electrotecnia 2

1.
Universidad de Nariño
Universidad de Nariño
Ingeniería Electrónica
Ingeniería Electrónica
Electrónica I
Electrónica I
Fuente Regulada con diodo Zener
Fuente Regulada con diodo Zener
La red eléctrica en Colombia tiene un voltaje común de 110 V, a 60 Hz de frecuencia; cada aparato
La red eléctrica en Colombia tiene un voltaje común de 110 V, a 60 Hz de frecuencia; cada aparato
electrónico que se posee es enchufado a un voltaje de utilización cercano, sin embargo no todos los
electrónico que se posee es enchufado a un voltaje de utilización cercano, sin embargo no todos los
componentes internos del sistema manejan dicho voltaje, algunos usan voltajes mucho menores
componentes internos del sistema manejan dicho voltaje, algunos usan voltajes mucho menores
que si son expuestos a uno mayor se dañarían fácilmente. La red eléctrica en realidad trabaja con
que si son expuestos a uno mayor se dañarían fácilmente. La red eléctrica en realidad trabaja con
corriente alterna (fig.1) y
corriente alterna (fig.1) y los aparatos y sus componentes (la m
los aparatos y sus componentes (la mayoría) con corriente continua (fig.2)
ayoría) con corriente continua (fig.2)
por lo que es necesario una Fuente de Alimentación que transforme la corriente alterna en una
por lo que es necesario una Fuente de Alimentación que transforme la corriente alterna en una
continua o regulada a valores específicos.
continua o regulada a valores específicos.
Aunque la mayoría de dispositivos utilizan corriente continua (c
Aunque la mayoría de dispositivos utilizan corriente continua (c.c) y no alterna (c.a),
.c) y no alterna (c.a), casi ninguno de
casi ninguno de
ellos soporta el voltaje total que brinda la red e
ellos soporta el voltaje total que brinda la red eléctrica por lo que, además de t
léctrica por lo que, además de transformar la fuente
ransformar la fuente
de c.a a c.c, también se debe disminuir el valor de voltaje haciéndolo cercano al requerido. En el
de c.a a c.c, también se debe disminuir el valor de voltaje haciéndolo cercano al requerido. En el
presente caso, una Fuente Regulada, se usará el siguiente diagrama (fig.3) como base para la
presente caso, una Fuente Regulada, se usará el siguiente diagrama (fig.3) como base para la
creación de la fuente necesaria para
creación de la fuente necesaria para brindar un voltaje específico que identificaremos después.
brindar un voltaje específico que identificaremos después.
A.
A.
Transforma
Transformador de
dor de entrada:
entrada:
Siendo necesario reducir la tensión a
Siendo necesario reducir la tensión a una que sea adecuada para
una que sea adecuada para
los dispositivos, se usa un transformador (transformador, fig. 4)
los dispositivos, se usa un transformador (transformador, fig. 4)
que reducirá el voltaje a uno de salida mucho menor, sin
que reducirá el voltaje a uno de salida mucho menor, sin
embargo este proceso mantendrá la corriente alterna, por lo que
embargo este proceso mantendrá la corriente alterna, por lo que
sólo se reducirá la amplitud de la onda, más sus características
sólo se reducirá la amplitud de la onda, más sus características
de potencia seguirán intactas. El transformador, gracias a la
de potencia seguirán intactas. El transformador, gracias a la
inducción eléctrica, convertirte la energía eléctrica alterna de
inducción eléctrica, convertirte la energía eléctrica alterna de
entrada Vp en una de c
entrada Vp en una de cierto nivel de tensión menor Vs.
ierto nivel de tensión menor Vs.
Fig.1
Fig.1
Fig.2
Fig.2
Fig.3
Fig.3
Fig.4
Fig.4

2.
B.
B.
Rectificador con diodos:
Rectificador con diodos:
Por el transformador se consigue un voltaje menor al de la red
Por el transformador se consigue un voltaje menor al de la red
eléctrica, ahora es necesario conseguir que sea c.c. La corriente
eléctrica, ahora es necesario conseguir que sea c.c. La corriente
alterna tiene características tanto positivas como negativas,
alterna tiene características tanto positivas como negativas,
muy contrario a una corriente continua que solo posee
muy contrario a una corriente continua que solo posee positivas
positivas
(o negativas si es necesario), es decir, se mantiene constante en
(o negativas si es necesario), es decir, se mantiene constante en
un valor fijo de voltaje.
un valor fijo de voltaje.
El diodo permite el paso de corriente en un único sentido, se
El diodo permite el paso de corriente en un único sentido, se
dará uso a uno de estos dispositivos para rectificar la red alterna a valores netamente
dará uso a uno de estos dispositivos para rectificar la red alterna a valores netamente
positivos. Se usa un circuito de media onda con el que será posible observar las
positivos. Se usa un circuito de media onda con el que será posible observar las
características del voltaje de salida (fig.5).
características del voltaje de salida (fig.5).
Aunque se logra que la corriente sea solamente
Aunque se logra que la corriente sea solamente
positiva, el esquema miestra que para valores
positiva, el esquema miestra que para valores
negativos del voltaje alterno, el
negativos del voltaje alterno, el votaje de salida (Vs)
votaje de salida (Vs)
es cero. Si por el contrario, polarizamos el diodo de
es cero. Si por el contrario, polarizamos el diodo de
forma inversa obtendremos un Vs inverso, donde
forma inversa obtendremos un Vs inverso, donde
en valores positivos vale cero y en negativos se
en valores positivos vale cero y en negativos se
genera la onada.
genera la onada.
Sin más divagaciones, usamos un rectificador
Sin más divagaciones, usamos un rectificador
de onda completa, o puente de diodos, que
de onda completa, o puente de diodos, que
permite que Vs sea completamente positiva
permite que Vs sea completamente positiva
(fig.6). Esto se debe a que cada que la corriente
(fig.6). Esto se debe a que cada que la corriente
circula, dos de los diodos serán inversos y dos
circula, dos de los diodos serán inversos y dos
directos, permitiendo que la onda sea pulsante
directos, permitiendo que la onda sea pulsante
en valores positivos.
en valores positivos.
C.
C.
Filtro:
Filtro:
Dado que aún la onda no es constante, si no que varia
Dado que aún la onda no es constante, si no que varia
entra valores de cero a el voltaje obtenido, se debe
entra valores de cero a el voltaje obtenido, se debe
buscar la forma de hacer que la onda sea cada vez más
buscar la forma de hacer que la onda sea cada vez más
plana. Para eso se hace un filtro de
plana. Para eso se hace un filtro de la onda mediante un
la onda mediante un
condensador. Se tiene un condensador en paralelo con
condensador. Se tiene un condensador en paralelo con
una resistencia, alimentados por una corriente alterna.
una resistencia, alimentados por una corriente alterna.
Fig.5
Fig.5
Fig.6
Fig.6

3.
En el instante inicial el condensador está descargado y la tensión de alimentación lo carga.
En el instante inicial el condensador está descargado y la tensión de alimentación lo carga.
Al cabo de un tiempo el condensador estará completamente cargado. Sin embargo, el
Al cabo de un tiempo el condensador estará completamente cargado. Sin embargo, el
condensador comenzará a descargarse por la resistencia de carga RL, pero casi nada más
condensador comenzará a descargarse por la resistencia de carga RL, pero casi nada más
empezar a descargarse, el generador de alterna lo detectará y empezará a cargarlo de
empezar a descargarse, el generador de alterna lo detectará y empezará a cargarlo de
nuevo, por lo que nunca se descargará por completo. La Tensión en RL o de salida, al estar
nuevo, por lo que nunca se descargará por completo. La Tensión en RL o de salida, al estar
en paralelo con el condensador, será la misma que tenga el condensador, por eso la onda
en paralelo con el condensador, será la misma que tenga el condensador, por eso la onda
de la tensión de salida será (fig.7) una onda rectificada, de tal forma que solo tendrá la c
de la tensión de salida será (fig.7) una onda rectificada, de tal forma que solo tendrá la cresta
resta
de la onda.
de la onda.
El condensador estará cargándose y
El condensador estará cargándose y
descargándose constantemente.
descargándose constantemente.
Aun así, existen unas pequeñas
Aun así, existen unas pequeñas
variaciones en la tensión llamadas
variaciones en la tensión llamadas
tensión de rizado, el factor de
tensión de rizado, el factor de rizado
rizado
es la medida de la cantidad en que
es la medida de la cantidad en que
se suaviza la onda. Además se llama
se suaviza la onda. Además se llama
tensión de rizado a la variación alterna de la tensión de salida después de rectificada. Esta
tensión de rizado a la variación alterna de la tensión de salida después de rectificada. Esta
tensión de rizado es debida a la carga y descarga de los condensadores. La onda resultante
tensión de rizado es debida a la carga y descarga de los condensadores. La onda resultante
(fig.7) aún no llega a ser constante,
(fig.7) aún no llega a ser constante, por lo que falta sólo estabilizarla.
por lo que falta sólo estabilizarla.
D.
D.
Regulador lineal:
Regulador lineal:
El circuito estabilizador necesario para el sistema es
El circuito estabilizador necesario para el sistema es
un diodo Zener, paralelo a una resistencia de carga
un diodo Zener, paralelo a una resistencia de carga
RL. También llamado circuito regulador (fig.8) que
RL. También llamado circuito regulador (fig.8) que
permite que el valor del voltaje se vuelva fijo a un
permite que el valor del voltaje se vuelva fijo a un
valor Vz dado por el diodo.
valor Vz dado por el diodo.
El diodo Zener proveé un valor
El diodo Zener proveé un valor de voltaje fijo Vz que
de voltaje fijo Vz que
al estar en paralelo con RL brindará dicho valor, lo
al estar en paralelo con RL brindará dicho valor, lo
que resultará en un valor resultante totalmente
que resultará en un valor resultante totalmente
plano.
plano.
Fig.7
Fig.7
Fig.8
Fig.8
Fig.9
Fig.9

4.
Ya al final, obtendremos el plano que se seguirá
Ya al final, obtendremos el plano que se seguirá para generar una fuente reg
para generar una fuente regulado con diodo Zener
ulado con diodo Zener
que nos permita convertir la corriente
que nos permita convertir la corriente alterna de la red eléctr
alterna de la red eléctrica en una continua.
ica en una continua.

5.
AnálisisMatemático
AnálisisMatemático
Para finalmente generar una fuente regulada para un voltaje específico, necesitaremos deducir
Para finalmente generar una fuente regulada para un voltaje específico, necesitaremos deducir
algunos valores y porcentajes para que todos los elementos del circuito funcionen tal como deben
algunos valores y porcentajes para que todos los elementos del circuito funcionen tal como deben
sin cambiar el resultado requerido ni presentar daños. Por lo que realizaremos todos los pasos
sin cambiar el resultado requerido ni presentar daños. Por lo que realizaremos todos los pasos
explicados anteriormente.
explicados anteriormente.
Regulador Lineal:
Regulador Lineal: Antes siquiera pensar en qué tipo de transformador usar, se necesita fijar cuál
Antes siquiera pensar en qué tipo de transformador usar, se necesita fijar cuál
será el valor de voltaje de
será el valor de voltaje de salida que requerimos. Haciendo uso de un regulador con diodo Zener en
salida que requerimos. Haciendo uso de un regulador con diodo Zener en
un sistema en el que se deberá deducir los valores de voltajes máximos y mínimos en los cuales el
un sistema en el que se deberá deducir los valores de voltajes máximos y mínimos en los cuales el
diodo funciona. En el caso presente, será un Zener de
diodo funciona. En el caso presente, será un Zener de referencia 1N4747A con un voltaje de Vz= 20
referencia 1N4747A con un voltaje de Vz= 20
v con una corriente máxima de
v con una corriente máxima de Izmáx=12,5mA.
Izmáx=12,5mA.
Por lo que, estando el Zener en paralelo con la
Por lo que, estando el Zener en paralelo con la
resistencia de carga RL, el voltaje Vz será el
resistencia de carga RL, el voltaje Vz será el
voltaje de salida Vout. Para conocer los valores
voltaje de salida Vout. Para conocer los valores
de voltaje (máximos y mínimos) del V variable,
de voltaje (máximos y mínimos) del V variable,
se establecen un valor fijos de la
se establecen un valor fijos de la resistencia RL=
resistencia RL=
1600
1600Ω
Ω y R=220
y R=220 Ω
Ω.
.
Entonces:
Entonces:
í=
í=+
+

 =20
=20220+1,6
220+1,6
1,6
1,6 
 
íí
=
=2
22
2,,7
7

á=
á=

+
+

,, 

=
=

,, 
 =
=
 +
+
 =12,5+ 
=12,5+ 




,,

 =12,5+
=12,5+ 20
20
1,6Ω
1,6Ω=25
=25
á=25
á=25
220
220
+
+2
20
0=
=2
25
5,,5
5

Se obtienen los valores de voltajes máximos y mínimos e
Se obtienen los valores de voltajes máximos y mínimos en los que el Zener funciona bien; el
n los que el Zener funciona bien; el rango
rango
[[22,7,25.5
22,7,25.5]]
serán todos aquellos valores de voltaje e
serán todos aquellos valores de voltaje en donde se obtiene el voltaje
n donde se obtiene el voltaje esperado de
esperado de
20v y aumentará la posibilidad de que no haya fallas o daños en e
20v y aumentará la posibilidad de que no haya fallas o daños en el propio diodo.
l propio diodo.
Para calcular el valor del condensador, se
Para calcular el valor del condensador, se necesita el voltaje que brinda el transformador; en e
necesita el voltaje que brinda el transformador; en el
l
presente es de un voltaje
presente es de un voltaje de salida de 28v. Entonces obtenemos el voltaje eficaz
de salida de 28v. Entonces obtenemos el voltaje eficaz (o valor
(o valor
cuadrático medio):
cuadrático medio):


 =28
=28
Sin embargo, no es el voltaje
Sin embargo, no es el voltaje que se necesita para calcular e
que se necesita para calcular el capacitor. El necesario es el voltaje
l capacitor. El necesario es el voltaje
pico a pico, es decir,
pico a pico, es decir, el voltaje que posee la amplitud total de la
el voltaje que posee la amplitud total de la onda que genera el trasformador.
onda que genera el trasformador.


 =28
=28(
(√
√ 2
2)
)=
=39
39,6
,6

Para ya calcular el valor del filtro,
Para ya calcular el valor del filtro, se usa la siguiente ecuación que relaciona e
se usa la siguiente ecuación que relaciona el voltaje de rizo (Vz),
l voltaje de rizo (Vz),
la frecuencia que maneja el transf
la frecuencia que maneja el transformador (f, que generalmente es de
ormador (f, que generalmente es de 60Hz para Colombia) y
60Hz para Colombia) y la
la
corriente de salida que brindará el condensador al sistema
corriente de salida que brindará el condensador al sistema de diodo Zener.
de diodo Zener.

6.

 =
=

 1
1
2
2

1
1





Por donde se asegura que los valores
Por donde se asegura que los valores que deducimos de máximos y mínimos de voltaje del sistema
que deducimos de máximos y mínimos de voltaje del sistema
Zener sean aquellos que soportan el condensador, o sea,
Zener sean aquellos que soportan el condensador, o sea, la máxima diferencia de potencial que
la máxima diferencia de potencial que
actúa en el capacitor sin que se
actúa en el capacitor sin que se perfore el dieléctrico. Dado que aún es corriente
perfore el dieléctrico. Dado que aún es corriente alterna, es un
alterna, es un
poco menor a lo usual (a la de
poco menor a lo usual (a la de corriente continua) por el calentamiento de la carga
corriente continua) por el calentamiento de la carga y descarga del
y descarga del
mismo. El valor
mismo. El valor


 se tomará respecto a la regla del diez por ciento (10%), aunque usualmente sus
se tomará respecto a la regla del diez por ciento (10%), aunque usualmente sus
valores oscilan cercanos a 1, deducido desde el valor me
valores oscilan cercanos a 1, deducido desde el valor medio.
dio.


 =
=2
2


 ó
ó 
á
á +
+
í
í
2
2 =
= 239,6
239,6

 ≈
≈2
25
5



 =
=

 ∗10%=2,5
∗10%=2,5
Así:
Así:
=25
=25 1
1
260
260

 1
1
2,5
2,5=83,5≈100
=83,5≈100
Se puede aproximar el valor del
Se puede aproximar el valor del condensador debido a que la exactitud no es
condensador debido a que la exactitud no es un valor crítico en su
un valor crítico en su
uso. No obstante, presentará cambios pero totalmente despreciables.
uso. No obstante, presentará cambios pero totalmente despreciables.
Finalmente, se podrá generar la fuente
Finalmente, se podrá generar la fuente regulada a partir de un diodo Zener.
regulada a partir de un diodo Zener.
Referencias
Referencias
https://www.electronicafacil.net/tutoriales/Fuentes-alimentacion.php
https://www.electronicafacil.net/tutoriales/Fuentes-alimentacion.php
http://www.areatecnologia.com/electronica/fuente-alimentacion.html
http://www.areatecnologia.com/electronica/fuente-alimentacion.html
www.alldatasheet.com/1n4744a
www.alldatasheet.com/1n4744a
www.alldatasheet.com/1n4747a
www.alldatasheet.com/1n4747a