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• José Luis Guzmán

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Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica 1.

Conceptos y características de las fuentes de polarización

Subtema 1.3 Reguladores de voltaje Conceptos y características generales de las fuentes de alimentación lineales

1

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica

Introducción La mayor parte de los dispositivos electrónicos requieren de voltajes continuos para operar. Las baterías recargables son una opción útil y ecológica, pero tienen un tiempo de operación limitado. Una segunda opción consiste en realizar una fuente de polarización utilizando la red de voltaje alterno (127RMS). La tensión deseada se logra utilizando: Transformador, rectificador, filtro y un dispositivo regulador, para proporcionar diferentes valores de tensión. A esté tipo de esquemas se conoce como regulador lineal y su eficiencia oscila entre el 60% y el 70%.

Figura 3.1. Diagrama a bloques de una fuente lineal 2

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 El objetivo del rectificador es procesar la señal sinusoidal de entrada (VCD=0), para que a su salida se obtenga una señal pulsante (positiva VCD>0 ó negativa VCD VZ  IZ ≥ IZmin

Figura 3.3. Circuito eléctrico para esquema de regulación con diodo Zener. 8

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Reguladores de voltaje con diodo Zener

9

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Análisis para el caso a) Como se debe de cumplir la condición VS>VZ, se establece un flujo de corriente a través de R que se distribuye en el diodo Zener y la carga. Donde se cumple: VS  constante  I S =constante Del circuito se obtiene la ecuación básica: R

VS  VZnom VS  VZnom  IS IZ  IL

Para asegurar la regulación (operación en zona Zener), se toma el caso critico, IZ =IZmin. R

VS  VZnom I Z min  I L

 PR  VS  VZnom  * I S

PZ  VZnom * I Z min

10

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Ejercicio 3.2 Diseñar un regulador con diodo Zener para una corriente en carga de 250mA y un voltaje a la salida aproximado de 5.0 volts, considere que el voltaje de entrada es de 10 Volts. Especifique el diodo a utilizar y la potencia del resistor R. Solución: Utilizando la expresión determinada en el apartado anterior, y considerando un diodo Zener comercial de 5.1V (valor mas cercano) e Izmin=1mA, se tiene entonces:

R

10V  5.1V  19.5 250mA  1mA

PR  10V  5.1V  250mA  1mA   1.23Watts PZnom  5.1V *1mA  5.1mW

Si el regulador queda en circuito abierto, aumentara la circulación de corriente por el Zener de:

Operación nominal 10V  5.1V  251.3mA 19.5  5.1V * 251.3mA  1.28W

 I Z open  PZ max

Cuidado 11

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Análisis para el caso b) Como se debe de cumplir la condición VS>VZ, se establece un flujo de corriente a través de R que se distribuye en el diodo Zener y la carga. Donde se cumple: VS  constante  I S =constante Del circuito se obtiene la ecuación básica: R

VS  VZnom VS  VZnom  IS IZ  IL

I L toma dos posibles valores: I L  I L min para I Z max  I S  I Z max  I L min I L  I L max para I Z min  I S  I Z min  I L max

Para asegurar la regulación (operación en zona Zener), se toma el caso critico, IZ =IZmin. R

VS  VZnom I Z min  I L max

I Z max 

 PR  VS  VZnom  * I S max

VS  VZnom - I L min  PZ  VZnom * I Z max R

Con R conocido, se procede a calcular IZmax, para evaluar la potencia del diodo Zener a utilizar. 12

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Ejercicio 3.3 Diseñar un regulador con diodo Zener para una variación de corriente en carga de 50mA a 250mA y un voltaje a la salida de 5.0 volts, considere que el voltaje de entrada es de 10 Volts. Especifique el diodo a utilizar y la potencia del resistor R. Solución: Utilizando la expresión determinada en el apartado anterior, y considerando un diodo Zener comercial de 5.1V (valor mas cercano) e Izmin=1mA, se tiene entonces:

R

10V  5.1V  19.5  250mA  1mA

PR  10V  5.1V  250mA  1mA   1.23 Watts I Z max 

Operación 10V  5.1V - 50 mA  201.3 mA  PZnom  5.1V * 201.3 mA  1.02 W nominal 19.5 10V  5.1V Si el regulador queda en circuito  I   251.3mA Z open 19.5 abierto, aumentara la circulación PZ max  5.1V * 251.3mA  1.28W de corriente por el Zener de:

Cuidado 13

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Análisis para el caso c) VS es variable con VSmin>VZ, y como IL es constante, se cumple: IS  IZ  IL R

VS  VZnom VS  VZnom  IS IZ  IL

I S toma dos posibles valores: I S  I S min para VS min  I Z min  I S min  I L I S  I S max para VS max  I Z max  I S max  I L para asegurar regulacion : I Z  I Z min para VS  VS min R

VS min  VZnom I Z min  I L

 PRS  VS max  VZnom  *  I Z max  I L 

Con R conocido, se procede a calcular IZmax, para estimar la potencia del diodo Zener. I Z max 

VS max  VZnom - I L  PZ  VZnom * I Z max R

14

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Ejercicio 3.4 Diseñar un regulador con diodo Zener, para una corriente máxima en carga de 250 mA y un voltaje aproximado a la salida de 5.0 Volts, considere que el voltaje no regulado varia de 8 Volts a 12 Volts. Especifique el diodo a utilizar y la potencia del resistor R. Solución: Utilizando la expresión determinada en el apartado anterior, y considerando un diodo Zener comercial de 5.1V (valor comercial) e Izmin=1mA, se tiene entonces: VS min  8Volts

PR  12V  5.1V  *  347.4mA  250mA   4.12W

VS max  12Volts

PZnom  5.1V * 347.4mA  1.77W

R

8V  5.1V =11.55 1mA  250mA

I Z max

12V  5.1V  - 250mA  347.4mA 11.55

I Z open 

Operación nominal

12V  5.1V  597.4mA 11.5

PZ max  5.1V * 597.4mA  3.04W

Cuidado

15

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Análisis para el caso d) Se cumple que VS es variable con VSmin>VZ, y RL variable, este es el caso mas extremo en cuanto a diseño se refiere, para estas condiciones se cumple lo siguiente: La corriente a través del diodo Zener es un mínimo cuando IL es máxima y VS es mínimo. R

VS min  VZnom I Z min  I L max

(1)

La corriente a través del diodo Zener es un máximo cuando IL es mínima y VS es máximo. R

VS max  VZnom I Z max  I L min

(2)

16

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Para resolver el sistema se igualan las dos ecuaciones encontradas (1) y (2), obteniéndose: VS min  VZnom VS max  VZnom  I Z min  I L max I Z max  I L min

(3)

De la ecuación (3) se despeja a Izmax , con la condición de diseño conocida:

I Z min  10 I ZK I Z max 

VS max  VZnom 10  I ZK  I L max   I VS min  VZnom

L min

(4)

PRS  VS max  VZnom  *  I Z max  I L min  PZnom  VZnom  I Z max 17

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Ejercicio 3.5 Diseñar un regulador simple para una variación de corriente en carga de 50mA a 250mA y una variación de voltaje a la entrada de 8V a 12V, con V0=5.1V. Especifique el diodo a utilizar y la potencia del resistor R. Solución: Para lo anterior se considera un diodo Zener comercial de 5.1V e Izmin=1mA, se tiene entonces, de la expresión encontrada: I ZK  0.1*1mA  0.1mA I Z max 

12V  5.1V 10 * 0.1mA  250mA  50mA  547.2mA

8V  5.1V 12V  5.1V R =11.56 547.2mA  50mA

I Z open 

PR  12V  5.1V  *  547.2mA  50mA   4.11W PZnom  5.1V * 547.2mA  2.79W

Operación nominal

12V  5.1V  597.4mA 11.5

PZ max  5.1V * 597.4mA  3.04W

similar 18

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Comparativo de disipación de potencia para los cuatro casos analizados Mas eficiente Caso

Datos

PR

PZnom

PR + PZnom

PRL max

η

a) Vo=5V

Vin=10V IL=250mA

1.23W

5.1mW

1.235W

1.25W

50.3%

b) Vo=5V

Vin=10V IL=(50-250)mA

1.23W

1.02W

2.25W

1.25W

35.7%

c) Vo=5V

Vin=8V a 12V IL=250mA

4.12W

1.77W

5.89W

1.25W

21%

d) Vo=5V

Vin=8V a 12V IL=(50-250)mA

4.11W

2.79W

6.9 W

1.25W

15.3%

Hay que disminuir esta perdida, ¿Cómo?



PRL PR  PZ  PRL

Menos eficiente

19

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Reguladores de voltaje con BJT y diodo Zener

20

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica 2) Regulador con BJT Para aumentar el paso de corriente a la carga y no trabajar con diodos Zener de potencia además de aumentar la eficiencia, se utiliza un transistor como elemento de regulación de corriente y un diodo Zener como elemento de regulación de voltaje, lográndose lo siguiente: • La corriente demandada por la carga es controlada por la unión C-E del BJT. • Se disminuye el paso de corriente por el diodo Zener, disminuyendo su potencia. • VZnom determina y regula el voltaje de salida. • R limita el paso de corriente: Ib e Iz. • El valor de V0 limita el Vznom y VS a utilizar, de acuerdo a : Figura 3.4. Regulador con BJT y diodo Zener

V0  VCESAT  VS  VCE 0

VZnom  V0  Vbe 21

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica a) Regulador con BJT para condiciones constantes

Las condiciones de diseño son: VS e IL constantes, y es el caso mas simple que se tiene para este tipo de esquemas de regulación. Con VS, IL, V0 y hFEmin conocidos, el valor de R se calcula con: Ib 

IC  I L hFE min R

VZnom  V0  Vbe

I Znom  I Z min

VS  VZnom I Znom  I b

PR  VS  VZnom  *  Ib  I Znom  PZ  VZnom * I Znom

PQ  VCE * I L  VS  VL  * I L

V0  VCESAT  VS  VCE 0

A cuidar

I CMAX  I L BVbe  Vznom  VL

Figura 3.5

22

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Ejercicio 3.6 Diseñar un regulador con BJT y diodo Zener para una corriente en carga de 250mA y V0=12V con VS=18V. Especifique el diodo Zener a utilizar, BJT y R. Considere una Izmin=2mA y hFEmin=75. Solución:

Zener

VZnom  12V  0.8V  12.8V

PZnom  12.8V * 2 mA  25.6 mW

250mA Ib   3.33mA 75

BJT

I R  2mA  3.33mA  5.33mA

12V  VCESAT  18V  VCE 0

R

18V  12.8V  975 5.33mA

PR  18V  12.8V  *  5.33mA   27.72 mW

PQ  18V  12V  * 250 mA  1.5 W VCESAT  6V VCE 0  18V

I C max  250mA BVBE  12.8V  12V  0.8V 23

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Resultados de simulación, Ejercicio 3.6

24

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica b) Regulador con BJT a cambios de IL y VS constante Al igual que el regulador con diodo Zener, se puede diseñar el circuito regulador con BJT para que compense cambios de corriente de carga (ILmin, ILmax). Para las condiciones , VS  cte; I L min  I L  I L max Con I L max se establece I b max e I Z min I b max 

I L max hFE min

Caso critico

I R  I b max  I Z min

R

VS  VZnom I Z min  I bmax

I Z max 

se tiene: Con I L min se establece I b min e I Z max I b min 

I L min hFE min

I R  I b min  I Z max

 PR  VS  VZnom  * I R max

VS  VZnom  I b min R

PZ max  VZnom * I Z max PQ  VCE * I L max  VS  VL  * I L max Figura 3.6

25

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Ejercicio 3.7 Diseñar un regulador con BJT y diodo Zener para una variación de corriente en carga de 100mA a 250mA, V0=12V para VS=18V. Especifique el Diodo Zener, BJT y R a utilizar.

considere una Izmin=2mA y hFEmin=75. Zener

Solución: VZnom  12V  0.8V  12.8V

I b max 

250mA  3.33mA 75

18V  12.8V 100mA   3.99mA 975.6 75 PZ  12.8V * 3.99mA  51.16mW I Z max 

BJT I R  2mA  3.33mA  5.33mA 18V  12.8V R  975.6 5.33mA

PR  18V  12.8V  *  5.33mA  27.72mW

PQ  18V  12V  * 250 mA  1.5 W VCE 0  18V  12V   6V I C max  250mA BVBE  12.8V  12V  0.8V

26

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Resultados de simulación, del Ejercicio 3.7

27

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica c) Regulador con cambios de IL y VS Las condiciones de diseño a cumplir son: VS min  VS  VS max ; I L min  I L  I L max VS min  VZnom

 La corriente a través del Zener es mínima cuando: IL es máxima y VS es mínimo, cumpliéndose: I V  VZnom I R  I b max  I Z min con I b max  L max  R  S min (1) hFE min I Z min  I b max  La corriente a través del Zener es máxima: cuando IL es mínimo y VS es máximo, cumpliéndose: I V  VZnom I R  I b min  I Z max con I b min  L min  R  S max (2) hFE min I Z max  I b min

Figura 3.7

28

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 Igualando (1) y (2) con IZmin=10 IZk , se obtiene: I Z max 

VS max  VZnom  I Z min  I b max   I b min VS min  VZnom  PZ max  VZnom * I Z max

PQ  VS max  VL  * I L max

VCE 0  VS min  VL 

29

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Ejercicio 3.8

Diseñar un regulador con BJT y diodo Zener para una variación de corriente en carga de 100 mA a 250 mA y variación de voltaje de entrada de 16V a 20V para V0=12V. Especifique el Diodo Zener, BJT y R a utilizar. Considere una Izmin=2mA y hFEmin=75. Solución:

VZnom  12V  0.8V  12.8V

100mA  1.33mA 75 250mA   3.33mA 75

Zener

I b min 

PZ  12.8V *10.66 mA  136.4 mW

I b max

BJT

20V  12.8V  2mA  3.33mA   I Z max   1.33mA 16V  12.8V  I Z max  10.66mA 20V  12.8V R  600.5 10.66mA  1.33mA

PR   20V  12.8V  * 11.99mA  86.33mW

PQ   20V  12V  * 250 mA  2 W VCE 0   20V  12V   8V I C max  250mA BVBE  12.8V  12V  0.8V

30

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Resultados de simulación del Ejercicio 3.8

31

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Comparativo de disipación de potencia para los tres casos

Menor potencia disipada, tanto en Resistor como en Zener PQ

PR

PZnom

ƩP

PRLmax

η

a) Vin=18V Vo=12V IL=250mA

1.5W

27.7mW

25.6mW

1.55W

3W

65.8%

b) Vin=18V Vo=12V IL=(100-250)mA

1.5W

27.7mW 51.16mW

1.57W

3W

65.5%

c) Vin=16V a 20V Vo=12V IL=(100-250)mA

2W

86.3mW 136.4mW

2.22W

3W

57.4%

Caso

Datos



PRL PQ  PR  PZ  PRL

Eficiencia mas constante y mayor

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Reguladores de voltaje discretos

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Diseño de reguladores discretos Los reguladores discretos presentan numerosas ventajas sobre los reguladores integrados, como son: bajo costo, fiabilidad, exactitud, precisión, mayor manejo de corriente a la carga y control de voltaje a la salida. Existen tres tipos básicos de configuraciones:  Regulador en serie, en el cual un elemento controlado por voltaje es puesto en serie con la carga.  Regulador en paralelo (shunt) en el cual un elemento controlado por corriente es puesto en paralelo a la carga.  Reguladores serie-paralelo, una combinación de los dos esquemas anteriores. Los reguladores que emplean alguna de estas estructuras pueden proporcionar voltaje constante, corriente constante o impedancia constante en la carga para diseños específicos.

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1) Regulador de voltaje tipo serie En la Figura 3.8, se observa el diagrama a bloques de este tipo de regulador.  El bloque amplificador, entrega una señal de error proveniente de la comparación entre una porción del voltaje de salida y el voltaje de referencia.

 La señal de error amplificada se aplica a la entrada del regulador serie, para regular el paso de corriente a la carga.

VS= voltaje de entrada en circuito abierto. ΔVS= variación a la entrada. VR=voltaje de referencia. V0= voltaje de salida. V2= señal de error.

Figura 3.8. Estructura típica de regulador tipo serie

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Elemento de regulación serie  Consiste de “n” transistores conectados en configuración colector común, Figura 3.9.  La función principal de este bloque es amplificar la corriente I1n al valor I1 requerido por la carga.  El número de etapas a utilizar esta determinado por la relación de corrientes I1n a I1.

El transistor seleccionado para el elemento serie, debe de presentar un voltaje de ruptura colector-emisor mayor a: VCE 0  (VS  VS  V0 )

I1n 

I1 hFE1  hFE2  hFEn

V1  VBE11  VBE12  ...  VBE1n

Figura 3.9. Elemento regulador serie, consistente de n-etapas tipo colector común (Darlington)

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Amplificador de error  Las estructuras típicas del amplificador de error se muestran en la Figura 3.10.  Amplifica la diferencia entre una muestra de V0 y el voltaje de referencia VR, entregando la señal Ierror.  Dependiendo de la estabilidad que se requiera, es la configuración particular que se elige para el diseño del regulador.  El esquema (a) es suficiente para un buen diseño experimental.

Figura 3.10. Circuitos típicos para el amplificador de error

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Procedimiento de diseño para el regulador serie 1.- Se enlistan los requerimientos de entrada y salida, en términos de los siguientes parámetros: VS → Voltaje de entrada [V] ΔVS→ Variación del voltaje de entrada [V] RS → Resistencia interna de la fuente de alimentación [Ω] RL0→ Resistencia de carga nominal a la salida [Ω] ΔRL0→ Variación de la resistencia de carga nominal [Ω] V0 → Voltaje nominal a la salida [V] ΔV0 → Variación del voltaje nominal de salida [V] ΔI0 → Variación de la corriente a la salida [A] 2. Seleccionar un valor apropiado para el voltaje de referencia, VREF, del elemento amplificador de error.

• VREF se recomienda se seleccione entre 0.4 y 0.6 veces el valor de V0, un buen inicio es usar: V VREF  0 2

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3.- Seleccionar valores para V2 e I2 basados en las siguientes consideraciones: a) para una etapa, V2=VREF+VONQ

b) I2 deberá de ser menor que la corriente máxima de la fuente de referencia (VREF), se recomienda usar la siguiente consideración: I2 

V I1 , donde I1  I L  0 20 RL 0

4.- Seleccionar al transistor Q11 para que VCEMAX y VCESATMAX satisfagan las siguientes condiciones:   RS VCEMAX  VS  VS  V0  1   R   R  L0 L    RS  VS  VS  V0  1   MAX R   R  S L  V0 con I C  RL 0  RL

VCESAT

Figura 3.11

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La máxima corriente de colector, ICMAX, del transistor Q11 deberá de ser mayor que I1MAX: I CMAX  I1MAX 

V0 RL 0  RL

El transistor deberá de disipar la máxima potencia requerida por el regulador a la temperatura de trabajo. La máxima potencia disipada PDMAX esta dada por las siguientes dos posibles condiciones: si I1MAX

V  VS  V0 V  VS  V0   S entonces : PDMAX  S 2 RS 4 RS

si I1MAX 

2

VS  VS  V0 entonces : PDMAX  VS  VS  V0   I1MAX   I12MAX RS 2 RS

5.- Tomar I1n  0.1  I 2 y seleccionar las n-1 etapas serie adicionales para satisfacer la siguiente condición en I1n: I1n 

I1 hFE11  hFE12  hFE12 hFE1n

hFE1n=Ganancia en CD del Q1n.

Se selecciona el tipo de transistor para cada etapa basado en los requerimientos de corriente de colector para cada etapa.

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6.- Se determina V1, como la suma de los VBE de las n-etapas de los elementos series, a sus respectivas corrientes de operación de colector. V1  VBE11  VBE12  ...VBE1n

7.- Se determina el valor de diseño medio para el VCE en el transistor Q11 por medio de la ecuación: V11  VS  V0 

V0  RS  RL0 RL20  RL2

8.- Se selecciona el valor de R con la condición siguiente: V V R  11 1 I2

9.- Se calcula la transconductancia gm2 requerida para compensar a ΔV0 (etapa de regulación). R L V0  1  VS   RS   Condición importante RL20  g m1  V0  para regular las g m2  R  V2 RS 1 variaciones 1   V0 RL0 RL0  g m1

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De la expresión ΔV0 se despeja a gm2, este valor gobierna el numero de etapas requeridas para la realización del bloque amplificador de error.

g m2

VS  V0 R L V02   V0  R  V2 V0  R  V2  RL20

 V0  R 1  1  1  S   RS    g m1  R  V2  RL0 RL0  g m1 

  

El valor de gm1 se calcula a partir de : g m1 

1 1 1 1   ... g m11 g m11  h fe11 g m1n  h fe11  h fe12  h fe1( n1)

gm1n es la transconductancia a pequeña señal y hFE1n es la ganancia de corriente del Q1n. Ambos parámetros se miden al valor de ICQ para cada Q1n.

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10.- Se selecciona el transistor (Q21) para la primera etapa del amplificador de error.

 Q21 es seleccionado para operar a una corriente de colector máxima I2 al valor de R.  La ganancia a pequeña señal del transistor deberá de ser menor que gm2 x R.  Se selecciona I0 a un valor menor a I2, usualmente I2>10xI0. Figura 3.12

11.- Se selecciona el tipo de amplificador y el numero de etapas. Si es requerido una estabilidad en temperatura, es preferible seleccionar un amplificador tipo diferencial.

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12.- Con I2, V0, V2 y hFE21 conocidos se calcula el divisor resistivo de tensión, importante para estabilizar el voltaje de salida. I 21 

I2 hFE21

R1 

V0  V2 I0

R2 

V2 I 0  I 21

Figura 3.13. Circuito eléctrico final para su armado y pruebas de laboratorio

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Ejercicio 3.9 1.- Condiciones y requerimientos V0  28 V

VS  45 V

VS  5 V

RS  8 

RL0  42 

RL  14 

I L0  0.67 A

V0  0.1 V

I LMIN  0.5 A

I LMAX  1A

Temperatura máxima de chasis =55°C

2.- Se selecciona un Diodo Zener para fijar a VREF. • VREF≈0.5xV0=14V (12 Volts para diodo Zener comercial) • Con una disipación de potencia de 500 mW a 25°C y 400 mW a 55°C. • La máxima corriente que circulara por el Diodo Zener será de: 500mW  41mA @ 25C 12Volts 400mW   33mA @ 55C 12Volts

IVREFMAX  IVREFMAX

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica 3.- Selección de V2 e I2. a ) V2  VREF  VBEon  12  0.8  12.8 Volts 28V  0.66 A 42 I b) I 2  1  0.67 A  33.5 mA 20 20 I1 

Se selecciona I2=10 mA (para minimizar las perdidas en R)

4.- Se selecciona el transistor Q11 para que soporte el voltaje máximo siguiente: VCEMAX VCEMAX VCEMAX

  RS  VS  VS  V0  1    R   R L0 L   8    45V  5V  28V 1    42  56   18 Volts

VCEsatMAX VCEsatMAX VCEsatMAX

  RS  VS  VS  V0  1    R   R L0 L   8    45V  5V  28V 1    42  56   3.8 Volts

28V  1 Amper 42  14 V0   1 Amper RL0  RL

a IC  I CMAX

como : I CMAX  I1MAX por lo que I1MAX 

45V  5V  28V 2  8 

1 Amper  1.37 Amper entonces : PDMAX   50V  28V   1A   8   14W 2

a T  55C

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El transistor RCA-2N1489 cumple con los requerimientos. De la hoja de datos se obtienen los siguientes parámetros: I C  0.67 A

5.- Como I1n 

hFE =50

VBE  0.8V

h fe =30

g m  5 mhos

I 2 10mA = =1mA , se despeja a: 10 10 I 0.67 A 670 hFE11  hFE12  1 = =670  hFE12   13.4 I1n 1mA 50

Este valor de ganancia requerida, se alcanza con una etapa adicional. La corriente en Q11 esta dada por: I 0.67 A I11  1 = =13.4mA hFE11 50 Para la segunda etapa el transistor 2N1481 satisface el requerimiento de : I C  13.4mA y h fe12  13.4

I C  1.5 A

hFE =40

h fe =50

VBE  0.7V

g m  0.7 mhos Figura 3.14

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6.- Calculo de V1 V1  VBE11  VBE12  0.8V  0.7V  1.5V

7.- El valor de V11 esta dado por: V11  VS  V0 

V0  RS  RL0 RL20  RL2

 45V  28V 

 28V  8  42   11 Volts 2 2  42   14 

8.- Calculo del valor optimo de R a partir de: R

V11  V1 11V  1.5V   950 (valor comercial de 1000) I2 10mA

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica 9.- Calculo de gm2: VS  5volts

V0  0.1volts V0  28volts

V2  12.8volts RL  14

g m1 

1 1 1  g m11 g m12 h fe11

RL0  42

RS  8



1 1 1  5 0.75  30

 4.1 mhos

V0  1  28V  1  R   R 5 V  8     S L 14 2  2   RL0  g m1  4.1   42   V0  =0.1 = R 1000x12.8V 8 1 V 1 1  gm2   1  gm2 R 2  S  28V 42 42x 4.1 V0 RL0 RL0 g m1 VS 

0.1 =

5  1.83  g m 2  0.146 mho ( mínimo) 1.19  g m 2 457.1

10.- El transistor RCA-2N1481, cumple con los requerimientos. De la hoja de datos se obtienen los siguientes parámetros: I C  10mA hFE min =20

g m  0.4 mhos  0.1456 mhos

Como el gm del transistor es mayor que el calculado, una etapa es mas que suficiente

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El circuito para el elemento amplificador se muestra en la Figura 3.15. El valor de los resistores R1 y R2 se calculan a partir de : I 10mA I 21  2   0.5mA  500  A hFE21 20 Como I0>>I21, se selecciona a I0=I2=10mA y con V2=12.8 volts

R1 

V0  V2 28V  12.8V   1520 I0 10mA

R2 

V2 12.8v   1347 I 0  I 21 10mA  0.5mA

Figura 3.15. Elemento amplificador para el regulador serie

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica En la Figura 3.16, se muestra el circuito regulador serie final

Figura 3.16. Circuito completo para el regulador serie transistorizado

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En la Figura 3.17, se muestra el circuito eléctrico que se implementa en Pspice para su simulación.

Figura 3.17. Circuito eléctrico para simulación

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Validación en Pspice del Ejercicio 3.9.

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En la Figura 3.18, se muestra el circuito eléctrico con alimentación de línea que se implementa en Pspice para una simulación completa.

Figura 3.18. Circuito eléctrico para simulación completa

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Reguladores de voltaje con C.I.

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Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica c) Regulador encapsulados, C.I.

Para aplicaciones donde se necesita un voltaje de polarización estable y constante, es usual el uso de reguladores de voltaje empaquetados de 3 terminales, este tipo de regulador exhibe ventajas como: costo bajo, incorporan protección a sobre-corriente, protección a sobre-temperatura y fácil de utilizar. El árbol de clasificación se muestra en la Figura 3.19.

Figura 3.19. Clasificación de los reguladores de voltaje de 3 terminales.

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Esquema básico

En la Figura 3.20. se muestra el armado típico de este tipo de reguladores.  C1 se utiliza para reducir el rizo de entrada.  C0 se utiliza para reducir el rizo de salida.  El diodo se utiliza para proteger al C.I y descargar a C0. Limitantes:  Voltaje fijo.  Limitación de corriente.  Para valores de C0 entre 500µF y 5000µF se debe de poner un capacitor de tantalio de 1µF. Figura 3.20. Esquema de conexión básico del LM78XX.

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Datos técnicos LM7805 Texas Instrument

Figura 3.21

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Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Refuerzo de corriente para regulador positivo Los esquemas reguladores de voltaje fijos, se pueden modificar para aumentar el paso de corriente hacia la carga, un esquema de refuerzo de corriente se observa en la Figura 3.22. Funcionamiento:

• RSC se calcula para que a un valor mayor que ISC (short-circuit), se induzca un voltaje de 0.8V. RSC 

VBEON I SC



0.8V I SC

• El VRSC se conecta directamente a la unión base-emisor, por lo que se activa a Q(PNP). • Una vez activado Q se permite el paso del refuerzo de corriente a la carga.

• La máxima corriente de refuerzo depende del ICMAX de Q.

Figura. 3.22. Conexión para refuerzo de corriente

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Refuerzo de corriente para regulador negativo En la Figura 3.23, se muestra el esquema de refuerzo de corriente para un regulador de voltaje de 3 terminales negativo. El principio de funcionamiento es el mismo que para el regulador positivo.

RSC 

VBEON I SC



0.8V I SC

Figura 3.23. Conexión para refuerzo de corriente

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Refuerzo de corriente para regulador negativo en cascada En la Figura 3.24, se muestra el esquema de refuerzo de corriente para varias ramas en paralelo (cascada).

RSC1  RSC 2  RSC 3 

RSCn 

VBE1 I SC



VBE2 I C1MAX VBE3 I C 2 MAX

VBEn I CnMAX

0.8V I SC 

0.8V I C1MAX



0.8V I C 2 MAX



0.8V I CnMAX

Figura 3.24. Conexión para refuerzo de corriente en cascada

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Refuerzo de corriente y protección a sobre-corriente para regulador positivo Para evitar un daño al transistor de refuerzo, se adiciona una etapa de protección de sobre corriente, la corriente se limita al valor máximo de IREFUERZO, el esquema básico se muestra en la Figura 3.25. Funcionamiento: • RSC2 se calcula para que una demanda mayor de IC1 se genere un voltaje de 0.8V. VBE2 0.8V RSC   I CMAX I CMAX

• Previo a la protección de sobrecorriente, se tiene VRSC2=0 y ICQ2=0 entonces RSC1 se calcula con: VBE1  0.8V RSC   I SC I SC VBE1  1V

Figura 3.25. Conexión para refuerzo de corriente

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Refuerzo de corriente y protección a sobre-corriente para regulador negativo En la Figura 3.26, se muestra el esquema básico de protección a sobre-corriente para regulador negativo. Funcionamiento: • RSC2 se calcula para que una demanda mayor de IC1MAX se genere un voltaje de 0.8V. RSC 

VBE2 I CMAX



0.8V I CMAX

• Previo a la protección de sobrecorriente, VRSC2=0 e ICQ2=0 entonces RSC1 se calcula con: RSC 

VBE1 I SC



0.8V I SC

Figura 3.26. Conexión para refuerzo de corriente

Dr. Leobardo Hernández González Academia de Electrónica Ejercicio 3.10

Calcule el valor de RSC para que se active un transistor de refuerzo de 2A a un regulador de voltaje 78005.