€ 

Abstract—Este informe explica los criterios de diseño tenidos en cuenta para el regulador de voltaje zener el cual consta de 4 etapas: transformación, rectificación de onda, filtro y regulación con diodo Zener. Se exponen los cálculos correspondientes para cada uno de los elementos del circuito y se explican detalladamente la selección de cada elemento y su respectivo valor.

I. INTRODUCCIÓN

Un regulador de voltaje es un circuito electrónico cuya función principal es mantener un voltaje en un circula en un circuito de forma constante. Y para este caso, para cambiar una señal en forma de AC a DC.

Los reguladores usualmente se usan en aparatos que necesitan un voltaje constante independientemente de que potencia consuman. Algunos ejemplos son los computadores, en los alternadores y algunos aparatos encontrados en subestaciones eléctricas.

Para diseñar y construir un regulador de voltaje, se usan diferentes tipo de elemente electrónicos. En el caso de este trabajo, se usó un diseño basados en diodos y resistencias con el fin de aplicar los conocimientos adquiridos en clases. Este tipo de regulador se puede hacer conectado una resistencia en serie a un diodo y éste, dado su comportamiento en la curva característica, la tensión cambia muy poco debido a que a grandes cambios de corriente, hay pequeños cambios de tensión.

Para este trabajo, se diseñó usando solamente diodos rectificadores, resistencias, un capacitor y un diodo Zener, el cual es uno de losreguladores de tensión más simples.

II. DISEÑO

El regulador de voltaje de 5,1 voltios fabricado en este desafío consta de cuatro fases; un transformador el cual es el encargado de bajar el voltaje de entrada de 110 voltios rms a uno de salida de 9 voltios rms, un rectificador de media onda, un filtro y un regulador de voltaje.

El rectificador de media onda consta de un puente de diodos, y está dispuesto de manera que solo dos estén activos mientras que los otros se encuentren inactivos. Cuando la onda de entrada se encuentra en el semiciclo positivo, el diodo D2 y D3 se encuentran en la región directa, mientras que los diodos D1 y D4 se encuentran en inversa.
Así mismo, en el semiciclo negativo, los diodos D2 y D3 se encuentran en inversa, mientras tanto, la corriente fluye por el diodo D4 y luego por D1.

Los diodos elegidos para el rectificador y él filtro son de la referencia 1N4007, cuyo voltaje de umbral es 0,7V. A continuación se mostrará la gráfica característica de región directa de tal diodo.

Por lo tanto, siendo el voltaje de entrada , el voltaje de salida en el rectificador se podrá representar de la siguiente forma
Esto es, suponiendo que la caída de voltaje en ambos diodos es de 0,7 v (método de voltaje constante), lo cual, además de ser una muy buena aproximación, facilita enormemente los cálculos. No obstante es probable que el voltaje sea ligeramente mayor (con un error +/- 0,1V como máximo).

De igual manera se confirmaron los distintosvalores máximos que son permisibles para cada diodo en la hoja de datos del fabricante, tal como la corriente máxima que soporta el diodo en polarización directa, el voltaje de ruptura y la potencia máxima que disipa; y de esta manera verificar si efectivamente es conveniente usar el diodo 1N4007 en rectificador y el filtro.

En primer lugar, el voltaje de ruptura de este diodo es de 1000v pico por lo que no hay ninguna posibilidad de que el diodo llegue a acercarse a tal estado.

Así mismo, la corriente máxima promedio que admite este diodo en la región directa () es de 1A. En este diseño, el diodo no llegará a tal corriente, tal como se puede apreciar en la simulación:







Nota: el voltaje de entrada se colocó como 10Vrms, porque a veces hay un pequeño error del voltaje en el voltaje que muestra el transformador, pues mientras en algunos lugares al medirlo era de 9 Vrms, en los laboratorios del L era de 10 Vrms aproximadamente.


La segunda fase es el filtro, cuyo voltaje de entrada es
El filtro, tal como se mencionó con anterioridad cuenta con un diodo y un capacitor, y su funcionamiento es el siguiente; el capacitor se va cargando hasta que alcanza su valor máximo que es el pico del voltaje de entrada Vo=11,32V menos la caída de tensión que se da en el diodo, que supondremos que es 0,7 voltios, luego el diodo se abre y el condensador se empieza a descargar hasta que el voltaje en este se iguala al voltaje de entrada (). Luego, el voltaje pico deldiodo será Vp=10 ; y para estos cálculos se eligió un voltaje de rizo pico a pico Vr=0,5V, pues se consideró que este era un valor óptimo, de manera que la capacitancia no sea tan alta y asegurar que el voltaje mínimo fuera aproximadamente igual al máximo, y de esta manera poder usar aproximaciones que facilitan los cálculos, además de que mientras menos varíe el voltaje más exactos serán los cálculos finales del regulador de voltaje.
Luego de decidir tales valores se deberá emplear la siguiente ecuación para hallar el valor de la capacitancia necesaria en este ejercicio.



Donde R es la resistencia equivalente entre las terminales del capacitor y la cual se hallará a continuación.

Ahora bien, nos encontraremos con la última sección del circuito; el regulador de voltaje, este consta de una resistencia limitadora y un diodo zener que se encontrará en paralelo con la carga.
El diodo zener elegido fue el 1N4733A, cuyo voltaje zener es de 5,1 V (voltaje que se necesita regular) de 1 watt de potencia, se intentó buscar uno de 0,5 watt, el cual era suficiente para estos cálculos, sin embargo no se encontró el diodo de tal referencia que disipara tal potencia.

El diodo 1N4733A fue elegido por la pequeña resistencia zener que tiene (menores variaciones en el voltaje ante grandes aumentos de corriente), lo que la hace preferida ante otros diodos zener de 5,1 V.
Las características eléctricas del diodo están mostradas a continuación:

Izt
0,049 A
Izk0,001 A
Vz
5,1 V
rz
7Ω

A continuación se procedió con hallar los valores máximos y mínimos de la resistencia limitadora de manera que se cumplan las siguientes condiciones


Así mismo se sabe que



Con estos valores dados ya podemos calcular Rsmax y Rsmin:



A continuación se eligió un valor de una resistencia comercial que estuviera en ese rango de valores
Rs=70Ω
Posteriormente se procedió con calcular la corriente máxima y mínima que circulará en el diodo con tale valor de resistencia limitadora

Para ver que tanto variará el voltaje en el diodo, podemos usar la aproximación del método lineal por secciones. , luego


Luego, podremos suponer que el voltaje del diodo zener se encontrará aproximadamente entre estos valores.

Ahora que ya tenemos los respectivos valores de las corrientes máximas y mínimos, se procederá con evaluar el valor mínimo de la resistencia de carga, de manera que su corriente máxima en ella sea 60mA.

Se aproximó 81,05Ω a 82Ω de manera que se utilizara el valor de una resistencia comercial.

Ahora que ya se tienen los cálculos del regulador de voltaje se procederá con calcular la resistencia equivalente entre los bornes el condensador; se tiene lo siguiente

Mientras más grande sea la resistencia de carga, menor será el efecto que provocará en el paralelo con la resistencia del diodo zener. De manera que se usará el valor de , para averiguar qué sucederá en tal extremo.

Tendríamos luego que la resistenciaequivalente estará dada por

Que es aproximadamente igual a 77Ω, por lo que se puede concluir, que al ser la resistencia del diodo tan pequeña, el efecto que produce la resistencia de carga es insignificante.

Por lo tanto



No obstante, tal capacitancia no se encontró en el mercado, por lo que se utilizó una capacitancia cercana de 2,2mF.

III. Mediciones del montaje

Después de realizar el montaje, se realizaron las respectivas mediciones de las corrientes y voltajes en el regulador y estos fueron los resultados.




 
Práctico
Teórico
Error (%)
Izmax
0,08
0,076
5,26
Izmin
0,02
0,015
33,33
Ilmax
0,057
0,06
5
Vzmin
4,98
4,8
3,75
Vzmax
5,19
5,23
0,76
Vz 1k
4,98
 
 
Vz 10 k
5,2
 
 

Tal como se puede apreciar, la diferencia entre los valores teóricos y prácticos es muy pequeña, lo que lleva a pensar que los cálculos pertinentes al diseño del regulador fueron realizados de manera correcta.
Cabe anotar, que el error grande que aparece en Izmin, es probable que sea causado por que el multímetro con el que se midió tal corriente no es completamente exacto.

Así mismo, se procedió con realizar la simulación del circuito, y medir los valores de voltaje y corriente que arroja el circuito para resistencias de carga de 82Ω, 1kΩ y 10kΩ.








Nota: Es necesario el uso del zoom para poder observar claramente el resultado de la simulación

La simulación arroja valores ligeramente diferentes a los observados en lapráctica, así mismo, se puede apreciar que en tal simulación el voltaje en la carga no varía de la misma manera que en los resultados prácticos y teóricos. No obstante, hay que tener en cuenta, que el simulador es un software que actúa bajo unos supuestos, y las características del diodo están dados por el programa por lo que puede que su resultado, a pesar de que presente una aproximación muy cercana a la real, no sean una copia exacta de lo que sucede en la realidad.

Y por último se procedió con la medición de las señales de salida en cada una de las fases del regulador, cuando se le colocaba la resistencia de carga mínima.

Voltaje de salida del rectificador


Voltaje de salida del filtro


Voltaje de salida del regulador de voltaje



Es muy probable que el voltaje en los diodos sea mayor que 0,7V por lo cual, los valores máximos y mínimos calculados difirieren ligeramente de los resultados prácticos.

IV. Conclusión

Las características de un diodo dependen del material semiconductor del cual está hecho el diodo, del tipo y grado de “contaminación” de dicho material y de la construcción física y dimensiones del dispositivo. El diodo Zener usado para este desafío cuyas características especiales de corriente y tensión en polarización inversa son perfectas para usar como regulador de voltaje; su función es mantener una tensión constante en la carga, dentro de los límites requeridos, cuando cambie ya sea el suministro de CD o la resistencia decarga y , por ende, la corriente.

El regulador en su totalidad se compone de 4 etapas

*Transformación: Se compone del trasformador q para este regulador tubo la función de disminuir la tensión de entrada de 120 Vrms a 9Vrms que eran necesarios para las especificaciones del diseño.

*Rectificación de onda: En esta etapa el rectificador en puente de onda completa utiliza cuatro diodos rectificadores quienes conducen de forma alternada; la salida del rectificador es una CD pulsante.

*Filtro: Esta etapa es usada para suavizar la salida del CD pulsante de los rectificadores

*Regulación con diodo Zener: Dependerá netamente del valor nominal del diodo zener.

Fue necesario para optimalizar el regulador localizar posibles fallas; para esto es necesario conocer el desempeño del circuito para determinar si el funcionamiento era correcto, el procedimiento principal q se uso fue el seguimiento de señales en el que se analizaba la señal de entrada y se probaban diversos puntos del circuito hasta determinar si existía o no un posible problema, las áreas donde se presentaban los problemas se reducían a la porción entre la última edición correcta o esperada y la primera incorrecta, o a un componente conectado con el punto donde se obtuvo la primera medición incorrecta., con el adecuado análisis se localiza el área que presenta el problema real o la componente defectuosa; se realizaran pruebas finales para determinar nuevamente el funcionamiento correcto del circuito.