“APUNTE ELECTRÓNICA “

“ REGULADORES DE TENSIÓN “.-

ASIGNATURA : ELECTRÓNICA I I .-

“CARRERA DE INGENIERÍA EN TELECOMUNICACIONES”

2001.-

DIODO ZENER.-

Si un diodo semiconductor se polariza en forma inversa, circula por el una corriente

muy pequeña, ( del orden de los micro Amperes.).-

Si la tensión inversa se hace lo suficientemente grande , se alcanza un punto en que la

corriente inversa crece muy rápidamente con un leve aumento de la tensión, quedando

limitada solo por la impedancia del circuito que polariza el diodo.-

Si esta corriente inversa alcanza un valor elevado, debido al exceso de calor producido

en la juntura, este diodo se destruye.-

Si la corriente inversa fluyera inversamente a través del área de la juntura, el diodo

podría manejar corrientes mayores.-

Pero en los diodos de junturas comunes esto no sucede.-

La ruptura ocurre en uno o dos lugares en donde la densidad de corriente , y el calor

producido es mayor.-

Por lo general el resultado es el mismo , el diodo se destruye.-

Utilizando técnicas especiales , las cuales permiten producir un flujo de corriente

uniforme a través del área de la juntura se construyen los denominados

DIODOS ZENER.-

Este tipo de diodo sí opera dentro de un rango nominal con polarización inversa y

puede soportar corrientes inversas relativamente grandes sin destruirse.-

Si la tensión inversa se reduce , o suprime , bajo el valor de ruptura, la juntura se

restaura a un estado origina.-

Los diodos zener son rectificadores de silicio especialmente diseñados para

trabajar en su zona inversa.-

Presentan una tensión de ruptura que es fija y que permanece relativamente

constante dentro de un amplio rango de variación en la corriente inversa.-

CURVA CARCTERÍSTICA DEL DIODO ZENER.-

Al observar la curva característica del diodo zener , en la región de ruptura la tensión

a través del diodo permanece relativamente constante, para cambios apreciables de

corriente .-

Por esta razón el diodo zener se puede utilizar como regulador o estabilizadorde

tensión.-

El estado de tensión constante del diodo zener depende de su construcción , lo que

permite un rango amplio en tensión regulada , aproximadamente entre 2 volts y

200 volts , y potencias de disipación que pueden ir sobre los 50 watts.-

a tensión de ruptura de los diodos zener depende de la temperatura .-

La manera de cómo varía la tensión zener con la temperatura , depende del tipo de

Ruptura que ocurre con la tensión inversa.-

Los diodos zener que regulan tensión bajo los 6 Volts, presentan un tipo de ruptura

denominado RUPTURA POR EFECTO ZENER.-

Este tipo de ruptura se caracteriza porque AL aumento la temperatura , disminuye

la tensión inversa a la cual ocurre la ruptura. ( COEFICIENTE TÉRMICO DE

TENSIÓN DE RUPTURA NEGATIVO.-)

Los diodos zener que se fabrican para trabajar sobre los 6 Volts. De tensión de

ruptura , el fenómeno que ocurre se denomina RUPTURA POR AVALANCHA.-

Este tipo de ruptura se caracteriza , porque un aumento de la temperatura , produce

Un aumento de la tensión inversa a la cual ocurre la ruptura. ( COEFICIENTE

TÉRMICO DE TENSIÓN DE RUPTURA POSITIVO ).-

SIMBOLOGÍA DEL DIODO ZENER.-

Para un buen funcionamiento del diodo zener , según las indicaciones dadas por el

fabricante , si la corriente inversa se mantiene dentro de los limites indicados de

seguridad , el diodo no tendría que sufrir daños volviendo a su estado normal.-

Si por el contrario se aumenta la corriente mas allá del limite de seguridad ,

el diodo sufrirá un daño permanente debido a que la energía es tan alta que es capas

de arrancar átomos enteros del material, destruyendo en forma inmediata la juntura

y por ende el diodo.-

“REGULADOR BÁSICO CON DIODO ZENER”

Como los diodos zener presentan una zona de ruptura típica a una determinada

tensión inversa ( Vz ) .-

Si se utiliza esta propiedad que corresponde a una fuente ideal de voltaje

para entregar una tensión constante o estabilizada a una carga que presenta como

característica un consumo variable, para su funcionamiento.-

También este dispositivo debe resguardar las posibles fluctuaciones o variaciones de

la tensión ondulatoria residual de entrada.-

“CIRCUITO REGULADOR BÁSICO CON DIODO ZENER”

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL CIRCUITO.-

1.- Vi = Vs + Vz ! ( IT x Rs ) + Vz.-

2.- Vs = IT x Rs.-

3.- IT = Iz + IL.-

4.- Vi = Rs x ( Iz + IL ) + Vz.-

5.- Vz = IL x RL.-

Vi - Vz

6.- IT = ----------.-

RS

Al analizar el circuito regulador de tensión con diodo zener , la tensión en la carga

permanece aproximadamente constante , igual a la tensión nominal del diodo zener Vz ,

aunque varíe la tensión de entrada Vi o la corriente a través de la resistencia de

carga RL, sobre un rango amplio .-

Si Vz es constante , el valor de IL depende exclusivamente del valor de RL.-

Para el caso en que IT se mantenga constante , si IL aumenta , Iz debe disminuir de

modo que siempre se cumpla que IT = Iz x IL.-

Por otro lado si IL disminuye , Iz debe aumentar , para el caso que todavía IT sea

constante.-

El caso más desfavorable para el Zener sería cuando IL = 0 ya que IT = Iz y la

potencia que debería disipar el zener sería máxima.-

Por otra parte si la corriente IL se aproxima o se iguala con IT , la corriente Iz

se hace muy pequeña , pudiendo sacar al diodo zener de la tensión de ruptura

o de regulación dejando de operar este.-

Para el caso anterior , las variaciones de la corriente zener Iz pueden ser tal

que el diodo deje de operar , o que circule excesiva corriente a través de el y se

destruya.-

Para este efecto se determina una corriente Máxima ( I.Máx.) que mantiene la

tensión zener sin destruir el diodo , con la cual se puede calcular la potencia máxima.-

También se determina una corriente Mínima ( I. Mín ) para mantener la tensión

zener.-

Resumiendo una fuente de tensión , estabilizadora puede ser afectada por la

demanda de corriente ( 0 < IL < I. Máx ) o por la variación de la tensión de

entrada ( Vi . Mín. < Vi < Vi. Máx. ) , las que afectan la fuente de forma

extrema de dos formas :

1.- La fuente deja de regular.-

2.- Queman el diodo zener.-

Naturalmente que al especificar el tipo de fuente , se conoce la corriente de carga

máxima, ( IL Máx ) , como también se puede especificar la tensión de entrada Vi con

su rango de variación.-

Esto nos permite determinar el valor de Rs , ( resistencia que asume las variaciones de tensión de entrada ) , de manera tal que cumpla con el criterio de :

1.- Mantener la regulación de tensión en el peor de los casos.-

2.- Especificar requisitos que debe cumplir el diodo zener .-

Por tanto la condición que debe cumplir el circuito para que exista regulación en las

condiciones más críticas ( IL. Máx. ) ( Vi . Mín ) es que permita pasar una

corriente total IT tal que mantenga el diodo zener regulando.-

Esto se especifica de la siguiente forma. :

Vi. Mín. - Vz

IT = ------------------ " ( Iz. Mín. + IL máx ).-

Rs

Es decir el valor de Rs está determinado por :

Vi. Máx. - Vz

Rs " -------------------------

Iz. Mín. + IL. Máx.

Por otra parte , la condición que debe cumplir el circuito para que el diodo zener no se

queme cuando se tienen las condiciones críticas que afectan a este , IL =0 y

Vi = Máx. , es que la corriente total IT sea menor o igual a la corriente máxima que

soporta el diodo ( Iz. Máx. ) .-

Lo cual se especifica de la siguiente forma :

Vi. Máx. - Vz

IT = --------------- < Iz . Máx.-

Rs

Por tanto la resistencia Rs será :

Vi. Máx. - Vz

Rs " ----------------

Iz. Máx.

EJEMPLOS :

Para el circuito de la figura , determinar los parámetros eléctricos necesarios , en

base a los siguientes datos :

DATOS : IL. Máx. = 450 mA.- ; Vi = 20 Volts.- ; variación de Vi 10 % .- ;

VL = 12 Volts.- ; Iz. Mín. = 5 % de IL. Máx..-

DESARROLLO :

1.- Calculo del porcentaje de variación de Vi :

20 x 10 / 100 ! 2 Volts.

Vi. Máx = 20 + 2 ! Vi. Máx =22 V .-

Vi. Mín. = 20 - 2 ! Vi. Mín. = 18 V.-

La tensión de entrada varía entre 18 V y 20 V.-

2.- Determinación de la tensión zener :

Como la carga se encuentra en paralelo con el diodo zener, la tensión zener

será :

Vz = VL ! Vz = 12 V.-

3.-Calculo de Rs , partiendo del criterio de regulación en las peores condiciones :

18 - 12 6

Rs = ------------- = ------ ! Rs = 12,7 .-

0,45 + 0,023 0.473

4.- Calculo de Iz. Máx. :

Vi. Máx. - Vz 22 - 12

Iz. Máx. = ------------- =-------- ! Iz. Máx =787 mA

Rs 12,7

5.- Calculo de la potencia máxima de disipación del diodo zener :

Pz. Máx. =Vz x Iz. Máx. =12 x 0,79 ! Pz. Máx= 9.48 W.-

Con esta potencia máxima calculada del diodo zener, es conveniente incrementar la

potencia de la resistencia Rs y del diodo zener en un 20 % , por tanto :

Pz = 12 Watts.-

6.- Calculo de la potencia máxima de la resistencia Rs :

(Vi. Máx - Vz ) (22 - 12)

Ps.Máx. = -------------= -------- ! Ps.Máx =787mW.-

Rs 12,7

Características entregadas por el fabricante en un manual. :

CODIGO	COD. ECG.	T.REGULADA	I.NOMINAL	P.MÁXIMA	FIGURA-	TOLERANCIA	I.MÁXIMA
M5.6Z1.-	5011T1.-	5,6 VOLTS.	20 mA.-	500 mW.	Z4.-	5 %.-	89 mA.
MZ10T5.-	5019T1.-	10 VOLTS.	20 mA.-	500 mW.-	Z4.-	5 %.-	50 mA.-

REGULADORES DE TENSIÓN TRANSISTORIZADOS.-

REGULADOR DE TENSIÓN PARALELO:

La característica de disipación de potencia para el caso de los diodos zener es

muy pequeña , lo que implica que estos componentes se fabrican para baja

potencia.-

Cuando se requiere manejar potencia mayores, se utilizan otros componente

circuitales, tales como transistores que conectado en paralelo con la carga

nos lleva al REGULADOR DE TENSIÓN PARALELO.-

REGULADOR PARALELO.-

Analizando las características eléctricas del circuito se tiene :

1.- VL = VCE.-

2.- VL = VCB + VBE.-

3.- VL = VZ + VBE.-

4.- Vi = Ri x ( Iz + Ic + IL ) + VZ + VBE.-

5.- Ii = IZ + Ic + IL .-

6.- Vi = ( Ri x Ii ) + VZ + VBE.-

VL

7.- IL =--------.-

Ri

8.- Iz = IB + IR.-

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO:

Al analizar el circuito de la figura , este opera en forma muy similar al

regulador zener, con la única diferencia que la corriente de carga es pequeña

ya que la corriente de colector es controlada por la corriente de base.-

Cuando la tensión de entrada tiende a aumentar , esto genera un incremento en

la corriente zener , lo cual aumenta la corriente IR , aumentando el voltaje VBE

que incrementa la corriente de base IB y por tanto a su vez aumenta la

corriente IC .-

Al provocarse un aumento de la corriente IC , aumenta la caída de tensión en Ri

absorbiendo el incremento de tensión de la fuente y manteniendo constante la

tensión en la carga.-

Si la tensión de entrada disminuye , la corriente de base IB también disminuye

por efecto de disminuir la corriente zener.-

Con esto se provoca una disminución también en la corriente de colector IC y

por lo tanto esto provoca una menor caída de tensión en Ri , manteniendo con

esto constante la tensión en la carga.-

EJEMPLO :

Diseñar un regulador de tensión Paralelo para obtener una tensión de salida en

la carga de 12V, con corrientes de carga de 85 mA a 200 mA.-

Considerar que la tensión de entrada varía entre 20 V y 17 V, también se

cuenta con una tensión zener de 11,3 V , mientras que el VBE = 0,7 V .-

Como dato se nos entrega que, la suma de las corrientes ( Iz mín. + Ic. mín.)

corresponde al 10 % de la corriente de carga máx ( IL Máx. ).-

Por tanto Iz mín + Ic mín. = 0,1 x IL Máx.! Iz mín + Ic mín. =

0,1 x 0,2 = 20 mA.-

1.- Calculo de la resistencia que asume las variaciones de tensión Ri.-

Vi mín. = Ri x ( Iz mí. + Ic mín. + IL máx. ) + Vz + VBE.-

Se despeja de esta ecuación de entrada la resistencia Ri.-

Vi mín. - ( Vz + VBE )

Ri = -----------------------------

( Iz mín + Ic mín. + IL máx. )

17 - ( 11,3 + 0,7 ) 5

RI = -------------------- = -------- ! Ri = 22,7 

( 0,02 + 0,2 ) 0,22

Por otro lado con la ecuación del voltaje de entrada , podemos determinar las

corrientes :

Vi Máx. = Ri x ( Iz máx. + Ic máx. + IL mín ) + Vz + VBE.-

despejando:

Vi máx. - ( Vz + VBE )

Iz máx. + Ic máx = --------------------- - IL mín .-

Ri

20 - 12

Iz máx. + Ic máx = ------- - 0,085 ! Iz máx + Ic máx = 267,4 mA

22,7

Para la suma de estas corrientes , aproximadamente el 10 % de esta suma se

distribuye por el diodo zener y el 90 % corresponde a la corriente de

colector IC.-

Por tanto Iz máx corresponde a : 26,74 mA. Mientras que la corriente

Ic máx. corresponde a : 240,66 mA.-

Al igual que se distribuyó la corriente total ( Iz máx. + Ic máx. ) en un 10 % ,

de la misma manera se distribuye la corriente por la base .-

Por tan to el 10% de Iz máx. corresponde a la corriente de base y el resto a la

corriente que circula por la resistencia ( R ).-

Por tanto : IB = 10 % de 26,74 mA ! IB = 2,67 mA.-

La corriente por la resistenci ( R ) será : IR = 24,1 mA.-

De esta forma se pueden determina el valor de R :

VBE 0,7

R = ----- = ------ ! R = 29 .-

IR 0,0241

Al conocer algunas características eléctricas del circuito , se puede

seleccionar el diodo zener a utilizar y el transistor, calculando la potencia del

zener y el beta (  ) del transistor.-

Por tanto la potencia del Zener será : Pz = Iz máx. x Vz

Pz = 0,02674 x 11,3 ! Pz = 300 mW.-

Ic máx 0,24066

El Beta del transistor tendrá un valor de  = ---------- = -------------

IB 0,00267

= 90.-

DIODO ZENER SELECCIONADO ! VZ = 11,3 V.-

PZ = 300 mW.-

IZ máx = 26,74 mA.-

TRANSISTOR SELECCIONADO !  = 90.-

IC mäx = 240,66 mA.-

VCE = superior a 12 v.-

CIRCUITO REGULADOR DE TENSIÓN PARALELO DISEÑADO.-

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REGULADOR DE TENSIÓN BÁSICO SERIE :

ANÁLISIS FUNCIONAL.-

El más utilizado de los de los reguladores de tensión , es el regulador tipo

serie.-

El transistor es la etapa de control y RL es la carga.-

El diodo zener alimentado a través de R y del transistor y su corriente de

base , suministra una tensión constante de referencia aplicada al base del

transistor.-

Al aumentar la corriente consumida por la carga IL , por cualquier razón , la

tensión VL sube e incrementa el valor de VBE llevando el emisor a un potencial

más positivo con respecto a base .-

Por tanto la polaridad directa base - emisor se reduce y la corriente de

colector disminuye, disminuyendo así la corriente de carga IL.-

Se ve que a un aumento de la corriente IL , corresponde un efecto de control

que disminuye el valor de IL.-

Existe entonces un efecto de compensación o de regulación.-

El circuito detector de error , en este regulador , actúa por la característica

base - emisor del circuito, y el mismo transistor hace las veces de

amplificador.-

Este circuito dividido en bloques, presenta : “etapa de control “ ;

“etapa de muestreo” ; “detector de error” ; “ amplificador de error”

CIRCUITO EN BLOQUE DE UN REGULADOR SERIE.-

El circuito de control , generalmente es un transistor con colector común o

emisor común.-

El circuito de referencia de tensión requiere de una fuente constante actuando

como tensión de referencia , que para este caso es un diodo zener.-

El amplificador , es un bloque que también lo realiza el mismo transistor y

amplifica lo que se conoce como tensión de error , donde dicha tensión

controla la base del transistor y lo hace conducir más o menos .-

Para este caso el transistor de control , asume las variaciones de tensión que

se pueden provocar por la tensión de línea o por el consumo de corriente de la

carga.-

La regulación lograda por este circuito es pobre y se puede incrementar

aumentando la ganancia del amplificador de error o realimentando el circuito.-

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL CIRCUITO BÁSICO

DEL REGULADOS TRANSISTORIZADO SERIE.-

1.- Vi = VCB + Vz .-

2.- Vi = ( IR x R ) + Vz .-

3.- VL = Vz - VBE.-

4.- Vi = VCE + VL.-

5.- Ii = IR + IC.-

6.- Ii = IR + IL.-

7.- IL " IC " IE.-

9.- IR = IB + Iz.-

EJEMPLO DE DISEÑO:

Para el circuito de la figura , determine los parámetros eléctricos del circuito, seleccione que diodo zener se debe utilizar y que transistor, basado en los siguientes Datos :

DATOS : Vi= 28 V.- ; VZ = 18,65 V.- : VBE = 0,65 V.- : =120.-: RL =20 .-: R =470 .-

DESARROLLO :

REGULADOR DE TENSIÓN SERIE REALIMENTADO.-

Una fuente de tensión regulada , utiliza normalmente un circuito automático de

control, que detecta , prácticamente de un modo instantáneo las variaciones de

tensión y las corrige automáticamente .-

En general un sistema de control requiere de las siguientes etapas :

1.- ETAPA DE REFERENCIA :

Para determinar si una magnitud ha variado se precisa de una referencia , que

deberá ser lo más estable posible .- ( batería , diodo zener.).-

2.- ETAPA DE MUESTREO :

Su misión es detectar las variaciones de tensión que se producen en la salida .-

( divisor de tensión.- ).-

3.- ETAPA COMPARADORA:

Su finalidad es comparar , en todo momento , las tensiones de referencia con

las de muestra , que pretendemos controlar.-

( amplificador operacional , amplificador diferencial.-).-

4.- ETAPA AMPLIFICADORA DE ERROR :

La tensión de error que no es más que la diferencia entre la muestra y la

referencia , puede presentar un nivel de tensión pequeño que no sea capas de

accionar la etapa de control.-

En este caso se debe de amplificar.- ( amplificador transistorizado.- )

5.- ETAPA DE CONTROL :

Como su nombre lo indica controla las variaciones de tensión , contrarresta las

variaciones producidas en la salida .- ( transistor en zona lineal .- ).-

Asume las variaciones de tensión producidas por efecto de la carga o por

efecto de la línea o red.-

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO :

Una fracción de la tensión de salida % Vo , es comparada con la tensión de

referencia Vr.-

si la tensión de muestra Vm es igual a la tensión de referencia Vr la etapa de

control no actúa.-

Si la tensión de muestra Vm es menor que la tensión de referencia Vr , el

elemento de control debe reducir su caída de tensión en sus extremos.-

Si la tensión de muestra Vm es mayor que la tensión de referencia Vr , la caida

de tensión en el elemento de control ha de aumentar .-

CIRCUITO EN BLOQUE DEL REGULADOR DE TENSIÓN

REALIMENTADO.-

ETAPA DE MUESTRA :

La etapa de muestra , suele ser por lo general un simple divisor de tensión

Resistivo , con un pequeño ajuste , conectado en la salida de la fuente .-

Se ha de procurar que la corriente que consume esta etapa sea mucho menor

que la consumida por la carga, con el fin de que la tensión de muestra Vm sea

proporcional a Vo.-

CIRCITO DE MUESTRA.-

Por tanto la tensión de muestra se encuentra determinada por :

( 1 -  ) x P +R2

Vm = ------------------ x Vo

R1 + P + R2

ETAPA DE REFERENCIA :

La etapa de referencia proporciona una tensión constante Vr para un amplio

margen de corriente .-

Por lo general, esta etapa se encuentra compuesta por un diodo Zener ,

conectado al comparador de tensión y alimentado por un divisor resistivo.-

CIRCUITO DE REFERENCIA .-

Dentro del circuito de referencia , ha de procurarse que I2 >> Ic.-

Las variaciones de tensión de salida , afectan a la tensión de referencia de la

siguiente forma :

Vo = I2 x R2 + Vr.-

 Vo =  I2 x R2 +  Vr .-

Pero :  Vr " rz x I2.-

Reemplazando se tiene :

 Vr rz

------ = ---------- .-

 Vo rz + R2

Por tanto es conveniente , que la resistencia del Zener ( rz) sea lo más

pequeña posible , es decir que rz = 0 lo cual implica que Vr = Vz

independiente de Iz.

ETAPA COMPARADORA :

La señal de salida en la etapa comparadora , ha de ser proporcional a la

discrepancia entre la tensión de la etapa de muestra Vm , y la tensión de la

etapa de referencia Vr.-

CIRCUITO COMPARADOR .-

Para el circuito de la figura , si la tensión de salida Vo aumenta , también

aumenta la tensión VBE, lo que implica que la corriente de colector IC será

mayor.-

Por tanto la tensión de salida estará dada por :