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• Guillermo Caballero

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ELECTRÓNICA ANÁLOGA

UNIDAD 2 Transistores unipolares y Tiristores

FASE 2 Diseñar la etapa reguladora de voltaje

Universidad Nacional Abierta y a Distancia UNAD Escuela de Ciencias Básicas Tecnología e Ingeniería Octubre 2017

INTRODUCCIÓN

El contenido del presente trabajo ilustra la solución a la fase 2 del curso Electrónica Análoga, construida de forma colaborativa. En el documento encontraremos el desarrollo de la actividad con los respectivos cálculos matemáticos solicitados en la guía de actividades para dar solución al problema planteado y lograr obtener un circuito regulador de voltaje que mantenga constante el valor de salida independiente del voltaje de entrada. El diseño tendrá como inicio una entrada de voltaje alterno correspondiente al suministro de energía residencial aproximadamente 120Vac, un transformador reductor para tomar una parte de este voltaje y dispositivos semiconductores que harán las etapas de rectificación de onda por medio de diodos de silicio y etapa de regulación por medio de transistores y amplificadores operacionales. Finalmente contara con capacitores electrolíticos para el filtrado de la onda rectificada y resistencias para la configuración del regulador. Con el desarrollo de la actividad buscamos dar solución a un problema que surge de la necesidad de alimentar diferentes dispositivos eléctricos y electrónicos, que son utilizados a diario por el ser humano en las actividades laborales, industriales y domésticas.

Desarrollo de la actividad

El problema:

Suponga que trabaja para una compañía que diseña, prueba, fabrica y comercializa varios instrumentos electrónicos, incluyendo fuentes de alimentación de CC. Su primera asignación es, desarrollar y probar en el simulador Pspice Student 9.1 (o cualquier otro simulador que sepa usar) una fuente de alimentación rectificada por puente de diodos y regulada por un circuito regulador serie discreto (amplificador operacional y transistor de paso Darlington.) La Fuente de Alimentación debe satisfacer las siguientes especificaciones: ♦ Corriente de carga regulada: 720mA ♦ Voltaje DC de salida regulado: 10V.

En esta fase se debe diseñar el circuito que tendrá como objetivo mantener constante el voltaje de salida, independientemente de las variaciones en el voltaje de entrada o de la corriente demandada por la carga.

El tipo de regulador solicitado en el diseño de la fuente de alimentación es el regulador de tensión lineal o serie por una etapa de tensión referencia lograda con un regulador Zener, un circuito de muestreo el cual detecta variaciones de tensión en la salida esto se logra con dos resistores en configuración de divisor de voltaje, el amplificador de error o circuito comparador se usa un amplificador operacional y finalmente como elemento de control se usa un transistor Darlington.

Referencia De Tensión: En este punto del diseño de la fuente alimentación regulada se debe elegir un diodo Zener cuyo valor de Voltaje Zener sea el voltaje de referencia de nuestro circuito regulador de tensión, en este punto se debe hallar el valor de la resistencia limitadora de corriente que mantendrá al Zener en un punto de operación seguro.

2.1 Usando la hoja del fabricante del Diodo Zener 1N750 completar siguiente tabla:

𝑽𝒛 𝟒, 𝟕 𝑽

𝑰𝒛𝒎𝒂𝒙 𝟕𝟓𝒎𝑨

𝑷𝒛𝒎𝒂𝒙 𝟓𝟎𝟎𝒎𝑾

2.2 Luego de conocer los valores de VZ e Izmax para el diodo 1N750 se debe hallar el valor de RS que es la resistencia limitadora de corriente para mantener al diodo Zener en un punto de trabajo seguro. 𝑅𝑠 = (𝑅𝑠𝑚𝑖𝑛 + 𝑅𝑠𝑚𝑎𝑥)/2 𝑅𝑠𝑚𝑖𝑛 = (𝑉𝑠 − 𝑉𝑧)/𝐼𝑧𝑚𝑎𝑥 𝑅𝑠𝑚𝑖𝑛 = (18,6𝑉 − 4,7𝑉)/0,075𝐴 𝑅𝑠𝑚𝑖𝑛 = 13,9𝑉/0,075𝐴 𝑹𝒔𝒎𝒊𝒏 = 𝟏𝟖𝟓, 𝟑Ω

𝑅𝑠𝑚𝑎𝑥 = (𝑉𝑠 − 𝑉𝑧)/𝐼𝑧𝑚𝑖𝑛 𝐼𝑧𝑚𝑖𝑛 = 𝐼𝑧𝑚𝑎𝑥 ∗ 0,15 𝐼𝑧𝑚𝑖𝑛 = 0,075𝐴 ∗ 0,15 𝑰𝒛𝒎𝒊𝒏 = 𝟏𝟏, 𝟐𝒎𝑨

𝑅𝑠𝑚𝑎𝑥 = (18,6𝑉 − 4,7𝑉)/0,0112𝐴 𝑅𝑠𝑚𝑎𝑥 = 13,9𝑉/0,0112𝐴 𝑹𝒔𝒎𝒂𝒙 = 𝟏𝟐𝟒𝟏Ω 𝑅𝑠 = (𝑅𝑠𝑚𝑖𝑛 + 𝑅𝑠𝑚𝑎𝑥)/2 𝑅𝑠 = (185,3Ω + 1241Ω)/2 𝑹𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒍𝒊𝒎𝒊𝒕𝒂𝒅𝒐𝒓𝒂 𝑹𝒔 = 𝟕𝟏𝟑, 𝟏𝟓Ω

2.3 ¿Porque IZ es aproximadamente igual a IS? - Porque se encuentran conectadas en serie de modo que pueden tener diferente tensión pero su corriente será aproximadamente la misma. 𝑰𝒔 = (𝑉𝑠 − 𝑉𝑧)/𝑅𝑠 𝑰𝒔 = (18,6𝑉 − 4,7𝑉)/713,15Ω 𝑰𝒔 = (13,9𝑉)/713,15Ω 𝑰𝒔 = 𝟏𝟗, 𝟒𝟗𝒎𝑨 𝐼𝑠 = 𝐼𝑧 𝑃𝑧 = 𝑉𝑧 ∗ 𝐼𝑧 𝑃𝑧 = 4,7𝑉 ∗ 0,01949𝐴 𝑷𝒛 = 𝟗𝟏, 𝟔𝟎𝒎𝑾 𝑽𝒔 𝟏𝟖, 𝟔𝑽

𝑰𝒛𝒎𝒊𝒏 𝟏𝟏, 𝟐𝒎𝑨

𝑰𝒔 𝟏𝟗, 𝟒𝟗𝒎𝑨

𝑹𝒔 𝟕𝟏𝟑, 𝟏𝟓Ω

𝑷𝒛 𝟗𝟏, 𝟔𝟎𝒎𝑾

Circuito de muestreo y amplificador de error El circuito de muestreo está constituido por dos resistencias R1 y R2 que forman un divisor de tensión, el valor de R2 se toma de manera arbitraria y en este proyecto será de 1KΩ. Se sabe que el valor de tensión de salida del regulador Vsal = 10 V y como se cuenta con el valor de R2 se puede entonces proceder a encontrar el valor de R1 despejando de la siguiente fórmula de divisor de tensión.

𝑉𝑠𝑎𝑙 = (

𝑅1 + 1)𝑉𝑧 𝑅2

También es necesario tener en cuenta que la tensión de salida del divisor de tensión debe de ser igual a la tensión de referencia entonces:

𝑉𝑎 = 𝑉𝑧

2.4 Hallar el valor de R1

𝑅1 = ( 𝑅1 = (

𝑉𝑠𝑎𝑙 − 1)𝑅2 𝑉𝑧

10𝑉 − 1)1000 4,7𝑉

𝑅1 = (2,127 − 1)1000 𝑅1 = 1,127 ∗ 1000 𝑹𝟏 𝟏, 𝟏𝟐𝑲Ω

2.5 Para elegir el amplificador operacional a usar en el diseño se debe tener en cuenta la tensión de polarización que este puede soportar para ello se debe verificar en la hoja del fabricante si el amplificador operacional uA741 puede ser implementado sin ser destruido: 𝑽𝒑𝒔𝒂𝒍 𝟏𝟖, 𝟔𝑽

𝑽𝒄𝒄 ±𝟐𝟐𝑽 𝑉𝑠 = 𝑉𝑝𝑠𝑎𝑙

2.6 ¿Es seguro usar este amplificador operacional uA741? Responda sí o no y justifique su respuesta. SI X

NO

PORQUE Sabiendo el datasheet del fabricante del amplificador uA741, los valores se encuentran dentro de los márgenes establecidos, así mismo la tensión regulada tiene un valor de 10 V.

2.7 Responda si la siguiente afirmación es falsa o verdadera y ¡Justifique porqué! -

“El amplificador operacional usado en el circuito regulador serie está configurado como amplificador integrador”

R- Es falso, teniendo en cuenta que un circuito derivador es la manera contraria a un circuito integrador, esto generaría inconvenientes en el circuito del amplificador operacional.

2.8 Calcule la ALC ganancia de lazo cerrado de amplificador:

𝐴𝐿𝐶 1,89

𝐴𝐿𝐶 =

Simulación

𝑅1 + 𝑅2 = 1,89 𝑅1

CONCLUSIONES

Con el desarrollo de esta fase de nuestro curso Electrónica Análoga, concluimos la etapa reguladora de voltaje, logrando adquirir e interiorizar los conocimientos necesarios basados en ecuaciones y diagramas para el diseño y simulación de un circuito que permita la estabilización de la tensión de salida en la fuente propuesta en la guía y pasar a la siguiente etapa correspondiente a la implementación del elemento de control y la protección contra corto circuitos. Así mismo, hemos fortalecido nuestros conocimientos para hacernos más competentes en la solución de problemas a los que nos enfrentaremos en la cotidianidad como futuros Ingenieros.