Regulador de Voltaje

Universidad de Sonora

Departamento de Física

Práctica 04

Regulador de voltaje

María Fernanda Moreno López

Licenciatura en Física

Grupo 1 , Horario 17:00-19:00

Hermosillo - 20 de octubre de 2015

Regulador de voltaje 3 Resumen teórico

1. Introducción

Los circuitos reguladores de voltaje tienen como única función regular el voltajede la linea pública y adaptarlo a las características de los aparatos eletrónicos.La razón de esto es por que la señal de un tomacorriente tiene un voltaje deaproximadamente 127V y es de tipo AC, es decir, de tipo alterna en forma se-noidal, con 60 Hz de frecuencia. No es común usar aparatos que funcionen con127V o más, es por esto que se hace uso de transformadores que reducen la señalde entrada para se aplicadas en los mecanismos de los aparatos.

Lámparas, ventiladores y motores funcionan con corriente AC pero la gran ma-yoría de dispositivos eléctricos, en especial los digitales, requieren de corrientedirecta DC, por esta razón cuentan con un circuito interno o externo reguladorde voltaje. Este circuito no solo reduce la señal, sino que también la rectica,para quitarle lo alterna; la lta, para convertirla en una señal constante y porúltimo, la regula hasta un valor requerido dependiendo del dispositivo para elcual se va a utilizar.

2. Objetivos

1. Conocer los circuitos básicos para la regulación de voltaje.

2. Identicar los parámetros principales de un regulador de voltaje.

3. Resumen teórico

Los circuitos de fuentes de alimentación están construidos con transformadores,ltros, recticadores y por último, reguladores de voltaje. Esto con el n deobtener una señal constante (DC) y limpia en la salida a partir de una señalalterna cambiante en la entrada (AC). A grandes rasgos, el proceso que siguela señal desde la entrada es que es disminuída, reticada para quitar la partealterna, ltrada para obtener un nivel de DC y al nal, regulada para obtenerun voltaje jo deseado.

Para explicar el funcionamiento de una fuente de alimentación es necesario di-vidirla por partes, gura (1).

Figura 1: Diagrama a bloques de un regulador de voltaje.

María Fernanda Moreno López 1 Instrumentación II


Lo primero, es la conexión a la toma de corriente con un voltaje de aproxima-damente 125 Vrms. El voltaje rms o valor ecaz, es la raíz media cuadrática delvoltaje pico a pico Vpp de la señal senoidal; para el tomacorrientes es aproxima-damente 178Vpp.

Vrms =Vpp√

2

Este voltaje tiene una parte negativa y una parte positiva y por eso se diceque es alterno; el Vpp es la magnitud que separa al voltaje mínimo del voltajemáximo de la onda.

Vpp = Vmin + Vmax

3.1. Transformador

Al entrar, la señal para por un transformador para ser reducida, o puede quetambién quiera elevarse. Este dispositivo está constituído por dos devanados,algunas veces separados por un núcleo de algún material magnetico. Estos de-vanados son de tamaños distintos, es decir, su número de vueltas diere. Paraun transformador se toma como el devanado primario al de mayor número devueltas (Npri) y como el secundario al de menos vueltas (Nsec). Un parámetroimportante es la relación de vueltas (n) que hay en el devanado secundario alnúmero de vueltas del devanado primario.

n =NsecNpri

(1)

Figura 2: Diagrama esquemático de un transformador.

La relación de vueltas de un transformador reductor siempre es menor a 1 yesta es exactamente la misma relación entre el voltaje del secundario Vsec y eldel primario Vpri. Por lo que el voltaje del secundario es n veces el voltaje delprimario.



VsecVpri

=NsecNpri

(2)

Vsec = nVpri (3)

Cuando se conecta un elemento de resistencia R al devanado secundario, haypresencia de corriente a través del circuito resultante a causa del voltaje inducidoen la bobina secundaria. La relación de la corriente primaria (Ipri) a la corrientesecundaria (Isec es igual al inverso de la relación de vueltas (n)

IpriIsec

= n (4)

Hay ocasiones en los que se usa un transformador con derivación central. Ladiferencia de este tipo de dispositivos es que el devanado secundario se divideen dos partes con señales de voltaje desfasadas en periodo π y cada una conun voltaje igual a la mitad del voltaje total del devanado. Estos dispositivos seretomarán en la siguiente sección en conjunto con la recticación.

3.2. Recticador

Dejando atrás la etapa de la transformación de la señal, sigue la etapa de recti-cado. Esta etapa se realiza por uno o más diodos, puestos en conguración talque impidan el paso de la parte de la señal negativa (media onda) o la conviertanen positiva (onda completa).

Un solo diodo rectica media onda, esto quiere decir que permite el paso solodel semiciclo positivo de la señal, puesto que el diodo se polariza en directa.Cuando está el semiciclo negativo de la señal, el diodo se polariza en inversa; nohay corriente y por lo tanto el voltaje es 0V. El resultado nal es que solo lossemiciclos positivos del voltaje de entrada de CA aparecen a través de la carga,dejando espacios en los que no hay presencia de voltaje; la frecuencia es igual ala de la entrada de 60 Hz.

El voltaje de salida no será exactamente el voltaje de entrada, puesto que setiene que considerar la caída de potencial por parte del diodo. Se sabe que estacaída es de 0.7 V, por esto, el voltaje será

V pout = V pin − 0.7V (5)

Figura 3: Recticador de media onda.



Cuando se colocan dos diodos, uno de ellos conduce la señal cuando el otro nolo hace y viceversa, eliminando así los espacios con ausencia de voltaje. Permitecorriente unidireccional a través de la carga durante todo el ciclo de entrada. Elresultado es un voltaje de salida con el doble de frecuencia en la salida que lade la entrada y que pulsa cada semiciclo de entrada.

Figura 4: Recticador de onda completa.

Retomando a los transformadores con derivación central, estos se usan paraun tipo de recticador de onda completa. El voltaje de entrada se acopla através del transformador con derivación central secundario. La mitad del voltajesecundario total aparece entre la derivación central y cada extremo del devanadosecundario, como se muestra en la gura (5)

Figura 5: Recticador de onda completa con derivación central.

En el caso de este recticador, también se considera la caída de voltaje por partede los diodos. El voltaje a la salida será igual a

V pout =V psec

2− 0.7V (6)

3.3. Filtro

La onda recticada tiene un voltaje DC, pero no es lo sucientemente úti paraser usado en los aparatos de corriente directa. Es por esto que esa señal se hacepasar por un ltro, comunmente un ltro RC, para eliminar las pulsaciones dela señal y generar un voltaje constante. Se conecta un capacitor en la salida delrecticador y la señal ltrada tendrá un valor DC y una variación de CA (rizo).



Se busca que la variación de CA se lo más pequeña posibe con respecto al nivelde DC.

Figura 6: Voltaje de rizo con respecto al nivel DC.

Un medidor de voltaje de DC medirá el nivel promedio de DC, un medidor deCA (rms) medirá el valor rms del componente CD del voltaje de salida, así quese dene el rizo como

r =Vr(rms)

Vcd100 % (7)

El ltro de un capacitor funciona de tal manera que cuando los diodos estánconduciendo una señal que se incrementa, cargan al capacitor; cuando la señalempieza a disminuir, el capacitor se comienza a descargar hasta llegar a unmínimo justo cuando el segundo diodo comienza a conducir el siguiente semiciclode la señal. El valor en el cual el capacitor se carga y descarga, es pequeño peroeste dene el voltaje de rizo de la señal.

Figura 7: Curva de la señal de salida de un ltro de capacitor.

El tiempo T1 es el tiempo durante el cual los diodos del recticador conducen ycargan el capacitor al voltaje pico del capacitor Vm. El tiempo T2 es el tiempo



durante el cual el voltaje del recticador se reduce y descarga el capacitor através de la carga.

El voltaje de rizo pico a pico (Vr(pp)) para el ltro de capacitor se dene como

Vr(pp) = Vp(rect)(1− e−1/νRLC) (8)

El voltaje de DC (Vcd) se expresa:

VDC = Vp(rect) −Vr(pp)

2(9)

Rizo del capacitor de ltrado

r =Vr(pp)√

2Vcd100 % (10)

Estas tres ecuaciones se deducirán en la sección de desarrollo teórico.

3.4. Regulador

Regulación de voltaje es el porcentaje de cambio del voltaje de salida paraun cambio dado de la corriente de carga. El voltaje provisto a la salida en lacondición sin carga (sin que demande corriente de la fuente) se reduce cuandose extrae corriente de carga de la fuente (condición de carga). La cantidad queel voltaje de DC cambia entre las condiciones sin carga y con carga se describecon el factor llamado regulación de voltaje:

%V.R. =VNL − VFL

VFL100 % (11)

La eciencia del regulador se dene como la relación entre el voltaje de salidaentre el voltaje de entrada del circuito

ε =PoutPin

(12)

Lo ideal es que la eciencia sea de 1 o un valor muy cercan a este número.

Para aumentar la capacidad de manejo de corriente del regulador se conecta untransistor de energía o bypass transistorizado. Un transistor de energía se utilizapara proveer extraordinariamente capacidad de carga al regulador, manteniendoel voltaje constante.

Todos los reguladores tienen una corriente límite especicada en su hoja dedatos. Si se sobrepasa dicho umbral el regulador se daña. Pero a pesar de esto,


Regulador de voltaje 5 Desarrollo teórico

es posible crear una fuente regulable que pueda entregar corrientes superiores alos límites del regulador. El concepto de bypass transistorizado está basado enun transistor PNP que se coloca junto a cualquier otro regulador de voltaje.

Emisor y la base se colocan antes del regulador y el colector se conecta después.Debe existir una diferencia de potencial de al menos 0.7V entra la base y elemisor para que el transistor entre en saturación y conduzca.

Se coloca una resistencia controlada por el valor de voltaje anterior y una co-rriente de referencia menor a la del límite máximo especado. Esta resistencia secoloca entre el emisor y la base, causando una caída de 0.7 V cuando la corrientequ elegimos pasé a través del regulador. La resistencia limitadora debe ser unaresistencia de potencia ya que a través de ella pasará una corriente considerable.Se pueden usar resistores de 10W por seguridad.

Si se desean manejar corrientes mayores a 2 A, se sustituye el transistor por untransistor tipo Darlington, el cual es una conguración de dos transistores delmismo tipo. Esta conguración provoca un aumento en la ganancia.

4. Material y equipo

1. Transformador 125v/12v

2. (2) Recticadores 1N5401

3. Capacitor 470 µ F

4. Resistencia 100 Ω, 5 W

5. CI 7405

6. Osciloscopio

7. Voltímetro

5. Desarrollo teórico

Lo primero será calcular la relación de vueltas del transformador considerandoque este es del tipo con derivación central:

Según la etiqueta, el transformador era de 24 V, así que considerando el valorredondeado del voltaje rms de la línea de 120 V, se concluye que la relación devueltas será

VsecVprim

=NsecNprim

=24

120=

1

5


Regulador de voltaje 5 Desarrollo teórico

Un verdadero voltaje pico a pico de la línea es de 127V√

20 ≈ 179V . Así que elvoltaje pico en el secundario será Vp(sec) = 35.8V

El voltaje pico sin recticar será de

Vp(sec)

2= 17.9V

Y el voltaje pico recticado

Vp(rect) = 17.9− 0.7V = 17.2V

Como la recticación es de onda completa, la frecuencia aumentará al dobleν = 120Hz

Deducción de la ecuación (10)

Figura 8: Curva de la carga y descarga del capacitor según el voltaje de picorecticado.

Cuando el capacitor del ltro se descarga a través de RL, el voltaje es

vc = Vp(rect)e−t/RLC

Como el tiempo de descarga del capacitor es desde un pico hasta aproxima-damente el siguiente, tdispersion ∼= T y T = ν−1 cuando vc alcanza su valormínimo

vc(min) = Vp(rect)e−1/νRLC

El voltaje de rizo pico a pico es

Vr(pp) = Vp(rect) − vc(min) = 17.2V (1− e−1/(120.5Hz·326µF ·99.1Ω)) = 3.89V


Regulador de voltaje 6 Desarrollo experimental

Para obtener el valor de DC, la mitad del rizo pico se resta del valor pico

VDC = Vp(rect) −Vr(pp)

2= 15.25V

Reemplazando en la denición de rizo, este se puede obtener en factor de losotros voltajes anteriores:

Vr(rms) =Vr(pp)√

(2)

r =Vr(pp)√

2Vcd100 % = 18.03 %

Porcentaje de regulación de carga del regulador:

%V.R. =5.023− 5.022

5.022100 % = 0.019 %

Eciencia del regulador

Pout =V 2

RL=

5.022V

99.1Ω= 0.25W

Pin = VcdI = 16V · 57.52mA = 0.83W

ε =PoutPin

=0.25

0.83= 0.30

6. Desarrollo experimental

1. Se construyó el circuito sin el regulador.

2. Se observó la gráca del voltaje en el osciloscopio en Vin.

3. Se midió el voltaje pico a pico y la frecuencia antes y después de los diodos.

4. Se midió el voltaje de rizo en la señal del capacitor.

5. Se incluyó en el circuito el regulador 7805.

6. Se midió el valor de Vo con y sin carga.

7. Se midió la corriente de entrada al regulador

8. Con la medición del voltaje de salida y el valor de la resistencia se obtuvoel valor para la corriente de salida.


Regulador de voltaje 6 Desarrollo experimental

6.1. Mediciones del experimento

Sin regulador

Voltaje pico a pico sin recticar y recticado por los diodos en conguración deonda completa.

V ppint =35.6v ν = 60.06Hz

V pprect =17.2 ν = 120.5Hz

Voltaje de rizo del ltrado por el capacitor.

Vrizo = 2.4v

Regulador

Voltaje con carga y sin carga

Vc =5.022v

Vs =5.023v

Corriente de entrada al regulador

Iin =57.52mA

6.2. Resultados

Cálculos basados en datos teóricos:

n =1

5%V.R. = 0.019 % ε = 0.30

Cálculos teóricos :

Vp(rect) = 17.2V Vp(rizo) = 3.89V VDC = 15.25V r = 18.03 %

Mediciones experimentales :

Vp(rect) = 17.2V Vp(rizo) = 2.4V VDC = 14.8V r = 11.47 %


Regulador de voltaje 8 Conclusiones

7. Comparación de resultados

Teórico Experimental Error (%)Vp(rect) 17.2 V 17.2 0Vp(rizo) 3.89 V 2.4 V 38.3VDC 15.25 V 14.8 2.95r( %) 18.03 11.47 36.38

8. Conclusiones

De los circuitos fundamentales, el de una fuente de alimentación es uno de losmás importantes, ya que está presente en todo aparato electrico por tenerse lanecesidad de regulador la señal que provee la línea pública que llega al uso dela sociedad.

Existen parámetros necesarios a tomar en cuenta para la realización o adquisi-ción de reguladores de voltaje, como su eciencia en la potencia de entrada ysalida; o el factor de rizo de la señal, puesto que hay circuitos que requieren unaseñal más constante que otras, tal es el caso de los cargadores de baterías loscuales no requieren de un nivel de directa constante para recargar baterías; encambio, un aparato de medición de precisión requiere de una muy precisa señalde alimentación. En general, en los circuitos digitales se busca tener las señalesmás constantes posibles para reducir errores en el funcionamiento.

Otro parámetros importante es el de la corriente máxima que manejen. Noes recomendable usar fuentes con potencia muy alta si no se requiere ya queestos aumentan su coste según que tan potentes sean, así como también de suexactitud.


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