Regulador lineal

En electrónica , un regulador lineal es un regulador de voltaje que se utiliza para mantener un voltaje constante. ^{[ 1 ]} La resistencia del regulador varía en función del voltaje de entrada y la carga, lo que resulta en 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 regulado como calor residual . Por el contrario, un regulador conmutado 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 que el dispositivo activo siempre reduzca el voltaje en cierta cantidad.

Los reguladores lineales pueden colocar el dispositivo regulador en paralelo con la carga ( regulador en derivación ) o 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 complejos incluyen etapas separadas de referencia de voltaje, amplificador de error y elemento de paso de potencia. Dado que el regulador de voltaje lineal es un componente común en muchos dispositivos, los circuitos integrados de 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 válvulas de vacío .

A pesar de su nombre, los reguladores lineales son circuitos no lineales porque contienen componentes no lineales (como diodos Zener, tal como se muestra a continuación en el regulador de derivación simple ) y porque la tensión 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 para el transistor, que controlará 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, desperdicia energía eléctrica al convertirla en calor. De hecho, la pérdida de potencia debida 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 forma mucho más eficiente con una fuente de alimentación conmutada , pero un regulador lineal puede ser preferible para cargas ligeras o cuando el voltaje de salida deseado se aproxima al voltaje de la fuente. En estos casos, el regulador lineal puede disipar menos potencia 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 únicamente transistores, diodos y resistencias, que son más fáciles de integrar en un circuito, lo que reduce aún más su peso, el espacio que ocupan en una placa de circuito impreso y su precio.

Todos los reguladores lineales requieren una tensión de entrada mínima superior a la tensión de salida deseada. Esta tensión mínima se denomina tensión de caída . Por ejemplo, un regulador común como el 7805 tiene una tensión de salida de 5 V, pero solo puede mantenerla si la tensión de entrada se mantiene por encima de los 7 V, antes de que la tensión de salida comience a caer por debajo de su valor nominal. Por lo tanto, su tensión de caída es de 7 V − 5 V = 2 V. Cuando la tensión de alimentación es inferior a unos 2 V por encima de la tensión de salida deseada, como ocurre en las fuentes de alimentación de microprocesadores de baja tensión, deben utilizarse los denominados reguladores de baja caída (LDO).

Cuando la tensión de salida regulada debe ser superior a la tensión de entrada disponible, ningún regulador lineal funcionará (ni siquiera uno de baja caída). En esta situación, se debe utilizar un convertidor elevador o una bomba de carga . La mayoría de los reguladores lineales seguirán proporcionando una tensión de salida cercana a la tensión de caída por debajo de la tensión de entrada para entradas inferiores a la tensión de salida nominal, hasta que la tensión de entrada disminuya significativamente.

Los reguladores lineales se presentan 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 corriente suele estar limitada por la capacidad de disipación de potencia o por la capacidad de conducción de corriente del transistor de salida.

reguladores de derivación

El regulador en derivación funciona proporcionando una ruta desde la tensión de alimentación a tierra a través de una resistencia variable (el transistor principal se encuentra en la parte inferior del divisor de tensión). La corriente que circula por el regulador en derivación se desvía de la carga y fluye directamente a tierra, lo que suele hacer que esta configuración sea menos eficiente que la del 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 disipada es demasiado pequeña como para ser un problema. Esta configuración es muy común en circuitos de referencia de tensión. Un regulador en derivación generalmente solo puede absorber corriente.

Por ejemplo, el siguiente circuito es un regulador de voltaje en derivación simple que funciona a través del efecto Zener :

La resistencia R ₁ suministra la corriente Zener I _Z , así como la corriente de carga I _{R 2} ( R ₂ es la carga). R ₁ satisface$${\displaystyle R_{1}={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+I_{\mathrm {R} _{2}}}}}$$donde V _Z es la tensión Zener.

Este regulador se utiliza en aplicaciones de baja potencia muy sencillas, donde las corrientes involucradas son muy pequeñas y la carga está conectada permanentemente al _diodo Zener (como en circuitos de referencia o fuente de voltaje ). Una vez calculado R1 , al eliminar R2 _, la corriente de carga completa (más la corriente Zener) circulará por el diodo, pudiendo exceder su capacidad máxima de corriente y dañarlo.

La regulación de este circuito tampoco es muy buena, ya que la corriente Zener (y, por lo tanto, la tensión Zener) varía en función de V _S e inversamente en función de la corriente de carga. En algunos diseños, el diodo Zener puede sustituirse por otro dispositivo de funcionamiento similar, especialmente en escenarios de tensión ultrabaja, como (en polarización directa) varios diodos o LED normales en serie.

reguladores en serie

Los reguladores en serie son la forma más común; son más eficientes que los diseños en paralelo. El regulador en serie funciona proporcionando una ruta desde la tensión de alimentación a la carga a través de una resistencia variable, generalmente un transistor (en este caso se le suele llamar transistor de paso en serie ); se encuentra en la "mitad superior" del divisor de tensión, siendo la mitad inferior 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 tensión en el dispositivo regulador. Para lograr eficiencia y reducir la tensión en el transistor de paso, los diseñadores intentan minimizar la caída de tensión, pero no todos los circuitos regulan bien una vez que la tensión de entrada (no regulada) se acerca a la tensión de salida requerida; aquellos que sí lo hacen se denominan reguladores de baja caída . Un regulador en serie generalmente solo puede suministrar corriente, a diferencia de los reguladores en paralelo.

Por ejemplo, al agregar una etapa seguidora de emisor al ejemplo de derivación se forma un regulador en serie simple:

En este caso, la corriente de carga I _{R 2} es suministrada por el transistor cuya base está conectada al diodo Zener. Por lo tanto, la corriente de base del transistor ( I _B ) constituye la corriente de carga del diodo Zener y es mucho menor que la corriente que circula por R _2. Este regulador se clasifica como "serie" porque el elemento regulador, es decir, el transistor, se encuentra en serie con la carga.

R ₁ establece la corriente Zener ( I _Z ) y se determina como$${\displaystyle R_{1}={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+K\cdot I_{\mathrm {B} }}}}$$donde V _Z es la tensión Zener; I _B es la corriente de base del transistor; K es una constante de diseño, elegida para asegurar que R _{1 sea lo suficientemente baja para} una I _B adecuada y típicamente entre 1,2 y 2; y$${\displaystyle I_{\mathrm {B} }={\frac {I_{\mathrm {R} _{2}}}{h_{\mathrm {FE(min)} }}}}$$donde I _{R 2} es la corriente de carga requerida y también la corriente del emisor del transistor (que se supone igual a la corriente del colector) y h _FE(min) es la ganancia de corriente continua mínima aceptable para el transistor.

This circuit has much better regulation than the simple shunt regulator, since the base current of the transistor forms a very light load on the Zener, shielding the Zener voltage from load variation. Note that the output voltage will always be about 0.65 V less than the Zener due to the transistor's V_BE drop. Although this circuit has good regulation, it is still sensitive to load and supply variation. This can be resolved by incorporating negative feedback circuitry into it. This regulator is often used as a "pre-regulator" in more advanced series voltage regulator circuits.

The circuit is readily made adjustable by adding a potentiometer across the Zener, moving the transistor base connection from the top of the Zener to the pot wiper. It may be made step adjustable by switching in different Zeners. Finally, it is occasionally made microadjustable by adding a low value pot in series with the Zener; this allows a little voltage adjustment, but degrades regulation (see also capacitance multiplier).

Three-terminal linear regulators, used for generating "fixed" voltages, are readily available. They can generate plus or minus 3.3 V, 5 V, 6 V, 9 V, 12 V, or 15 V, with their performance generally peaking around a load of 1.5 Amperes.

The "78xx" series (7805, 7812, etc.) regulate positive voltages while the "79xx" series (7905, 7912, etc.) regulate negative voltages. Often, the last two digits of the device number are the output voltage (e.g., a 7805 is a +5 V regulator, while a 7915 is a −15 V regulator). There are variants on the 78xx series ICs, such as 78L and 78S, some of which can supply up to 2 A.^[3]

Un regulador ajustable genera una tensión nominal baja y fija entre su salida y su terminal de ajuste (equivalente a la tierra en un regulador fijo). Esta familia de dispositivos incluye componentes de baja potencia como el LM723 y componentes de potencia media como el LM317 y el L200 . Algunos reguladores variables están disponibles en encapsulados de más de tres pines, incluyendo encapsulados de doble hilera de pines (DIP) . Estos permiten ajustar la tensión de salida mediante resistencias externas de valores específicos.

Para voltajes de salida no proporcionados por reguladores fijos estándar y corrientes de carga inferiores a 7 A, se pueden utilizar reguladores lineales ajustables de tres terminales, de uso común. La serie LM317  (+1,25 V) regula voltajes positivos, mientras que la serie LM337  (−1,25 V) regula voltajes negativos. El ajuste se realiza mediante la construcción de un divisor de voltaje 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 mediante los mismos mecanismos de retroalimentación descritos anteriormente.

Existen reguladores ajustables de doble seguimiento con un solo circuito integrado para aplicaciones como circuitos con amplificadores operacionales que requieren fuentes de alimentación de CC positivas y negativas coincidentes. Algunos también ofrecen limitación de corriente seleccionable. Algunos reguladores requieren una carga mínima.

Un ejemplo de regulador ajustable de doble seguimiento con un solo circuito integrado es el LM125 , un regulador de voltaje monolítico de doble seguimiento y 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 de ±15 V ^{[ 4 ].}

Los reguladores de voltaje lineales integrados pueden incluir diversos métodos de protección:

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

En ocasiones se utiliza protección externa, como por ejemplo una palanca .

Los reguladores lineales pueden construirse con componentes discretos, pero generalmente se presentan 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 automotrices robustos, como el LM2940 / MIC2940A / AZ2940, pueden manejar conexiones de batería inversas y transitorios breves de +50/-50 V. Algunas alternativas de reguladores de baja caída (LDO), como el MCP1700 / MCP1711 / TPS7A05 / XC6206, tienen una corriente de reposo muy baja, inferior a 5 μA (aproximadamente 1000 veces menor 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 voltaje fijo, el pin de referencia está conectado a tierra , mientras que en los reguladores de voltaje variable, 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.

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

• ECE 327: Procedimientos para el laboratorio de reguladores de voltaje (archivado el 16/07/2011 en Wayback Machine) — Proporciona esquemas, explicaciones y análisis para el regulador en derivación Zener, el regulador en serie, el regulador en serie con retroalimentación, el regulador en serie con retroalimentación y limitación de corriente, y el regulador en serie con retroalimentación y reducción de corriente. También analiza el uso adecuado de los condensadores de referencia de voltaje de banda prohibida y de derivación del circuito integrado LM317 .
• ECE 327: Informe Estrategias para el laboratorio de reguladores de voltaje Archivado el 11/10/2022 en Wayback Machine : 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 Archivado el 15/05/2016 en el Archivo Web Portugués — Breve explicación del circuito de referencia de banda prohibida independiente de la temperatura dentro del LM317.
• "Regulador Zener" en Hyperphysics