Reguladores de voltaje, clasificación, reguladores discretos

1 Reguladores de voltaje. Clasificación  2 Referencia de voltaje: zener, “bandgap”  3 Regulación de voltaje en serie  4 Protección para Reguladores de voltaje  5 Reguladores de voltaje monolíticos  6 Reguladores de conmutación

Reguladores de voltaje, clasificación, reguladores discretos

Por: Gustavo A. Ruiz Robredo ruizrg@unican.es

11.1 Introducción

Todos los circuitos electrónicos requieren una o más fuentes de tensión estable de continua.

Las fuentes de alimentación sencillas construidas con un transformador, un rectificador y un filtro (fuentes de alimentación no reguladas) no proporcionan una calidad suficiente porque sus tensiones de salida cambian con la corriente que circula por la carga y con la tensión de línea, y además se presenta una cantidad significativa de rizado a la frecuencia de la red. Por ello no son generalmente adecuadas para la mayoría de las aplicaciones.

En la figura 1.11 se presenta un diagrama de bloques típico de una fuente de alimentación regulada. La entrada es un transformador conectado a la red eléctrica (220 V, 50 Hz) con el objeto de reducir su amplitud.

Un rectificador de diodos rectifica la señal la cual es filtrada (generalmente a través de un condensador) para producir una salida DC no regulada. El regulador de tensión proporciona una salida mucho más regulada y estable para alimentar una carga.

La función del regulador de tensión es proporcionar una tensión estable y bien especificada para alimentar otros circuitos a partir de una fuente de alimentación de entrada de poca calidad; después del amplificador operacional, el regulador de tensión es probablemente el circuito integrado más extensamente usado.

Además, deben de ser capaces de proporcionar corrientes de salida desde unas cuantas decenas de miliamperios, en el de reguladores pequeños, hasta varios amperios, para reguladores grandes.

Los reguladores de tensión se clasifican en:

a) Reguladores de tensión serie o lineales

Controlan la tensión de salida ajustando continuamente la caída de tensión en un transistor de potencia conectado en serie entre la entrada no regulada y la carga. Puesto que el transistor debe conducir corriente continuamente, opera en su región activa o lineal.

Aunque son más sencillos de utilizar que los reguladores de conmutación, tienden a ser muy ineficientes debido a la potencia consumida por el elemento en serie. Su eficiencia es alrededor del 20% y solamente resultan eficaces para baja potencia (< 5 W).

b) Reguladores de conmutación

Utilizan un transistor de potencia como conmutador de alta frecuencia, de tal manera que la energía se transfiere desde la entrada a la carga en paquetes discretos. Los pulsos de intensidad se convierten después a una corriente continua mediante un filtro inductivo y capacitivo.

Puesto que, cuando opera como conmutador, el transistor consume menos potencia que en su región lineal, estos reguladores son más eficientes (hasta el 80%) que los lineales; además, son más pequeños y ligeros.

Estos reguladores se pueden diseñar para operar directamente sobre la tensión de la red rectificada y filtrada, eliminando la necesidad de utilizar transformadores voluminosos. El precio que sé da por estas ventajas es una mayor complejidad del circuito y un mayor ruido de rizado.

Los reguladores de conmutación se utilizan especialmente en sistemas digitales, donde a menudo es mucho más importante una alta eficiencia y un peso bajo que un rizado de salida pequeño.

La tendencia actual en el diseño de fuentes de alimentación de varias salidas es utilizar reguladores de conmutación para aprovechar sus ventajas y utilizar después reguladores en serie para conseguir tensiones más limpias y mejor reguladas.

11.2.- Reguladores de tensión con componentes discretos.

Un regulador de tensión está constituido por una serie de bloques funcionales que permiten estabilizar la tensión de salida.

La figura 11.2 muestra el diagrama de bloques de este circuito formado por: referencia de tensión, circuito de muestreo, amplificador de error y elemento de control. Una variación de la tensión de salida (Vo) es detectada por el amplificador de error al comparar la referencia de tensión y el circuito de muestreo.

Este amplificador opera sobre el elemento control en serie para restaurar la Vo.

11.2.1.- Referencias de tensión

Una referencia de tensión constituye una parte fundamental de los reguladores de tensión al proporcionar una tensión de continua, muy precisa y estable con la temperatura y con el tiempo.

Requerimientos típicos de estabilidad térmica son del orden de 100 ppm/°C o mejor. Para minimizar los errores debidos al autocalentamiento, las referencias de tensión proporcionan una corriente de salida moderada, típicamente en el rango de unos pocos mA.

Las técnicas de compensación aplicadas a las referencias semiconductoras permiten conseguir coeficientes de temperatura de 1 ppm/°C o menores.

Estas técnicas se utilizan también en el diseño de transductores de temperatura. Las referencias de tensión están basados en diodos Zener y transistores bipolares o de salto de banda (“bandgap”).

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1 Reguladores de voltaje. Clasificación  2 Referencia de voltaje: zener, “bandgap”  3 Regulación de voltaje en serie  4 Protección para Reguladores de voltaje  5 Reguladores de voltaje monolíticos  6 Reguladores de conmutación