ELECTRONICA - PROYECTOS

FUENTE CON DIODO ZENER

 Se procederá a diseñar una fuente de alimentación que deberá proporcionar voltaje en cd de 15V independientemente de la corriente que consuma la carga, hasta la corriente máxima de carga de 200mA. La fuente de alimentación deberá ser capaz de operar en los extremos de corriente máxima o de cero corriente de carga, durante un periodo indefinido de tiempo. Como veremos, este requisito impone limitantes en la capacidad de manejo de potencia de los componentes del circuito de la fuente de alimentación.

• ESTRATEGIA DE DISEÑO:

La disposición básica de la fuente de alimentación capaz de cumplir con las especificaciones de diseño aparece en la figura anterior. El circuito esta compuesto por un transformador, un puente rectificador, un capacitor y un regulador zener. Como se muestra en la figura , el voltaje Vc a través del capacitor será un voltaje "en bruto" con un voltaje de rizo de ca variando con el tiempo, superpuesto con sobre un componente promedio de cd. El capacitor se cargará al valor pico Vmax=V2-2Vf después de cada intervalo de recarga, donde el puente rectificador contribuye con una caída total de voltaje de 2Vf. El papel del regulador zener es acondicionar este voltaje de cd en bruto y convertirlo en un voltaje de cd puro, con un valor constante de 15V, sin ningún rizo. Como parte del proceso de diseño, deberá escogerse el valor de C1 de forma que el rizo sea pequeño en comparación con el valor promedio de cd en Vc.

• ESPECIFICACION DE LOS VALORES DE TODOS LOS ELEMENTOS DEL CIRCUITO:

• Diodo Zener

El primer paso en el proceso de diseño es seleccionar el voltaje Vzk del zener. Si el zener ha de llevar a cabo su función de regulador, deberá conservarse en todo tiempo en la región de ruptura inversa. Por tanto, el zener deberá escogerse de forma que Vzk=VL=15V. Esta selección de Vzk ignora la pendiente de la característica v-i del zener, en la región de ruptura inversa, es decir, se supone que en el modelo de segmentos lineales del zener, por lo que VL=Vzk, independientemente del valor de la corriente que pase a través del zener.

• Relación de Vueltas del transformador

El siguiente paso en el proceso de diseño será la elección de la relación n de vueltas para el transformador. Este parámetro determinará el voltaje pico del secundario V2 el que a su vez determinará el voltaje pico Vmax al cual se cargará el capacitor. Aunque existe algo de libertad en la elección de n, deberá ser seleccionado de forma que Vmax sea mayor que Vzk. Para este diseño, escogeremos un Vmax aproximadamente de 24V. Para un voltaje de línea de CA en el primario de 120Vrms, se puede obtener este valor definiendo la relación de vueltas del transformador en 7, lo que da un voltaje secundario de 18Vrms , es decir, un voltaje pico en el secundario Vp=25.5V. El voltaje pico del capacitor al final de cada intervalo de recarga se convierte entonces en

Esta última ecuación supone un valor Vf=0.8 para cada uno de los diodos del puente rectificador.

• Corriente a Través del Zener y el Valor de R1

Si debe conservarse el zener en ruptura inversa, la corriente I2 del zener deberá ser siempre diferente de cero, bajo toda condición de carga. La elección de I2 mínima depende de las características específicas del zener y es algo arbitraria. En muchos zener es suficiente una corriente inversa mínima, aproximadamente de 1mA, para asegurarse que el diodo opera bien dentro de su región de ruptura inversa.

En la selección de un valor de R1, se requiere primero una expresión para la corriente I1. Con la finalidad de seleccionar R1, el voltaje Vc puede ser considerado como una constante aproximada igual a Vmax. Esta aproximación desprecia en forma temporal el rizo de Vc, que más adelante se verá reducido a un valor pequeño, debido a una selección adecuada de C1. Si Vc=Vmax y si el zener se mantiene en ruptura inversa, entonces I1 se puede expresar como

(2)

Dados los valores anteriormente seleccionados de Vmax y de Vzk, se deberá escoger el resistor R1 de forma que I1 quede en un valor apropiado. Aplicando LCK al nodo A nos da I1=I2+IL. Dado que IL puede ser hasta de 200mA, en consecuencia, I1, debe ser fijado por lo menos en 201mA, si es que la fuente de alimentación ha de cumplir con sus especificaciones de diseño. Con esta elección nos aseguramos de que, bajo condiciones de plena carga (IL=200mA), fluirá un mínimo de 1mA en el zener como corriente de ruptura inversa. Note que I1, como se da en la ecuación 2, será constante, independientemente de la corriente de carga siempre que el zener permanezca en la región de ruptura inversa. Si la carga utilizase menos del máximo de 200mA el resto de I1 fluira en el zener como una corriente adicional de ruptura inversa.

Aplicando la ecuación 2 con Vmax=23.9V, Vzk=15V y una I1 mínima deseable de 201mA, da como resultado un valor tentativo máximo para R1:

Dado que la mayor parte de los resistores discretos están disponibles en ciertos valores estándar con una tolerancia del 5%, deberá escogerse de 47W el valor estándar mas pequeño siguiente, que da una I1 de 222.5mA. Observe que la resistencia real de un resistor estándar de 40W de 5% puede variar entre valores aproximados de 49 y 44 ohmios. Por tanto, I1 realmente podría variar en un rango de 209.91mA y 244.21mA.

• Capacitor C1:

El último componente por seleccionar es el capacitor C1. Su valor deberá ser lo suficientemente grande, para hacer que el voltaje de rizo de Vc sea en verdad despreciable, en comparación con el valor promedio en corriente directa de Vc. Como mínimo, el rizo de Vc debe ser lo suficientemente pequeño para que el zener se conserve en ruptura inversa, incluso al final del intervalo de descarga del capacitor.

Se puede estimar el rizo del voltaje del capacitor suponiendo constante a I1 incluso cuando Vc contenga este voltaje de rizo. Para una I1 constante, la descarga de Vc está dad por la ecuación

La duración del intervalo de descarga del capacitor será aproximadamente igual a una mitad del periodo sinusoidal T; de ahí que la magnitud de Vriple puede ser estimada como

(3)

Si el zener debe mantenerse en ruptura inversa, aún cuando el capacitor se haya descargado a su voltaje mínimo, el rizo deberá ser lo suficientemente pequeño para que

(4)

Dado un Vmax de 23.9V la ecuación 4 se convierte en

de la ecuación 3, se deberá escoger por tanto una capacitancia C1 de forma que

(5)

Para asegurarse de que la igualdad 5 es adecuadamente cumplida y para compensar con cualquier variación de tolerancia en R1, la selección de C1 debe proporcionar un amplio margen de seguridad. Una regla práctica, normal en electrónica, es escoger un condensador por lo menos 5 veces mayor que el valor mínimo requerido. Esta elección es obviamente arbitraria --un valor más grande de C1 llevaría a un componente de voltaje de rizo todavía más pequeño que Vc-- pero su uso por los ingenieros esta basado en la experiencia, así como en procedimientos de prueba y error. En este caso un capacitor de 3.3mF daria un Vriple de 0.6V.

• EVALUACION DEL DISEÑO

 

Como paso final en el proceso de diseño, deberá examinarse la potencia disipada en el resistor y en el zener. Bajo las peores condiciones (IL=0 y R1=38W), la corriente que fluye en el zener será igual a 250mA llevando a una potencia disipada en el zener de

 

 

La selección de un zener de 5W dejara un margen de seguridad adecuado.

 

Siempre y cuando el zener se mantenga en la región de ruptura inversa, la potencia disipada en el resistor será constante, independientemente de la corriente de la carga. Esta potencia deberá ser calculada utilizando un R1, en el extremo bajo de su límite de tolerancia con Vmax y Vl supuestamente constantes, el valor más pequeño de R1 dara la máxima disipación de energía del resistor. Para evaluar R1=38W , la energía disipada en el resistor se convierte en

 

 

Para R1 deberá ser suficiente una potencia nominal de 1W.

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