REGULADORES DE VOLTAJE LINEALES

Los filtros: Son circuitos especializados en tratar de distinta forma (amplificar y desfasar ms o menos) a los armnicos segn su frecuencia

INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITCNICO

SANTIAGO MARIO

ESCUELA DE INGENIERA ELECTRNICA

EXTENSIN MATURN

Reguladores de voltaje.Profesor:

Realizado por:

Ing. Nstor L. Machado Br. Lus D. Requena F.

Materia: Semestre: VElectrnica I

Seccin: Diurno-D

Maturn, Enero de 2015.Introduccin.Los reguladores de voltaje, se denominan en reguladores en serie y paralelo. Este tema en la electronica abarca varios puntos entre los cuales tenemos la generalizacin sobre los filtros que se basan en tratar de formar distinta a los armnicos, que poseen diferentes frecuencias, tipos, utilidades, entre otros. Otros puntos importantes son los reguladores de voltaje con transistores BJT, el cual tiene dos tipos fundamentales que se detallaran en la investigacin, circuitos que regulan la tensin, una forma de proteccin es limitando la corriente y por ultimo y no menos importante los reguladores lineales integrados.

1. GENERALIZACION SOBRE LOS FILTROS.Son circuitos especializados en tratar de distinta forma (amplificar y desfasar ms o menos) a los armnicos segn su frecuencia.Si en cualquier circuito analgico introdujramos una seal compuesta de armnicos de todas las frecuencias, veramos que trata de distinta forma a unos armnicos que a otros dependiendo de su frecuencia. Esto puede considerarse como distorsin de la seal de entrada.

1.1. FRECUENCIAS DE CORTE DE UN FILTRO.Son las frecuencias en que la ganancia en dB (de potencia, voltaje o corriente) es igual a la ganancia mxima en dB menos 3 dB. En estas frecuencias la ganancia de potencia es igual a del valor mximo, y la ganancia de voltaje o corriente corresponde la ganancia mxima dividida por 2.

Figura 1. Frecuencias de corte.Tomado de: Apuntes de instrumentacin electronica. 3 I.T.I. Electronica

Ignacio Moreno Velasco.Las frecuencias de corte dividen al eje de frecuencias en intervalos alternados en que la ganancia es mayor o igual a la de las frecuencias de corte, e intervalos en que la ganancia es menor a la de las frecuencias de corte.1.2. UTILIDAD DE LOS FILTROS.1.2.1. ACONDICIONAMIENTO DE LA SEAL DE ENTRADA AL SISTEMA. Eliminar interferencias y ruido de las seales procedentes de sensores.

Limitacin del ancho de banda al rango til del sistema.

Eliminacin de frecuencias superiores antes de la conversin A/D (Anti-aliasing).

Sintonizacin de seales tiles (P. ej. desmodulacin).

Por ejemplo, para filtrar el ruido de 50 Hz procedente de la lnea elctrica, el mdulo acondicionador genrico SCXI-1120/21 de National Instruments incluye un filtro paso-bajo con fc seleccionable mediante jumper (fc=4 Hz 10 kHz). Si fc = 4 Hz, se obtienen unos 90 dB de rechazo al ruido de 50 Hz.

1.2.2. ACONDICIONAMENTO DE LA SEAL DE SALIDA. Eliminacin de armnicos innecesarios (P. ej. alisado de la salida de los conversores D/A).

Supresin de ruido e interferencias que halla introducido el sistema.

1.3. TIPOS DE FILTROS.1.3.1. SEGN LA FUNCION QUE REALICE.Paso-bajo, paso-alto, pasa-banda, banda-eliminada.1.4. FILTROS PASO-BAJOSon los filtros que nicamente dejan pasar aquellas frecuencias que estn por debajo de una determinada frecuencia. Para realizar este tipo de filtrado podemos utilizar bobinas, condensadores, o ambos al mismo tiempo.Los filtros paso bajo se suelen utilizar como complemento para un equipo de audio, para acentuar ms los sonidos de frecuencias bajas; y tambin en aparatos como radios, televisores, etc.1.5. FUENTE DE ALIMENTACION CON FILTRO PASO BAJO.A la salida del rectificador de una fuente de alimentacin, colocamos un filtro paso bajo formado por un condensador en paralelo. El esquema del circuito es el siguiente.

Figura 2. Circuitos de filtrado con componentes pasivos.

Arturo Iglesias Castro.Donde RL representa la entrada del aparato de radio. La misin del condensador que se coloca en paralelo con la seal es la de aplanar la onda de salida del rectificador, es decir, obtener una seal continua lo ms parecida posible a la que proporcionan las pilas o bateras.El condensador en paralelo con la resistencia de carga es para obtener de tal forma la siguiente onda de salida.


Arturo Iglesias Castro.Si cambiamos el condensador, la salida que obtenemos es la siguiente:


Arturo Iglesias Castro.Los condensadores que se utilizan como filtros en las fuentes de alimentacin tienen que ser de elevada capacidad, con el fin de eliminar la ondulacin de la seal continua; por eso generalmente son electrolticos.

Como hemos visto en la imagen anterior, se produce una tensin de rizado V0, debida a las cargas y descargas del condensador. Podemos establecer una relacin entre la tensin de rizado y la capacidad del condensador a travs de la siguiente frmula:

Donde:

V0 tensin de rizado en voltios.

I intensidad de la corriente continua en amperios.

f frecuencia del rizado en hercios.

C capacidad del condensador en faradios.

Interesa que la tensin de rizado sea lo ms pequea posible. El rizado es un efecto no deseado cuando se est intentando conseguir una tensin continua en una fuente de alimentacin. Cuanto ms pequeo sea este rizado, ms se asemeja la tensin que proporciona la fuente a la que nos dara una pila o una batera, en las que no existe este efecto.

Hay que vigilar especialmente la polaridad de los condensadores electrolticos en el filtro de la fuente a la hora de conectarlos en el circuito: el positivo debe ir hacia la salida del diodo y el negativo a la patilla de debajo de la resistencia.

Desde el punto de vista de la frecuencia.


Ignacio Moreno Velasco.Desde el punto de vista temporal


Ignacio Moreno Velasco.1.6. PARAMETROS DE UN FILTRO. Frecuencia de corte (fc fo): 3 dB por debajo de la ganancia mxima. Se corresponde con un punto singular (polo o cero) donde se cortan las asntotas.

Banda de paso.

Banda de transicin

Banda de rechazo, atenuada.

Rizado

Factor de calidad: este factor solo tiene sentido en los filtros pasa-banda y banda eliminada resonantes. Se llama Q y se define como: Q=fc/BW

Octava: banda que va desde una frecuencia hasta su doble o mitad, es decir entre fx y 2 fx fx y fx/2.

Dcada: banda entre fx y 10 fx fx/10.

1.7. ACTIVOS-PASIVOS.1.7.1. PASIVOS. Basados en resistencias, bobinas y condensadores.1.7.2. ACTIVOS. Se basan en elementos activos como transistores, y amplificadores operacionales a los que se aaden elementos pasivos.

Los inductores no se emplean mucho en los filtros activos pues son voluminosos, caros y suelen tener componentes resistivas indeseables de elevada magnitud.

Los basados en amplificadores operacionales se usan en frecuencias bajas y medias, dependiendo del modelo de AO que se utilice, pues los hay con mejor comportamiento en frecuencia.

2. REGULACION DE VOLTAJE CON TRANSISTORES BJT.Los dos tipos de reguladores de voltaje de transistores son el regulador del voltaje en serie y el regulador de voltaje en paralelo. Cada tipo de circuito en capaz de proporcionar un voltaje, dc de salida que se regula o mantiene a un valor establecido, aun cuando el voltaje de entrada vari o que la carga conectada a la salida cambie.

Los reguladores pueden ser serie o paralelo. En un regulador serie, el dispositivo de control se conecta en serie con la carga y para regular la salida debe en todos los casos absorber parte de la tensin de entrada o alimentacin. En un regulador en derivacin, el dispositivo de control se halla en paralelo con la carga y para efectuar la regulacin de salida, debe dejar pasar corriente en todos los casos, cuando la corriente a travs del dispositivo de control cae a cero, la accin de regulacin cesa.2.1. REGULADOR EN SERIE.Es un dispositivo de control que se conecta en serie con la carga y para absorber parte de la tensin de entrada o alimentacin. En un regulador de control se halla en paralelo con la carga y para efectuar la regulacin de salida, debe dejar pasar corriente en todos los casos, cuando la corriente a travs del dispositivo de control cae a cero, la accin de regulacin cesa.

Figura 7. Circuito bsico de un regulador en serie.E.E.T N 460 Guillermo Lehmann. Departamento de Electrnica. Electrnica Industrial

2.1.1. Estabilizador de tensin. Este tipo de regulador utiliza un transistor en serie con la carga, como puede observarse en el esquema.En este circuito la corriente de entrada sigue los cambios de la corriente por la carga, sin embargo, en el regulador paralelo la corriente por la carga se mantena constante. Al haber sustituido la resistencia serie por un transistor, este regulador tiene un mayor rendimiento que el anteriormente visto, por lo que se utiliza en circuitos de mayor potencia. Si se produce una baja en el valor de la resistencia de carga, la corriente de entrada al circuito estabilizador aumenta y por donde, tambin aumenta la corriente por la resistencia R1, como el diodo zener mantiene su tensin constante, aumenta la cada de tensin en R1, con lo que la tensin colector-base del transistor aumenta, volvindose menos conductivo, y estabilizando el aumento inicial de corriente.2.2. REGULADOR EN PARALELO.

La estabilizacin de tensin con elemento regulador en paralelo a tiende a dos principios fundamentales: El elemento regulador mantiene fija la tensin entre sus extremos, y por lo tanto en la carga, debido a que el valor de corriente que por el circula es directamente proporcional al valor de la carga, cuanto mayor sea el valor hmico de la carga, mayor ser el valor de corriente por el elemento regulador. El elemento regulador mantiene fija la tensin entre sus extremos y, por lo tanto en la carga, debido a que el valor de corriente que por l circula es directamente proporcional al valor de la tensin de entrada al conjunto regulador paralelo.

Figura 8. Transistor en paralelo.http://html.rincondelvago.com/reguladores-de-voltaje.html. Trabajo de investigacin: Reguladores de voltaje.2.2.1. Funcionamiento del circuito.La tensin en extremos de la tensin del zener es prcticamente constante; un aumento de la tensin en la carga produce un aumento igual de la tensin emisor - base del transistor; esta situacin produce un aumento de la corriente de emisor, y, por lo tanto, una mayor cada de tensin en la resistencia, lo cual tiende a restaurar la tensin de salida a su valor original.A pesar de la ventaja que supone ampliar el alcance en potencia disipada del zener, este tipo de fuente regulada prcticamente no se utiliza debido a su escaso rendimiento. Obsrvese que a medida que la corriente de carga va disminuyendo el rendimiento va tendiendo a cero.Las fuentes en paralelo, tanto las formadas por un zener, como por un zener y un transistor, tienen la ventaja de que el elemento regulador est automticamente contra cortocircuitos de salida.

3. CIRCUITOS REGULADORES DE TENSION POR LIMITACION DE CORRIENTE.

Una forma de proteccin contra un corto circuito o sobrecarga es la limitacin de corriente. A medida que la corriente de carga IL se incrementa. Cuando la cada de voltaje a travs de RSC llega a ser lo suficientemente grande, activara a Q2 para desviar la corriente de la base del transistor Q1, por lo tanto la corriente de carga, a travs del transistor Q1, se reduce y evita cualquier corriente adicional de carga a travs de RL. La accin de los componentes RSC y Q2 proporciona un lmite para la corriente de carga mxima.

Figura 9. Regulador de voltaje con limitacin de corriente. Robert L. Boylesd. Electronica: Teora de circuitos y dispositivos electrnicos.3.1. REDUCCION AUTOMATICA.La limitacin de corriente reduce el voltaje a travs de la carga cuando la corriente se vuelve mayor que el valor limite. El siguiente circuito proporciona una reduccin automtica, la cual reduce tanto el voltaje de salida como la corriente de salida y protege a la carga y al regulador de un exceso de corriente.

Figura 10. Circuito regulador en serie con reduccin automtica. Robert L. Boylesd. Electronica: Teora de circuitos y dispositivos electrnicos.La reduccin automtica la proporciona la red adicional de divisor de voltaje de R4 y R5 en la figura 10. El circuito divisor detecta el voltaje a la salida (emisor) de Q1. Cuando IL se incrementa a su valor mximo, el voltaje a travs de RSC se vuelve lo suficientemente grande para activar a Q2, y proporciona por tanto limitacin de corriente. Cuando la resistencia de carga regresa a su valor nominal, el circuito reanuda su accin de regulacin.

3.2. REGULADOR DE CORRIENTE EN SERIE.

En las fuentes de tensin reguladas se mantienen ciertos parmetros fijos independientes de la corriente solicitada por la carga. Pero ese modo de operacin presenta el inconveniente prctico de que la disipacin en el elemento regulador en serie se eleva al hacerlo la corinto y tendera a infinito en el caso de que se produjese un cortocircuito. Por ello es necesario que las fuentes de tensin constante posean una limitacin de corriente que supere dicho inconveniente.3.3. REGULADOR DE CORRIENTE EN PARALELO.Un limitado en paralelo es una resistencia y un diodo, conectado en serie con la seal de entrada, en el que se toma la salida a travs de (paralelo a) del diodo.3.3.1. Limitador negativo paraleloUna resistencia y un diodo, conectado en serie con la seal de entrada, en el que se toma la salida a travs del diodo y la alternancia negativa se elimina.3.3.2. Paralelo limitador positivoUna resistencia y un diodo conectado en serie con la seal de entrada, en el que se toma la salida a travs del diodo y la alternancia positiva se elimina.4. REGULADORES LINEALES INTEGRADOS.Los reguladores lineales integrados tuvieron tanta aceptacin que crearon serios problemas a los fabricantes de equipo original (original equipament manufactures, OEM). Cmo hacer para abastecer tantos tamaos y como fabricar tantas variedades que lleguen a satisfacer una mayor diversidad de especificaciones de voltaje?

El LM117 fue el primer regulador integrado de voltaje positivo ajustable, con un funcionamiento superior. Le suyo el regulador de voltaje negativo ajustable LM137. Aqu se presentaron solo algunos de la asombrosa variedad de reguladores integrados que existen. Por razones de espacio no figuran los reguladores conmutados.

4.1. CLASIFICICACION DE LOS REGULADORES LINEALES.4.1.1. Clasificacin de acuerdo a cuatro caractersticas:

Polaridad: negativa, positiva o bipolar

Cantidad de terminales: tres terminales o varias terminales.

Voltaje de salida fija o ajustable: los voltajes estndares fijos son +/-5, +/-12, +/- 15. Los rangos ajustables caractersticas son de 1.2 a 37V o de -1.2 a -37V.

Corriente de salida: el valor de las corrientes de salida caractersticas es de 0.1, 0.2, 0.25, 0.5, 1.5, 3, y los mas nuevos de 5 y 10A.

4.2. CARACTERISTICAS COMUNES.El voltaje instantneo de entrada de un regulador integrado siempre debe exceder al voltaje de salida DC por una cantidad que por lo general va de 0.5 a 3V. A esta condicin se la conoce como Voltaje instantneo mnimo de entrada-salida, voltaje de cada o sencillamente margen. Como se muestra en la figura, el regulador de voltaje LM340-15 tiene un voltaje de salida de 15V con una carga de 1A.

Figura 11. Regulador de voltaje LM340-15. Fuentes de voltajes.

4.3. REGULADORES DE TENSION FIJA DE TRES TERMINALES.Estos tienen un terminal para la entrada no regulada, la salida regulada y la tierra o comn y estn ajustados a proporcionar una tensin de salida constante tal como +5, +15 -12. En el universo de componentes y presentaciones de este tipo destacan la serie A78XX positivos o 79XX negativos de Fairchild .los dos ltimos dgitos indicados con XX nos indican la tensin de salida. Las versiones de baja potencia son accesibles en encapsulados de plstico y las de mayor potencias en encapsulados tipo TO-03 y TO-220 metlicos con corrientes de salida superiores a 1 A. Otros ejemplos de reguladores son el LM340 y LM320 de la National Semiconductor, serie MC79XX de Motorola y el LT1003 de Linear Technology que proporciona 5V y 5A continuacin est expuesta una tabla con los diferentes tipos de reguladores de tensin 78XX y 79XX.

TiposTensin de salidaIntensidad mx. De salida.Tensin mn. de entradaTensin mx. de entrada

78055VSin letra intermedia =1Con L intermedia =100mA

Con M intermedia =500mA

Con H intermedia =58V35V

78066V9V35V

78088V11V35V

781212V15V35V

781515V18V35V

781818V21V35V

782424V27V35V

79XXLos mismos que arriba pero negativoslos mismos que arriba pero negativos

Para reconocer la intensidad mxima que ofrece cada integrado hay que ver si contiene alguna letra entre medias de la nomenclatura ( 78? XX). Ej. 78H12, esta nomenclatura significa que ofrece una tensin fija de 12 V a una intensidad mxima de 5A.

Si se quiere incrementar la corriente de salida de un regulador monoltico de esta serie se puede implementar el siguiente circuito, en el se adiciona un transistor al esquema bsico de conexin de este tipo de reguladores, este permite ampliar el rango de Ia corriente de salida.

Una mejora del circuito anterior lo constituye el siguiente esquema en donde se adiciona un elemento de proteccin contra cortocircuito. Este tipo de aplicacin se le llama Fuente de Alimentacin estabilizada y Cortocircuitable. Esto quiere decir que si por algn accidente o cualquier fallo se cortocircuita la salida a masa, el circuito deja de funcionar (no ofrece intensidad) hasta que se descortocircuite, as nos evitaremos el sobrecalentamiento y estropeado de los transistores y del integrado.

4.4. REGULADORES DE TENSION AJUSTABLE DE TRES TERMINALES.Los reguladores de ajustables de tres terminales permiten ajustar la tensin de salida a partir de resistencias externas conectadas al terminal denominado ADJUSTMENT o ADJ. Uno de los ms utilizados es el LM317 (positivo) y el LM337 (negativo) de la National Semiconductor capaces de proporcionar hasta 1.5 A de corriente de salida, otros ejemplos de estos reguladores son el LM338 de la misma fabrica cuya corriente alcanza hasta 5 A, LT1038 de Linear Technology y LM896 de 10 A de salida.El LM317 posee una tensin de referencia interna del tipo bangap que proporciona una Vref = 1.25 V entre los terminales de salida y de ajuste y est polarizado por una fuente de corriente estable Iadj = 65A.Un ejemplo de una aplicacin tpica de este integrado es el siguiente circuito.

Si se analiza un poco el circuito se comprueba que: Vo = Vref (1 + R2/R1) + Iadj x R2; si consideramos que la corriente I adj. es despreciable frente a la corriente que circula por R1 y R2 entonces:

Vo = Vref (1+ R2/R1)

Variando R2 la tensin de salida Vo puede ser ajustada a cualquier valor del rango.

Los reguladores de tensin duales conocidos como dual tracking regulators proporcionan doble salida idneas para alimentar operacionales, convertidores y otros dispositivos que necesiten de dos tensiones de igual magnitud y polaridad opuesta que mantenga su simetra para los diferentes requerimientos de la carga, un circuito capaz de proporcionar esto es el RC4195 de Raytheon que tiene una Vo = +/-15V, incluso hay un regulador de estas caractersticas que adems es ajustable es el RC41944.5. REGULADOR DE TENSION DE ALTA CORRIENTE DE SALIDA.La corriente de salida de un regulador integrado de este tipo es, en el mejor de los caso, de dos amperios. Este valor puede resultar insuficiente para algunas aplicaciones de potencia. Es por este motivo que, a travs del agregado de algunos componentes, amplificaremos la corriente de salida hasta casi cualquier valor. El principio bsico es el siguiente:

Figura 12. Fuente de alta corriente de salida. http://www.diarioelectronicohoy.com/blog/electronica-practica. Fuentes de alimentacin.

En el circuito se hace notar que la corriente de salida circula ahora tambin por RL. Al hacer esto provoca una cada de tensin sobre esta resistencia que, es a su vez, la tensin VBEque se aplica al transistor T1. Cuando la mencionada tensin que cae sobre RL sea levemente superior a 0,6 voltios T1 comenzar a conducir, evitando de esta forma el grueso de la corriente pase por el regulador. De esta forma, y con el uso de uno o varios transistores adecuados, se puede obtener a la salida del regulador casi cualquier corriente. El clculo de RLResulta, segn lo indicado arriba, muy sencillo. Entonces ser:RL=VBE/ILEn dnde VBEadopta un valor de 0,7 voltios e ILes la mxima corriente que debe circular por el regulador. Un valor tpico para esta corriente es de 1 amperio. Realizando los clculos obtenemos, que para un regulador estndar, RLes de 0.68 ohm 2W.En cunto a T1, slo basta decir que puede ser cualquier transistor PNP que soporte la corriente mxima de salida de la fuente. (ADVERTENCIA: dicha corriente es muy superior a IL). Si es de gran valor es recomendable colocar dos o ms transistores en configuracin Darlington.4.6 PROTECCION CONTRA CORTO-CIRCUITO.Una proteccin contra cortocircuito asegura que an en el peor de los casos el transistor de paso sobrevive. El transistor deber estar sobredimensionado, ya que en cortocircuito tiene toda la tensin aplicada al mismo tiempo que la corriente mxima, por lo tanto disipa una gran potencia. En una fuente de laboratorio esto es imprescindible dado que no se sabe en qu momento alguien cometer un error que puede ser fatal para el transistor de paso. En una fuente destinada a una carga especfica y determinada esta precaucin puede no ser necesaria.Conclusiones.- Los filtros poseen circuitos especializados para ampliar y desfasar los armnicos segn sea su frecuencia. Estas frecuencias de corte son las ganancias de potencia, voltaje y corriente. Estos filtros tienen muchas utilidades, como principal el acondicionamiento de la seal de entrada y salida al sistema. Y por ultimo los tipos de filtros segn su funcin. Podemos agregar que para usar estos filtros se debe cumplir diversos parmetros o normas.

Existen 2 tipos de reguladores de voltaje de transistores Bjt, en serie que se usa como dispositivo de control conectado como su nombre lo dice en serie con la carga par absorber una parte de la tensin y los paralelos que mantienen fija la tensin en los extremos. Las fuentes en paralelo formadas por un zener y 1 transistor tiene la ventaja principal de ir contra cortocircuitos de salida.

Una manera de proteger o de evitar la sobrecarga es la limitacin de corriente, o por los distintos reguladores en serie o paralelo en la de serie la tensin es regulada por ciertos parmetros independientes que solicita la carga. Y el paralelo es una resistencia y un diodo y se divide en negativo paralelo y el paralelo limitador positivo.

Existen otros tipos de reguladores llamado lineales integrados, clasificados segn sus caractersticas, polaridad, cantidad de terminales, corriente de salida, entre otros.

Bibliografa.Fuentes bibliografas:- Boylestad, Robert L. y Nashelsky, Louis.

Electronica: Teora de circuitos y dispositivos electrnicos.

- Michael M. Cirovic.

Electrnica fundamental: dispositivos, circuitos y sistemas.Fuentes electrnicas:

- http://www.diarioelectronicohoy.com/blog/electronica-practica- http://www.unicrom.com/Tut_LimitCorrienFuentTens.asp- http://www.ing.uc.edu.ve/~ajmillan/Docencia/Material/RegLin_02.pdf http://paginas.fisica.uson.mx/horacio.munguia/aula_virtual/Cursos/Instrumentacion%20II/Documentos/Regulacion%20voltaje.pdf- http://html.rincondelvago.com/reguladores-de-voltaje.html- http://quidel.inele.ufro.cl/~jhuircan/PDF_CTOSII/reguieee.pdf EMBED PBrush

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