REGULADORES EN CORRIENTE CONTINUA Y ALTERNA CON DIODO ZENER

DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA DE INGENIERIA ELECTRÓNICA EN REDES

ASIGNATURA: ELECTRONICA I

NRC: 3598

INFORME/TRABAJO PREPARATORIO DE LABORATORIO No. 1.3

Profesor: MONICA PATRICIA MEDINA ANDRADE INTEGRANTES

1. FELIPE CALVACHE 2. DARIO SAA 3. MARISSA VILLACIS

2013 – SANGOLQUÍ

1.1 GUÍA DE PRACTICA No. 1.3.

Tema:

REGULADORES EN CORRIENTE CONTINUA Y ALTERNA CON DIODO ZENER 1. Objetivo(s).   

Verificar el funcionamiento del diodo zener como regulador en corriente continua. Verificar el funcionamiento del diodo Zener como regulador en corriente alterna. Comparar datos calculados, simulados y medidos. 2. Marco Teórico. Efecto zener. Al aplicar una tensión inversa pequeña a un diodo, circula una corriente cuyo valor es muy pequeño y que está formada por huecos y electrones generados térmicamente. Sin embargo al aumentar hasta cierto valor la tensión inversa, se produce una ruptura espontanea de los enlaces covalentes de los átomos próximos a la unión P N. La ruptura de dichos enlaces genera pares electrón - hueco y se produce así un aumento notable de la corriente. (Diodos muy dopados) Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores. Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los Zener, se puede producir por ambos efectos. Efecto avalancha. Al aumentar la tensión inversa aumenta la velocidad de los portadores. Dicha velocidad puede ser suficiente para provocar la ionización si los átomos chocan con las moléculas del semiconductor con suficiente energía. Los portadores de carga resultantes de la ionización por colisión toman parte en nuevas colisiones y produce a su vez nuevos portadores y por consiguiente, de la corriente. Ocurre lo siguiente dentro del diodo: Justo en el límite antes de llegar a Ruptura, la pila va acelerando a los electrones. Y estos electrones pueden chocar con la red cristalina, con los enlaces covalentes. Choca el electrón y rebota, pero a VRuptura la

velocidad es muy grande y por ello la Ec es tan grande que al chocar cede energía al electrón ligado y lo convierte en libre. El electrón incidente sale con menos velocidad que antes del choque. O sea, de un electrón libre obtenemos dos electrones libres. Estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden chocar contra otro electrón de un enlace covalente, ceden su energía... y se repite el proceso y se crea una Multiplicación por Avalancha, obteniendo una corriente negativa y muy grande. Principales especificaciones del diodo Zener, defina. Cuando usamos un diodo zener en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante):  Para un correcto funcionamiento, por el zener debe circular una corriente inversa mayor o igual a Iz min.  La corriente máxima en sentido inverso ha de ser siempre menor que Izmax.  La potencia nominal Pz que puede disipar el zener ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar en el circuito. 3. Materiales y Equipos. Materiales.    

Diodos Zener Resistencias Cables Protoboard

Herramientas:  Fuente de corriente continua  Generador de ondas  Osciloscopio  Multímetro 4. Procedimiento 4.1. Armar el circuito regulador en corriente continua. 4.2. Usando el osiloscopio determinar la forma de onda del voltaje de salida, variando el voltaje de alimentación y resistencia de carga. 4.3. Armar el circuito regulador en corriente alterna. 4.4. Usando el osiloscopio determinar la forma de onda del voltaje de salida, variando el voltaje de corriente alterna y la resistencia de carga.

4.5. Realizar el cuadro con los resultados obtenidos y comparar con los calculados y simulados.

5. Diseñe un circuito regulador de tensión con diodo Zener que utilice voltaje de entrada constante y resistencia de carga variable. Los valores elegidos fueron voltaje de la fuente de 21V, Iomax de100mA diodo zener 1N4740A de 10V y potencia 1w Corriente máxima es igual Izmax=

1w =100 mA 10 v

Corriente mínima es igual Izmax Izmin= =10 mA 10 Por corriente de nodo obtenemos Is=Izmin+ Iomax Is=10 mA +100 mA

Is=110 mA Calculo de la resistencia Rs Rs=

Vin−Vz 21V −10V = =100 Ω Is 110 mA

La resistencia RLmin Vz Rlmin= Iomax Rlmin=100 Ω

Corriente Iomin Is=Iz + Io Is=Izmax+ Iomin

21−10 =100 mA + Iomin 100 110 mA =100 mA + Iomin

Iomin=10 mA El valor de Rlminserá 10 Rl= Io Rlmax=

10 Iomin

Rlmax=

10 10 m

Rlmax=1 KΩ

La potencia en las resistencias es Ps=I s 2∗R Ps=1,21 w Pmax=I s2∗Rlmax Ps=1 w 2

Pmin=I s ∗Rlmin Ps=0,1w 5.1.

Utilizando el simulador, obtener la forma de onda del voltaje de salida para dos valores de resistencias de carga que se encuentren dentro del rango de operación. RESISTENCIA MAXIMA

RESISTENCIA MINIMA

2.1.

Compruebe el voltaje de salida con el uso del multímetro RESISTENCIA MAXIMA

RESISTENCIA MININA

5.2.

Utilizando el simulador, obtener la forma de onda del voltaje de salida para un valor de resistencia de carga que se encuentre fuera del rango de operaciones y varié el voltaje de entrada, utilice un valor mayo y un valor menor al utilizado en el diseño

POR DEFECTO

POR EXCESO

5.3. Compruebe el voltaje de salida con el uso del multímetro POR DEFECTO

POR EXCESO

5.4.

Utilizando el simulador, obtener la forma de onda del voltaje de salida para un valor de resistencia de carga que se encuentre dentro del rango de operación y varié el voltaje de entrada, utilice un valor mayor y un menos al utilizado en el diseño.

La resistencia sustituida será la media entre las resistencias

R=

1000+10 =550 Ω 2

FUENTE DE 15V

FUENTE DE 25V

5.5. Compruebe el voltaje de salida con el uso del multímetro FUENTE DE 15V

FUENTE DE 25V

5.6.

Realizar el cuadro con los resultados obtenidos RESISTENCIA DE CARGA VARIABLE (DENTRO DEL RANGO DE OPERACIÓN) Vin= 21 v 1K 100Ω VALOR SIMULADO 10.040 9.981 v v VALOR MEDIDO 10.8 V 11.4 V % ERROR 7.56 % 14.22% RESISTENCIA DE CARGA VARIABLE (FUERA DEL RANGO DE OPERACIÓN) Vin= 21 v 2K 50Ω VALOR SIMULADO 10.041 7V V VALOR MEDIDO 11.2 v 8.2 v % ERROR 11.55 17.14 % %

VOLTAJE DE ENTRADA VARIABLE (FUERA DEL RANGO DE OPERACIÓN) R=550Ω 25 V 15 V VALOR SIMULADO 10.047 10.010 V V VALOR MEDIDO 11.2 v 10.8 v % ERROR 11.55 7.89 % % 6. Diseñe un circuito regulador de tensión con diodo Zener que utilice voltaje de entrada variable (señal senoidal) y resistencia de carga fija. Los valores elegidos fueron Vinpmax=9v, Io=72,95mA, diodo zener 1N4736A de 6,8V y potencia 1w Corriente máxima 1w Izmax= =147,05 mA 6,8 v Corriente mínima es igual Izmax Izmin= =14,71 mA 10 Por corriente de nodo obtenemos Is=Izmax+ Io

Is=147,05 mA +72,95 mA Is=219,9 mA

Calculo de la resistencia Rs Rs=

Vin−Vz 9 V −6,8 V = =10 Ω Is 219,9 mA

La resistencia (Rl) será igual a Rl=

6,8 Io

Rl=

6,8 =93,21 Ω 72,95

El voltaje mínimo esta dado

Is=Iz + Io

Ismin=Izmin+ Io Ismin=14,71mA +72,95

Ismin=14,71mA +72,95 Iomin=87,66 mA

Ismin=

Vinmin−6,8 10

Vinmin=10 Ismin+ 6,8 Vinmin=7,68 V

La potencia en las resistencias es Psmin=I smin2∗R Psmin=0,08 w Psmax=I smax 2∗R Psmax=0,48 w

PRl=I s 2∗Rl PRl=0,50 w 6.1. Calcule los ángulos Ω1, Ω2, Ω3,Ω4 CIRCUITO CON FUENTE DE 9V Por division de tension Vo=Vin (

Rl ) Rs+ Rl

Vo=Vin (

93,21 ) 10+ 93,21

Vo=0,9∗Vin

6,8=8,1 sen( Ω1)

Ω 1=arcsen(

6,8 ) 8,1

Ω 1=1

Ω 2=π−1 Ω 2=2,14

0,7=8,1 sen( Ω3) Ω 3=arcsen(

0,7 ) 9

Ω 3=3,23

Ω 4=2 π −3,23 Ω 4=6,19

CIRCUITO CON FUENTE DE 7,68V Por division de tension Vo=Vin (

Rl ) Rs+ Rl

Vo=Vin (

93,21 ) 10+ 93,21

Vo=0,9∗Vin

6,8=6,912 sen(Ω1) Ω 1=a rcsen(

6,8 ) 6,912

Ω 1=1,39

Ω 2=π−1,39 Ω 2=1,75

0,7=6,912 sen(Ω3) Ω 3=arcsen(

0,7 ) 6,912

Ω 3=3,24

Ω 4=2 π −3,23 Ω 4=6,18

6.2.

Utilizando el simulador, obtener la forma de onda del voltaje de salida FUENTE MAXIMA

FUENTE MINIMA

6.3.

Utilizando el simulador, obtener Ω1, Ω2, Ω3,Ω4 FUENTE MAXIMA Ω1

16,66 ms→ 2 π

3,2 ms→ Ω1 Ω 1=1,2 rad

Ω2

16,66 ms→ 2 π 5,8 ms→ Ω 2

Ω 2=2,19 rad

Ω3

16,66 ms→ 2 π

9,4 ms → Ω3 Ω 3=3,54 rad

Ω4

16,66 ms→ 2 π

16,2 ms→ Ω 4 Ω 4=6,10 rad

FUENTE MINIMA Ω1

16,66 ms→ 2 π 3,2 ms→ Ω 1

Ω 1=1,2 rad

Ω2

16,66 ms→ 2 π 5,8 ms→ Ω 2

Ω 2=2,19 rad

Ω3

16,66 ms→ 2 π

9,4 ms → Ω3 Ω 3=3,54 rad

Ω4

16,66 ms→ 2 π 16,2 ms→ Ω 4

Ω 4=6,10 rad

6.4.

Utilizando el simulador obtener la forma de onda del voltaje de salida al variar el pico de la señal de entrada, utilice un valor mayor y otro menor al del diseño

FUENTE 15V

FUENTE 5V

6.5.

Realizar el cuadro de los resultados obtenidos ÁNGULOS Ω1, Ω2, Ω3,Ω4 Ω1 Ω2 Ω3 Ω4 VALOR SIMULADO 2.1 ms 5.94 ms 9.1 ms 16.2 ms (RAD) 0.79 rad 2.24 3.43 rad 6.10 rad rad VALOR MEDIDO 3.2 ms 5.8 ms 9.4 ms 16.2 ms (RAD) 1.20 rad 2.18 3.54 rad 6.10 rad rad %ERROR 20.88 % 2.67 % 3.20 % 0% VIN VARIABLE (DENTRO DEL RANGO DE OPERACIÓN) Vin= 9v Vin=7v

VALOR SIMULADO 6.84 v 6.32 v VALOR MEDIDO 6.72 V 6.72 V % ERROR 1.75 % 6.32 % VIN VARIABLE (FUERA DEL RANGO DE OPERACIÓN) Vin= 12v Vin= 6v VALOR SIMULADO 6.86 v 5.42 v VALOR MEDIDO 6.72 V 5.12 V % ERROR 2.04 % 5.53 % 7. Preguntas 7.1. Cuáles son los beneficios de utilizar reguladores de tensión Nos permite obtener u voltaje más estable es decir luego de la rectificación nos pudimos percatar de todavía existe picos y no es una señal continua al cien por ciento, al usar un regulador eliminamos más los picos de factor de rizado así entregan una señal casi continua (picos cero). 7.2.

Que tipos de reguladores existen Reguladores integrados.- Hoy en día es más común encontrar en las fuentes de alimentación reguladores integrados, normalmente son componentes muy parecidos a los transistores de potencia, suelen tener tres terminales, uno de entrada, un común o masa, y uno de salida, tienen una capacidad de reducción del rizado muy alta y normalmente sólo hay que conectarles un par de condensadores. 78xx 79xx Reguladores conmutados.- Los reguladores conmutados solucionan los problemas de los dispositivos anteriormente citados, poseen mayor rendimiento de conversión, ya que los transistores funcionan en conmutación, reduciendo así la potencia disipada en estos y el tamaño de los disipadores. Se puedenencontrareste tipo de fuentes en los ordenadores personales, en electrodomésticos, reproductores DVD, etc, una desventaja es la producción de ruido electromagnético producido por la conmutación a frecuencias elevadas, teniendo que apantallar y diseñar correctamente la PCB (Placa de CircuitoImpreso) del convertidor. Reguladores electromecánicos.- Los reguladores electromecánicos basan su principio de funcionamiento en un auto transformador de columna, sobre la cual se dispone un cursor accionado por un servomotor, que en su recorrido suma o resta espiras. Este movimiento de auto ajuste es controlado por un comando electrónico, que se activa cada vez que la tensión de salida se desvía de su valor de calibración, ajustándose automáticamente y con ello mantiene permanentemente la tensión de salida estable.

Regulador de voltaje de corriente alterna por Inducción .- Usa el principio de una espira en una posición fija y una espira secundaria que puede rotarse en un eje en paralelo con la espira fija. Cuando la espira movible se posiciona perpendicular a la espira fija, las fuerzas magnéticas que actúan sobre la espira movible balancea entre sí y el voltaje de salida no cambia. Regulador ferroresonante.- Como se usa en los transformadores ferroresonantes, la resonancia se usa para reducir los cambios en el voltaje de alimentación para suministrar un voltaje más constante a la carga. 7.3.

En el mercado se puede conseguir diodos zener de que especificaciones. Las especificaciones más principales para adquirir un diodo zener son la del voltaje a regular y la potencia necesaria en el diodo para que no exista ningún inconveniente en el circuito. Fuera de eso también se necesita saber cómo se comporta a ciertas temperaturas, su corriente de arranque, corriente de prueba etc.

8. Conclusiones 





Se verificó el funcionamiento del diodo Zener como regulador en corriente continua logrando observar que para voltajes mayores al voltaje zener este se mantiene constante en su valor. Se verificó también el funcionamiento del Zener como regulador en corriente alterna dando como resultado que para voltajes mayores al voltaje zener este queda constante en dicho valor; en cambio para voltajes menores la señal sigue siendo la senoidal. Se comparo los resultados obtenidos en la práctica con los de los cálculos y las simulaciones obteniendo valores que bajan no superan al



20% esto quiere decir que los cálculos para la práctica estuvieron en lo correcto. El diodo zener trabaja en polarización inversa como regulador de tensión, recortando la onda de tensión y manteniendo constante dicho valor entre sus terminales.

9. Bibliografía  

   

http://ingeniatic.euitt.upm.es/index.php/tecnologias/item/456-filtro-electr %C3%B3nico http://books.google.com.ec/books? id=OBGdJcvSvCQC&pg=PA185&lpg=PA185&dq=que+es+factor+de+rizado &source=bl&ots=k8Ug_FeC31&sig=uH3wYtyDrNprX3ZiLWxw0MDa80&hl=es419&sa=X&ei=wHJFUaHbHYbi8gTr1oHICg&sqi=2&ved=0CDQQ6AEwAQ http://gomyshop.info/hc/tag/filtro-inductivo http://www.emagister.com/curso-fuente-switching/filtro

http://www.ifent.org/lecciones/zener/default.asp http://www.uv.es/candid/docencia/ed_prac04.pdf