Componentes Electrónicos El Regulador de Voltaje

 

Componentes Electrónicos

El Regulador de Voltaje



Componentes Electrónicos  El Regulador de Voltaje





Que hace:

Un regulador de voltaje lineal proporciona una salida de CC estrictamente controlada, que se deriva de una entrada de CC no regulada o mal regulada. La salida de CC permanece constante independientemente de la carga del regulador (dentro de los límites especificados). Es un componente barato, sencillo y extremadamente robusto.

No existe un símbolo esquemático único para un regulador de voltaje lineal.

En la Figura 19-1 se muestra la apariencia física general de un tipo de regulador comúnmente utilizado, clasificado para una salida de alrededor de 1 A CC. Los reguladores LM7805, LM7806, LM7812 y similares de la serie LM78xx están encapsulados en este tipo de paquete, con pines espaciados a 0,1” y tienen las funciones que se muestran. Otros tipos de reguladores pueden diferir en apariencia o pueden parecer idénticos a este, pero tener diferentes funciones de clavija.

 Siempre consulte las hojas de datos para estar seguro.


encapsulado de un regulador de voltaje

Figura 19-1. El diseño del encapsulado de un regulador de voltaje de uso común. Otros pueden ser significativamente diferentes y las funciones de los pines pueden variar. Consulte las hojas de datos del fabricante para obtener más detalles.




Cómo funciona:

Todos los reguladores lineales funcionan tomando cierta retroalimentación de la salida, derivando un valor de error comparando la salida con un voltaje de referencia (proporcionado más simplemente por un diodo zener) y usando el valor de error para controlar la base de un transistor de paso que se coloca entre la entrada y la salida del regulador.

Debido a que el transistor opera por debajo del nivel de saturación, su corriente de salida varía linealmente con la corriente aplicada a su base, y este comportamiento le da nombre al regulador lineal. La figura 19-2 muestra la relación de estas funciones en forma simplificada; Figura 19-2. Un regulador de voltaje lineal consiste básicamente en un transistor cuya base está controlada por retroalimentación correctiva derivada de la salida.

La figura 19-3 muestra un poco más de detalle, utilizando un par Darlington como transistor de paso.

La base del par está controlada por otros dos transistores y un comparador que entrega el voltaje de error. Esta versión de un regulador de voltaje se conoce como tipo estándar. La diferencia de voltaje requerida entre la base y el emisor de un transistor NPN es de un mínimo de 0,6 V. Debido a que se utilizan múltiples transistores dentro de un regulador de voltaje de tipo estándar, requiere una diferencia de voltaje total mínima, entre su entrada y su salida, de 2 VCC. Esta diferencia de voltaje se conoce como voltaje de caída. Si la diferencia de voltaje cae por debajo de este mínimo, el regulador deja de entregar un voltaje de salida confiable hasta que el voltaje de entrada aumenta nuevamente.

Los reguladores de baja caída permiten una menor diferencia de voltaje, pero son más caros y menos utilizados. Se describen en la siguiente sección Variantes.


regulador de voltaje lineal

Figura 19-2. Un regulador de voltaje lineal consiste básicamente en un transistor cuya base está controlada por retroalimentación correctiva derivada de la salida.




características internas fundamentales de un regulador de voltaje de tipo estándar

Figura 19-3. Las características internas fundamentales de un regulador de voltaje de tipo estándar, incluido un par Darlington, dos transistores, un divisor de voltaje, un comparador y una fuente de voltaje de referencia, se muestran dentro de la línea blanca discontinua.



En teoría, se podrían utilizar componentes discretos para construir un regulador de voltaje, pero esto dejó de ser rentable hace varias décadas. Ahora se entiende que el término significa un pequeño paquete integrado que contiene el circuito básico aumentado con características adicionales deseables, como protección automática contra sobrecarga y calor excesivo. En lugar de quemarse si se sobrecarga, el componente simplemente se apaga. La mayoría de los reguladores de voltaje también toleran conexiones de alimentación invertidas accidentalmente (como cuando las baterías están insertadas).

(se ha colocado al revés) y se ha invertido accidentalmente la inserción del regulador en una placa de circuito.

Otros componentes pueden satisfacer el requisito de entregar energía a un voltaje reducido. De manera más simple, si dos resistencias en serie se colocan a través de una fuente de energía, forman un divisor de voltaje, que proporciona un voltaje intermedio en la conexión entre ellos. Sin embargo, este voltaje variará dependiendo de las fluctuaciones en el voltaje de entrada y/o la impedancia de carga. Un regulador de voltaje es la forma más sencilla de suministrar un voltaje que permanece estable independientemente de las excursiones en la entrada o las fluctuaciones en la potencia consumida por la carga.

La desventaja de un regulador de voltaje de tipo estándar es que es ineficiente, especialmente cuando se utiliza un voltaje de entrada relativamente alto para entregar un voltaje de salida relativamente bajo. Si Vin es el voltaje de entrada, Vout es el voltaje de salida e Iout es la corriente de salida, la pérdida de potencia promedio, P, viene dada por la fórmula:  

                                       P = Iout * (Vin - Vout)

Por ejemplo, si la corriente de salida es 1 A, el voltaje de entrada es 9 VCC y la salida es 5 VCC, se desperdiciará el 44 % de la potencia de entrada y el componente tendrá solo un 56 % de eficiencia. La energía desperdiciada (unos 4 vatios, en este caso) se disipará en forma de calor. Incluso cuando un regulador de tipo estándar funciona con su voltaje de caída mínimo de 2 VCC, debe disipar 1 W cuando entrega 0,5 A.




Variantes
Embalaje:

El paquete para la serie de reguladores LM78xx, que se muestra en la Figura 19-1, incorpora una placa de aluminio con un orificio perforado para poder atornillarla a un disipador de calor. Los reguladores de voltaje con una corriente de salida máxima nominal más baja (normalmente, 100 mA) no necesitan la misma necesidad de un disipador de calor y están disponibles en un paquete que se asemeja a un pequeño transistor.

Se encuentran disponibles algunos circuitos integrados que contienen dos reguladores de voltaje, aislados eléctricamente entre sí.


regulador de voltaje to-220






Variadores populares.

En la serie LM78xx, los dos últimos dígitos del número de pieza especifican el voltaje de salida, que es fijo. Así, el LM7805 entrega 5 VCC, el LM7806 entrega 6 VCC, y así sucesivamente. Para reguladores con salida de voltaje fraccional (siendo común 3,3 VCC), se puede insertar una letra adicional en el número de pieza, como en el 78M33.

Muchas copias de la serie LM78xx son realizadas por diferentes fabricantes, y las copias son funcionalmente idénticas, independientemente de las letras adicionales que se agregan al número de pieza para identificar su origen u otros atributos.

La mayoría de los reguladores LM78xx tienen una precisión del 4%, aunque las muestras reales casi siempre entregan voltajes que son más precisos de lo que sugiere este rango.






Reguladores ajustables

Si bien la mayoría de los reguladores tienen una salida fija, algunos permiten al usuario configurar la salida agregando una o más resistencias. El LM317 es un ejemplo popular. Su voltaje de salida puede oscilar entre 1,25 VCC y 37 VCC y se configura mediante una resistencia y un potenciómetro de ajuste, como se ilustra en la Figura 19-4. Si R1 es la resistencia de valor fijo y R2 es el regulador, como se muestra en el esquema, el voltaje de salida, Vout, viene dado por la fórmula:

                         Vout = 1.25 * (1 + (R2 / R1))

Los valores típicos para R1 y R2 serían 240Ω y 5K, respectivamente. Con la recortadora en la mitad de su alcance, Vout sería 1,25 * (1 + (2500/240)) = aproximadamente 15 VCC, lo que requiere una entrada de al menos 17 VCC. Sin embargo, si el recortador se reduce a 720 Ω, la salida sería de 5 V CC. En la práctica, el valor de un recortador debe elegirse de manera que una configuración de rango medio proporcione aproximadamente el resultado deseado. Esto permitirá un ajuste fino del voltaje de salida.

Si bien es deseable la versatilidad de un regulador ajustable, su disipación de potencia general sigue siendo proporcional a la diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida. Para minimizar la pérdida de calor, esta diferencia no debe exceder el voltaje de caída en una cantidad mayor de lo absolutamente necesario.

Un regulador ajustable puede requerir condensadores de derivación más grandes que un regulador con salida fija. Las recomendaciones del fabricante para el LM317 se muestran en la Figura 19-4.



Esquema del regulador de voltaje ajustable LM317L

Figura 19-4. Esquema del regulador de voltaje ajustable LM317L, basado en un circuito recomendado por National Semiconductor, con capacitores de derivación agregados para rechazar la ondulación.



Reguladores lineales de baja caída

Los reguladores de baja caída (a veces denominados reguladores LDO) permiten un voltaje de caída mucho más bajo mediante el uso de un solo transistor PNP o MOSFET. Los reguladores LDO se utilizan popularmente en dispositivos que funcionan con baterías donde se debe maximizar la eficiencia y minimizar la disipación de calor. Por ejemplo, el LM330 es un regulador con una salida de 5 VCC que tolera una caída de voltaje de 0,6 V, lo que permite utilizarlo con cuatro celdas AAA. En un regulador LDO, el voltaje de caída en realidad varía con la corriente de carga y puede disminuir hasta una décima parte de su valor nominal cuando la corriente de salida es mínima.

La mayoría de los reguladores de baja caída se venden en paquetes de montaje en superficie y están diseñados para una salida máxima de 100 mA a 500 mA. Sólo existen unas pocas excepciones. Suelen ser un poco más caros que los reguladores con la típica clasificación de caída de 2 V.

En la Figura 19-5 se muestran tres reguladores de voltaje. De izquierda a derecha, tienen una clasificación de 5 VCC a 1 A, 12 VCC a 1 A y 5 VCC a 7,5 A. Los dos reguladores más pequeños son de la serie LM78xx.

El regulador más grande afirma tener un voltaje de caída máximo bajo de 1,5 VCC y su voltaje de salida se puede ajustar con un potenciómetro y una resistencia externos.


Dos reguladores de voltaje de la serie LM78xx

Figura 19-5. Dos reguladores de voltaje de la serie LM78xx y un tercer regulador ajustable de alta corriente y baja caída con clasificación de 5 V CC (ajustable hacia arriba) a 7,5 A.




Reguladores lineales de casi baja caída

Mientras que un regulador estándar usa un par Darlington como transistor de paso y un LDO usa un solo transistor PNP, el llamado Quasi-LDO usa una combinación de transistores NPN y PNP y tiene un voltaje de caída intermedio, generalmente un máximo de 1,5 VCC. Sin embargo, los términos LDO y Quasi-LDO no se utilizan de manera uniforme en la industria. Un fabricante comercializa reguladores Quasi-LDO como reguladores LDO y describe sus reguladores LDO como reguladores de muy baja caída.

Consultar fichas técnicas para determinar las especificaciones reales del producto, independientemente de su clasificación.

 

Funciones de pin adicionales

Algunos reguladores de voltaje incluyen un pin adicional, generalmente conocido como pin de habilitación, que apaga el dispositivo en respuesta a una señal de un microcontrolador o puerta lógica.

Algunos reguladores ofrecen otra opción, un pin de estado adicional que puede indicarle a un microcontrolador que existe un modo de error si la salida del regulador cae significativamente por debajo de su valor nominal.

En los dispositivos que funcionan con baterías, un sensor de batería baja es una característica deseable, ya que un regulador puede simplemente apagarse sin previo aviso si el voltaje de entrada es insuficiente. Algunos reguladores, como el LP2953, proporcionan una salida de advertencia de batería baja a través de un pin adicional.

 

Valores

Los reguladores de voltaje lineal con una única salida fija suelen estar disponibles para suministrar salidas de CC de 3.3, 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18 y 24 voltios, y algunas variantes ofrecen valores fraccionarios intermedios. Los valores más utilizados son 5, 6, 9, 12 y 15 voltios. El voltaje de entrada puede llegar a 35 VCC.

La corriente de salida máxima suele ser de 1 A o 1,5 A, en el formato tradicional TO-220 de tres pines y orificio pasante. Está disponible una versión de montaje en superficie. Otros formatos de montaje en superficie tienen menor límites de poder.

La precisión puede expresarse como porcentaje o como cifra para la regulación de carga en mV. Un valor típico de regulación de carga sería de 50 mV, mientras que la precisión de la regulación de voltaje oscila entre el 1% y el 4%, según el fabricante y el componente. Si bien los reguladores de baja caída son generalmente más eficientes, requieren más corriente de conexión a tierra. Este no suele ser un factor significativo.

 

Cómo usarlo

Algunos componentes, como muchos chips CMOS de diseño antiguo o la versión TTL tradicional del temporizador 555, permiten una amplia gama de voltajes de entrada aceptables, pero la mayoría de los chips lógicos y microcontroladores modernos deben tener una fuente de alimentación controlada adecuadamente. Los reguladores como el LM7805 se utilizan tradicionalmente para proporcionar esto, especialmente en dispositivos pequeños y relativamente simples que consumen una cantidad moderada de corriente, tienen un número bajo de componentes y funcionan mediante una batería o un adaptador de CA. Una fuente de alimentación conmutada completa es excesiva en este tipo de aplicación.

Un regulador de voltaje lineal no puede responder instantáneamente a los cambios en el voltaje de entrada. Por lo tanto, si el suministro de entrada contiene picos de voltaje, estos picos pueden pasar a través del regulador. Los condensadores de derivación deben aplicarse de forma preventiva. En la Figura 19-6 se muestra un esquema  que muestra un regulador LM7805 con condensadores de derivación recomendados por el fabricante.

En un dispositivo alimentado por batería donde se requiere energía de reserva durante períodos prolongados y la energía total sólo se necesita de manera intermitente, la corriente de reposo consumida por un regulador de voltaje mínimamente cargado es importante. Los reguladores LDO modernos pueden consumir tan solo 100 μA cuando tienen una carga muy ligera. Otros tipos pueden consumir significativamente más. Consulte las hojas de datos para encontrar el componente más apropiado para una aplicación en particular.




Esquema típico para el uso de un regulador LM7805

Figura 19-6. Esquema típico para el uso de un regulador LM7805, con valores de capacitores basados en recomendaciones de Fairchild Semiconductor.





 

Tenga en cuenta que los convertidores de potencia CC-CC pueden consumir mucha corriente cuando están ligeramente cargados y, como resultado, disiparán grandes cantidades de calor. Por lo tanto, en esta situación es preferible un LDO.

 

Qué puede ir mal

Gestión inadecuada del calor

La capacidad de "marcar" una amplia gama de voltajes desde un regulador ajustable como el LM317 puede ser una tentación de usarlo como "talla única", para entregar cualquier salida que vaya desde 5 VCC a 18 VCC desde un voltaje uniforme de 24 VCC. aparte. Suponiendo una corriente de salida de 1 A, la disipación de energía en el peor de los casos en este escenario sería de casi 20 W.

Para lograr una eficiencia razonable y mantener el calor residual a un nivel manejable, el voltaje de entrada no debe exceder el voltaje de salida en mucho más que el voltaje de caída.

Incluso cuando un regulador de voltaje se usa correctamente, puede generar más calor del esperado si los requisitos de un circuito se alteran durante el desarrollo. Un puñado inicial de componentes puede consumir sólo 100 mA, pero a medida que se solicitan más capacidades y se agregan más piezas (especialmente relés o pantallas LED), el consumo de energía puede acumularse rápidamente, generando una cantidad inesperada de calor residual y aumentando la posibilidad de una falla repentina. (y misterioso) apagado si el regulador no tiene un disipador de calor adecuado.

Respuesta transitoria

Cuando hay una fluctuación importante en la demanda de la carga (por ejemplo, si se enciende un dispositivo inductivo en otra parte del circuito), el regulador de voltaje requiere un tiempo finito para ajustarse y mantener su voltaje de salida especificado. Este retraso se conoce como respuesta transitoria. Si es probable que se produzca una fluctuación momentánea y otros componentes puedan ser sensibles a ella, se debe utilizar un condensador más grande entre la salida del regulador de voltaje y tierra.

El tiempo de respuesta transitoria también puede ser insuficiente para bloquear picos breves y repentinos en el voltaje de entrada. Esto puede ocurrir, por ejemplo, cuando se utiliza como fuente de energía un adaptador de CA de bajo costo que no tiene una salida adecuadamente suavizada.

Se pueden agregar capacitores de derivación de 1 μF adicionales en la entrada y salida de un regulador para brindar una mejor protección contra las fluctuaciones de energía.

 

Piezas mal identificadas

Muchos tipos de reguladores de voltaje lineales parecen físicamente idénticos. Es necesario tener cuidado en distinguir aquellos que tienen una producción fija de aquellos que permiten una producción variable. Cuando utilice la serie LM78xx, vuelva a verificar el último par de dígitos en el número de pieza, que proporciona la única guía sobre la salida. Usar un LM7808 en lugar de un LM7805 puede ser suficiente para destruir todos los chips de 5 VCC en un circuito lógico. Es recomendable utilizar un medidor para comprobar la salida de cualquier fuente de alimentación antes de conectarla a un circuito.

Pines mal identificados

La serie de reguladores de voltaje LM78xx utiliza un esquema muy intuitivamente obvio y consistente para las funciones de sus pines: entrada a la izquierda, tierra en el centro y salida a la derecha, cuando se mira el regulador desde el frente, con sus pines hacia hacia abajo. Lamentablemente, la coherencia de este esquema puede fomentar el hábito irreflexivo de establecer conexiones.

La serie LM79xx de reguladores de voltaje negativos intercambia la identidad de los pines de entrada y tierra, mientras que los reguladores ajustables utilizan otro esquema diferente. Las buenas prácticas sugieren comparar un componente con la hoja de datos del fabricante antes de conectarlo.

Abandono causado por batería baja

Si un regulador clasificado para entregar 6 VCC tiene un voltaje de caída de 2 VCC y se alimenta con una batería de 9 V, la batería puede caer fácilmente por debajo del mínimo aceptable de 8 VCC si envejece o se agota. Cuando esto sucede, la salida del regulador tenderá a caer o puede oscilar.

Voltaje entregado inexacto

Un regulador de voltaje mantiene su voltaje de salida entre su pin de salida y su pin de tierra. Los rastros finos en una placa de circuito, o un largo tramo de cableado de muy pequeño calibre, pueden imponer cierta resistencia eléctrica, reduciendo el voltaje real entregado a un componente. La ley de Ohm nos dice que la caída de voltaje impuesta por una traza (o cable delgado) será proporcional a la corriente que circula por él.

Por ejemplo, si la resistencia entre el pin de salida de un regulador de voltaje y un componente es de 0,5 Ω y la corriente es de 0,1 A, la caída de voltaje será de solo 0,05 V. Pero si la corriente aumenta a 1A, la caída de voltaje ahora es de 0,5V. Teniendo esto en cuenta, se debe colocar un regulador de voltaje lineal cerca de componentes sensibles al voltaje. En los diseños de circuitos impresos, las trazas que entregan El poder no debe tener una resistencia significativa.

Cuando se utilizan reguladores de voltaje lineales con salida ajustable, puede existir la tentación de conectar la resistencia de ajuste R1 al extremo positivo de la carga, para obtener un voltaje entregado "más preciso". Esta configuración no producirá el resultado deseado. R1 siempre debe estar conectado lo más cerca posible entre el pin de salida y el pin de ajuste del regulador de voltaje, mientras que R2 debe conectarse entre el pin de ajuste y el extremo negativo de la carga.


Esto se ilustra en la Figura 19-7, donde el cable gris en cada esquema indica que posee una resistencia significativa.


conexión entre un regulador de voltaje de salida ajustable

Figura 19-7. Cuando la conexión entre un regulador de voltaje de salida ajustable y los componentes de carga tiene una resistencia significativa (que se muestra aquí como un “cable resistivo” gris), R1 siempre debe conectarse lo más cerca posible de las clavijas del regulador, como se muestra en el esquema superior. (Derivado de esquemas preparados por National Semiconductor).












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