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Practica 4: Fuentes de Alimentación: Reguladores de Voltaje en Derivación: Diodo Zener y Mediante Circuitos Integrados Jorge E. Cárdenas, Mateo E. Moscoso y Jorge Sánchez

Resumen — Mediante esta práctica se explica el modo de operación del diodo Zener como regulador de voltaje. También se emplearán reguladores de voltaje CI: 7805, 7812 además del regulador LM317, así como la modificación de sus parámetros para obtener el voltaje deseado. Términos para indexación — Rectificación, diodo Zener, regulador de voltaje.

I. OBJETIVOS Generales:  Entender el funcionamiento de una fuente de alimentación de CC, empleando para ello, reguladores de voltaje en derivación: diodos Zener y circuitos integrados. Específicos:  Analizar las aplicaciones del diodo Zener de forma experimental como de forma teórica en la regulación de voltaje, determinando ventajas y desventajas, así como los límites de operación del mismo.  Realizar mediciones sobre los diferentes circuitos reguladores de voltaje, comparar las mediciones de su funcionamiento con los resultados obtenidos mediante el análisis teórico.  Comprobar el funcionamiento básico de los reguladores de voltaje mediante Cl (7805, 7812).  Familiarizarse con la utilización del regulador LM317 y dimensionar sus parámetros para un voltaje de salida deseado.

Fig. 1. Regulador en Serie

Un circuito muestrea el voltaje de salida y proporciona un voltaje de realimentación que se comparará con un voltaje de referencia. 1. Si el voltaje de salida se incrementa, el circuito comparador emite una señal de control que hace que el elemento de control en serie reduzca la cantidad de voltaje de salida, con lo cual se mantiene el voltaje de salida. 2. Si el voltaje de salida se reduce, el circuito comparador emite una señal de control para que el elemento de control en serie incremente la cantidad del voltaje de salida. Regulador de voltaje en derivación: Este tipo de reguladores de voltaje proporcionan regulación al desviar la corriente de la carga para controlar el voltaje de salida.

II. SUSTENTO TEÓRICO Dentro del mercado existen varios tipos de reguladores de voltaje, que se seleccionan según su aplicación, en este caso los resumiremos en tres tipos: regulador de voltaje en serie, regulador de voltaje en derivación y regulador de voltaje de circuito integrado. Regulador de voltaje en serie: El elemento conectado en serie recibe una cantidad de voltaje a la entrada y la regula en un valor deseado a la salida.

Este proyecto se realizó en la Universidad de Cuenca, en el laboratorio de física electricidad y magnetismo. J. E. Cárdenas participó en el proyecto por la Universidad de Cuenca (e-mail: [email protected]). M. E. Moscoso participó en el proyecto por la Universidad de Cuenca (e-mail: [email protected]). J. I. Sanchez participó en el proyecto por la Universidad de Cuenc (e-mail: [email protected]) Docente: Ing. Ciro Mauricio Larco Barros, Msc

Fig. 2. Regulación de Voltaje en Derivación

Una parte de la corriente la utiliza el elemento de control para mantener el voltaje de salida regulado a través de la carga. Si el voltaje de la carga trata de cambiar debido al cambio de la carga, el circuito de muestreo proporciona una señal de realimentación a un comparador, el cual a su vez proporciona una señal de control para variar la cantidad de corriente desviada desde la carga.

Regulador de voltaje de circuito integrado: Estos circuitos contienen los circuitos de fuente de referencia, amplificador comparador, dispositivo de control y de protección contra sobrecarga, todos en una sola unidad de circuito integrado.

Fig. 3. Regulador de voltaje de tres ter mi nales

Las unidades de circuito integrado regulan un voltaje positivo fijo, un voltaje negativo fijo o un voltaje ajustable. Existen reguladores de voltaje positivos de salida fija, los reguladores de voltaje de la serie 78 proporcionan voltajes regulados fijos de 5 𝑉 𝑎 24 𝑉. En la Fig. 4. Ilustramos como se debe conectar este tipo de reguladores.

Gráfica 1. Montaje del Circuito de regulación de voltaje con el diodo Zener.

2) Con ayuda del multímetro, mida el voltaje en CC y en CA tanto en el nodo A (terminales del capacitor C1) como en el nodo B (terminales de la resistencia 𝑹𝑪𝑨𝑹𝑮𝑨 ) de la figura 5, y llene la Tabla I comente los resultados.

Tabla I: Voltajes en los nodos A y B

Nodo A B a)

Voltaje en CC (V) 17.22 12.25

Voltaje e CA (V) 0.46 0.01

Factor de rizo r% 2.67 0.081

Como se modifica el factor de rizo en uno y otro caso. ¿Por qué sucedió esto?

Fig. 4. Conexión de un regulador de voltaje

El capacitor 𝑪𝟏 filtra un voltaje de entrada no regulado 𝑽𝒊 y lo conecta a la terminal IN (entrada) del circuito integrado. La terminal Out (salida) del circuito integrado proporciona un voltaje regulado de +12 V, filtrado por el capacitor 𝑪𝟐 . La tercera terminal del circuito integrado se conecta a tierra GND. III. DESARROLLO REGULADOR DE TENSIÓN MEDIANTE DIODO ZENER 1) Arme el circuito de la figura 5.

Nodo A: El factor de rizo se reducirá considerablemente a mediada que la capacitancia usada en los filtros incremente, sin embargo, el factor de rizo se hará más visible a medida que se incremente la carga del circuito rectificador. Nodo B: si el regulador recorta la señal por debajo del rizado entonces se observa una señal sin rizado, in embargo presenta algo de ruido.

b)

Mida el voltaje CC en la resistencia 𝑅𝐿𝐼𝑀 .¿Puede justificar de alguna forma la presencia de este voltaje y su magnitud ?

𝑉𝑅𝐿𝐼𝑀 = 4.89 𝑉 Es la diferencia de potencial en el nodo A y el nodo B, por lo tanto, es el voltaje que el diodo Zener está recortando

Fig. 5 Circuito rectificador

3) Mediante el Osciloscopio, visualice en el CANAL 1 la señal en terminales del condensador C1 y en el CANAL 2 la señal en la resistencia de carga.

6) Mediante el osciloscopio, visualice en el CANAL 1 la señal entre terminales de C2 y con el CANAL 2 la señal en la resistencia de carga, simultáneamente. Con el circuito en funcionamiento, acerque cuidadosamente la punta del cautín (a temperatura máxima) a la parte metálica del regulador durante un tiempo de 60 segundos. ¿Qué ocurre con la señal a la salida del regulador? Explique el porqué de este fenómeno.

Gráfica 2. Visualización en el osciloscopio de la señal en ter minales del condensador C1 (CANAL 1) y la señal en la resistencia de carga (CANAL 2)

4) Calcule la regulación de voltaje para las resistencias de carga indicadas en la Tabla II. Comente los resultados. Voltaje sin carga (V)= 12.33V Tabla II: Voltaje en las resistencia

𝑅𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 (Ω) 220 470 1000 2200

Voltaje a plena carga (V) 8.35 11.50 12.06 12.22

Regulación % VR

Gráfica 4. Visualización en el osciloscopio de la Señal en ter minales del condensador C2 (CANAL 1) y la señal en la resistencia de carga (CANAL 2)

67.72 93.26 97.81 99.10

REGULADOR DE TENSIÓN 7812 5) Arme la circuitería mostrada en la figura 6

Gráfica 5. Señal a la salida del regulador al afectarse por el cautín. Fig. 6. Circuito rectificador con LM7805

Al incrementar la temperatura la señal de salida empieza a tener un notable aumento de ruido en su señal, sin embargo, la temperatura alcanzada no fue suficiente para causar una variación notable en su señal de salida, esto se debe a su sistema de disipación de calor. 7) Añada a la red de la figura 6 los condensadores 𝑪𝒊 = 𝟎. 𝟑𝟑𝝁𝑭 y 𝑪𝒐 = 𝟎. 𝟏𝝁𝑭

Fig. 7 Armado del circuito Gráfica 3. Montaje del Circuito de regulación de tensión mediante circuito integrado.

¿Cómo se justifica la utilización de los parámetros 𝐂𝐨 y 𝐂𝐢 ? Es necesario la utilización de estos capacitores para eliminar el ruido de ingreso y de salida del regulador de voltaje.

10) Coloque una temperatura en la parte metálica del regulador 7805. Mediante un cronómetro registre el tiempo entre el encendido del circuito y cuando se alcance una temperatura predeterminada(ej. 35 ℃) 𝑇7805 = 58 s

¿Los valores de capacitancia asignados son arbitrarios? Los valores seleccionados son valores que van de acuerdo a las recomendaciones del fabricante. 8) Repita el experimento del punto (6), pero ahora con el circuito de la figura 7. ¿Qué ocurre ahora con la señal de salida del regulador?

REGULADOR DE TENSIÓN 7812 1) Del circuito de la figura 7, reemplace el regulador 7805 por el 7812.

Fig. 8 Cambio del 7805 por el 7812

2) Con ayuda del multímetro, mida el voltaje en CC y CA en los nodos A y B de la figura 8, llene la Tabla IV. Tabla IV: Voltaje en los no dos A y B

Nodo Gráfica 7. Señal a la salida del regulador (con capacitores Ci y Co).

Voltaje CC (V) 18.00 12.03

A B

en

Voltaje e CA (V) 0.17 0.003

Factor rizo r% 0.94 0.02

de

3) Coloque una termocupla en la parte metálica del regulador 7812. Mediante un cronómetro registre el tempo entre el encendido del circuito y cuando se alcance una temperatura predeterminada (ej. 35 ℃) Debido a su sistema de disipación el regulador nunca llego a la temperatura indicada. 4) Compare los tiempos de calentamiento 𝑻𝟕𝟖𝟎𝟓 y 𝑻𝟕𝟖𝟏𝟐 y explique a qué se debe la diferencia entre estos.

Gráfica 8. Señal a la salida del regulador (con capacitores Ci y Co) al afectarse por el cautín.

El ruido en la señal de salida es mínimo y apenas se llaga distinguir, lo que permite concluir que los capacitores están filtrando el ruido de salida. 9) Con ayuda del multímetro, mida el voltaje en CC y en CA en los nodos A (Terminales del capacitor C2) y B(terminales de la resistencia 𝑹𝑪𝒂𝒓𝒈𝒂 ) de la figura 7, y llene la Tabla III. Comente los resultados. Tabla III: Voltaje en los nodos A y B

Nodo A B

Voltaje en CC (V) 18.42 4.93

Voltaje e CA (V) 0.09 0.00

Factor de rizo r% 0.48 0.0

El integrado 7812 disipa con mayor rapidez la energía del circuito debido a que el voltaje que tiene que dispar en forma de calor es menor al voltaje que tiene que dispar el integrado 7805, por la tanto la energía suministrada es menor y su temperatura no aumenta con rapidez. 5) Calcule la regulación de voltaje para las resistencias de carga indicadas en la Tabla V. Comente los resultados Voltaje sin carga (V)= 12.0V Tabla V: Voltaje en las resistencia

𝑅𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 (Ω) 220 470 1000 2200

Voltaje a plena carga (V) 12.02 12.03 12.02 12.03

Regulación % VR 99.84% 99.75% 99.84% 99.75%

Tabla VI: Voltaje de salida

6) En base a los resultados de las Tablas II Y V, desde un punto de vista de regulación de voltaje, ¿qué método recomendaría utilizar en diseño de una fuente de alimentación? Un diseño que utilice un integrado como el 7805 o 7812 permite tener mayor precisión, sin embargo, el uso de un diodo zener permite obtener resultados similares con un costo considerablemente menor.

Parámetros 𝑅1 = 10𝐾Ω 𝑅2 = 3.10𝐾Ω

𝑉𝐶𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 7.85 V

𝑉𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 (Medido) 7.83 V

IV. SIMULACIÓN

Regulador de Tensión LM317

Gráfica 9. Montaje del circuito de regulador de Tensión LM317

1) Armar el circuito de la figura 9 Fig. 14 simulación y señal de salida del circuito la figura 7

Fig. 9. Armado del circuito

2) Dimensione los parámetros R1 y R2, para obtener un voltaje de salida de 7,85V. El voltaje de salida puede calcularse utilizando: 𝑉𝑂 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 ∙ (1 +

𝑅2 ) + 𝐼𝑎𝑗 ∙ 𝑅2 𝑅1

Con valores típicos de 𝑉𝑟𝑒𝑓 = 1.25𝑉 e 𝐼𝑎𝑗 = 100𝜇 𝐴 Colocamos arbitrariamente una resistencia 𝑅1 = 10.01𝐾Ω 𝑉𝑂 −1 𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑅2 = 𝐼𝑎𝑗 1 + 𝑅1 𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑅2 = 3.10 𝐾Ω 3) Con los datos del punto 18, llené la tabla VI. Fig. 15 simulación y señal de salida del circuito la figura 10

Fig. 15 simulación del circuito la figura13

V. CONCLUSIONES  



Fig. 15 simulación y señal de salida del circuito la figura 10

Se comprobó el funcionamiento del diodo Zener, el cual mantiene un voltaje máximo en el circuito protegiéndolo de sobrecargas. Los reguladores de voltaje, por otro lado, fijan el voltaje de salida. Si el voltaje de salida presenta una magnitud mayor o menor a la deseada, entonces el regulador emite una señal de control para regular el voltaje al valor especificado. Las diferencias en los reguladores de voltaje radican en que cada uno de ellos tiene un voltaje de salida específico fijado particularmente. REFERENCIAS

[1]

Robert L. Boylestad y Louis Nashelsky. Electronónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos. Mexico: Pearson, 2009.

ANEXOS

I magen 5. Montaje del Circuito de regulación de voltaje con el diodo Zener.

Fig. 15 simulación y señal de salida del circuito la figura 12

I magen 6. Visualización en el osciloscopio de la señal en ter minales del condensador C1 (CANAL 1) y la señal en la resistencia de carga (CANAL 2)

I magen 9. Circuito en efectos de aumento de te mperatura debido al cautín.

I magen 7. Montaje del Circuito de regulación de tens ión mediante circuito integrado.

I magen 6. Señal a la salida del regulador al afectarse por el cautín.

I magen 8. Visualización en el osciloscopio de la Señal en ter minales del condensador C2 (CANAL 1) y la señal en la resistencia de carga (CANAL 2)

I magen 7. Señal a la salida del regulador (con capacitores Ci y Co).

I magen 8. Señal a la salida del regulador (con capacitores Ci y Co) al afectarse por el cautín.

I magen 9. Montaje del circuito de regulador de Tensión LM317

I magen 10. Dimen sión de paráme tros R1 y R2 para obtener un voltaje de salida de 7.85V.