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