Un regulador de voltaje es un sistema diseñado para mantener automáticamente un voltaje constante . Puede utilizar un diseño simple de retroalimentación o puede incluir retroalimentación negativa . Puede utilizar un mecanismo electromecánico o componentes electrónicos . Dependiendo del diseño, puede usarse para regular uno o más voltajes de CA o CC .
Los reguladores de voltaje electrónicos se encuentran en dispositivos como las fuentes de alimentación de las computadoras , donde estabilizan los voltajes de CC que utilizan el procesador y otros elementos. En los alternadores de automóviles y en las plantas generadoras de las centrales eléctricas, los reguladores de voltaje controlan la salida de la planta. En un sistema de distribución de energía eléctrica, los reguladores de voltaje pueden instalarse en una subestación o a lo largo de las líneas de distribución para que todos los clientes reciban un voltaje constante independientemente de la cantidad de energía que se extraiga de la línea.
Se puede hacer un regulador de voltaje/corriente simple a partir de una resistencia en serie con un diodo (o una serie de diodos). Debido a la forma logarítmica de las curvas VI del diodo, el voltaje a través del diodo cambia solo ligeramente debido a los cambios en la corriente consumida o cambios en la entrada. Cuando el control preciso del voltaje y la eficiencia no son importantes, este diseño puede ser adecuado. Dado que el voltaje directo de un diodo es pequeño, este tipo de regulador de voltaje solo es adecuado para una salida regulada de bajo voltaje. Cuando se necesita una salida de voltaje más alta, se puede utilizar un diodo Zener o una serie de diodos Zener. Los reguladores de diodo Zener hacen uso del voltaje inverso fijo del diodo Zener, que puede ser bastante grande.
Los reguladores de voltaje de retroalimentación funcionan comparando el voltaje de salida real con un voltaje de referencia fijo. Cualquier diferencia se amplifica y se utiliza para controlar el elemento de regulación de tal manera que se reduzca el error de voltaje. Esto forma un bucle de control de retroalimentación negativa; aumentar la ganancia de bucle abierto tiende a aumentar la precisión de la regulación pero reduce la estabilidad. (La estabilidad es evitar la oscilación o el zumbido durante los cambios de paso). También habrá un equilibrio entre la estabilidad y la velocidad de la respuesta a los cambios. Si el voltaje de salida es demasiado bajo (quizás debido a la reducción del voltaje de entrada o al aumento de la corriente de carga), se ordena al elemento de regulación, hasta un punto , que produzca un voltaje de salida más alto, reduciendo menos el voltaje de entrada (para reguladores en serie lineales y reguladores de conmutación reductores), o que extraiga corriente de entrada durante períodos más largos (reguladores de conmutación de tipo elevador); si el voltaje de salida es demasiado alto, normalmente se ordenará al elemento de regulación que produzca un voltaje más bajo. Sin embargo, muchos reguladores tienen protección contra sobrecorriente, de modo que dejarán de suministrar corriente por completo (o limitarán la corriente de alguna manera) si la corriente de salida es demasiado alta, y algunos reguladores también pueden apagarse si el voltaje de entrada está fuera de un rango determinado (ver también: circuitos de palanca ).
En los reguladores electromecánicos, la regulación de la tensión se logra fácilmente enrollando el cable sensor para formar un electroimán. El campo magnético producido por la corriente atrae un núcleo ferroso en movimiento que se mantiene bajo tensión de resorte o atracción gravitatoria. A medida que aumenta la tensión, también lo hace la corriente, lo que refuerza el campo magnético producido por la bobina y atrae el núcleo hacia el campo. El imán está conectado físicamente a un interruptor de alimentación mecánico, que se abre cuando el imán se mueve hacia el campo. A medida que la tensión disminuye, también lo hace la corriente, lo que libera la tensión del resorte o el peso del núcleo y hace que se retraiga. Esto cierra el interruptor y permite que la energía fluya una vez más.
Si el diseño del regulador mecánico es sensible a pequeñas fluctuaciones de voltaje, el movimiento del núcleo del solenoide se puede utilizar para mover un interruptor selector a través de un rango de resistencias o devanados de transformador para aumentar o disminuir gradualmente el voltaje de salida, o para rotar la posición de un regulador de CA de bobina móvil.
Los primeros generadores y alternadores de automóviles tenían un regulador de voltaje mecánico que utilizaba uno, dos o tres relés y varias resistencias para estabilizar la salida del generador a un poco más de 6,7 o 13,4 V para mantener la batería lo más independiente posible de las revoluciones por minuto del motor o de la carga variable en el sistema eléctrico del vehículo. El relé o los relés modulaban el ancho de un pulso de corriente para regular la salida de voltaje del generador controlando la corriente de campo promedio en la máquina rotatoria que determina la fuerza del campo magnético producido, que determina el voltaje de salida sin carga por rpm. No se utilizan condensadores para suavizar el voltaje pulsado como se describió anteriormente. La gran inductancia de la bobina de campo almacena la energía entregada al campo magnético en un núcleo de hierro, de modo que la corriente del campo pulsado no resulte en un campo pulsado tan fuerte. Ambos tipos de máquina rotatoria producen un campo magnético rotatorio que induce una corriente alterna en las bobinas del estator. Un generador utiliza un conmutador mecánico, escobillas de grafito que giran sobre segmentos de cobre, para convertir la corriente alterna producida en corriente continua al conmutar las conexiones externas en el ángulo del eje cuando el voltaje se invierte. Un alternador logra el mismo objetivo utilizando rectificadores que no se desgastan y requieren reemplazo.
Los diseños modernos ahora utilizan tecnología de estado sólido (transistores) para realizar la misma función que los relés realizan en los reguladores electromecánicos.
Los reguladores electromecánicos se utilizan para estabilizar el voltaje de la red; consulte los estabilizadores de voltaje de CA a continuación.
Los generadores, como los que se utilizan en las centrales eléctricas, la producción de energía eléctrica de los barcos o los sistemas de energía de reserva, tendrán reguladores automáticos de voltaje (AVR) para estabilizar sus voltajes a medida que cambia la carga de los generadores. Los primeros AVR para generadores eran sistemas electromecánicos, pero un AVR moderno utiliza dispositivos de estado sólido. Un AVR [1] es un sistema de control de retroalimentación que mide el voltaje de salida del generador, compara esa salida con un punto de ajuste y genera una señal de error que se utiliza para ajustar la excitación del generador. A medida que aumenta la corriente de excitación en el devanado de campo del generador, aumentará su voltaje terminal. El AVR controlará la corriente mediante dispositivos electrónicos de potencia; generalmente, una pequeña parte de la salida del generador se utiliza para proporcionar corriente al devanado de campo. Cuando un generador está conectado en paralelo con otras fuentes, como una red de transmisión eléctrica, cambiar la excitación tiene un mayor efecto en la potencia reactiva producida por el generador que en su voltaje terminal, que en su mayoría lo establece el sistema de energía conectado. Cuando se conectan varios generadores en paralelo, el sistema AVR tendrá circuitos para garantizar que todos los generadores funcionen con el mismo factor de potencia. [2] Los AVR en los generadores de las centrales eléctricas conectadas a la red pueden tener funciones de control adicionales para ayudar a estabilizar la red eléctrica contra alteraciones debido a pérdidas de carga repentinas o fallas.
Este es un tipo más antiguo de regulador utilizado en la década de 1920 que utiliza el principio de una bobina de campo de posición fija y una segunda bobina de campo que puede girar sobre un eje paralelo a la bobina fija, similar a un varioacoplador.
Cuando la bobina móvil se coloca perpendicular a la bobina fija, las fuerzas magnéticas que actúan sobre la bobina móvil se equilibran entre sí y la salida de voltaje no cambia. Al girar la bobina en una u otra dirección alejándose de la posición central, aumentará o disminuirá el voltaje en la bobina móvil secundaria.
Este tipo de regulador se puede automatizar mediante un mecanismo de control servo para avanzar la posición de la bobina móvil con el fin de aumentar o disminuir el voltaje. Se utiliza un mecanismo de frenado o un engranaje de alta relación para mantener la bobina giratoria en su lugar contra las potentes fuerzas magnéticas que actúan sobre la bobina móvil.
Los reguladores electromecánicos, llamados estabilizadores de tensión o cambiadores de tomas , también se han utilizado para regular la tensión en las líneas de distribución de energía de CA. Estos reguladores funcionan utilizando un servomecanismo para seleccionar la toma adecuada en un autotransformador con múltiples tomas, o moviendo el limpiador en un autotransformador de variación continua. Si la tensión de salida no está en el rango aceptable, el servomecanismo conmuta la toma, modificando la relación de vueltas del transformador, para mover la tensión secundaria a la región aceptable. Los controles proporcionan una banda muerta en la que el controlador no actuará, lo que evita que el controlador ajuste constantemente la tensión ("oscile") a medida que varía en una cantidad aceptablemente pequeña.
El transformador ferroresonante , regulador ferroresonante o transformador de tensión constante es un tipo de transformador saturador que se utiliza como regulador de tensión. Estos transformadores utilizan un circuito de tanque compuesto por un devanado resonante de alta tensión y un condensador para producir una tensión de salida media casi constante con una corriente de entrada variable o una carga variable. El circuito tiene un primario en un lado de un shunt magnético y la bobina del circuito sintonizado y el secundario en el otro lado. La regulación se debe a la saturación magnética en la sección alrededor del secundario.
El método ferroresonante es atractivo debido a la falta de componentes activos, ya que se basa en las características de saturación de bucle cuadrado del circuito de tanque para absorber las variaciones en el voltaje de entrada promedio. Los transformadores de saturación brindan un método simple y resistente para estabilizar una fuente de alimentación de CA.
Los diseños más antiguos de transformadores ferroresonantes tenían una salida con un alto contenido de armónicos, lo que generaba una forma de onda de salida distorsionada. Los dispositivos modernos se utilizan para construir una onda sinusoidal perfecta. La acción ferroresonante es un limitador de flujo en lugar de un regulador de voltaje, pero con una frecuencia de suministro fija puede mantener un voltaje de salida promedio casi constante incluso cuando el voltaje de entrada varía ampliamente.
Los transformadores ferroresonantes, también conocidos como transformadores de tensión constante (CVT) o "ferros", también son buenos supresores de sobretensiones, ya que proporcionan un alto aislamiento y una protección inherente contra cortocircuitos.
Un transformador ferroresonante puede funcionar con un rango de voltaje de entrada de ±40% o más del voltaje nominal.
El factor de potencia de salida permanece en el rango de 0,96 o más desde la mitad hasta la carga completa.
Debido a que regenera una forma de onda de voltaje de salida, la distorsión de salida, que normalmente es inferior al 4%, es independiente de cualquier distorsión de voltaje de entrada, incluido el efecto de muesca.
La eficiencia a plena carga suele estar en el rango del 89% al 93%. Sin embargo, con cargas bajas, la eficiencia puede caer por debajo del 60%. La capacidad de limitación de corriente también se convierte en una desventaja cuando se utiliza un CVT en una aplicación con una corriente de entrada moderada a alta, como motores, transformadores o imanes. En este caso, el CVT debe dimensionarse para acomodar la corriente pico, lo que lo obliga a funcionar con cargas bajas y una eficiencia deficiente.
Se requiere un mantenimiento mínimo, ya que los transformadores y los condensadores pueden ser muy fiables. Algunas unidades incluyen condensadores redundantes para permitir que varios condensadores fallen entre inspecciones sin ningún efecto perceptible en el rendimiento del dispositivo.
La tensión de salida varía aproximadamente un 1,2 % por cada cambio del 1 % en la frecuencia de suministro. Por ejemplo, un cambio de 2 Hz en la frecuencia del generador, que es muy grande, da como resultado un cambio de tensión de salida de solo un 4 %, lo que tiene poco efecto para la mayoría de las cargas.
Acepta una carga de fuente de alimentación conmutada 100% monofásica sin ningún requisito de reducción de potencia, incluidos todos los componentes neutros.
La distorsión de la corriente de entrada permanece inferior al 8 % THD incluso cuando se suministran cargas no lineales con más del 100 % de THD de corriente.
Las desventajas de las CVT son su mayor tamaño, el zumbido audible y la alta generación de calor causada por la saturación.
Los reguladores o estabilizadores de voltaje se utilizan para compensar las fluctuaciones de voltaje en la red eléctrica. Los reguladores grandes pueden instalarse permanentemente en las líneas de distribución. Los reguladores portátiles pequeños pueden enchufarse entre equipos sensibles y una toma de corriente. Los reguladores de voltaje automáticos en los grupos electrógenos mantienen un voltaje constante ante cambios en la carga. El regulador de voltaje compensa el cambio de carga. Los reguladores de voltaje de distribución eléctrica normalmente funcionan en un rango de voltajes, por ejemplo, 150–240 V o 90–280 V. [3]
Muchas fuentes de alimentación de CC simples regulan el voltaje utilizando reguladores en serie o en derivación, pero la mayoría aplica una referencia de voltaje utilizando un regulador en derivación como un diodo Zener , un diodo de ruptura por avalancha o un tubo regulador de voltaje . Cada uno de estos dispositivos comienza a conducir a un voltaje específico y conducirá tanta corriente como sea necesaria para mantener su voltaje terminal a ese voltaje especificado al desviar el exceso de corriente de una fuente de alimentación no ideal a tierra, a menudo a través de una resistencia de valor relativamente bajo para disipar el exceso de energía. La fuente de alimentación está diseñada para suministrar solo una cantidad máxima de corriente que esté dentro de la capacidad de funcionamiento segura del dispositivo regulador en derivación.
Si el estabilizador debe proporcionar más potencia, la salida de derivación solo se utiliza para proporcionar la referencia de voltaje estándar para el dispositivo electrónico, conocido como estabilizador de voltaje. El estabilizador de voltaje es el dispositivo electrónico capaz de proporcionar corrientes mucho mayores según la demanda.
Los reguladores activos emplean al menos un componente activo (amplificador), como un transistor o un amplificador operacional . Los reguladores en derivación suelen ser (pero no siempre) pasivos y simples, pero siempre ineficientes porque (esencialmente) eliminan el exceso de corriente que no está disponible para la carga. Cuando se debe suministrar más potencia, se utilizan circuitos más sofisticados. En general, estos reguladores activos se pueden dividir en varias clases:
Los reguladores lineales se basan en dispositivos que funcionan en su región lineal (en cambio, un regulador de conmutación se basa en un dispositivo obligado a actuar como un interruptor de encendido y apagado). Los reguladores lineales también se clasifican en dos tipos:
En el pasado, se utilizaban comúnmente uno o más tubos de vacío como resistencia variable. Los diseños modernos utilizan uno o más transistores en su lugar, quizás dentro de un circuito integrado . Los diseños lineales tienen la ventaja de una salida muy "limpia" con poco ruido introducido en su salida de CC, pero suelen ser mucho menos eficientes y no pueden aumentar o invertir el voltaje de entrada como las fuentes conmutadas. Todos los reguladores lineales requieren una entrada más alta que la salida. Si el voltaje de entrada se acerca al voltaje de salida deseado, el regulador se "desconectará". La diferencia de voltaje de entrada a salida en la que esto ocurre se conoce como voltaje de desconexión del regulador. Los reguladores de baja desconexión (LDO) permiten un voltaje de entrada que puede ser mucho más bajo (es decir, desperdician menos energía que los reguladores lineales convencionales).
Los reguladores lineales completos están disponibles como circuitos integrados. Estos chips vienen en tipos de voltaje fijo o ajustable. Algunos ejemplos de circuitos integrados son el regulador de propósito general 723 y las series 78xx /79xx.
Los reguladores de conmutación encienden y apagan rápidamente un dispositivo en serie. El ciclo de trabajo del interruptor establece la cantidad de carga que se transfiere a la carga. Esto se controla mediante un mecanismo de retroalimentación similar al de un regulador lineal. Debido a que el elemento en serie es totalmente conductor o está apagado, casi no disipa energía; esto es lo que le da al diseño de conmutación su eficiencia. Los reguladores de conmutación también pueden generar voltajes de salida que son más altos que los de entrada o de polaridad opuesta, algo que no es posible con un diseño lineal. En los reguladores de conmutación, el transistor de paso se utiliza como un "interruptor controlado" y se opera en estado de corte o saturado. Por lo tanto, la energía transmitida a través del dispositivo de paso se realiza en pulsos discretos en lugar de un flujo de corriente constante. Se logra una mayor eficiencia ya que el dispositivo de paso se opera como un interruptor de baja impedancia. Cuando el dispositivo de paso está en el corte, no hay corriente y no disipa energía. Nuevamente, cuando el dispositivo de paso está en saturación, aparece una caída de voltaje insignificante a través de él y, por lo tanto, disipa solo una pequeña cantidad de potencia promedio, lo que proporciona la corriente máxima a la carga. En cualquier caso, la potencia desperdiciada en el dispositivo de paso es muy pequeña y casi toda la potencia se transmite a la carga. Por lo tanto, la eficiencia de una fuente de alimentación en modo conmutado es notablemente alta, en el rango del 70 al 90%.
Los reguladores de modo conmutado se basan en la modulación por ancho de pulso para controlar el valor promedio del voltaje de salida. El valor promedio de una forma de onda de pulso repetitivo depende del área debajo de la forma de onda. Si se varía el ciclo de trabajo, el valor promedio del voltaje cambia proporcionalmente.
Al igual que los reguladores lineales, también existen reguladores de conmutación casi completos como circuitos integrados. A diferencia de los reguladores lineales, estos suelen requerir un inductor que actúa como elemento de almacenamiento de energía. [4] [5] Los reguladores de CI combinan la fuente de voltaje de referencia, el amplificador operacional de error, el transistor de paso con limitación de corriente de cortocircuito y protección contra sobrecarga térmica.
Los reguladores conmutados son más propensos a generar ruido de salida e inestabilidad que los reguladores lineales. Sin embargo, ofrecen una eficiencia energética mucho mejor que los reguladores lineales.
Los reguladores alimentados por circuitos de alimentación de CA pueden utilizar rectificadores controlados por silicio (SCR) como dispositivo en serie. Siempre que el voltaje de salida esté por debajo del valor deseado, el SCR se activa, lo que permite que la electricidad fluya hacia la carga hasta que el voltaje de la red de CA pase por cero (finalizando el semiciclo). Los reguladores SCR tienen las ventajas de ser muy eficientes y muy simples, pero como no pueden terminar un semiciclo de conducción en curso, no son capaces de realizar una regulación de voltaje muy precisa en respuesta a cargas que cambian rápidamente. Una alternativa es el regulador SCR en derivación, que utiliza la salida del regulador como disparador. Tanto los diseños en serie como en derivación son ruidosos, pero potentes, ya que el dispositivo tiene una resistencia de encendido baja.
Muchas fuentes de alimentación utilizan más de un método de regulación en serie. Por ejemplo, la salida de un regulador de conmutación puede regularse aún más mediante un regulador lineal. El regulador de conmutación acepta una amplia gama de voltajes de entrada y genera de manera eficiente un voltaje (algo ruidoso) ligeramente superior al de salida deseado. A esto le sigue un regulador lineal que genera exactamente el voltaje deseado y elimina casi todo el ruido generado por el regulador de conmutación. Otros diseños pueden utilizar un regulador SCR como "preregulador", seguido de otro tipo de regulador. Una forma eficiente de crear una fuente de alimentación de salida precisa y de voltaje variable es combinar un transformador de múltiples tomas con un posregulador lineal ajustable.
En el caso más simple se utiliza un amplificador de base común con la base del transistor regulador conectada directamente a la referencia de voltaje:
Un regulador de transistor simple proporcionará un voltaje de salida relativamente constante U out para cambios en el voltaje U in de la fuente de energía y para cambios en la carga R L , siempre que U in exceda U out por un margen suficiente y que no se exceda la capacidad de manejo de energía del transistor.
El voltaje de salida del estabilizador es igual al voltaje del diodo Zener menos el voltaje base-emisor del transistor, U Z − U BE , donde U BE suele ser de aproximadamente 0,7 V para un transistor de silicio, dependiendo de la corriente de carga. Si el voltaje de salida cae por alguna razón externa, como un aumento en la corriente consumida por la carga (lo que provoca un aumento en el voltaje colector-emisor para observar la LVK), el voltaje base-emisor del transistor ( U BE ) aumenta, encendiendo aún más el transistor y entregando más corriente para aumentar nuevamente el voltaje de carga.
R v proporciona una corriente de polarización tanto para el diodo Zener como para el transistor. La corriente en el diodo es mínima cuando la corriente de carga es máxima. El diseñador del circuito debe elegir un voltaje mínimo que pueda tolerarse en R v , teniendo en cuenta que cuanto mayor sea este requisito de voltaje, mayor será el voltaje de entrada requerido U in , y, por lo tanto, menor será la eficiencia del regulador. Por otro lado, valores más bajos de R v conducen a una mayor disipación de potencia en el diodo y a características inferiores del regulador. [6]
R v viene dada por
dónde
La estabilidad de la tensión de salida se puede aumentar significativamente utilizando un amplificador diferencial , posiblemente implementado como un amplificador operacional :
En este caso, el amplificador operacional hace circular más corriente en el transistor si el voltaje en su entrada inversora cae por debajo del voltaje de salida de la referencia en la entrada no inversora. El uso del divisor de voltaje (R1, R2 y R3) permite elegir un voltaje de salida arbitrario entre U z y U in .
La tensión de salida sólo puede mantenerse constante dentro de unos límites determinados. La regulación se especifica mediante dos mediciones:
Otros parámetros importantes son:
