Tensin de referencia en fuentes reguladas

VOLTAJE DE REFERENCIA

Definicin:

El voltaje a diferencia de la corriente debe de estar referido a otro voltaje, esto es, cuando se habla que existe un voltaje de 120 V en un punto, lo que se debe entender es que existe una diferencia de 120 V entre este punto y otro, el cual es en ese caso la referencia, a la cual comnmente se le denomina tierra, sin embargo cuando se realiza la medicin de la cada de potencial en algn elemento, lo que realmente se est haciendo es midiendo la diferencia de voltaje existente entre las terminales del elemento.

Esto funciona parecido a como se define la altitud de cierto lugar, por ejemplo se dice que San Jos est a 1200 metros sobre el nivel del mar, en este caso la referencia es el nivel del mar y los 1200 metros es la diferencia entre ambos lugares. En el caso anterior este nivel de referencia es muy bueno debido a que se sabe que el nivel del mar es el mismo en todo el planeta, y en el caso de la electricidad se considera que el voltaje de tierra es cero debido a que la Tierra es muy grande para que se cargue.

Justificacin:

El objetivo principal de una fuente de voltaje regulada consiste en transformar una seal de voltaje no regulado en otra ya regulada, esto es, una seal que no variar dentro de unos mbitos ya definidos de carga. Esto lo hace posible mediante un circuito de control interno que est constantemente comparando el nivel de voltaje en la salida con un voltaje de referencia, este voltaje debe de ser lo ms preciso posible para que a fuente desempee bien su funcin.

Los circuitos integrados reguladores de voltaje ya poseen esta referencia internamente, por lo que se ha abandonado un poco este concepto. Sin embargo sto se debe de tener muy en claro cuando se desea disear una fuente regulada mediante por ejemplo un LM723.

Existen varios dispositivos cuya funcin especfica es proveer esta clase de referencia, sin embargo para este fin tambin se pueden utilizar elementos pasivos comunes como diodos y transistores.

Como uno de los requerimientos principales que se le exigen a las fuentes reguladas es que su voltaje de salida no vare considerablemente, sino que mantenga su regulacin a diferentes cargas y condiciones de operacin, este voltaje de referencia debe de ser lo suficientemente estable para que la caracterstica de regulacin de la fuente se mantenga constante.

Fijacin del Voltaje de Referencia:

Esto se puede hacer mediante la correcta implementacin de los siguientes dispositivos:

Diodos.

Diodos zener.

Transistores BJT.

Transistores FET.

LEDs

Dispositivos especializados.

Redes activas

Para la fijacin del voltaje de referencia se pueden utilizar los elementos pasivos citados anteriormente sin embargo estos presentan las siguientes limitaciones:

Inestabilidad.

Tienen niveles de ruido altos.

Son afectados por fuertemente por la temperatura.

No poseen capacidad de compensacin.

Tal parece que una mejor opcin la ofrecen las redes activas, las cuales van a mantener el voltaje de referencia en un mayor mbito de cargas, estos sin embargo presentan las siguientes limitaciones:

Requieren de fuente de alimentacin.

Si en alguna forma se utiliza un elemento pasivo para la definicin del voltaje de referencia, la salida de la red variar segn el elemento.

El marcado ofrece un sinnmero de dispositivos cuya funcin principal es la de proveer un voltaje de referencia, estos dispositivos presentan mayores ventajas que los elementos comunes como se ver ms adelante.

Elementos Pasivos:

El diodo zener.

Este parece ser la fuente universal de tensiones de referencia, aunque en realidad todos los circuitos integrados con tensin de referencia interna por lo general utilizan transistores.

Este mtodo consiste en la implementacin de un diodo zener tal y como se muestra en la siguiente figura:

Figura N1.

El voltaje de referencia es proporcionado por el voltaje de ruptura del zener, este circuito parte del hecho que el voltaje de zener es constante o su variacin muy pequea para lo que se requiere. Sin embargo este voltaje de zener es muy afectado por condiciones externas como la temperatura.

Como se pudo apreciar en este caso el voltaje de referencia es igual al voltaje de zener, lo que resta es hacer las consideraciones para la seleccin de este dispositivo.

Lo primero que se hace es escoger el voltaje de zener, esto se puede hacer porque existen en el mercado este tipo de diodos con voltajes de polarizacin entre los 2 V y los 200 V.

Para que un diodo zener funcione se le debe suministrar una corriente mnima.Para poder utilizar el circuito anteriormente mostrado se debe hacer algunas consideraciones para escoger el valor de la resistencia R

Por lo general se escoge una resistencia 5 veces menor a la mxima

Sin embargo como ya se ha dicho este tipo de diodos se ven muy afectados por sus condiciones externas. Para ilustrar mejor lo anterior analicemos el comportamiento del NTE5015A, un diodo zener comn con un voltaje de reverso de 7.5 V y conj una capacidad mxima de corriente de 3 A, este dispositivo posee un coeficiente de temperatura de 0.058 %/C, esto quiere decir que si la temperatura vara 10 grados, el voltaje de reverso aumentar un 0.5 %, esto pudiera parecer poco, pero cuando lo que se busca es un voltaje de referencia confiable para una fuente regulada de precisin este valor es excesivamente alto.

Otra especificacin que hay que estudiar es la impedancia dinmica, la cual es la que define la calidad de la regulacin, esto es, en qu medida se mantendr el mismo voltaje a la salida para distintas corrientes de4 reverso, para este dispositivo se tiene que la impedancia dinmica mxima es de 6( lo cual nos indica que soportar una corriente mxima de 1.25 A para mantener este voltaje de salida en 7.5 V, note como el fabricante garantiza que la mxima corriente de reverso es de 3 A, pero con esta impedancia mxima se tendra un voltaje a la salida de 6 V (dato dado por el fabricante), valor que ya no nos sirve como voltaje de referencia debido a que ya difiere bastante del valor ya dicho de 7.5 V.

Para definir la calidad de la regulacin se hace uso de la siguiente frmula, la cual viene dada en decibelios y describe el factor de rechazo de la ondulacin:

Donde Rz es el valor de la resistencia de zener en el punto de operacin escogido.

Ventajas:

1. Fcil implementacin.

2. Bajo costo.

3. Amplia disponibilidad en el mercado.

4. Modelado simple.

Desventajas:

1. Mala regulacin.

2. Muy susceptible a los cambios de temperatura.

3. Sensible al ruido.

El transistor BJT.

El voltaje base-emisor de un transistor de unin bipolar se puede utilizar con el fin de establecer un voltaje de referencia, se pueden implementar uno o varios transistores con el fin de establecer niveles diferentes de voltaje. Una posible configuracin es la siguiente:

Figura N2.

Esta configuracin el voltaje de salida es Vo= 2Vbe del tipo de transistor que se est utilizando, este circuito es llamado el par-darlington el cual presenta algunas ventajas con respecto al circuito implementado con diodo zener.

Para el correcto desempeo de esta red se deben escoger los valores de las resistencias para que no haya problemas de corriente:

Luego tenemos esta otra configuracin en donde el voltaje de salida puede ser variado:

Si obviamos la pequea corriente de la base la corriente i1 se puede encontrar con una ecuacin simple de lazo.

El voltaje a la base de Q1 es: Vb=-i1*R1 y restndole a este voltaje la cada en un diodo obtenemos Vo. Este resultado puede ser expresado como:

Esta expresin se puede utilizar solamente con voltajes negativos a la entrada, para voltajes positivos se deben invertir los diodos y el transistorVentajas:

1. Bajo costo.

2. Facilidad de implementacin.

3. Modelado simple.

4. Mejor comportamiento ante la temperatura que un zener.

5. Pueden manejar altas corrientes.

Desventajas:1. Regiones de no linealidad.

2. An susceptibles a condiciones externas.

3. Voltaje b/e variable de un BJT a otro, lo que produce inexactitud.

Redes Activas

Este tipo de configuraciones se les denomina as porque requieren voltaje de alimentacin, esto se debe a que son implementadas con amplificadores operacionales. Este tipo de redes presentan todas las ventajas de los circuitos integrados activos.

Una configuracin de las ms comunes es la siguiente:

En donde el voltaje de referencia ser el voltaje a la salida del amplificador operacional.

El voltaje en la terminal postiva es igual al voltaje en la terminal negativa debido al corto circuito virtual, lo que implica que: Vo = Vz + V+.

Tomando la consideracin que no fluye corriente a travs de la patilla central del potencimetro, Vr tambin se puede encontrar mediante un divisor de voltaje, con esto y considerando el zener.

En este caso el potencimetro cumple la funcin de variar el radio R1+R2, lo que permite variar el voltaje de referencia.

Una observacin que se debe hacer es que esta red se utiliza por lo general cuando se requiere un voltaje de referencia superior a cualquier voltaje de zener comn (6 a 9 V). En caso de que se requiriera una tensin de referencia menor a un voltaje de zener se recomienda la siguiente configuracin:

Esta configuracin provee un voltaje de referencia bastante estable, este voltaje se puede variar mediante el potencimetro.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Ventajas

1. Poseen todas las ventajas de las redes activas.

2. Proveen alta impedancia de entrada.

3. Debido a su baja impedancia de salida, los amplificadores mantienen un voltaje constante con cargas variables.

4. Se tiene la opcin de variar el voltaje de salida.

Desventajas

1. Red ms cara que una red pasiva.Dispositivos Especializados.

El mercado ofrece una amplia gama de dispositivos cuya funcin principal es la de establecer voltajes de referencia muy precisos, este tipo de componentes son activos por lo que presentan las mismas ventajas en cuanto a estabilidad, precisin y ruido que cualquier amplificador operacional de circuito integrado.

Las nuevas tecnologas han producido la necesidad de proveer voltajes de referencia cada vez ms exactos con el fin de producir dispositivos ms precisos y confiables como reguladores de voltaje, convertidores de analgico a digital y simplemente voltajes de referencia.

Las fuentes de referencia de precisin ofrecen algunas peculiaridades interesantes. El LM336, por ejemplo, proporciona una salida regulada, sin componentes externos, en todo un intervalo de voltajes de entrada de 3.5 a 30 V.

El voltaje de salida del LM336 es de 2.5 V, mientras que el AD581 proporciona una salida de 10 V en un intervalo de voltajes de entrada de 12 a 40 V.Varias casas fabricadoras ofrecen varios tipos de referenciadores de voltaje, los ms disponibles en el mercado son:

LM113LM136LM313LM329LM336LM3362

LM368LM369LM385LM3999LH0070 LH0071

LT1019ALT1021LT1029LT1031LT1030MC1403

MC1404MC1503MC1504AD580

AD581

AD584

AD586

AD586JAD2700AD2701AD2710AD2711

AD2712REF-01REF-02LTZ1000LTZ1004LT1009.

Estos elementos presentan las siguientes ventajas:

Modelos ms exactos.

Mayor estabilidad ante perturbaciones.

Mayor regulacin.

Muy baja variacin ante cambios de temperatura.

Niveles de ruido muy bajos.

Se pueden considerar elementos activos.

Son tan fcil de implementar como los elementos pasivos.

Su nivel de voltaje no vara sensiblemente ante cambios de corriente.Desventajas

Son excesivamente caros, el ms barato de estos componentes vale poco menos de $8, incluso algunos de uso dedicado llegan a valer ms de $200.Un dispositivo en particular: el LM113.

Este dispositivo presenta una serie de ventajas, entre las cuales podramos citar:

Posee compensacin de temperatura interna.

Regulacin extremadamente ajustada en un amplio rango de corrientes (resistencia dinmica de 0.3 ( desde los 500 (A hasta los 20 mA).

Voltaje de ruptura inusualmente bajo (1.220 V).

Buena estabilidad ante temperatura (1% desde los 55C hasta los 125 C.

Posee el mismo nivel bajo de ruido y estabilidad de un amplificador operacional.Con el fin de corroborar lo anteriormente afirmado se presenta la siguiente tabla con las especificaciones del fabricante:

Este circuito es extremadamente sencillo a pesar de su complejo esquema interno, es s como funciona es como un diodo zener con un voltaje de ruptura extremadamente bajo, su voltaje en reverso no vara prcticamente nada con la temperatura, lo que lo hacen una fuente de voltaje de referencia extremadamente confiable, para ilustrar mejor lo anterior observe las siguientes figuras:

Figura N3. Diagrama esquemtico del LM113.

Figura N 4. Diagrama de conexin.

De la figura anterior se puede observar cmo este dispositivo cuenta con solamente dos terminales y que es en s un diodo zener muy preciso, adems este dispositivo est listo para usarse en un circuito como el mostrado en la figura N1. El voltaje de ruptura es de 1.220 V y el fabricante recomienda utilizarlo slo en fuentes de bajo voltaje y potencia.

Para observar mejor su comportamiento con respecto a la temperatura y a la corriente se muestran las siguientes curvas caractersticas suministradas por el fabricante:

Como se observa en la figura de la izquierda, cuando el voltaje de reverso alcanza los 1.2 V este voltaje casi no cambia con la corriente de reverso, se ve entonces como este voltaje no variar mientras la corriente se mantenga en el mbito de corriente entre los 0.3 mA hasta los 100 mA.

En la figura de la derecha se ve como el voltaje de reverso se mantendr ms o menos entre los 5C y los 85C.

Todo lo anterior indica que el dispositivo es sumamente confiable y se puede utilizar cuando se requiera de una fuente de referencia de voltaje extremadamente precisa.

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