Regulación de voltaje 2015-1 Prof. Gustavo Patiño. M.Sc. Ph.D MJ 12- 14 28-04-2015.

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1 Regulación de voltaje 2015-1
Prof. Gustavo Patiño. M.Sc. Ph.D MJ

2 Transformación AC/DC Fig Block diagram of a dc power supply. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

3 Reguladores de Voltaje
Un regulador de voltaje es un circuito cuya finalidad consiste en proporcionar un voltaje constante entre sus terminales de salida. Es necesario que el voltaje de salida se mantenga tan constante como sea posible a pesar de: Cambios en la corriente de carga. Cambios en el voltaje de entrada a la etapa reguladora. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

4 Reguladores de Voltaje (2)
Existen varias formas de implementación de esta función. A continuación se estudiarán algunas de ellas: Regulador con diodo Zener Regulador con circuito integrado Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

5 Regulación de voltaje Regulador con Circuito Integrado 2015-1
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6 Regulador con Circuito Integrado
Algunos diseños de circuitos reguladores se empaquetan en forma de C.I., cuyo diseño presenta un moderado nivel de complejidad que permite al dispositivo exhibir un buen desempeño en su función reguladora. Usando estos elementos integrados como dispositivos base, se pueden construir circuitos reguladores con los cuales se logran altos niveles de rendimiento. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

7 Regulador con Circuito Integrado (2)
A continuación se estudiará un cierto tipo de reguladores en C.I., específicamente integrados de la familia MC78XX, los cuales permiten implementar voltajes regulados de distintos valores: 5V, 6V, 9V, 12V, etc. El símbolo más utilizado para representar este tipo de dispositivos se muestra en la figura 1.9.5: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

8 Regulador con Circuito Integrado (3)
En la figura se muestra el circuito básico que se utiliza para implementar la función reguladora con este tipo de C.I.: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

9 Regulador con Circuito Integrado (4)
Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

10 Regulador con Circuito Integrado (5)
Este circuito está diseñado para entregar un voltaje de salida lo más constante posible ante cambios en el voltaje de entrada y en la corriente de carga. Además, posee circuitos de protección contra cortocircuitos, sobrealimentación y otras funciones que hacen de ésta una muy buena opción a la hora de implementar circuitos reguladores de voltaje. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

11 Regulador con Circuito Integrado (6)
Debido a estas características de funcionamiento, el diseño de circuitos reguladores que utilizan estos dispositivos se simplifica al punto de que basta con escoger el elemento adecuado para el nivel de tensión al cual quiere regularse el voltaje de salida, de acuerdo con su número de referencia, siguiendo la nomenclatura establecida para ello. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

12 Regulador con Circuito Integrado (7)
En el caso de C.I. de la serie MC78XX, los dos últimos caracteres corresponden al voltaje de salida regulado; por ejemplo, el C.I. MC7805 es un regulador de voltaje para 5V. Si bien el diseño consiste simplemente en escoger el integrado adecuado, es necesario asegurarse de que su operación se encuentra enmarcada dentro de los niveles límite de voltaje, corriente y potencia para que su funcionamiento sea el esperado. En especial, se debe asegurar que el voltaje de entrada al regulador esté contenido dentro del rango permitido por el integrado, y que la corriente que exige la carga no sea excesiva. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

13 Ejemplo de Análisis de un circuito con Regulador Integrado
Considere el diseño de una fuente regulada de voltaje DC de 8V, usando un CI MC7808, como muestra la figura. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

14 Ejemplo de Análisis de un circuito con Regulador Integrado (...cont)
La hoja de especificaciones para este CI indica que debe existir una tierra común entre la entrada y la salida, y que la tensión mínima en la entrada del CI debe estar al menos 2 ó 4V por encima de la salida regulada. Para asegurar esta última condición, es necesario filtrar la salida del rectificador. En la figura, CF realiza este filtrado cuando se combina con la resistencia de entrada del CI. La resistencia de entrada equivalente más pequeña del CI está dada por Vsmin/ILmáx. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

15 Ejemplo de Análisis de un circuito com Regulador Integrado (...cont)
Entonces: Donde Vsmáx es la tensión más grande que se aplica al CI, VL es el voltaje esperado en la carga. V es la caída de tensión del capacitor (es decir, la tensión pico más grande aplicada al CI, menos la salida del CI más 4V) . y fp es el número de pulsos por segundo. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

16 Ejemplo de Análisis de un circuito com Regulador Integrado (...cont)
El capacitor de salida Co, se añade para ayudar a aislar los efectos de la variación de carga. El capacitor corta las variaciones de alta frecuencia provenientes de la circuitería de carga. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

17 Circuito regulador lm317 El circuito integrado LM317 sigue las mismas consideraciones a las indicadas anteriormente para la familia MC78XX, con la diferencia de que este circuito permite variar el voltaje de regulación mediante un divisor de voltaje entre su terminal de ajuste, y la terminal de salida de dicho circuito integrado. Esto hace que el LM317 se considere un circuito regulador de voltaje ajustable de tres terminales. La figura presenta una aplicación estándar de este circuito integrado.

18 Diagrama esquemático del interior del lm317
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19 Circuitos de Regulación de Voltaje basado en el lm317
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20 Modelo de spice del circuito integrado regulador de voltaje lm317
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21 Ejemplo del uso de modelo del lm317 em spice
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22 Resultado de la simulación
Señales en el condesador y en la carga

23 Regulación de voltaje El Diodo Zener 2015-1
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24 Operación segura en región de ruptura
If the reverse voltage of a diode exceeds a specific voltage called the breakdown voltage (BV), the diode will operate in the breakdown region. In this region the reverse diode current increases rapidly. The diode voltage remains almost constant and is practically independent of the diode current. However, operation in the breakdown region will not be destructive if the diode current is limited to a safe value by an external circuitry so that the power dissipation within the diode is within permissible limits specified by the manufacturer and the diode does not overheat. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

25 diodo Zener Son diodos en los que la región de operación predeterminada es la región de polarización inversa en la que la curva pronunciada de la región de ruptura de la característica de transferencia i vs v presenta un diferencial de voltaje casi constante, de modo que dicha característica es útil para el diseño de reguladores de voltaje. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

26 Curva Característica de los Diodos Zener
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27 Voltaje y corriente en el diodo Zener
A zener diode is specified by its breakdown voltage, called the zener voltage (or reference voltage) VZ, at a specified test current IZ = IZT. IZ(max) is the maximum current that the zener diode can withstand and still remain within permissible limits for power dissipation. IZ(min) is the minimum current, slightly below the knee of the characteristic curve, at which the diode exhibits the reverse breakdown. That is, IZ(min) ≈IZK. The arrow points toward the positive current iD. In the forward direction, the zener diode behaves like a normal diode. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

28 Detalle de la región de ruptura en los Diodos Zener
Aproximando la característica del Zener a una recta (cerca de Q) se tiene que: Donde rZ se conoce como la Resistencia Dinámica del diodo Zener. Fig The diode i-v characteristic with the breakdown region shown in some detail. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

29 Detalle de la región de ruptura en los Diodos Zener (2)
The value of rZ remains almost constant over a wide range of the zener characteristic. However, its value changes rapidly in the vicinity of the knee point. Thus, a zener diode should be operated away from the knee point. The typical value of rZ is a few tens of ohms, but it increases with current iD. At the knee point of the zener characteristic, rZ has a high value, typically 3 kΩ. The zener current iZ (= -iD) can be related to VZO and rZ by Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

30 Modelo lineal por partes del diodo Zener
Donde: con: Fig Model for the zener diode. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

31 Regulador zener de voltaje
Because of the constant voltage characteristic in the breakdown region, a zener diode can be employed as a voltage regulator. A regulator maintains an almost constant output voltage even though the DC supply voltage and the load current may vary over a wide range. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

32 Regulador zener de voltaje (2)
El circuito básico que se utiliza para implementar la función reguladora con diodo Zener se presenta en la figura: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

33 Regulador zener de voltaje (3)
A zener voltage regulator is also known as a shunt regulator because the zener diode is connected in shunt (or parallel) with the load RL. The value of current-limiting resistance R should be such that the diode can operate in the breakdown region over the entire range of input voltages vS and variations of the load current iL. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

34 Análisis del regulador zener
If the zener diode is replaced by its piecewise linear model with VZO and RZ, the equivalent circuit of the figure is created. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

35 Análisis del regulador zener (2)
If the supply voltage vS varies, then the zener current iZ will vary because of the presence of RZ, thereby causing a variation of the output voltage. This variation of the output voltage is defined by a factor called the line regulation, which is related to Rs and RZ: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

36 Análisis del regulador zener (3)
If the load current iL increases, then the zener current iZ will decrease because of the presence of RZ, thereby causing a decrease of the output voltage. This variation of the output voltage is defined by a factor called the load regulation, which is related to Rs and RZ: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

37 Análisis del regulador zener (4)
Any change in the zener voltage VZO will increase the output voltage. The variation of the output voltage is defined by a factor called the zener regulation, which is related to Rs and RZ: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

38 Análisis del regulador zener (5)
Thus, applying the superposition theorem, we can find the effective output voltage vO of the regulator in the shown circuit as follows:

39 Ejemplo El diodo Zener de la figura está especificado para tener
Vz= 6.8V a Iz=5mA, rz=20Ω, Izk=0.2mA (Datos obtenidos de la hoja de datos del Zener) El voltaje de alimentación V+ es nominalmente de 10V, pero puede variar en ±1V. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

40 Ejemplo (..cont) Encuentre Vo cuando no hay carga y con V+ a su valor nominal. Halle el cambio en Vo que resulta del cambio de ±1V en V+. Encuentre el cambio en Vo que resulta de conectar una resistencia de carga RL=2kΩ. Encuentre el valor de Vo cuando RL=0.5kΩ ¿Cuál es el valor mínimo de RL para el cual el diodo todavía opera en la región de ruptura? Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

41 Solución al ejemplo Primero debemos determinar el valor del parámetro Vzo del modelo del diodo Zener. Al sustituir Vz= 6.8V, Iz=5mA, rz=20Ω, en la ecuación resulta Vzo= 6.7V. En la siguiente figura, se muestra el circuito con el diodo Zener reemplazado por su modelo. Cuando no hay carga conectada, la corriente que pasa por el Zener está dada por: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

42 Solución al ejemplo (..cont)
Para un cambio de ±1V en V+, el cambio en el voltaje de salida se puede encontrar a partir de: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

43 Solución al ejemplo (..cont)
Cuando se conecta una resistencia de carga de 2kΩ, la corriente de carga será aproximadamente 6.8V/2kΩ=3.4mA. Entonces el cambio en la corriente de Zener será ΔIz=-3.4mA y el cambio correspondiente en el voltaje Zener (voltaje de salida) será de: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

44 Solución al ejemplo (..cont)
Se puede obtener una estimación más precisa de ΔVo al analizar el circuito del modelo equivalente del Zener. El resultado de este análisis es ΔVo=-70mV. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

45 Solución al ejemplo (..cont)
Una RL de 0.5kΩ tomaría una corriente de carga de 6.8/0.5=13.6mA. Esto no es posible porque la corriente I alimentada a través de R es de sólo 6.4mA (para V+=10V). Por lo tanto el Zener debe apagarse. Si éste es el caso, entonces Vo está determinado por el divisor de voltaje formado por RL y R: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

46 Solución al ejemplo (..cont)
Como este voltaje es menor que el voltaje de ruptura del Zener, de hecho el diodo ya no opera en la región de ruptura. Para que el Zener se halle en el borde de la región de ruptura, Iz=Izk=0.2mA y Vz≈ Vzk≈ 6.7V. En este punto (en el peor de los casos) la mínima corriente alimentada a través de R es (9-6.7)/0.5=4.6mA y entonces la corriente de carga es =4.4mA. El valor correspondiente de RL es: RL = 6.7/4.4 ≈ 1.5kΩ. de Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

47 Ejemplo de un regulador Zener
**** INCLUDING zener-SCHEMATIC1.net **** * source ZENER R_Rs V_Vs v D_D D1N750 R_RL {Rval} .PARAM Rval=100 *Analysis directives: .DC LIN V_Vs .STEP PARAM Rval LIST 940, 94 .PROBE V(*) .END

48 Esto es: A menor RL se requiere más voltaje en la fuente de entrada que permita que el zener actúe como regulador con su valor aproximadamente constante. A qué se debe esto ??

49 Diseño del regulador Zener en paralelo
Del circuito se observa que la mínima corriente Zener se presenta cuando VS está a su mínimo e IL está a su máximo. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

50 Diseño del regulador Zener en paralelo
La resistencia Ri debe ser tal que el diodo permanezca en el modo de voltaje constante sobre el intervalo completo de variables. Del circuito se obtiene que en general:

51 Diseño del regulador Zener en paralelo (2)
Para asegurar que el diodo permanezca en la región de voltaje constante (ruptura) se examinan los dos extremos de las condiciones de entrada-salida. La corriente a través del diodo iZ es mínima cuando la corriente de carga iL es máxima y la fuente de tensión vS es mínima. La corriente a través del diodo iZ es máxima cuando la corriente de carga iL es mínima y la fuente de tensión vS es máxima. Caso de VZ constante (Diodo zener ideal)

52 Diseño del regulador Zener en paralelo (3)
Para el caso de un diodo más real, el cambio en las ecuaciones sería sólo en la expresión del voltaje en el Zener, tanto en condición de corriente mínima en el Zener, como su condición de corriente máxima: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

53 Análisis del circuito y ecuaciones (2)

54 Consideraciones generales sobre el diseño de reguladores con Zener
Es necesario conocer los niveles extremos del voltaje que desea regularse, así como el nivel de voltaje que se desea a la salida. Con base en dichos datos se escoge el diodo Zener adecuado, a fin de luego determinar el valor de la resistencia Ri que asegure su correcto funcionamiento (usando las ecuaciones y ), y así completar el diseño de la configuración básica presentada en la figura 3.35 (Sedra/Smith, Cuarta Edición). Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

55 Transformación AC/DC Fig Block diagram of a dc power supply. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

56 Ejemplo: Análisis en SPICE de una Fuente de Voltaje DC
R R= ? C= ? Fig. 3.33: A 5V regulated Power supply Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

57 Especificaciones de diseño
Let us consider using the circuit configuration shown in Fig to design a 5V power supply for an application that requires a maximum load current of 20mA. The 120Vrms AC household voltage is stepped down to a 12 Vpeak level using a center-tapped transformer with each coil on the secondary side having a turns ratio of 14:1 with respect to the primary coil. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

58 Especificaciones de diseño (...cont)
Further, we have at our disposal a zener diode that has V_Z=5.1 V at a current of 20 mA and has a dynamic resistance r_z=10 Ohms. We also know that the minimum zener diode current must be limited to 5 mA if we are to maintain the diode in its breakdown region. Assuming that the input voltage to the voltage regulator circuit ranges between 9 and 12 V, design the Voltage Regulated Power Supply. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

59 Segmento del código en Spice con la solución del ejemplo
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60 Segmento del código en Spice con la solución del ejemplo (...cont)
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61 Segmento del código en Spice con la solución del ejemplo (...cont)
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62 Resultado de la simulación
Señales en el condesador y en la carga C= 193.7uf

63 Resultado de la simulación (..cont)
Zoom en el voltaje en el condensador Vr = – = 707.6mV C= 193.7uf

64 Resultado de la simulación (..cont)
Señales en el condesador y en la carga Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

65 Resultado de la simulación (..cont)
Zoom en el voltaje en el condensador Vr = 9.47 – = 245.8mV C= 583uf

66 Resultado de la simulación (..cont)
Análisis del comportamiento del regulador para varios valores de carga RL

67 Resultado de la simulación (..cont)
Voltaje de salida del regulador para diferentes valores de carga

68 Desempeño de un circuito regulado mediante diodo Zener
Circuito Equivalente

69 Desempeño de un circuito regulado mediante diodo Zener (2)
Esta configuración permite entregar un voltaje Vo casi constante al bloque de carga, a pesar de cambios en la corriente exigida por ella, y de variaciones en el voltaje de entrada. Analizando dicha configuración: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

70 Desempeño de un circuito regulado mediante diodo Zener (3)
Para medir el desempeño de un circuito regulador se usan dos parámetros: Regulación de Línea: Expresa el cambio en Vo debido a un cambio de 1V en Vs. Regulación de Carga: Expresa el cambio de Vo debido al cambio de 1mA en IL.

71 Desempeño de un circuito regulado mediante diodo Zener (4)
De la relación anterior y los conceptos de regulación de línea y regulación de carga se tiene que para este regulador con diodo Zener: Regulación de línea Regulación de carga

72 Desempeño de un circuito regulado mediante diodo Zener (5)
Generalmente rz << R, y la regulación de carga está determinada casi por entero por el valor de rz. La última ecuación también indica que sería deseable un valor grande de R, pero hay un límite superior en el valor de R para asegurar que la corriente que pasa por el diodo Zener nunca se haga demasiado baja. De lo contrario, rz aumentará y la operación del zener se degradará. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

73 Análisis del circuito y ecuaciones

74 Aporte del estudiante Para el estudiante:
En tu tiempo extra-clase, de qué manera puedes complementar el contenido dado en esta clase ? Qué información adicional complementa y ayuda a comprender mejor el contenido de estas diapositivas ? Qué preguntas te surgen de esta clase? Qué respuestas le das a dichas preguntas? Busca más bibliografía e información adicional que complemente tus respuestas y el contenido de esta clase. Consulta oportunamente al profesor del curso para complementar tus respuestas y resolver tus dudas restantes. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia