- Fuentes de alimentación lineales. Parte 1
- Fuentes de alimentación lineales. Parte 2: El filtro
- Fuentes de alimentación lineales. Parte 3: El regulador
En entregas anteriores de esta serie dedicada a las fuentes de alimentación lineales ya vimos la mayoría de los bloques principales, como el transformador, rectificador y filtro. En esta última parte nos queda ver una parte fundamental, como es el regulador de tensión.
Función del regulador
La función del regulador, último bloque de una fuente de alimentación lineal, es doble: por un lado, disminuye el valor del rizado o ripple, mejorando la calidad de la CC de la salida y por el otro fija la tensión de salida a un valor constante frente a las variaciones de la tensión de entrada y de la corriente de carga.
Existe una gran variedad de circuitos reguladores de tensión lineales, pero en general se los puede agrupar en dos grandes tipos: reguladores serie y reguladores paralelos. Los primeros son los mas comunes, así que nos vamos a concentrar en ellos.
Regulador serie
Un regulador de tensión serie consiste en un circuito, típicamente basado en transistores, que se conecta en serie con la carga. Este circuito mide la tensión de salida y a partir de alguna referencia que determina el valor deseado (un zener u otra referencia de tensión) ajusta la caída de tensión entre sus bornes intentando mantener esta tensión de salida en un valor constante.
El diagrama en bloques de un regulador serie es como el que sigue:
Como se puede apreciar, tenemos una tensión de entrada Vi y una de salida Vo. El Elemento de paso produce una caída de tensión VC. También tenemos una corriente por la carga IL y como el elemento de paso está en serie con la carga, también es atravesado por la misma corriente.
El Elemento de control es el encargado de mantener la tensión de salida constante. Para ello toma una muestra de la tensión de salida y la compara con un valor de referencia constante, actuando sobre el elemento de paso.
Para analizar el funcionamiento, pongamos algunos valores de ejemplo. Digamos que la tensión de entrada es de 7V y la de salida tiene que mantenerse en 5V. Eso significa que en el elemento de paso la tensión Vc debe ser de 2V, ya que 7V-2V = 5V.
Si la tensión de entrada aumenta, digamos a 8V, por un breve instante la tensión de salida será de 8V-2V = 6V. El elemento de control notará ese aumento actuando sobre el elemento de paso para que la caída de tensión VC aumente a 3V y que la salida ahora sea de 8V-3V = 5V.
Si en cambio, manteniendo la tensión de entrada a los 7V originales lo que cambia ahora es la corriente de carga IL haciendo que la tensión de salida disminuya, el elemento de control actuará haciendo que la tensión VC también disminuya, para que la tensión de salida vuelva a su valor correcto.
En resumen, el elemento de control ajusta la caída de tensión sobre el elemento de paso (que usualmente es un transistor) intentando mantener constante la tensión a la salida.
Mas adelante veremos que este tipo de circuitos, que son sencillos y fáciles de construir tienen algunos inconvenientes, como requerir de una diferencia de tensión mínima entre la entrada y la salida para funcionar (llamada dropout) y que no hacen un uso eficiente de la energía.
Reguladores integrados
Podemos construir un regulador serie con un circuito como el que se ve en la siguiente figura, basado en transistores, o emplear reguladores integrados especialmente diseñados para esta función, que en la mayoría de los casos son la mejor alternativa.
Regulador de tensión a transistores
Existen muchos reguladores integrados, de distintas marcas, con distintas características para que elijamos el más apropiado para nuestra aplicación.
Reguladores fijos y ajustables
Existen dos tipos básicos de reguladores integrados: los reguladores fijos, que producen a su salida una tensión fija, establecida de fábrica, y los reguladores ajustables, cuyo valor de salida se puede fijar gracias a una combinación de resistencias.
Reguladores fijos
De entre todos los reguladores comerciales, los denominados 78XX son los mas comunes. Ofrecen una tensión de salida fija, que según el regulador elegido, puede ir desde los 3,3 a 24 Volts y son capaces de entregar corrientes de salida máxima de 0,1 a 10 Amperes según el encapsulado. Adicionalmente, en su interior cuentan con circuitos de protección contra cortocircuitos y contra sobrecalentamiento.
La denominación depende de la tensión y corriente máxima de salida y siempre tiene la forma 78AXX, donde A es una letra que especifica la corriente máxima y XX el valor de la tensión: 33 (3,3 V), 05 (5 V), 06 (6 V), 08 (8 V), 09 (9 V), 10 (10V), 12 (12 V), 15 (15 V), 18 (18 V) y 24 (24 V).
Así, por ejemplo, un 78L05 es un regulador de 5 Voltios, con una corriente de salida máxima de 0,1 A y su encapsulado es del tipo TO92; un 78T12 tiene 12 Voltios, soporta hasta 3 A y el encapsulado es tipo TO220.
Las letras que preceden a 78XX dependen del fabricante. Pueden ser LM, KA, etc, dependiendo de la marca del regulador.
El circuito típico de aplicación es muy sencillo, consta sólo del regulador y dos capacitores. La única precaución que se debe tomar es identificar correctamente los tres terminales Entrada, Masa y Salida (Input, GND y Output en inglés) según el encapsulado utilizado, información que debe buscarse en la hoja de datos (datasheet) del regulador.
Además de las restricciones de corriente de salida impuestas por el tipo de encapsulado, los reguladores del tipo 78XX no soportan mas de 35 Voltios a su entrada.
El dropout
Estos circuitos, para funcionar correctamente, requieren que la tensión de entrada sea de un valor mayor que la de salida. Esta diferencia se denomina dropout. En el caso particular de los reguladores de la serie 78XX, el dropout es de al menos 2 Voltios.
Esto significa que, por ejemplo, para que un 7812 funcione correctamente, se le debe suministrar una tensión de unos 14 Voltios mínimo en su entrada.
Los reguladores 78XX ya son un tanto antiguos y por esa razón su dropout es elevado. En reguladores mas modernos, esta tensión puede llegar ser de 1V o incluso menos.
Reguladores de tensión negativa
La serie de reguladores de tensión positiva 78xx se complementa con la 79XX, que entrega tensiones negativas, en circuitos donde se necesiten tanto tensiones positivas como negativas.
Reguladores ajustables
Además de los reguladores fijos, hay reguladores ajustables que permiten elegir la tensión de salida a partir de la relación entre dos resistencias que se agregan en el circuito externo al mismo. Uno de los reguladores ajustables mas populares es el LM317.
El circuito típico para un LM317 se puede ver en la siguiente imagen.
La tensión de salida viene dada por la siguiente relación:
V_O = 1.25 \cdot (1 + \frac{R_2}{R_1} )Generalmente la R1 se deja fija y se varía R2 hasta alcanzar el valor de tensión deseado.
El valor mínimo de la tensión de salida es de 1,25 Voltios y el máximo está determinado por la tensión de entrada al LM317, hasta un máximo de 37 V. La corriente máxima de salida es de 1,5 Amperes, pero si se requieren corrientes mayores se puede utilizar un transistor externo.
En la imagen de mas abajo se puede apreciar la distribución de terminales, llamados Ajuste, Salida y Entrada (Adjust, Vout and Vin en inglés). El terminal central (Salida) está unido eléctricamente a la chapa disipadora del encapsulado.
Reguladores LDO
Como te expliqué antes, los reguladores serie requieren que haya una diferencia de tensión entre la entrada y la salida, lo que se conoce como dropout. Un valor elevado impone restricciones de diseño cuando se utiliza este tipo de reguladores. Por ejemplo, si queremos emplear un regulador para obtener 3V a partir de una batería tipo 18650 que tiene una tensión máxima de 4,2 Voltios como mucho, necesitaremos de un regulador con un dropout muy bajo, para que se mantenga funcionando lo mas posible cuando la tensión de la batería disminuya al irse descargando.
Para aquellas aplicaciones en donde no podemos cumplir con ese valor, donde la tensión de entrada es poco menor que la tensión de salida deseada, debemos utilizar los reguladores denominados LDO (Low Dropout).
Por ejemplo, el MCP1700 de Microchip tiene un dropout de unos 0,2 Voltios, lo que singnifica que podemos obtener una tensión de 3V de salida con una tensión de apenas 3,2V en la entrada.
Eficiencia energética
Los reguladores serie son muy sencillos pero tienen un problema: son muy ineficientes energéticamente. Para entenderlo, volvamos al diagrama en bloques de la Fig. 1. Para ajustar la tensión de salida, es necesario que haya una caída de tensión sobre el elemento de paso, VC. Como este elemento está en serie con la carga, los dos son atravesados por la misma corriente IL y tendremos una potencia en la carga PL y otra sobre elemento de paso PC que serán iguales a IL x VL e IL x VC respectivamente.
Volviendo al ejemplo con el que empezamos, con una tensión de entrada de 7V y una de salida de 5V, si la corriente por la carga es de 1A, las potencias serán de 5 Watts en la carga y 2 Watts en el regulador. La potencia sobre la carga se aprovecha pero la potencia sobre el regulador no, se convierte en calor y se desperdicia. Por esta causa, el rendimiento energético es de estos reguladores es pobre.
Cuando necesitamos una potencia de salida mayor a unos 10 Watts y una elevada eficiencia energética debemos usar fuentes conmutadas y no fuentes lineales.
Resumen
Hojas de datos
Estas son las hojas de datos o datasheets de algunos reguladores mencionados en este artículo, para que las consultes y sigas aprendiendo sobre estos componentes.
Calculadora
La siguiente calculadora te facilitará el trabajo de diseñar un circuito regulador con el LM317:
Conclusiones
En este artículo vimos los distintos tipos de reguladores y mas específicamente los reguladores serie. También revisamos las principales características de una familia de reguladores muy conocida, los 78XX: circuito típico y características eléctricas. Analizamos el problema del dropout y los reguladores LDO y también vimos el tema de la eficiencia energética y en que aplicaciones ya no es conveniente usar fuentes de alimentación lineales.