EXP204 REGULADOR DE VOLTAJE SERIE

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1 EXP204 REGULADOR DE VOLTAJE SERIE I.- OBJETIVOS. Diseñar un regulador de voltaje serie ajustable Comprobar el funcionamiento del regulador. Medir la resistencia de salida del regulador Medir el por ciento de regulación de línea. Comprobar el funcionamiento del circuito de protección contra cortocircuito. II.- LISTA DE MATERIAL Y EQUIPO. 1 Resistencia de 330Ω, 3W 1 Resistencia de 220Ω, 3W 1 Resistencia de 150Ω, 3W 1 Resistencia de 100Ω, 3W 1 Multímetro digital 1 Fuente de alimentación 1 JFET 2N Amplificador operacional UA741 1 Diodo Zener 5.2V, 1W 1 Capacitor de 0.1µF, 50V 2 Potenciómetros de 10 KΩ 1 Resistencia de 4.7Ω, 3W 1 Resistencia de 4.7 KΩ, ½ W 1 Resistencia de 47 KΩ, ½ W 1 Resistencia de 1 KΩ, 3W 1 Resistencia de 680Ω, 3W 1 Resistencia de 470Ω, 3W EXP204-1.

2 III.- CIRCUITO DEL EXPERIMENTO. Figura 1. Regulador de voltaje serie NOTA: el valor de RL es: 470Ω, 220Ω y 100Ω. EXP204-2.

3 IV. TEORÍA PRELIMINAR. Partes Fundamentales: Las partes fundamentales de un regulador serie como el de la figura No. 1, son las siguientes: La red de muestreo de voltaje formada por las resistencias Ra, Rb y el Potenciómetro de 10 KΩ. La fuente de voltaje de referencia está formada por el diodo zener DZ, el transistor de efecto de campo (JFET) J1, el potenciómetro RF y el condensador C1. El amplificador de error de éste circuito lo constituye el amplificador operacional de propósito general 741. El transistor de paso Q1, que es un transistor de potencia NPN de silicio (en este circuito el 2N3055). Un circuito limitador de corriente formado por el transistor NPN de silicio Q2 (2N3904) y la resistencia R SC que muestra la corriente de salida del regulador. Expresión del voltaje de salida. En donde el factor de retroalimentación depende de las resistencias ajustables R1 y R2. β= R1 R1 + R2 El voltaje de salida del regulador puede aproximarse al voltaje de salida del amplificador de error, es decir: En donde: Vo A (Vz - Vf) A = Ganancia de lazo abierto del amplificador operacional Vz = Voltaje del diodo zener o de referencia. Sustituyendo el valor de Vf y despejando Vo, se obtiene Vo = AVz 1 + βa EXP204-3

4 como la ganancia del amplificador es extremadamente alta (A=100,000) resulta Vo = Vz o bien Vo = Vz (R1 + R2) β R1 La expresión del voltaje de salida del regulador serie es la siguiente: En donde: V0 = R1 + R2 (V REF ) R1 R1 = Ra + fracción de Rpot y R2 = Rb + fracción de Rpot para el caso del circuito de la figura 1. Procedimiento de diseño del Regulador Serie. 1. Especificar los datos del regulador. En nuestro experimento, deseamos un regulador con las siguientes características: V0 = 5 a 15 V I0 = 100 ma I SC = 120 ma Salida ajustable Corriente Nominal Corriente de cortocircuito 2. Selección de voltaje de entrada no regulado. Debe de seleccionarse 2 ó 3V arriba del voltaje de salida máximo para asegurar que Q1 esté en la región activa, entonces: Vi min = = 18 V Considérese un voltaje nominal Vi = 20 ± 2 V 3. Selección de voltaje de referencia del diodo Zener y del transistor JFET. El V REF debe de ser menor que el voltaje de salida mínimo. V REF <V0 min = 5V Seleccionamos V REF = 1.2 V Seleccionamos un diodo Zener cuyo voltaje sea mayor que V REF, tal como: V Z = 5.2V EXP204-4

5 4. Cálculo de las resistencias Ra y Rb. De la fórmula del voltaje de salida del regulador se tiene que el voltaje de salida es máximo cuando: R2 = Rb + 10 y R1 = Ra Por lo tanto, V0 máx = Ra + Rb + 10 (V REF ) = 15 V Ra Mientras que el voltaje de salida es mínimo cuando: R1 = Ra + 10 y R2 = Rb Así que: V0 mín = Ra + Rb + 10 (V REF ) = 5 v Ra + 10 De estas dos últimas expresiones se encuentra que Ra = 5 KΩ y Rb = 47.5 kω, por lo tanto se selecciona Ra = 4.7 KΩ y Rb = 47 KΩ, de 0.5W. 5. Selección del transistor de potencia Q1. La potencia disipada por el transistor Q1 está dada por: P = V CE * I C o bien P = (Vi - Vo)* I SC Este elemento debe ser capaz de disipar la potencia duranteun cortocircuito (V0 = 0), entonces: P = Vi * I SC sustituyendo valores P = (20)*(0.12) = 2.4 W 6. Selección del transistor Q2 y la resistencia limitadora R SC. El transistor Q2 se enciende cuando el voltaje entre base y emisor es igual a 0.6V, este voltaje es igual a la caída de R SC provocada por la corriente de cortocircuito. R SC = V BE = 0.6 = 5Ω I SC 0.12 Seleccionar 4.7 Ω, 1W, La corriente máxima en Q2 es ligeramente menor que la corriente de cortocircuito del amplificador 741, aproximadamente 25 ma. Por lo que el transistor NPN 2N3904 es una buena selección. EXP 204-5

6 V.- PROCEDIMIENTO 1. Implementar el circuito regulador serie de la figura 1. La resistencia de carga es variable, inicie con un valor de 1 KΩ. El voltaje de entrada ajústelo a su valor nominal de 20 V. 2. Ajuste el voltaje de referencia V REF a un valor de 1.2 V. Mida el voltaje de salida del amplificador operacional para checar que no esta saturado ( se sabe que esta saturado si mide cerca del voltaje de entrada). De ser así revise las conexiones, ceque el transistor, amplificador operacional y realice nuevamente los pasos 1 y Ajuste Rpot para obtener el voltaje de salida mínimo y registre su valor: V0 mín = 4. Ajuste Rpot para obtener el voltaje de salida máximo y registre su valor: V0 máx = 5. Con el propósito de medir la resistencia de salida del regulador, proceda de la siguiente manera: El voltaje de entrada Vi se mantendrá en su valor nominal de 20 V. Ajustar Rpot para obtener un voltaje de 10 V con RL = 1 KΩ. Completar la siguiente tabla: RL V0 I0 = V0 / RL 1 KΩ 680 Ω 470 Ω 150 Ω 100 Ω 6. Con el propósito de medir el % de regulación de línea, proceda de la siguiente manera: Inicialmente ajuste para Vi = 20 V Ajuste el voltaje de salida a 10 V Fije la resistencia de carga en un valor para corriente nominal (100 ma), es decir, RL = 100 Ω. EXP204-6.

7 Complete la siguiente tabla: Vi V0 I L = V0 / V 19 V 20 V 21 V 22 V 7. Con el propósito de medir la corriente de cortocircuito, realice lo siguiente: Ajuste el voltaje de entrada Vi a 20 V. Coloque una resistencia de 10 Ω, 1 W como carga para crear un cortocircuito y medir la corriente indirectamente. Mida el voltaje de CD en la resistencia de carga de 10 Ω con el multímetro digital. V RL = Elimine el cortocircuito y observe que el voltaje de salida regresa a su valor normal. EXP204-7

8 VI.- REPORTE. 1. Grafique el comportamiento del voltaje de salida V0 contra la corriente de carga I0. Use los datos de la tabla del paso 5 del procedimiento. 2. De la gráfica anterior determine los cambios totales en el voltaje y la corriente de salida. V0 = I0 = 3. Con el resultado anterior calcule la resistencia de salida del regulador. Debe ser un valor pequeño: R0 = V0 I0 4. Grafique la curva de regulación, es decir el comportamiento del voltaje de salida con respecto al voltaje de entrada Vi. Use los datos de la tabla del paso 6 del procedimiento. 5. De la gráfica anterior determine los cambios totales en los voltajes de entrada y salida. V0 = Vi = EXP204-8.

9 6. Determine el % de regulación de línea sabiendo que: factor de regulación = % cambio de voltaje en carga % cambio de voltaje en línea factor de regulación = V0 Vi Vi nominal V0 nominal En donde: Vo nominal = 10V y Vi nominal = 20V 7. Determine el valor de la corriente de cortocircuito medida indirectamente en el paso 7 del procedimiento. EXP204-9

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