Tema VI: Referencias de tensión y reguladores de tensión.

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1 ESUELA ÉNA SUPEO DE NGENEOS NDUSALES Y DE ELEOMUNAÓN UNESDAD DE ANABA NSUMENAÓN ELEÓNA DE OMUNAONES (5º uro ngeniería de elecomunicación) ema : eferencia de tenión y reguladore de tenión. Joé María Drake Moyano Dpto. de Electrónica y omputadore Santander, 2005

2 ontenido:.1 eferencia de tenión..2 aracterización de la referencia de tenión.. ircuito de referencia de tenión..4 Fuente de alimentación..5 eguladore de tenión..6 eguladore de tenión integrado.

3 APULO 6 EFEENAS DE ENSÓN Y EGULADOES DE ENSÓN 6.1 EFEENAS DE ENSÓN. Una referencia de tenión proporciona una tenión de continua etable a corto y largo plazo que e utiliza como referencia etándar de otro mucho circuito, como reguladore de tenión, convertidore A/D, D/A, tenión/frecuencia y frecuencia/tenión, multímetro, enore, amplificadore logarítmico, y otro mucho circuito de intrumentación que tienen como finalidad medir magnitude fíica de itema reale. Lo elemento de referencia de tenión juegan en lo itema de intrumentación el mimo papel que el diapaón repecto de un equipo de múica. Sin él e pueden hacer ajute relativo pero no aboluto. Lo principale requerimiento de una referencia de tenión on la preciión y la etabilidad. La preciión define la diferencia de u alida con referencia al valor nominal, e uele medir como una cota del error aboluto o con el tanto por ciento de error relativo. La etabilidad define la influencia que obre el valor de alida tienen lo cambio de parámetro del entorno, temperatura, tenión de alimentación, carga, etc. Se uele medir en variación aboluta o relativa de la tenión de alida por unidad de variación de la magnitud externa cuya influencia e decribe. Para evitar errore debido a autocalentamiento o interferencia externa intena, la referencia de voltaje e dieñan con una baja capacidad de proporcionar intenidad de alida (habitualmente en el rango de alguno ma). Lo reguladore de tenión on circuito capace de proporcionar tenione e intenidade muy etable a carga ma baja. Habitualmente etán baado en elemento de referencia de tenión que proporcionan la preciión y etabilidad, junto con otro elemento de amplificación de potencia que lo habilitan para tranferirla a la carga. Aunque la caracterítica intríneca de lo la tecnología emiconductora e poco apropiada para dieñar elemento con valore aboluto en u alida, exiten un conjunto de configuracione dieñada de forma inteligente y habitualmente baada en técnica de compenación, que proporcionan tenione e intenidade con valore bien definido y prácticamente inenible a lo cambio de la temperatura y de otro factore de influencia ambiental.

4 6.2 PAÁMEOS DE AAEZAÓN DE LAS EFEENAS DE ENSÓN. La capacidad de un circuito de referencia de tenión para mantener u tenión nominal bajo condicione externa variable e define a travé de lo iguiente cuatro parámetro, egulación de línea ( Line regulation ). egulación de carga ( Load regulation ). oeficiente de variación con la temperatura ( emperature coefficient ). Etabilidad a largo plazo ( Long-term tability ). egulación de línea La regulación de línea e una medida de la capacidad del circuito para mantener la tenión de alida nominal con variación de la tenión de alimentación. Habitualmente la tenión de alimentación e una tenión de continua no regulada, o a lo umo, una tenión con un nivel de regulación ma bajo que el que e epera del elemento de referencia de tenión que e caracteriza. Si denominamo i a la tenión de alimentación (no regulada) y o a la tenión de alida etabilizada, e define la regulación de línea como: egulación de línea o i ( m / ) una definición alternativa e: o/ o egulación de línea 100 (% / ) i egulación de arga La regulación de carga e una medida de la capacidad del circuito para mantener la tenión de alida aunque cambie la corriente L que e conumida por la carga. Si el circuito fuera una fuente de tenión ideal, u alida debe er independiente de L. La regulación de carga etá directamente relacionada con la reitencia de alida del elemento de referencia de tenión. La regulación de carga e define con lo do modo iguiente, egulación de carga L o ( m / ma o m / A) o/ o egulación de línea 100 (% / ma o % / A) L

5 oeficiente de temperatura de la tenión de alida. El coeficiente de temperatura de o (( o )) mide la capacidad del circuito para mantener la tenión nominal de alida repecto de cambio de la temperatura del dipoitivo. Se exprea con la tre forma iguiente: Etabilidad a largo plazo o ( o ) ( m /º o µ /º ) o/ o ( o ) 100 (% /º ) 6 o/ o ( o ) 10 ( ppm /º ) La etabilidad a largo plazo e una medida de la capacidad del dipoitivo de referencia de tenión para mantener la tenión de alida nominal durante tiempo largo. Se exprea habitualmente en ppm/1000 hora. El concepto de etabilidad a largo plazo e equivoco. Aunque, como e ha indicado previamente, lo fabricante lo decriben en ppm/1000 hora, ete parámetro no pude extrapolare para tiempo muy largo, ino que en eto cao debe utilizare algún parámetro de deviación aboluta independiente del tiempo. En la gráfica e muetran tre 5 cao típico de evolución de la deviación. En todo ello, exite una deviación neta inicial en un entido (en la primera 200 hora), pero ea variación no e mantiene indefinidamente en ee mimo entido. Aí, i en un dipoitivo e epecifica que u deviación a largo plazo e de 70 ppm/1000 h no e razonable que e pueda extrapolar que en un año el cambio ea de 61 ppm, ino que la práctica muetra que a muy largo plazo, la deviación e ature al valor correpondiente a 2000h, y lo razonable e uponer que la deviación en un año e menor de ólo 140 ppm.

6 Ejemplo: Una referencia de tenión comercial de 10 de tenión nominal, tiene una regulación de carga de 0.001%/, un factor de regulación de carga de %/ma, un coeficiente de temperatura de 1.0 ppm/º y una etabilidad a largo plazo de 50 m/1000 hora. Evaluar la variación aboluta de la tenión de alida o, bajo la iguiente condicione: a) La tenión de alimentación pueda cambiar entre 15 y 5 oltio: / o % / o o i 100 o 2 i b) La reitencia de la carga puede variar entre 2.5 KΩ y 500 Ω L 9. 6 ma o / o % / ma o o L m 100 L c) El dipoitivo deba operar en un entorno de temperatura que varía entre 0º y 50º: 6 o / o ( o ) ppm /º o o 0. 5 m 6 10 d) La variacione de la tenión de alida durante mee: 6 o ( ) / ( 0 24) m m 6. UOS DE EFEENA DE ENSÓN. Actualmente exiten tre tipo de circuito de referencia de tenión: ircuito de referencia de tenión baado en diodo Zener. ircuito de referencia de tenión baado en el alto de banda Band Gap. ircuito de referencia de tenión monolítica. eferencia de tenión baada en diodo Zener Diodo Zener e un nombre genérico que repreenta aquello tipo de diodo bipolare que preentan una abrupta ruptura en u región de polarización invera. Eta caracterítica pueden er debida a diferente mecanimo, ruptura por avalancha, efecto túnel, etc. Lo caracterítico de un diodo Zener e que cuando e encuentra polarizada inveramente y e alcanza la tenión caracterítica de ruptura ZK, comienza conducir con una reitencia dinámica r Z muy baja (típicamente del orden de la decena de ohmio). En la figura e muetra la curva caracterítica típica de un diodo Zener y u modelo equivalente cuando conduce en la región de ruptura.

7 r Z ZK (i <- ZK ) Un circuito de referencia de tenión baado en un diodo Zener conite en un diodo Zener polarizado para que opere en u zona de ruptura. La polarización e realiza utilizando la fuente no regulada i y la reitencia, que deben tener valore adecuado para que el diodo eté polarizado en u zona de ruptura. Dada la caracterítica vertical de la curva caracterítica en la zona de ruptura, una modificación de i o L pueden cambiar ignificativamente la intenidad que conduce el diodo Zener, pero hace cambiar ólo levemente la tenión de alida. Aunque el circuito de referencia de tenión baado en diodo Zener e muy imple, e batante intructivo analizar y caracterizar u comportamiento. i i o o

8 Para que el circuito opere como referencia de tenión, el diodo Zener ha de trabajar en u zona de ruptura, eto permite evaluar la tenión de polarización mínima que puede utilizare. i > min > 1 i ZK L L ZK L min Lo fabricante de diodo zener no epecifican ZK, ino z en un punto que correponde al 50% de la potencia que puede diipar el diodo. Un dieño correcto debe polarizar el diodo con intenidade uperiore al de ete valor ( zmin ). El valor que debe utilizare para la reitencia de polarización debe reultar de un compromio para que el zener opere iempre en zona de ruptura y para evitar una diipación exceiva de potencia en el diodo. Un compromio razonable e imponer zmin igual al 2% o 0 % de Lmax, i min ZK r Z Z min [ ] Z min Lmax i min ZK rz Z min Lmax Z min El valor de la alida puede evaluare utilizando el principio de uperpoición, r Z o i ZK // rz rz ( L ) L En una referencia de tenión, o ólo debe depender de ZK. La dependencia de o de i y de L e exprea en término de la regulación de línea y de carga. rz egulación de línea r egulación decarga r Z Z // rz r Z La deriva térmica de un circuito de referencia de tenión baado en diodo Zener, depende fundamentalmente de la caracterítica del diodo. Lo fabricante uelen proporcionar una curva que muetran la dependencia del coeficiente de variación de la tenión de zener con la temperatura. Utilizando eta curva e puede ajutar el ( z ) al valor que requieren la epecificación. z ( z ) f ( z, z )

9 Lo circuito de referencia de tenión baado en diodo zener pueden mejorare utilizando el iguiente equema, en el que e utiliza la propia tenión regulada para polarizar el diodo Zener, e independizando la polarización de la carga. 1 o 2 Z 1 En ete circuito el amplificador operacional aíla el diodo de la carga, de modo que la regulación de carga reulta er la impedancia de alida del amplificador operacional en bucle cerrado, ZoAO egulación de carga 1 α A iendo Z oao la impedancia de alida del amplificador operacional en cadena abierta, α el factor de retorno de realimentación α 1 /( 1 2 ) y A d la ganancia diferencia del amplificador operacional en cadena abierta. El diodo zener etá alimentado por o, en vez de i ( la tenión no regulada que e utiliza como alimentación). Ete método llamado autorregulación, evita que la variacione de i afecten a la polarización del diodo zener, y en conecuencia en z. En ete cao, la regulación de línea viene determinada principalmente por el PSS del amplificador operacional, el cual repreenta lo cambio en o debido a lo cambio en la fuente de alimentación. 2 e gulación de línea 1 PS ( PS en µ / ) 1 d eferencia de tenión de alto de banda ( bandgap ) En lo circuito actuale e trabaja con tenione de alimentación muy baja, y e requiere diponer de tenione de referencia compatible con ella. La tenión de lo Zener comerciale etá por encima de lo. voltio y e exceiva para eto circuito. Ete problema e oluciona utilizando lo circuito de referencia baado en alto de banda. La referencia de tenión baada en alto de banda e baan en la compenación del coeficiente de temperatura negativo de la tenión de una unión bae-emior de un tranitor bipolar, con el coeficiente de temperatura poitivo de la tenión térmica.

10 En un tranitor bipolar polarizado en la región activa, e verifica: GO E BA q k iendo exp : ln exp donde e la temperatura aboluta en ºK, A E e el área de la unión bae emior, GO e la tenión de alto de banda que para el ilicio a 0ºK e GO y B e una contante. A temperatura ambiente (25º), 25.7 m e eté en el rango de lo pa a fa. Lo coeficiente de variación con la temperatura de y on, 0 /º ) ( > m q k 0 1 ) ( ln ) ( < k Ln q k Ln GO GO GO Dado que lo coeficiente de temperatura tienen polaridad opueta, i en un circuito como el que e muetra en la figura, e uman do componente con tenione proporcionale a y, lo coeficiente de temperatura e cancelan y da a lugar a una referencia de tenión etable. El amplificador operacional irve para elevar el valor de la tenión de referencia ref a un valor ma etándar. En el circuito la tenión proporcional a e obtiene utilizando una fuente de corriente de Widlar. Depreciando la intenidade de bae de lo tranitore, reulta, ln ln ln Ln La tenión de referencia en la alida, reulta ln 1 ref ref o K K iendo k el valor de K y ref para lo que ( ref )(K )( )0 e 0 ) ( ) ( ) ( GO GO ref K k q k K K

11 reultando la tenión nominal del dipoitivo bandgap, ref GO ( 25º ) En la figura e muetra el diagrama del circuito de referencia de tenión integrado LM aracterítica: o ppm/º z 0.4 Ω orriente de polarización 20µA a 20 ma

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15 6.4 FUENES DE ALMENAÓN. odo lo equipo electrónico requieren una o varia fuente de alimentación de continua para poder operar. La fuente de alimentación encilla etán contruida con un tranformador, un rectificador, un filtro y un regulador de tenión. La función de un regulador de tenión e proporcionar una tenión etable y bien epecificada para alimentar lo equipo. El regulador de tenión utiliza como fuente de alimentación la fuente de alimentación no regulada contruida con elemento paivo. ectificación La rectificación e el proceo no lineal por el que e obtiene una eñal con nivel de continua a partir de una eñal inuoidal in nivel de continua. ectificador de media onda. Aprovecha la caracterítica de conducción unipolar de un diodo emiconductor D i i L o D o t t

16 ectificador de onda completa Utiliza do eñale invertida obtenida mediante un tranformador con do ecundario idéntico, aí como do diodo para coneguir forma de onda con nivel de continua en endo emiciclo. ectificador baado en un puente de diodo Utiliza un puente contituido por cuatro diodo, y la no exitencia de una referencia de tenión común entre la eñal de entrada y la de alida, para obtener una eñal rectificada a doble onda, y utilizando ólo un tranformador con un devanado ecundario imple. Fuente de alimentación doble En la figura e muetra la utilización de un puente de diodo y un tranformador con ecundario doble para contruir una fuente de alimentación doble y imétrica. Lo diodo que e utilizan en lo rectificadore de potencia on muy diferente de lo diodo de eñal. Lo diodo de eñal e dieñan para coneguir alta velocidad, baja perdida y baja capacidade paráita. Por el contrario, lo diodo de potencia e dieñan para que ean capace de conducir grande intenidade directa y para que tengan tenione de ruptura invera muy elevada. Un diodo de rectificación convencional permiten corriente directa de hata 50 A y hata 600 de tenión de ruptura invera.

17 6.5 EGULADOES DE ENSÓN. La configuración ma típica de un regulador de tenión e la que e muetra en la figura y que e denomina regulación en erie. Entre la fuente de entrada y la carga e coloca un elemento que oporta la diferencia de tenión que e requiere para que la tenión en la carga ea la epecificada. Ete mimo circuito puede vere como una amplificador de potencia que genera de forma precia en u alida una tenión proporcional a la de referencia. Lo tranitore de potencia (como Q1) uelen tener valore muy bajo de β (a vece tan bajo como 10), por lo que e habitual utilizar configuracione Darlington. Eta coniguen ganancia de intenidad muy alta, pero requieren tenione colector-emior de aturación alta ( 1 voltio). Q 2 Q 1 ( ) β Darlington β 1 1 β 2 Darlington La diipación de potencia del circuito de regulación de tenión e realiza en el tranitor de potencia, que oporta la diferencia de tenión entre la no regulada y la regulada, y por el que paa la corriente de la carga. Eto ignifica que ete tranitor requiere habitualmente que e le realice el dieño térmico. Se define la eficiencia de un regulador como la relación entre la potencia que proporciona a la carga y la que requiere de la fuente no regulada, η P P L F o i L F F L o i P Q ( ) i o L P L 1 η η

18 Protección contra obrecarga El propóito del circuito de protección contra obrecarga e evitar que la potencia que e diipa en el tranitor en erie exceda de un nivel de eguridad, tra el que e podría detruir irreveriblemente. Hay do técnica para implementar ete itema de protección: omo un limitador de la intenidad máxima que el circuito puede tranferir a la carga. Limitando la máxima temperatura que puede alcanzar el tranitor. Limitador de intenidad En la figura e muetra la forma ma encilla de implementar un limitador de la intenidad de alida. Se baa en colocar una pequeña reitencia c en erie con la línea de alida, y un tranitor Q2 que comienza a conducir cuando e alcanza la intenidad límite. La máxima intenidad que puede proporcionar en u alida el regulador de tenión, e aquella que hace alcanzar en la reitencia c la tenión de umbral de la unión bae-emior del tranitor Q2, Lmax c Una dificultad de ete circuito e que aun bajo condicione de cortocircuito aún puede generar una potencia relevante, que puede detruir el circuito i el cortocircuito perdura durante tiempo prolongado.

19 Limitación de corriente con foldback En ete cao cuando la carga baja por debajo de la admitida, e reduce imultáneamente la tenión y la corriente de alida. En ete cao, una vez que e alcanza la corriente de carga máxima ( FB ), el voltaje de alida diminuye y la corriente de la carga e reduce. Eto reduce la diipación de potencia del regulador de tenión. Bajo condicione normale de carga,, 4 y Q 2 no tienen efecto obre la operación del circuito. Bajo condicione de obrecarga, la caída de tenión en L hara que Q 2 conduzca, robando intenidad de la bae del tranitor de regulación Q 1, y provocando una diminución de la tenión de alida. La diminución de o reduce aún ma la caída de tenión en, haciendo que Q2 e ature y reduciendo aún ma la corriente y la tenión en la carga. La intenidade FB e S e pueden deducir de la ecuacione, Si Si o L 0 FB L L S FB y 2 S L 4 4 FB o 4 L 2 ( ) 2 4 ( ) o FB L 4 2 S L 4 4 L 4 La corriente de cortocircuito S no debe er muy pequeña ya que en ee cao e dificulta la recuperación del circuito cuando deaparece el cortocircuito. Un valor razonable S FB /.

20 Protección contra egunda ruptura (SOA) Eta protección trata de evitar el incremento de la potencia del tranitor de regulación por incremento exceivo de i y en conecuencia de E. Eta forma de protección e implementa mediante el diodo zener D 2. Para valore de i normale, el diodo zener D 2 no conduce y el mecanimo de protección permanece inactivo. Por el contrario, cuando i upera o z, D 2 y Q conducen y limitan la corriente de alida. Protección por diparo térmico. Ete mecanimo e dipara cuando la temperatura del circuito alcanza una cierta temperatura predeterminada, que puede cauar la detrucción del circuito. En la figura e ha implementado mediante el tranitor Q. Ete tranitor etá en corte mientra que la temperatura ea tolerable. uando la temperatura aumenta, la tenión de umbral de la unión bae-emior de Q diminuye, y cuando Q comienza a conducir reduce la intenidad de bae del tranitor de regulación Q 1.

21 6.6 EGULADOES DE ENSÓN NEGADOS. Actualmente lo reguladore de tenión e implementan mediante circuito integrado que incluye cai todo lo elemento que requieren, y que con ólo alguno elemento de ajute permiten dieñar la fuente de alimentación. eguladore de tenión con tre terminale Son aquello que incluyen la totalidad de lo elemento del regulador de tenión. Lo tre terminale on la tenión de alimentación no regulada de entrada ( i ), la tenión regulada de alida ( o ) y la tierra de referencia común (GND). Se uelen diponer para la tenione nominale etándar (5, 6, 9, 12, 15, 18 y 24) eguladore de tenión ajutable de 4 terminale Permiten obtener una tenión nominal ajutable y no etándar. En la figura e muetra el ejemplo del circuito µa78g. La hoja caracterítica epecifican que el divior de tenión debe er etablecido para que en el terminal ONOL la tenión ea de 5.0. Aí mimo recomienda que la intenidad del circuito de realimentación ea uperior a 1 ma.

22 eguladore de tenión ajutable de tre terminale Lo reguladore de tenión ajutable de tre terminale requieren también de alguna reitencia externa para etablecer la tenión de alida. Báicamente on reguladore de tenión de tre terminale con corriente de polarización o muy pequeña o bien epecificada. Por ejemplo para el regulador LM 17 que e utiliza en la figura, u caracterítica epecifican que la intenidad de polarización e Q 50µA y que la diferencia entre la tenión o que e regula y la del terminal de ajute (ADJ) e J 1.25 J o Q 1 i Q << J / 1 eta ecuación e reduce a J o 2 J 1 1 eguladore de dual tracking ienen do alida que proporcionan do tenione de igual magnitud y polaridad opueta y que mantienen u imetría bajo condicione variable de línea y carga. eguladore de tenión de bajo dropout El voltaje de dropout e la mínima diferencia de tenión entre la entrada no regulada y la alida regulada, dentro de la que el circuito e capaz de regular dentro de u epecificacione. Aí por ejemplo, para L 1 A, el regulador convencional µa7805 tiene una tenión de dropout 2 (típica) y 2.5 (máxima), por lo que para generar una tenión de alida de 5, requiere una tenión de alimentación no regulada con un valor mínimo de 7.5. Un regulador de bajo dropout tiene una tenión de dropout inferior a 1.

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