Fuente de Alimentación con Op-Amp.
Revisión 1.4
Fuente de alimentación con un integrado 741.
Cuando buscamos una fuente de alimentación simple que funcione con el Op-Amp 741. A propósito de circuitos reguladores de voltaje variable usando el circuito integrado 741, éste circuito integrado ha sido famoso durante muchos años y sigue siendo útil todavía.
Regulador a transistores como sensor de error.
El transistor como sensor de voltaje.
Diodo Zener y regulador Op-Amp.
El regulador de voltaje que usa diodo zener y Op-Amp
Uso del amplificador operacional como sensor de error
Almacenamiento en búfer del amplificador operacional
Regulador a transistores como sensor de error.
Considero buen momento para repasar los conocimientos adquiridos. En primer lugar repasaremos una versión básica de un regulador a transistores como sensor de error, después trataremos de encajar un circuito amplificador operacional.
Fig.1 Fuente Básica.
Vista del esquema de bloques para una mejor comprensión de cómo funciona el circuito.
Fig.2 Diagrama de bloques.
En cuanto al transistor de potencia en el esquema, podemos considerar el transistor de paso en serie como una resistencia variable o potenciómetro.
Cualquier etapa tiene una resistencia efectiva. Hay una caída de tensión en la unión C-E. Cuando la corriente a través de la carga aumenta, la tensión a través del transistor de paso aumenta, sin embargo, la tensión de salida en la carga disminuye.
Fig.3 Las tensiones y corrientes con carga.
Las resistencias R1, R2 y R3 forman un divisor de tensión. Por lo que el terminal central del potenciómetro R2 presentará una caída de tensión (no llega a ser cero), pero si es una muestra de la caída de voltaje.
Fig.4 Divisor de tensión.
De manera que el transistor Q2 en este caso es un comparador para controlar a Q1, comparará el voltaje preciso de referencia zener con el ‘voltaje establecido’ (R2) para controlar el voltaje de la base de Q1.
Fig.5 Comparador de voltaje.
EL TRANSISTOR COMO SENSOR DE VOLTAJE.
Veremos el funcionamiento del transistor Q2 como sensor de error y aplicar la potencia al circuito. Q1 estará completamente encendido a través de la resistencia Ra, sin embargo, el voltaje de salida aumentará hasta el punto estimado por el ajuste del control deslizante de R2 y Q2. En estas condiciones Q2 genera una caída de tensión entre sus terminales de colector y emisor, sumado al voltaje del zener.
Fig.6 Transistor regulador como sensor.
Por lo tanto, este voltaje llega a la base de Q1 y permite una salida en el emisor que es 0,6 V menor que el voltaje de la base. El voltaje de salida a través del transistor Q2 puede ajustar el voltaje de colector del transistor Q1. Hasta que se produce un estado que es estable para el ajuste de R2. Si aumenta la corriente de carga el voltaje en la base de Q2 cae ligeramente y Q2 se apaga ligeramente, aumentando así la tensión de salida.
Fig.7 Aumenta la corriente de carga.
Resumiendo, el voltaje en la base de Q1 aumenta a través del ajuste de Ra. Lo que provoca que Q1 se encienda más alto para aumentar el voltaje de salida. El amplificador de error Q2 detecta cualquier diferencia entre el voltaje zener y el voltaje de referencia (llamado señal de error). Si la señal de error cambia, el transistor Q2 amplifica esta señal, y lo retroalimenta a la base del transistor de paso Q1 en serie para ajustar su resistencia efectiva.
DIODO ZENER Y REGULADOR OP-AMP.
Este circuito regulador utiliza un diodo zener y un amplificador operacional, este circuito consume una corriente muy baja de alrededor de 1 mA. Aunque el voltaje de entrada sea muy estable, hay un voltaje de ondulación de aproximadamente 1 mA debido al diodo zener.
¿Cómo funciona? Habitualmente utilizamos un diodo zener para hacer un regulador de voltaje fijo, es un circuito muy común. Pero este regulador de voltaje no es muy estable ya que tiene demasiadas ondulaciones (el ruido en amplitud y picos de voltaje) y cambia el voltaje con el cambio de la temperatura.
Fig.8 Regulador con zener y Op-Amp.
EL REGULADOR DE VOLTAJE QUE USA DIODO ZENER Y OP-AMP.
En el circuito de la figura 8, conectamos el voltaje de referencia a la entrada no inversora del circuito 741. Esto nos dará un voltaje de salida igual al voltaje zener multiplicado por la ganancia del amplificador operacional según se indica continuación:
Vo = Vz * ((R2 + R3)/R3)
Este circuito tiene dos ventajas:
- Se puede utilizar un zener con coeficiente de baja temperatura (5,6V), para obtener un voltaje de salida que dependa sólo de la guanacia del amplificador operacional.
- La entrada del amplificador operacional no extrae corriente del diodo zener.
Como la corriente del diodo zener es constante, la corriente de la resistencia R1 también será constante, tendremos la salida como regulador de voltaje de corriente continua, y retroalimenta al diodo zener por R1, la corriente de zener:
Iz = (Vo-Vz) / R1.
Por lo tanto, debemos de seleccionar R1 con un valor de corriente de flujo a través del diodo zener de aproximadamente 1 mA. El flujo de corriente máximo en la salida es de aproximadamente 15 mA en el voltaje de referencia. Precaución, la tensión de suministro para el circuito tendrá un voltaje mayor que la salida de 1 voltio.
USO DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL COMO SENSOR DE ERROR
En esta ocasión vamos a ver que la detección de errores puede ser detectada por un amplificador operacional. Utilizaremos un amplificador operacional en lugar de un transistor para la detección los errores.
Fig.9 Detector de error con Op-Amp 741.
Circuito amplificador de error en la fuente de alimentación regulada con un amplificador operacional el popular 741.
Cómo funciona. La tensión en la entrada no inversora (+) es la tensión zener. La tensión entre las dos entradas del amplificador operacional se puede considerar 0V, sin embargo, la tensión en la entrada no inversora (+) es la tensión zener y el amplificador operacional tiende a igualar la tensión en ambas entradas, la tensión en la entrada inversora (-) tiende a ser la misma que la tensión zener. Para que esto se cumpla, la tensión de salida cambiará de forma que la tensión a extremos de R1 más la tensión del extremo del potenciómetro hasta su cursor, se modificará para que se cumpla que la tensión en la entrada inversora sea la tensión zener.
Si Vz = 3,3V la tensión en la entrada no inversora (+) será la misma. Suponiendo que el cursor del potenciómetro está abajo, la tensión será igual a R2(1k)+(25k)pot, es decir: Vcur=Vs (R3/R1+R2+R3)
despejando: Vs = Vcur((R2+RV1+R3)/R3) que sustituyendo Vs = 3,3 ((1k+15k+2k7)/2k7) = 22.46V
Vs = 3,3 ((680+15k+2k7)/2k7) = 22,46V
ALMACENAMIENTO EN BÚFER DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Si con la salida del amplificador operacional atacamos la base del 2N3055, tendríamos una decepción debido a que obtendríamos una fuente de alimentación con una corriente de salida muy pobre. El motivo es que el amplificador operacional entrega una salida de unos 25mA, naturalmente esta corriente activara la base del transistor 2N3055. Para el 2N3055 la guanacia es 20, de manera que, la salida de la fuente de alimentación será 25×20 = 500mA.
Para aumentar esta corriente será preciso amplificar dicha corriente de 25mA con un transistor amplificador en darlington de la siguiente manera:
Fig. 10
Debemos aplicar un transistor amplificador de corriente Q2 que a su vez aplicará su salida al 2N3055 (o TIP35), este cableado se conoce como darlington, que en realidad multiplica la ganancia de cada transistor alcanzando valores de 1000 o más. A fin de cuentas lo que nos interesa es conseguir una mayor corriente de salida respetando los parámetros disponibles.
¿CÓMO FUNCIONA ESTE CIRCUITO?
En primer lugar en este circuito con una tensión de corriente continua de entrada no regulada entre 20 y 30V, convertirla en una tensión de 20V regulada y una corriente de 3 Amperes. Luego, para el control de un voltaje estable utilizaremos un diodo zener y el útil Op-Amp 741. El zener D2 y R1 proporcionan un voltaje de referencia para el entrada no inversora pin 3 del 741. La corriente sale por el pin 6 del 741, a la base del transistor Q2 (BC547) que junto con Q1 (2N3055/TIP35) y R4 se encuentran montados como un transistor darlington de potencia, para aumentar le corriente de salida.
En muchas ocasiones se presentan corrientes mayores, en esos casos necesitamos un circuito de protección para evitar averiar la propia fuente de alimentación. Proponemos una protección para la fuente de alimentación que nos evite su avería.
Para dicha protección necesitaremos el circuito que se muestra en la figura que sigue.
Fig. 11 Circuito de Protección.
El protector actúa de esta forma:
- Normalmente la fuente entrega una tensión a su salida del nivel que se le ha configurado con el pot. RV1.
- Si por alguna razón la corriente que se deriva en la carga sobrepasa un límite preestablecido, la corriente que atraviesa la resistencia R5/R6, provoca una caída de tensión en sus extremos que lleva a la conducción del transistor Q3.
- Cuando esto ocurre la corriente de base del transistor Q2 se precipita hasta la salida através de Q3, reduciendo así la corriente de base de Q1, bajando la tensión de salida y por lo tanto la corriente.
- Si la demanda de corriente sigue aumentando, el transistor Q3 derivará una mayor cantidad la corriente, llegando a reducir la tensión de salida hasta el nivel suficiente para que no se destruya la fuente de alimentación.
Mientras persista la corriente de sobrecarga, se producirá una tensión a través de R5/R6 0’1, con los 0’6V en BE del transistor Q3 se activará reduciendo la corriente de base de Q2-Q1.
Fig. 12 Esquema de la fuente básica.
Por lo tanto, Q1 y Q2 reducen su paso de corriente de salida a baja tensión o carga de manera segura. El condensador C1 evita oscilaciones indeseadas. De esta forma damos por terminado esta experiencia con la fuente básica de alimentación regulada con transistor y operacional, con control de cortocircuito.
Esto es todo, por este simple tutorial.