electrónica análoga i prof. dr. gustavo patiño mj 12- 14 21-10-2014

Electrónica Análoga IProf. Dr. Gustavo PatiñoMJ 12- 1421-10-2014

Un regulador de voltaje es un circuito cuya finalidad consiste en proporcionar un voltaje constante entre sus terminales de salida.

Es necesario que el voltaje de salida se mantenga tan constante como sea posible a pesar de: Cambios en la corriente de carga. Cambios en el voltaje de entrada a la

etapa reguladora.Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Existen varias formas de implementación de esta función. A continuación se estudiarán algunas de ellas: Regulador con diodo Zener Regulador con circuito integrado

Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Son diodos en los que la región de operación predeterminada es la región de polarización inversa en la que la curva pronunciada de la característica de transferencia i vs v presenta un diferencial de voltaje casi constante, de modo que dicha característica es útil para el diseño de reguladores de voltaje.



Fig. 3.31 The diode i-v characteristic with the breakdown region shown in some detail.

Aproximando la característica del Zener a una recta (cerca de Q) se tiene que:

Donde rZ se conoce como la Resistencia Dinámica del diodo Zener.

IrV Z


Fig. 3.32 Model for the zener diode.

Donde:

ZZZZ IrVV 0

V V II ZOZZKZ y

con:

z.1 Eq.

El circuito básico que se utiliza para implementar la función reguladora con diodo Zener se presenta en la figura:


El diodo Zener de la figura está especificado para tener Vz= 6.8V a Iz=5mA,

rz=20Ω,Izk=0.2mA (Datos obtenidos de la

hoja de datos del Zener) El voltaje de

alimentación V+ es nominalmente de 10V, pero puede variar en ±1V.


Encuentre Vo cuando no hay carga y con V+ a su valor nominal.

Halle el cambio en Vo que resulta del cambio de ±1V en V+.

Encuentre el cambio en Vo que resulta de conectar una resistencia de carga RL=2kΩ.

Encuentre el valor de Vo cuando RL=0.5kΩ ¿Cuál es el valor mínimo de RL para el cual

el diodo todavía opera en la región de ruptura?


Primero debemos determinar el valor del parámetro Vzo del modelo del diodo Zener.

Al sustituir Vz= 6.8V, Iz=5mA, rz=20Ω, en la ecuación resulta Vzo= 6.7V.

En la siguiente figura, se muestra el circuito con el diodo Zener reemplazado por su modelo.

Cuando no hay carga conectada, la corriente que pasa por el Zener está dada por:


z.1 Eq.

Para un cambio de ±1V en V+, el cambio en el voltaje de salida se puede encontrar a partir de:

VxrIVV

Entonces

mArR

VVII

zzzoo

z

zoz

83.602.035.67.6

:

35.602.05.0

7.610

mVrR

rVV

z

zo 5.38

20500

201


Cuando se conecta una resistencia de carga de 2kΩ, la corriente de carga será aproximadamente 6.8V/2kΩ=3.4mA.

Entonces el cambio en la corriente de Zener será ΔIz=-3.4mA y el cambio correspondiente en el voltaje Zener (voltaje de salida) será de:


mVIrV zzo 68)4.3(20

Se puede obtener una estimación más precisa de ΔVo al analizar el circuito del modelo equivalente del Zener. El resultado de este análisis es ΔVo=-

70mV.


Una RL de 0.5kΩ tomaría una corriente de carga de 6.8/0.5=13.6mA.

Esto no es posible porque la corriente I alimentada a través de R es de sólo 6.4mA (para V+=10V).

Por lo tanto el Zener debe apagarse. Si éste es el caso, entonces Vo está determinado por el divisor de voltaje formado por RL y R: V

RR

RVVo

L

L 55.05.0

5.010

Como este voltaje es menor que el voltaje de ruptura del Zener, de hecho el diodo ya no opera en la región de ruptura.

Para que el Zener se halle en el borde de la región de ruptura, Iz=Izk=0.2mA y Vz≈ Vzk≈ 6.7V. En este punto (en el peor de los casos) la mínima

corriente alimentada a través de R es (9-6.7)/0.5=4.6mA y entonces la corriente de carga es 4.6-0.2=4.4mA. El valor correspondiente de RL es:

RL = 6.7/4.4 ≈ 1.5kΩ.


**** INCLUDING zener-SCHEMATIC1.net ***** source ZENERR_Rs 1 2 265 V_Vs 1 0 10vD_D4 0 2 D1N750 R_RL 0 2 {Rval} .PARAM Rval=100

*Analysis directives: .DC LIN V_Vs 0 30 0.1 .STEP PARAM Rval LIST 940, 94.PROBE V(*)

.END

Ejemplo de un Ejemplo de un regulador Zenerregulador Zener

Esto es:

A menor RL se requiere más voltaje en la fuente de entrada que permita que el zener actúe como regulador con su valor aproximadamente constante.

A qué se debe esto ??

Esto es:

A menor RL se requiere más voltaje en la fuente de entrada que permita que el zener actúe como regulador con su valor aproximadamente constante.

A qué se debe esto ??

Circuito Equivalente

Esta configuración permite entregar un voltaje Vo casi constante al bloque de carga, a pesar de cambios en la corriente exigida por ella, y de variaciones en el voltaje de entrada.

Analizando dicha configuración:


)//.(.. RrIrR

rV

rRR

VV zLz

zs

zzoo

z.2 Eq.

Para medir el desempeño de un circuito regulador se usan dos parámetros:

Regulación de Línea: Expresa el cambio en Vo debido a un cambio de 1V en Vs.

Regulación de Carga: Expresa el cambio de Vo debido al cambio de 1mA en IL.

s

o

VV

L

o

IV

De la relación anterior y los conceptos de regulación de línea y regulación de carga se tiene que para este regulador con diodo Zener:


z

z

s

o

rRr

VV

)//( RrIV

zL

o

Regulación de líneaRegulación de línea

Regulación de cargaRegulación de carga

z.2 Eq.

Generalmente rz << R, y la regulación de carga está determinada casi por entero por el valor de rz.

La última ecuación también indica que sería deseable un valor grande de R, pero hay un límite superior en el valor de R para asegurar que la corriente que pasa por el diodo Zener nunca se haga demasiado baja. De lo contrario, rz aumentará y la operación

del zener se degradará.Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Del circuito se observa que la mínima corriente Zener se presenta cuando VS está a su mínimo e IL está a su máximo.

Entonces ...Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

z.3 Eq.

maxmin

minmin

maxmin

minmin 0

LZ

ZZZs

LZ

Zsi II

IrVV

II

VVR

iR

VVI zs

Rminmin

min

maxminmin LZR III

La resistencia Ri debe ser tal que el diodo permanezca en el modo de voltaje constante sobre el intervalo completo de variables.

Del circuito se obtiene que en general:

Del circuito se obtiene que en general:

Para asegurar que el diodo permanezca en la región de voltaje constante (ruptura) se examinan los dos extremos de las condiciones de entrada-salida.

Caso de VZ constante (Diodo zener ideal)

z.4 Eq. z.5 Eq.

Para el caso de un diodo más real, el cambio en las ecuaciones sería sólo en la expresión del voltaje en el Zener, tanto en condición de corriente mínima en el Zener, como su condición de corriente máxima:


minmin 0 ZZZZ IrVV

maxmax 0 ZZZZ IrVV

Considerando la información inicial que se tiene a la hora de diseñar un circuito con regulador Zener, en ocasiones es necesario aplicar ciertos criterios de diseño que permiten encontrar una solución aproximada para el diseño requerido.


1. Algunos textos observan que un buen criterio de diseño utilizado para calcular la corriente mínima en el Zener, es expresarlo como una función de la corriente máxima en la carga:


Izmín =ILmáx/3Izmín =ILmáx/3

2. Otros textos observan que otro criterio de diseño que se puede utilizar para calcular la corriente mínima en el Zener es expresarla como función de la corriente máxima que puede pasar por el diodo:


Izmín =0.1IzmáxIzmín =0.1Izmáx

Es importante anotar el cuidado que se debe tener en el uso de éstos y otros criterios de diseño, dado que por su carácter de suposiciones realizadas sobre información faltante, el uso simultáneo de dos o más criterios de diseño puede llevar a graves errores de diseño electrónico y circuital.


Es necesario conocer los niveles extremos del voltaje que desea regularse, así como el nivel de voltaje que se desea a la salida.

Con base en dichos datos se escoge el diodo Zener adecuado, a fin de luego determinar el valor de la resistencia Ri que asegure su correcto funcionamiento (usando las ecuaciones y ), y así completar el diseño de la configuración básica presentada en la figura 3.35 (Sedra/Smith, Cuarta Edición).

z.3 Eq. z.4 Eq. z.5 Eq.


El desempeño del diseño final se mide evaluando los valores correspondientes de Regulación de Linea y de Regulación de Carga (que dependen principalmente del diodo Zener empleado); los cuales permitirán al diseñador estimar el desempeño de la función reguladora que cumplirá su diseño.

Existen criterios de diseño que usados cuidadosamente, pueden ayudar a diseñar un buen circuito regulador basado en Zener.


Diseñar un regulador Zener en derivación para obtener un voltaje de salida de aproximadamente 7.5V. La alimentación varía entre 15V y 25V y la corriente de carga entre 0 y 15mA.

El diodo zener disponible tiene Vz=7.5V a una corriente de 20mA y su rz=10Ω. Encuentre el valor requerido de R y determine la regulación de línea y de carga. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Puede suponerse que Izmín =ILmáx/3=5mA


382155

5 x 103.715

3.720 x 105.7

min

minmin

mAmA

mAR

II

IrVVR

VmAIrVV

Lmáxz

zzzos

zzzzo

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