(Ejercicios resueltos) - CTR - Universidad de Cantabria

Problema 6.1: Diseño de un regulador de tensión.Diseñar un regulador de tensión de 7.5 V nominal con capacidad de alimentar cargascomprendidas entre 1.5 Ω y 10 Ω. Para ello se dispone de una fuente de tensión noregulada de 12 V y con un nivel de rizado de 0.5 V rms .220 acTransformaciónRectificación yfiltrado12 Vdc +0.5 VrmsReguladorde tensión7 Vdc +0.01%R L(1.5Ω-10Ω)Analizar dos posibles diseño:• Diseño basado en el circuito de referencia de tensión AD580, y en el amplificadoroperacional TL081.• Utilizando el regulador de tensión integrado LM317Si 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 elrango de 0º a 40ºC de temperatura ambiente, las variaciones de la tensión de salidadeben ser inferiores al 0.01% de la tensión nominal.• El nivel de ruido en la banda 0.1- 10Hz debe ser inferior 5 mV rms .• Debe necesitar ser ajustada sólo una vez por año.• Debe aguantar cortocircuitos circuito de salida de hasta 5 s.

Diseño funcionalV =12 V iAD580+(BC549)Q2TL81-R b1(BC549)Q3Q (2N3055)1RscV o =7.5 VRR2RL(1.5 -10 Ω)R’1La tensión de salida V o es función de R 1 , R 2 y V z,R2= 220Ω⎛ R ⎞⎛ ⎞= ⇒ = ⇒= Ω⎜ +2R⎟ ⇒ =⎜ +2R2V 17.5 2.5 1⎟2.0R1180oVz⎝ R ⎠⎝ ⎠R1= 220Ω1R1R1'R = 100ΩLa intensidad de salida en cortocircuito I SC se puede limitar a,> 7.5V0.6I = 5.0A⇒ elijo ISC = 6A⇒ Rsc = = 0. Ω1.5Ω61SC1

La resistencia R b debe proporcionar la intensidad I B2 sin que el operacional se sature.RbVAOsat−Vo−VBE1−VBE211−7.5 −1.0− 0.6< ≈= 3800Ω⇒ Rb= 560ΩILmax5(1 + β1(1+ β 2)) 1+50 × 200Diseño térmicoMáxima potencia disipada en Q1P = V I = (12 − 7.5) × 5 22. WQ1 CE L= 5MaxTJ

I C =5A1/R oQ1R oQ1 =(1.3-0.4)V/(10.0-1.0)A== 0.1 ΩEvaluación del ruido en el rango 0.1Hz-10HzRuido debido al amplificador operacionalEn el amplificador TL81: e 2 nw=5.2 10 -16 V 2 /Hz f ce =100 HzEnoAO⎛ R ⎞ ⎛ ⎞⎜ +2fH1 ⎟enwfceLn⎜⎟ = 3*5.2 10-16*(100*Ln(10/0.1)) 1/2 =1.46 µV rms⎝ R1⎠ ⎝ f ⎠=LRuido 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,⎛ R ⎞ EnRpp8.0EnoR =2 ⎜1+ = 3 = 8.0 µ VrmsR⎟⎝ 1 ⎠ 3 3El ruido total a la salida del circuito regulador de tensión es,2 2E = E + E = 1.46 + 8.0 = 8.13 µ V(se cumple)no2noAO2noRrmsVariación en la salida debido a las variaciones de temperatura (0º-40ºC)−6∆V o= 55ppm/º C × 7.5V× ∆T= 5510 × 7.5V× 40º C = 16. 5 mV−6∆V o= 25ppm/º C × 7.5V× ∆T= 2510 × 7.5V× 40º C = 7. 5 mV−6∆V o= 10 ppm /º C × 7.5V× ∆T= 10 10 × 7.5V× 40º C = 3. 0 mV(AD580S)(AD580T)(AD580U)No se cumple la especificación si se utiliza el modelo AD580S, pero sí se cumple si seutilizan los modelos AD580T y AD580U.

Variación en la salida en un añoLa desviación de la tensión de referencia a largo plazo (plazo indefinido) es de 250 µV,por tanto, en la salida⎛ R ⎞∆ Vo =2 ⎜1+ ∆VR= 3×250 V = 0. 75 mVR⎟µ (Se cumple)⎝ 1 ⎠Diseño utilizando el Regulador de tensión integrado LM317No es posible utilizar directamente el regulador de tensión LM317, ya que solo tienecapacidad de proporcionar una intensidad de salida de 1.5 A. y en la aplicación serequieren 4 A. Por ello, se utiliza un transistor de potencia de salida.InputV i =12V⎛ R ⎞Vo =21.25V⎜1+ IADJR2= 7. 5VR⎟ +⎝ 1 ⎠LM317OutputQ 1(2N3055)Si utilizamos R 2 =1200Ω(R 2 =1000 Ω +R’ 2 =500Ω)AdjustR 2R’ 2R 1V o =7.5VR L(1.5 –10) ΩRR2− IADJ1.25=1200==6−17.5 − 46.0 10 1200−11.25= 1 −V Ro21200= 240 Ω5Diseño térmico:La potencia térmica se disipa en el transistor Q1 y el modelo térmico es exactamente elmismo que en el diseño implementado con amplificador operacional.P maxQ1 = 22.5W y Θ D =5.6 ºC/WVariación de la salida debida al rizado de la fuente:La regulación de línea del LM317 es: 0.02 %/V ( incluye la fluctuación de temperatura)∆ V = ( RC /100) × V × ∆V= 0.0002 × 7.5×0.5 = 0. 75 mV(se cumple)ooirms

Variación de la salida debida a los cambios de la cargaEn este caso, la introducción del transitor Q1 hace difícil estimar las variaciones que seproduce por variación de la carga, ya que no se tiene información de la ganancia debucle alrededor de él. Posiblemente sea del orden del evaluado en el regulador basadoen el amplificador operacional.No tiene sentido aplicar el regulador de carga del LM317, ya que la variación de lacarga está amortiguada por el efecto del transistor Q1.Variación en la salida en un añoEn las hojas características de LM317,0.3∆ Vo = Vo= 22. 5mV(no se cumple lo requerido en la especificación)100Ruido 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 – 10KHz0.003∆ Vo= Vo= 0. 225 mVrms100

Problema 6.2: Caracterización automatizada de una fuente de tensión.