Queremos construir un circuito estabilizador (Regulador) que entregue a la salida una tensión de 5,1 V, sabiendo que la carga consume una ILmáx = 100 mA, siendo ILmín = 0 y que dispone de una alimentación que varía entre 9 V y 10 V. Los diodos zener de que se dispone son:
Elegir el componente que corresponda y diseñar el circuito.
Solución:
Hay que elegir el más barato que se pueda. Si cogemos el Z
1:
Si se abre la carga por el zener irían 105 mA y como I
Zmáx = 78 mA no podría funcionar, se quemaría y se estropearía no la resistiría. Si probamos con Z
2:
Veamos si es suficiente esa corriente, la peor suposición es I
Lmáx = 100 mA.
Si abrimos la carga los 150 mA van por el zener y como soporta hasta 294 mA si valdría, el Z
2 es el adecuado. Ahora elegiremos la resistencia (R).
Tenemos dos puntos importantes para analizarlos:
- Peligro de que el zener se quede sin corriente
Suposiciones críticas para ese punto:
El peor caso para que el zener se quede sin corriente es que vaya el máximo valor por R
L o que vaya el mínimo de tensión por R
L (9 V).
Si varío esa R por ejemplo a 30
W:
Disminuye la I
Z al aumentar la R. Por lo tanto no puedo poner resistencias mayores que 26
W. Si ponemos resistencias menores que 26
W la intensidad zener aumenta y por lo tanto si se pueden poner.
En el otro punto peligroso.
- Peligro de que el zener se queme
Entonces la resistencia esta entre estos dos valores:
Cualquier valor entre estos dos valores valdría, tomamos por ejemplo: R = 22
W. Vemos que ocurre en los 2 casos extremos:
Ahora que sabemos en que zona trabaja el zener tenemos que calcular de que potencia elegimos esa resistencia.
Peor caso: I
Z = 222 mA P = (10-5,1)·222·10
-3 = 1,08 W
Se coge una valor normalizado de 2 W.
Ahora vamos a ver el rango de valores por el que mueve la resistencia de carga (R
L):
Calculo de la Recta de carga: Tomaremos el convenio de la figura con lo que nos saldrán la intensidad y la tensión negativas (en el tercer cuadrante).
Finalmente la representación gráfica de esas ecuaciones queda de la siguiente manera:
Las dos rectas de carga son paralelas. Los demás puntos están entre esas dos rectas paralelas.
a) Un diodo zener que disipa una Pmáx = 0.2 W, regula a 5 V desde una IZmín = 5 mA. Se pretende construir un regulador de 5 V que regule desde IL = 0 hasta el valor máximo de IL. Suponiendo una vi = 20 V. Determinar el valor de la Resistencia, su potencia y la ILmáx.
Solución:
Primeramente calcularemos los puntos límite de ruptura del diodo zener:
Si la R
L está en vacío, por la R va el máximo valor de la intensidad por el zener (I
Zmáx = 40 mA). Para calcular el valor máximo de la intensidad por la carga, vemos que por el zener la I
Lmín = 5 mA y como hemos dicho que el valor máximo por R son 40 mA, entonces por la carga el máximo valor que irá será: I
Lmáx = 35 mA. Ahora calcularemos los valores de la resistencia (R), la tensión por la resistencia (V
R) y la potencia por la resistencia (P
R).
b) Suponiendo que se mantiene la R del apartado a) y que la RL es cte y de valor 200 W, hallar el valor máximo y mínimo de la tensión de entrada para que el circuito regule bien.
Solución:
Para calcular los valores máximo y mínimo de la tensión de entrada tengo que estar en los puntos límite del circuito.
Con lo que tenemos un rizado a la entrada entre esos 2 valores.
En circuito estabilizador de la figura, los valores nominales son:
a) Calcular la Rlimitadora usando los valores nominales. Usar este valor para los siguientes apartados.
Solución:
Aplicamos la 2ª aproximación y sustituimos por el modelo de esa 2ª aproximación.
b) Se desea que la carga esté alimentada a una tensión de 5 V, con variaciones de corriente de 10 mA a 20 mA, si bien la nominal es de 20 mA. Si la ve tiene un rizado de + 12 % y -11 % con respecto al valor nominal de 10V, calcular el tanto por cien de la variación de IS entre 10 mA y 20 mA. Calcular la máxima potencia disipada por el diodo zener.
Solución:
- Peligro de que el zener se quede sin corriente
La variación de este valor con respecto al ideal es de:
- Peligro de que el zener se queme (aunque halla un margen de seguridad)
La variación respecto al ideal:
El zener sufre más en el caso 2 y su potencia será la máxima en este caso.
PZ = 5,2 50 = 260 mW
No se quemará con esta potencia porque el máximo valor el P
Zmáx = 400 mW
c) Variación en % de la tensión de salida para una variación de la intensidad de carga de ±55 % con respecto al valor nominal, con ve = cte.
Solución:
Ahora veremos lo que ocurre con un aumento de un 55 % de la intensidad en la carga:
Y si disminuimos un 55 % de la intensidad de la carga con respecto al valor nominal:
Si lo representamos gráficamente nos quedaría algo como esto:
El caso más ideal es el que tiene la curva de regulación más horizontal.
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