Reguladores de voltaje

Comenzamos con un voltaje de ca y obtenemosun voltaje de cd constante al rectificar el voltajede ca y luego filtrarlo para obtener un nivel decd, y, por último, lo regulamos para obtener unvoltaje de cd fijo deseado. La regulación engeneral se obtiene con un regulador de voltaje decircuito integrado, el cual toma un voltaje de cd yluego lo entrega a un nivel más bajo, el cualpermanece igual aun cuando el voltaje de cd deentrada varíe o la carga de salida conectada alvoltaje de cd también lo haga.

Se requiere un circuito rectificador para convertiruna señal de valor promedio cero en una de valorpromedio diferente de cero. La salida resultantedesde un rectificador es un voltaje de cd pulsantey aún no adecuado como remplazo de unabatería.

Para voltajes de alimentación de cd, como losque se utilizan en un radio, un sistemaestereofónico, una computadora, etc., el voltajede cd pulsante de un rectificador no essuficientemente bueno. Se requiere un filtro paraproporcionar un voltaje de cd más constante.

La figura muestra un voltaje de salida de filtro típico, con el cual se definirán algunos de los factores de la señal. La salida filtrada de la figura tiene un valor de cd y alguna variación de ca (rizo). Aun cuando en esencia una batería tiene un voltaje constante o de salida de cd, el voltaje de cd derivado de una señal de fuente de cd rectificada y filtrada tendrá alguna variación de ca (rizo). Cuanto más pequeña sea la variación de ca con respecto al nivel de cd, mejor será la operación del circuito de filtrado.

EJEMPLO Con un voltímetro de cd y uno de ca para medir la salida de un circuito de filtrado, obtenemos lecturas de 25 V cd y de 1.5 V rms. Calcule el rizo del voltaje de salida del filtro.

Otro factor de importancia en una fuente de alimentación esla cantidad de cambios del voltaje de salida de cd a lo largode la operación de un circuito. El voltaje provisto a la salidaen la condición sin carga (sin que demande corriente de lafuente) se reduce cuando se extrae corriente de carga de lafuente (en condición de carga). La cantidad que el voltaje decd cambia entre las condiciones sin carga y con carga ladescribe un factor llamado regulación de voltaje.

Un circuito de filtrado de mucha aceptación es el filtro decapacitor que se muestra. Se conecta un capacitor en la salidadel rectificador y se obtiene un voltaje de cd a través delcapacitor.

De acuerdo con lo anterior, está claro que losvalores grandes de capacitancia proporcionanmenos rizo y un voltaje promedio más alto, con locual el filtro actúa mejor. De aquí se podríaconcluir que para mejorar el desempeño de unfiltro de capacitor, todo lo que se requiere esaumentar el tamaño del capacitor de filtrado. Sinembargo, el capacitor también afecta la corrientepico a través de los diodos de rectificación y, comoveremos a continuación, cuanto más grande sea elvalor del capacitor, mayor será la corriente picoextraída por conducto de los diodos derectificación.

Los diodos conducen durante un periodo T 1

durante el cual el diodo debe proporcionar la corriente promedio necesaria para cargar el capacitor. Cuanto más corto es este intervalo, más grande es la cantidad de la corriente de carga. Observe que con valores pequeños del capacitor y T1 grande, la corriente pico en el diodo es menor que con valores grandes del capacitor de filtrado.

Como la corriente promedio extraída de la fuente debe ser igual a la corriente promedio en el diodo durante el periodo de carga, podemos utilizar la siguiente relación

Es posible reducir aún más la cantidad de rizo a través del capacitor si se utiliza una sección de filtro RC adicional

Circuito equivalente de cd de la sección de filtro RC

Ejemplo: Calcule el voltaje CD a través de una carga de 10kΩ para una sección (R=120 ΩC=10uF) de filtro RC. El voltaje de cd a través del capacitor de filtrado inicial es Vcd=60V

Debido a la acción del divisorde voltaje de la impedancia deCA del capacitor y el resistorde carga, el componente deCA del voltaje resultante através de la carga es:

Para un rectificador deonda completa de rizo deCA a 120 Hz, laimpedancia del capacitorse calcula con:

Donde C estáenmicrofarads yXc enkiloohms

Calcule los componentes de CA y CD de la señal de salida a través de la carga RL del circuito, además calcule el rizo de la forma de onda de salida

Regulación de Voltaje en Serie

La conexión básica de un circuito regulador en serie se muestra en la siguiente figura

El elemento en serie controla la cantidad de voltaje de entrada que llega a la salida

Un circuito muestra el voltaje de salida yproporciona un voltaje de realimentación que secompara con un voltaje de referencia.

1.- Si el voltaje de salida incrementa, el circuitocomparador emite una señal de control que haceque el elemento de control en serie reduzca lacantidad de voltaje de salida, con lo cual semantiene el voltaje de salida.

2.- Si el voltaje de salida de reduce, el circuitocomparador emite una señal de control para queel elemento de control en serie incrementen lacantidad de voltaje de salida.

El transistor Q1 es el elemento de control en serie y el diodo ZenerDz proporciona el voltaje de referencia

Funcionamiento:1. Si el voltaje de salida se reduce, el voltaje de base a emisor incrementado hace que el transistor Q1 conduzca más, por lo que el voltaje de salida se eleva y la salida se mantiene constante

2. Si el voltaje de salida se incrementa, el el voltaje reducido entre la base y el emisor hace que el transistor Q1 conduzca menos , por lo que el voltaje de salida se reduce y la salida se mantiene constante

En la figura se muestra otro tipo de regulador en serie. El amplificador operacional compara el voltaje de referencia del diodo Zener con el voltaje de realimentación de los resistores detectores R1 y R2. Si el voltaje de salida varía, la conducción del transistor Q1 se controla para mantener constante el voltaje de salida. El voltaje de salida se mantendrá a un valor de

A medida que aumenta la corriente de carga IL, la caída de voltaje a través del resistor detector en cortocircuito RSC se incrementa.

La limitación decorriente reduce elvoltaje de cargacuando la corrientellega a ser más grandeque el valor límite. Elcircuito de la figuraproporciona limitaciónpor reinyección, lacual reduce tanto elvoltaje de salida comola corriente de salida,para proteger la cargacontra sobrecorrientesy también paraproteger el regulador.

Un regulador de voltaje en derivación proporciona regulación al desviar la corriente de la carga para controlar el voltaje de salida. La figura muestra un diagrama de bloques de un regulador de voltaje como ese.

En la figura se muestra un circuito regulador en derivación simple. El resistor RS reduce el voltaje no regulado en una cantidad que depende de la corriente suministrada a la carga RL. El diodo Zener y el voltaje base-emisor del transistor establecen el voltaje de carga. Si la resistencia de ésta se reduce, el resultado es una corriente de control reducida hacia la base de Q1 y menos corriente de colector se pone en derivación. Por consiguiente, la corriente de la carga es más grande con lo que se mantiene el voltaje regulado a través de la carga. El voltaje de salida suministrado a la carga es

EJEMPLO Determine el voltaje regulado y las corrientes del circuito para el regulador en derivación de la figura.

La figura muestra otra versión de un regulador de voltaje en derivación que utiliza un amplificador operacional como comparador de voltaje. Compara el voltaje Zener con el voltaje de realimentación obtenido con el divisor de voltaje R1 y R2 para proporcionar la corriente de excitación de control para poner en derivación el elemento Q1. De esa manera se controla la corriente a través del resistor RS para reducir el voltaje a través de RS de modo que se mantenga el voltaje de salida.