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Pre informe 1

  1. 1. FUENTE REGULADA DISCRETA COMPLETA Presentado por: ANGELA JULIETH MORENO CRISTIAN CAMILO ARGUELLO UNIVERSIDAD DEL CAUCAPROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES LABORATORIO I DE ELECTRONICA 2012
  2. 2. FUENTE REGULADA DISCRETA COMPLETA Presentado por: ANGELA JULIETH MORENO Cód.: 100611010423 CRISTIAN CAMILO ARGUELLO Cód.: 100611010239 Presentado a: INGENIERO EDGAR MARIO GUSTIN UNIVERSIDAD DEL CAUCAPROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES LABORATORIO I DE ELECTRONICA 2012
  3. 3. FUENTE REGULADA DISCRETA COMPLETACuenta con los siguientes bloques: * Fuente de corriente constante * Red de muestreo * Red de comparación o error * Elemento(s) de paso o amplificación. * ProteccionesLas características de la fuente a diseñar e implementar son: * Voltaje de salida: 9 voltios constantes * Corriente de carga: 400 mA. * Protección contra corto circuito, que incluye piloto de aviso de corto-circuito. * Piloto de aviso de Funcionamiento general.1. OBJETIVOS  Diseñar una fuente regulada, que cumpla con las especificaciones dadas por el usuario.  Fortalecer los conocimientos adquiridos en el curso de Electrónica Básica sobre los fenómenos de rectificación, filtrado y regulación de una señal AC.  Aplicar los conocimientos teóricos de las diversas configuraciones y aplicaciones de los dispositivos electrónicos.  Adquirir destreza y habilidad para solucionar los diversos problemas que se presenten a través de todas las fases de diseño, con el fin de desarrollar soluciones que lleven al buen funcionamiento del circuito.  Implementar el circuito teniendo en cuenta los criterios de diseño.  Analizar los parámetros que permiten la mejor región de operación de los dispositivos logrando mayor estabilidad, disminuyendo los cambios que pueda sufrir el diseño.
  4. 4. 2. ESPECIFICACIONESEl usuario desea una fuente de poder DC regulada, cuya regulación tenga fuente decorriente constante, red de muestreo, red de comparación o error, elementos de paso oamplificación, red de protección contra cortocircuito que entregue un voltaje de salida de 9voltios con corriente de carga de 400mA. Teniendo como entrada la señal de línea quepresenta 120Vrms a 60Hz.Para cumplir las exigencias del usuario es necesario reducir los valores de voltaje de laseñal de entrada a la fuente de poder regulada para convertirla en una señal pulsante ya seaeliminando los semiciclos negativos o aprovechando toda la onda convirtiéndola en unaseñal unipolar. Después de rectificar la señal se regula el voltaje para que la señal a lasalida presente la menor variación posible.A continuación se presenta el diagrama de bloques, en el que se sintetizan las funcionesanteriormente descritas y se establecen los submódulos usados para el diseño de una fuenteregulada: Transformador Rectificador Filtro Pasa Regulador de Señal A.C. Carga Reductor Onda Completa Bajos VoltajeDiagrama de bloques de una fuente D.C. regulada.2.1 Transformador de entrada: Reduce el voltaje nominal de línea 110Vrms a un nivel de voltaje deseado.2.2 Circuito rectificador: Se encarga de convertir el voltaje A.C. del secundario del transformador a un voltaje D.C. pulsante. En este circuito la tensión de salida es una onda sinusoidal rectificada completa.2.3 Filtro pasabajo: Consigue convertir el voltaje D.C. pulsante entregado por el circuito rectificador en un señal casi continua, lo cual se logra fundamentalmente con un capacitor electrolítico o polarizado. El voltaje entregado por el condensador presenta un pequeño rizado.
  5. 5. 2.4 Regulador de voltaje: Su función consiste en mantener el voltaje de D.C. de salida de la fuente constante frente a las variaciones de la corriente de carga y del voltaje de línea.2.5 Carga: Esta consiste en aparatos o circuitos que se conecta a la fuente para ser polarizados.3. DISEÑO Y JUSTIFICACIÓN DEL CIRCUTO SELECCIONADO3.1 TRANSFORMADOR DE ENTRADA: En este módulo se utilizará un transformador que se encarga de reducir el voltaje primario de 110 Vrms de la red a un voltaje secundario de valor 11 Vrms, por lo tanto este elemento presenta una razón de vueltas de 1:10. En este diseño se continuará trabajando con un voltaje pico, por ello es necesario multiplicar por el voltaje de salida 11Vrms.3.2 CIRCUITO RECTIFICADOR: Está constituido por un puente de diodos que se encarga de hacer una rectificación de onda completa con el objetivo de aprovechar los dos semiciclos de la señal entregada por el módulo anterior.En este caso el voltaje de entrada es una ondasinusoidal variable en el tiempo, se realizarectificación de onda completa para evitar pérdidasen la señal de entrada y de esta manera el procesode conversión de AC a DC se hace más fácil, nose usa un rectificador de media onda porque seestaría “perdiendo” la mitad de la señal antes deestablecer el nivel de DC deseado; utilizar larectificación de onda completa mejora en un 100%el nivel DC obtenido a partir de la entrada sinusoidal.A pesar de que el voltaje rectificado no es un voltaje filtrado, contiene una componente DCy una componente de rizo; una ventaja de la señal rectificada de onda completa es quetiene menos rizo que una señal rectificada de media onda y por eso resulta mejor paraaplicar a un filtro.
  6. 6. 3.3 FILTRO PASABAJO:Se utiliza un filtro de capacitor simplepara generar un voltaje DC pulsante yoscilante pero más estable. Tanto máspequeño sea la variación AC con respectoal nivel DC, mejor será la operación delcircuito con filtro.3.4 REGULADOR DE VOLTAJE:Esta es la etapa en donde el voltaje que cae en la carga RL del circuito anterior se conviertea 9 voltios que es lo que se pide inicialmente.Se evaluara varios elementos presentes en el circuito regulador:3.4.1 Elemento de paso de control: Lo que se utiliza como switch que controla la corriente, suele ser un transistor (2N2222).3.4.2 Fuente de Corriente: Ubicada al comienzo de la etapa de regulación, no es variable, su valor es fijo gracias a que existen voltajes de zener nominal.3.4.3 Referencia de tensión: Se constituye como un diodo zener teniendo una resistencia Rz (Resistencia de zener).Sirve para detectar errores en la red de muestreo.3.5 RED DE MUESTREO: Circuito de dos resistencias las cuales se usan para calcular voltajes a partir de la carga gracias a un divisor de voltaje.3.6 PROTECCIÓN CONTRA SOBRECARGA: Permite que el circuito no tenga problemas cuando una resistencia de carga muy pequeña requiera de mucha corriente.3.7 PROTECCIÓN CONTRA CORTO: Cuando hay un corto en la salida, 2 diodos en serie se polarizan inversamente y se abren, esto hace que el transistor que va a tierra entre en corte y se cortocircuite.4. CALCULO DE COMPONENTES A continuación se presenta un análisis del circuito diseñado con los respectivos cálculosteóricos que permiten determinar el valor de los elementos a usar:La señal de entrada es de 120 Vrms tomados de la red eléctrica local (condición delproblema). Se utilizará un transformador cuya relación de vueltas es de 10 a 1 obteniendode esta forma 12 Vrms.
  7. 7. V 1  120Vrms Vo  12Vrms V 1 N1 120 10 120     Vo   12Vrms Vo N 2 Vo 1 10 Vp  Vrms * 2  12 * 2  16.97VpDe acuerdo con las mallas que se presentan en el puente de diodos para los semiciclospositivos y negativos, se encuentra el voltaje rectificado V2 con la ecuación: V2 = Vp–1.4 = 16.97-1.4 V2 = 15.57vPara efectos del manejo de una alta corriente de salida, es conveniente usar un diodo zénerde 1W. En este caso se asumió un voltaje de zéner nominal de 12 V para obtener el zénerfácilmente en el comercio, ya que zéners de voltajes inferiores se encuentran pero con unapotencia menor y corren mayor riesgo de quemarse.Diagrama de circuito regulador de voltaje.En base diagrama anterior se hallan las siguientes componentes:4.1 Selección de los diodos zener yEl voltaje de salida se puede expresar así: Vo  VBE 4  VBE 3  VCE 2  VR (1)
  8. 8. Si los transistores son del mismo material: VBE 4  VBE 3  VBEEntonces: VR  Vo  2VBE  VCE 2 (2)Tomando como criterio que VCE 2 está en región activa, esto implica que VCE 2 >1v, y como y son constantes escogemos un valor para tal que VCE 2 del transistor este enregión activa,Resumiendo se escoge un valor comercial de VR tal que: Pot(max)Q2 VCE ( SAT )  VCE 2  IoUna buena elección es hacer: Vo VCE 2  VR   VBE (3) 2Reemplazando:Selección del DiodoEl voltaje de entrada no regulado se puede expresar como: Vin  VZ 1  VBE1  VEC1  VBE 3  VBE 4  Vo (4)Si utilizamos transistores del mismo material VBE1  VBE 3  VBE 4  VBE entonces: VEC1  (Vin  (VBE  Vo))  VZ 1 (5)La escogencia de VZ1 se va a reflejar en la capacidad que va a tener la fuente pararesponder ante variaciones del voltaje de entrada Vin. Esto es, si se escoge un valor paraVZ1 demasiado alto puede suceder que para un valor de Vin mínimo el término(Vin  (VBE  Vo))  VZ 1 puede hacerse negativo, si suponemos VBE y Vo constantes. Perocomo esto no es factible que suceda pues el voltaje VCE > 0, necesariamente deberádisminuir Vo para que la ecuación (5) se siga satisfaciendo:De acuerdo a lo anterior deberá escogerse VZ1 tal que: VEC1  VEC1 ( SAT )Lo que lleva a: (Vin  (V BE  Vo ))  VZ 1  VEC1( SAT ) (6)
  9. 9. La anterior desigualdad puede transformarse en igualdad para el caso en el que se tengaVin = Vin(min), o sea: (Vin (m in)  (V BE  Vo ))  VZ 1  V EC1( SAT )Por lo tanto: VZ 1  Vin (m in)  (VBE  Vo  V EC1( SAT ) ) (7)Si comercialmente no es posible conseguir un valor para VZ1 que satisfaga con exactitud laecuación (5), deberá escogerse entonces VZ1 tal que: VZ 1  Vin (m in)  (V BE  Vo  V EC1( SAT ) ) (8)Se tiene =15.57 esto implica: VINMAX = 15.57V + 0.5V =16.07V VINMIN = 15.57V – 0.5V = 15.07VReemplazando en la ecuación 84.2 Selección de la Fuente de corrienteUna vez seleccionado VZ1, se debe escoger el valor apropiado de Io que mantenga altransistor Q2 en su región lineal suministrando además la corriente necesaria en todomomento al transistor amplificador Q3. Esto es: Io  I B 3 m ax  I E 2 (9)IE2 es la corriente requerida por el transistor Q2 para permanecer en su región lineal, previaescogencia del voltaje VCE2. Es importante aclarar aquí que IE2 va a estar variando deacuerdo a los requerimientos de la corriente de carga IL, entre los siguientes valores, asaber: I E 2 m in  Io  I B 3 m ax I E 2 m ax  Io dado que: I B 3  0, I L  0, RL  
  10. 10. Pot (max) Q2Esto es: I B 3 m ax  I E 2  (10) VCE 2Una buena elección es hacer: I E 2  3I B 3 m ax Io  I B 3 max  I E 2  Io  4 I B 3 maxPor lo tanto: Io  4 I B 3 m axConociendo ILmax y suponiendo: I L m ax  I 4  I M I L m ax  ( I 4  I M ) I I B 3 m ax   L m ax hfe 3 hfe 4 hfe 3 hfe 4Por lo tanto: 4 I L m ax Io  (11) hfe 3 hfe 4Conociendo que y tomando hfe 3  hfe 4  100 obtenemos el valor deLuego VZ 1  VBE1 R3  (12) Io 4.57  0.7R3   24k 0.16mAHaciendo elegimosPara que trabaje en región zener Vin  V z1 I Z1   I z1 (codo) (13) R5
  11. 11. Los diodo normalmenteCon ello podemos hallar ya que: Vin (min)  Vz1 15.07  4.57 R5    1k I z1( codo) 10mA4.3 Red de muestreoSuponemos que IM >> IB2 por lo que podemos expresar IM como un divisor de voltajeindependiente del efecto de carga que pueda presentar la impedancia vista desde la base deltransistor Q2: R2  Rp 2 VM  Vo (14) R1  R2  Rp 2Si llamamos a: Rp  Rp1  Rp 2 R   R1  Rp1 R  R2  Rp 2 R  VM  Vo R   R De aquí tenemos que -De estos resultados y haciendo Rp=0 obtenemos que R´=750 y R”=1.5k4.4 Referencia de tensiónSe escoge I4(óptima) de tal manera que el diodo de referencia VR se encuentre en la regiónde regulación o región zéner. Vo  VR 9  5.2 3.8V R4     380 (15) I 4(optima ) 10mA 10mA4.5 Selección de transistoresLa selección de los transistores se hace con base en la potencia máxima que puede llegar adisipar cada uno de ellos. Las potencias para cada uno de ellos serán:
  12. 12. Transistor Q1: PQ1  VCE 1 m ax  Io  PQ1  Vin (m ax)  (VZ 1  Vo  V BE )  Io (16)Transistor Q2: PQ 2  VCE 2 m ax  I E 2 (m ax)VCE 2  cons tan te  Vo  2VBE  VR = 9+2x0.7- 5.2v=5.2 PQ 2  (Vo  2VBE  VR )  Io (17)Transistor Q3: Vin max  (Vo  VBE )  I L (max) PQ3  (18) hfe4 15.07  (9  0.7)  400mA PQ3   0.1w 100Transistor Q4: PQ 4  (Vin m ax  Vo )  I L (m ax) (19)PQ 4  (15 .07  9)  400 mA  2.4 w4.6 Protección contra cortoPara asegurar que los diodos se encuentren en la región de saturación suponemos unacorriente entre 10 mA ≤ I1≤ 20 mA para nuestro caso se toma como 15mA.Con ello hallamos el valor de la resistencia que hace parte de este circuito.Rs = (Vo - Vdiodos) /15mA=(9-1.4)/15mA=506Ω
  13. 13. 5. CARACTERISTICAS DE LOS ELEMENTOS Transformador: Este dispositivo hace parte de los materiales del laboratorio de la facultad. Tiene como objetivo convertir la corriente alterna de alta tensión (110Vrms) y débil intensidad en otra de baja tensión y gran intensidad, o viceversa. En este caso buscamos un número de fases mayor y una tensión conveniente A.C. (10 Vrms) para el funcionamiento del rectificador. Diodos rectificadores: Son diodos comúnmente de Silicio cuyo voltaje de umbral es 0.7 V, reciben el nombre de diodos rectificadores por emplearse en el proceso de rectificación, sus valores nominales de potencia y corriente son por lo general mucho más altos que los de los diodos utilizados en otras aplicaciones. Capacitor: Se utilizará un condensador electrolítico porque el valor de capacitancia empleado el bastante alto. Diodo zéner: Es un diodo que regula 6.8v con capacidad máxima de manejo de potencia de 1 vatio. Transistor (TIP31): Es un transistor NPN de Silicio amplificador de potencia, estos operan con voltajes pequeños y pueden admitir corrientes relativamente intensas.6. DIAGRAMA ELECTRICO TOTAL TR1 BR1 FUENTE1 Q4 +88.8 +88.8 TIP31 AC Volts AC Volts +88.8 mA TRAN-2P2S +88.8 C1 R3 Q3 +88.8 Amps BRIDGE AC Volts 2200uF +88.8 22.5k PN2222 Volts D1 MZD4V3 R4 R1 R6 384 760 7.5 +88.8 Volts RL 23.1 +88.8 Q1 Volts TIP32 D3 R5 +88.8 DIODE 1k mA Q2 +88.8 Volts 2N2222 R2 15 D4 DIODE +88.8 Volts D2 BZX55C5V1
  14. 14. 7. PLAN DE PRUEBAS Y DATOS ESPERADOSPara comprobar el funcionamiento de cada una de las etapas se utilizará como herramientabásica de medida el Osciloscopio, debido a que es indispensable verificar formas de onda,niveles de voltaje y de frecuencia en la respuesta de cada etapa. SEÑAL DE ENTRADA: Inicialmente se debe determinar la señal real que proporciona la red eléctrica local debido a que la señal de A.C. que en teoría presente 110Vrms a 60Hz es bastante inestable y depende de muchas condiciones externas. TRANSFORMADOR: Este elemento debe recibir la señal de la red y presentar en sus terminales de salida una señal A.C. bipolar reducida 10 veces y con igual frecuencia con respecto a su entrada. Corroborándose que los voltajes se aproximen a los valores indicados en el diseño y la forma de onda y su nivel ( onda de entrada y de salida ) se mantengan. RECTIFICADOR: Inicialmente se verificará la correcta conexión del puente de diodos para obtener el funcionamiento adecuado, para posteriormente realizar el análisis de la señal de salida la cual debe ser pulsante con rectificación de onda completa y un voltaje de aproximadamente 15 V. FILTRO: Debe responder a las necesidades del circuito. Para la función de filtraje que debe cumplir se ha trabajado de uso general, ya que presenta alta tolerancia de capacidad en un pequeño volumen. REGULADOR: Para este módulo inicialmente se debe dividir en submodulos para comprobar la correcta conexión de los elementos que los constituyen a estos mismos, como son la fuente de corriente, la red de muestreo, la protección contra corto y la referencia de tensión. Esta verificación se realizará primero con protección y luego sin protección contra corto circuito.
  15. 15. 8. APLICACIONES DEL SISTEMA DISEÑADOLa fuente regulada se encarga de mantener un voltaje de salida regulado en un rango decorrientes de carga. Conforme el voltaje de salida trata de variar, una parte de la corrientese consume en los elementos del circuito para mantener el voltaje regulado a través de lacarga. Para cambios en la resistencia de carga se produce una variación en el voltajecolector emisor del transistor que permite regular el voltaje suministrado a la salida.El sistema diseñado se puede aplicar en la polarización de elementos (C.I.), o de circuitosque necesiten un voltaje regulado constante. Por ejemplo, el caso de la familia decircuitos integrados TTL que para un óptimo funcionamiento necesita una polaridad de 5VDC, y se podrían obtener mediante una re evaluación de dispositivos del circuitodiseñado.Una de las aplicaciones más importante, puede ser la de aplicar este sistema comosupresor de picos de voltaje, aprovechando las características del diodo zéner a los cambiosbruscos de voltaje.9. LISTADO DE LOS ELEMENTOS  1 Transformador  1 Puente de Diodos  1 Condensador  2 Diodos Zener  7 Resistências  2 Diodos  1 Transistores PNP  2 Transistores NPN
  16. 16. 10. BIBLIOGRAFIA  CUBILLOS mariano, MOSQUERA Victor Hugo; Circuitos analógicos I.  BOYLESTAD, Robert y NASHELSKY, Louis. Electrónica: Teoría de circuitos sexta edición. Editorial Prentice Hall Hispanoamericana, S.A. Mexico 1997.  http://www.info- ab.uclm.es/labelec/Solar/elementos_del_pc/fuentes_de_alimentacion/f/f_pdf.pdf

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