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 tanto con el voltaje de entrada como con la carga, lo que resulta en un voltaje de salida 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 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 como 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 (un 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 formados por conjuntos de componentes discretos de estado sólido o de tubos 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 en derivación 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 voltaje para establecer el voltaje de salida regulado. El voltaje de salida se compara con un voltaje de referencia para producir una señal de control al transistor que accionará su puerta o base. Con retroalimentación negativa y una buena elección de compensación , el voltaje de salida se mantiene razonablemente constante. Los reguladores lineales suelen ser ineficientes: dado que el transistor actúa como una resistencia, desperdiciará energía eléctrica convirtiéndola en calor. De hecho, la pérdida de potencia debido al calentamiento del 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 mediante una fuente de alimentación de modo conmutado , pero se puede preferir un regulador lineal para cargas livianas o cuando el voltaje de salida deseado se aproxima 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 costosos o voluminosos, siendo a menudo de diseño más simple y causar menos interferencias electromagnéticas . 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, su huella en una PCB y su precio.
Todos los reguladores lineales requieren un voltaje de entrada al menos una cantidad mínima superior al 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 permanece 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 microprocesadores de bajo voltaje , se utilizan los llamados reguladores de caída baja (LDO). ) debe ser usado.
Cuando el voltaje regulado de salida debe ser mayor que el voltaje de entrada disponible, ningún regulador lineal funcionará (ni siquiera un regulador de baja caída). En esta situación, se debe utilizar un convertidor elevador o una bomba de carga . La mayoría de los reguladores lineales continuarán proporcionando algo de voltaje de salida aproximadamente el voltaje de caída 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. Esto generalmente está limitado 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 un camino desde el voltaje de suministro a tierra a través de una resistencia variable (el transistor principal está en la "mitad inferior" del divisor de voltaje). La corriente a través del 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 consiste simplemente en un diodo de referencia de voltaje y se usa 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 voltaje. Por lo general, un regulador en derivación solo puede absorber (absorber) corriente.
Los reguladores en serie son la forma más común; son más eficientes que los diseños de derivación. El regulador en serie funciona proporcionando un camino desde el voltaje de suministro hasta la carga a través de una resistencia variable, generalmente un transistor (en esta función generalmente se 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 se regulan bien una vez que el voltaje de entrada (no regulado) se acerca al voltaje de salida requerido; los 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 voltaje en derivación simple que opera mediante la acción del diodo Zener de mantener un voltaje constante a través de sí mismo cuando la corriente que lo atraviesa 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 el voltaje Zener e I R2 es la corriente de carga requerida.
Este regulador se utiliza para aplicaciones muy simples de baja potencia donde las corrientes involucradas son muy pequeñas y la carga está conectada permanentemente a través del diodo Zener (como circuitos de referencia de voltaje o fuente de voltaje ). Una vez que se haya calculado R 1 , eliminar R 2 permitirá que la corriente de carga completa (más la corriente Zener) pase a través del diodo y puede exceder la clasificación de corriente 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 e inversamente de la corriente de carga. En algunos diseños, el diodo Zener se puede reemplazar con otro dispositivo que funcione de manera similar, especialmente en un escenario de voltaje ultrabajo, como (bajo polarización directa) varios diodos o LED normales en serie. [3]
Agregar una etapa seguidora de emisor al regulador en derivación simple forma un regulador de voltaje en serie simple y mejora sustancialmente la regulación del circuito. En este caso, la corriente de carga I R2 es suministrada por el transistor cuya base está ahora conectada al diodo Zener. Por 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 que pasa por R 2 . Este regulador se clasifica como "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 base del transistor, K = 1,2 a 2 (para garantizar que R 1 sea lo suficientemente bajo para I B adecuado ) y donde, I R2 es la corriente de carga requerida y también es la corriente del emisor del transistor (se supone que es igual a la corriente del colector) y h FE(min) es la ganancia de corriente CC mínima aceptable para el transistor.
Este circuito tiene una regulación mucho mejor que el regulador en derivación 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 V BE del transistor. Si bien este circuito tiene buena regulación, aún es sensible a la variación de carga y suministro. Esto se puede resolver incorporando circuitos de retroalimentación negativa. Este regulador se utiliza a menudo como "preregulador" en circuitos reguladores de voltaje en serie más avanzados.
El circuito se puede ajustar fácilmente agregando un potenciómetro a través del Zener, moviendo la conexión de la base del transistor desde la parte superior del Zener al limpiador del potenciómetro. Se puede hacer que el paso sea ajustable cambiando entre diferentes Zeners. Finalmente, ocasionalmente se hace microajustable agregando 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 ).
Se encuentran fácilmente disponibles reguladores lineales de tres terminales, utilizados para generar voltajes "fijos". 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 punto máximo alrededor de una carga de 1,5 amperios.
La serie " 78xx " (7805, 7812, etc.) regula tensiones positivas mientras que la serie " 79xx " (7905, 7912, etc.) regula tensiones negativas. 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 78L y 78S, algunas de las cuales pueden suministrar hasta 2 A. [4]
Al agregar otro elemento de circuito a un regulador IC de voltaje fijo, es posible ajustar el voltaje de salida. Dos métodos de ejemplo son:
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 media potencia como LM317 y L200 . Algunos de los reguladores variables están disponibles en paquetes con más de tres pines, incluidos paquetes dobles en línea . Ofrecen la capacidad de ajustar el voltaje de salida mediante el uso de resistencias externas de valores específicos.
Para voltajes de salida que no proporcionan los reguladores fijos estándar y corrientes de carga de menos de 7 A, se pueden usar 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 grifo central conectado 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 de IC único están disponibles para aplicaciones como circuitos de amplificador operacional que necesitan suministros de CC positivos y negativos combinados. Algunos también tienen limitación de corriente seleccionable. Algunos reguladores requieren una carga mínima.
Un ejemplo de un regulador ajustable de seguimiento dual IC único 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. El funcionamiento requiere pocos o ningún componente externo, según la aplicación. Las configuraciones internas proporcionan voltajes de salida fijos a ±15 V [5]
Los reguladores de voltaje IC lineales pueden incluir una variedad de métodos de protección:
En ocasiones se utiliza protección externa, como la protección de palanca .
Los reguladores lineales se pueden construir utilizando componentes discretos, pero generalmente se encuentran en formas de circuitos integrados . Los reguladores lineales más comunes son circuitos integrados de tres terminales en el paquete TO-220 .
Los reguladores de voltaje comunes son la serie LM 78xx (para voltajes positivos) y la serie LM79xx (para voltajes negativos). Los robustos reguladores de voltaje para automóviles, como LM2940 / MIC2940A / AZ2940, pueden manejar conexiones inversas de batería y breves transitorios de +50/-50 V también. Algunas alternativas de regulador de baja caída (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 las hace más adecuadas para dispositivos que funcionan con baterías. .
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 voltaje fijo 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 voltaje fijo o variable alimentado por la salida del regulador. Un divisor de voltaje variable, como un potenciómetro, permite al usuario ajustar el voltaje regulado.
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link), Hoja de datos de L78xx que muestra un modelo que puede generar 2 A