Practica 2_DC_BJT_Regulador de voltaje - EA2

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA – SEDE MEDELLÍN
FACULTAD DE MINAS
DEPARTAMENTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y AUTOMÁTICA
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANÁLOGA II
PRÁCTICA 2 – EL TRANSISTOR BIPOLAR EN DC– REGULADOR DE VOLTAJE VARIABLE
DISCRETO
INTRODUCCIÓN:
La región activa de un transistor es la región de operación intermedia entre corte y saturación y por lo tanto
dependiendo de las polarizaciones el transistor se comportará como un amplificador. En el desarrollo de esta
sesión de laboratorio, se observará el comportamiento del transistor en dicha región a partir de la implementación
de un circuito regulador de voltaje serie discreto para el cual se evaluaran sus parámetros de regulación de carga y
de línea. Además se darán pautas básicas para el diseño de fuentes DC lineales de voltaje variable regulado a partir
de un circuito integrado.
OBJETIVOS
•
•
•
•
Observar experimentalmente el comportamiento del transistor bipolar en región activa y operación DC
del mismo.
Realizar el análisis teórico y experimental de los reguladores de voltaje discreto serie y sus parámetros.
Observar el funcionamiento de los reguladores de voltaje y sus características básicas.
Establecer criterios básicos para el diseño de fuentes lineales DC reguladas de voltaje variable.
ANTECEDENTES
Un regulador de voltaje es un circuito cuya función principal es mantener la tensión en su salida a un valor
constante definido tolerando variaciones en su voltaje de entrada y en su carga.
Voltaje de entrada sin regular
Vi
Voltaje de salida Regulado
Vs
Elemento de Control
Elemento de Muetreo
Voltaje de Referencia
Comparador
Figura 1 Estructura Básica Regulador de Voltaje
La figura 1 muestra la estructura básica del comportamiento de un regulador de voltaje serie, el cual consiste en
un sistema de control realimentado, donde el elemento de control se encuentra en serie entre la fuente y la carga
(de ahí su nombre). El voltaje en la salida es muestreado por un elemento que forma la realimentación del circuito
cuya salida es comparada con un valor de voltaje de referencia mediante un comparador valga la redundancia que
provee una señal de control en los siguientes casos:
•
•
Si el voltaje en la salida se incrementa siendo mayor que el de referencias, la señal de control hace que el
elemento de control decrezca el voltaje.
Si por el contrario la salida de voltaje disminuye la señal del comparador hará que el controlador
aumente el voltaje.
Los reguladores de voltaje están compuestos generalmente por la estructura observada en la Figura 1 donde:
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El voltaje de referencia: Es un elemento que da una tensión de referencia lo más estable posible, está conformado
generalmente por usar un diodo en región de ruptura (un diodo zener y su resistencia de polarización que
garantice región de ruptura dentro de los rangos de voltaje de la fuente no regulada).
Elemento de Muestreo: Permite obtener una señal proporcional al voltaje de salida, es comúnmente constituido
por un divisor de tensión y en algunos casos permite definir el voltaje de salida. En algunos sistemas más
complejos pueden ser constituidos por sensores de voltaje o convertidores análogos digitales.
Comparador: Permite establecer el error entre el voltaje medido y el valor de referencia, por lo general se puede
hacer con un transistor, un amplificador operacional o un amplificador diferencial.
Elemento de control: lo constituye un transistor de paso o transistor serie que regula el paso de la corriente y el
voltaje de colector-emisor a partir de la corriente en su base. Es por lo general el elemento que más consume
potencia dentro del circuito.
La figura 2 muestra el diseño de un regulador de voltaje serie básico, éste utiliza como elemento de control o
también conocido como elemento de paso un transistor npn operando en región activa lineal controlado por un
voltaje de referencia Vref.
Figura 2 Regulador De Tensión Serie
De acuerdo con lo anterior, si Vo disminuye hará que el voltaje base emisor se vea incrementado haciendo que el
transistor conduzca más con lo que se eleva el voltaje de salida. Manteniéndolo constante. Si en cambio Vo
incrementa aparecerá un menor voltaje de base emisor, el transistor reduce su conducción y el voltaje de salida se
reduce. El voltaje de salida del transistor está dado por: Vo = Vref – Vbe
Existen en el mercado una gran variedad de circuitos integrados reguladores de voltaje, su esquema funcional
sigue la estructura mostrada en la figura 1 a la cual se le agregan circuitos de protección (limitadores de corriente).
Estos reguladores vienen en presentaciones de voltaje fijo (positivo y negativo) o de voltaje variable.
Reguladores de voltaje fijo: vienen en circuitos integrados de 3 pines y son conectados por lo general en serie
entre la fuente de voltaje no regulada con la fuente regulada y su terminal de referencia siempre va a tierra. No
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requieren de elementos externos para su función de regulación, exceptuando capacitores que se colocan a la
entrada y salida para filtrado.
Reguladores de voltaje variable: Permiten ajustar el voltaje de salida regulado a cualquier valor entre un rango de
voltajes a partir de ajustes de sus elementos externos (comúnmente resistencias que ajustan el voltaje de
referencia). Por ejemplo el regulador LM317 (ver figura 3) permite la regulación de voltaje en cualquier valor entre
1.2 y 32V.
Figura 3 Regulador LM 317
Para el regulador de la figura 3 el voltaje de salida está dado por:
1
Donde los valores típicos son:
1.25 y
(1)
100
PREINFORME:
Para el circuito de la Figura 4 determine el valor de Rmin si la corriente máxima
!
3 que la atraviesa
es de 3A, Teniendo en cuenta que la salida del secundario del transformador entre los puntos 1 y 3 es una onda
sinusoidal de 18Vrms y que el voltaje pico de la rectificación estará dado por # $ % & 2 ' dónde # $ %
√2 )*+. Y
'
es el voltaje de conducción de los diodos.
Figura 4 Fuente no Regulada
Determine el valor del capacitor del filtro C1 para un rizado inferior al 5% teniendo en cuenta que la
corriente máxima de carga debe ser de
del voltaje pico de la onda rectificada.
3 teniendo en cuenta que -1
./
01
donde
es el 95%
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Determine la corriente pico máxima de los Diodos rectificadores teniendo en cuenta que
6
dónde ∆5
7
0
1
8 0 para una frecuencia :
9
60<=
23
.
∆.
El circuito de la Figura 5 constituye un regulador de voltaje serie con controlador, donde el elemento de
referencia está constituido por el diodo D1 y la resistencia Rref, El control por los transistores Q1 y Q6
los cuales constituyen un arreglo Darlington. El elemento de comparación el Amplificador operacional y
las resistencias Rpot y R2b constituyen el elemento de muestreo, para este circuito determine:
Figura 5 Regulador Realimentado
Con el diodo zener de mas poco voltaje > que se encuentre en el laboratorio y una potencia
?> @ 0.5Adetermine con su >B
C 0.1 >
el valor de la resistencia
teniendo en cuenta
>
09 1DEF! G0H
IHJ
y determine su potencia máxima disipada. (Nota: en el laboratorio encontrarán diodo
zener de 5.1v a 1W)
Asumiendo que el amplificador operacional es ideal, demuestre que la salida de voltaje del regulador
está dada por:
)KL
>
1
2 %M
2 %N O
P
. Donde #QR
#QRP
#QR es decir asuma el potenciómetro como un
divisor de tensión variable.
Escoja un valor comercial para el potenciómetro Rpot (superior a 5KΩ), y analice la función de
regulación
)KL
>
1
2 %M
2 %N O
P
. Para ambos extremos del potenciómetro (Analice que pasa
cuando #QR
#QR → #QRP 0 y cuando #QRP
#QR → #QR
0) y con dicho análisis
determine el valor de 2T de tal manera que el voltaje de regulación máximo sea acorde al
seleccionado a la siguiente tabla, afín a la suma de los últimos dígitos del documento de identidad de
los integrantes del equipo de laboratorio:
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Tabla 1. Voltaje Máximo según dígitos de documento.
Suma de dígitos
0–5
6 – 11
12– 18
Voltaje Máximo
16
18
20
Para una corriente de carga máxima de 3 A U 3 y el voltaje regulado máximo )KL *VW!
determine el valor de la potencia disipada por el transistor Q1. Tenga en cuenta que la corriente de
colector es aproximadamente igual a la de carga y que el voltaje de colector emisor está dado por la
diferencia entre el voltaje no regulado y el regulado. XYZ
2 3% & )KL *[\!
Teniendo en cuenta el rango de voltajes encuentre una expresión que relacione la resistencia de cargar
mínima y el voltaje regulado de tal manera que la corriente en la carga sea como máximo 1 amperio.
Determine el voltaje de alimentación máximo del regulador teniendo en cuenta las limitaciones de
polarización del amplificador operacional, los transistores y el diodo zener..
Figura 6 Regulador de Voltaje con Limitador de Corriente
Asumiendo que el transistor es de potencia determine el valor de la resistencia [_^[* de tal manera
que la corriente máxima de carga sea de 250 mA, Asuma que el _YZ` 1
[a
_YZ`
UIb
EXPERIMENTO:
Realice el montaje del circuito de la Figura 4 y determine experimentalmente su voltaje máximo de salida.
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Al circuito montado anteriormente, acóplele el regulador diseñado (Figura 5) y establezca experimentalmente:
•
•
El rango de voltajes en los cuales el circuito opera en circuito abierto (sin resistencia de carga), tome los
valores máximos y mínimos del voltaje de salida en ambos extremos del potenciómetro. y 3 valores más,
midiendo el voltaje de salida y el voltaje en el terminal variable del potenciómetro y haga una tabla esos 5
valores o más si lo desee y encuentre por regresión lineal una relación entre ambas variables.
Con una resistencia de por lo menos 4W, determine un valor de voltaje de tal manera que se le exija a la
fuente al menos 500 mA y con ello:
o Mida el voltaje y la corriente en la carga.
o Mida el voltaje sin carga
o
∆0c
∆Ic
Mida la corriente y voltaje a la entrada del circuito de la Figura 5 con la resistencia de carga y
determine con los valores anteriores la eficiencia del regulador.
o Quite la resistencia de carga. Para el voltaje de regulación mínimo, desconecte uno de los
extremos del transformador, y conéctelo en su derivación o tap central, mida el voltaje a la
entrada del regulador y en la salida y con ello determine la regulación de línea.
Monte el circuito de la Figura 6 y mida la corriente máxima de corto circuito,
o
•
Con lo anterior determine la regulación de carga