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Circuitos reguladores de voltaje

Circuitos reguladores de voltaje

Los reguladores de voltaje se utilizan ampliamente en los circuitos de suministro de energía de la electrónica. Proporcionan grados muy altos de regulación y bajos niveles de ondulación, aunque sus niveles de eficiencia son mucho más bajos que otra forma popular de regulador llamado regulador de modo de conmutación. Sin embargo, los reguladores lineales todavía se utilizan en grandes cantidades debido a su relativa simplicidad y altos niveles de rendimiento.

Es posible hacer circuitos reguladores de voltaje a partir de ambos componentes discretos, además de poder usar reguladores IC. Los reguladores de CI permiten alcanzar niveles muy altos de rendimiento, a menudo utilizando comparativamente pocos componentes, pero a menudo para muchos proyectos es posible utilizar algunos componentes disponibles para hacer un circuito regulador de voltaje perfectamente adecuado.

Concepto básico detrás de los circuitos reguladores de voltaje

Aunque existen muchos circuitos reguladores de voltaje diferentes y reguladores de circuitos integrados, los conceptos básicos para estos circuitos se dividen en una de dos categorías básicas:

  • Circuito regulador en serie
  • Circuito regulador paralelo o en derivación.

Todos los circuitos reguladores de voltaje entran en una de estas categorías, aunque de las dos, el tipo más común visto para los circuitos reguladores de voltaje completo es el regulador en serie.

Además de que los reguladores de voltaje se clasifican como reguladores en serie y en derivación, también es posible clasificarlos en otras dos categorías según el modo de funcionamiento:

  • Reguladores de voltaje lineal.
  • Reguladores de voltaje de conmutación.

Tanto los circuitos reguladores lineales como los de conmutación se utilizan ampliamente. Cada tipo tiene sus propias ventajas y desventajas y, por lo tanto, la elección del tipo de regulador debe hacerse en función de la aplicación prevista.

Circuito regulador de voltaje en serie

Los circuitos reguladores de voltaje en serie funcionan mediante el uso de un elemento de control en serie, como un transistor bipolar o un transistor de efecto de campo. La base de funcionamiento del circuito gira en torno al control de la conductancia de este elemento en serie mediante un voltaje de control. Si el voltaje de la salida tiende a aumentar, entonces esto se detectará y el voltaje de control se ajustará para reducir la conductancia del elemento en serie, lo que hará que aumente el voltaje a través del elemento en serie. Como el elemento en serie y la carga forman un circuito divisor de potencial, cualquier aumento de voltaje en el elemento de control en serie hará que el voltaje en la carga disminuya.

De manera similar, si el voltaje a través de la carga tiende a caer demasiado bajo, entonces esto se detectará, el voltaje de control para el elemento en serie hará que la conductancia del elemento en serie aumente y se mantendrá el voltaje en la carga.

Esta es una forma típica de sistema de retroalimentación negativa. La tensión de control debe tener una referencia con la que se pueda comparar la salida. Esto a menudo lo proporciona un circuito de referencia de voltaje basado en un diodo Zener. El voltaje de salida del regulador se toma, a menudo a través de un divisor de potencial, y se compara con el voltaje de referencia, y el voltaje de error se retroalimenta como voltaje de control para alterar la conductancia del elemento de control en serie.

Es posible variar el voltaje de salida cambiando la cantidad por la cual se divide la salida. Al colocar una resistencia variable en el divisor de potencial, se puede cambiar el voltaje que se compara con el voltaje de referencia. Esto, a su vez, cambiará el voltaje de salida del circuito regulador de voltaje.

Circuito regulador de voltaje en derivación

Como su nombre lo indica, un regulador de voltaje en derivación opera en paralelo con la carga, en lugar de estar en serie con ella. Usando una forma de dispositivo de corriente constante, que podría ser tan simple como una resistencia, opera en paralelo con la carga, derivando o absorbiendo la corriente para que el voltaje en la carga permanezca igual.

Las formas más simples de reguladores de derivación utilizan dispositivos de voltaje constante como los diodos Zener. Estos circuitos utilizan una resistencia en serie para proporcionar una acción de limitación de corriente, y el diodo Zener se coloca entre la resistencia y tierra en paralelo con la carga. Como el diodo Zener mantiene un voltaje constante, las variaciones de corriente por la carga no causarán variaciones de voltaje (significativas) porque el diodo mantendrá un voltaje constante, absorbiendo cualquier variación de corriente. Naturalmente, existen otras formas más sofisticadas de regulador de derivación, pero la versión con diodo Zener es la más simple y directa.

Regulador de voltaje lineal

Un circuito regulador de voltaje lineal es aquel en el que la conductancia del elemento regulador en serie varía de forma lineal para garantizar que se mantenga el voltaje requerido en la salida. De esta manera, la tensión de salida se mantiene lo más exactamente posible y se obtiene la salida más limpia.

Aunque un circuito regulador de voltaje lineal ofrece niveles muy altos de rendimiento en términos de ruido, ondulación y regulación, este tipo de circuito no es eficiente. El elemento regulador en serie requiere que se caiga un voltaje significativo a través de él para poder mantener los altos niveles de ruido y rechazo de ondulación requeridos. El elemento regulador en serie debe poder disipar niveles significativos de potencia dependiendo de la salida requerida. Esto significa que estas fuentes de alimentación pueden ser grandes y pesadas.

Regulador de voltaje de conmutación

A diferencia de los reguladores lineales donde el elemento en serie varía de forma lineal, el elemento en serie en los reguladores de conmutación solo tiene dos estados: encendido y apagado. El regulador funciona cargando un condensador grande en la salida. A medida que el voltaje cae a medida que se usa la carga para alimentar la carga, el regulador en serie se enciende. Una vez que ha alcanzado el voltaje requerido, se apaga nuevamente. Al tener un condensador de depósito suficientemente grande en la salida, los picos de conmutación se eliminan en el principal.

La ventaja de cambiar los reguladores es su nivel de eficiencia mucho mayor que pueden ofrecer. El elemento en serie disipa muy poca energía, ya sea que esté encendido o apagado. Como resultado, estas fuentes de alimentación no solo son muy eficientes, sino que también se pueden hacer mucho más pequeñas. El problema es que siempre hay algunos picos de conmutación presentes en la salida y el nivel de ruido general en la salida es mayor que el que ofrecen los reguladores lineales. Sin embargo, son bastante adecuados para muchas aplicaciones y, como resultado, son muy utilizados.

Resumen

Los reguladores de voltaje lineal se utilizan ampliamente en circuitos electrónicos. Con circuitos que operan a altas velocidades y que requieren que los rieles de suministro se mantengan con precisión, los circuitos reguladores de voltaje se utilizan para proporcionar los suministros para la mayoría de los circuitos.

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