UNIVERSIDAD VALLE DEL GRIJALVA

JORGE ANTONIO LÓPEZ TOVILLA                I.S.C.           5o. "U"

 

PRINCIPAL 

 

REGULADOR DE VOLTAJE

 

Reguladores de Voltaje en Circuitos Integrados

     Los reguladores de voltaje son usados para mantener una salida de voltaje predeterminada, a pesar de las variaciones en la entrada de la fuente (voltaje AC) y a pesar también de las variaciones que se puedan dar en la carga. El regulador de voltaje se inserta entre la carga y la salida de la fuente sin regular:

     Los reguladores de voltaje en circuitos integrados, simplifican considerablemente el diseño de fuentes de poder, pues reemplazan a componentes tales como transistores y tubos al vacío utilizados anteriormente. Además, éstos poseen la ventaja de tener bajo precio, alto desempeño, tamaño pequeño y fácil manejo.

     Los circuitos integrados (reguladores de voltaje) tienen la ventaja de que proporcionan una salida bastante estable, además limitan la corriente y tienen protección térmica.

     Estos tipos de reguladores integrados ofrecen una amplia gama de variaciones y distintas clasificaciones para el tipo de fuente que se desee implementar.

 

Tipos de reguladores de voltaje con transistores

(Reguladores en paralelo) 

Regulación con diodo zener (operación del zener)

Se debe tomar en cuenta a la hora de usar un diodo zener, que para que este funcione se le debe entregar una corriente mínima de zener, es decir, la corriente de carga tiene esta pequeña limitación.

Diseño del zener

     Se empieza escogiendo el zener que nos va a dar el voltaje que deseamos. La resistencia, Rs, puede ser calculada usando la formula. Esta resistencia permite suficiente corriente fluyendo a través del zener para mantener el voltaje de regulación mientras se entrega corriente a la carga. Si Rs es muy grande, el zener tendrá una deficiencia de corriente cuando la carga es muy grande. Si Rs es muy pequeña, el zener pasara demasiada corriente y puede exceder la potencia del mismo. La potencia del zener esta dada por  Pz.

Regulador de voltaje en derivación a transistor

     La resistencia Rs baja el voltaje no regulado en una cantidad que depende de la corriente dada a la carga.

     Si Rl baja disminuyendo Vo, la corriente Ib disminuye por lo que Ic es menor provocando que la IL sea mayor aumentándose así el voltaje de salida y manteniéndose la regulación.

Regulador en paralelo mejorado

     En este circuito Q2 maneja la base de Q1 al contrario del anterior que era el zener, lo que podría provocar que en cierto momento la corriente de base no fuera suficiente para el zener y para el transistor por lo que la regulación se perdería.

     El diodo zener proporciona un voltaje de referencia de manera que el voltaje a través de R1 es sensible al voltaje de salida a medida que el voltaje de salida tiende a variar, la corriente derivada por Q1 se modifica para mantener constante la salida. Q2 suministra una mayor corriente de base a Q1 que en el anterior por lo que el regulador maneja una corriente de carga más grande. El voltaje de salida se establece por el zener y el voltaje  de las dos uniones B-E de Q1 y Q2. 
 
     Para finalizar la diferencia fundamental entre estos dos tipos de reguladores es que en el regulador en serie la corriente de carga esta limitada casi exclusivamente por la capacidad de corriente de colector del transistor respectivo, en cambio, en el regulador en paralelo el transistor solo actúa para disminuir o aumentar su flujo de corriente de colector para así dejar pasar mas o menos corriente a la carga para mantener la regulación, por lo que la corriente de carga solo depende de la corriente que pueda entregar la fuente de voltaje no regulada a la cual conectaremos el regulador  y la carga.  
 

 

 Regulador de voltaje integrado de tres terminales

Propósito:

1. Conocer la operación del circuito regulador de voltaje.
2. Aprender a utilizar el circuito integrado de tres terminales, LM-340T-X

Discusión:

     Un regulador de voltaje es un circuito de dos pares de terminales, (entrada y salida):

Figura 1: Diagrama de bloque del regulador de voltaje.

en donde las variaciones del voltaje en la entrada, las variaciones en corriente de salida (corriente de carga) determinados por la resistencia Rl (resistencia de carga), así como las variaciones térmicas sobre el circuito no afectan el valor del voltaje de salida (Vl). O sea que un regulador de voltaje, ante todos estos inconvenientes mantiene constante el voltaje de salida dentro de unos márgenes preestablecidos.      La aplicación mas común del regulador de voltaje es en el generador del voltaje DC cuando tenemos que llevar una señal de 120 Vrms a 60 Hz de la línea de servicio por el circuito rectificador (preferiblemente de onda completa) con un condensador a la salida para filtrado. El regulador se halla a la salida del rectificador y hace de resistencia de carga para este. El regulador se encarga entonces de sacar a la salida el nivel de voltaje requerido, reduciendo además el rizado que viene por la entrada a tal grado que la senal de salida se puede clasificar para efectos practicos como DC.

                                 

 



Figura 2. Efecto de regulador de voltaje.

     Hay reguladores que usan diodos zener, otros transistores y otros , en adición , usa amplificadores operacionales. Los omitiremos y hablaremos del regulador integrado (monolítico) de tres terminales, el mas reciente, practico y seguro para construir reguladores de voltaje:

Figura 3. Regulador monolítico de tres terminales

     Estos pueden suplir corrientes de carga de 100mA a 3A y voltajes de carga desde 1 o 2 voltios hasta mas de 30 voltios. Los terminales 1 y 3 son la entrada y la salida respectivamente. La para 2 donde fluye la corriente Io se usa para ciertas aplicaciones que se verán en el experimento y en la hoja de data del apéndice. Es conveniente leer la hoja de data para relacionarse con el funcionamiento y aplicaciones del regulador integrado. Físicamente el regulador provee para la colocación de un sumidero de calor ("heat sink") , que hace posible extraer el máximo posible de corriente de carga sin que haya una caída de voltaje regulado (potencia); o sea, que la temperatura no afecte la regulación.

Descripción de los circuitos:

1. Vea el circuito de la figura 4. El circuito integrado a utilizarse esta encapsulado en un paquete T0-220 y la definición de los terminales esta en la hoja de datos aneja. Usando dos valores diferentes de resistencia de carga usted verificara la regulación del voltaje de salida con diferentes corrientes de carga. La fuente de poder le permitir comprobar la regulación del voltaje de salida con diferentes corrientes de carga. La fuente de poder le permitirá comprobar la regulación según varia el voltaje de entrada.

2. La segunda prueba consiste en verificar que el regulador de voltaje monolítico reduce el rizado ("ripple"). Para esta prueba usara el circuito de la figura 5. Este es el mismo circuito anterior con la excepción de que se sustituye la fuente de poder de su mesa por el circuito equivalente a una fuente de poder con salida fija.

3. Por ultimo utilizara el regulador en su función de regulador ajustable. Para este propósito construirá el circuito de la figura 6. La resistencia de carga es la misma del circuito anterior. Los componentes adicionales están alterando el nivel de referencia del regulador con respecto a la tierra de la carga. Este arreglo permite ajustar el voltaje de salida mientras el regulador sigue manteniendo 5V en sus terminales.

Procedimiento:

A
1. Construya el circuito de la figura 4.
2. Use Rc=75k como resistencia de carga.
3. Ajuste el voltaje de entrada a 15 V.
4. Mida el voltaje de salida en la resistencia de carga.
5. Repita el paso 4 para voltajes de entrada de 11, 7, 5, y 3 voltios.
6. Repita los pasos 2 al 5 para Rc = 39k

Figura 4: Circuito regulador de voltaje fijo para la prueba de regulación de voltaje.

B
1. Construya el circuito de la figura 5.
2. Dibuje los oscilo gramas de los voltajes de entrada y de los voltajes de salida.

Figura 5: Circuito suplidor de potencia con salida fija.

C
1. Construya el circuito de la figura 6, Rc = 75k.
2. Ajuste el potenciómetro de manera que obtenga el voltaje máximo en la salida."
3. Varié el potenciómetro y anote el valor del voltaje a través de la resistencia Rc, tome el valor máximo, el mínimo, y cinco valores intermedios. Anote tanto los valores del potenciómetro como los del voltaje en Rc.
4. Repita los pasos 2 y 3 para Rc = 39k.

Figura 6: Circuito suplidor de potencia con voltaje de salida ajustable.

Regulador de voltaje en serie.

     El regulador en serie detecta un cambio en la salida de voltaje de la carga por medio de un circuito de muestreo que suministra un voltaje de realimentación para ser comparado con una referencia, así sí: 
     1. El voltaje de salida aumenta, el comparador hace que el elemento de control baje el voltaje de salida. 
     2. Si el voltaje de salida disminuye el comparador indica al elemento de control que suba el voltaje de salida.

Regulador de voltaje en paralelo. 

     El regulador en paralelo proporciona una regulación por medio de corriente que se deriva de la carga, para regular el voltaje de salida. 
     El voltaje no regulado de entrada da una corriente a la carga, parte de esta corriente se deriva por el elemento de control para mantener el voltaje de salida regulado. 

Circuito regulador en serie

     El funcionamiento de este circuito se explica al notar que si el voltaje de salida aumenta el voltaje base-emisor disminuye pues el voltaje zener se mantiene constante, así, la excitación del transistor es menor provocando que la corriente de colector disminuya y por ende la corriente de carga disminuyendo así, el voltaje de salida.

Regulador en serie mejorado.

      Este circuito es mas practico que el anterior por el hecho de que un transistor es ahora el que maneja la corriente de base de Q1 por lo que es más sensible a los cambios de voltaje de la salida.

     Su funcionamiento es casi igual al anterior, si el voltaje de salida aumenta el voltaje V2 también lo hace, como el Vzener es fijo el Vbe2 también aumenta provocando que la corriente de base de Q2 suba y por ello la de colector Q2, lo que resulta en una corriente de base de Q1 menor que a su ves reduce la corriente de colector de Q1, así, la IL se ve disminuida bajando el voltaje de salida. 
 

Regulador en serie.

     Aunque este circuito es prácticamente igual al anterior, una de sus ventajas es que el diodo zener es polarizado a través de R3 y toma su corriente a la entrada del regulador, es decir, a la salida de la fuente no regulada evitando así drenar corriente que puede ser necesaria en la salida como en el caso anterior donde la corriente del zener es tomada de la corriente que se dirige a la carga, 
 

Regulador con salida ajustable

     La salida de voltaje de este regulador puede ser ajustada con el potenciómetro R2, podemos variar así este voltaje y ajustarlo a un nivel conveniente para nuestra aplicación, por lo demás el principio de funcionamiento es el mismo que los anteriores.

Regulador con doble Zener

     Si es necesaria una salida de voltaje mayor se puede hacer uso de dos diodos zener, esto permite valores de salida de mas de 20 V dc dependiendo de los voltajes de los diodos zener escogidos, note que este valor también se puede ajustar finamente con el uso del potenciómetro R2.

Par Darlington

     Hay una forma de aumentar la ganancia efectiva del transistor, usando dos transistores. Esto se logra colocando los transistores de tal forma que el emisor de uno esta manejando la base del otro y conectando juntos los colectores. Esto es conocido como un par Darlington, y puede ser usado como un solo transistor común emisor, seguidor de emisor, etc.

     La ganancia total de los dos es: G1 x G2 = Gv total, por lo que la ganancia de corriente aumenta. 
 

Regulador con par Darlington

     Vemos que la corriente disponible con esta configuración Darlington para entregar a la carga es mayor, la limitante de los reguladores en serie con respecto a la corriente de carga, que en todos los casos depende exclusivamente de la corriente de colector del transistor, se ve mejorada con la implementación de esta configuración.

Regulador con limitación de corriente

     En ocasiones mas que aumentar la corriente de entrega a la carga se desea limitar a un cierto valor la corriente consumida por la carga. En estos casos se puede usar la configuración aquí mostrada.

     En el momento que la corriente de carga exceda por ejemplo los 600 mA la resistencia de limitación de corriente polariza la base de Q3  la corriente de colector Q3 circula a través de R3 disminuyendo la corriente de base Q1, esto atenúa la tensión en la carga pues la corriente de colector Q1 disminuye. Note que la disipación de potencia en Q3 cuando este conduce esta dada por PQ3=   (vi-vbe)* I max,Q3. Es decir, casi todo el voltaje de entrada aparece en el Vce de Q3.

     Si la corriente de colector Q1 es menor que 600 mA  Q3 no trabaja y el circuito funciona como los anteriores.

 

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