Reguladores de voltaje
Comenzamos con un voltaje de ca y obtenemos un voltaje de cd constante al rectificar el voltaje de ca y luego filtrarlo para obtener un nivel de cd, y, por último, lo regulamos para obtener un voltaje de cd fijo deseado. La regulación en general se obtiene con un regulador de voltaje de circuito integrado, el cual toma un voltaje de cd y luego lo entrega a un nivel más bajo, el cual permanece igual aun cuando el voltaje de cd de entrada varíe o la carga de salida conectada al voltaje de cd también lo haga.
Se requiere un circuito rectificador para convertir una señal de valor promedio cero en una de valor promedio diferente de cero. La salida resultante desde un rectificador es un voltaje de cd pulsante y aún no adecuado como remplazo de una batería. Para voltajes de alimentación de cd, como los que se utilizan en un radio, un sistema estereofónico, una computadora, etc., el voltaje de cd pulsante de un rectificador no es suficientemente bueno. Se requiere un filtro para proporcionar un voltaje de cd más constante.
La figura muestra un voltaje de salida de filtro típico, con el cual se definirán algunos de los factores de la señal. La salida filtrada de la figura tiene un valor de cd y alguna variación de ca (rizo). Aun cuando en esencia una batería tiene un voltaje constante o de salida de cd, el voltaje de cd derivado de una señal de fuente de cd rectificada y filtrada tendrá alguna variación de ca (rizo). Cuanto más pequeña sea la variación de ca con respecto al nivel de cd, mejor será la operación del circuito de filtrado.
EJEMPLO Con un voltímetro de cd y uno de ca para medir la salida de un circuito de filtrado, obtenemos lecturas de 25 V cd y de 1.5 V rms. Calcule el rizo del voltaje de salida del filtro.
Otro factor de importancia en una fuente de alimentación es la cantidad de cambios del voltaje de salida de cd a lo largo de la operación de un circuito. El voltaje provisto a la salida en la condición sin carga (sin que demande corriente de la fuente) se reduce cuando se extrae corriente de carga de la fuente (en condición de carga). La cantidad que el voltaje de cd cambia entre las condiciones sin carga y con carga la describe un factor llamado regulación de voltaje.
Un circuito de filtrado de mucha aceptación es el filtro de capacitor que se muestra. Se conecta un capacitor en la salida del rectificador y se obtiene un voltaje de cd a través del capacitor.
De acuerdo con lo anterior, está claro que los valores grandes de capacitancia proporcionan menos rizo y un voltaje promedio más alto, con lo cual el filtro actúa mejor. De aquí se podría concluir que para mejorar el desempeño de un filtro de capacitor, todo lo que se requiere es aumentar el tamaño del capacitor de filtrado. Sin embargo, el capacitor también afecta la corriente pico a través de los diodos de rectificación y, como veremos a continuación, cuanto más grande sea el valor del capacitor, mayor será la corriente pico extraída por conducto de los diodos de rectificación.
Los diodos conducen durante un periodo T 1 durante el cual el diodo debe proporcionar la corriente promedio necesaria para cargar el capacitor. Cuanto más corto es este intervalo, más grande es la cantidad de la corriente de carga. Observe que con valores pequeños del capacitor y T1 grande, la corriente pico en el diodo es menor que con valores grandes del capacitor de filtrado. Como la corriente promedio extraída de la fuente debe ser igual a la corriente promedio en el diodo durante el periodo de carga, podemos utilizar la siguiente relación
Es posible reducir aún más la cantidad de rizo a través del capacitor si se utiliza una sección de filtro RC adicional
Circuito equivalente de cd de la sección de filtro RC
Ejemplo: Calcule el voltaje CD a través de una carga de 10kΩ para una sección (R=120 Ω C=10uF) de filtro RC. El voltaje de cd a través del capacitor de filtrado inicial es Vcd=60V
Debido a la acción del divisor de voltaje de la impedancia de CA del capacitor y el resistor de carga, el componente de CA del voltaje resultante a través de la carga es: Para un rectificador de onda completa de rizo de CA a 120 Hz, la impedancia del capacitor se calcula con: Donde C está en microfarads y Xc en kiloohms
Calcule los componentes de CA y CD de la señal de salida a través de la carga RL del circuito, además calcule el rizo de la forma de onda de salida
Regulación de Voltaje en Serie
La conexión básica de un circuito regulador en serie se muestra en la siguiente figura El elemento en serie controla la cantidad de voltaje de entrada que llega a la salida
Un circuito muestra el voltaje de salida y proporciona un voltaje de realimentación que se compara con un voltaje de referencia. 1.- Si el voltaje de salida incrementa, el circuito comparador emite una señal de control que hace que el elemento de control en serie reduzca la cantidad de voltaje de salida, con lo cual se mantiene el voltaje de salida. 2.- Si el voltaje de salida de reduce, el circuito comparador emite una señal de control para que el elemento de control en serie incrementen la cantidad de voltaje de salida.
El transistor Q1 es el elemento de control en serie y el diodo Zener Dz proporciona el voltaje de referencia 2. Si el voltaje de salida se incrementa, el el voltaje reducido entre la base y el emisor hace que el transistor Q1 conduzca menos, por lo que el voltaje de salida se reduce y la salida se mantiene constante Funcionamiento: 1. Si el voltaje de salida se reduce, el voltaje de base a emisor incrementado hace que el transistor Q1 conduzca más, por lo que el voltaje de salida se eleva y la salida se mantiene constante
En la figura se muestra otro tipo de regulador en serie. El amplificador operacional compara el voltaje de referencia del diodo Zener con el voltaje de realimentación de los resistores detectores R1 y R2. Si el voltaje de salida varía, la conducción del transistor Q1 se controla para mantener constante el voltaje de salida. El voltaje de salida se mantendrá a un valor de
A medida que aumenta la corriente de carga IL, la caída de voltaje a través del resistor detector en cortocircuito RSC se incrementa.
La limitación de corriente reduce el voltaje de carga cuando la corriente llega a ser más grande que el valor límite. El circuito de la figura proporciona limitación por reinyección, la cual reduce tanto el voltaje de salida como la corriente de salida, para proteger la carga contra sobrecorrientes y también para proteger el regulador.
Un regulador de voltaje en derivación proporciona regulación al desviar la corriente de la carga para controlar el voltaje de salida. La figura muestra un diagrama de bloques de un regulador de voltaje como ese.
En la figura se muestra un circuito regulador en derivación simple. El resistor RS reduce el voltaje no regulado en una cantidad que depende de la corriente suministrada a la carga RL. El diodo Zener y el voltaje base-emisor del transistor establecen el voltaje de carga. Si la resistencia de ésta se reduce, el resultado es una corriente de control reducida hacia la base de Q1 y menos corriente de colector se pone en derivación. Por consiguiente, la corriente de la carga es más grande con lo que se mantiene el voltaje regulado a través de la carga. El voltaje de salida suministrado a la carga es
EJEMPLO Determine el voltaje regulado y las corrientes del circuito para el regulador en derivación de la figura.
La figura muestra otra versión de un regulador de voltaje en derivación que utiliza un amplificador operacional como comparador de voltaje. Compara el voltaje Zener con el voltaje de realimentación obtenido con el divisor de voltaje R1 y R2 para proporcionar la corriente de excitación de control para poner en derivación el elemento Q1. De esa manera se controla la corriente a través del resistor RS para reducir el voltaje a través de RS de modo que se mantenga el voltaje de salida.