CAPITULO 9

REGULADOR DE VOLTAJE SERIE.

1 OBJETIVO.

El objetivo de este experimento es el de conocer los pasos necesarios para diseñar un regulador de voltaje serie con amplificador operacional y comprobar experimentalmente su funcionamiento.

I LISTA DE MATERIAL Y EQUIPO.

1 Transformador 110 y, 2 a 3 A.

1 Fusible 1 A.

1 Interruptor 1P1T para 110 y, 3 A.

1 Puente rectificador 2 A, 50 y o mas.

1 Condensador electrolítico ele 2000 μF, 50 y o más.

1 LM741C

1 2N3819

2 2N3904

1 2N3055

1 Hoja de aluminio de 25 pulgadas cuadradas.

1 Diodo zener 3.9 y, 1 w.

1 Condensador 0.1μF

1 Resistencia 4.7 Kohms, 1/4 W.

1 Resistencia 47 Kohms, 1/4 W.

1 Potenciometro 10 Kohms, 10 vueltas.

2 Resistencias de 1 ohm, 3 W.

1 Reostato de 0 - 200 Ohms clima, 30 W.

1 Base experimental

1 Mutimetro digital.

IV. FUNDAMENTOS TEORICOS.

PARTES FUNDAMENTALES.

Las partes fundamentales de un regulador de voltaje serie como el de la figura 2, son las siguientes:

* La red de muestreo de voltaje formada por las resistencias y el potenciometro de 10 Kohm.

• La fuente de voltaje de referencia está formada por el diodo tener Z1, el transistor de efecto de campo JFET y el condensador C

* El amplificador de error en éste circuito, lo constituye el amplificador operacional de propósito general 741.

* El transistor de paso Q1 que es un transistor de potencia NPN de silicio (en éste circuito el 2N3055)

* Un preamplificador de corriente formado por el transistor NPN de silicio Q2 (el 2N3904)

• Un circuito limitador de corriente forrado por el - transistor NPN de silicio Q3 (2N3904) y la resistencia Rsc que muestrea la corriente de salida del regulador.

EXPRESION DEL VOLTAJE DE SALIDA.

El voltaje retroalimentado Vf ésta dado por la siguiente expresión

Vf =βVo

en donde el factor de retroalimentaci6n depende de las resistencias ajustables R1 y R2

β=(R1/(R1+R2))

El voltaje de salida del regulador puede aproximarse al voltaje de salida del amplificador de error, es decir

Vo≈A(Vz –Vf)

en donde

A = ganancia de lazo abierto del amplificador operacional.

Vz=voltaje del diodo zener o de referencia.

sutituyendo el valor de V y despejando y se obtiene

Vo=AVz/(1+βA)

como la ganancia del amplificador es extremadamente alta (A=100,000), resulta

Vo=Vz/β

O bien

Vo= ((R1+R2)/R1)Vz

la expresi6n anterior constituye la ecuación fundamental del regulador de voltaje serie.

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DEL REGULADOR SERIE.

1. Especificar los datos del regulador.

En nuestro experimento, deseamos un regulador con las siguientes caracteristicas:

Vo= 5 a 15 V salida ajustable

Io= 1 A corriente nominal

Isc=1.2 A corriente de cortocircuito

2. Selección del voltaje de entrada no regulado. Debe de seleccionarse 2 o 3 y arriba del voltaje de salida máximo, para asegurar que Ql éste en la región activa, entonces

Vi min = 15 + 3 = 18v

Considerese un voltaje nominal V = 20 +2 v

3. Selección del diodo zener y del transistor JFET.

El diodo zener debe de ser de un voltaje menor que el voltaje de salida minimo

Vz<Vo min= 5V

seleccionamos y = 1.2 y, 1 W. Si hay problemas de existencia sustituyase por un zener V = 3.9 a 5.6 y y efectuese el arreglo del circuito de la figura 2, - ajustando el voltaje de referencia a 1.2V

El transistor JFET debe de trabajar como una fuente de corriente Constante, para encender el diodo zener. Se recomienda un transistor de efecto de campo de unión canal N, cuya corriente de saturación del drenador 1 mantenga encendido al diodo zener y cuyo voltaje de ruptura sea mayor que el voltaje maximo no regulado. De ésta forma se selecciona al JFET 2N3819.

La función del capacitor C de 0.1 μF es reducir el rizado en el voltaje de referencia.

4. Calculo de las resistencias Ra y Rb.

De la formula del voltaje de salida del regulador se tiene que el voltaje de salida es máximo cuando:

Vo max= ((Ra +Rb +10)/Ra) Vz

mientras que el voltaje de salida es minimo cuando

R1=Ra +10 y R2=Rb, asi que

Vo min = ((Ra +Rb +10)/(Ra +10))Vz=5

de estas dos ultimas expresiones se encuentra que Ra = 5 KOhm y 47.5 Kohm, por lo tanto se selecciona Ra=4.7 Kohm y Rb=47 Kohm. 1/4 W.

5. Selección del transistor de potencia Q1

La potencia disipada por el transistor Q1 ésta dada por

P=VceIc

o bien

P=(Vi –Vo)Isc

este elemento debe ser capaz de disipar la potencia durante un cortocircuito (Vo= 0), entonces

P=ViIsc

Substituyendo valores

P=(20)(1.2)

P=24 W

el transistor 2N3055 tiene una capacidad de disipacion de potencia de 90 W y una ganancia de corriente β1 tipica de 50.

6. Seleccion del transistor Q2

La corriente de este transistor sera máxima cuando ocurra un cortocircuito

Ic2 = (Isc/β1)

Ic2=(1200/50)

Ic2= 24 mA

La corriente suministrada por el amplificador operacional durante un corot circuito, segun hoja de datos es 25 mA. De estos 25 mA, parte se va por la base de Q2 y la mayor parte por el colector de Q3, el cual debe de estar encendido durante el corto circuito.

Seleccionando el transistor Q2 como el 2N3904 la corriente en su base sera:

Ib2 = (Ic2/β2)

Ib2=(24 mA/50)

Ib2= 0.48 mA

Ya que su ganancia de corriente tipica es β2=50. La corriente en el colector de Q3 sera

Ic3=25-0.48

Ic3=24.52 mA

7. Selección del transistor Q3 y la resistencia limitadora Rsc. El transistor Q3 se enciende cuando el voltaje entre base y emisor es igual 0.6 V, este voltaje es igual a la caida en Rsc provocada por la corriente de corto circuito.

Rsc=Vbe/Isc

Rsc=0.6/1.2

Rsc=0.5 Ohm

Conectar dos resistencias de 1 ohm, 3 W en paralelo.

La seleccion de es en base a que debe de ser un transistor silicio NPN y con una capacidad de corriente mayor que 24.52 mA. Se selecciona el transistor 2N3904 de proposito general.

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE LA FUENTE NO REGULADA.

La fuente no regulada de la figura 1, ésta constituida por los siguientes elementos principáles:

* Transformador reductor.

• Rectificador de onda completa.

* Filtro capacitivo.

1. Datos de diseño.

Vi min = Voltaje mínimo de entrada al regulador.

Vr p-p= 4 v Voltaje de rizo de C.A. de pico a pico.

I= 1 A Corriente nominal del regulador.

2. Cálculo del capacitor electrolítico.

Se determina de acuerdo con la siguiente expresión

C≈I/(2fVrp-p)

en donde f es la frecuencia de la línea. Sustituyendo valores

C≈1/(2*60*4)

C≈2083μF

considerese un capacitor electrolítico de 2000μF y 50v.

3. Vo1taje del secundario del transformador.

El voltaje en el secundario del transformador se determina de

Vsec= Vi min +2Vd +Vr p-p

en donde VD representa la caida en un diodo y el voltaje de rizo

Vr p-p= I/2fC

sustituyendo valores se tiene

Vsec=18+2(0.7)+1/(2*60*0.002)

Vsec=23.56 Vp-p

Vsec = 16.66 Vrms

Debe de seleccionarse un transformador de 110/18 V con capacidad de 1 A. Este diseño puede operar satisfactoriamente con un transformador de 110/15 y con una capacidad de 2 o 3 A.

4. Selección del puente rectificador.

El voltaje de pico inverso en cada diodo es igual al voltaje de pico en el secundario. Considerando un factor de seguridad de 2, se selecciona un puente rectificador de 2 A y 50 t o más de pico inverso.

V. PROCEDIMIENTO

1. Implementar los circuitos de las figuras 1 y 2. Tenga cuidado de montar el transistor de potencia 2N3055 en un disipador de aluminio de 25 pulgadas cuadradas. Como resistencia de carga use una ajustable de 0 a 200 ohm y 30 W. El transistor de potencia, la resistencia así como la fuente — no regulada deben de montarse fuera de la base experimental. Se recomienda usar un potenciometro miniatura de 10 KOhm y 10 vueltas para el ajuste del voltaje de salida.

2. Aplique energia al circuito y compruebe que el circuito regula en vacío (sin carga conectada).

3. Tome lecturas de los voltajes de salida mínimo y máximo sin carga. con la ayuda del multímetro digital.

Vo min=________________ Vo max=______________________

4. Ajuste la salida del. regulador a 15 V con una resistencia de carga tal que la corriente de salida sea la nominal (1 A).

5. Tome lectura de las siguientes cantidades

Vz=__________________

Ve1=_________________

VE2=_________________

Voamp=_______________

Vent inv=______________

Vi=___________________

6. Provoque un cortocircuito en la salida y tome lectura de la corriente de cortocircuito. Al terminar elimine el corto.

Isc=__________________

7. Ajuste la salida del regulador a voltaje maximo (15 y) y varie la carga según sea necesario para completar la siguiente tabla.

Io,A 0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 1

Vo,V

8. Graticar el voltaje de salida vscorriente de salida en papel milimétrico.

9. De la grafica anterior determine el valor de la resistencia de salida del regulador.

Ro=∆Vo/∆fo

VI. Reporte.

l. Describa el procedimiento de diseño para el regulador de voltaje serie estudiado en éste experimento.

2. Detalle el procedimiento realizado en éste experimento. Incluya la tabla y grafica que se piden.

3. Haga comentarios. sobre los resultados obtenidos en este experimento.