Laboratorio N° 05: FUENTES REGULADAS IC Y DRIVERS DE CORRIENTE Primo Flores Alexander Luis 20120246A
Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Electrónica ni!ersidad "acional de Ingeniería Lima# Per$
INTRODUCCIÓN La tensión continua disponible a la salida del filtro del rectificador puede que no sea lo suficientemente buena, debida al rizado, o que varíe su valor ante determinado tipo de perturbaciones, como variaciones de la tensión de entrada, de la carga o de la temperatura. En estos casos se necesitan circuitos de regulación o estabilización para conseguir que la tensión continua a utilizar sea lo más constante posible.
1.-OBJETIVO El laboratorio deacuerdo a sus experimentos tiene como finalidad: Adquirir experiencia en el comportamiento de un transistor como regulador de voltae Analizar ! realizar pruebas con diversos reguladores de voltae. Adquirir destreza en el uso ! maneo de fuentes fuentes de aliment alimentaci ación, ón, oscilo oscilosco scopio pio ! multímetros Análogos ! digitales. Adqui dquirir rir destrez destreza a en el mane maneo o de los los manuales manuales ! obtención obtención de los data s"eet de los transistores de potencia, diodo #ener ! $pamp %&'. Efectuar mediciones de entrada ! salida de la fuente regulada. Afianzar el trabao en equipo asumiendo respon responsabi sabilid lidades ades en el desarr desarroll ollo o de la experiencia.
2.-TEORÍA (uente regulada
)ipos e de fuentes reguladas Además de la clasificación en fuentes de corri orrien ente te ! fuen fuenttes de tensi ensión ón,, cabe abe distinguir dos tipos: a* (uent (uentes es esta estabi bililiza zada das: s: +ons +onsig igue uen n la esta estabi bililiza zaci ción ón de la magni magnitu tud d de sali salida da tensión ó corriente* utilizando directamente la característica no lineal de un dispositivo electrónico. b* (uent uentes es reg regulad uladas as:: cons consig igue uen n la esta estabi bililiza zaci ción ón de la magni magnitu tud d de sali salida da medi median ante te un sist sistem ema a de cont contro roll o de real realiiment mentac ació ión n neg negativ ativa a que que corr corrig ige e automáticamente dic"a magnitud de salida.
FUENTES REGULADAS DE TENSIÓN -egulador de tensión serie: or /eguidor 0e Emisor. 1na fuente con una regulación deficiente tiene una una impeda pedan ncia intern erna alta. /olu /oluci ción ón:: usar usar un segu seguid idor or de emis emisor or transf transform ormand ando o la impeda impedanci ncia a interna interna de alta a baa. Este Este tipo tipo de regu regula lado dore ress son son los los más más usados.
-egulador de tensión paralelo: +on derivación está constituido por un circuito de estabilización por diodo #ener ! un transistor que observe los cambios de corriente necesarios para compensar las variaciones de la 2 de salida. 2entaa: constitu!e una protección contra cortacircuitos. 3nconveniente: puede malgastarse muc"a potencia en comparación con el seguidor de emisor.
(uentes de alimentación +omponentes de una fuente de alimentación: La función de una fuente de alimentación es convertir la tensión alterna en una tensión continua ! lo mas estable posible, para ello se usan los siguientes componentes: '.4 )ransformador de entrada 5.4 -ectificador a diodos 6.4 (iltro para el rizado &.4 -egulador o estabilizador* lineal. este ;ltimo no es imprescindible.
)ransformador de entrada:
Elementos del regulador en serie 1na fuente de tensión regulada usa, normalmente, un circuito automático de control que detecta las variaciones de la tensión de salida ! los corrige automáticamente. Los elementos de un sistema de control son: '.4Elemento de referencia 5.4Elemento de muestra 6.4Elemento comparados &.4Amplificación de la se7al de error. 8.4Elemento de control. Elemento de referencia 0a una tensión de referencia lo mas estable posible, bao un amplio margen de corriente de funcionamiento. 9eneralmente está constituido por un diodo #ener ! su resistencia de polarización. /e suele conectar a la salida, aunque puede "acerse a la alimentación de entrada.
3.-RESPUESTAS A PREGUNTAS 3.1-Definir fen!e "e #$i%en!#&i'nC($e) )*n )) &*%+*nen!e)- "e)&ri,ir &#"# n* "e e$$*).
El trasformador de entrada reduce la tensión de red generalmente 55< o '5< 2* a otra tensión mas adecuada para ser tratada. /olo es capaz de trabaar con corrientes alternas. esto quiere decir que la tensión de entrada será alterna ! la de salida tambi=n. +onsta de dos arrollamientos sobre un mismo n;cleo de "ierro, ambos arrollamientos, primario ! secundario, son completamente independientes ! la energía el=ctrica se transmite del primario al secundario en forma de energía magn=tica a trav=s del n;cleo. el esquema de un transformador simplificado es el siguiente:
La corriente que circula por el arrollamiento primario el cual esta conectado a la red* genera una circulación de corriente magn=tica por el n;cleo del transformador. Esta corriente magn=tica será mas fuerte cuantas mas espiras vueltas* tenga el arro!amiento primario. /i acercas un imán a un transformador en funcionamiento notarás que el imán vibra, esto es debido a que la corriente magn=tica del n;cleo es alterna, igual que la corriente por los arrollamientos del transformador.
-ectificador a diodos
El rectificador es el que se encarga de convertir la tensión alterna que sale del transformador en tensión continua. ara ello se utilizan diodos. 1n diodo conduce cuando la tensión de su ánodo es ma!or que la de su cátodo. Es como un interruptor que se abre ! se cierra seg;n la tensión de sus terminales: -ectificador en puente El rectificador más usado es el llamado rectificador en puente, su esquema es el siguiente:
+uando 2i es positiva los diodos 05 ! 06 conducen, siendo la salida 2o igual que la entrada 2i +uando 2i es negativa los diodos 0' ! 0& conducen, de tal forma que se invierte la tensión de entrada 2i "aciendo que la salida vuelva a ser positiva. El resultado es el siguiente:
2emos en la figura que todavía no "emos conseguido una tensión de salida demasiado estable, por ello, será necesario filtrarla despu=s. Es tan com;n usar este tipo de rectificadores que se venden !a preparados los cuatro diodos en un solo componente. /uele ser recomendable usar estos puentes rectificadores, ocupan menos que poner los cuatro diodos ! para corrientes grandes vienen !a preparados para ser montados en un radiador. Este es el aspecto de la ma!oría de ellos:
)ienen cuatro terminales, dos para la entrada en alterna del transformador, uno la salida positiva ! otro la negativa o masa. Las marcas en el encapsulado suelen ser: > ara las entradas en alterna ? ara la salida positiva 4 ara la salida negativa o masa.
El filtro: La tensión en la carga que se obtiene de un rectificador es en forma de pulsos. En un ciclo de salida completo, la tensión en la carga aunmenta de cero a un valor de pico, para caer despues de nuevo a cero. Esta no es la clase de tensión continua que precisan la ma!or parte de circuitos electrónicos. Lo que se necesita es una tensión constante, similar a la que produce una batería. ara obtener este tipo de tensión rectificada en la carga es necesario emplear un filtro. El tipo mas com;n de filtro es el del condensador a la entrada, en la ma!oría de los casos perfectamente válido. /in embargo en algunos casos puede no ser suficiente ! tendremos que ec"ar mano de algunos componentes adicionales. (iltro con condensador a la entrada: Este es el filtro mas com;n ! seguro que lo conocerás, basta con a7adir un condensador en paralelo con la carga -L*, de esta forma:
)odo lo que digamos en este apartado será aplicable tambi=n en el caso de usar el filtro en un rectificador en puente. +uando el diodo conduce el condensador se carga a la tensión de pico 2max. 1na vez rebasado el pico positivo el condensador se abre. @or que debido a que el condensador tiene una tensión 2max entre sus extremos, como la tensión en el secundario del transformador es un poco menor que 2max el cátodo del diodo esta a mas tensión que el ánodo. +on el diodo a"ora abierto el condensador se descarga a trav=s de la carga. 0urante este tiempo que el diodo no conduce el condensador tiene que Bmantener el tipoB ! "acer que la tensión en la carga no bae de 2max. Esto es prácticamente imposible !a
que al descargarse un condensador se reduce la tensión en sus extremos. +uando la tensión de la fuente alcanza de nuevo su pico el diodo conduce brevemente recargando el condensador a la tensión de pico. En otras palabras, la tensión del condensador es aproximadamente igual a la tensión de pico del secundario del transformador "a! que tener en cuenta la caída en el diodo*. La tensión 2o quedará de la siguiente forma:
El regulador: 1n regulador o estabilizador es un circuito que se encarga de reducir el rizado ! de proporcionar una tensión de salida de la tensión exacta que queramos. En esta sección nos centraremos en los reguladores integrados de tres terminales que son los mas sencillos ! baratos que "a!, en la ma!oría de los casos son la meor opción. Este es el esquema de una fuente de alimentación regulada con uno de estos reguladores:
En primer lugar el transformador adapta los niveles de tensión ! proporciona aislamiento galvánico. El circuito que convierte la corriente alterna en corriente continua pulsante se llama rectificador, despu=s suelen llevar un circuito que disminu!e el rizado como un filtro de condensador. La regulación, o estabilización de la tensión a un valor establecido, se consigue con un componente denominado regulador de tensión, que no es más que un sistema de control a lazo cerrado realimentado 4 véase figura 3* que en base a la salida del circuito austa el elemento regulador de tensión que en su gran ma!oría este elemento es un transistor. Este transistor que dependiendo de la tipología de la fuente está siempre polarizado, act;a como resistencia regulable mientras el circuito de control uega con la región activa del transistor para simular ma!or o menor resistencia ! por consecuencia regulando el voltae de salida. Este tipo de fuente es menos eficiente en la utilización de la potencia suministrada dado que parte de la energía se transforma en calor por efecto Coule en el elemento regulador transistor * , !a que se comporta como una resistencia variable. A la salida de esta etapa a fin de conseguir una ma!or estabilidad en el rizado se encuentra una segunda etapa de filtrado aunque no obligatoriamente, todo depende de los requerimientos del dise7o*, esta puede ser simplemente un condensador . Esta corriente abarca toda la energía del circuito, para esta fuente de alimentación deben tenerse en cuenta unos puntos concretos a la "ora de decidir las características del transformador.
3.2-C#n!*) !i+*) "e fen!e &*n*&e De)&ri,ir &#"# n* "e e$$#).
(uentes de alimentación lineales
Las fuentes lineales siguen el esquema: transformador rectificador filtro regulación ! salida Las fuentes lineales siguen el esquema: transformador, rectificador, filtro, regulación ! salida.
(uentes de conmutadas
alimentación
1na fuente conmutada es un dispositivo electrónico que transforma energía el=ctrica mediante transistores en conmutación. Dientras que un regulador de tensión utiliza transistores polarizados en su región activa de amplificación, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutándolos activamente a altas frecuencias 5<4'<< Fz típicamente* entre corte abiertos* ! saturación cerrados*. La forma de onda cuadrada resultante se aplica a transformadores con n;cleo de ferrita Los n;cleos de "ierro no son adecuados para estas altas frecuencias* para obtener uno o
varios voltaes de salida de corriente alterna +A* que luego son rectificados +on diodos rápidos* ! filtrados inductores ! condensadores* para obtener los voltaes de salida de corriente continua ++*. Las ventaas de este m=todo inclu!en menor tama7o ! peso del n;cleo, ma!or eficiencia ! por lo tanto menor calentamiento. Las desventaas comparándolas con fuentes lineales es que son más compleas ! generan ruido el=ctrico de alta frecuencia que debe ser cuidadosamente minimizado para no causar interferencias a equipos próximos a estas fuentes. Las fuentes conmutadas tienen por esquema: rectificador, conmutador, transformador, otro rectificador ! salida. La regulación se obtiene con el conmutador, normalmente un circuito GD pulse width modulation* que cambia el ciclo de trabao. Aquí las funciones del transformador son las mismas que para fuentes lineales pero su posición es diferente. El segundo rectificador convierte la se7al alterna pulsante que llega del transformador en un valor continuo. La salida puede ser tambi=n un filtro de condensador o uno del tipo L+.
3.3-C($e) )*n $#) "iferen&i#) en!re n &ir&i!* re$#"*r en )erie / n &ir&i!* re$#"*r en +#r#$e$*. El regulador paralelo impide que las variaciones de la corriente de carga aparezcan en la fuente 'H aislándose la carga de la fuente 'H, que es bueno para frecuencias elevadas. La energía disipada, en forma de calor, en el regulador serie aumenta en proporción directa con la carga, mientras que en el regulador paralelo disminu!e al aumentarla. El regulador paralelo tiene un elemento más, -, que evita la rotura del regulador si falta la carga. - tambi=n disipa calor para una entrada, una salida determinada ! una carga id=ntica, la potencia entregada por la fuente 'H de un regulador paralelo es ma!or que la entregada por un regulador en serie. El regulador paralelo tiene un rendimiento inferior al regulador en serie
3.0-Se "e)e# "i)e#r n# fen!e "e #$i%en!#&i'n +#r# n &ir&i!* e &*n)%e 14 %A # 12V. E$ ri5#"* "e,er( )er inferi*r #$ 146. P#r# e$$* )e "i)+*ne
"e n !r#n)f*r%#"*r "e 14 V+ / 27 VA / "e n re&!ifi&#"*r !i+* +en!e. E$eir e$ 8#$*r "e$ C*n"en)#"*r9 +orriente que circula en la salida del transformador 3 I 5,8 J '< I 58< mA 2oltae máximo ala salida del puente de diodos. 2max I '< K
√ 2 4 5 K<.%I '5,%&5 2
ara el cálculo de la capacitancia con un error menor al '< se usa la siguiente formula.
donde: +: +apacidad del condensador del filtro en faradios 3: +orriente que suministrará la fuente f: frecuencia de la red 2max: tensión de pico de salida del puente aproximadamente 2o* + I 8 K <,'8* J M
3.-B)&#r en $*) %#n#$e) / "e!#$$#r $# inf*r%#&i'n "e $*) !r#n)i)!*re) "e +*!en&i# )#"*) en re$#"*re) "e 8*$!#:e.
)ransistor )3&'+
3.;-An#$i5#r e$ re$#"*r )erie.
&ir&i!*
,()i&*
"e
-E91LA0$- EQ /E-3E
Esta configuración suele utilizarse cuando la carga es grande.
LD%&' amplificador operacional
En la figura vemos el diagrama de bloques de un regulador en serie.
-E91LA0$-
EQ
valor de -5 para obtener un voltae 2o constante.
A-ALEL$
Esta configuración suele utilizarse cuando la carga es peque7a. El circuito está auto protegido frente a cortocircuitos. En la figura vemos el diagrama de bloques de un regulador en serie.
0.-EATERIALES
<' )ransistor de potencia QQ ! <' $pamp %&' -esistores de 5 x'RS, 5RS, 5
2ariando el voltae de entrada i V desde de '
+ompare el resultado del voltae obtenido en el paso 5 con las mediciones del paso 6. 3mplementar el circuito 5 siguiente:
+alcular el voltae de salida < V del circuito de la fig. 5. 2ariando el voltae de entrada i V desde '
.-PROCEDI>IENTO -ealice las simulaciones con los componentes que "a adquirido para determinar el valor de 2o, recuerde que dependerá tambi=n del transistor que obtenga en el mercado. 1se esos componentes. Ensamble el circuito de la figura', si no encuentra el 0'QNM6 reemplace por el 0' QNM6 ! calcule el
+ompare el resultado del voltae obtenido en el paso M con las mediciones del paso %. T3TL3$9-A(UA: "ttp:JJes.Viipedia.orgJViiJ(uenteWdeWalim entaci +6T6nX(uentesWdeWalimentaci.+6.T6n Wlineales
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