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Universidad de Nariño Ingeniería Electrónica Electrónica I Fuente Regulada con diodo Zener La red eléctrica en Colombia tiene un voltaje común de 110 V, a 60 Hz de frecuencia; cada aparato electrónico que se posee es enchufado a un voltaje de utilización cercano, sin embargo no todos los componentes internos del sistema manejan dicho voltaje, algunos usan voltajes mucho menores que si son expuestos a uno mayor se dañarían fácilmente. La red eléctrica en realidad trabaja con corriente alterna (fig.1) y los aparatos y sus componentes (la mayoría) con corriente continua (fig.2) por lo que es necesario una Fuente de Alimentación que transforme la corriente alterna en una continua o regulada a valores específicos. Fig.2

Fig.1

Aunque la mayoría de dispositivos utilizan corriente continua (c.c) y no alterna (c.a), casi ninguno de ellos soporta el voltaje total que brinda la red eléctrica por lo que, además de transformar la fuente de c.a a c.c, también se debe disminuir el valor de voltaje haciéndolo cercano al requerido. En el presente caso, una Fuente Regulada, se usará el siguiente diagrama (fig.3) como base para la creación de la fuente necesaria para brindar un voltaje específico que identificaremos después.

Fig.3

A. Transformador de entrada:

Fig.4

Siendo necesario reducir la tensión a una que sea adecuada para los dispositivos, se usa un transformador (transformador, fig. 4) que reducirá el voltaje a uno de salida mucho menor, sin embargo este proceso mantendrá la corriente alterna, por lo que sólo se reducirá la amplitud de la onda, más sus características de potencia seguirán intactas. El transformador, gracias a la inducción eléctrica, convertirte la energía eléctrica alterna de entrada Vp en una de cierto nivel de tensión menor Vs.

B. Rectificador con diodos: Por el transformador se consigue un voltaje menor al de la red eléctrica, ahora es necesario conseguir que sea c.c. La corriente alterna tiene características tanto positivas como negativas, muy contrario a una corriente continua que solo posee positivas (o negativas si es necesario), es decir, se mantiene constante en un valor fijo de voltaje. El diodo permite el paso de corriente en un único sentido, se dará uso a uno de estos dispositivos para rectificar la red alterna a valores netamente positivos. Se usa un circuito de media onda con el que será posible observar las características del voltaje de salida (fig.5).

Fig.5

Aunque se logra que la corriente sea solamente positiva, el esquema miestra que para valores negativos del voltaje alterno, el votaje de salida (Vs) es cero. Si por el contrario, polarizamos el diodo de forma inversa obtendremos un Vs inverso, donde en valores positivos vale cero y en negativos se genera la onada.

Sin más divagaciones, usamos un rectificador de onda completa, o puente de diodos, que permite que Vs sea completamente positiva (fig.6). Esto se debe a que cada que la corriente circula, dos de los diodos serán inversos y dos directos, permitiendo que la onda sea pulsante en valores positivos.

Fig.6

C. Filtro: Dado que aún la onda no es constante, si no que varia entra valores de cero a el voltaje obtenido, se debe buscar la forma de hacer que la onda sea cada vez más plana. Para eso se hace un filtro de la onda mediante un condensador. Se tiene un condensador en paralelo con una resistencia, alimentados por una corriente alterna.

En el instante inicial el condensador está descargado y la tensión de alimentación lo carga. Al cabo de un tiempo el condensador estará completamente cargado. Sin embargo, el condensador comenzará a descargarse por la resistencia de carga RL, pero casi nada más empezar a descargarse, el generador de alterna lo detectará y empezará a cargarlo de nuevo, por lo que nunca se descargará por completo. La Tensión en RL o de salida, al estar en paralelo con el condensador, será la misma que tenga el condensador, por eso la onda de la tensión de salida será (fig.7) una onda rectificada, de tal forma que solo tendrá la cresta de la onda.

El condensador estará cargándose y descargándose constantemente. Aun así, existen unas pequeñas variaciones en la tensión llamadas Fig.7 tensión de rizado, el factor de rizado es la medida de la cantidad en que se suaviza la onda. Además se llama tensión de rizado a la variación alterna de la tensión de salida después de rectificada. Esta tensión de rizado es debida a la carga y descarga de los condensadores. La onda resultante (fig.7) aún no llega a ser constante, por lo que falta sólo estabilizarla. D. Regulador lineal: El circuito estabilizador necesario para el sistema es un diodo Zener, paralelo a una resistencia de carga RL. También llamado circuito regulador (fig.8) que permite que el valor del voltaje se vuelva fijo a un valor Vz dado por el diodo.

Fig.9

El diodo Zener proveé un valor de voltaje fijo Vz que al estar en paralelo con RL brindará dicho valor, lo que resultará en un valor resultante totalmente plano.

Fig.8

Ya al final, obtendremos el plano que se seguirá para generar una fuente regulado con diodo Zener que nos permita convertir la corriente alterna de la red eléctrica en una continua.

Análisis Matemático Para finalmente generar una fuente regulada para un voltaje específico, necesitaremos deducir algunos valores y porcentajes para que todos los elementos del circuito funcionen tal como deben sin cambiar el resultado requerido ni presentar daños. Por lo que realizaremos todos los pasos explicados anteriormente. Regulador Lineal: Antes siquiera pensar en qué tipo de transformador usar, se necesita fijar cuál será el valor de voltaje de salida que requerimos. Haciendo uso de un regulador con diodo Zener en un sistema en el que se deberá deducir los valores de voltajes máximos y mínimos en los cuales el diodo funciona. En el caso presente, será un Zener de referencia 1N4747A con un voltaje de Vz= 20 v con una corriente máxima de Izmáx=12,5mA. Por lo que, estando el Zener en paralelo con la resistencia de carga RL, el voltaje Vz será el voltaje de salida Vout. Para conocer los valores de voltaje (máximos y mínimos) del V variable, se establecen un valor fijos de la resistencia RL= 1600Ω y R=220 Ω. Entonces: 𝑅 + 𝑅𝐿 220 + 1,6𝐾 𝑉𝑚í𝑛 = 𝑉𝑧 ( ) = 20 ( ) 𝑅𝐿 1,6𝐾 𝑉𝑚á𝑥 = 𝐼𝑇 𝑅 + 𝑉𝑧 ,

𝑉𝑧 = 𝑉𝐿 ,

𝑉𝑚í𝑛 = 22,7 𝑣

𝑉𝐿 𝐼𝑇 = 𝐼𝑧 + 𝐼𝐿 = 12,5𝑚𝐴 + ( ) , 𝑅𝐿

20 = 25𝑚𝐴 1,6𝐾Ω 𝑉𝑚á𝑥 = 25𝑚𝐴(220) + 20 = 25,5 𝑣 𝐼𝑇 = 12,5𝑚𝐴 +

Se obtienen los valores de voltajes máximos y mínimos en los que el Zener funciona bien; el rango [22,7, 25.5] serán todos aquellos valores de voltaje en donde se obtiene el voltaje esperado de 20v y aumentará la posibilidad de que no haya fallas o daños en el propio diodo. Para calcular el valor del condensador, se necesita el voltaje que brinda el transformador; en el presente es de un voltaje de salida de 28v. Entonces obtenemos el voltaje eficaz (o valor cuadrático medio): 𝑉𝑟𝑚𝑠 = 28𝑣 Sin embargo, no es el voltaje que se necesita para calcular el capacitor. El necesario es el voltaje pico a pico, es decir, el voltaje que posee la amplitud total de la onda que genera el trasformador. 𝑉𝑝𝑝 = 28𝑣(√2) = 39,6 𝑣 Para ya calcular el valor del filtro, se usa la siguiente ecuación que relaciona el voltaje de rizo (Vz), la frecuencia que maneja el transformador (f, que generalmente es de 60Hz para Colombia) y la corriente de salida que brindará el condensador al sistema de diodo Zener.

1 1 𝐶 = 𝐼𝑠 ( )( ) 2(𝑓) 𝑉𝑟 Por donde se asegura que los valores que deducimos de máximos y mínimos de voltaje del sistema Zener sean aquellos que soportan el condensador, o sea, la máxima diferencia de potencial que actúa en el capacitor sin que se perfore el dieléctrico. Dado que aún es corriente alterna, es un poco menor a lo usual (a la de corriente continua) por el calentamiento de la carga y descarga del mismo. El valor 𝑉𝑟 se tomará respecto a la regla del diez por ciento (10%), aunque usualmente sus valores oscilan cercanos a 1, deducido desde el valor medio.

𝑉𝑚𝑒𝑑 =

2𝑉𝑝 𝑉𝑚á𝑥 + 𝑉𝑚í𝑛 2(39,6) ó = ≈ 25 𝑣 𝜋 2 𝜋 𝑉𝑟 = 𝑉𝑚𝑒𝑑 ∗ 10% = 2,5𝑣

Así: 1 1 𝐶 = 25𝑚𝐴 ( )( ) = 83,5𝜇𝐹 ≈ 100𝜇𝐹 2(60𝐻𝑧) 2,5𝑣 Se puede aproximar el valor del condensador debido a que la exactitud no es un valor crítico en su uso. No obstante, presentará cambios pero totalmente despreciables. Finalmente, se podrá generar la fuente regulada a partir de un diodo Zener.

Referencias https://www.electronicafacil.net/tutoriales/Fuentes-alimentacion.php http://www.areatecnologia.com/electronica/fuente-alimentacion.html www.alldatasheet.com/1n4744a www.alldatasheet.com/1n4747a