PRÁCTICA PD4 REGULACIÓN DE VOLTAJE CON DIODOS ZENER

Transcripción

1 elab, Laboratorio Remoto de Electrónica ITEM, Depto. de Ingeniería Eléctrica PRÁCTICA PD4 REGULACIÓN DE OLTAJE CON DIODO ENER OBJETIO Analizar teóricamente y de forma experimental la aplicación de diodos ener para la regulación de voltaje, y determinar las ventajas, desventajas y limites de operación de los diodos ener en aplicaciones de regulación de voltaje Aprender a utilizar las hojas de datos de diodos ener, con el objetivo de seleccionar un diodo con características específicas, y que cumpla con las condiciones de diseño que demanda un circuito regulador de voltaje. Realizar mediciones sobre circuitos reguladores de voltaje con el objetivo de explorar su funcionamiento y posteriormente comparar los resultados con los resultados obtenidos mediante el análisis teórico. 1.1 INTRODUCCIÓN El diodo ener puede usarse en aplicaciones de regulación de voltaje, tal y como se ilustra en el circuito de la Figura 1. Esto es posible gracias a que su voltaje de ruptura es casi constante sobre un amplio intervalo de corrientes de polarización inversa. R i i L i R i R L L Figura 1 Circuito regulador de voltaje con diodo ener. En la figura anterior se observa que la corriente de carga i L varia conforme cambia el valor de la resistencia de carga R L. Para que este circuito opere como regulador del voltaje L, se requiere que el diseño del mismo contemple al diodo operando en su región zener. En este punto, el voltaje en las terminales del diodo se mantiene casi constante en un valor. Aunque en la Figura 1 no sea visible, se considera que el valor de la fuente de voltaje también varía dentro del siguiente intervalo (min) < < (max). El objetivo principal durante el diseño de este tipo de circuitos es el de seleccionar un valor adecuado de resistencia R i que permita al diodo mantener un voltaje de salida casi constante, aun y cuando varíen, tanto el voltaje de entrada, como la resistencia de carga R L. Esta resistencia R i limita la corriente a través del diodo ener y recibe el voltaje excedente entre y. Una vez seleccionado el valor de la resistencia R i es importante considerar la potencia máxima que esta disipará cuando por ella circule la corriente máxima considerada en el diseño. Por otro lado, el diodo 1

2 ener que se seleccione, debe satisfacer el voltaje de regulación del diseño, y además debe soportar los cambios en las corrientes de polarización inversas que se presenten al variar la resistencia de carga o el voltaje de la fuente. Para ello, se debe considerar la potencia máxima que soportará el dispositivo semiconductor. Por lo tanto, se recomienda estudiar detenidamente las hojas de especificaciones que proporcionan los fabricantes del diodo ener seleccionado para determinar los parámetros de funcionamiento más importantes y las limitaciones del dispositivo. Resistencia ener En el circuito regulador ener mostrado en la Figura 1 se considero al diodo ener como ideal. Es decir, que éste mantiene un voltaje constante en la región de ruptura. En la practica, sin embargo, este voltaje no es constante ya que es una función de la corriente que circula por el dispositivo. Por lo que, un modelo practico del diodo ener, debe considerar su resistencia interna r, tal y como se ilustra en la Figura 2. En esta figura, el modelo del diodo ener incluye un diodo ener ideal con voltaje ener nominal nominal y una resistencia en serie r. i R L i i R i r nominal R L L Figura 2 Circuito regulador de voltaje que considera la resistencia interna r del diodo ener. Porcentaje de regulación Como se menciono anteriormente, a causa de la resistencia ener, el voltaje de salida no permanecerá constante. Por lo que es posible determinar los valores mínimo y máximo del voltaje de salida. Un factor de mérito para un regulador de voltaje es el porcentaje de regulación que se define como: L ( máx) L( mín) % Regulación = 100 ( nominal) donde L (máx) y L (min) son los voltajes máximos y mínimos presentes en la carga cuando por el diodo ener circula una corriente máxima (I (máx)) y mínima (I (min)) respectivamente; por otro lado, el termino L (nominal) representa el valor nominal del voltaje de salida. Conforme este porcentaje se acerque a cero, el circuito se aproxima al de un regulador de voltaje ideal. L Bibliografía Libro de Texto: 2

3 Microelectronics; Circuit Analysis and Design (Chapter 2) Donal A. Neamen, McGraw Hill, 3 rd Edition, 2007 Libros de Consulta: Electronic Devices (Chapter 1) Thomas L. Floyd, Prentice Hall, 6 th Edition, 2002 Electronic Circuits; Analysis, imulation, and Design (Chapter 3) Norbert R. Malik, Prentice Hall, 1995 Electronic Devices and Circuits (Chapter 1 and 2) Robert T. Paynter, Prentice Hall, 7 th Edition, ACTIIDAD PREIA Instrucciones iga detalladamente las instrucciones para cada uno de los puntos que se presentan a continuación. Conteste y/o resuelva lo que se le pide en los espacios correspondientes para cada pregunta. Hágalo de manera ordenada y clara. En el reporte agregue en el espacio asignado gráficas comparativas, análisis de circuitos, simulaciones en computadora, ecuaciones, cálculos, etc., según sea el caso. No olvide colocar una portada con sus datos de identificación así como los datos relacionados con la práctica en cuestión, como número de práctica, titulo, fecha, etc. Desarrollo de la actividad previa I) Lea detenidamente el capitulo 2 de su libro de texto (Circuitos con diodos), y en los libros de consulta, el material relacionado con circuitos reguladores de voltaje con diodos ener, y conteste lo siguiente: Cuando un diodo ener se utiliza como regulador de voltaje este debe tener una polarización: Explique la función principal del resistor R i en el circuito de la Figura 1. Tomando como referencia la hoja de especificaciones que proporcionan los fabricantes de diodos ener. Mencione los parámetros de funcionamiento más importantes que deben ser considerados en la selección de un diodo ener. Considere que dicho diodo se utilizará en el regulador de voltaje que se presenta en la Figura 1. Proporcione una justificación para cada parámetro que seleccione. 3

4 Explique las condiciones que permiten al diodo ener, que se ilustra en la Figura 1, mantener un voltaje constante en las terminales de la carga R L. Tome en cuenta que esta resistencia varía en un intervalo acotado por: R Lmin < R L < R Lmax. Considere también que el voltaje de entrada varía en el siguiente intervalo: (min) < < (max). El valor de R i permanece constante. Explique los siguientes conceptos (aplicados a circuitos reguladores de voltaje): a) Regulación de línea b) Regulación de carga. Explique además como se relacionan cada uno de estos conceptos con el porcentaje de regulación descrito en la introducción. a) Regulación de línea: b) Regulación de carga: La corriente de un diodo ener de 1 W y 10 debe limitarse a un valor de: II) Análisis del circuito regulador de voltaje con diodo ener. Analice el circuito regulador de voltaje que se ilustra en la Figura 1. Para una operación apropiada del circuito tome en cuenta los siguientes intervalos de operación: Corriente en la carga: I L(min) < I L < I L(max) Corriente en el diodo ener: I (min) < I < I (max) oltaje de entrada al regulador: (min) < < (max) Durante el análisis tome en cuenta el efecto de la resistencia ener en el circuito, r. Tomando en cuenta estas consideraciones determine (en función de los valores máximos y mínimos) lo siguiente: a) Una expresión para el cálculo de R i. b) La corriente máxima de operación del diodo ener. c) La corriente mínima de operación del diodo zener. d) Potencia máxima disipada por el diodo ener e) Potencia máxima disipada por el resistor R i. Coloque en el siguiente espacio los análisis respectivos. 4

5 III) Detección de fallas en el circuito regulador de voltaje con diodo ener. A continuación se presenta una situación en donde, durante el diseño de un regulador de voltaje como el mostrado en la Figura 1, se obtiene una corriente máxima para el diodo ener ( I (máx)) de valor negativo. Para este caso conteste lo siguiente: a) Qué indica el signo negativo en el valor de I (max)? b) Cuáles serían las causas probables de este resultado? c) Proporcione una solución a este problema. 1.3 PROCEDIMIENTO En esta sección se analizará el funcionamiento de un circuito regulador de voltaje que utiliza un diodo ener. Con el fin de determinar el comportamiento del regulador de voltaje ante varias condiciones de operación del circuito. e observará, por una parte, los efectos de las variaciones en la fuente de alimentación, sobre el voltaje de regulación L en las terminales de la carga R L. Y por otro lado, los efectos de los cambios en la resistencia de carga R L sobre el voltaje que proporciona el diodo ener. Este análisis se llevara a cabo realizando mediciones de voltaje y corriente en varios puntos de interés de los propios circuitos, para las condiciones mencionadas anteriormente, y a través de la interfase gráfica del Laboratorio Remoto de Electrónica (elab). Al finalizar las mediciones correspondientes para cada uno de los circuitos, se determinará el porcentaje de regulación de línea o de carga, según corresponda; con esto será posible evaluar la eficiencia del regulador de voltaje en cuestión. I) Regulador de voltaje con diodo ener: circuito 1 A continuación se presenta el procedimiento que servirá de guía durante el análisis del circuito regulador de voltaje con diodo ener que se ilustra en la Figura 3. 1 R i =270 Ω i R i 680 Ω Gnd i 2 L 3 R L L Figura 3. Circuito 1: Regulador de voltaje con diodo ener a plena carga. 5

6 a) Efectos al variar el valor de voltaje de la fuente s. Para determinar el comportamiento del regulador de voltaje que se presenta en la Figura 3, varié el voltaje de la fuente de entrada en intervalos de 1 o 2 volts. Para cada incremento en el voltaje de la fuente, mida el voltaje en la carga R L (o en las terminales del diodo ener) y el voltaje presente en el resistor R i. Con estas mediciones calcule la corriente en el resistor R i, la corriente en el diodo ener y la corriente en la carga R L. Anote los resultados de estas mediciones y los cálculos de corrientes en la siguiente tabla. oltaje de la fuente oltaje en la carga RL L = oltaje en el resistor Ri Ri Corriente en el resistor Ri. I R Corriente en el diodo ener I Corriente en la carga R L. I L Observe el comportamiento del voltaje en el diodo ener y proporcione una explicación para estos resultados. b) Obtención de parámetros de la hoja de fabricantes de diodos ener. Utilizando la hoja de especificaciones proporcionada por el fabricante del diodo ener, anote enseguida, para el diodo ener 1N4728 utilizado en el circuito de la Figura 3, los parámetros de interés que se indican en la siguiente tabla (anote estos datos en la columna que indica dato del fabricante ). Posteriormente, y utilizando los resultados de las mediciones efectuadas en el inciso (a) del presente punto, determine los parámetros que se indican en esta misma tabla (anote estos resultados en la columna resultado de las mediciones ). Parámetros Dato del fabricante Resultado de las mediciones oltaje ener nominal (nominal) = = Disipación total de potencia P = P = Corriente ener máxima I M = I max = Corriente ener de codo o corriente ener mínima I K = I min = 6

7 La corriente mínima y máxima del diodo ener en el circuito esta dentro de los rangos de corriente especificados por el fabricante? Justifique su respuesta c) Indique el valor de s a partir del cual el diodo ener comienza a operar como regulador de voltaje. Anote este valor en la siguiente tabla e indique también (para este mismo voltaje ) el voltaje que presenta el diodo ener en sus terminales. oltaje s requerido para que el diodo opere como regulador de voltaje = oltaje en las terminales del diodo ener = Explique la relación que existe entre estos voltajes y la corriente de codo (I K ) en el diodo ener. Que sucede con el voltaje en la carga ( L ) cuando el voltaje se encuentra por debajo del valor obtenido en el inciso anterior? Justifique su respuesta. d) Potencia en el resistor Ri. A partir de los datos medidos en el inciso (a) del presente punto calcule la potencia máxima disipada por el resistor Ri. Potencia máxima en el resistor Ri P Ri = f) Porcentaje de regulación de línea. En base a las mediciones obtenidas en el inciso (a) del presente punto calcule el porcentaje de regulación de línea. Considere que L (max) corresponde al valor máximo de voltaje regulado obtenido durante las mediciones y L (min) es el voltaje regulado mínimo que puede proporcionar el diodo ener (obtenido en el inciso (d) del presente punto). % Porcentaje de regulación de línea % RL= II) Regulador de voltaje sin carga (en vacío): circuito 2 En esta parte del procedimiento se analiza el circuito regulador de voltaje de la sección anterior (ver Figura 3) pero ahora sin carga, es decir RL= (en vacío). Este circuito se ilustra en la Figura 4 1 Ri=270 Ω i R i Gnd 2 R L = Figura 4. Circuito 2: Regulador de voltaje con diodo ener y resistencia de carga infinita (en vacío) 7

8 a) Efectos al variar el valor de voltaje de la fuente s. Para determinar el comportamiento del regulador de voltaje que se presenta en la Figura 4, varié el voltaje de la fuente de entrada. Para cada incremento en el voltaje de la fuente, mida el voltaje en las terminales del diodo ener y en el resistor R i. Con estas mediciones calcule la corriente en el diodo ener. Anote los resultados de estas mediciones y los cálculos de corrientes en la siguiente. oltaje de la fuente oltaje en el diodo ener oltaje en el resistor Ri Ri Corriente en el diodo ener I R =I Proporcione una explicación para el comportamiento del voltaje en el diodo ener y en el resistor Ri. Indique el voltaje mínimo que debe proporcionar la fuente de tal forma que el diodo ener se comporte como regulador de voltaje. Que sucede con el diodo zener cuando el voltaje se encuentra por debajo del valor indicado en la pregunta anterior? b) Porcentaje de regulación de línea. En base a las mediciones obtenidas en el inciso (a) del presente punto calcule el porcentaje de regulación de línea. Considere que L (max) corresponde al valor máximo del voltaje regulado obtenido durante las mediciones y L (min) es el voltaje regulado mínimo que puede proporcionar el diodo ener. % Porcentaje de regulación de línea % RL= 8

9 III) Regulador de voltaje con carga máxima (resistencia mínima): circuito 3 En esta parte del procedimiento se analiza el comportamiento del circuito regulador de voltaje de la sección I (er Figura 3) pero ahora con una carga de valor mínimo, este circuito se ilustra en la Figura 5. R i = 270 Ω i 2 L 3 1 i R i R L Ω Ω Gnd Figura 5. Circuito 3: Regulador de voltaje con diodo ener y resistencia de carga mínima a) Efectos al variar el valor de voltaje de la fuente s. Para determinar el comportamiento del regulador de voltaje que se presenta en la Figura 5, varié el voltaje de la fuente de entrada. Para cada incremento en el voltaje de la fuente, mida el voltaje en la carga R L y el voltaje presente en el resistor R i. Con estas mediciones calcule la corriente en el resistor R i, la corriente en el diodo ener y la corriente en la carga R L. Anote los resultados de estas mediciones y los cálculos de corrientes en la siguiente tabla. L oltaje de la fuente oltaje en la carga RL L = oltaje en el resistor Ri Ri Corriente en el resistor Ri. I R Corriente en el diodo ener I Corriente en la carga R L. I L Observe el comportamiento del voltaje en el diodo ener y compárelo con el comportamiento que tuvo dicho diodo en el circuito regulador analizado en el punto I del procedimiento (ver Figura 3). Que diferencias observa? Describa el resultado de sus observaciones en las siguientes líneas. 9

10 Explique el comportamiento del regulador de voltaje a medida que la resistencia de carga (R L ) disminuye. Que sucede con el voltaje en el resistor Ri? Que sucede con la corriente en el diodo ener? Que sucede con la corriente en la carga R L? b) Indique el valor de s a partir del cual el diodo ener comienza a operar como regulador de voltaje. Anote este valor en la siguiente tabla e indique también (para este mismo voltaje ) el voltaje que presenta el diodo ener en sus terminales. oltaje s requerido para que el diodo opere como regulador de voltaje = oltaje en las terminales del diodo ener = c) Potencia en el resistor Ri. A partir de los datos medidos en el inciso (a) del presente punto calcule la potencia máxima disipada por el resistor Ri. Potencia máxima en el resistor Ri P Ri = d) Porcentaje de regulación de línea. En base a las mediciones obtenidas en el inciso (a) del presente punto calcule el porcentaje de regulación de línea. Considere que L (max) corresponde al valor máximo de voltaje regulado obtenido durante las mediciones y L (min) es el voltaje regulado mínimo que puede proporcionar el diodo ener (obtenido en el inciso (b) del presente punto). % Porcentaje de regulación de línea % RL= 1.4 ACTIIDADE Y CONCLUIONE FINALE 1) A partir de las mediciones realizadas en los incisos (a) del punto I del procedimiento, grafique la curva característica del diodo ener, indique el voltaje de ruptura ener, la corriente de codo I K, y la corriente máxima I M. Para realizar la grafica, proporcione los datos obtenidos a un programa por computadora, por ejemplo: Excel, Matlab, etc. Anexe la grafica en el siguiente recuadro. 2) Analice el circuito de la Figura 3 bajo las siguientes condiciones: el voltaje de entrada varía en el siguiente intervalo 5 10, el diodo ener corresponde al utilizado en el punto I del procedimiento, considere el mismo valor de Ri y de R L, que se muestran en la misma figura. Para las condiciones anteriores determine: a) La corriente mínima y máxima que circula por el diodo ener b) La corriente mínima y máxima en el resistor Ri c) Determine el voltaje mínimo y máximo en la carga 10

11 R L, para ello tome en cuenta la resistencia ener r, la cual puede obtenerla a partir de la hoja de especificaciones que proporciona el fabricante del diodo ener. d) Determine la potencia máxima disipada por el diodo ener y por el resistor Ri. e) Determine el porcentaje de regulación de línea Coloque los cálculos en el siguiente recuadro. 3) Compare los resultados analíticos obtenidos en el problema anterior con los resultados obtenidos a partir de las mediciones realizadas en el punto I del procedimiento para las mismas condiciones del voltaje de entrada (5 10 ). Complete la siguiente tabla. Resultado analítico para Resultado de la medición para Corriente mínima en el diodo ener I (min) = I (min) = Corriente máxima en el diodo ener I (max) = I (max) = Corriente mínima en el resistor Ri I Ri(min) = I Ri(min) = Corriente máxima en el resistor Ri I Ri(max) = I Ri(max) = oltaje mínimo en R L L(min) = L(min) = oltaje máximo en R L L(max) = L(max) = Potencia máxima en el diodo ener P (max) = P (max) = Potencia máxima en la resistencia Ri P Ri(max) = P Ri(max) = Porcentaje de regulación de línea %RL= %RL= Escriba sus conclusiones en relación a los resultados mostrados en la tabla anterior. 4) A partir de las mediciones realizadas en los puntos I y II del procedimiento calcule el porcentaje de regulación de carga para cada uno de los valores de la fuente definidos en la siguiente tabla. oltaje de la Fuente oltaje en la carga para R L = oltaje en la carga para R L = 680 W Porcentaje de Regulación de carga ( R = ) ( = 680Ω) L RL %RegC = 100% ( R = 680Ω) L 11

12 Que sucede con el porcentaje de regulación de carga a medida que se incrementa el voltaje de la fuente? Justifique su respuesta. 5) A partir de las mediciones realizadas. Indique, para los tres tipos de circuitos, el rango de voltaje en el que debe encontrarse la fuente, de tal forma, que permita al diodo ener operar como regulador de voltaje. Coloque estos valores en la siguiente tabla para cada uno de los circuitos analizados. Tipo de circuito Circuito 1: Regulador ener con R L =680Ω Circuito 2: Regulador ener con R L = Circuito 3: Regulador ener con R L =180Ω Intervalo de la fuente que permite al diodo ener operar como regulador de voltaje. (min) (max) Compare los resultados que arroja la tabla anterior y coméntelos en las siguientes líneas. 6) Anote enseguida sus conclusiones generales de la presente práctica: 12