Teorica/Cap13.pdf http://unicrom.com/Tut_transistor_bipolar.asp http://ocw.um.es/ingenierias/tecnologia-y-sistemas-electronicos/material-de-clase-1/tema-3.-transistores-de-union-bipolar-bjt.pdf http://mdgomez.webs.uvigo.es/DEI/Guias/tema5.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_de_uni%C3%B3n_bipolar http://quidel.inele.ufro.cl/~jhuircan/PDF_CTOSII/reguieee.pdf http://www.bolanosdj.com.ar/TEORIA/REGULADORES.PDF