Post on 18-Feb-2016
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO” EXTENSION “MATURÍN”
REGULADORES DE VOLTAJE
Autor: Medina Camacho, Daniel David.
C.I: 24.578.041Asesor:
Nestor MachadoSección “C”Electrónica
Maturín 14 de enero de 2015
i
INDICE
INTRODUCCION................................................................................................................ IV
ANÁLISIS GENERAL DE FILTROS PASO BAJO............................................................V
REGULACIÓN DE VOLTAJE CON BJT.........................................................................VII
REGULADOR EN SERIE CON CARGA.....................................................................................VII
REGULADOR EN PARALELO CON CARGA........................................................................VIII
CIRCUITOS REGULADORES DE TENSIÓN POR LIMITACIÓN DE CORRIENTE............................................................................................................................................ VIII
REGULADOR SERIE........................................................................................................................... IX
LIMITADOR DE CORRIENTE.......................................................................................................... X
REGULADOR PARALELO................................................................................................................ XI
LIMITADOR PARALELO................................................................................................................ XIII
REGULADORES INTEGRADOS (CI)...........................................................................XIV
REGULADOR DE TENSIÓN DE SALIDA FIJA....................................................................XVI
REGULADOR DE TENSIÓN DE SALIDA VARIABLE........................................................XVI
REGULADOR DE TENSIÓN DE ALTA CORRIENTE DE SALIDA.............................XVII
PROTECCIÓN CONTRA CORTO CIRCUITO....................................................................XVIII
CONCLUSION.................................................................................................................... XX
BIBLIOGRAFIA.............................................................................................................. XXII
ii
INDICE DE ANEXOS
Filtro paso bajo RC v
Diagrama de bloques regulador en serie vii
Diagrama de bloques de regulador paralelo viii
Diagrama regulador serie ix
Diagrama de limitador de corriente x
Diagrama de regulador paralelo xii
Limitador paralelo xiii
Esquema de un Regulador Integrado simplicado (78XX). xiv
Conexión del regulador de salida variable xvii
Diagrama de circuito de protección contra corto circuito xix
iii
INTRODUCCION
Como hacia el fin de siglo XIX ya se había inventado el micrófono, que transforma
una señal acústica en una eléctrica. Por otro lado, ya se había inventado el audífono,
aparato que transforma una señal eléctrica en una acústica. La mayor parte de los
dispositivos electrónicos requieren de voltajes continuos para operar. Las baterías son
una opción útil pero tienen un tiempo de operación limitado. Otra opción consiste en
generar la fuente de alimentación utilizando la red de 220 volts alterno (220 RMS).
Esta tensión puede ser manipulada fácilmente usando un transformador y circuitos
rectificadores, los que sumados a un dispositivo regulador proporcionan diferentes
valores de tensión. Expondremos algunos circuitos y que son exactamente desde una
perspectiva de nivel medio sobre filtros paso bajo y reguladores de voltaje. La
regulación, por lo general, se obtiene a partir de un regulador de voltaje, que toma un
voltaje de dc y proporciona un voltaje de dc un tanto menor, pero permanece
constante, incluso si el voltaje de dc de entrada varía o si la carga de salida conectada
al voltaje dc cambia.
iv
ANÁLISIS GENERAL DE FILTROS PASO BAJO
Filtro paso bajo RC
Un filtro paso bajo es un circuito formado por una Resistencia y un Capacitor
conectados en serie de manera que este permite solamente el paso de frecuencias por
debajo de una frecuencia en particular llamada frecuencia de corte (Fc) y elimina las
frecuencias por encima de esta frecuencia. Estos filtros no son perfectos por lo que se
hace el análisis en el caso ideal y el caso real.
Filtros pasó bajo ideal
Son filtros activos que proporciona una salida constante desde dc hasta una
frecuencia de corte y que luego no conduce ninguna señal por arriba de esta
frecuencia.
Filtros pasó bajo Real
La reactancia capacitiva cambia con la frecuencia. Para altas frecuencias XC
es baja logrando con esto que las señales de estas frecuencias sean atenuadas.
En cambio a bajas frecuencias (por debajo de la frecuencia de corte) la reactancia
capacitiva es grande, lo que causa que estas frecuencias no se vean afectadas o son
afectadas muy poco por el filtro.
v
Con la ley de Ohm:
Vin = I x Z = I x (R2 + XC2) 1/2
Vo = I x XC
Vo = Vin / ( 1 + (2 x π x RC)2 )1/2
Donde Z = Impedancia
La frecuencia de corte es aquella donde la amplitud de la señal entrante cae
hasta un 70.7 % de su valor máximo. Y esto ocurre cuando XC = R. (reactancia
capacitiva = resistencia).Si XC = R, la frecuencia de corte será: Fc = 1 / (2 x π x RC)
La banda de frecuencias por debajo de la frecuencia de corte se llama Banda de paso,
y la banda de frecuencias por encima de Fc se llama Banda de atenuación.
El funcionamiento de estos circuitos como filtro pasa bajos es fácil de
entender. En el caso del primero, el condensador presentará una gran oposición al
paso de corrientes debidas a frecuencias bajas y como forma un divisor de
tensión con la resistencia, aparecerá sobre él casi toda la tensión de entrada.
Para frecuencias altas el condensador presentará poca oposición al paso de la
corriente y la resistencia se quedará casi el total de la tensión de entrada, apareciendo
muy poca tensión en extremos del condensador. El segundo circuito funcionará de
forma muy parecida al primero.
vi
REGULACIÓN DE VOLTAJE CON BJT
Los dos tipos de reguladores de voltaje con transistor BJT son el regulador de
voltaje en serie y el regulador de voltaje en paralelo. Cada uno de estos tipos de
circuito puede ofrecer un voltaje de salida de dc regulado o mantenido a un valor
establecido incluso si el voltaje de entrada varía o si la carga conectada a la salida
cambia
REGULADOR EN SERIE CON CARGA
Diagrama de bloques regulador 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:
1. Si el voltaje de salida se incrementa, el circuito comparador proporcionara
una señal de control que ocasiona que el elemento de control en serie
disminuya la cantidad de voltaje de salida, con lo que se mantiene, por lo
tanto, el voltaje de salida.
vii
2. Si el voltaje de salida disminuye el circuito comparador proporcionara una
señal de control que ocasionara que el elemento de control en serie incremente
el voltaje de salida
REGULADOR EN PARALELO CON CARGA
Diagrama de bloques de regulador 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.
CIRCUITOS REGULADORES DE TENSIÓN POR LIMITACIÓN DE CORRIENTE
REGULADOR SERIE
viii
Diagrama regulador serie
El regulador serie incorpora un transistor (de potencia). Aquí, la corriente que
absorbe el diodo zener no es la que no quiere la carga I L, sino la que no desea la base
del transistor. Note que la corriente de carga es la corriente que circula de colector a
emisor, luego I L ≈ βI B. Esto implica que el valor máximo que podría circular por la
base del transistor es la corriente I L Max dividida por el β del transistor. Luego en el
caso en que la carga no requiera toda la corriente, por el zener solo podría circular
como máximo una fracción de la corriente de la base. El circuito funciona de la
siguiente forma:
La tensión V Ldebe mantenerse ja ante variaciones de la corriente de carga
(solo bajo el rango de diseño).
El diodo zener proporciona la referencia de voltaje al cual debe permanecer el
regulador,V Z. Siempre debe estar polarizado adecuadamente, a lo menos debe
circular I Z min
Si existe un incremento de la corriente de carga I L (por disminución de RL),
esto implica una disminución del voltaje V L, entonces el voltaje aplicado
V Be=V Z−V L aumenta, lo que lleva a un incremento de la corriente base. Finalmente
aumenta la corriente de colector, restaurándose del V Loriginal.
Si existe una disminución de la corriente de carga, crece V L luego disminuye
IB , lo que lleva a un disminución de la corriente de carga I L, disminuyendo V L.
El resistor R se debe diseñar para que por el diodo zener circule la corriente mínima
necesaria para que se polarice adecuadamente. Además, I B Max proporciona la
corriente de máxima carga (I L Max) así.
I L Max=β I B Max
Luego
ix
I=I z min+ I B max
R=V S min+V L
IZ min+ I B=
V S min−V L
IZ min+I L max
β
En la práctica se puede considerar I Z min=0,1 I Z max. El transistor utilizado
de cumplir con los requerimientos de potencia adecuados
LIMITADOR DE CORRIENTE
Diagrama de limitador de corriente
Establece una realimentación negativa cuando la corriente de carga sobrepasa
la máxima especificada por el regulador, manteniendo la corriente de carga constante
aun cuando la resistencia de carga sea menor al mínimo requerido por las
especificaciones del regulador. En esta última situación el circuito ya no funciona
como regulador, puesto que la tensión de salida no puede permanecer constante, sino
que decrece conforme la resistencia de carga disminuye. Cuando la corriente de carga
excede el máximo permitido, se genera una caída de tensión en la juntura b - e de Q2,
logrando que dicho transistor conduzca, luego disminuye la Corriente que excita la
x
base de Q1, haciendo que la corriente de carga disminuya. Luego R se diseña de tal
forma que cuando la corriente de carga aumente en forma excesiva, el transistor Q2
comience a conducir.
La resistencia R se diseña como:
R=VBE (Q2)
IL Max
Esto asegura que Q2 comienza a conducir cuando la corriente de carga
sobrepasa el máximo permitido.
Técnicas de limitador de corriente
Para estos reguladores, al igual que los construidos enteramente con componentes
discretos, es posible diseñar algunos limitadores de corriente muy sencillos. El diseño
de Rsc dependerá de la máxima corriente que se requiera del regulador, se diseña para
que entre los terminales b-e de Q3 se apliquen 0.6 volts.
REGULADOR PARALELO
Diagrama de regulador paralelo
xi
El regulador tipo paralelo es cuando el voltaje V L excede el voltaje de ruptura
del diodo, la corriente a través de este se incrementa, luego el voltaje en el zener y en
la carga se mantiene constante e igual al voltaje nominal de diodo zener así, V L = V Z.
La fuente de corriente es un resistor .Este se diseña para que el diodo este
correctamente polarizado y por lo menos circule la corriente mínima bajo cualquier
exigencia de carga, dentro de los limites especificados por el regulador. Las
condiciones mas exigidas serán: I Z min , I L Max ,V S mino para I L min , I Z Max ,V S Max,
luego
R=V S min−V L
I Z min+¿ I L Max¿
En un diseño práctico se especifican los requerimientos de potencia de tal
forma que esta pueda ser manejada por los elementos utilizados. Habitualmente, la
corriente mínima de un zener varia entre 1 y 2 (mA), pudiendo usarse dicho valor.
Una condición adicional establece que I Z Max=10 I Z min, reemplazando en la
ecuación, la corriente máxima que circulara por el diodo zener será
I Z Max=I L min (V Z−V S min )+ I L Max(V S Max−V Z )
V S min−0,9 V Z−0,1V S Max
Esto solo permite la corriente máxima que circula por el zener. Conociendo la
potencia del zener, puede determinarse la corriente máxima de este, luego
IZ min=0,1 PZ
V Z, dicha corriente evidentemente será mayor que la mínima real pero
permite establecer un rango para asignar los valores.
LIMITADOR PARALELO
xii
Limitador paralelo
Son una resistencia y un diodo, conectado en serie con la señal de entrada,
en el que se toma la salida a través del diodo en paralelo. Utiliza la misma teoría del
diodo y la tensión de la acción divisora como limitadores en serie. Una resistencia y
el diodo están conectados en serie con la señal de entrada y la señal de salida se
desarrolla a través del diodo. La salida está en paralelo con el diodo, de ahí el nombre
del circuito, limitador paralelo. El limitador paralelo puede limitar ya sea la
alternancia positiva o negativa de la señal de entrada. Recordemos que en el limitador
serie fue desarrollada la salida mientras que el diodo lo estaba llevando a cabo . En el
limitador paralelo la salida se desarrollará cuando el diodo está cortado.
REGULADORES INTEGRADOS (CI)
xiii
Esquema de un Regulador Integrado simplicado (78XX).
Los reguladores de voltaje comprenden una clase de CIs ampliamente. Los
reguladores de CI contienen los circuitos de la fuente de referencia, el amplificador
comparador, el dispositivo de control y la protección contra la sobrecarga, todo en un
CI. A pesar de que la construcción interna de un CI es un tanto distinta de la descrita
para los circuitos de reguladores de voltaje discretos, la operación externa es muy
similar. Las unidades de CI ofrecen la regulación de un voltaje fijo positivo o
negativo o de un voltaje ajustable.
Es posible construir una fuente de alimentación mediante un transformador
conectado a la línea de suministro de ac, opcionalmente se le filtrara mediante un
transformador conectado a la línea de suministro de ac para llevar el voltaje de ac a la
amplitud deseada, luego se rectificara este voltaje de ac, opcionalmente se le filtrara
mediante un capacitor y un filtro RC y finalmente, se regulara el voltaje de dc por
medio de un CI regulador. Es posible seleccionar los reguladores para operar con
corrientes de carga desde cientos de miliamperes hasta decenas de amperes que
corresponden a rangos de potencia de miliwatts hasta decenas de watts.
xiv
Características de las fuentes con reguladores integrados
Vimos como se puede realizar de forma muy sencilla una fuente de tensión
fija regulada. Examinemos ahora las excelentes características que ésta posee a pesar
de lo simple de su diseño.
Comencemos por la regulación de línea, que es un parámetro que establece
cuánto varía la tensión de salida frente a variaciones en la tensión de entrada. Es
posible comprobar que para un cambio de 20 voltios a la entrada se produce una
variación de sólo 4 milésimas de voltio a la salida, con lo cual, podemos suponerla
inmune a los cambios de tensión de entrada.
Otro parámetro importante es la denominada regulación de carga, que indica
cuánto varía la tensión de salida cuando la corriente varía de un mínimo al máximo.
Nuevamente los resultados obtenidos son excelentes: para una variación de corriente
de 1,5 amperes, la tensión de salida solamente se modifica en 10 milésimas de voltio.
También es vital el denominado rechazo al riple. Este valor indica cuántas
veces más chico es el valor de la tensión de rizado a la salida con respecto a la
entrada. Con el capacitor de salida se obtienen valores típicos de 75 dB. Esto implica
que la tensión de rizado a la salida es 5000 veces menor que a la entrada. Esta
característica posibilita la disminución de la capacidad de C1, con la reducción de
costo y tamaño que esto trae aparejado.
REGULADOR DE TENSIÓN DE SALIDA FIJA
xv
Conocido también como regulador de voltaje de tres terminales, Se
encuentran los pertenecientes a la familia LM78xx, donde “xx” es el voltaje de la
salida. Estos son 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18 y 24V, entregando una corriente máxima de
1 Amper y soporta consumos pico de hasta 2.2 Amperes. Poseen protección contra
sobrecargas térmicas y contra cortocircuitos, que desconectan el regulador en caso de
que su temperatura de juntura supere los 125°C.
Cuenta con un voltaje dc de entrada no regulado V i aplicado a una terminal
de entrada, un voltaje dc de salida regulado V 0 en una segunda terminal, y la tercera
terminal conectada a tierra.
REGULADOR DE TENSIÓN DE SALIDA VARIABLE
Conexión del regulador de salida variable
Los reguladores de voltaje también se encuentran disponibles en configuraciones de
circuitos que permiten que el usuario establezca el voltaje de salida en un valor
deseado. La unidad LM317, por ejemplo, puede operarse con el voltaje de salida
regulado en cualquier valor dentro del rango de voltajes de 1.2 a 37 V. Los resistores
R1 y R2 fijan la salida en cualquier voltaje deseado dentro del rango de ajuste (1.2 a 37
V).
xvi
REGULADOR DE TENSIÓN DE ALTA CORRIENTE DE SALIDA
Como ya comentamos, la corriente de salida de un regulador integrado de este tipo es,
en el mejor de los caso, de dos amperios. Este valor puede resultar insuficiente para
algunas aplicaciones de potencia. Es por este motivo que, a través del agregado de
algunos componentes, amplificaremos la corriente de salida hasta casi cualquier
valor. El principio básico es el siguiente:
Observando con detenimiento el diseño, se notará que la corriente de salida circula
ahora también por RL. Al hacer esto provoca una caída de tensión sobre esta
resistencia que, es a su vez, la tensión VBE que se aplica al transistor T1. Cuando la
mencionada tensión que cae sobre RL sea levemente superior a 0,6 voltios T1
comenzará a conducir, evitando de esta forma el grueso de la corriente pase por el
regulador. De esta forma, y con el uso de uno o varios transistores adecuados, se
puede obtener a la salida del regulador casi cualquier corriente.
El cálculo de RL Resulta, según lo indicado arriba, muy sencillo. Entonces será:
RL=VBE/IL
En dónde VBE adopta un valor de 0,7 voltios e IL es la máxima corriente que debe
circular por el regulador. Un valor típico para esta corriente es de 1 amperio.
Realizando los cálculos obtenemos, que para un regulador estándar, RL es de 0.68
ohm 2W.
xvii
En cuánto a T1, sólo basta decir que puede ser cualquier transistor PNP que soporte
la corriente máxima de salida de la fuente. (ADVERTENCIA: dicha corriente es muy
superior a IL). Si es de gran valor es recomendable colocar dos o más transistores en
configuración Darlington.
PROTECCIÓN CONTRA CORTO CIRCUITO
Diagrama de circuito de protección contra corto circuito
Los reguladores están equipados con un circuito de protección cuyo propósito es
limitar la corriente del elemento en serie (o incluso anularla). Los circuitos de
protección se diseñan para estar inactivos bajo condiciones de operación normal y
activarse tan pronto como se intente exceder el correspondiente limite de seguridad.
El propósito del circuito de protección contra sobrecarga es evitar que la corriente que
circula por el transistor en serie exceda un nivel de seguridad predeterminado, como
sucedería, por ejemplo, en el caso de cortocircuitar la salida.
xviii
La técnica en su forma mas simple, se implementa con otro transistor (Q2) y una
resistencia (RSC) . La función de RSC es chequear el valor de I EI y desarrollar una
caída de tensión de valor suficiente para hacer que el transistor de vigilancia Q2
conduzca cuando I EI alcance un nivel de predeterminado de seguridad I EI(max) = I SC
Esto se consigue imponiendo la condición
I 0 (max )=I SC=V BE
RSC
CONCLUSION
xix
Filtros paso bajo
Los filtros paso bajo están conformados por una resistencia y un capacitor esto
eliminan las frecuencias altas dejando solo las bajas comúnmente su uso esta para
hacer que las altas frecuencias de una señal de audio fuesen a un altavoz para sonidos
agudos mientras que un filtro paso bajo haría lo propio con los graves. Otra
aplicación sería la de eliminar los ruidos que provienen de la red eléctrica (50 o
60Hz) en un circuito cuyas señales fueran más altas, pueden hallarse en muchos
lugares desde simples equipos de sonidos hasta en grandes industrias para eliminar
señales.
Regulación de voltaje por BJT
Este tipo de regulador utiliza un transistor en serie con la carga, cada uno de
estos tipos de circuito puede ofrecer un voltaje de salida de dc regulado. Su relativa
simplicidad, funcionamiento silencioso y la disipación de potencia del transistor
aceptable hacen del regulador serie la opción natural para muchas aplicaciones. Un
regulador serie es mas eficiente que un regulador paralelo porque hemos reemplazado
las resistencias serie por el transistor de paso. Ahora, la única pérdida de potencia
significativa es la debida al transistor.
Regulador de voltaje por limitador de corriente
Todo regulador de voltaje intenta estabilizar las tensiones que se aplican en
un circuito o sobre una parte de este. El regulador más sencillo que existe es
el regulador paralelo, este regulador solo requiere de un diodo zener el que se
intercala con frecuencia entre la carga y la fuente de
alimentación mediante resistencias limitadoras y condensadores electrolíticos, pero
este circuito presenta varios inconvenientes comenzando por el propio valor de
xx
voltaje del zener, además en este tipo de circuito la corriente de la carga se ve
limitada por las características del diodo en cuanto a tensión corriente y temperatura
que soporta.
Regulador Integrado (CI)
Muy eficiente y sencillo es el regulador de la familia 78xx, este circuito
integrado con apariencia de transistor existe en dos variantes, los 78xx y los 79 xx, el
primero se trata de un regulador con salida positiva mientras que el segundo caso
hace referencia a un regulador con salida negativa, las siglas xx hacen referencia al
voltaje que regulan, note que es un circuito realimentado y con limitador de corriente,
además tiene una salida en emisor común, para proveer más corriente.
BIBLIOGRAFIA
xxi
Boylestad Nashelsky 2003 Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos
electrónicos, Octava edición: Pearson. Venezuela
Juan Gruvg 2005 Tipos de Reguladores de voltaje con transistores.
Documento en línea.
Disponible: http://www.galeon.com/juangruvg/tarea5.htm. Consulta: 10/01/15
J.I Huircan. Reguladores de voltaje. Documento en Linea.
Disponible: http://quidel.inele.ufro.cl/~jhuircan/PDF_CTOSII/reguieee.pdf
Consulta: 09/01/15
Antony Garcia 2013 Regulador de voltaje de alta corriente con LM317 y
bypass transistorizado. Documento en Linea.
Disponible:http://panamahitek.com/regulador-de-voltaje-de-alta-corriente-
con-lm317-y-bypass-transistorizado/
Consulta: 09/01/15
Horacio munguia 2011 Reguladores de tensión. Documento en línea.
Disponible:
http://paginas.fisica.uson.mx/horacio.munguia/aula_virtual/Cursos/
Instrumentacion%20II/Documentos/Regulacion%20voltaje.pdf
Consulta: 09/01/15
xxii