ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES
Y DE TELECOMUNICACION
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA
INSTRUMENTACION ELECTRÓNICA DE COMUNICACIONES
(5º Curso Ingeniería de Telecomunicación)
Tema VI: Referencias de tensión y reguladores de tensión.
(Ejercicios resueltos)
José María Drake Moyano
Dpto. de Electrónica y Computadores Santander, 2005
Problema 6.1: Diseño de un regulador de tensión.
Diseñar un regulador de tensión de 7.5 V nominal con capacidad de alimentar cargas comprendidas entre 1.5 Ω y 10 Ω. Para ello se dispone de una fuente de tensión no regulada de 12 V y con un nivel de rizado de 0.5 Vrms.
Analizar dos posibles diseño:
Diseño basado en el circuito de referencia de tensión AD580, y en el amplificador operacional TL081.
Utilizando el regulador de tensión integrado LM317
Si se necesita utilizar una etapa de potencia, utilizar el transistor de potencia 2N2055 , cuyas hojas características se acompañan..
Requerimientos:
Bajo las condiciones de variación de la fuente y de la carga especificadas y con el rango de 0º a 40ºC de temperatura ambiente, las variaciones de la tensión de salida deben ser inferiores al 0.01% de la tensión nominal.
El nivel de ruido en la banda 0.1- 10Hz debe ser inferior 5 mVrms.
Debe necesitar ser ajustada sólo una vez por año.
Debe aguantar cortocircuitos circuito de salida de hasta 5 s. Transformación
Rectificación y filtrado
Regulador de tensión
220 ac 12 Vdc + 0.5 Vrms 7 Vdc + 0.01% RL
Diseño funcional
R
R
(1.5 -10 )Ω
R R R’ Rb 1 1 2 sc L Q Q Q 1 2 3 (2N3055) (BC549) (BC549)
V =7.5 Vo
V =12 Vi
+ TL81 AD580
-La tensión de salida Vo es función de R1, R2 y Vz,
Ω = Ω = Ω = Ω = ⇒ = ⇒ + = ⇒ + = 100 180 1 220 220 0 . 2 1 5 . 2 5 . 7 1 ' 1 1 2 1 2 1 2 1 2 R R R R R R R R R R V
Vo z
La intensidad de salida en cortocircuito ISC se puede limitar a, Ω = = ⇒ = ⇒ = Ω
> 0.1
6 6 . 0 6 0 . 5 5 . 1 5 . 7 Rsc A ISC elijo A V ISC
La resistencia Rb debe proporcionar la intensidad IB2 sin que el operacional se sature. Ω = ⇒ Ω = × + − − − ≈ + + − − −
< 3800 560
200 50 1 5 6 . 0 0 . 1 5 . 7 11 )) 2 1 ( 1 1 ( max 2 1 b L BE BE o AOsat
b I R
V V V V R β β Diseño térmico
Máxima potencia disipada en Q1
W I
V
PQ1= CE LMax =(12−7.5)×5=22.5
La resistencia máxima que puede ofrecer el radiador del transistor Q1 es
W C
D 1.52 5.6º /
5 . 22
40
200− − = <
Θ
Verificación de los requerimientos
Se requiere que ∆Vo<0.1/100*Vo=7.5 mV
Variación de la salida debida al rizado de la fuente:
Debido al PSRR del AO: (PSRR=86 dB=20000)
V Vo =0.5*3/20000=75µ
∆ (Se cumple)
Debido al PSRR de la referencia de tensión:
∆Vo<1.5mV*3=4.5 mV (Se cumple)
Variación debido a los cambios de la carga
La impedancia de salida del amplificador se puede deducir de la gráfica de VCE-IC,
RoQ1=0.1Ω
La impedancia de salida del regulador, que es también la regulación de carga es,
Ro=RoQ1/(1+Ad*α)=0.1Ω/(1+200000∗(1/3))=1.5 µΩ
∆Vo=Ro*Vo(1/RLmin-1/RLmax)=7.5V*1.5 10-6*(1/1.5-1/10)=6.4 µV (Se cumple)
Pmax=22.5W
TJ<200ºC ΘJC=1.52ºC/W ΘD
IC=5A
RoQ1=(1.3-0.4)V/(10.0-1.0)A=
= 0.1 Ω
Evaluación del ruido en el rango 0.1Hz-10Hz
Ruido debido al amplificador operacional
En el amplificador TL81: e2nw=5.2 10-16 V2/Hz fce=100 Hz
= + = L H ce nw noAO f f Ln f e R R E 1 2
1 3*5.2 10-16*(100*Ln(10/0.1))1/2=1.46 µVrms
Ruido debido a la referencia de tensión:
El ruido integrado en el rango 0.1-10 Hz es 8.0 µV pp, por tanto el ruido en la salida,
rms nRpp noR V E R R
E 8.0µ
3 0 . 8 3 3 1 1
2 = = + =
El ruido total a la salida del circuito regulador de tensión es,
rms noR
noAO
no E E V
E = 2 + 2 = 1.462 +8.02 =8.13µ (se cumple)
Variación en la salida debido a las variaciones de temperatura (0º-40ºC)
mV C V T V C ppm
Vo =55 /º ×7.5 ×∆ =5510 6×7.5 ×40º =16.5
∆ − (AD580S)
mV C V T V C ppm
Vo =25 /º ×7.5 ×∆ =2510 6×7.5 ×40º =7.5
∆ − (AD580T)
mV C V T V C ppm
Vo =10 /º ×7.5 ×∆ =1010 6×7.5 ×40º =3.0
∆ − (AD580U)
No se cumple la especificación si se utiliza el modelo AD580S, pero sí se cumple si se utilizan los modelos AD580T y AD580U.
Variación en la salida en un año
La desviación de la tensión de referencia a largo plazo (plazo indefinido) es de 250 µV, por tanto, en la salida
mV V
V R R
Vo 1 R 3 250 0.75
1
2 ∆ = × = + =
∆ µ (Se cumple)
Diseño utilizando el Regulador de tensión integrado LM317
No es posible utilizar directamente el regulador de tensión LM317, ya que solo tiene capacidad de proporcionar una intensidad de salida de 1.5 A. y en la aplicación se requieren 4 A. Por ello, se utiliza un transistor de potencia de salida.
V R I R R V
Vo 1.25 1 ADJ 2 7.5
1
2 + = + =
Si utilizamos R2=1200Ω
(R2=1000 Ω +R’2=500Ω)
Ω = = = − − = − − = − 240 5 1200 1 25 . 1 1200 10 0 . 46 5 . 7 1200 1 25 . 1 2 6 2
1 V I R
R R
ADJ o
Diseño térmico:
La potencia térmica se disipa en el transistor Q1 y el modelo térmico es exactamente el mismo que en el diseño implementado con amplificador operacional.
PmaxQ1= 22.5W y ΘD=5.6 ºC/W
Variación de la salida debida al rizado de la fuente:
La regulación de línea del LM317 es: 0.02 %/V ( incluye la fluctuación de temperatura)
rms i
o
o RC V V mV
V =( /100)× ×∆ =0.0002×7.5×0.5=0.75
∆ (se cumple)
LM317 Input Output Adjust R1 R2 R’2 RL
Vi=12V
Vo=7.5V
(1.5 –10) Ω
Q1
Variación de la salida debida a los cambios de la carga
En este caso, la introducción del transitor Q1 hace difícil estimar las variaciones que se produce por variación de la carga, ya que no se tiene información de la ganancia de bucle alrededor de él. Posiblemente sea del orden del evaluado en el regulador basado en el amplificador operacional.
No tiene sentido aplicar el regulador de carga del LM317, ya que la variación de la carga está amortiguada por el efecto del transistor Q1.
Variación en la salida en un año
En las hojas características de LM317,
mV V
Vo o 22.5
100 3 .
0 =
=
∆ (no se cumple lo requerido en la especificación)
Ruido en la salida (0.1-10 Hz):
En las hojas características de LM317,
No se dispone información para evaluar el ruido en el rango 0.1 a 10 Hz.
Le ruido en el rango 10Hz – 10KHz
rms o
o V mV
V 0.225
100 003 .
0 =
= ∆
