Referencias de tensión y reguladores de tensión. (Ejercicios

ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES
Y DE TELECOMUNICACION
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA
INSTRUMENTACION ELECTRÓNICA DE COMUNICACIONES
(5º Curso Ingeniería de Telecomunicación)
Tema VI: Referencias de tensión y reguladores de tensión.
(Ejercicios resueltos)
José María Drake Moyano
Dpto. de Electrónica y Computadores
Santander, 2005
Problema 6.1: Diseño de un regulador de tensión.
Diseñar un regulador de tensión de 7.5 V nominal con capacidad de alimentar cargas
comprendidas entre 1.5 Ω y 10 Ω. Para ello se dispone de una fuente de tensión no
regulada de 12 V y con un nivel de rizado de 0.5 Vrms.
220 ac
Transformación
Rectificación y
filtrado
12 Vdc +
0.5 Vrms
Regulador
de tensión
7 Vdc +
0.01%
RL
(1.5Ω-10Ω)
Analizar dos posibles diseño:
Diseño basado en el circuito de referencia de tensión AD580, y en el amplificador
operacional TL081.
Utilizando el regulador de tensión integrado LM317
Si se necesita utilizar una etapa de potencia, utilizar el transistor de potencia 2N2055 ,
cuyas hojas características se acompañan..
Requerimientos:
Bajo las condiciones de variación de la fuente y de la carga especificadas y con el
rango de 0º a 40ºC de temperatura ambiente, las variaciones de la tensión de salida
deben ser inferiores al 0.01% de la tensión nominal.
El nivel de ruido en la banda 0.1- 10Hz debe ser inferior 5 mVrms.
Debe necesitar ser ajustada sólo una vez por año.
Debe aguantar cortocircuitos circuito de salida de hasta 5 s.
Diseño funcional
Vi =12 V
AD580
(BC549)
Q2
+
TL81
-
Rb
Q1 (2N3055)
(BC549) Q3
R sc
R2
R1
Vo =7.5 V
RL
(1.5 -10 Ω)
R’1
La tensión de salida Vo es función de R1, R2 y Vz,
 R 
 R 
Vo = Vz 1 + 2  ⇒ 7.5 = 2.5 1 + 2  ⇒
R1 
R1 


R2 = 220Ω
R2
= 2.0 ⇒
R1 = 220Ω
R1
La intensidad de salida en cortocircuito ISC se puede limitar a,
7.5V
0.6
I SC >
= 5.0 A ⇒ elijo ISC = 6 A ⇒ Rsc =
= 0.1Ω
1.5Ω
6
R1 = 180Ω
R1' = 100Ω
La resistencia Rb debe proporcionar la intensidad IB2 sin que el operacional se sature.
Rb <
VAOsat − Vo − VBE1 − VBE 2 11 − 7.5 − 1.0 − 0.6
≈
= 3800Ω ⇒ Rb = 560Ω
I L max
5
(1 + β 1(1 + β 2))
1 + 50 × 200
Diseño térmico
Máxima potencia disipada en Q1
PQ1 = VCE I L Max = (12 − 7.5) × 5 = 22.5W
TJ<200ºC
ΘJC=1.52ºC/W
ΘD
TA=40ºC
Pmax=22.5W
La resistencia máxima que puede ofrecer el radiador del transistor Q1 es
ΘD <
200 − 40
− 1.52 = 5.6º C / W
22.5
Verificación de los requerimientos
Se requiere que ∆Vo<0.1/100*Vo=7.5 mV
Variación de la salida debida al rizado de la fuente:
Debido al PSRR del AO: (PSRR=86 dB=20000)
∆Vo = 0.5 * 3 / 20000 = 75 µV
Debido al PSRR de la referencia de tensión:
∆Vo<1.5mV*3=4.5 mV
(Se cumple)
(Se cumple)
Variación debido a los cambios de la carga
La impedancia de salida del amplificador se puede deducir de la gráfica de VCE-IC,
RoQ1=0.1Ω
La impedancia de salida del regulador, que es también la regulación de carga es,
Ro=RoQ1/(1+Ad*α)=0.1Ω/(1+200000∗(1/3))=1.5 µΩ
∆Vo=Ro*Vo(1/RLmin-1/RLmax)=7.5V*1.5 10-6*(1/1.5-1/10)=6.4 µV
(Se cumple)
IC=5A
1/RoQ1
RoQ1=(1.3-0.4)V/(10.0-1.0)A=
= 0.1 Ω
Evaluación del ruido en el rango 0.1Hz-10Hz
Ruido debido al amplificador operacional
En el amplificador TL81: e2nw=5.2 10-16 V2/Hz fce=100 Hz
 R 
f 
EnoAO = 1 + 2 enw f ce Ln H  = 3*5.2 10-16*(100*Ln(10/0.1))1/2=1.46 µVrms
R1 

 fL 
Ruido debido a la referencia de tensión:
El ruido integrado en el rango 0.1-10 Hz es 8.0 µV pp, por tanto el ruido en la salida,
 R E
8 .0
EnoR = 1 + 2  nRpp = 3
= 8.0 µVrms
R1  3
3

El ruido total a la salida del circuito regulador de tensión es,
2
2
Eno = EnoAO
+ EnoR
= 1.46 2 + 8.0 2 = 8.13 µVrms
(se cumple)
Variación en la salida debido a las variaciones de temperatura (0º-40ºC)
∆Vo = 55 ppm /º C × 7.5V × ∆T = 55 10 −6 × 7.5V × 40º C = 16.5 mV
(AD580S)
∆Vo = 25 ppm /º C × 7.5V × ∆T = 25 10 −6 × 7.5V × 40º C = 7.5 mV
(AD580T)
−6
∆Vo = 10 ppm /º C × 7.5V × ∆T = 10 10 × 7.5V × 40º C = 3.0 mV
(AD580U)
No se cumple la especificación si se utiliza el modelo AD580S, pero sí se cumple si se
utilizan los modelos AD580T y AD580U.
Variación en la salida en un año
La desviación de la tensión de referencia a largo plazo (plazo indefinido) es de 250 µV,
por tanto, en la salida
 R 
∆Vo = 1 + 2  ∆VR = 3 × 250 µV = 0.75 mV
R1 

(Se cumple)
Diseño utilizando el Regulador de tensión integrado LM317
No es posible utilizar directamente el regulador de tensión LM317, ya que solo tiene
capacidad de proporcionar una intensidad de salida de 1.5 A. y en la aplicación se
requieren 4 A. Por ello, se utiliza un transistor de potencia de salida.
 R 
Vo = 1.25V 1 + 2  + I ADJ R2 = 7.5V
R1 

Vi=12V
Input
LM317
Output
R1
Adjust
Q1
(2N3055)
Si utilizamos R2=1200Ω
(R2=1000 Ω +R’2=500Ω)
Vo=7.5V
R2
R’2
RL
(1.5 –10) Ω
R1 =
1200
R2
=
=
−6
Vo − I ADJ R2
7
.
5
46
.
0
10
1200
−
−1
−1
1.25
1.25
1200
=
= 240 Ω
5
Diseño térmico:
La potencia térmica se disipa en el transistor Q1 y el modelo térmico es exactamente el
mismo que en el diseño implementado con amplificador operacional.
PmaxQ1= 22.5W y ΘD=5.6 ºC/W
Variación de la salida debida al rizado de la fuente:
La regulación de línea del LM317 es: 0.02 %/V ( incluye la fluctuación de temperatura)
∆Vo = ( RC / 100) × Vo × ∆Vi = 0.0002 × 7.5 × 0.5 = 0.75 mVrms
(se cumple)
Variación de la salida debida a los cambios de la carga
En este caso, la introducción del transitor Q1 hace difícil estimar las variaciones que se
produce por variación de la carga, ya que no se tiene información de la ganancia de
bucle alrededor de él. Posiblemente sea del orden del evaluado en el regulador basado
en el amplificador operacional.
No tiene sentido aplicar el regulador de carga del LM317, ya que la variación de la
carga está amortiguada por el efecto del transistor Q1.
Variación en la salida en un año
En las hojas características de LM317,
∆Vo =
0.3
Vo = 22.5mV
100
(no se cumple lo requerido en la especificación)
Ruido en la salida (0.1-10 Hz):
En las hojas características de LM317,
No se dispone información para evaluar el ruido en el rango 0.1 a 10 Hz.
Le ruido en el rango 10Hz – 10KHz
0.003
∆Vo =
Vo = 0.225 mVrms
100
Problema 6.2: Caracterización automatizada de una fuente de tensión.