ELECTRÒNICA ANALÒGICA. Curs 2002/03

PRÀCTICA 1.  FONT D’ALIMENTACIÓ REGULADA

 

 

1. Introducció.

 

En aquesta pràctica se simularà i montarà una font d’alimentació regulada per zener. Una font d’alimentació regulada és un circuit electrònic tal que a partir d’un senyal d’entrada altern, com pot ser la xarxa d’alimentació ens proporciona un senyal continu de tensió fixa i molt estable. Quan més estable sigui aquesta tensió contínua millor serà la font d’alimentació. En general una font d’alimentació consta d’un transformador i circuit rectificador, d’un circuit de filtratge i finalment d’un regulador o estabilitzador de tensió. L’objectiu d’aquesta pràctica consisteix en realitzar una anàlisi del comportament d’una font d’alimentació i verificar experimentalment el comportament abans analitzat. Per això al llarg de la pràctica s’haurà de realitzar una anàlisi simple teòrica, un exercici de simulació, emprant el simulador Spice ja conegut pels estudiants i finalment una anàlisi experimental a través del muntatge en protoboard del circuit en qüestió.

 

2. Anàlisi teòrica

El següent circuit (figura 1) es pot considerar com un exemple de font d’alimentació. Aquí, el rectificador seria el circuit format pels dos diodes, el circuit de filtratge el format pel condensador i el circuit regulador el format per la resistència RD i el Zener DZ. RL representa la càrrega que connectam a la sortida de la font d’alimentació.

 

Figura 1

 

Q1.- Suposant que el senyal filtrat (tensió al condensador) varia entre 17V i 14V, i que el corrent mínim per tal que el zener reguli adequadament és de 2 miliampers, determinau el valor mínim que pot tenir la càrrega, RL,min, per tal que es tengui una tensió de sortida regulada. Preneu RD=500W i C=100mF en la realització de l’anàlisi.

3. Simulació SPICE

 

Q2.- Editau un fitxer SPICE amb la netlist del circuit de la Figura 2. Considerau que :

RD=500W, C=100mF. RIS=100MW, RS=0.2W,

 

Figura 2

 

Per a simular el transformador de 220V/12Vamb toma central utilitzau el següent codi:

 

LP A D                        10mH

LS1 B C                      29.8uH

LS2 C E                       29.8uH

K12 LP LS1                0.999

K13 LP LS2                0.999

K23 LS1 LS2              0.999

 

a on A, B, C, D, i E seran els números de node que hàgiu posat en la descripció del circuit.

 

Un diode és defineix a la netlist de la següent manera :

 

Dnom    T+      T-     nom_model

 

on Dnom indica que és un diode (nom pot ser qualsevol conjunt alfanumèric que identifica el diode que volem definir), T+ és el número de node del terminal positiu i T- el del terminal negatiu. Finalment nom_model fa referència a un model on definirem els paràmetres Spice que modelen el comportament del diode en qüestió.

 

Per tal de modelar els diodes 1N4004 i el zener 1N5231 (Vz = 5.1V i Pz = 0.5W), utilitzau el codi següent:

 

.model D1N4004        D(Is=14.11n N=1.984 Rs=33.89m Ikf=94.81 Xti=3 Eg=1.11

+                              Cjo=25.89p M=.44 Vj=.3245 Fc=.5 Bv=600 Ibv=10u Tt=5.7u)

 

.model D1N5231        D(Is=1.004f Rs=.5875 Ikf=0 N=1 Xti=3 Eg=1.11 Cjo=160p M=.5484

+                              Vj=.75 Fc=.5 Isr=1.8n Nr=2 Bv=5.1 Ibv=27.721m Nbv=1.1779

+                              Ibvl=1.1646m Nbvl=21.894 Tbv1=176.47u)

 

Q3.- Realitzau una simulació temporal per a determinar la tensió a la resistència de càrrega. Observau les formes d’ona a la sortida del transformador, després del filtratge, i la sortida ja regulada pel diode zener. Considerau RL=1kW.

 

NOTA: Si apareixen problemes de convergència en la simulació .TRAN es pot provar afegint la següent línea  al codi Spice :

.OPTION ABSTOL = 1u

 

Q4.- Realitzau diverses simulacions variant RL per tal de determinar el valor mínim d’aquesta resistència (RL,min) a partir del qual el zener deixa de regular adequadament la tensió de sortida. Comparau amb el valor determinat a l’anàlisi teòric.

 

Q5.- Determinau les potències dissipades en les resistències RD, RL , i en els diodes D1, D2 i DZ, utilitzant RL=1KW, RL = RL,min, i sense resistència de càrrega.

 

Q6.- Determinau utilitzant RL = 1KW, el valor mínim de C per el qual el regulador deixa de funcionar adequadament. Raonau el resultat a la vista de la tensió de sortida del bloc de filtratge, just abans de ser regulada pel diode zener.

 

Q7.- Calculau el factor de regulació de càrrega de la font, definit com:

 

on Vo(NL) (No Load) significa tensió de sortida sense càrrega (resistència de càrrega infinita, o el que és el mateix corrent de sortida nul) i Vo(FL) (Full Load) significa tensió de sortida a plena càrrega (resistència de sortida mínima o el que és el mateix corrent de sortida màxim).

 

Aquest paràmetre ens dona una idea de la qualitat de la font, ja que representa les variacions de la sortida quan varia la càrrega, o el que és el mateix quan varia el corrent que ha de donar la font d’alimentació.

 

4. Montatge experimental

 

Montau el circuit representat a l’esquema de la Figura 3. Utilitzau el diode zener BZX55C5V1, un condensador de 100 mF, una resistència RD formada per dues resistències de 1kW en paral.lel i un potenciòmetre de 1kW com a resistència de càrrega (RL).

Figura 3

A continuació realitzau les següents mesures :

 

Q8.- Amb RL al seu valor màxim, comprovau com la sortida està regulada i anotau la tensió de regulació. En aquesta mateixa situació mesurau les ones de tensió amb l’oscil.loscopi que es donen als punts B, E, al condensador (Vc)  i a la sortida Vo.

 

Q9.- Determinau el valor de RL per el qual el regulador deixa de funcionar. Per això heu d’anar davallant el valor del potenciòmetre a la vegada que anau observant la sortida a l’oscil.loscopi. Determinau també el factor de regulació de càrrega de la font implementada.

 

Q10.- Comprovau com el circuit deixa de funcionar quan C és molt més petita. Provau-ho amb C=220nF. Representau la tensió en el condensador (Vc)  i a la sortida (Vo) en aquest cas. Explicau el motiu.