Laboratorio de Electrónica Análoga I Departamento Departamento de Ingeniería Electrónica Universidad de Antioquia 2016-1
Práctica No. 4 Circuitos de Regulación de Voltaje Objetivos: •
Diseñar un circuito de regulación de voltaje basado en un regulador de voltaje integrado.
•
Analizar el funcionamiento de una fuente DC regulada.
•
Comprobar la acción básica de un regulador de voltaje integrado.
Implementos necesarios: •
1 Regulador de voltaje LM317.
•
Resistencias calculadas en la sección 1.1.
•
Resistencias de 500 Ω, 100Ω, 50Ω, 20Ω y 10Ω con la potencia requerida en 2.1.a.
•
Capacitores de 1uF y 0,1 uF de tantalio.
•
3 Capacitores de distintos valores de acuerdo a lo calculado en la sección 1.1.
•
4 diodos 1N4004 o 1N4007.
•
1 Potenciómetro de 5k Ω.
Requisitos previos del laboratorio: •
Diseño de los circuitos requeridos en la presente guía de laboratorio.
•
Montaje completo de los circuitos diseñados, los cuales serán analizados en el laboratorio.
Fecha de realización del laboratorio: •
Grupos en los horarios J6-8, J8-10, J14-16:
Jueves 31 de marzo del 2016.
•
Grupos en el horario V16-18:
Viernes 01 de abril del 2016.
Tiempo de laboratorio para esta práctica : 1 hora y 45 minutos.
1. Análisis y Simulación 1.1. Fuente DC Regulada mediante Regulador de Voltaje Integrado. A fin de llevar a cabo este diseño, estudie primero el documento en el Anexo A llamado
Regulador con circuito integrado. Luego realice las siguientes actividades: a. Consulte todos los datos que sean necesarios para la conexión del regulador LM317, configuración de pines, límites de voltaje y corriente. etc. Presente dichos datos en
su informe de esta práctica. b. Teniendo en cuenta la lectura realizada en el Anexo A, realice los cálculos teóricos necesarios para determinar la resistencia de entrada del circuito LM317, y el cálculo del condensador CF tal que el voltaje de rizado pico a pico, V R, a la entrada del
LM317, sea menor o igual al 10% del V MAX en la entrada V in de su circuito. Presente en su informe los cálculos realizados. c. Simule el circuito y encuentre las formas de onda, voltaje DC y voltaje de rizado a la 1
entrada y a la salida del circuito integrado LM317 . Igualmente encuentre la corriente en la carga de su circuito, todo ello para los valores de resistencias de carga indicados en la Tabla 1. Complete esta tabla con sus datos encontrados.
d. De acuerdo a los datos anotados en la Tabla 1, cuál fue la corriente máxima entregada en la salida del circuito regulador (corriente máxima en la carga). Este valor corresponde a la corriente máxima pedida en su diseño? Justifique cualquier
diferencia presentada. Resistencia de carga
V DC a la entrada del regulador
V R a la entrada del regulador
V DC a la salida del regulador
V R a la salida del regulador
I DC en la carga
500Ω 200Ω 50Ω 20Ω 10Ω Tabla 1: Voltajes y corriente en el regulador de voltaje integrado, obtenidos en la simulación. 1
Un ejemplo de simulación con un modelo de SPICE del LM317, se encuentra al final de esta guía de laboratorio.
e. Coloque la resistencia de carga de 50Ω, y varíe el capacitor CF para dos valores diferentes escogidos por usted, y calcule matemáticamente el rizado esperado a la entrada del circuito integrado regulador.
f. Simule su circuito en PSPICE con los dos valores escogidos de condensador y observe el rizado encontrado. Corresponde este rizado al calculado en el ítem e. anterior? Justifique las diferencias presentadas.
Figura 1: Fuente DC Regulada mediante Regulador de Voltaje Integrado.
2. Montaje Experimental 2.1. Fuente DC Regulada mediante Regulador de Voltaje Integrado. Monte el circuito diseñado en la sección 1.1 ( Figura 1), y realice las siguientes actividades:
a. Tome del generador de señal del laboratorio el valor de voltaje de entrada definido para su diseño indicado en la Sección 1 de esta guía de laboratorio. ¿Cuál fue este valor de voltaje de entrada V in? i.
Utilizando el osciloscopio del laboratorio, encuentre las formas de onda, voltaje DC y voltaje de rizado a la entrada y a la salida del circuito integrado LM317 para los valores de resistencias de carga indicados en la Tabla 2. OJO: Tenga en
cuenta la corriente máxima que deberá pasar por cada resistencia para determinar la potencia nominal máxima requerida en cada resistencia. ii. Determine indirectamente la corriente DC en la carga de su circuito para los valores de resistencias de carga indicados en la Tabla 2. iii. Complete la Tabla 2 con sus datos encontrados en los dos numerales anteriores.
Resistencia de carga
V DC a la entrada del regulador
V R a la entrada del regulador
V DC a la salida del regulador
V R a la salida del regulador
I DC en la carga
500Ω 200 Ω 50 Ω 20 Ω 10 Ω Tabla 2: Voltajes y corriente en el regulador de voltaje integrado, obtenidos experimentalmente
b. Coloque una resistencia de carga de 50Ω y 1Vatio, y cambie el capacitor CF a los dos valores definidos por usted en el numeral 1.e. i.
Mediante el osciloscopio determine el rizado y el nivel DC de la señal de entrada del circuito LM317 y en la señal de salida del circuito.
ii. Realice una tabla comparativa entre los valores de rizado y de nivel DC obtenidos experimentalmente, en teoría y en simulación.
c. Utilizando el capacitor que genera menos rizado en la salida de todo el circuito, retire la resistencia de carga y mida nuevamente los voltajes DC en la entrada y en la salida del circuito LM317. i.
Compare estos datos con los obtenidos antes de retirar la carga. Justifique en su informe semejanzas o diferencias entre estos datos.
ii. Obtenga el porcentaje de regulación de la fuente. Para calcularlo utilice la siguiente expresión:
=
−
∗ %
3. Conclusiones Realice comparaciones entre lo calculado, lo simulado y lo medido, y saque las conclusiones más relevantes de la práctica.
4. Bibliografía Incluya las referencias bibliográficas utilizadas para el desarrollo de su práctica y cítelas en el informe.
Anexo A Regulador con Circuito Integrado Algunos diseños de circuitos reguladores se empaquetan en forma de circuitos integrados (C.I.), cuyo diseño presenta un moderado nivel de complejidad que permite al dispositivo exhibir un buen desempeño en su función reguladora [1]. Usando estos elementos integrados como dispositivos base, se pueden construir circuitos reguladores con los cuales se logran altos niveles de rendimiento. A continuación se estudiará un cierto tipo de reguladores en C.I., específicamente integrados de la familia MC78XX, los cuales permiten implementar voltajes regulados de distintos valores: 5V, 6V, 9V, 12V, etc. El símbolo más utilizado para representar este tipo de dispositivos se muestra en la Figura 1.
Figura 1: Símbolo de los reguladores de la familia MC78XX [1].
En la Figura 2 se muestra el circuito básico que se utiliza para implementar la función reguladora con este tipo de C.I.:
Figura 2: Circuito utilizado para implementar un circuito regulador [1].
Este circuito está diseñado para entregar un voltaje de salida lo más constante posible ante cambios en el voltaje de entrada y en la corriente de carga. Además, posee circuitos de protección contra cortocircuitos, sobrealimentación y otras funciones que hacen de ésta una muy buena opción a la hora de implementar circuitos reguladores de voltaje. Debido a estas características de funcionamiento, el diseño de circuitos reguladores que utilizan estos dispositivos se simplifica al punto de que basta con escoger el elemento adecuado para el nivel de tensión al cual quiere regularse el voltaje de salida, de acuerdo con su número de referencia, siguiendo la nomenclatura establecida para ello [1]. En el caso de C.I. de la serie MC78XX, los dos últimos caracteres corresponden al voltaje de salida regulado; por ejemplo, el C.I. MC7805 es un regulador de voltaje para 5V. Si bien el diseño consiste simplemente en escoger el integrado adecuado, es necesario asegurarse de que su operación se encuentra enmarcada dentro de los niveles límite de voltaje, corriente y potencia para que su funcionamiento sea el esperado. En especial, se debe asegurar que el voltaje de entrada al regulador esté contenido dentro del rango permitido por el integrado, y que la corriente que exige la carga no sea excesiva [1].
Ejemplo de Diseño de un circuito con Regulador Integrado Considere el diseño de una fuente regulada de voltaje DC de 8V, usando un CI MC7808, como muestra la Figura 3. La hoja de especificaciones para este CI indica que debe existir una tierra común entre la entrada y la salida, y que el voltaje mínima en la entrada del CI debe estar al menos 2 ó 4V por encima de la salida regulada [1]. Para asegurar esta última condición, es necesario filtrar la salida del rectificador. En la Figura 3, CF realiza este filtrado cuando se combina con la resistencia de entrada del CI. La resistencia de entrada equivalente más pequeña del CI está dada por Vsmin /ILmáx. Entonces:
Donde: • •
Vsmáx es el voltaje más grande que se aplica al CI, VL es el voltaje esperado en la carga.
•
∆V es
•
y f p es el número de pulsos por segundo.
la caída de tensión del capacitor (es decir, el voltaje pico más grande aplicada al CI, menos la salida del CI más 4V).
Figura 3: Circuito completo de un regulador de 8VDC diseñado con un MC7808 [1].
El capacitor de salida C o, se añade para ayudar a aislar los efectos de la variación de carga. El capacitor corta las variaciones de alta frecuencia provenientes de la circuitería de carga.
Circuito Integrado LM317 Circuitos integrados como el LM317 siguen las mismas consideraciones a las indicadas anteriormente para la familia MC78XX, con la diferencia de que el LM317 permite variar el voltaje de regulación mediante un divisor de voltaje entre su terminal de ajuste, y la terminal de salida de dicho circuito integrado. Esto hace que el LM317 se considere un circuito regulador de voltaje ajustable de tres terminales. La Figura 4 presenta una aplicación estándar de este circuito integrado [2].
Figura 4: Aplicación estándar del LM317 [2].
El voltaje entre la terminal ajuste y salida es siempre de 1,25 voltios (voltaje establecido internamente por el regulador), por lo que la corriente que circula por el resistor R1 es: IR1 = V / R1 = 1,25/R 1 Esta misma corriente es la que circula por R2, dado que la corriente IADJ suele ser despreciable. Entonces el voltaje en R 2 es VR2 = IR1
.
R2. Si se sustituye I R1 en la última
fórmula se obtiene la siguiente ecuación: VR2 = 1,25 . R2 / R1. Como el voltaje de salida es: Vout = VR1 + VR2, entonces: Vout = 1,25 + (1,25. R 2 / R1) [V] simplificando (factor común) Vout = 1,25(1 + R2 / R1) [V] De esta última fórmula se ve claramente que si modifica R2 (resistencia variable), se modifica el voltaje Vout. En la fórmula anterior se ha despreciado la corriente ( IADJ) que circula entre la terminal de ajuste (ADJ) y la unión de R1 y R2. Esta corriente se puede despreciar dado que tiene un valor máximo de 100 uA y permanece constante con la variación de la carga y/o del voltaje de entrada [2]. Para conocer mayores detalles de la configuración del LM317, consulte la hoja de características de este circuito.
Bibliografía: [1]. Diseño Electrónico, 3ª Edición, C. J. Savant Jr, Martin S. Roden, Gordon L. Editorial Prentice-Hall. ISBN: 9684443668. [2]. LM317: Wikipedia. http://es.wikipedia.org/wiki/LM317. Acceso en 26 de abril del 2015.
Example_LM317.cir
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******************************************************************************** *********** Example of a Regulated Voltage Supply based on the LM317 *********** ********************************************************************************
********************************************************* *********** LM317's Spice Subcircuit Model ************* ********************************************************* .SUBCKT LM317 1 2 3 *** Pin Connection: IN OUT ADJ IADJ 1 4 50U VREF 4 3 1.25 RC 1 14 0.742 DBK 14 13 D1 CBC 13 15 2.479N RBC 15 5 247 QP 13 5 2 Q1 RB2 6 5 124 DSC 6 11 D1 ESC 11 2 POLY(2) (13,5) (6,5) 2.85 + 0 0 0 -70.1M DFB 6 12 D1 EFB 12 2 POLY(2) (13,5) (6,5) 3.92 + -135M 0 1.21M -70.1M RB1 7 6 1 EB 7 2 8 2 2.56 CPZ 10 2 0.796U DPU 10 2 D1 RZ 8 10 0.104 RP 9 8 100 EP 9 2 4 2 103.6 RI 2 4 100MEG .MODEL Q1 NPN (IS=30F BF=100 + VAF=14.27 NF=1.604) .MODEL D1 D (IS=30F N=1.604) .ENDS LM317 ********************************************************* ******* End of LM317's Spice Subcircuit Model *********** *********************************************************
******************************************************************************* *** Example: Regulated Voltage Supply based on the LM317's Subcircuit Model *** ******************************************************************************* ** This defines a sinusoid of 170V amplitude and 60 Hz: VIN 2 0 SIN(0 170 60 0 0) ** This defines a transformer of 6.7:1 RS 2 1 10 L1 1 0 897.8 L2 3 4 20 K L1 L2 0.99999 ** D1 D2 D3 D4
This defines a Diode Bridge 3 5 DI1N4004 0 3 DI1N4004 4 5 DI1N4004 0 4 DI1N4004
** Connecting the subckt of the voltage regulator LM317 configured ** to provide 15VDC in the output. XU1 5 7 6 LM317 R1 7 6 240 R2 6 0 2640 April 27, 2015
Crimson Editor
Example_LM317.cir
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** Capacitor to the voltage regulator's input C1 5 0 848uF ** Capacitor to the voltage regulator's output C2 7 0 1uF ** Load resistence for the whole circuit. RL 7 0 50 ** Diode model .MODEL DI1N4004 D (IS=76.9n RS=42.0m BV=400 IBV=5.00u CJO=39.8p +M=0.333 N=1.45 TT=4.32u) ** Time Analysis .tran 1ms 100ms 0 1ms ** Traces for the voltage at the LM317's input (node 5) and LM317's output (node 7). .probe V(5) V(7) .end
April 27, 2015
Crimson Editor
