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, se puede utilizar para regular uno o más voltajes CA o CC .
Los reguladores de voltaje electrónicos se encuentran en dispositivos como fuentes de alimentación de computadoras donde estabilizan los voltajes de CC utilizados por el procesador y otros elementos. En los alternadores de automóviles y en las plantas generadoras de centrales eléctricas, los reguladores de voltaje controlan la producción de la planta. En un sistema de distribución de energía eléctrica, se pueden instalar reguladores de voltaje en una subestación o a lo largo de las líneas de distribución para que todos los clientes reciban un voltaje constante independientemente de cuánta energía se extraiga de la línea.
Se puede fabricar 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 del diodo VI, el voltaje a través del diodo cambia sólo ligeramente debido a 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 estar bien. Dado que el voltaje directo de un diodo es pequeño, este tipo de regulador de voltaje solo es adecuado para salida regulada de bajo voltaje. Cuando se necesita una salida de voltaje más alto, se puede emplear un diodo zener o una serie de diodos zener. Los reguladores de diodo Zener utilizan el 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 algún 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 circuito 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 oscilaciones o zumbidos durante los cambios de paso). También habrá un equilibrio entre la estabilidad y la velocidad de respuesta a los cambios. Si el voltaje de salida es demasiado bajo (tal vez debido a la reducción del voltaje de entrada o al aumento de la corriente de carga), se ordena al elemento de regulación, hasta cierto punto , que produzca un voltaje de salida más alto, reduciendo menos voltaje de entrada (para reguladores lineales en serie). y reguladores de conmutación reductores), o para consumir 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 determinado. rango (ver también: circuitos de palanca ).
En los reguladores electromecánicos, la regulación del voltaje se logra fácilmente enrollando el cable sensor para formar un electroimán. El campo magnético producido por la corriente atrae un núcleo ferroso en movimiento retenido por la tensión del resorte o la atracción gravitacional. A medida que aumenta el voltaje, también aumenta la corriente, fortaleciendo el campo magnético producido por la bobina y tirando del núcleo hacia el campo. El imán está conectado físicamente a un interruptor de alimentación mecánico, que se abre cuando el imán ingresa al campo. A medida que el voltaje disminuye, también lo hace la corriente, liberando la tensión del resorte o el peso del núcleo y provocando 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 usar para mover un interruptor selector a través de una gama de resistencias o devanados del transformador para aumentar o disminuir gradualmente el voltaje de salida, o para rotar la posición del un regulador de CA de bobina móvil.
Los primeros generadores y alternadores de automóviles tenían un regulador de voltaje mecánico que usaba uno, dos o tres relés y varias resistencias para estabilizar la salida del generador en un poco más de 6,7 o 13,4 V para mantener la batería con independencia de las rpm del motor o la carga variable en el sistema eléctrico del vehículo. Los relés modularon el ancho de un pulso de corriente para regular la salida de voltaje del generador controlando la corriente de campo promedio en la máquina giratoria que determina la fuerza del campo magnético producido que determina el voltaje de salida sin carga por rpm. Los condensadores no se utilizan 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 da como resultado un campo pulsado tan fuerte. Ambos tipos de máquinas rotativas producen un campo magnético giratorio que induce una corriente alterna en las bobinas del estator. Un generador utiliza un conmutador mecánico, escobillas de grafito que funcionan sobre segmentos de cobre, para convertir la CA producida en CC cambiando 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 ni requieren reemplazo.
Los diseños modernos ahora utilizan tecnología de estado sólido (transistores) para realizar la misma función que realizan los relés en los reguladores electromecánicos.
Los reguladores electromecánicos se utilizan para la estabilización del voltaje de la red eléctrica; 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 barcos o los sistemas de energía de reserva, tendrán reguladores automáticos de voltaje (AVR) para estabilizar sus voltajes a medida que cambia la carga en los generadores. Los primeros AVR para generadores fueron sistemas electromecánicos, pero un AVR moderno utiliza dispositivos de estado sólido. Un AVR 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 el uso de 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, el cambio de excitación tiene más efecto en la potencia reactiva producida por el generador que en su voltaje terminal, que en su mayor parte 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. [1] Los AVR en generadores de centrales eléctricas conectados a la red pueden tener funciones de control adicionales para ayudar a estabilizar la red eléctrica contra perturbaciones debidas a fallas o pérdidas repentinas de carga.
Este es un tipo de regulador más antiguo 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 en paralelo con 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. Girar la bobina en una dirección u otra lejos 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 servocontrol para avanzar la posición de la bobina móvil a fin de proporcionar un aumento o disminución de voltaje. Se utiliza un mecanismo de frenado o engranaje de alta relación para mantener la bobina giratoria en su lugar contra las poderosas fuerzas magnéticas que actúan sobre la bobina móvil.
Los reguladores electromecánicos, llamados estabilizadores de voltaje o cambiadores de tomas , también se han utilizado para regular el voltaje en las líneas de distribución de energía CA. Estos reguladores funcionan mediante el uso de un servomecanismo para seleccionar la toma adecuada en un autotransformador con tomas múltiples, o moviendo el limpiador en un autotransformador continuamente variable. Si el voltaje de salida no está en el rango aceptable, el servomecanismo cambia la derivación, cambiando la relación de vueltas del transformador, para mover el voltaje secundario a la región aceptable. Los controles proporcionan una banda muerta en la que el controlador no actuará, evitando que el controlador ajuste constantemente el voltaje ("caza") cuando varía en una cantidad aceptablemente pequeña.
El transformador ferroresonante , regulador ferroresonante o transformador de tensión constante es un tipo de transformador saturante utilizado como regulador de tensión. Estos transformadores utilizan un circuito de tanque compuesto por un devanado resonante de alto voltaje y un capacitor para producir un voltaje de salida promedio casi constante con una corriente de entrada variable o una carga variable. El circuito tiene un primario en un lado de una derivación magnética 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 enfoque ferroresonante es atractivo debido a su falta de componentes activos, ya que depende de las características de saturación del bucle cuadrado del circuito del tanque para absorber las variaciones en el voltaje de entrada promedio. Los transformadores de saturación proporcionan un método sencillo y resistente para estabilizar una fuente de alimentación de CA.
Los diseños más antiguos de transformadores ferroresonantes tenían una salida con alto contenido armónico, lo que provocaba una forma de onda de salida distorsionada. Se utilizan dispositivos modernos 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 protección inherente contra cortocircuitos.
Un transformador ferroresonante puede operar con un rango de voltaje de entrada ±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 generalmente es inferior al 4%, es independiente de cualquier distorsión del voltaje de entrada, incluido el corte.
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 una CVT en una aplicación con corriente de entrada de moderada a alta, como motores, transformadores o imanes. En este caso, la CVT debe dimensionarse para adaptarse a la corriente máxima, lo que la obliga a funcionar con cargas bajas y poca eficiencia.
Se requiere un mantenimiento mínimo, ya que los transformadores y condensadores pueden ser muy fiables. Algunas unidades han incluido condensadores redundantes para permitir que varios condensadores fallen entre inspecciones sin ningún efecto notable en el rendimiento del dispositivo.
El voltaje 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 voltaje de salida de solo el 4%, lo que tiene poco efecto para la mayoría de las cargas.
Acepta carga de fuente de alimentación de modo conmutado 100% monofásico sin ningún requisito de reducción de potencia, incluidos todos los componentes neutros.
La distorsión de la corriente de entrada permanece por debajo del 8 % de 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, un 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. Se pueden instalar reguladores grandes de forma permanente en las líneas de distribución. Se pueden enchufar pequeños reguladores portátiles entre equipos sensibles y un tomacorriente de pared. Reguladores automáticos de voltaje en grupos electrógenos para mantener un voltaje constante ante cambios de carga. El regulador de voltaje compensa el cambio de carga. Los reguladores de voltaje de distribución de energía normalmente funcionan en una variedad de voltajes, por ejemplo, 150–240 V o 90–280 V. [2]
Muchas fuentes de alimentación de CC simples regulan el voltaje mediante reguladores en serie o en derivación, pero la mayoría aplica una referencia de voltaje mediante un regulador en derivación como un diodo Zener , un diodo de ruptura de 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 el voltaje terminal en ese voltaje específico desviando el exceso de corriente de una fuente de energía 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 únicamente una cantidad máxima de corriente que esté dentro de la capacidad operativa segura del dispositivo regulador de derivación.
Si el estabilizador debe proporcionar más energía, la salida del regulador en derivación solo se usa para proporcionar la referencia de voltaje estándar para el dispositivo electrónico, conocido como estabilizador de voltaje. El estabilizador de voltaje es un dispositivo electrónico capaz de entregar corrientes mucho mayores según sea necesario.
Los reguladores activos emplean al menos un componente activo (amplificador), como un transistor o un amplificador operacional . Los reguladores de derivación son a menudo (pero no siempre) pasivos y simples, pero siempre ineficientes porque (esencialmente) descargan el exceso de corriente que no está disponible para la carga. Cuando se debe suministrar más energía, se utilizan circuitos más sofisticados. En general, estos reguladores activos se pueden dividir en varias clases:
Los reguladores lineales se basan en dispositivos que operan en su región lineal (por el contrario, un regulador de conmutación se basa en un dispositivo obligado a actuar como un interruptor de encendido/apagado). Los reguladores lineales también se clasifican en dos tipos:
En el pasado, se usaban comúnmente uno o más tubos de vacío como resistencia variable. En su lugar , los diseños modernos utilizan uno o más transistores , 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 mayor que la salida. Si el voltaje de entrada se aproxima al voltaje de salida deseado, el regulador "se desconectará". El diferencial de voltaje de entrada a salida en el que esto ocurre se conoce como voltaje de caída del regulador. Los reguladores de baja caída (LDO) permiten un voltaje de entrada que puede ser mucho más bajo (es decir, desperdician menos energía que los reguladores lineales convencionales).
Reguladores lineales completos están disponibles como circuitos integrados. Estos chips vienen en tipos de voltaje fijo o ajustable. Ejemplos de algunos circuitos integrados son el regulador de uso 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 cuánta carga se transfiere a la carga. Esto está controlado por un mecanismo de retroalimentación similar al de un regulador lineal. Debido a que el elemento en serie es completamente conductor o está apagado, casi no disipa energía; esto es lo que le da eficiencia al diseño de conmutación. 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 conmutados, el transistor de paso se utiliza como un "interruptor controlado" y funciona en estado de corte o saturado. Por lo tanto, la potencia transmitida a través del dispositivo de paso es en pulsos discretos en lugar de un flujo de corriente constante. Se logra una mayor eficiencia ya que el dispositivo de paso funciona como un interruptor de baja impedancia. Cuando el dispositivo de paso está en corte, no hay corriente y no disipa energía. Nuevamente, cuando el dispositivo de paso está saturado, aparece una caída de voltaje insignificante a través de él y, por lo tanto, disipa solo una pequeña cantidad de potencia promedio, proporcionando la corriente máxima a la carga. En cualquier caso, la energía desperdiciada en el dispositivo de paso es muy pequeña y casi toda la energía se transmite a la carga. Por lo tanto, la eficiencia de una fuente de alimentación de modo conmutado es notablemente alta, en el rango del 70 al 90%.
Los reguladores de modo conmutado se basan en la modulación de ancho de pulso para controlar el valor promedio del voltaje de salida. El valor promedio de una forma de onda de pulso repetitiva depende del área bajo 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 se encuentran disponibles 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. [3] [4] Los reguladores IC 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.
Se pueden fabricar fuentes de alimentación de CC simples con rectificadores. Pero sufren cambios en la entrada o en la carga. Esto inició el desarrollo de los circuitos reguladores lineales (serie/shunt)*. Los reguladores lineales mantienen un voltaje constante variando su resistencia para contrarrestar el cambio de voltaje de entrada. Aún así, la eficiencia de este sistema es pobre. Son pesados y no lo suficientemente flexibles como para elegirlos para cada aplicación. Por eso se diseñó la fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS).
Los SMPS utilizan un interruptor de alta frecuencia con un ciclo de trabajo variable para mantener el voltaje de salida. La variación del voltaje de salida causada por la conmutación se filtra mediante un filtro LC . Los sistemas de fuente de alimentación de modo conmutado deben su origen a los días en que las radios de válvulas o de tubo para automóviles necesitaban un gran suministro de HT. Por ejemplo, la radio necesitaría generar 150 V CC a partir de un sistema de alimentación de automóvil de normalmente 12 V CC . Hoy en día encontramos aplicaciones SMPS en la gran mayoría de la electrónica.
Las fuentes de alimentación de modo conmutado son básicamente convertidores CC-CC. Si la entrada es CA, primero se rectifica la entrada a voltaje CC. Entonces, dependiendo de la entrada, un SMPS puede tener dos (DC-AC, AC-DC) o tres (AC-DC, DC-AC, AC-DC).
Los dos tipos de reguladores tienen sus diferentes ventajas:
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 está por debajo del valor deseado, el SCR se activa, permitiendo que la electricidad fluya hacia la carga hasta que el voltaje de la red de CA pase por cero (finalizando el medio ciclo). Los reguladores SCR tienen las ventajas de ser muy eficientes y muy simples, pero debido a que no pueden terminar un medio ciclo de conducción en curso, no son capaces de regular el voltaje con mucha precisión en respuesta a cargas que cambian rápidamente. Una alternativa es el regulador en derivación SCR 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 baja resistencia.
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 eficientemente un voltaje (algo ruidoso) ligeramente por encima de la salida finalmente deseada. 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 derivaciones múltiples con un postregulador lineal ajustable.
En el caso más sencillo se utiliza un amplificador colector común también conocido como seguidor de emisor con la base del transistor regulador conectada directamente a la referencia de tensión:
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 la capacidad de manejo de potencia de el transistor no se excede.
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 cualquier motivo externo, como un aumento en la corriente consumida por la carga (lo que provoca un aumento en el voltaje colector-emisor para observar KVL), el voltaje base-emisor del transistor ( U BE ) aumenta, haciendo que el transistor encendido más y entregando más corriente para aumentar el voltaje de carga nuevamente.
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 Rv conducen a una mayor disipación de potencia en el diodo y a características inferiores del regulador . [5]
R v está dado por
dónde
La estabilidad de la tensión de salida se puede aumentar significativamente utilizando un amplificador diferencial , posiblemente implementado como amplificador operacional :
En este caso, el amplificador operacional impulsa el transistor con más corriente si el voltaje en su entrada inversora cae por debajo de la salida de la referencia de voltaje en la entrada no inversora. El uso del divisor de voltaje (R1, R2 y R3) permite elegir el voltaje de salida arbitrario entre U z y U in .
La tensión de salida sólo puede mantenerse constante dentro de límites especificados. La regulación se concreta mediante dos medidas:
Otros parámetros importantes son:
