PROYECTO DE LABORATORIO No 1.Fuentes de tensión reguladas con diodo Zener.

Julián Cifuentes, Verónica Jiménez, Paula Andrea Osorio.Universidad Autónoma de Occidente, Facultad de Ingeniería.

Santiago de Cali, Colombia.ju.est.18@hotmail.com

verojigor95_@hotmail.compau-osorio@hotmail.com

Resumen – En el presente laboratorio se realiza con la finalidad de diseñar, simular e implementar fuentes de tensión con diodo Zener y su función como regulador en circuitos con configuraciones de: Media onda, onda completa con tap central (dos diodos) y por último de onda completa en puente (cuatro diodos), en donde se usará una fuente de alimentación que en este caso es un transformador. Para su realización se llevaron a cabo los cálculos pertinentes para cada uno de las configuraciones y las simulaciones fueron realizadas a través del software “Pspice”.

INTRODUCCION

Al analizar una configuración regulada por diodo Zener, es necesario conocer el elemento en sus principales características técnicas dado que a partir de éste se deriva la óptima regulación de la tensión y el correcto funcionamiento del circuito planteado.

La función del diodo Zener es ser un regulador, por esto se presenta garantizando que el voltaje de salida de una fuente permanezca ligera o completamente constante, dicho voltaje de salida depende del voltaje máximo y mínimo que acepte dicho componente, es por ello que para ésta práctica de laboratorio es indispensable su uso ya que la señal que recibe el circuito es AC (Corriente Alterna) y debido a que con un rectificado y un filtrado no es suficiente para obtener una señal DC, es necesario realizar una regulación posterior al filtrado para que la tensión de salida sea casi constante y el porcentaje de rizado sea mucho menor (a menor nivel de rizado menor disminución de nivel DC) el ideal sería que el porcentaje de rizado tendiera a cero, de tal forma que:VDC= VPRECT, es por esto que se recurre al diodo Zener que tienen la característica de trabajar en polarización inversa, donde su corriente tiende a aumentar manteniendo un voltaje casi constante el cual será la tensión de ruptura o voltaje del Zener, protegiendo al circuito de cualquier cambio de voltaje proveniente de la fuente de alimentación.

REQUERIMIENTOS

Para diseñar, simular e implementar las fuentes de tensión reguladas con diodo Zener, para un circuito rectificador de media onda, un circuito rectificador de onda completa con tap central (dos diodos) y un circuito rectificador de onda completa en puente de diodos (cuatro diodos), en los cuales se debe alimentar una carga que consume una potencia variable entre 0,5 W y 0,8 W, a 5 VDC, a partir de la

tensión de la red eléctrica (120 V~, 60 Hz). Teniendo en cuenta que en cada uno de los casos el factor de rizado se limita al 10% y se conecta un diodo LED para que indique la presencia de tensión regulada a la salida del circuito.Los elementos electrónicos utilizados para realizar la implementación fueron:Diodos rectificadores: D1N4007Capacitores (filtros). Diodos zener (reguladores): D1N4733A a 5,1V.Diodo LED: amarillo o blanco a 20mA.Resistencias de carga.

MARCO TEÓRICO

El diodo Zener se usa principalmente en aplicaciones de regulación de voltaje, esto es posible ya que su voltaje de ruptura es casi constante y si la fuente de tensión aumenta o disminuye, el diodo regula la tensión de entrada (dependiendo de las características técnicas investigadas previamente al diodo) y se estabiliza tratando de mantener un valor constante. Es muy importante tener presente el punto límite de funcionamiento del diodo cuando se diseña éste tipo de configuraciones, dado que las condiciones de funcionamiento del diodo deben permanecer en la zona de ruptura. La máxima corriente que puede conducir el diodo depende de:

.Este tipo de diodo se usa como elemento de protección, como circuito recortador o como regulador de voltaje dependiendo de la configuración del circuito en el que se establezca. Se dice que un voltaje no es regulado porque disminuye cuando el circuito conectado a él consume más corriente. Un voltaje regulado mantiene su valor constante aunque aumente o disminuya el consumo de corriente. Una de las muchas formas de regular un voltaje es con un diodo Zener. La condición es a través de una configuración establecida como se indica en la Figura 1, la cual será la que se aplicará junto con otros elementos en el transcurso de la práctica.  

Figura 1. Configuración circuito diodo Zener como regulador de voltaje. [1]

Aunque claramente el diodo Zener, como se evidencia en la Figura 1, va ubicado en inversa, ésta es una característica importante del diodo Zener, ya que en inversa tiene mayor resistencia de tensión, en ésta zona el diodo soporta su región de ruptura así cuando la tensión de fuente pasa por el diodo se nivela a la máxima del diodo Zener.

Figura 2. Curva característica de un diodo Zener. [2].

Donde los circuitos diseñados para este laboratorio se ubicaran las distintas aplicaciones de diodos rectificadores, el filtro, regulador, diodo led para indicar la presencia de tensión regulada a la salida del circuito y finalmente a la carga. Se debe tener presente que el diodo Led debe estar conectado en serie a una resistencia para que posteriormente a los cálculos teóricos, ésta limite la corriente que atraviesa al diodo Led para que no sobrepase la corriente que el mismo acepta.

Con respecto al diodo led, a diferencia de las otras clases de diodos éste emite luz cuando está polarizado en directo, esto es debido a que al ser excitada con una carga eléctrica proporciona una intensidad de luz. Tanto la capacidad lumínica como el voltaje de funcionamiento y longitud de onda dependen del tipo de material y composición química con que se haya realizado el diodo.

Se estableció que la configuración se realizaría con un regulador de tensión, como se ha mencionado anteriormente y el circuito general se aproxima al indicado en la Figura 3,

Figura 3. Configuración de un circuito conformado por un regulador de tensión. [3]

Ahora, analizando éste regulador de tensión, se puede configurar en vacío (sin carga) como se evidencia en la Figura 4, donde RL es la carga incluida en la configuración y con un regulador de tensión con carga. A partir del regulador de tensión sin carga Vs estará entre un mínimo y

un máximo, y el regulador tiene que funcionar bien entre esos 2 valores (VsMáx y VsMín).En este caso Vs lo pondremos como una pila variable.

Figura 4. Configuración de un circuito conformado por un regulador de tensión sin carga. [3]

En la Figura 4, a diferencia de la 5, no se indica un Iz y Vz, en nuestro circuito irá ubicado un diodo Zener en paralelo a una resistencia en serie a un diodo led y el RL, será la resistencia de carga.

Figura 5. Configuración de un circuito conformado por un regulador de tensión con carga. [3]

Para este laboratorio la Fuente de tensión regulada por diodo Zener está compuesta por cinco bloques: transformador de entrada, diodos rectificadores, filtro, circuito regulador Zener de salida y diodo LED, aparte de la configuración de regulador de tensión con o sin carga. Esto se evidencia en la Figura 6.

Figura 6. Diagrama de bloques de una fuente de tensión regulada por diodo Zener

DESARROLLO DE CONTENIDO

El análisis teórico realizado para las tres diferentes configuraciones de diodos rectificadores planteadas, se realizó a partir de las siguientes indicaciones donde se plantean las ecuaciones usadas para cada proceso.

Con la relación del transformador planteada para cada configuración y la tensión en el arrollamiento primario, se calcula la tensión en el secundario del transformador.

V s=N 2

N1

V pr

La tensión pico del secundario se obtiene así, en el caso de Tap central, es dividido entre 2:

V p=12 V RMS∗√2Con esta tensión pico es posible determinar la tensión pico rectificada.

V prect=V p−VdiodosDe acuerdo a las especificaciones dadas, el porcentaje de rizado es del 10%.

%r=10 %Con este porcentaje de rizado se calcula la tensión de rizado pico a pico.

V rpp=V prect∗%r

(1+ %r2

)

El nivel de tensión directa entregada por el rectificador y el filtro es:

V DC=V p rect−V rpp

2De este modo la tensión que entra al circuito regulador es:

V R=V dc−V Z

Con la potencia máxima y mínima PR, indicada como requerimientos y el voltaje de salida V se calcula la resistencia R que protege el circuito regulador. En donde se obtiene un rango en donde estará la resistencia R, se busca un valor medio en dicho intervalo.

RL=V Z

PR

Y la corriente se determina sin carga y posteriormente con carga, obteniendo la corriente total.Sin carga:

I S=I z

Con carga:I S=I z+ Iled+ I L

Aquí mismo se calcula la R s, que es la componente del regulador de tensión:

R s=∆ VI s

=V DC−V Z

I s

Para calcular el valor del condensador que nos proporcione un rizado del 10% se hizo:

C=V prect

f ∗V rpp

Para determinar las condiciones en la parte de la carga, específicamente en el diodo Led, se usan las caracterísitcas específicas dependiendo del Led a usar:

RLed=V Led

I Led

Teniendo ésta base teórica, se procede a realizar el cálculo para cada una de las configuraciones de circuito.

Configuración Media Onda, Onda Completa - Tap Central, Onda Completa - Puente:

Variable MEDIAONDA

ONDACOMPLETA– Tap Central

ONDACOMPLETA

- PuenteRelaciónTransfor-

mador

10:1 5:1 10:1

Frecuencia 60 HZ 120 HZ 120 HZ

V s 12 V RMS 24 V RMS 12 V RMS

V p 16.97 V 16. 9 7V 16. 9 7VV prect 16.27 V 16.27 V 15.57 V%r 10 % 10 % 10 %V rpp 1.55V 1.55V 1.48 VV DC 15.495 V 15.495 V 14.82 VV R 10.3 95 V 10.35V 9.72 V

Rango RL (50Ω, 31.2

Ω ¿(50Ω, 31.2Ω ¿ (50Ω, 31.2

Ω ¿RL 40 Ω 40 Ω 40 Ω

Sin carga:I S

49 mA 49 mA 49 mA

Con carga:

I S

196 mA 196 mA 194 mA

RS 53.02 Ω 54 Ω 50.14 ΩC 2107.5 μf 1043 μf 1092 μf

Led Blanco Blanco Amarillo

RLed 140 Ω 140 Ω 140 ΩTabla 1. Base teórica completa de cálculos para la realización de simulaciones y montajes posteriores.

Teniendo éstos resultados se procede a realizar las simulaciones pertinentes para cada configuración, para realizar un informe detallado del proceso para la obtención de los datos se anexará el avance en cuanto a proceso, simulación y medición se refiere. (VERIFICABLE EN ANEXOS)

Las tres configuraciones realizadas en el presente laboratorio posterior al análisis y determinación de valores teóricos dichos anteriormente, se procede a hacer el montaje con valores aproximados a los hallados teóricamente.

Imagen 1. Montaje de configuración media onda con valores aproximados a los teóricos, los cuales mantienen el

voltaje de salida a 5 V DC

Imagen 2. Montaje final en plaqueta PCB, de la configuración de media onda.

Imagen 3. Montaje con valores aproximados a los teóricos, los cuales mantienen el voltaje de salida a 5 V DC , para la

configuración de onda completa con tap central.

Imagen 4. Montaje con valores aproximados a los teóricos, los cuales mantienen el voltaje de salida a 5 V DC , para una

configuración de onda completa con puente rectificador.

Junto a los valores calculados, simulados y obtenidos mediante la práctica, se procede a realizar un grupo de tablas comparativas entre los resultados obtenidos para cada configuración.

Media OndaCorriente teórico(mA)

Voltaje teórico

(V)

CorrientePráctico

(mA)

Voltaje práctico

(V)Diodo Zener 49 5,1 37,5 4,93Resistencia 127 5,1 103,4 4,92

Condensado 196 15,495 158,6 15,14Diodo Led 20 2,8-4,0 16,9 3,09

Tabla 2. Comparación valores teóricos con prácticos para rectificación de media onda.

Onda Completa – Tap CentralCorriente teórico(mA)

Voltaje teorico

(V)

CorrientePráctico

(mA)

Voltaje práctico

(V)Diodo Zener 49 5,1 35,4 4,99Resistencia 125 5,1 102,2 4,94Condensado 194 15,495 155,7 14,46Diodo Led 20 2,8-4,0 18,1 2,95

Tabla 3. Comparación valores teóricos con prácticos para rectificación de onda completa con tap central.

Onda Completa – PuenteCorriente teórico(mA)

Voltaje teórico

(V)

CorrientePráctico

(mA)

Voltaje práctico

(V)Diodo Zener 49 5,11 16,6 5,0Resistencia 125 5,11 95,8 5,0Condensado 194 14.82 132,8 13,45

Diodo Led 20 1,8–2,4 22,9 2,00Tabla 4. Comparación valores teóricos con los prácticos para la rectificación de onda completa con puente de diodos.

En las tablas donde se recolectaron los datos de voltaje y corriente para el condensador, diodo Zener, resistencia de carga y diodo led. Se encontró un grado de exactitud bastante considerable, sin embargo, se presenta rango de error entre lo teórico y lo práctico.

Las probables causas de error con respecto a esto se deben a la variabilidad de la corriente de entrada por ejemplo que se plantean 12 VRMS, cuando en realidad entra un voltaje mayor o menor a eso, así como también el hecho de que no hay condensadores que tengan el valor exacto al hallado a través de los cálculos; y acerca de las resistencias, se pretendió poner las más cercanas a las indicadas teóricamente sin embargo, las resistencias tienen también un valor teórico y otro experimental.

Con la finalidad de corroborar que los requerimientos planteados inicialmente se cumplan, se realizan tablas de comprobación para los datos obtenidos en la carga RL

Rectificador de media onda

Calculados ExperimentalesI L 127mA 103,4 mAV L 5,1 V 5,13 VPL 0,6477 W 0,53 W

Tabla 5. Relación de datos obtenidos en la carga para configuración de media onda.

Rectificador de ondacompleta con tap central

Calculados ExperimentalesI L 125 mA 102,2 mAV L 5,1 V 4,91 VPL 0,6375 W 0,5018 W

Tabla 6. Relación de datos obtenidos en la carga para configuración de onda completa-tap central.

Rectificador de ondacompleta con puente

Calculados ExperimentalesI L 125 mA 98,5 mAV L 5,1 V 5,00 VPL 0,6375 W 0,4925 W

Tabla 7. Relación de datos obtenidos en la carga para configuración de onda completa-puente.

En las tablas 5, 6, 7 donde se recolectaron los datos de voltaje, corriente y potencia de salida en la carga para cada una de las tres configuraciones se pudo evidenciar que, el voltaje se mantuvo dentro del rango de error indicado anteriormente, la corriente tuvo pequeñas alteraciones lo cual se debe al cambio de las resistencias y adaptación del circuito a valores comerciales de los componentes del mismo. En la potencia, los valores calculados se mantuvieron dentro del rango establecido dentro de los requerimientos, así como también los experimentales, tanto así que ninguno fue menor a los 0,5 W definidos.

En las fuentes de tensión reguladas existen dos capacidades que es importante cumplir a la hora de diseñar.

1. Regulación de línea: es la capacidad que tiene una fuente reguladora de mantener la misma salida de tensión sin importar el valor de tensión que le esté entrando al circuito.2. Regulación de carga: es la capacidad que tiene una fuente reguladora de mantener la misma salida de tensión sin importar el valor de la corriente que este entrando al circuito, es decir no importa si esta tenga carga o no.

Estos factores son importantes ya que la eficiencia de la fuente depende de que pueda cumplir los requerimientos sin importar los agentes externos a esta. A través de las simulaciones para cada una de las configuraciones, se observó de manera muy sencilla y entendible el funcionamiento de los diodos rectificadores, y la correcta comprobación de los datos calculados y se pudo realizar una comparación entre los calculados, simulados y medidos.

CONCLUSIONES.

Se logró verificar que el diodo Zener permite regular la tensión de entrada de una fuente de alimentación, manteniendo casi constante la tensión de salida e igualándola a la tensión máxima del diodo Zener. Para cada configuración es necesario el cálculo de la resistencia y condensador adecuado.

Las configuraciones de fuentes de tensión reguladas, son circuitos muy utilizados y de gran importancia dado que permiten convertir un voltaje sinusoidal alterno en una salida continua, gran parte de dispositivos electrónicos necesitan un circuito que genera una señal DC para su correcto funcionamiento.

Es de primordial importancia, antes de usar un diodo Zener, conocer sus especificaciones técnicas, ya que la capacidad de regulación del mismo depende de la corriente máxima que pueda soportar antes de la ruptura, además de claramente el voltaje que regula.

En las fuentes de tensión con rectificador de onda completa los valores de las capacitancias son más pequeños ya que el tiempo de descarga es mucho menor. Esto debido a que la frecuencia es mayor que el de media onda.

Las resistencias tienen un valor teórico que es identificado a través del código de colores y otro valor experimental, esto fue una evidente causa de error ya que los conductores, conexiones y demás elementos eléctricos presentan una impedancia interna la cual no se tuvo en cuenta en los cálculos teóricos. Aunque se procuró usar los valores más cercanos en los disponibles comercialmente

Es indispensable el conocimiento previo al manejo de instrumentos de medición como lo son el multímetro u osciloscopio puesto que una medición incorrecta o una errónea lectura de datos causa errores aún más grandes en los datos obtenidos. Además, a manera de recomendación, al usar el osciloscopio no se debe conectar el circuito al Variac si se pretende medir y/o analizar las gráficas en el osciloscopio, dado que se presentan un neutro y una tierra, generando alteración en el circuito y es muy probable que los diodos se quemen.

Se pudo observar que el rectificador de onda completa con puente tiene la señal continua ligeramente más satisfactoria en comparación con las otras dos configuraciones, esto se debe a que, aunque cumplían con un mismo porcentaje de rizado, el voltaje de rizo pico a pico es menor en el puente rectificador.

En las imágenes de los anexos, las arrojadas por Pspice en la simulación con datos experimentales al compararlas con las mostradas por el osciloscopio en la medición, se puede evidenciar el mismo comportamiento con respecto al tiempo. La diferencia es que en la simulación se evidencia el Vrpp con mayor claridad ya que la escala de mV es mucho menor.

REFERENCIAS

[1] Ricardo Ramírez Heredia, “Electrónica Básica: Capítulo 3: Diodos Y Circuitos Rectificadores” Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia, Bogota D.C.Fecha de consulta: 16 de marzo de 2014. Disponible en:http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001771/html/cap03/03_06_01.html

[2] Universidad de Guadalajara, Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías, “5.5. – DISPOSITIVOS”Fecha de consulta: 16 de marzo de 2014. Disponible en:http://proton.ucting.udg.mx/materias/tecnologia/Dispositivos.htm [3] Andrés Aranzabal Olea, “El Regulador Zener”. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial, Avda.Otaola, 29

20.600 - EIBAR. España. Última modificación: 09-Nov-2004 11:52. Fecha de consulta: 16 de marzo de 2014. Disponible en:http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema5/Paginas/Pagina2.htm

[4] Malony, Timothy J. “Electrónica industrial moderna” 5ta edición, México. PEARSON EDUCACIÓN 2006..

ANEXO 1:

Descripción progresiva de los datos obtenidos en la práctica para la configuración de media onda.

Imagen 5. Simulación con valores teóricos indicados en la Tabla 1, para la configuración de media onda.

Imagen 6. Simulación con valores experimentales aproximados luego de corroborar que mantienen un voltaje de salida a 5 V DC , con

un rango de error permitido entre (4.99 V DC−5 V .2DC ¿, para configuración media onda.

Imagen 7. Simulación en Pspice Onda de zener y rizado de rectificador, para simulación con los valores prácticos indicada en la Imagen 6 para configuración de media onda.

Imagen 8. Gráfica arrojada por el osciloscopio en la etapa de medición para la configuración de media onda, se puede determinar que es la correcta ya que indica una frecuencia de 60.1 Hz, lo cual es bastante cercano al establecido teóricamente.

ANEXO 2:Descripción progresiva de los datos obtenidos en la práctica para la configuración de onda completa con tap central.

Imagen 9. Simulación con valores teóricos indicados en la Tabla 1, para la configuración de onda completa con tap central.

Imagen 10. Simulación con valores experimentales aproximados luego de corroborar que mantienen un voltaje de salida a 5 V DC ,

con un rango de error permitido entre (4.99 V DC−5 V .2DC ¿, para una configuración de onda completa con tap central.

Imagen 11. Simulación en Pspice Onda de zener y rizado de rectificador, para simulación indicada en la Imagen 10 para configuración de onda completa, tap central.

Imagen 12. Gráfica arrojada por el osciloscopio en la etapa de medición, se verifica que es la de la configuración de tap central ya que la regulación es ésta es menor constante en comparación con el puente rectificador, además que indica frecuencia de 117.3 Hz,

cercano a lo teórico.ANEXO 3:

Descripción progresiva de los datos obtenidos en la práctica para la configuración de onda completa con puente rectificador.

Imagen 13. Simulación con valores teóricos indicados en la Tabla 1, para la configuración de onda completa con puente rectificador.

Imagen 14. Simulación con valores experimentales aproximados luego de corroborar que mantienen un voltaje de salida a 5 V DC ,

con un rango de error permitido entre (4.99 V DC−5 V .2DC ¿, para una configuración de onda completa con puente rectificador.

Imagen 15. Simulación en Pspice Onda de zener y rizado de rectificador, para simulación indicada en la Imagen 14 para configuración de onda completa con puente rectificador.

Imagen 16. Gráfica arrojada por el osciloscopio en la etapa de medición, se corrobora que es la de la configuración de puente dado que se mantiene constante porque con ésta configuración se obtiene mejor regulación, además que la frecuencia indica 120.19Hz,

cercano a lo indicado teóricamente.