• Author / Uploaded
• Paul Valdiviezo

Citation preview

Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Eléctrica

Pre-Informe Experiencia Nº 1: Fuente Regulada

Curso: Sección: Integrantes:

EL54A Laboratorio de Electrónica 2 Diego Muñoz Carpintero Leonardo Moreno Bustamante

Introducción El curso EL54A Laboratorio de Electrónica tiene como objetivos familiarizarse con bastante detalle en los procesos de diseño y construcción de circuitos. Además, se aprovecha de repasar los conceptos necesarios para su comprensión. Para esto se trabajará con circuitos de vasto uso, para que los conocimientos aprendidos sean realmente beneficiosos. En esta primera sesión, se trabaja en el diseño, simulación y construcción de una fuente regulada. Para el diseño es necesario un conocimiento teórico previo sobre rectificadores, filtros y elementos activos. El diseño se realizará con requerimientos muy relacionados con la realidad, y se hará con el apoyo de los datasheets de los circuitos integrados utilizados. Luego del diseño se procede a simular los circuitos en PSPICE, de manera de comprobar si el diseño a sido adecuado o no antes de gastar gran tiempo en la implementación física del circuito. Posteriormente se construye el circuito diseñado, y se realizan las pruebas para determinar si en la realidad el circuito se comporta como era esperado. Entonces, se le pueden hacer modificaciones a éste para que se comporte como uno quiere, en cuyo caso hay que realizar las pruebas nuevamente, o se deja tal como está si se comporta bien. Finalmente se analiza todo el proceso de diseño, simulación, construcción y modificación (si es que la hay) para establecer claramente los aprendizajes y conclusiones (claro que esto se mencionará en el informe final, no en este preinforme).

Objetivos Esta primera sesión experimental tiene como objetivos: •

Familiarizarse con sistemas de regulación de tensión y sus etapas de protección.

•

Diseñar una fuente regulada en base al circuito integrado LM723.

•

Diseñar una fuente regulada en base al circuito integrado LM317.

•

Familiarizarse con el trabajo práctico de implementación de circuitos en el laboratorio, en el cual hay que comparar y analizar los resultados teóricos con los prácticos, y en base a estos últimos, conservar o modificar el diseño inicial.

•

Analizar críticamente el proceso de diseño, implementación y decisión final sobre el diseño, de manera de encontrar tendencias o particularidades que permitan comprender cabalmente el funcionamiento del regulador, tanto teórico como en la realidad, y el tipo de trabajo práctico de implementación del circuito.

Antecedentes teóricos Fuentes reguladas Las fuentes reguladas, como los diseñados en esta experiencia, constan de 4 componentes básicos. Transformador de voltaje alterno, un rectificador, un filtro y un regulador de tensión. El transformador de voltaje alterno permite pasar de la tensión en que se encuentre la fuente inicial de energía eléctrica, a un nivel de tensión adecuada para el tipo de aplicación en que se quiera utilizar la fuente regulada. El rectificador permite tener una onda de voltaje en un solo semiciclo, para así tener un nivel de voltaje medio significativamente distinto de cero. El filtro permite suavizar la señal de voltaje ya rectificada, así se obtiene una señal con pequeñas variaciones en torno al valor medio de la señal. Finalmente el regulador de voltaje aísla la carga del circuito, para tener el nivel de voltaje deseado a la salida, sin preocuparse del tipo de carga utilizada. A veces es necesario añadir una etapa limitadora de corriente para dañar la carga. En esta experiencia se utilizarán tensiones a la salida del transformador de 10, 20, 30 y 40 V. Como rectificador se utilizará un puente de 4 diodos, que funciona como un rectificador de onda completa.

Figura #1: a)Esquema del rectificador de puente de 4 diodos utilizado. b)Diagrama de la entrada y la salida del rectificador.

Como filtro se utilizará tan sólo un condensador en paralelo con la carga. La exigencia de filtrado no es tan grandepara el condensador, pues el LM723 tiene buenas características de rechazo al rizado, por lo que este filtro tan simple es suficiente para lograr los requerimientos.

Figura #2: Efecto de la utilización del condensador como filtro.

Finalmente como regulador se utilizará el circuito integrado LM723. Aparte de fijar la tensión de salida a un valor deseado aislando la carga del resto del circuito, incluye una etapa de limitación de corriente para protección tanto de la carga. La fuente regulada además, se implementará utilizando el circuito integrado LM317. En este caso el circuito integrado cuenta con una etapa limitadora corriente incorporada demasiado alta (2.2 A) por lo que habrá que utilizar dos LM317, una para fijar el nivel de voltaje deseado, y otro para implementar una etapa limitadora de corriente deseada.

LM723 como regulador de tensión A partir del circuito equivalente del LM723 y del diagrama de conexiones para implementar la fuente regulada se puede entender fácilmente su funcionamiento.

Figura #3:a)Circuito equivalente del LM723 b) Diagrama de conexiones del regulador de tensión. La etapa de la izquierda del circuito equivalente compuesta por el Zener compensado por T º, la fuente de corriente y un amplificador de voltaje, tiene como función entregar un voltaje de referencia fijo Vref, de valor típico 7.15 V.

El amplificador de error opera en la zona lineal, por lo tanto la entrada inversora y la etapa no inversora se encuentran al mismo voltaje. Por lo mismo, la corriente que circula por R3, que va entre la entrada no inversora al punto de Vref es muy pequeña, entonces, Vref está al mismo voltaje que la entrada no inversora, que es el mismo voltaje que la entrada inversora. Además, la entrada inversora sale justo a un punto de divisor de voltaje entre el voltaje de salida y la tierra. Entonces, el voltaje de salida dependerá directamente del Vref y del divisor de voltaje, absolutamente independiente de la salida, y está dado por: V o= 1

R1 R2

 V ref

La etapa de la derecha funciona como limitadora de corriente. En el transistor current limiter, entre sus entradas current limit y current sense, se conecta una resistencia Rsc (entre base y emisor). Si hacia la carga se está yendo demasiada corriente, ésta se irá por Rsc, lo cual aumentará el voltaje base emisor del transistor current limiter. Si este voltaje aumenta, subirá la corriente de colector de este transistor, corriente que le estará quitando al series pass transistor, que le da la corriente a la carga. Así la corriente en la carga disminuye, lo que completa el circuito de realimentación. Para definir la corriente límite, que es la que pasa por Rsc, hay que considerar que el voltaje de Rsc, igual al voltaje base emisor del current limiter es 0.7. Así: Ilim it =

V Rsc RSC

=

0 .7 V R SC

Los valores relevantes de este transistor son: • • • • •

Salida de hasta 150 mA sin transistores externos, y hasta 10 A añadiendo más transistores. Voltaje de entrada de hasta 40 V. Voltaje de salida ajustable entre 2 V y 37 V. Factor de rechazo al zumbido de 74 dB V de referencia 7.15 V

LM317 como regulador de tensión El LM317 es un regulador de voltaje positivo ajustable de 3 terminales, que es capaz de proveer 1.5 A en un rango de salida entre 1.2 y 37 V. Es sencillo de usar ya que bastan sólo 2 resistencias para definir el voltaje de salida. Además, proveen mejor regulación de línea y de carga.

Figura # 4: esquema de conexiones del LM317 para obtener un regulador de tensión.

En operación, Vref es 1.25 V nominal, además Iadj es de sólo 100 uA, de tal manera que el término correspondiente a esa corriente se desprecia para el cálculo de Vout. En la configuración presentada el regulador posee un factor de rechazo de zumbido de 65 dB. Sin embargo, si desde la entrada ADJ, se añade un condensador a tierra de unos 10uF, este factor se puede aumentar a unos 80 dB. Este circuito integrado también puede ser utilizado para implementar una etapa limitadora de corriente, donde la corriente máxima está dada por: Iout =

V ref R1

, recordando que Vref=1.25V es el voltaje en ADJ y Vout.

Figura # 5: configuración de limitador de corriente. Para que se cumpla la condición de voltaje de referencia igual a 1.25 V (o cercano a ese valor se tiene que cumplir que:

Entonces, se trabajará con un límite inferior de corriente de 10 mA, aparte del límite máximo de 100 mA. Además, considerando la desigualdad de voltajes de entrada y salida, y la caída de voltaje de la etapa limitadora de corriente, sólo se trabajará con voltajes de entrada de 30 y 40 V.

Factor de rechazo al zumbido El factor de rechazo al zumbido (PSRR) de un componente se define como: PSRR=20log 10 

Z in

 Z out Donde Zin es el factor de zumbido a la entrada del componente y Zout es el factor de V eff AC zumbido a la salida del componente (recordando que Z= ). Mide la capacidad V DC del componente de mantener una señal libre de zumbido a su salida, a pesar del rizado presente a la entrada de ésta.

Factor de zumbido del sistema a la salida del filtro Se ha encontrado en la literatura (ver notas de clases del curso Circuitos Electrónicos del profesor Nicolás Beltrán, semestre primavera 2006; guía del curso laboratorio de electrónica, de la práctica 5 de la Universidad de Antioquia), que el factor de zumbido a la salida de un filtro formado por un condensador en paralelo a la salida de un rectificador de onda completa, con una carga de resistencia RL es:

Z=

1 2π  3 fRL C

Figura # 6: esquemático del circuito con el factor de zumbido mencionado más arriba.

dor de la etapa reguladora, el diseño indica un condensador de 10uF, y como existe de ese mismo valor, es el mismo que se utilizará. Cálculo del valor de la Capacitancia del filtro Despejando las ecuaciones de PSRR y Z, se obtiene que: C=

1 PSRR

20 2π  3fR L⋅10 Z out , donde RL representa a la carga del sistema rectificador + filtro.

En este caso la carga (vista desde el filtro), corresponde al regulador de tensión más V su carga. Su resistencia equivalente puede ser vista como R= , con V el voltaje DC que I entrega el filtro e I la corriente que sale del filtro. Así, que para realizar un cálculo apropiado de C, hay que ponerse en el peor de los casos. El factor de zumbido a la salida del filtro será mayor (y por ende será mayor en la salida del regulador) si RL es menor. Según el equivalente, ésta será menor cuando la corriente sea máxima y cuando el voltaje sea mínimo. La corriente máxima será la que acepte el limitador de corriente, y el voltaje mínimo, en el caso del regulador con el LM723 será el único que se utiliza, 20 V, mientras que en el caso del LM317, el voltaje mínimo es 30 V.

Regulación Para medir la calidad de una fuente de alimentación se utilizará el parámetro de porcentaje de regulación. Re gulacion=

V  s /c arga−V  c/c arga  100 V  c /c arga 

Factor de regulacion=

∂V L ∂V F

El factor de regulación mide la relación que existe entre la variación del voltaje en la carga en relación al voltaje que se está suministrando a la fuente.

Diseño del circuito • LM723 Corriente Máxima: 100 mA Para esto, se hace necesario fijar el valor de Rsc, de modo tal que el transistor correspondiente a esta protección entre en su zona activa. Para esto, se tenía que: V Rsc

0.7 V R SC RSC 0 . 7V ⇒ RSC = 100mA I limit =

=

Así, se obtiene un valor de R SC =7 Usando valores comerciales, se utilizarán 2 resistencias de 15 Ohm en paralelo. dor de la etapa reguladora, el diseño indica un condensador de 10uF, y como existe de ese mismo valor, es el mismo que se utilizará. Voltaje de salida: 15 V Del análisis realizado, se tenía que: V o= 1

R1 R2

 V ref

de la observación del data-sheet, se observa que en promdor de la etapa reguladora, el diseño indica un condensador de 10uF, y como existe de ese mismo valor, es el mismo que se utilizará. edio, el voltaje de referencia Vref = 7.15 V, y dado que se desea un V0 = 15 V, se tiene que: R1 R2

=1. 0979

Considerando los valores comerciales de las resistencias, tomaremos R1 = 220k, y R2 = 200k (2 resistencias de 100k en serie), de modo de obtener una razón R1/R2 = 1.1, suficientemente cercano al valor teórico. De la determinación de estos valores, obtenemos el valor de R3 de modo de minimizar problemas de temperatura, según se obtiene del data-sheet:

R3=

R1⋅R2 R 1R2

=104.76 k

Así, se tomará el valor comercial más cercano, es decir, R3 = 100k +4,7k (2 resistencias en serie).

Factor de Zumbido: 0.01% Del data sheet, se tiene que el rechazo al rizo es de 74 dB. Así, de la ecuación vista anteriormente (ver Cálculo del valor de la Capacitancia del filtro), se tiene que para estas condiciones, el valor del condensador debeser (aproximadamente) de: C=20uF valor que se obtiene conectando en paralelo 2 condensadores de 10 uF. Además, el condensador que une la puerta inversora con la de compensación se fijará en 100 pF, según indicaciones del data sheet.

●

LM317 Factor de Zumbido: menor que 0.01% El cálculo es análogo al caso anterior. Sin embargo, el valor del rechazo al rizo es distinto, ya que se trata un nuevo circuito integrado y configurado de 2 modos diferentes. Además, al estar conectados en cascada, estos factores deberían multiplicarse, sin embargo, al tratarse de decibeles, basta con sumar ambos rechazos. De este modo, se tiene que el rechazo al rizo es: dor de la etapa reguladora, el diseño indica un condensador de 10uF, y como existe de ese mismo valor, es el mismo que se utilizará. PSRR(total) = PSRR (Limitador) + PSRR (Regulador) = 65 dB + 80 dB = 145 dB Así, aplicando el procedimiento anterior, se tiene que, para los respectivos voltajes de alimentación, los valores adecuados para el condensador son:

V = 30 V: V = 40 V:

C > 3.44 nF C > 2.58 nF

Además, se descarta el uso de 20 V de alimentación, ya que, en cada LM317, se tiene en general que Vin-Vout = 5 V (según datos de la hoja de especificaciones). Así, al usarse 2 de estos chips, se puede tener una caída de 10 V, lo que no permitiría llegar a los 12 V máximos pedidos en las especificaciones. Así, tomando el peor caso en términos del voltaje de entrada (30 V), resultó que se debe utilizar un condensador de 3.44 nF en el filtro, pero para tener un margen de error adecuado, mejor se utilizan dos condensadores de 1.5 nF y uno 1nF en paralelo, así resulta una capacitancia equivalente de 4 nF, que otorga una mejor respuesta para disminuir el factor de zumbido. Para el condensador de la etapa reguladora, el diseño indica un condensador de 10uF, y como existe de ese mismo valor, es el mismo que se utilizará.

Corriente Máxima: 100 mA Para esto, se tenía que: Iout =

V ref R1

De la observación del data sheet, se observa que el valor de Vref = 1.25 V, entonces:

0

V ref R1

100mA

1 .25V 100mA ⇒ R112.5  ⇒ R1

Además, de la hoja de datos se tiene que esta resistencia no puede ser mayor que 120 Ohms. Así, se buscará un potenciómetro que pueda moverse hasta 100 Ohm, conectado en serie con una resistencia que de el valor mínimo pedido (15 Ohm, aproximando a valores disponibles). Voltaje de salida: 10 - 12 V Del cálculo hecho previamente, se tenía que:

V out =V ref 

V ref R1

⋅R 2

Así, considerando el valor de R1 fijo, y el de R2 variable, se tiene para los límites de voltaje que:  Para Vout = 10 V: R2/R1 = 7  Para Vout = 12 V:dor de la etapa reguladora, el diseño indica un condensador de 10uF, y como existe de ese mismo valor, es el mismo que se utilizará.  R2/R1 = 8.6 Fijando arbitrariamente el valor de R1 en 240 Ohm, se tiene que: R2max = 2064 Ohm R2min = 1680 Ohm O sea, R2 debe corresponder a un potenciómetro que se mueva entre 0y 200 Ohm, conectado en serie con una resistencia de 1.8 kOhm, de modo de dar el valor mínimo.

Simulaciones Para efectuar las simulaciones, se implementaron los circuitos en PSPICE. ●

LM723

En este caso, se utilizó el circuito equivalente del chip (especificado enla hoja de datos), reemplazando el amplificador asociado alvoltaje de referencia por una fuente de voltaje continua con el valor nominal (7.15 V). Así, la implementación quedó:

Figura # 7: esquemático de la fuente regulada . Luego, para distintas cargas (50k, 100k, 500k, 1M), la señal de salida (regulada) y la señal de entrada (no regulada) fue:

Figura # 8: Señal de entrada y señal regulada

Sin embargo, para cargas menores (10, 30, 50, 70, 100, 1k) se obtuvo la siguiente gráfica de salida:

Figura # 9: Señal regulada para distintas cargas donde se observa que a menores cargas (cercanas al cortocircuito), la regulación deja de ser efectiva, disminuyendo el voltaje.

●

LM317

Para su implemantación en PSPICE se utiliza el circuito LM317T exacto, que se encuentra en la versión full. Sin embargo, debido a problemas con la licencia de la versión full de PSPICE no fue posible simular el circuito. De todos modos, la implementación quedó:

Figura # 10: Implementación en PSPICE

Lista de Componentes ●

Circuito regulador en base a LM723 ○ 1 circuito integrado LM723 ○ 4 diodos ○ Condensadores de 2x10 uF, 1x100pF ○ Resistencias de 3x100 kOhm, 2x15 kOhm, 1x220 kOhm, 1x4,7 kOhm

●

Circuito regulador en base a LM317 ○ 2 circuitos integrados LM317 ○ 4 diodos ○ Condensadores de 2x1,5nF, 1x1nF, 1x10uF ○ Resistencias de 1x15 Ohm, 1x240 Ohm, 1x1,8 kOhm ○ Potenciómetros de 1x(0-100) Ohm, 1x(0-200) Ohm