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Resumen: Un regulador de tensión es un circuito

electrónico que permite obtener una tensión DC o AC de

amplitud deseada en un margen de posibles cargas que se

conecten a él. En la actualidad muchos son los dispositivos

para realizar esta tarea, sin embargo el diodo zener sigue

siendo uno de los más prácticos y económicos, permitiendo

una tolerancia aceptable de tensión de salida. Su utilización

como regulador requiere el cálculo de un componente de

circuito fundamental conocido como resistencia limitadora.

Por otra parte ningún circuito trabaja sin energía y la mejor

forma de obtenerlo es de la toma eléctrica caseras, en el

presente, se anexan los cálculos necesarios para el diseño de

un rectificador con filtro para garantizar una tensión DC

cuasi-constante a la carga.

Index Terms: regulador zener, rectificación, filtro de rizos.

I. INTRODUCCIÓN

El diseño de circuitos electrónicos según las necesidades

requeridas es una tarea compleja que requiere la realización de

cálculos precisos debido principalmente, al desempeño no

lineal que tienen los dispositivos semiconductores. El presente

artículo describe las fases del diseño de un circuito regulador

zener en paralelo de 10VDC capaz de entregar a la carga

máximo 50mA. Iniciamos con el diseño de la etapa de

rectificación y filtrado, para obtener la tensión DC necesario

para el trabajo del circuito y concluimos con los cálculos de la

tan importante resistencia limitadora (Rs) y las correcciones

para lograr una tensión de salida con un margen de tolerancia

mínimo. Estos circuitos son de vital importancia para los

ingenieros pues permiten obtener pequeñas fuentes DC muy

útiles en la prueba de otros circuitos.

II. MARCO TEÓRICO

Un diodo zener es un dispositivo semiconductor formado por

una unión PN cuidadosamente dopada buscando mover la

región de zener a un valor de tensión deseado. Estos diodos

tienen un margen de trabajo en dicha región por lo que

usualmente se trabajan polarizados inversamente. Debido a la

elevada pendiente de dicha región se requieren de la adición

de ciertos elementos como resistencias y datos específicos

obtenidos de las hojas de fabricante.

Constituyen parámetros importante para el trabajo con diodos

zener, su tensión zener o (Vz) que es la que usualmente se

desea en la carga, normalmente acompañada de la corriente

zener (Iz)que atraviesa el elemento; y de la resistencia zener

(Rz) . La potencia máxima o Pz que soporta el dispositivo, la

cual en la mayoría de los casos nos indicará la corriente

máxima que puede tolerar. Y de los límites inferiores de la

región de trabajo como lo son la tensión y la corriente de

rodilla (Vzk e Izk) respectivamente. Para entregar una tensión

DC mayor de la deseada en la carga y que a su vez alimentará

el circuito se requiere de un sistema de rectificación y filtro

compuesto de una etapa de transformador (quien disminuye la

tensión de la red para evitar el manejo de tensiones peligrosas

y de dispositivos con márgenes de aislamiento más pequeño),

Un rectificador de onda completa, quien nos entrega una señal

alterna pulsátil con componente DC positiva y una etapa de

filtro de rizos que estabiliza la componente DC entregando un

nivel mayor y más estable al dado por el rectificador. Para la ratificación, existen dos tipos: rectificador de media

onda y de onda completa. El rectificador de media onda es

simplemente un diodo en directa en seria a una resistencia.

Para la ratificación de onda completa existen dos formas de

lograrlo: una es con dos diodos tal que una este en directa en

el semi-ciclo positivo de la onda de entrada y el otra también

en directa pero en el semi-ciclo negativo de la onda; y la otra

forma es la de puente la cual usa cuatro diodos conectados tal

que la corriente pase por dos diodos en el semi-ciclo positivo y

en los otros dos la corriente pasara en el semi-ciclo. Los

siguientes esquemas muestran estas tres formas de

rectificación de una señal.

Figura 1. Rectificador de media onda.

DESAFIO 1: REGULADOR DE TENSION

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Figura 2. Rectificador de onda completa.

Figura 3. Puente de diodo.

III. METODOLOGIA

ETAPAS DEL REGULADOR

El regulador zener está conformado por una serie de etapas las

cuales veremos a continuación.

La primera etapa, llamada etapa de rectificación de onda,

consiste bajar el voltaje de entrada (cualquier tomacorriente),

con un transformador que tiene la función que bajar una

tensión de 110 voltios a un voltaje que podamos usar con

nuestros dispositivos electrónicos de modo que puedan

soportar los valores de voltaje y corriente. En esta etapa

también tiene un puente de diodos para rectificar la señal que

ya habíamos transformado a un valor más bajo previamente.

Estos diodos son los rectificadores y los conectamos con el

transformador directamente del siguiente modo:

Figura 3. Primera etapa de ratificación.

La grafica de la señal de entrada (Vs) y salida (V0) en el

tiempo es:

Figura 4.Señal rectificada por el puente.

Como podemos ver, la grafica azul no se encuentra totalmente

superpuesta y tiene un intervalo de tiempo en el que vale cero

y es debido a que no ha alcanzado el voltaje de arranque de los

diodos, por lo que no ha empezado a conducir.

Luego procedemos con la siguiente etapa del circuito. Esta

segunda etapa denominada filtro consta de un capacitor en

paralelo con la etapa anterior, en donde recibe como voltaje de

entrada la onda V0 previamente rectificada. Acá se busca que

el capacitor, idealmente, haga lo siguiente.

Figura 5.Señal de salida del capacitor.

Pero como no queremos en esta parte que toda la labor sea

realizada por el capacitor y también porque queremos que

nuestro regulador nos dé una onda DC, no se admite la

primera parte creciente de la grafica azul como señal DC, con

lo que bajando el valor de capacitancia obtenemos una señal

de este modo:

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Figura 6.Voltaje riso

Así podemos pasar a la siguiente etapa del circuitos en donde

disminuiremos el riso en esta onda azul de la grafica anterior,

que se logra con la ayuda diodo zener, regula la señal que y

se procederá al cálculo de las variables en el diseño de ese

regulador para así lograr obtener una señal DC de salida a los

10V que se nos fue asignado como labor en nuestra practica de

regulador. El diagrama circuito al de esta última etapa se ve

así:

Figura 7.Circuito rectificador con el diodo.

Así logramos concluir con el desarrollo del regulador de

voltaje y sus respectivas etapas para su conclusión.

Al final siguiendo el proceso de esas etapas podemos construir

nuestro regulador y diagrama circuito al quedaría de la

siguiente manera:

Figura 8.Circuito completo de regulador de 10 V.

Y para ver cuántos nos dan los elementos de cada elemento

tenemos los siguientes cálculos:

Utilizando el diodo de un vatio.

El valor es el voltaje máximo del voltaje de riso a la

salida y fue de 22,9 V y el es 21.9 V que es el valor

mínimo del riso.

Con la hoja de datos (Diodo ZP 10A regula a 10 V) el es

de 9,825 V y la resistencia interna del diodo es de 7 , la

corriente es 0.25mA .

La corriente requerida para la carga es de 50mA y la

corriente es 50mA según el datasheet del diodo zener.

La se calcula con la tención que arrojará el diodo a la

carga dividido con la corriente máxima que se requiere en la

carga.

La resistencia escogida fue de 260 .

En este caso nosotros escogimos el voltaje de rizo de 1V por

tanto nos queda de la siguiente forma.

Escogimos un capacitor de 1000 el cual se aproxima al

valor calculado y más comercial.

Con estos datos obtenemos un Vz experimental de:

Vz=9.93V.

IV. CONCLUSIONES Podemos observar como este diseño, responde perfectamente

a las cargas de prueba propuestas, lo que da fiabilidad a los

suposiciones y cálculos realizados, vemos que el circuito se

diseño con una corriente de carga 12 veces superior a la

consumida por la carga, por lo que el zener no sufre mayor

alteración en su región de trabajo al variar esta. La potencia

generada por esos resistores al voltaje de carga escogido no

supera 1 W en el peor de los casos por lo que las resistencias

de carga pueden ser de potencia pequeña. Las variaciones en

las mediciones reales pueden deberse a las tolerancias de los

componentes instalados, por ejemplo el diodo zener ZP 10A

tiene una tolerancia _5% al igual que la resistencia limitadora.

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REFERENCIAS

[1] M. Sadiku, C. Alexander Fundamentos de circuitos

eléctricos, McGraw Hill, 2006.

[2] R. Boylestad, L. Nashelsky Electrónica: Teoría de

circuitos,

Pearson Education, 1997.

[3] A. Malvino, Principios de electrónica, McGraw Hill, 2000.

[4] A. Sedra, K. Smith, Circuitos Microelectronicos, Oxford

University Press, 1998.