El cálculo de circuitos electrónicos es algo que todos los técnicos y los ingenieros deben dominar y los estudiantes deben entrenar al máximo. Aunque hay muchos circuitos integrados que contienen las funciones que necesitamos para un proyecto, hay casos en que el proyectista tiene que calcular un circuito completo a partir de componentes discretos. En este tema se muestra por los estudiantes (y para los técnicos e ingenieros que desean recordar) el cálculo empírico de una etapa de regulación de voltaje usando transistores y diodos Zener.
Lo que proponemos al lector es el proyecto de un estabilizador de voltaje tipo serie que utiliza dos transistores y tiene el diagrama de bloques mostrado en la Figura 1.
El uso de transistores NPN bipolares convencionales tienen la configuración del circuito de los lectores conocidos que muestran en la Figura 2.
Pasando a un caso real, vamos a suponer que queremos las siguientes características de nuestro proyecto:
Ve = entrada de tensión = 22 Voltios
Vs = tensión de salida = 12 voltios
IL = Corriente de carga = 1
Rs = resistencia interna de la fuente = 8 ohmios
RL = resistencia de carga = 12 ohmios
El procedimiento descrito a continuación puede servir de base para el proyecto de regulación que también utilizan transistores PNP ya que el diodo Zener se invierte y la polaridad de la tensión aplicada.
También observamos que el lector debe ser sensible a modificar los parámetros de los componentes utilizados, si los resultados conducen a absurdo o componentes con valores difíciles de encontrar.
PROCEDIMIENTO
a) Elección del diodo Zener
Para este tipo de circuito puede ser elegido lo que tiene una tensión zener entre 1/3 y 2/3 de la tensión de salida en los casos ordinarios.
Un procedimiento típico consiste en la elección de un diodo zener con la mitad de la tensión de salida.
Esto nos lleva al valor de 9,1 voltios (9V1), que es bastante común en el mercado de componentes.
El tipo de 1 W se pueden encontrar fácilmente lo que nos permite calcular, por el efecto del diseño que es la corriente máxima que puede admitir:
Vz = 9,1
Pz = 1 W
Iz (max) = ?
Iz (max) = Pz / Vz
Iz (max) = 1 / 9.1
Iz (max) = 0,109 A o 109 mA
b) Cálculo de la tensión V2 (que aparece en la resistencia R2) y por lo tanto a la base del transistor Q2 y para calcular la corriente I2 que pasa a través de la resistencia Rc del circuito de la Figura 1.
Tenga en cuenta que la tensión V2 es la tensión zener (Vz) más la caída de tensión que se produce en la unión base emisor del transistor Q2 que es del orden de 0,6 V.
Por lo tanto:
V2 = Vz + 0,6
V2 = 9,1 + 0,6
V2 = 9,7 volts
La corriente I2 es la corriente de colector de Q2 a través de la corriente de base Q1.
Teniendo en cuenta el voltaje V2 de la corriente I2 está dada por:
I2 = IL / V2
I2 = 1 / 9.7
I2 = 0,103 A o 103 mA
Como este valor es mayor que la corriente máxima que el zener puede aceptar, por conveniencia adopta un valor más pequeño con un margen de seguridad.
A efectos de cálculo que hemos adoptado:
I2 = 60 mA
c) Cálculo resistencia Rc en serie con el transistor Q2 a una corriente de 80 mA.
Tenga en cuenta que el transistor utilizado para el Q1 debe tener ciertos requisitos mínimos para poder funcionar en este circuito.
Así que para Vce (máxima tensión entre el colector y el emisor) adoptado la siguiente fórmula:
Dónde:
VCE - Tensión máxima entre el colector y el emisor (V)
Ve - Paso de tensión de entrada (V)
DVE - variación máxima de tensión de entrada (V)
Vs - Voltaje de salida (voltios)
Re - resistencia interna de la fuente (Ω)
RL - resistencia de carga (ohmios)
DRL - máxima resistencia de carga variación (ohmios)
VCE = 22 + 5 - 12 (1 + 8/15)
VCE = 27 a la 18.4
VCE = 8,6 volts
Tenga en cuenta que Dve es la variación máxima de la tensión de entrada (hacia arriba), mientras que Dr1 es la variación máxima de la resistencia de carga (para más)
Un transistor con una tensión entre el colector y el emisor de más de 20 V debe funcionar de manera satisfactoria en el circuito.
La corriente de colector viene dada por la corriente de carga:
Ic (max) = Icarga= 1 ampere
Cálculo de la resistencia Rc:
Para ello utilizamos la fórmula:
Rc = (Ve - DVE - VL - VBE) / I2
Rc = (22-5 - 12 a 0,6) / 0,06
R = 4,4 / 0,6
R = 73,3 Ω
El valor comercial más cercano puede ser de 82 ohmios.
Disipación:
P = Rc x I2
P = 0,06 x 82
P= 4 W
d) la determinación de los parámetros Q2:
Vce (max)> Vs + VBE
Vce (max)> 12-0,6
VCE (max)> 12.6 voltios
Ic (max) = I2 - Ib1 = 30 mA
Suponiendo una ganancia superior a 50 tenemos:
hfe = 50
Ic2 = 30 mA
Ib2 =?
IB2 = Ic2 / HFE
Ib2 = 0,03 / 50
IB2 = 0,0006
Ib2 = 0,6 mA
e) R1 y R2 Cálculo
Una condición importante para el funcionamiento estable de este circuito es que Io es mucho mayor que la corriente Ib2. Esto es necesario para evitar que se cargue el circuito divisor de tensión.
Un procedimiento típico es hacer que la corriente Io al menos 20 veces mayor que Ib2. 0,6 mA a 10 mA puede adoptar para Io segura.
El valor de la resistencia R2 está dada por:
R2 = V2 / Io
R2 = 9,7 / 0,01
R2 = 970 ohmios
Se puede adoptar 1k valor comercial como más cercano.
El valor de R1 está dada por:
R1 = (Vs - V2) / Io
R1 = (12 a 9.7) / 0,01
R1 = 2,3 / 0,01
R1 = 230 ohmios
El valor comercial más cercano es de 220 ohmios.
CONCLUSIÓN:
El uso de transistores comunes conocidos puede llegar a la última etapa de nuestra configuración como se muestra en la Figura 3.
Sugerimos lectores para recalcular el mismo paso utilizando diodos zener 10 voltios también cambian el voltaje de salida a otros valores.
El conjunto de circuito en la matriz de contactos puede ayudar al lector suficiente y comprobar en la práctica los resultados obtenidos por los cálculos.