Regulador lineal

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En electrónica , un regulador lineal es un regulador de voltaje que se utiliza para mantener un voltaje constante. ^[1] La resistencia del regulador varía de acuerdo con el voltaje de entrada y la carga, lo que da como resultado una salida de voltaje 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 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 siempre que el dispositivo activo reduzca el voltaje en cierta cantidad.

Los reguladores lineales pueden colocar el dispositivo regulador en paralelo con la carga ( regulador en derivación ) o pueden colocar el dispositivo regulador entre la fuente y la carga regulada (regulador en serie). Los reguladores lineales simples pueden contener tan solo 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 potencia. 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 compuestos por conjuntos de componentes discretos de estado sólido o de tubo de vacío .

A pesar de su nombre, los reguladores lineales son circuitos no lineales porque contienen componentes no lineales (como diodos Zener, como se muestra a continuación en el regulador shunt simple) y porque el voltaje de salida es idealmente constante (y un circuito con una salida constante que no depende de su entrada es un circuito no lineal). ^[2]

El transistor (u otro dispositivo) se utiliza como la mitad de un divisor de tensión para establecer la tensión de salida regulada. La tensión de salida se compara con una tensión de referencia para producir una señal de control para el transistor que activará su compuerta o base. Con retroalimentación negativa y una buena elección de compensación , la tensión de salida se mantiene razonablemente constante. Los reguladores lineales a menudo son ineficientes: dado que el transistor actúa como una resistencia, desperdiciará energía eléctrica al convertirla en calor. De hecho, la pérdida de potencia debido al calentamiento en el transistor es la corriente multiplicada por la diferencia de voltaje entre el voltaje de entrada y el de salida. La misma función a menudo se puede realizar de manera mucho más eficiente con una fuente de alimentación de modo conmutado , pero un regulador lineal puede ser preferible para cargas ligeras o cuando el voltaje de salida deseado se acerca al voltaje de la fuente. En estos casos, el regulador lineal puede disipar menos energía que un conmutador. El regulador lineal también tiene la ventaja de no requerir dispositivos magnéticos (inductores o transformadores) que pueden ser relativamente caros o voluminosos, siendo a menudo de diseño más simple y causando menos interferencia electromagnética . Algunos diseños de reguladores lineales utilizan sólo transistores, diodos y resistencias, que son más fáciles de fabricar en un circuito integrado, lo que reduce aún más su peso, el espacio que ocupan en una PCB y el precio.

Todos los reguladores lineales requieren un voltaje de entrada al menos una cantidad mínima mayor que el 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 se mantiene por encima de aproximadamente 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 7 V − 5 V = 2 V. Cuando el voltaje de suministro es menos de aproximadamente 2 V por encima del voltaje de salida deseado, como es el caso de las fuentes de alimentación de microprocesador de bajo voltaje, se deben utilizar los llamados reguladores de baja caída (LDO).

Cuando el voltaje de salida regulado debe ser mayor que el voltaje de entrada disponible, ningún regulador lineal funcionará (ni siquiera un regulador de baja caída de voltaje). En esta situación, se debe utilizar un convertidor elevador o una bomba de carga . La mayoría de los reguladores lineales continuarán proporcionando un voltaje de salida aproximadamente igual al voltaje de caída de voltaje 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. Esta generalmente está limitada por la capacidad de disipación de potencia o por la capacidad de transporte de corriente del transistor de salida.

El regulador en derivación funciona proporcionando una ruta desde la tensión de alimentación hasta tierra a través de una resistencia variable (el transistor principal está en la "mitad inferior" del divisor de tensión). La corriente que pasa por el regulador en derivación se desvía de la carga y fluye directamente a tierra, lo que hace que esta forma sea generalmente menos eficiente que el regulador en serie. Sin embargo, es más simple, a veces consta solo de un diodo de referencia de tensión y se utiliza en circuitos de muy baja potencia donde la corriente desperdiciada es demasiado pequeña para ser motivo de preocupación. Esta forma es muy común para los circuitos de referencia de tensión. Un regulador en derivación generalmente solo puede absorber corriente.

Los reguladores en serie son la forma más común; son más eficientes que los diseños en derivación. El regulador en serie funciona proporcionando una ruta desde el voltaje de suministro hasta la carga a través de una resistencia variable, generalmente un transistor (en esta función generalmente se lo denomina transistor de paso en serie ); está en la "mitad superior" del divisor de voltaje; la mitad inferior es la carga. La potencia disipada por el dispositivo regulador es igual a la corriente de salida de la fuente de alimentación multiplicada por la caída de voltaje en el dispositivo regulador. Para lograr eficiencia y reducir la tensión en el transistor de paso, los diseñadores intentan minimizar la caída de voltaje, pero no todos los circuitos regulan bien una vez que el voltaje de entrada (no regulado) se acerca al voltaje de salida requerido; aquellos que lo hacen se denominan reguladores de baja caída . Un regulador en serie generalmente solo puede generar (suministrar) corriente, a diferencia de los reguladores en derivación.

La imagen muestra un regulador de tensión en derivación simple que funciona mediante la acción del diodo Zener de mantener una tensión constante a través de sí mismo cuando la corriente a través de él es suficiente para llevarlo a la región de ruptura Zener . La resistencia R ₁ suministra la corriente Zener así como la corriente de carga I _R2 ( R ₂ es la carga). R ₁ se puede calcular como , donde es la tensión Zener e I _R2 es la corriente de carga requerida.${\displaystyle I_{\mathrm {Z} }}$${\displaystyle R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+I_{\mathrm {R2} }}}}$${\displaystyle V_{\mathrm {Z} }}$

Este regulador se utiliza para aplicaciones de bajo consumo muy sencillas en las que las corrientes implicadas son muy pequeñas y la carga está conectada permanentemente a través del diodo Zener (como circuitos de referencia de tensión o de fuente de tensión ). Una vez que se ha calculado R _{1 , la eliminación de} R ₂ permitirá que la corriente de carga completa (más la corriente Zener) pase a través del diodo y puede superar la corriente nominal máxima del diodo, dañándolo así. La regulación de este circuito tampoco es muy buena porque la corriente Zener (y, por tanto, la tensión Zener) variará en función de la corriente de carga y viceversa. En algunos diseños, el diodo Zener puede sustituirse por otro dispositivo que funcione de forma similar, especialmente en un escenario de tensión ultra baja, como (con polarización directa) varios diodos normales o LED en serie. ^[3]${\displaystyle V_{\mathrm {S} }}$

La adición de una etapa seguidora de emisor al regulador shunt simple forma un regulador de voltaje en serie simple y mejora sustancialmente la regulación del circuito. Aquí, la corriente de carga I _R2 es suministrada por el transistor cuya base ahora está conectada al diodo Zener. Por lo tanto, la corriente de base del transistor (I _B ) forma la corriente de carga para el diodo Zener y es mucho menor que la corriente a través de R ₂ . Este regulador se clasifica como "en serie" porque el elemento regulador, es decir, el transistor, aparece en serie con la carga. R ₁ establece la corriente Zener (I _Z ) y se determina como donde, V _Z es el voltaje Zener, I _B es la corriente de base del transistor, K = 1.2 a 2 (para garantizar que R ₁ sea lo suficientemente bajo para un I _B adecuado ) y donde, I _R2 es la corriente de carga requerida y también es la corriente de emisor del transistor (se supone que es igual a la corriente de colector) y h _FE(min) es la ganancia de corriente CC mínima aceptable para el transistor.${\displaystyle R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+K\cdot I_{\mathrm {B} }}}}$${\displaystyle I_{\mathrm {B} }={\frac {I_{\mathrm {R2} }}{h_{\mathrm {FE(min)} }}}}$

Este circuito tiene una regulación mucho mejor que el regulador shunt simple, ya que la corriente de base del transistor forma una carga muy ligera en el Zener, minimizando así la variación en el voltaje Zener debido a la variación en la carga. Tenga en cuenta que el voltaje de salida siempre será aproximadamente 0,65 V menor que el Zener debido a la caída de VBE del transistor _. Aunque este circuito tiene una buena regulación, sigue siendo sensible a la variación de la carga y la alimentación. Esto se puede resolver incorporando un circuito de retroalimentación negativa. Este regulador se utiliza a menudo como un "preregulador" en circuitos reguladores de voltaje en serie más avanzados.

El circuito se puede ajustar fácilmente añadiendo un potenciómetro a través del Zener, moviendo la conexión de la base del transistor desde la parte superior del Zener hasta el limpiador del potenciómetro. Se puede ajustar por pasos cambiando diferentes Zener. Finalmente, ocasionalmente se puede microajustar añadiendo 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 ).

Los reguladores lineales de tres terminales, que se utilizan para generar voltajes "fijos", están disponibles en el mercado. 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 pico alrededor de una carga de 1,5 amperios.

La serie " 78xx " (7805, 7812, etc.) regula voltajes positivos mientras que la serie " 79xx " (7905, 7912, etc.) regula voltajes negativos. 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). Existen variantes de los circuitos integrados de la serie 78xx, como el 78L y el 78S, algunos de los cuales pueden suministrar hasta 2 A. ^[4]

Si se añade otro elemento de circuito a un regulador de CI de tensión fija, es posible ajustar la tensión de salida. Dos métodos de ejemplo son:

1. Se puede añadir un diodo Zener o una resistencia entre el terminal de tierra del CI y la tierra. Las resistencias son aceptables cuando la corriente de tierra es constante, pero no son adecuadas para reguladores con corriente de tierra variable. Al cambiar entre distintos diodos Zener, diodos o resistencias, se puede ajustar el voltaje de salida de manera gradual.
2. Se puede colocar un potenciómetro en serie con el terminal de tierra para aumentar el voltaje de salida de manera variable. Sin embargo, este método degrada la regulación y no es adecuado para reguladores con corriente de tierra variable.

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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 potencia media como LM317 y L200 . Algunos de los reguladores variables están disponibles en paquetes con más de tres pines, incluidos paquetes en línea duales . Ofrecen la capacidad de ajustar el voltaje de salida mediante el uso de resistencias externas de valores específicos.

Para voltajes de salida que no son proporcionados por reguladores fijos estándar y corrientes de carga de menos de 7 A, se pueden utilizar reguladores lineales ajustables de tres terminales, comúnmente disponibles. La serie LM317 (+1,25 V) regula voltajes positivos mientras que la serie LM337 (−1,25 V) regula voltajes negativos. El ajuste se realiza construyendo un divisor de potencial con sus extremos entre la salida del regulador y tierra, y su toma central conectada al terminal de "ajuste" del regulador. La relación de resistencias determina el voltaje de salida utilizando los mismos mecanismos de retroalimentación descritos anteriormente.

Los reguladores ajustables de seguimiento dual con un solo CI están disponibles para aplicaciones como circuitos de amplificadores operacionales que necesitan fuentes de alimentación de CC positivas y negativas combinadas. Algunos también tienen limitación de corriente seleccionable. Algunos reguladores requieren una carga mínima.

Un ejemplo de un regulador ajustable de seguimiento dual de un solo CI es el LM125 , que es un regulador de voltaje monolítico de seguimiento dual y de precisión. Proporciona salidas reguladas positivas y negativas independientes, lo que simplifica los diseños de fuentes de alimentación duales. Su funcionamiento requiere pocos o ningún componente externo, según la aplicación. Los ajustes internos proporcionan voltajes de salida fijos a ±15 V ^[5]

Los reguladores de voltaje de circuitos integrados lineales pueden incluir una variedad de métodos de protección:

• Limitación de corriente, como limitación de corriente constante o reducción de corriente.
• Apagado térmico
• Protección segura del área de operación

A veces se utiliza protección externa, como por ejemplo protección con palanca .

Los reguladores lineales se pueden construir utilizando componentes discretos, pero normalmente se encuentran en forma de circuitos integrados . Los reguladores lineales más comunes son circuitos integrados de tres terminales en el encapsulado TO-220 .

Los reguladores de voltaje más comunes son la serie LM 78xx (para voltajes positivos) y la serie LM79xx (para voltajes negativos). Los reguladores de voltaje para automoción robustos, como LM2940 / MIC2940A / AZ2940, pueden manejar conexiones de batería inversas y breves transitorios de +50/-50 V también. Algunas alternativas de reguladores de baja caída de voltaje (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 transistor-transistor ) y 12 V (para circuitos de comunicaciones y dispositivos periféricos como unidades de disco ).

En los reguladores de tensión fija, 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 tensión fija o variable alimentado por la salida del regulador. Un divisor de tensión variable, como un potenciómetro, permite al usuario ajustar la tensión regulada.

• Referencia de banda prohibida de Brokaw
• Lista de circuitos integrados de la serie LM
• Regulador de baja caída de tensión
• Regulador de voltaje

• ECE 327: Procedimientos para laboratorio de reguladores de voltaje: proporciona esquemas, explicaciones y análisis para reguladores de derivación Zener, reguladores en serie, reguladores en serie con retroalimentación, reguladores en serie con retroalimentación con limitación de corriente y reguladores en serie con retroalimentación de corriente. También analiza el uso adecuado de los capacitores de derivación y de referencia de voltaje de banda prohibida del circuito integrado LM317 .
• ECE 327: Estrategias de informes para el laboratorio de reguladores de voltaje: ofrece un análisis cuantitativo más detallado del comportamiento de varios reguladores en derivación y en serie dentro y fuera de los rangos operativos normales.
• ECE 327: Ejemplo de referencia de voltaje de banda prohibida LM317: breve explicación del circuito de referencia de banda prohibida independiente de la temperatura dentro del LM317.
• "Regulador Zener" en Hyperphysics