INSTITUTO TECNOLOGICO MUNICIPAL

INSTITUTO TECNOLOGICO MUNICIPAL

ANTONIO JOSE CAMACHO

LABORATORIOS DE INDUSTRIAL I.

TEMA 3: REGULADORES DE TENSION CONMUTADOS BASICOS.

3. OBJETIVOS:

Analizar el funcionamiento de los reguladores de tensin conmutados.

Analizar las principales caractersticas de los reguladores conmutados

Obtener las formas de ondas de los reguladores de tensin conmutados.

Comprobar la influencia de la frecuencia en el rizado para los reguladores de tensin conmutados.

Determinar como varia la tensin de salida al cambiar la frecuencia en los reguladores de tensin conmutados.

Trazar la curva caractersticas del voltaje y corriente de carga en los reguladores de tensin conmutados.

3.1 EQUIPO NECESARIO.

1. Tarjeta impresa.

1. Osciloscopio dual

1. Generador de funciones

1. Multmetro(anlogo / digital)

3.2 INFORMACION BASICA.

Las fuentes de alimentacin conmutadas reciben energa de una fuente primaria durante cierto intervalo de tiempo(conduccin y bloqueo), gobernadas por un conmutador electrnico, con ello consigue la regulacin de la seal de salida que ha de ser recibidas por la carga.

Estas fuentes pueden ser de dos tipos:

Fuentes de alimentacin conmutadas a la frecuencia de la red.

Fuentes de alimentacin conmutadas a frecuencia propia.

Las Fuentes de alimentacin conmutadas a la frecuencia de la red se valen de la seal alterna suministrada por la red para obtener, a partir de los puntos de paso por cero, la cantidad de energa que necesitan.

3- 1

Fuentes de alimentacin conmutadas a la frecuencia a la frecuencia propia son aquellas que regulan la frecuencia del ciclo de conmutacin. Su elemento esencial es un convertidor de c.c a c.c que toma intervalos(conduccin y bloqueo), de una seal continua y una vez eliminado su carcter pulsatorio entrega otra seal continua ya regulada.

Los reguladores de tensin conmutados fueron desarrollados para disminuir las prdidas de potencia. Los reguladores convencionales, el transistor de paso serie opera constantemente en la regin activa.

Los reguladores conmutados pueden ser bsicamente de tres tipos:

Regulador conmutados reductor.

Regulador conmutados elevador.

Regulador conmutados inversor.

a) El regulador conmutado reductor: que se observa en la figura 3.1, es una versin reductora. Los pulsos rectangulares de la base suturan y cortan alternadamente al transistor de paso durante cada ciclo.

FIGURA 3.1. Regulador conmutado reductor.

Esto produce un voltaje rectangular en la entrada del filtro L.C. Este filtro bloquea la componente de C.A, pero permite el paso de la componente de DC, hacia la salida. A causa de la conmutacin de encendido y apagado el valor promedio es siempre menor que el voltaje de entrada.

b) El regulador conmutado elevador: que se observa en la figura 3.2, es una versin elevadora.

FIGURA 3.2. Regulador conmutado elevador

3- 2

De nuevo el transistor entra a saturacin y corte alternadamente. Cuando el transistor esta en saturacin la corriente circula por el inductor(L), (flujo convencional hacia la derecha). Cuando el transistor entra a corte de repente, el campo magntico se colapsa e induce un voltaje grande a travs del ncleo con polaridad opuesta.

Esto mantiene circulando la corriente en la misma direccin. Por otro lado, el voltaje inductivo de regreso es mayor que el voltaje de la entrada.

c) El regulador conmutado inversor: que se observa en la figura 3.3, es una versin inversora.

FIGURA 3.3. Regulador conmutado inversor.

Cuando l entra a saturacin, la corriente circula a travs del inductor(flujo convencional hacia abajo). Cuando el transistor entra en la regin de corte el campo magntico se colapsa y el regreso inductivo mantiene la corriente circulando en la misma direccin.

Como el transistor est apagado, la nica trayectoria es a travs del condensador se ver un voltaje de salida negativo.

3.2.1 CONTROL DE LAS FUENTES CONMUTADAS.

En las fuentes conmutadas sirve para mantener constante el voltaje de salida a la carga, se toma una muestra de la tensin de salida y se compara con otra tensin de referencia.

En las fuentes de alimentacin convencionales el resultado de esta comparacin, debidamente tratado, controla la cada de tensin en el transistor de paso, compensando as una eventual variacin del voltaje de salida.

En las fuentes conmutadas la tensin aplicada a la carga(que es la interesa controlar), depende del ciclo de trabajo (, es decir, los tiempos de conduccin y bloque del transistor durante el ciclo de trabajo.

3 -3

As pues, actuando sobre (, conseguimos controlar el voltaje de salida ante posibles variaciones provenientes del voltaje de entrada o de la propia carga.

Siendo ( = ton / T, el control se puede ejercer de dos formas:

A frecuencia fija, variando solamente el tiempo de conduccin ton.

A frecuencia variable, variando solamente el perodo T.

3.2.2 CONTROL DE FRECUENCIA FIJA

3.4. Diagrama de bloques para el control de fuentes conmutadas a frecuencia fijas.

En el diagrama de bloques de la figura 3.4, los pulsos generados en el oscilador son modulados segn la seal de error, resultante de haber comparado una muestra de la seal de salida con un voltaje de referencia.

Es la forma ms usual de control y se consigue por la modulacin de anchura de los pulsos. Variando la anchura de ellos.

3.2.3 REGULADOR DE TENSION CONMUTADO

FIGURA 3.5. Regulador de tensin conmutado

3- 4.

Caracterstica de los reguladores de tensin conmutados:

Estos reguladores son conmutados entre corte y saturacin.

La potencia disipada es baja porque la corriente en corte es cero y en saturacin es voltaje es milivoltios.

Los reguladores conmutados fueron desarrollados para disminuir las prdidas de potencia.

3.2.4 CIRCUITO OSCILADOR EN EL REGULADOR CONMUTADO

FIGURA 3.6 Formas de onda del oscilador en un regulador conmutado.

El circuito oscilador en el regulador conmutado produce una forma de onda triangular, observada en la figura 3.6. Esta forma de onda triangular es aplicada al comparador con la tensin de referencia y produce un pulso rectangular, a la salida del comparador.

Estos pulsos encienden(ON) o apagan(OFF), al transistor y producen la accin de conmutacin.

Durante el primer pulso, el transistor entra a saturacin, el voltaje entre emisor y colector(VEC), toma un valor muy pequeo.

El voltaje aplicado al inductor es VIN VCE = VIN.

La corriente que circula en le inductor sirve para cargar al condensador y a la carga.

El diodo(D), es polarizado en sentido inverso y acta como un circuito abierto.

La corriente que circula a travs del inductor(L), produce un campo magntico y almacena energa.

El transistor en la regin de corte apagado(OFF):

La corriente en el mismo transistor es nula.

La energa almacenada en el campo magntico del inductor(L), se opondr a la variacin de la corriente por medio de induccin magntica.

El voltaje inducido polariza al diodo(D1), en sentido directo.

3- 5.

La trayectoria de la corriente es complementada desde del inductor, atravesando la carga y luego el diodo.

El condensador tambin suministra corriente a la carga

Voltaje de salida tiene poca ondulacin.

3.2.5 REGULADOR DE TENSION CONMUTADO CON REALIMENTACION

FIGURA 3.7. Regulador de tensin conmutado con realimentacin.

Para mejorar la regulacin del voltaje de salida, se le agrega una realimentacin al circuito, como se indica en la figura 3.7. El voltaje de salida se introduce a la entrada del comparador por medio de una red resistiva que forma un divisor de voltaje conformado por las resistencias(R1 y R2), conectadas en paralelo con el condensador.

El voltaje salida es realimentado al circuito comparador y este lo compara con el voltaje de referencia. El voltaje de realimentacin se calcula de siguiente forma:

3.2.6 EFECTOS DE REALIMENTACION

a) Si el voltaje de salida del circuito es correcto, el voltaje aplicado al comparador produce un ciclo de servicio del 50%, como se indica la figura 3.8.

3 -6

FIGURA 3.8. Voltaje de salida es correcto genera un ciclo de servicio del 50%

b) Si el voltaje de salida como un todo disminuye, la entrada de voltaje VA, al comparador disminuye, como indica la figura 3.9.

FIGURA 3.9 Voltaje de salida por causa de los pulsos con un ciclo de servicio del 50%.

Esta disminucin lleva al ciclo de servicio a ms del 50%, y los pulsos son muchos ms anchos. Los pulsos ms anchos encienden al transistor por un perodo de tiempo ms largo y aumenta el voltaje entrada.

3 -7

c) Si la tensin de entrada aumenta, el voltaje VA, aumenta y el ciclo de servicio disminuye, como lo indica la figura 9.10.

FIGURA 3.10. Voltaje de salida alto por causa de los pulsos cortos.

3.2.7 FRECUENCIA DE CONMUTACION

La frecuencia de conmutacin tiene las siguientes caractersticas:

La frecuencia de conmutacin produce mejores resultados cuando trabaja en las gamas de 10KHz a 100KHz.

Si la frecuencia de conmutacin es alta, los valores de L y C pueden ser pequeo y menos costosos.

La eleccin de una frecuencia de conmutacin representar una transaccin, porque al incrementar la frecuencia de conmutacin se incrementar las prdidas de potencia.

Si el circuito tendr una frecuencia ptima de conmutacin reducir la prdida a los valores ms bajos.

3.2.8. REGULADOR ELEVADOR CONMUTADO CON REALIMENTACION

FIGURA 3.11. Regulador elevador conmutado con realimentacin.

3 -8.

El circuito regulador elevador conmutado con realimentacin se representa en la figura 3.11.

Este produce un voltaje de salida que es mayor que el voltaje de entrada.

Este circuito utiliza la energa que es almacenada en campo magntico del inductor para proveer una elevacin en el voltaje.

El voltaje inducido en la bobina es la suma del voltaje de entrada y el voltaje de salida se vuelve mayor que el voltaje de entrada.

La relacin para calcular el voltaje de salida:

3.3 ACTIVIDAD A REALIZAR

A) PREINFORME

1. Leer la gua del laboratorio.

2. Debe tener claro el funcionamiento de los reguladores de tensin conmutados.

3. Consultar las especificaciones elctricas en AC y DC en los manuales de la National semiconductor, de los integrados utilizados en los reguladores de tensin conmutados.

4. Ubicar como se disea las bobinas para los circuitos conmutados.

DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD.

I. EL REGULADOR DE TENSION CONMUTADO REDUCTOR

a) Ajuste el generador de funciones para obtener una onda triangular a una frecuencia de 30Khz y una amplitud de 10Vp-p y un offset de 5V, como indica la figura 3.12.

FIGURA 3.12. Onda de salida triangular

3 -9

a) Ubique el circuito regulador conmutado reductor que contiene el amplificador A1.

b) Instalar el circuito regulador conmutador reductor de la figura 3.13

FIGURA 3.13. Regulador conmutado reductor

c) Gire el potencimetro(RV4), para ajustar 5V en el punto (A).

d) Conectar el generador funciones en el punto (B), a la entrada del amplificador ( - ).

e) Dibujar las formas de onda en cada uno de los puntos A, B, C, D, E.

f) Si el voltaje VE no es 12V / 2, modifique ligeramente la frecuencia de la seal. Siempre que exista una frecuencia de seal ptima.

3 -10

FIGURA 3.14. Formas de ondas del regulador conmutado reductor

g) Conectar el osciloscopio a los bornes de la carga para medir el voltaje rizado.

h) Mida el voltaje rizado pico a pico utilizando las siguientes frecuencias. 100Hz, 400Hz, 800Hz, 1KHz, 4KHz, 8KHz, 10KHz.

i) Llenar la siguiente tabla 1.

Frecuencia(Hz)

100H

400H

800H

1KHz

4KHz

8KHz

10KHz

Voltaje rizado medido

J).Vuelva ajustar la frecuencia a 30KHz a su valor ptimo donde el voltaje de salida se igual a 12 / 2.

K) Vare el potencimetro(RV4), para que observe los cambios en el voltaje(VC y Voltaje de salida. Explicar

L) Vuelva ajustar el potencimetro(RV4), para que el amplificador tenga +V=5V.

3 -11

II. FRECUENCIA DE CONMUTACION EN EL REGULADOR CONMUTADO REDUCTOR.

a) Variar las frecuencias del generador de funciones entre 50Hz hasta 100KHz.

b) Medir el voltaje de salida(VDC), para cada una de las frecuencias y llenar la siguiente tabla 2.

Frecuencias(HZ)

50

100

200

500

1K

2K

5k

10K

20k

50k

100k

Voltaje de salida(VDC)

c) Hacer la grfica del voltaje de salida(VDC) , en funcin de la frecuencia F.

FIGURA 3.15. Respuesta de frecuencia del regulador conmutado reductor

d) Ajuste nuevamente el generador de funciones a 30Khz, en el cual el voltaje de salida del regulador sea del 12V / 2. No olvide que el ciclo de trabajo debe estar en el 50%.

III. CARGA ELECTRONICA PARA EL REGULADOR CONMUTADO REDUCTOR.

a) Conectar la carga electrnica al circuito regulador conmutado reductor.

b) Medir las corriente de carga(IL).

c) Gire el potencimetro(RV1), para las diferentes corrientes de carga(IL).

d) Llenar la siguiente tabla 3.

IL(Ma)

0 mA

2,5mA

5mA

10mA

15mA

20mA

25mA

30mA

VL(v)

e) Hacer grfico del voltaje de carga(VL), en funcin de la corriente de carga(IL).

3 -12.

IV. EL REGUALDOR DE TENSION CONMUTADO REDUCTOR CON REALIMENTACION.

a) Instalar el circuito regulador de tensin conmutado reductor con realimentacin de la figura 9.16.

FIGURA 3.16. Regulador de tensin conmutado reductor con realimentacin.

b) En este circuito incluye a los amplificadores A1, A2, el circuito regulador de tensin conmutado con realimentacin y la carga electrnica..

c) Ajuste el generador de funciones a una frecuencia de 30KHz y el voltaje de referencia con el potenciometro(RV4).

d) Ajuste la carga electrnica para que mida una corriente mnima y conectala al regulador de tensin conmutado reductor.

e) Vare el potencimetro(RV1), de la carga electrnica y observe los cambios de voltaje en los puntos(VC), midiendo con el osciloscopio: VC_________

f) Mida el voltaje de salida(VDC), con el multimetro; VDC________

g) Observe si el voltaje de salida a variado y porque. Explique.

3 -13.

V. EL REGULADOR DE TENSION CONMUTADO ELEVADOR.

a) Ajuste el generador de funciones para obtener una onda triangular a una frecuencia de 30Khz y una amplitud de 10Vp-p y un offset de 5V, como indica la figura 3.17.

FIGURA 3.17. Onda de salida triangular

b) Ubique el circuito regulador de tensin conmutado elevador que contiene el amplificador A1.

c) Instalar el circuito regulador de tensin conmutador elevador de la figura 3.18

FIGURA 3.18. Regulador conmutado de tensin elevador.

d) Gire el potencimetro(RV4), para ajustar 5V en el punto (A).

e) Conectar el generador funciones en el punto (B), a la entrada del amplificador ( - ).

f) Dibujar las formas de onda en cada uno de los puntos A, B, C, D, E.

g) Si el voltaje VE no es 24V / 2, modifique ligeramente la frecuencia de la seal para un voltaje de salida(Vsal) = 24V . Esta frecuencia probablemente resultar 10 veces menor.

3 -14.

FIGURA 3.19. Formas de ondas del regulador de tensin conmutado elevador.

3 -15.

h) Conectar el osciloscopio a los bornes de la carga para medir el voltaje rizado.

i) Mida el voltaje rizado pico a pico utilizando las siguientes frecuencias. 100Hz, 400Hz, 800Hz, 1KHz, 4KHz, 8KHz, 10KHz.

j) Llenar la siguiente tabla 4.

Frecuencia(Hz)

100H

400H

800H

1KHz

4KHz

8KHz

10KHz

Voltaje rizado medido

k) .Vuelva ajustar la frecuencia a 30KHz a su valor ptimo donde el voltaje de salida se igual a 12 / 2.

l) Vare el potencimetro(RV4), para que observe los cambios en el voltaje(VC y Voltaje de salida. Explicar

m) Vuelva ajustar el potencimetro(RV4), para que el amplificador tenga +V=5V.

VI. FRECUENCIA DE CONMUTACION EN EL REGULADOR CONMUTADO ELEVADOR.

a) Variar las frecuencias del generador de funciones entre 50Hz hasta 100KHz.

b) Medir el voltaje de salida(VDC), para cada una de las frecuencias y llenar la siguiente tabla 5.

Frecuencias(HZ)

50

100

200

500

1K

2K

5k

10K

20k

50k

100k

Voltaje de salida(VDC)

c) Hacer la grfica del voltaje de salida(VDC) , en funcin de la frecuencia F.

FIGURA 3.20. Respuesta de frecuencia del regulador conmutado elevador.

3 -16.

d) Ajuste nuevamente el generador de funciones a 30Khz, en el cual el voltaje de salida del regulador sea del 24V / 2. No olvide que el ciclo de trabajo debe estar en el 50%.

VII. CARGA ELECTRONICA PARA EL REGULADOR DE TENSION CONMUTADO ELEVADOR.

a) Conectar la carga electrnica al circuito regulador de tensin conmutado elevador

b) Medir las corriente de carga(IL).

c) Gire el potencimetro(RV1), para las diferentes corrientes de carga(IL).

d) Llenar la siguiente tabla 6.

IL(Ma)

0 mA

2,5mA

5mA

10mA

15mA

20mA

25mA

30mA

VL(v)

f) Hacer grfico del voltaje de carga(VL), en funcin de la corriente de carga(IL).

VIII. REGULADOR DE TENSION HIBRIDO.

a) Ajuste el generador de funciones para obtener una onda triangular a una frecuencia de 30Khz y una amplitud de 10Vp-p y un offset de 5V, como indica la figura 3.12.

FIGURA 3.21. Onda de salida triangular

b) Ubique el circuito regulador conmutado reductor que contiene el amplificador A1, A2.

c) Ubique el circuito regulador monoltico.

d) Ubique la carga electrnica.

e) Instalar el circuito regulador conmutador reductor de la figura 3.21.

f) Ajuste el voltaje de entrada de referencia a + 5V, y la fuente de poder a 12V.

g) Desconectar la entrada del regulador monoltico.

h) Ajuste el generador de funciones a la frecuencia ptima que observo en los pasos anteriores del circuito regulador de tensin elevador el cual debe marcar 24V a la salida.

i) Conectar nuevamente el regulador monoltico.

j) Gire el potencimetro(RV3), para obtener a la salida 5VDC, entre los terminales de salida.

3 -17.

FIGURA 3.22. Regulador de tensin hbrido.

3-18.

IX. CARGA ELECTRONICA PARA EL REGULADOR DE TENSION HIBRIDO.

a) Conectar la carga electrnica al circuito regulador de tensin hbrido

b) Medir las corriente de carga(IL).

c) Gire el potencimetro(RV1), para las diferentes corrientes de carga(IL).

d) Mida el voltaje de carga(VL).

e) Llenar la siguiente tabla 6.

IL(Ma)

0 mA

2,5mA

5mA

10mA

15mA

20mA

25mA

30mA

VL(v)

g) Hacer grfico del voltaje de carga(VL), en funcin de la corriente de carga(IL).

INFORME

Cada alumno debe presentar:

1. Mediciones y clculos realizados en el laboratorio.

2. Hacer una sntesis del funcionamiento del ciricuito.

3. Resolver las preguntas de la evaluacin.

4. Conclusiones generales.

EVALUACION

1. Cmo es comportamiento del voltaje rizado del circuito regulador conmutado reductor cuando trabaja a frecuencias bajas y altas?.

2. Qu ocurre cuando usted disminuye el voltaje de referencia del amplificador A1, del circuito regulador conmutado reductor en los puntos VC y el voltaje de salida?.

3. Qu observa usted, cuando se le coloca la realimentacin al circuito regulador conmutado reductor?.

4. El voltaje de salida del regulador reductor es mayor o menor que el voltaje de entrada. Porqu?.

5. Cmo es comportamiento del voltaje rizado del circuito regulador conmutado elvador cuando trabaja a frecuencias bajas y altas?.

6. Qu ocurre cuando usted disminuye el voltaje de referencia del amplificador A1, del circuito regulador conmutado elevador en los puntos VC y el voltaje de salida?.

7. Qu observa usted, cuando se le coloca la realimentacin al circuito regulador conmutado elevador?.

8. El voltaje de salida del regulador reductor es mayor o menor que el voltaje de entrada. Porqu?

9. Defina que es un regulador hbrido.

3 -19.

Entrada al comparador

Salida del comparador