INTRODUCCIÓN: La región activa de un transistor es la región de operación intermedia entre corte y saturación y por lo tanto dependiendo de las polarizaciones el transistor se comportará como un amplificador. En el desarrollo de esta sesión de laboratorio, se observará el comportamiento del transistor en dicha región a partir de la implementación de un circuito regulador de voltaje serie discreto para el cual se evaluaran sus parámetros de regulación de carga y de línea. Además se darán pautas básicas para el diseño de fuentes DC lineales de voltaje variable regulado a partir de un circuito integrado. OBJETIVOS Observar experimentalmente el comportamiento del transistor bipolar en región activa y operación DC del mismo. Realizar el análisis teórico y experimental de los reguladores de voltaje discreto serie y sus parámetros. Observar el funcionamiento de los reguladores de voltaje y sus características básicas. Establecer criterios básicos para el diseño de fuentes lineales DC reguladas de voltaje variable. ANTECEDENTES Un regulador de voltaje es un circuito cuya función principal es mantener la tensión en su salida a un valor constante definido tolerando variaciones en su voltaje de entrada y en su carga. Voltaje de entrada sin regular Vi Elemento de Control Voltaje de salida Regulado Vs Elemento de Muetreo Voltaje de Referencia Comparador Figura 1 Estructura Básica Regulador de Voltaje La figura 1 muestra la estructura básica del comportamiento de un regulador de voltaje serie, el cual consiste en un sistema de control realimentado, donde el elemento de control se encuentra en serie entre la fuente y la carga (de ahí su nombre). El voltaje en la salida es muestreado por un elemento que forma la realimentación del circuito cuya salida es comparada con un valor de voltaje de referencia mediante un comparador valga la redundancia que provee una señal de control en los siguientes casos: Si el voltaje en la salida se incrementa siendo mayor que el de referencias, la señal de control hace que el elemento de control decrezca el voltaje. Si por el contrario la salida de voltaje disminuye la señal del comparador hará que el controlador aumente el voltaje. Los reguladores de voltaje están compuestos generalmente por la estructura observada en la Figura 1 donde:
El voltaje de referencia: Es un elemento que da una tensión de referencia lo más estable posible, está conformado generalmente por usar un diodo en región de ruptura (un diodo zener y su resistencia de polarización que garantice región de ruptura dentro de los rangos de voltaje de la fuente no regulada). Elemento de Muestreo: Permite obtener una señal proporcional al voltaje de salida, es comúnmente constituido por un divisor de tensión y en algunos casos permite definir el voltaje de salida. En algunos sistemas más complejos pueden ser constituidos por sensores de voltaje o convertidores análogos digitales. Comparador: Permite establecer el error entre el voltaje medido y el valor de referencia, por lo general se puede hacer con un transistor, un amplificador operacional o un amplificador diferencial. Elemento de control: lo constituye un transistor de paso o transistor serie que regula el paso de la corriente y el voltaje de colector-emisor a partir de la corriente en su base. Es por lo general el elemento que más consume potencia dentro del circuito. La figura 2 muestra el diseño de un regulador de voltaje serie básico, éste utiliza como elemento de control o también conocido como elemento de paso un transistor npn operando en región activa lineal controlado por un voltaje de referencia Vref. Figura 2 Regulador De Tensión Serie De acuerdo con lo anterior, si Vo disminuye hará que el voltaje base emisor se vea incrementado haciendo que el transistor conduzca más con lo que se eleva el voltaje de salida. Manteniéndolo constante. Si en cambio Vo incrementa aparecerá un menor voltaje de base emisor, el transistor reduce su conducción y el voltaje de salida se reduce. El voltaje de salida del transistor está dado por: Vo = Vref Vbe Existen en el mercado una gran variedad de circuitos integrados reguladores de voltaje, su esquema funcional sigue la estructura mostrada en la figura 1 a la cual se le agregan circuitos de protección (limitadores de corriente). Estos reguladores vienen en presentaciones de voltaje fijo (positivo y negativo) o de voltaje variable. Reguladores de voltaje fijo: vienen en circuitos integrados de 3 pines y son conectados por lo general en serie entre la fuente de voltaje no regulada con la fuente regulada y su terminal de referencia siempre va a tierra. No
requieren de elementos externos para su función de regulación, exceptuando capacitores que se colocan a la entrada y salida para filtrado. Reguladores de voltaje variable: Permiten ajustar el voltaje de salida regulado a cualquier valor entre un rango de voltajes a partir de ajustes de sus elementos externos (comúnmente resistencias que ajustan el voltaje de referencia). Por ejemplo el regulador LM317 (ver figura 3) permite la regulación de voltaje en cualquier valor entre 1.2 y 32V. Figura 3 Regulador LM 317 Para el regulador de la figura 3 el voltaje de salida está dado por: 1 (1) Donde los valores típicos son: 1.25 y 100 PREINFORME: Para el circuito de la Figura 4 determine el valor de Rmin si la corriente máxima! 3 que la atraviesa es de 3A, Teniendo en cuenta que la salida del secundario del transformador entre los puntos 1 y 3 es una onda sinusoidal de 18Vrms y que el voltaje pico de la rectificación estará dado por # $% &2 ' dónde # $% 2)*+. Y ' es el voltaje de conducción de los diodos. Figura 4 Fuente no Regulada Determine el valor del capacitor del filtro C1 para un rizado inferior al 5% teniendo en cuenta que la corriente máxima de carga debe ser de 3 teniendo en cuenta que -1./ 0 1 donde es el 95% del voltaje pico de la onda rectificada.
Determine la corriente pico máxima de los Diodos rectificadores teniendo en cuenta que 23.. dónde 5 6 7 80 1 0 9 para una frecuencia : 60<= El circuito de la Figura 5 constituye un regulador de voltaje serie con controlador, donde el elemento de referencia está constituido por el diodo D1 y la resistencia Rref, El control por los transistores Q1 y Q6 los cuales constituyen un arreglo Darlington. El elemento de comparación el Amplificador operacional y las resistencias Rpot y R2b constituyen el elemento de muestreo, para este circuito determine: Figura 5 Regulador Realimentado Con el diodo zener de mas poco voltaje > que se encuentre en el laboratorio y una potencia? > @0.5 Adetermine con su >B > C0.1 > el valor de la resistencia teniendo en cuenta 0 91DEF!G0 H y determine su potencia máxima disipada. (Nota: en el laboratorio encontrarán diodo I HJ zener de 5.1v a 1W) Asumiendo que el amplificador operacional es ideal, demuestre que la salida de voltaje del regulador está dada por: )KL > 1 2% M 2% N OP. Donde #QR #QR P #QR es decir asuma el potenciómetro como un divisor de tensión variable. Escoja un valor comercial para el potenciómetro Rpot (superior a 5KΩ), y analice la función de regulación )KL > 1 2% M 2% N OP. Para ambos extremos del potenciómetro (Analice que pasa cuando #QR #QR #QR P 0 y cuando #QR P #QR #QR 0) y con dicho análisis determine el valor de 2T de tal manera que el voltaje de regulación máximo sea acorde al seleccionado a la siguiente tabla, afín a la suma de los últimos dígitos del documento de identidad de los integrantes del equipo de laboratorio:
Tabla 1. Voltaje Máximo según dígitos de documento. Suma de dígitos Voltaje Máximo 0 5 16 6 11 18 12 18 20 Para una corriente de carga máxima de 3 A U 3 y el voltaje regulado máximo )KL*VW! determine el valor de la potencia disipada por el transistor Q1. Tenga en cuenta que la corriente de colector es aproximadamente igual a la de carga y que el voltaje de colector emisor está dado por la diferencia entre el voltaje no regulado y el regulado. XY Z 23% &)KL*[\! Teniendo en cuenta el rango de voltajes encuentre una expresión que relacione la resistencia de cargar mínima y el voltaje regulado de tal manera que la corriente en la carga sea como máximo 1 amperio. Determine el voltaje de alimentación máximo del regulador teniendo en cuenta las limitaciones de polarización del amplificador operacional, los transistores y el diodo zener.. Figura 6 Regulador de Voltaje con Limitador de Corriente Asumiendo que el transistor es de potencia determine el valor de la resistencia [_^[* de tal manera que la corriente máxima de carga sea de 250 ma, Asuma que el _YZ` 1 EXPERIMENTO: [ a _YZ` UIb Realice el montaje del circuito de la Figura 4 y determine experimentalmente su voltaje máximo de salida.
Al circuito montado anteriormente, acóplele el regulador diseñado (Figura 5) y establezca experimentalmente: El rango de voltajes en los cuales el circuito opera en circuito abierto (sin resistencia de carga), tome los valores máximos y mínimos del voltaje de salida en ambos extremos del potenciómetro. y 3 valores más, midiendo el voltaje de salida y el voltaje en el terminal variable del potenciómetro y haga una tabla esos 5 valores o más si lo desee y encuentre por regresión lineal una relación entre ambas variables. Con una resistencia de por lo menos 4W, determine un valor de voltaje de tal manera que se le exija a la fuente al menos 500 ma y con ello: o Mida el voltaje y la corriente en la carga. o Mida el voltaje sin carga o o o Con lo anterior determine la regulación de carga 0 c I c Mida la corriente y voltaje a la entrada del circuito de la Figura 5 con la resistencia de carga y determine con los valores anteriores la eficiencia del regulador. Quite la resistencia de carga. Para el voltaje de regulación mínimo, desconecte uno de los extremos del transformador, y conéctelo en su derivación o tap central, mida el voltaje a la entrada del regulador y en la salida y con ello determine la regulación de línea. Monte el circuito de la Figura 6 y mida la corriente máxima de corto circuito,