INFORME FUENTE REGULADORA DE VOLTAJE

Requerimientos.FUENTE REGULADA:

Voltaje entrada: 110V rms

Voltaje de salida: 6V de C.C.

Corriente máxima de salida: 500 mA

Protección contra corto-circuito

Piloto de funcionamiento general y piloto de aviso de

corto-circuito.

ANÁLISIS DE PROBLEMAS Y SOLUCIONES DADAS

La elaboración de la fuente regulada se empezó a implementar por partes y posteriormente en cada sesión de laboratorio se le iban agregando componentes a la fuente requerida.

De cada sesión se obtuvieron ciertos inconvenientes de los cuales se destacan.

Inicialmente se necesitaba un voltaje de entrada (A.C) de 110VRMS y un voltaje de salida de 6V que al hacer la relación entre el número de vueltas y los voltajes de salida, no se encontró un transformador comercial con esas condiciones.

Solución: Se aproximaron los valores para poder utilizar un transformador comercial con una relación 10:1 de 120V a 12V.

Se observó que estando la fuente básica, es decir, sin las redes de regulación, el voltaje sobre la carga iba aumentando progresivamente.

Solución: Se hizo un rediseño a la fuente colocándole una regulación en serie básica de voltaje y así poder obtener un voltaje constante sobre la carga.

Cuando se hizo el diseño de la protección contra corto, se notó que el voltaje sobre la carga había disminuido unos pocos valores a los requerido por el problema.

Solución: Se variaron los valores de resistencias que hacían parte de la red de muestreo del circuito para obtener lo especificado sobre la resistencia de carga.

Cuando ya se creía que el regulador estaba listo, se empezó a tomar las respectivas mediciones en los elementos, como los puntos de operación de cada transistor y la caída de potencial en cada elemento, sin embargo el zéner de la fuente de corriente constante se quemó por lo que se dañó nuevamente el circuito.

Solución: Se pidió otro zéner de 3V al laboratorista pero no había disponibles con las especificaciones que exigía nuestro circuito entonces nos fue entregado un zéner de 3.3V por lo que la corriente máxima que entregaba el circuito no era la adecuada, sumado a esto, el capacitor no funcionaba bien y al comprobar su continuidad, se notó que estaba en corto por lo que se procedió a cambiarlo.

MODIFICACIONES REALIZADAS AL CIRCUITO

Como primera medida se empezó a trabajar sobre una fuente básica de voltaje que estab constituida por fuente alterna, rectificador (puente de diodos),filtro (capacitor), con los siguientes requisitos:

IL=100 mA.

A la fuente básica de voltaje se le adicionó la condición de regulación, primero se trabajo con un regulador en serie y posteriormente se condicionó con una fuente de corriente constante que estaba constituida por: zenner 5.5v (D1), resistencia (R1) y transistor TIP 32 (Q2).

Después de tener la fuente de regulación básica se le introdujo la protección contra corto conformada por dos diodos (D3,D4) y un transistor 2N2222A Cuando se presenta un corto circuito a la salida, toda la corriente que viene de Q1 (transistor del elemento de paso), toda la corriente que viene por Qc se va por el corto y los diodos D3 y D4 no se polarizan, entonces la unión base emisor de Q4 tampoco se polariza operando en corte. La resistencia R2 pierde referencia a tierra, no se polariza el diodo zéner contiguo a ella (D2) y la fuente de corriente constante no funciona. Por lo tanto la corriente de emisor y de base del elemento de paso es cero, haciendo que el voltaje a la salida también sea cero.El LED se enciende cuando existe la condición de corto ya que al estar conectado en la juntura base – colector le pasa la suficiente corriente para polarizarlo y encenderlo en dicha condición teniendo así la señal visual deseada

CALCULO DE COMPONENTES

Sse realizo como primera medida el diseño del Rectificador de onda completa con el objetivo de convertir la señal bidireccional proveniente del transformador en unidireccional, para ello se utilizo un puente de diodos y un capacitor que filtrara la señal rectificada.

El transformador utilizado para la práctica tenía una relación de 10:1 que convertía de 120V a 12V.El voltaje de salida q caía sobre la carga obedecía a la ecuación:

Vout = (Vs * √2) – 1.4V ; donde: Vs= Valor del voltaje DC que entrega el transformador

Vout = (12V * √2) – 1.4V = 15.6V

Teniendo ya este valor de voltaje y con la corriente exigida por la carga (100mA) se hallo el valor de la carga:

RLMAX = Vout / ILMIN = 6V / 50mA = 120ΩRLMIN = Vout / ILMAX = 6V / 500mA = 12Ω

Para calcular el valor del capacitor en derivación se utilizó la formula del voltaje de rizado:

VRIZ = I / CF ; donde: F = Dos veces la frecuencia normal del toma (60Hz).

Se tomara un valor de voltaje de rizado pequeño para obtener una mejor señal aproximadamente 1V.

Despejando C obtenemos:

C = I / ( VRIZ * F ) = 500mA / ( 1V * 120Hz) = 4166.6µF

Para obtener un valor comercial se aproxima el valor del capacitor a 2200 µF.

CIRCUITO REGULADOR:Tomando en cuenta que el voltaje de entrada al regulador serie es de 15.6V y q la corriente máxima en la carga ILmax = 100mA se pueden obtener el valore de ILmin sabiendo que ILmin = 0.1 ILmax.

ILmin = 10mA

La corriente q entra al regulador se divide entre la resistencia Rs y la corriente de colector (IC = IE = IL) , y la corriente Rs se divide entre la de base (IB) y la del diodo zenner (IZ).

IBmax = ILmax / β = 100mA / 75 = 1.33mAIBmin = ILmin / β = 10mA / 75 = 0.13mA

Tomamos un valor de voltaje en el Zenner menor que el voltaje de entrada (VZ = 12V) y potencia 1W.

VZ = VBE + VOUT

VOUT = VZ - VBE = 12V – 0.7V

IZmax = 1/ 12V = 83.33mA.

IZmin = 8.3mA

RLmin = VOUT / ILmax. =11.3V / 100mA = 113Ω

RLmax = VOUT / ILmin = 1130 Ω

ISmax = IBmin + IZmax = 0.13mA + 83.3mA = 83.5mA

Tomando un voltaje de rizado en la señal de entrada debido al capacitor de + o – 1:

VIN = 15.6VVINMAX = 15.6V + 0.5V =16.1VVINMIN = 15.6V – 0.5V = 15.1V

VCEMAX = VINMAX - VOUT = 16.1V – 11.3V = 4.8VVCEMIN = VINMIN - VOUT = 15.1V – 11.3V = 3.8V

VCE = VCB + VBE

VCBMAX = VCEMAX - VBE = 4.8V – 0.7V = 4.1VVCBMIN = VCEMIN - VBE = 3.8V – 0.7V = 3.1V

Se toma un valor de IS entre ISMAX e ISMIN como 60mA.

RSMAX = VCBMAX / IS = 4.1V / 60mA = 68.33Ω

RSMIN = VCBMIN / IS = 3.1V / 60mA = 51.6V

En la práctica se tomaron las mediciones respectivas obteniendo los siguientes resultados:

VIN = 15.28V

VRL = 12.48VVZ = 12.87VIL = 107 mA

Protección contra corto

Para asegurar que el los diodos se encuentren en la región de saturación suponemos una corriente entre 10 mA ≤ I1≤ 20 mA

R6= VD/ID = 4.6V/15mA R6= 306.6Ω

VOUT= 6V.

ANÁLISIS Y RESULTADOS DEL PLAN DE PRUEBAS

1. TRANSFORMADOR: primero debemos verificar con el multímetro que el transformador no se encuentre en circuito abierto o en corto circuito, luego procedemos a conectarlo a la entrada de 120v. posteriormente se ensaya que las salidas del transformador entreguen el voltaje AC estimado para el diseño (en este caso 12v) .

Para nuestro caso el voltaje resulto ser mayor lo cual esperábamos debido a las variaciones de la red eléctrica y de la señal.

Salida transformador: 13,56v AC

2. PUENTE DE DIODOS: después de probar el transformador conectamos el puente de diodos. verificamos que la salida nos den voltajes DC y cercanos a los calculados en el diseño de la fuente. adicionalmente observamos que el puente de diodos no se caliente ya que esto nos indica si la corriente en el transformador es muy alta o la corriente máxima que el puente puede aguantar es muy baja. debemos tener en cuenta que la señal entregada no es totalmente DC por lo que el voltaje puede aumentar o disminuir, sin embargo el voltaje entregado debe ser mayor al que entrega el transformador en AC.

Salida Puente: 15,32V DC

3. FILTRO: para este diseño utilizamos un filtro capacitivo, el cual debe elevar las caídas presentadas en el rizo. debemos verificar que la salida después del filtro debe mantenerse estable y no debe variar significativamente.

Salida Condensador: 15,31v

4. CIRCUITO DE REGULACIÓN: para probarla el modulo de regulación tuvimos que realizar dos procedimientos: uno sin la protección contra corto y luego conectando la protección:

Cuando probamos el circuito sin protección, procedimos a variar la resistencia de carga para verificar que la salida de voltaje siempre fuera la misma. Para esto utilizamos resistencias superiores a 100 Ω hasta 10k; como pudimos comprobar el voltaje se mantenía en 6.00v a pesar de variar la carga.

Luego se procede a conectar una carga de 15 Ω de 5 w de potencia. Para observar el voltaje, debemos verificar que el voltaje se caiga al menos 1v debido a la gran cantidad de corriente que pasara sobre ella: lo que obtuvimos fue lo siguiente:

RL Ω Vo.15 Ω 5.88v

A pesar de la carga tan pequeña observamos que la fuente no varia significativamente lo cual nos indica que el circuito funciona óptimamente para cargas pequeñas pero con el inconveniente de que los transistores de potencia entregaban más corriente a la salida (aunque en la práctica no encontraremos este inconveniente puesto que en muchos circuitos las impedancias de entrada son mayores de 100 Ω) calentando la carga rápidamente y poniendo en riesgo el circuito.

Posteriormente se procedió a conectar la protección contra cortos en el cual se tres procedimientos:

Probar y medir los voltajes en los transistores incluyendo el de corto el cual debe ser cercano a cero y también la salida observando que el voltaje no varié de 6v.

Luego para verificar la protección realizamos un corto en la salida, el circuito debe apagarse y medimos nuevamente los voltajes a la salida y en los transistores.

Quitamos el corto y verificamos el voltaje de salida cuidando de que no haya cambiado nada.

Los resultados obtenidos en las pruebas fueron:

CONDICIONES NORMALES ICQ

VCEQ1 7.04v 6.8 mAVCEQ2 1.92v 4.8 mAVCEQ3 2.61v 8.38 mAVCEQ4 8.7mv 4.3 mACORTO ICQ

VCEQ1 12.60.v 670 mAVCEQ2 314mv 0 mA VCEQ3 1.72v 0 mAVCEQ4 7.43v 0 mA

Como podemos observar los resultados confirman lo que teóricamente se había predicho. Además verificamos que el voltaje del Q corto era cercano al voltaje de entrada y los voltajes de los demás transistores deben ser cercanamente idénticos y opuestos para anularse entre si. También pudimos observar que hay elementos que a pesar del corto tenían un voltaje pero esto no era de relevancia ya que el circuito apago la fuente protegiéndolo de las altas corrientes.

DIAGRAMA ELECTRICO FINAL

BR1

2W005G C12200uF D1

BZX85C5V6

Q1TIP31

R11k

Q2PN2907A

R21k

D2BZX85C3V3

R313

R4680

R51k

R6330

D3DIODE

D4DIODE

Q3

2N2222AQ42N2222A

R7120

+88.8

Volts

R6(2)

+88.8

mA

V1VSINE

CONCLUSIONES

Un circuito con retroalimentación y protección es más eficiente para las prácticas de laboratorio puesto que el voltaje de salida no varía a pesar de los cambios en la fuente de entrada ni en la carga al conectarse en salida.

Un circuito con protección a corto utilizando un transistor como conmutador aprovechando sus regiones de saturación (corto) y de corte (circuito abierto) es muy eficaz ya que aísla el circuito de la tierra evitando las altas corrientes producidas por el corto en la fuente.

Al tener impedancias grandes en el circuito y al no utilizar altas corrientes del orden de 1 A el circuito es menos propenso a recalentarse permitiendo a los transistores disipar menos de potencia y con mayor rapidez gracias a los disipadores.

Este tipo de fuentes no se caen y poseen un diseño y montaje relativamente sencillo, barato y eficiente para los requerimientos del diseño.