Regulador lineal
En electrónica, un regulador lineal es un regulador de voltaje utilizado para mantener un voltaje constante. La resistencia del regulador varía de acuerdo con el voltaje de entrada y la carga, lo que resulta en un voltaje de salida constante. El circuito regulador varía su resistencia, ajustando continuamente una red divisora de voltaje para mantener un voltaje de salida constante y disipando continuamente la diferencia entre los voltajes de entrada y regulados como calor residual. Por el contrario, un regulador de conmutación utiliza un dispositivo activo que se enciende y se apaga (oscila) para mantener un valor promedio de salida. Debido a que el voltaje regulado de un regulador lineal siempre debe ser menor que el voltaje de entrada, la eficiencia es limitada y el voltaje de entrada debe ser lo suficientemente alto para permitir que el dispositivo activo siempre caiga algo de voltaje.
Los reguladores lineales pueden colocar el dispositivo de regulación en paralelo con la carga (regulador de derivación) o pueden colocar el dispositivo de regulación entre la fuente y la carga regulada (un regulador en serie). Los reguladores lineales simples solo pueden contener un diodo Zener y una resistencia en serie; los reguladores más complicados incluyen etapas separadas de referencia de voltaje, amplificador de error y elemento de paso de energía. Debido a que un regulador de voltaje lineal es un elemento común de muchos dispositivos, los circuitos integrados reguladores de un solo chip son muy comunes. Los reguladores lineales también pueden estar formados por conjuntos de componentes de tubo de vacío o de estado sólido discretos.
A pesar de su nombre, los reguladores lineales son circuitos no lineales porque contienen componentes no lineales (como los diodos Zener, como se muestra a continuación en el regulador de derivación simple) y porque el voltaje de salida es idealmente constante (y un circuito con un la salida constante que no depende de su entrada es un circuito no lineal).
Resumen
El transistor (u otro dispositivo) se usa como la mitad de un divisor de voltaje para establecer el voltaje de salida regulado. El voltaje de salida se compara con un voltaje de referencia para producir una señal de control al transistor que impulsará su puerta o base. Con retroalimentación negativa y una buena elección de compensación, el voltaje de salida se mantiene razonablemente constante. Los reguladores lineales suelen ser ineficientes: dado que el transistor actúa como una resistencia, desperdiciará energía eléctrica al convertirla en calor. De hecho, la pérdida de potencia debida al calentamiento en el transistor es la corriente multiplicada por la diferencia de tensión entre la tensión de entrada y la de salida. La misma función a menudo se puede realizar de manera mucho más eficiente con una fuente de alimentación de modo conmutado, pero se puede preferir un regulador lineal para cargas livianas o donde el voltaje de salida deseado se acerca al voltaje de la fuente. En estos casos, el regulador lineal puede disipar menos potencia que un conmutador. El regulador lineal también tiene la ventaja de no requerir dispositivos magnéticos (inductores o transformadores) que pueden ser relativamente costosos o voluminosos, siendo a menudo de diseño más simple y causan menos interferencia electromagnética. Algunos diseños de reguladores lineales usan solo transistores, diodos y resistencias, que son más fáciles de fabricar en un circuito integrado, lo que reduce aún más su peso, espacio en una placa de circuito impreso y precio.
Todos los reguladores lineales requieren un voltaje de entrada al menos una cantidad mínima superior al voltaje de salida deseado. Esa cantidad mínima se llama voltaje de caída. Por ejemplo, un regulador común como el 7805 tiene un voltaje de salida de 5 V, pero solo puede mantenerlo si el voltaje de entrada permanece por encima de los 7 V, antes de que el voltaje de salida comience a caer por debajo de la salida nominal. Por lo tanto, su voltaje de caída es de 7 V − 5 V = 2 V. Cuando el voltaje de suministro es inferior a unos 2 V por encima del voltaje de salida deseado, como es el caso de las fuentes de alimentación de microprocesador de bajo voltaje, se denomina caída baja Se deben utilizar reguladores (LDO).
Cuando el voltaje regulado de salida debe ser mayor que el voltaje de entrada disponible, ningún regulador lineal funcionará (ni siquiera un regulador de caída baja). En esta situación, se debe usar un convertidor elevador o una bomba de carga. La mayoría de los reguladores lineales continuarán proporcionando un voltaje de salida aproximadamente el voltaje de caída por debajo del voltaje de entrada para entradas por debajo del voltaje de salida nominal hasta que el voltaje de entrada caiga significativamente.
Los reguladores lineales existen en dos formas básicas: reguladores en derivación y reguladores en serie. La mayoría de los reguladores lineales tienen una corriente de salida nominal máxima. Esto generalmente está limitado por la capacidad de disipación de energía o por la capacidad de transporte de corriente del transistor de salida.
Reguladores de derivación
El regulador de derivación funciona proporcionando un camino desde el voltaje de alimentación hasta tierra a través de una resistencia variable (el transistor principal está en la 'mitad inferior' del divisor de voltaje). La corriente a través del regulador de derivación se desvía de la carga y fluye directamente a tierra, lo que hace que esta forma sea menos eficiente que el regulador en serie. Sin embargo, es más simple, a veces consta de solo un diodo de referencia de voltaje y se usa en circuitos de muy baja potencia donde la corriente desperdiciada es demasiado pequeña para ser preocupante. Esta forma es muy común para los circuitos de referencia de voltaje. Un regulador de derivación generalmente solo puede hundir (absorber) corriente.
Reguladores de serie
Los reguladores en serie son la forma más común; son más eficientes que los diseños de derivación. El regulador en serie funciona al proporcionar un camino desde el voltaje de suministro hasta la carga a través de una resistencia variable, generalmente un transistor (en esta función, generalmente se denomina transistor de paso en serie); está en la "mitad superior" del divisor de tensión - siendo la mitad inferior la carga. La potencia disipada por el dispositivo de regulación es igual a la corriente de salida de la fuente de alimentación multiplicada por la caída de tensión en el dispositivo de regulación. Para lograr eficiencia y reducir el estrés en el transistor de paso, los diseñadores intentan minimizar la caída de voltaje, pero no todos los circuitos se regulan bien una vez que el voltaje de entrada (no regulado) se acerca al voltaje de salida requerido; los que lo hacen se denominan reguladores de caída baja. Un regulador en serie generalmente solo puede generar (suministrar) corriente, a diferencia de los reguladores de derivación.
Regulador de derivación simple
La imagen muestra un simple regulador de voltaje que opera a través de la acción del diodo Zener de mantener un voltaje constante en sí mismo cuando la corriente a través de él es suficiente para llevarlo a la región de descomposición Zener. La resistencia R1 suministra la corriente Zener IZ{displaystyle I_{mathrm {Z} así como la corriente de carga IR2 ()R2 es la carga). R1 puede calcularse R1=VS− − VZIZ+IR2{displaystyle R1={frac [V_{mathrm] {S}-V_{mathrm {Z}{I_{mathrm {Z}+I_{mathrm {R2}}}}, donde VZ{displaystyle V_{mathrm {Z} es el voltaje Zener, y IR2 es la corriente de carga necesaria.
Este regulador se utiliza para aplicaciones de baja potencia muy simples donde las corrientes involucradas son muy pequeñas y la carga está conectada permanentemente a través del diodo Zener (como circuitos de referencia de voltaje o fuente de voltaje). Una vez R1 se ha calculado, eliminando R2 permitirá la corriente de carga completa (más la corriente Zener) a través del diodo y puede exceder la calificación máxima de corriente del diodo, lo que la daña. La regulación de este circuito también no es muy buena porque la corriente Zener (y por lo tanto la tensión Zener) variará dependiendo de VS{displaystyle V_{mathrm {S} e inversamente dependiendo de la corriente de carga. En algunos diseños, el diodo Zener puede ser reemplazado por otro dispositivo de funcionamiento similar, especialmente en un escenario de ultra-bajo tensión, como (bajo ses delanteros) varios diodos normales o LEDs en serie.
Regulador serie simple
Añadiendo una etapa de seguimiento de emisores al regulador simple shunt forma un simple regulador de tensión de serie y mejora sustancialmente la regulación del circuito. Aquí, la corriente de carga IR2 es suministrado por el transistor cuya base está ahora conectada al diodo Zener. Así la corriente base del transistor (I)B) forma la corriente de carga para el diodo Zener y es mucho menor que la corriente a través de R2. Este regulador se clasifica como "series" porque el elemento regulador, viz., el transistor, aparece en serie con la carga. R1 establece la corriente Zener (IZ) y se determina como R1=VS− − VZIZ+K⋅ ⋅ IB{displaystyle R1={frac [V_{mathrm] {S}-V_{mathrm {Z}}{I_{mathrm {Z}+Kcdot I_{mathrm {B}}}} Donde, VZ es el voltaje Zener, yoB es la corriente base del transistor, K = 1.2 a 2 (para asegurar que R1 es lo suficientemente bajo para ser adecuadoB) y IB=IR2hFE()min){displaystyle I_{mathrm {B}={frac {I_{mathrm} {R2}}{h_{mathrm {FE(min)} } ¿Dónde?R2 es la corriente de carga necesaria y es también la corriente de emisor del transistor (según sea igual a la corriente de colector) y hFE(min) es la ganancia corriente mínima aceptable de DC para el transistor.
Este circuito tiene una regulación mucho mejor que el regulador de derivación simple, ya que la corriente de base del transistor forma una carga muy ligera en el Zener, lo que minimiza la variación en el voltaje del Zener debido a la variación en la carga. Tenga en cuenta que el voltaje de salida siempre será alrededor de 0,65 V menos que el Zener debido a la caída de VBE del transistor. Aunque este circuito tiene una buena regulación, aún es sensible a la variación de carga y suministro. Esto se puede resolver incorporando circuitos de retroalimentación negativa. Este regulador se utiliza a menudo como un "prerregulador" en circuitos reguladores de voltaje en serie más avanzados.
El circuito se puede ajustar fácilmente agregando un potenciómetro a través del Zener, moviendo la conexión de la base del transistor desde la parte superior del Zener hasta el limpiaparabrisas. Puede hacerse paso ajustable cambiando en diferentes Zeners. Finalmente, ocasionalmente se hace microajustable agregando un potenciómetro de bajo valor en serie con el Zener; esto permite un pequeño ajuste de voltaje, pero degrada la regulación (ver también multiplicador de capacitancia).
Reguladores fijos
Reguladores lineales de tres terminales, utilizados para generar "fijos" voltajes, están fácilmente disponibles. Pueden generar más o menos 3,3 V, 5 V, 6 V, 9 V, 12 V o 15 V, y su rendimiento generalmente alcanza su punto máximo alrededor de una carga de 1,5 amperios.
El "78xx" (7805, 7812, etc.) regulan los voltajes positivos mientras que el "79xx" serie (7905, 7912, etc.) regulan tensiones negativas. A menudo, los dos últimos dígitos del número de dispositivo son el voltaje de salida (por ejemplo, un 7805 es un regulador de +5 V, mientras que un 7915 es un regulador de −15 V). Hay variantes en los circuitos integrados de la serie 78xx, como 78L y 78S, algunos de los cuales pueden suministrar hasta 2 A.
Ajuste de reguladores fijos
Al agregar otro elemento de circuito a un regulador IC de voltaje fijo, es posible ajustar el voltaje de salida. Dos métodos de ejemplo son:
- Se puede añadir un diodo o resistor Zener entre la terminal terrestre y el suelo del IC. Los repetidores son aceptables cuando la corriente terrestre es constante, pero son mal adaptados a los reguladores con corriente de suelo variable. Al cambiar en diferentes diodos Zener, diodos o resistores, el voltaje de salida se puede ajustar de forma gradual.
- Un potenciómetro se puede colocar en serie con la terminal terrestre para aumentar el voltaje de salida variamente. Sin embargo, este método degrada la regulación, y no es adecuado para reguladores con corriente de suelo variable.
Reguladores variables
Un regulador ajustable genera un voltaje nominal bajo fijo entre su salida y su terminal de ajuste (equivalente al terminal de tierra en un regulador fijo). Esta familia de dispositivos incluye dispositivos de baja potencia como LM723 y dispositivos de media potencia como LM317 y L200. Algunos de los reguladores variables están disponibles en paquetes con más de tres pines, incluidos paquetes dobles en línea. Ofrecen la capacidad de ajustar el voltaje de salida mediante el uso de resistencias externas de valores específicos.
Para los voltajes de salida que no proporcionan los reguladores fijos estándar y las corrientes de carga de menos de 7 A, se pueden usar los reguladores lineales de tres terminales ajustables comúnmente disponibles. La serie LM317 (+1,25 V) regula tensiones positivas mientras que la serie LM337 (−1,25 V) regula tensiones negativas. El ajuste se realiza construyendo un divisor de potencial con sus extremos entre la salida del regulador y tierra, y su derivación central conectada al 'ajuste' terminal del regulador. La relación de resistencias determina el voltaje de salida utilizando los mismos mecanismos de retroalimentación descritos anteriormente.
Reguladores de doble seguimiento
Los reguladores ajustables de seguimiento dual de IC único están disponibles para aplicaciones tales como circuitos de amplificador operacional que necesitan suministros de CC positivos y negativos coincidentes. Algunos también tienen limitación de corriente seleccionable. Algunos reguladores requieren una carga mínima.
Un ejemplo de un regulador ajustable de seguimiento dual IC único es el LM125, que es un regulador de voltaje monolítico de precisión, seguimiento dual. Proporciona salidas reguladas positivas y negativas separadas, lo que simplifica los diseños de fuente de alimentación dual. La operación requiere pocos o ningún componente externo, dependiendo de la aplicación. Los ajustes internos proporcionan voltajes de salida fijos a ±15V
Protección
Los reguladores de voltaje IC lineales pueden incluir una variedad de métodos de protección:
- Limitación actual como límite constante-corriente o plegable
- Desactivación térmica
- Protección de zonas de operaciones seguras
A veces se utiliza protección externa, como la protección de palanca.
Usando un regulador lineal
Los reguladores lineales se pueden construir utilizando componentes discretos, pero generalmente se encuentran en forma de circuito integrado. Los reguladores lineales más comunes son circuitos integrados de tres terminales en el paquete TO-220.
Los reguladores de voltaje comunes son la serie LM78xx (para voltajes positivos) y la serie LM79xx (para voltajes negativos). Los reguladores de voltaje automotrices robustos, como LM2940 / MIC2940A / AZ2940, pueden manejar conexiones de batería inversas y transitorios breves de +50/-50V también. Algunas alternativas de reguladores de caída baja (LDO), como MCP1700 / MCP1711 / TPS7A05 / XC6206, tienen una corriente de reposo muy baja de menos de 5 µA (aproximadamente 1000 veces menos que la serie LM78xx), lo que los hace más adecuados para dispositivos alimentados por batería..
Los voltajes fijos comunes son 1,8 V, 2,5 V, 3,3 V (para circuitos lógicos CMOS de bajo voltaje), 5 V (para circuitos lógicos de transistor a transistor) y 12 V (para circuitos de comunicaciones y dispositivos periféricos como unidades de disco).
En los reguladores de voltaje fijo, el pin de referencia está conectado a tierra, mientras que en los reguladores variables, el pin de referencia está conectado al punto central de un divisor de voltaje fijo o variable alimentado por la salida del regulador. Un divisor de voltaje variable, como un potenciómetro, permite al usuario ajustar el voltaje regulado.