UNIVERSIDAD DE CUENCA

Escuela de Electrónica y TelecomunicacionesLaboratorio de Electrónica AnalógicaNombres: Esteban Farfán, Oswaldo Guiñansaca, Jairo Armijos

Informe Práctica # 4Tema:

Fuentes de Alimentación: Reguladores de Voltaje en Derivación: Diodo Zener y Mediante Circuitos Integrados

1. Objetivo General:

Diseñar, calcular y comprobar el funcionamiento de una fuente de alimentación de CC, empleando reguladores de voltaje en derivación: diodos Zener y circuito integrados.

2. Materiales:

– Multímetro, Cautín– Transformador 110V/24V/2A (Toma Central), Puente Rectificador de 2A– Diodo Zener (12V) 1N4742– Capacitores: 100uF/2, 0.33uF, 0.1uF– Reguladores de Voltaje: 7805, 7812, LM317– Resistencias: 220Ω/2, 2.2KΩ/2. 220Ω, 470Ω, 1000Ω a 1/2W– Datasheet: 7805, 7812, LM317

3. Sustento Teórico

Introducción

Todos los circuitos electrónicos requieren una o más fuentes de tensión estables de continua. Las fuentes de alimentación sencillas construidas con un transformador, un rectificador y un filtro (fuentes de alimentación no reguladas) no proporcionan una calidad suficiente porque sus tensiones de salida cambian con la corriente que circula por la carga y con la tensión de la línea. Por ello, no son generalmente adecuadas para la mayoría de las aplicaciones.

En la figura 1 se presenta un diagrama de bloques típico de una fuente de alimentación regulada. La entrada es un transformador conectado a la red eléctrica (220V, 50Hz) con objeto de reducir su amplitud. Un rectificador de diodos rectifica la señal, la cual es filtrada para producir una señal de salida DC no regulada. El regulador de tensión proporciona una salida mucho más regulada y estable para alimentar a una carga.

Figura 1: Diagrama de bloques de una fuente de alimentación regulada

La función del regulador de tensión es proporcionar una tensión estable bien especificada para alimentar otros circuitos a partir de una fuente de alimentación de entrada de poca calidad; además deben ser capaces de proporcionar corrientes de salida desde unas cuantas decenas de miliamperios, en el caso de reguladores pequeños, hasta varios amperios, para reguladores grandes.

Regulación de Tensión Mediante Diodo Zener

Una de las aplicaciones más usuales de los diodos zener es su utilización como reguladores de tensión. La figura 2 muestra el circuito de un diodo usado como regulador.

Figura 2: Circuito Regulador

Este circuito se diseña de tal forma que el diodo zener opere en la región de ruptura, aproximándose así a una fuente ideal de tensión. El diodo zener está en paralelo con una resistencia de carga RL y se encarga de mantener constante la tensión entre los extremos de la resistencia de carga (Vout=VZ), dentro de unos limites requeridos en el diseño, a pesar de los cambios que se puedan producir en la fuente de tensión VAA, y en la corriente de carga IL. Analicemos a continuación el funcionamiento del circuito.

Consideremos primero la operación del circuito cuando la fuente de tensión proporciona un valor VAA constante pero la corriente de carga varia. Las corrientes IL = VZ/RL e IZ están ligadas a través de la ecuación:

Y para las tensiones:

Por lo tanto, si VAA y VZ permanecen constantes, VR debe de serlo también (VR = IT ⋅ R). De esta forma la corriente total IT queda fijada a pesar de las variaciones de la corriente de carga. Esto

lleva a la conclusión de que si IL aumenta, IZ disminuye y viceversa (debido a la ecuación (1)). En consecuencia VZ no permanecerá absolutamente constante, variará muy poco debido a los cambios de IZ que se producen para compensar los cambios de IL. Si ahora lo que permanece constante es la corriente de carga y la fuente de tensión V AA varía, un aumento de ésta produce un aumento de IT y por tanto de IZ pues IL permanece constante, y lo contrario si se produjera una disminución de VAA. Tendríamos lo mismo que antes, una tensión de salida prácticamente constante, las pequeñas variaciones se producirían por las variaciones de IZ

para compensar las variaciones de VAA.

Regulación de Tensión mediante Circuito Integrado

Un regulador de voltaje (también llamado estabilizador o acondicionador de voltaje) es un equipo eléctrico que acepta una tensión eléctrica de voltaje variable a la entrada, dentro de un parámetro predeterminado y mantiene a la salida una tensión constante (regulada).

Los reguladores típicos de tres terminales tienen una terminal para la entrad (IN), la salida regulada (OUT) y tierra (COMMON), y están ajustados para proporcionar una tensión de salida constante tal como: +5V o +15V o -15V. Dentro de esta categoría se encuentra la serie 78XX (positivos) o 79XX (negativos) donde los dos últimos dígitos indicados por XX indican la tensión de salida.

Figura 3: Fuente de Alimentación basado en Reguladores de Tensión Fijos

Las figuras 3a y 3b describen dos ejemplos del regulador de tensión fija, 7812 y 7912, para obtener tensiones de salida de +12V y -12V, respectivamente. Los condensadores C1 y C2 mejoran la respuesta transitoria del regulador. Cuando el regulador se encuentra a cierta distancia del rectificador, C1 se desdobla en dos, uno conectado a la salida de los diodos y otro conectado a la entrada del regulador, para evitar oscilaciones no deseadas.

Los reguladores ajustables de tres terminales permiten ajustar la tensión de salida a partir de una resistencia externa conectada al terminal denominado ADJUSTMENT o ADJ. Uno de los más populares productos de este tipo es el LM317 (positivo) y LM337 (negativo) capaces de proporcionar hasta 1.5A de corriente de salida.

En la figura 4 se presenta una aplicación típica del LM317. El LM317 posee una referencia de tensión VREF=1.25V entre los terminales OUT y ADJ y esta polarizado por una fuente corriente estable de IADJ=65uA. Analizando este circuito fácilmente se comprueba que:

Figura 4: Aplicación del LM317 como Regulador de Tensión Variable.

Variando R2, VO puede ser ajustado a cualquier valor dentro del rango 1.25V≤VO≤30V.

4. Desarrollo de la Practica:

REGULACION DE TENSION MEDIANTE DIODO ZENER

a) Arme el circuito de la figura 1

VAC

110 Vrms 60 Hz 0°

T1

C1100uF

RCARGA2.2kΩ

RLIM

220ΩV+ 1

AC1

2

V-4

AC2

3DZ1N4742A

1

2

3

4

7 8

0

BA

110V/24V

Figura 1b) Con ayuda del Multímetro, mida el voltaje en CC y en CA tanto en el nodo A (terminales

del capacitor C1) como en el nodo B (terminales de la resistencia RCARGA) de la figura 1, llene la tabla 1. Comente los resultados.

NODO Voltaje en CC (V) Voltaje en CA (V) Factor de Rizo r (%)A 17.33 0.43 2.4B 12.55 0.01 0.07

Tabla 1- Como se modifica el factor de rizo en uno y otro caso. ¿Por qué sucede esto?

Como se puede observar en la tabla 1, el valor del factor de rizo disminuye notablemente en el nodo B (RCARGA). Esto se debe a que VA es mayor a VB, es decir el voltaje en el capacitor es mayor al voltaje Zener. Por lo tanto, en estas condiciones el diodo Zener estabilizara su voltaje ante cualquier cambio de voltaje.

- Mida el voltaje CC en la resistencia RLIM. ¿Puede justificar de alguna forma la presencia de este voltaje y su magnitud?

VRLIM=4.7V. RLIM tiene la función de limitar la corriente al diodo Zener. La presencia de este voltaje se debe a que la caída de tensión en el diodo Zener es de 12V, por lo tanto, el voltaje restante del nodo A, deberá caer sobre RLIM.

c) Mediante el osciloscopio, visualice en el canal 1 la señal en terminales del condensador C1 y en el canal 2 la señal en la resistencia de carga.

Escala: Vc=10V/div., VRcarga=10/div. Tiempo=5ms/div.

d) Calcule la regulación de voltaje para las resistencias de carga indicadas en la tabla 2. Comente los resultados.Voltaje sin Carga (V)= 12.64

RCARGA (Ω) Voltaje a Plena Carga (V) Regulación (%VR)220 8.43 49.9470 11.77 7.39

1000 12.47 1.362200 12.59 0.39

Tabla 1

Como se puede apreciar en la tabla, a medida que aumentamos la resistencia de carga, nuestro porcentaje en la variación de regulación disminuye. Esto se debe a que mientras RCARGA≫RLIM, la mayor cantidad de tensión caerá sobre RCARGA.

REGULACION DE TENSION MEDIANTE CIRCUITO INTEGRADO

REGULADOR DE TENSIÓN 7805

e) Arme el circuito de la figura 2

VAC

120 Vrms 60 Hz 0°

T1

C2100uF

V+ 1

AC1

2

V-4

AC2

3

1

2

3

4

BA

110V/24VRCARGA2.2kΩ

LM7805CTLINE VREG

COMMON

VOLTAGE75

0

Figura 2

f) Mediante el osciloscopio, visualice en el canal 1 la señal en terminales del condensador C2 y en el canal 2 la señal en la resistencia de carga. Con el circuito en funcionamiento acerque cuidadosamente la punta del Cautin (a temperatura máxima) a la parte metálica del regulador durante un tiempo de 60 segundos. ¿Qué ocurre con la señal a la salida del regulador? explique el por que de este fenómeno.

Escala: Vc=10V/div., VRcarga=10/div. Tiempo=5ms/div.Al incrementar la temperatura, en la señal de salida se hace evidente pequeñas distorsiones (ruido), producidos por el incremento en la temperatura. Además la señal de salida desciende a cero abruptamente. Esto debido al a que el regulador deja de estabilizar el voltaje debido al exceso de temperatura.

Escala: Vc=5V/div., VRcarga=5/div. Tiempo=5ms/div.

g) Añada a la red de la figura 2, los condensadores Ci=0.33uF y Co=0.1uF. (Figura 3)

VAC

120 Vrms 60 Hz 0°

T1

C2100uF

V+ 1

AC1

2

V-4

AC2

3

1

2

3

4

BA

110V/24VRCARGA2.2kΩ

LM7805CTLINE VREG

COMMON

VOLTAGE

Ci330nF

Co100nF

7 5

0

Figura 3¿Cómo se justifica la utilización de los parámetros Ci y Co? ¿Los valores de capacitancia asignados son arbitrarios?

Los valores de Ci y Co son dados por el fabricante, estos se encuentran en el datasheet del circuito integrado 7805. Ci se coloca debido al ruido de la señal de ingreso, y lo que hace es eliminar este ruido; mientras que Co se coloca debido a los armónicos (picos) producidos por algún interruptor, y lo que hace es eliminar estos armónicos a la salida.

h) Repita el paso f), pero ahora con el circuito de la figura 3. ¿Qué ocurre ahora con la señal de salida del regulador?

Escala: Vc=5V/div., VRcarga=5/div. Tiempo=5ms/div.

Como se puede observar en la imagen, las distorsiones debidas al incremento de temperatura son menores, esto debido al filtro de salida Co colocado a la salida del regulador. Aunque nuevamente la señal de salida desciende a cero abruptamente, debido al exceso de temperatura.

Escala: Vc=5V/div., VRcarga=5/div. Tiempo=10ms/div.

i) Con ayuda del Multímetro, mida el voltaje en CC y en CA tanto en el nodo A (terminales del capacitor C2) como en el nodo B (terminales de la resistencia RCARGA) de la figura 3, llene la tabla 3. Comente los resultados.

NODO Voltaje en CC (V) Voltaje en CA (V) Factor de Rizo r (%)A 17.87 0 0B 4.97 0 0

Tabla 3Como se puede observar en la tabla 3, el valor del factor de rizo disminuye notablemente en el nodo B (RCARGA). Además, comparándolo con la regulación mediante el diodo Zener, tanto los

factores de rizo en los nodos A y B disminuyen, debido a los condensadores dados por el fabricante. Por lo tanto, la regulación mediante Circuito Integrado me permite una mejor regulación de voltaje.

j) Coloque una termocupla en la parte metálica del regulador 7805. Mediante un cronometro registre el tiempo entre le encendido del circuito y cuando se alcance una temperatura predeterminada (ej: 35oC)

T7805=110seg.

REGULADOR DE TENSIÓN 7812

k) Del circuito de la figura 3, reemplace el regulador 7805 por el 7812. (figura 4)

VAC

120 Vrms 60 Hz 0°

T1

C2100uF

V+ 1

AC1

2

V-4

AC2

3

1

2

3

4

BA

110V/24VRCARGA2.2kΩ

Ci330nF

Co100nF

LM7812CTLINE VREG

COMMON

VOLTAGE

75

0

Figura 4

l) Con ayuda del Multímetro, mida el voltaje en CC y en CA tanto en el nodo A (terminales del capacitor C2) como en el nodo B (terminales de la resistencia RCARGA) de la figura 4, llene la tabla 4.

NODO Voltaje en CC (V) Voltaje en CA (V) Factor de Rizo r (%)A 17.72 0.2 1.12B 11.93 0 0

Tabla 4m) Coloque una termocupla en la parte metálica del regulador 7805. Mediante un

cronometro registre el tiempo entre le encendido del circuito y cuando se alcance una temperatura predeterminada (ej: 35oC)

T7812=128seg.

n) Compare los tiempos de calentamiento T7805 y T7812 y explique a que se debe la diferencia entre estos.

La diferencia se debe a que el CI 7805 es más sensible a la temperatura, es decir al aumentar la temperatura, este llega más rápidamente a un valor fijo que el CI 7812.

o) Calcule la regulación de voltaje para las resistencias de carga indicadas en la tabla 5. Comente los resultados.Voltaje sin Carga (V)= 11.93

RCARGA (Ω) Voltaje a Plena Carga (V) Regulación (%VR)220 11.93 0

470 11.93 01000 11.93 02200 11.93 0

Tabla 5

Como se puede apreciar en la tabla, a medida que aumentamos la resistencia de carga, nuestro porcentaje en la variación de regulación disminuye.

p) En base a los resultados de las tablas 2 y 5, desde un punto de vista de regulación de voltaje, ¿Qué método recomendaría utilizar en el diseño de una fuente de alimentación?

Comparando las tablas 2 y 5, podemos observar que dependiendo de la carga que se conecte, en la regulación mediante circuito integrado, las variaciones son menores que en una regulación con diodo Zener. La regulación mediante circuito integrado me entrega un voltaje con menos porcentajes de rizado que en una regulación con diodo Zener. Por lo tanto, si deseamos mucha estabilidad en el voltaje regulado, podemos utilizar un regulador mediante CI, teniendo en cuenta que dichos reguladores son muy sensibles a la temperatura; por otra parte, la regulación de diodo Zener me permite voltajes fijos, siempre teniendo en cuenta que RC≫RLIM, esto para que la caída de tensión en la carga no se vea afectada por RLIM.

REGULADOR DE TENSIÓN LM317

q) Arme el circuito de la figura 5.

VAC

120 Vrms 60 Hz 0°

T11

2

V+ 1

AC1

2

V-4

AC2

3

3

4

C2100uF

LM317AHLINE VREG

COMMON

VOLTAGE5

R1

R250%

89

7

110V/24V

+

-

Vsalida

Figura 5

r) Dimensione los parámetros R1 y R2, para obtener un voltaje de salida de 7.85V. el voltaje de salida puede calcularse utilizado:

Con valores típicos de Vref=1.25V e Iaj=100uA.

Nos imponemos el valor de la resistencia variable R2=1KΩ, de esta manera:

s) Con los resultados del punto o) llene la tabla 6.

PARAMETROS VSALIDA (Calculado) VSALIDA(Medido)R1=198Ω

7.66V 7.56VR2=1000Ω

Tabla 6

5. Conclusiones:

Se pudo comprobar las ventajas y desventajas tanto de la regulación mediante diodo Zener y Circuito Integrado. Por su parte, el diodo Zener nos entrega un voltaje fijo siempre y cuando RC≫RLIM, mientras mayor sea la resistencia de carga a la resistencia limitadora, tendremos un mejor voltaje regulado. Por otra parte el CI nos entrega un voltaje regulado con pequeñísimas variaciones dependiendo de la carga que se conecte, además que nos permite manejar mas corriente, y su principal desventaja es la sensibilidad a la temperatura, ya que el CI puede averiarse con el exceso de T.

Además, pudimos comprobar el funcionamiento del CI LM317, como una fuente de voltaje variable, dependiendo del valor que le demos a R2, podemos obtener varios voltajes a la salida de nuestro regulador.

6. Bibliografía:

www.wikipedia.comwww.monografias.com