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Práctica 2– Grupo 02 – 23 Septiembre 2013 – periodo 2013/02
Edy Catalina Sánchez López
Laboratorio Electrónica Análoga II, Escuela de Mecatrónica, Facultad de Minas
Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín
Resumen – Con esta práctica se pretende realizar un análisis teórico y experimental de un regulador de
voltaje usando el transistor bipolar en DC y un amplificador operacional. Se hará un montaje del circuito en
pspice para su simulación y posteriormente en la práctica con el fin de obtener una relación entre el voltaje del
potenciómetro y el voltaje de salida, determinar la regulación de carga, la eficiencia de regulación, regulación
de línea y corriente máxima de corto circuito.
Palabras Clave – Transistor, amplificador, rectificación, regulador, eficiencia.
Abstract— This practice is intended to make a theoretical
and experimental analysis of a voltage regulator using DC
bipolar transistor and an operational amplifier. Mounting
will be done on pspice circuit for simulation, and then in
practice in order to obtain a relation between the voltage
of the potentiometer and the output voltage, load
regulation determine the efficiency of regulation and
current regulation line maximum short circuit
Index Terms— Transistor, amplifier, rectification,
regulator, efficiency.
INTRODUCIÓN
Un regulador de voltaje serie, el cual consiste en un sistema
de control realimentado, donde el elemento de control se
encuentra en serie entre la fuente y la carga. El voltaje en la
salida es muestreado por un elemento que forma la
realimentación del circuito cuya salida es comparada con un
valor de voltaje de referencia mediante un comparador valga
la redundancia que provee una señal de control en los
siguientes casos:
- Si el voltaje en la salida se incrementa siendo mayor que el
de referencias, la señal de control hace que el elemento de
control decrezca el voltaje.
- Si por el contrario la salida de voltaje disminuye la señal del
comparador hará que el controlador aumente el voltaje.
Para la práctica se utilizará un transistor como
controladores de corriente o reguladores de voltaje
utilizándose la configuración Darlington, el transistor de
unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus
siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido
consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que
permite controlar el paso de la corriente a través de sus
terminales, se encuentran en él tres regiones:
Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar
fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su
nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor
de portadores de carga.
Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del
colector.
Colector, de extensión mucho mayor.
DESARROLLO
A. ProcedimientoTeórico
Inicialmente se solicitó determinar el valor de los
componentes del circuito de la figura 1:
Gráfica 1: Fuente no regulada.
Informe de la Práctica 2: El transistor bipolar en
DC- Regulador de voltaje
Práctica 2– Grupo 02 – 23 Septiembre 2013 – periodo 2013/02
A continuación, se muestran los cálculos teóricos para los
dispositivos usados en los montajes:
El voltaje en el secundario del transformador son 18VRMS,
Vp = √ . (1)
El voltaje de conducción de los diodos es 1,1V, como es un
puente serán 2,2 V.
(2)
(3)
(
) (4)
(5)
(
) (6)
√
(7)
Luego se solicitó determinar el valor de los componentes del
circuito de la Gráfica 2:
Gráfica 2. Regulador alimentado.
El diodo Zener de menor voltaje es el 1N4733 de 5,1V y
potencia de 1W.
(8)
(9)
(10)
En este punto es necesario demostrar:
(11)
(12)
El potenciómetro se asume como divisor de tensión variable
(13)
(14)
(15)
Q1 y Q2 están en conexión Darlington.
(16)
(17)
Despejamos Vreg
(
)
(18)
Si Rpota + Rpotb = Rpot y el potenciómetro es de 10K:
Rpota = 0 Rpotb = Rpot Vregmin = Vz
Rpotb = 0 Rpota = Rpot Vregmax = Vz
Tabla 1: Análisis de Rpot
Si R2b con Vmax = 18V
(
)
(19)
(20)
(21)
(22)
Y para el último montaje se tiene un regulador de Voltaje con
limitador de corriente, como el de la gráfica 3.
Gráfica 3. Regulador de Voltaje con limitador de corriente.
Asumiendo el transistor de potencia se tiene ILIM = 250mA y
VBEQ3 = 1
(23)
B. Simulación.
Para efecto de simulación se hace uso del programa Pspice,
los gráficos obtenidos fueron:
Práctica 2– Grupo 02 – 23 Septiembre 2013 – periodo 2013/02
Gráfica 4: Simulación fuente no regulada.
Gráfica 5: Simulación Regulador alimentado.
Gráfica 6: Simulación Regulador de voltaje con limitador de corriente.
C. Montaje.
Al momento de realizar los montajes fue necesario realizar el
cambio de algunos valores de las resistencias con el fin de ver
mejor los efectos del regulador.
Las mediciones fueron realizadas con un multímetro.
III. RESULTADOS EXPERIMENTALES
A. Análisis del Experimento.
Inicialmente, se hizo una verificación del correcto
funcionamiento de los elementos de circuito y calibración del
osciloscopio, luego se siguió con el montaje de la gráfica 1
para validar la regulación si se estuviera presentando
correctamente dentro del circuito.
Se procede con la realización del montaje de la gráfica 2 y con
el multímetro se determina el voltaje de salida con respecto a
los cambios en el potenciómetro (sin carga).
Los datos recopilados fueron:
Rpota (Ω) Rpotb (Ω) Voltaje (V)
3,4 10,92k 4,97
1,355k 9,71k 5,44
3,488k 7,60k 6,45
6,67k 4,46k 8,92
9,25 1,904k 12,91
10,91k 3,4 18,77
Tabla 2. Datos tomados para el montaje del circuito 2.
Se tomo como base para la medida una I = 500mA y V = 11V
Con carga la regulación obtenida fue:
I = 470mA y V = 10,90V.
La regulación de carga fue buena.
La eficiencia de potencia =
(24)
Para el circuito correspondiente a la gráfica 3 se mide el
circuito en corto:
Sin carga la I = 183mA
Con carga la I = 178mA
El V = 4V un voltaje constante porque lo que se limita es la
corriente.
IV. COMPARACIÓN DE RESULTADOS Y ANÁLISIS DE ERROR
La ecuación usada para hallar cada error es la siguiente:
| |
(25)
Parte 1: En la simulación 1 se obtiene el voltaje de salida
correspondiente a la figura 2, donde el voltaje teórico dado
por la simulación y el experimental obtenido en la práctica se
presentan en la siguiente tabla con su respectivo error el cual
fue hallado con la ecuación (25).
PARÁMETRO PRÁCTICO TEÓRICO ERROR
Vo 18,77 18 4,27
Tabla 1: Tabla comparativa de resultados.
La regulación de línea se encuentra dada por:
(26)
La eficiencia obtenida es buena, supera el 40% pero al no
superar el 50% no se presenta ahorro de potencia.
V. CONCLUSIONES
Es importante diseñar de forma los elementos que harán
parte de un circuito regulador, debido a que éste tiene grandes
aplicaciones en donde se necesite un voltaje constante.
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Al momento de realizar el diseño del circuito es también
de suma importancia validar las potencias disipadas por cada
elemento, con el fin de evitar daños innecesarios en los
dispositivos.
Trabajar el transistor en región activa es de gran utilidad
ya que permite mantener a la salida un valor constante, es
también de suma importancia leer el datasheet de cada
transistor porque me permite conocer hasta que limite puedo
llevarlo y si me sirve para determinadas aplicaciones.
El regulador de voltaje con transistor bipolar no presenta
una eficiencia mayor al 50%, es por esto que en aplicaciones
donde se necesite ahorro de potencia no es muy útil.
El regulador de voltaje con limitador de corriente resulta
una aplicación útil en ocasiones donde se tenga carga que no
soporte mucha potencia.
VI. GRAFICOS, TABLAS Y ECUACIONES
Gráficas.
Gráfica 1. Fuente no regulada.
Gráfica 2. Regulador alimentado.
Gráfica 3. Regulador de Voltaje con limitador de
corriente
Gráfica 4. Simulación fuente no regulada.
Gráfica 5. Simulación Regulador alimentado.
Gráfica 6. Simulación Regulador de Voltaje con
limitador de corriente.
Tablas
Tabla 1: Análisis de Rpot
Tabla 2: Datos tomados para el montaje del circuito 2.
Ecuaciones.
(1) Ecuación de voltaje RMS.
(2) Ecuación de voltaje pico de la rectificación.
(3) Ecuación de resistencia mínima Rmin.
(4) Ecuación de capacitor C1.
(5) Ecuación de Vr.
(6) Ecuación de la corriente pico.
(7) Ecuación de delta del periodo
(8) Ecuación de Izk.
(9) Ecuación de Rref
(10) Ecuación de la potencia del diodo.
(11) A (18) Demostracion de Vreg.
(19) Ecuación de R2b
(20) Ecuación de VCEQ1
(21) Ecuación de potencia del diodo.
(22) Ecuación de RLmin.
(23) Ecuación de RILIM.
(24) Ecuación de la eficiencia de potencia
(25) Ecuación de Error.
(26) Ecuación de Regulación de línea.
REFERENCIAS
[1] Boylestad, Teoría de circuitos y aplicaciones, octava edición.
[2] Motorola. 2N2222 Datasheet, Transistor.
URL: http://alltransistors.com/es/transistor.php?transistor=1773 [3] Central Semiconductor Corp. TIP 31C Datasheet, Transistor.
URL:
http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/T/I/P/3/TIP31C.shtml [4] Electrónica Fácil.
URL: http://www.electronicafacil.net/tutoriales/El-transistor.php
Edy Catalina Sánchez López: 43272061, grupo 2, Ingeniería
de control.