REGULADORES DE VOLTAJE

5.3 REGULADORES DE VOLTAJE

Un regulador de voltaje proporciona un voltaje de salida de cd constante que es esencialmente independiente del voltaje de entrada, de la corriente de carga de salida y de la temperatura. El regulador de voltaje es parte de una fuente de alimentación, su voltaje de entrada proviene de la salida filtrada de un rectificador producida por un voltaje de ca o por una batería, en el caso de sistemas portátiles.

La mayoría de los reguladores de voltaje caen dentro de dos amplias categorías: reguladores lineales y regulares de conmutación. En la categoría de regulador lineal, dos tipos generales son el regulador en serie y el regulador en paralelo. Estos normalmente están disponibles para voltaje de salida positivo o negativo. Un regulador doble proporciona salidas tanto positivas como negativas.

En la categoría de regulador de conmutación, tres configuraciones generales son la reductora, la elevadora y la inversora. Hay muchos tipos de reguladores integrados disponibles. Los tipos más populares son el regulador de voltaje fijo de tres terminales y el regulador de voltaje ajustable de tres terminales. Los reguladores de conmutación también se utilizan ampliamente. En este capítulo se presentan dispositivos en circuito integrado específicos como representativos de la amplia variedad de dispositivos disponibles.

Regulación de línea

Cuando el voltaje de entrada de ca (de la línea) de una fuente de alimentación cambia, un circuito electrónico llamado regulador mantiene un voltaje de salida casi constante, como se ilustra en la figura 17-1. La regulación de línea se define como el porcentaje de cambio del voltaje de salida para un cambio dado del voltaje de entrada.

Cuando se considera dentro de un intervalo de valores de voltaje de entrada, la regulación de línea se expresa como porcentaje de acuerdo con la fórmula siguiente:

La regulación de línea también se expresa en unidades de %/V. Por ejemplo, una regulación de línea de 0.05% V significa que el voltaje de salida cambia 0.05 por ciento cuando el voltaje de entrada se incrementa o reduce en un volt. La regulación de línea se calcula con la fórmula siguiente (Æ significa “cambio de”):

Regulación de carga

Cuando la cantidad de corriente a través de una carga cambia debido a una resistencia de carga variable, el regulador de voltaje debe mantener un voltaje de salida casi constante a través de la carga, como se ilustra en la figura 17-2.

La regulación de carga se define como el porcentaje de cambio del voltaje de salida para un cambio dado de la corriente de carga. Una forma de expresar la regulación de carga es como un porcentaje de cambio del voltaje de salida desde sin carga (NL) hasta plena carga (FL).

Alternativamente, la regulación de carga se expresa como un porcentaje de cambio del voltaje de salida por cada mA de cambio de la corriente de entrada. Por ejemplo, una regulación de carga de 0.01%/mA significa que el voltaje de salida cambia 0.01 por ciento cuando la corriente de carga se incrementa o reduce 1 mA. En ocasiones, los fabricantes de fuentes de alimentación especifican la resistencia de salida

equivalente de una fuente de alimentación (RSAL) en lugar de su regulación de carga. Recuerde que para cualquier circuito lineal de dos terminales se puede obtener un circuito equivalente de Thevenin. La figura 17-3 muestra el circuito equivalente de Thevenin de una fuente de alimentación con un resistor de carga. El voltaje de Thevenin es el voltaje de la fuente sin carga (VNL) y la resistencia de Thevenin es la resistencia de salida específica, RSAL. Idealmente, RSAL es cero, correspondiente a una regulación de carga de 0%, pero en fuentes de alimentación prácticas RSAL es un valor pequeño. Con el resistor de carga en su lugar, el voltaje de salida se encuentra aplicando la regla del divisor de voltaje:

Sea RFL igual la resistencia de carga de valor más pequeño (corriente de valor más grande), entonces el voltaje de salida a plena carga (VFL) es:

Reordenando y sustituyendo en la ecuación 17-3.

REGULADORES EN SERIE LINEALES BÁSICOS

En la figura 17-4(a) se muestra una representación sencilla de un regulador lineal en serie y los componentes básicos se muestran en el diagrama de bloques de la figura 17-4(b). El elemento de control es un transistor de paso en serie con la carga entre la entrada y la salida. El circuito de muestreo de la salida detecta un cambio del voltaje de salida. El detector de error compara el voltaje de muestra con un voltaje de referencia y hace que el elemento de control compense para

Mantener un voltaje de salida de control constante. En la figura 17-5 se muestra un regulador en serie con amplificador operacional básico.

Acción de regulación

La operación del regulador en serie se ilustra en la figura 17-6 y se describe a continuación. El divisor de voltaje resistivo formado por R2 y R3 detecta cualquier cambio del voltaje de salida. Cuando la salida trata de reducirse, como se indica en la figura 17-6(a), debido a una reducción de VENT o debido a un incremento de IL provocado por una reducción de RL, el divisor de voltaje aplica una reducción proporcional de voltaje a la entrada inversora del amplificador operacional. Como el diodo zener (D1) mantiene la otra entrada del amplificador operacional a un voltaje de referencia casi constante, VREF, se desarrolla un pequeño voltaje de referencia (voltaje de error) a través de las entradas del amplificador operacional.

Esta diferencia de voltaje se amplifica y el voltaje de salida del amplificador operacional VB, se incrementa. Este incremento se aplica a la base de Q1, por lo que el voltaje del emisor VSAL se incrementa hasta que el voltaje aplicado a la entrada inversora de nuevo es igual al voltaje de referencia (zener). Esta acción compensa la reducción intentada del voltaje de salida y de este modo se mantiene casi constante.

El transistor de potencia, Q1, casi siempre se utiliza con un disipador de calor porque debe ocuparse de toda la corriente de carga.La acción opuesta ocurre cuando la salida trata de incrementarse, como se indica en la figura 17-6(b). El amplificador operacional en el regulador en serie en realidad está conectado como amplificador no inversor donde el voltaje de referencia VREF es la entrada en la terminal no inversora, y el divisor de voltaje R2/R3 forma el circuito de realimentación negativa. La ganancia de voltaje en lazo cerrado es

Consecuentemente, el voltaje de salida regulado del regulador en serie (despreciando el voltaje entre la base y el emisor de Q1) es:

De este análisis se desprende que el voltaje zener y los resistores R2 y R3 determinan el voltaje de salida. Es relativamente independiente del voltaje de entrada y consecuentemente, se logra la reducción (en tanto el voltaje de entrada y la corriente de de carga estén dentro de los límites especificados).

Protección contra cortocircuito o sobrecarga

Si se extrae una excesiva cantidad de corriente de carga, el transistor de paso en serie puede dañarse o destruirse con rapidez. La mayoría de los reguladores utilizan algún tipo de protección contra corriente excesiva en la forma de un mecanismo limitador de corriente. La figura 17-8 muestra un método de limitación de corriente para evitar sobrecargas, llamado limitación constante de corriente. El circuito limitador de corriente se compone de un transistor Q2 y un resistor R4.

La corriente de carga a través de R4 produce un voltaje de la base al emisor de Q2. Cuando IL alcanza un valor máximo predeterminado, la caída de voltaje a través de R4 es suficiente para polarizar en directa la unión base-emisor de Q2 y hacerla que conduzca.

Suficiente corriente de salida del amplificador operacional se desvía a través de Q2 para reducir la corriente en la base de Q1, por lo que IL se limita a su valor máximo, IL(máx). Como el voltaje de la base al emisor de Q2 no puede ser de más de aproximadamente 0.7 V, el voltaje a través de R4 se mantiene a este valor y la corriente de carga se limita a:

Regulador con limitación de corriente automática

En la técnica de limitación de corriente descrita, la corriente se restringe a un valor constante máximo.

La limitación de corriente automática es un método utilizado particularmente en reguladores de alta corriente donde la corriente de salida en condiciones de sobrecarga se reduce a un valor muy por debajo de la capacidad de corriente de carga pico para evitar una excesiva disipación de potencia.

El concepto básico de la limitación de corriente automática se describe a continuación, con referencia a la figura 17-10. El circuito en el área sombreada es similar a la configuración de limitación de corriente constante de la figura 17-8, con excepción de los resistores R5 y R6. La caída de voltaje desarrollada a través de R4 por la corriente de carga debe vencer no sólo el voltaje de la base al emisor requerido para encender Q2, sino también el voltaje a través de R5. Es decir, el voltaje a través de R4 debe ser

En una condición de sobrecarga o cortocircuito, la corriente de carga se incrementa a un valor, IL(máx), suficiente para hacer que Q2 conduzca. En este momento la corriente ya no puede incrementarse más. La reducción del voltaje de salida produce una reducción proporcional del voltaje a través de R5; de esta forma se requiere menos corriente a través de R4 para mantener la condición de polarización en directa

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