La mayoría de los CI integrados requieren un voltaje constante con el que podría funcionar. Ya sea una simple puerta lógica o un microprocesador complejo, tienen su propio voltaje de funcionamiento. Los voltajes de funcionamiento más comunes son 3.3 V, 5V y 12v. si bien tenemos baterías y Adaptadores de CC que podrían actuar como fuente de voltaje, la mayoría de las veces no se pueden conectar directamente a nuestro diseño de circuito ya que el voltaje de ellos no está regulado.,
digamos, por ejemplo, que tenemos una batería de 9V pero necesitamos activar un relé de 5V, que obviamente funciona en 5V.
¿qué es el regulador de voltaje y por qué lo usamos?
recuerdas tus días de escuela nos enseñaron que las resistencias bajan de voltaje. ¿No sería una solución simple usar resistencias para bajar el voltaje de acuerdo con la Ley de ohmios? Pero entonces, los resistores caen voltaje dependiendo de la corriente que fluye a través de ellos. En el momento en que su componente comienza a consumir menos corriente, el voltaje se dispara y lo mata.,
Necesita algo mejor – el voltaje no debe depender de la corriente de carga, al menos no mucho. La siguiente solución más simple que viene a su cabeza es el divisor de voltaje. Esto necesita dos resistencias, pero bueno, si se pueden apretar, también pueden funcionar. Otro problema persistente – el momento en que su componente comienza a dibujar demasiada corriente, la salida del divisor se hunde – la resistencia superior no es capaz de mantenerse al día con la demanda actual. Ahora realmente empiezas a desear haber aprendido sobre esto en la escuela., Podría arreglar esto bajando los valores de la resistencia, pero eso haría que las dos resistencias consumieran demasiada corriente, probablemente arruinando su presupuesto actual y calentándose demasiado con el riesgo inmediato de falla.
¿Qué más se podría hacer? La amplificación! Por supuesto, usted tuvo que trabajar a través de horas de conferencias sobre los! ¿Por qué no agregar un transistor NPN como seguidor de voltaje? El sesgo del divisor de voltaje se podría conectar a la base, la entrada del carril de 12V al colector y la salida al componente al emisor, y bingo, ¡has resuelto el problema!,
Por supuesto, la solución funciona, pero te deja con una sensación molesta: has utilizado tres partes y, al probar, descubres que los fallos en el riel de suministro de 12v se replican perfectamente en la salida. Por supuesto, este es un amplificador, no tiene la inteligencia para compensar automáticamente. Podría reemplazar la resistencia inferior del divisor de voltaje con un diodo Zener, pero la corriente requerida para sesgar correctamente un Zener (contra cosas como los coeficientes de temperatura y la deriva) es casi tanto como su componente consume, lo que es completamente inútil.,
¿no hay una mejor manera de hacer esto? ¿No hay una caja negra mágica que contenga todo lo necesario para bajar un voltaje de manera eficiente? Millones de EEE en todo el mundo han pasado por períodos similares de estrés (¡incluyéndome a mí!). Por supuesto, no todos los problemas están asociados con la caída de voltajes, pero situaciones similares son comunes es EEE labs en todas partes!
pero estás de suerte-el componente exacto que necesitas existe. De hecho, es una de las primeras implementaciones comerciales de la tecnología IC (aparte de los amplificadores operativos): el humilde regulador de voltaje.,
si alguna vez mira a través de la hoja de datos de un regulador de voltaje, se sorprenderá de la circuitería con la que se han embalado para bajar un voltaje y mantenerlo limpio: un buen regulador de voltaje estable, amplificadores con retroalimentación y Compensación y una etapa de potencia medio decente. Por supuesto, si hemos sido capaces de empaquetar tanta tecnología en nuestros teléfonos, ¿por qué no alguna regulación de voltaje en un buen paquete TO – 92?
siguen mejorando cada día-algunos de ellos consumen no más de unos pocos nanoamps, que es una milésima parte de una millonésima parte de un amplificador!, Aún mejor, otros vienen con protección contra cortocircuitos y sobretemperatura, lo que los hace infalibles.
reguladores de Voltaje – una mirada más cercana
como hemos visto en la sección anterior, el trabajo principal de un regulador de voltaje es dejar caer un voltaje más grande a uno más pequeño y mantenerlo estable, ya que ese voltaje regulado se utiliza para alimentar la electrónica (sensible).
un regulador de voltaje es básicamente un seguidor de emisor reforzado, como se describió anteriormente: un transistor conectado a una referencia estable que escupe un voltaje constante, dejando caer el resto.,
también tienen un amplificador de error incorporado, que muestrea el voltaje de salida (de nuevo a través de un divisor), lo compara con el voltaje de referencia, calcula la diferencia y acciona el transistor de salida en consecuencia. Esto está muy lejos de un divisor de voltaje, que reproduce fielmente la señal de entrada, aunque solo una magnitud más pequeña. No desea que la ondulación de CA se superponga en su carril de voltaje de CC.
es deseable tener un transistor con alta ganancia, ya que los transistores de potencia son un gran dolor de conducir, con ganancias patéticas en el rango de dos dígitos., Esto se ha superado mediante el uso de transistores Darlington y más recientemente MOSFETs. Dado que estos tipos requieren menos corriente para conducir, el consumo total de corriente disminuye. Esto se complementa con el hecho de que la referencia de voltaje utilizada internamente también consume muy poca corriente.
la corriente que consume el regulador para conducir todo este circuito interno cuando la salida no está cargada se llama corriente de reposo. Cuanto menor sea la corriente inactiva, mejor.,
la forma en que se construyen estos reguladores tiene tres transistores en la etapa de salida de potencia, dos de ellos en una configuración Darlington y el otro como un dispositivo limitador de corriente. Las sucesivas uniones CE se suman a una caída de tensión de alrededor de 2V a través del regulador.
este voltaje se conoce como el voltaje de abandono, el voltaje por debajo del cual el regulador deja de regular.
Puede encontrar dispositivos llamados ldos o reguladores de baja caída con una caída de voltaje de alrededor de 0,4 V, ya que utilizan un interruptor MOSFET.
tres reguladores terminales
basta de hablar, ahora para los números de parte reales.,
la serie más común de reguladores de voltaje es la serie 78XX. Los dos dígitos después del 78 representan la tensión de salida del regulador, por ejemplo, el 7805 es un regulador de 5V y el 7812 es un regulador de 12v. Los voltajes de salida disponibles con reguladores fijos cubren un amplio rango de 3.3 V A 24V con valores agradables como 5V, 6V, 9V, 15V y 18V disponibles.
esta serie de reguladores son excelentes para la mayoría de los propósitos, pueden manejar hasta casi 30v en la entrada y dependiendo del paquete, hasta 1A de corriente de salida., Son excepcionalmente fáciles de usar: conecte el pin de entrada al voltaje de entrada y el pin de salida al dispositivo que necesita el voltaje más bajo y, por supuesto, el pin de tierra a tierra.
Aquí los condensadores de desacoplamiento son opcionales, ya que los amplificadores de retroalimentación «rechazan» la ondulación y el ruido de entrada, asegurándose de que no pasan a la salida. Sin embargo, si su dispositivo dibuja más de unas pocas decenas de miliamperios, se recomienda al menos 4.7 uF en la entrada y salida, preferiblemente en cerámica.
una cosa interesante que la gente hace es hacer cargadores de teléfono primitivos utilizando estos reguladores., Simplemente conecte una batería de 9V a la entrada y un conector USB apropiado a la salida y listo, tiene un cargador de teléfono de emergencia. Esta construcción es bastante robusta, debido a la protección térmica incorporada en el chip.
lo bueno de este tipo de reguladores de voltaje es que los pines son casi universales, por lo que los reemplazos de enchufes son posibles. Hoy en día, la mayoría de los paquetes de ‘transistores’ en PCB son reguladores de voltaje que se pueden recoger para otros proyectos porque son tan fáciles de usar.,
aumentar la corriente de salida de los reguladores de voltaje
una limitación que supera rápidamente la utilidad es la corriente de salida, que está severamente limitada por el paquete y la forma en que se monta el paquete.
hay variantes de alta corriente de estos reguladores, pero son difíciles de encontrar.
los únicos dispositivos capaces de escupir altas corrientes son los convertidores de conmutación DC-DC, pero las cifras de ruido de salida son terribles.
diseñar su propio regulador lineal de alta corriente es posible, pero eventualmente se encontrará con todos los problemas mencionados anteriormente.,
afortunadamente, hay una manera de ‘secuestrar’ un regulador estándar con algunas piezas adicionales y aumentar la corriente de salida.
La mayoría de estas modificaciones implican agregar un transistor de derivación a través del regulador y conducir la base con la entrada, como se muestra en la siguiente figura.
reguladores ajustables
tres reguladores terminales son bastante agradables y fáciles de usar, pero ¿qué pasa si desea un voltaje de salida no estándar como 10.5 V o 13V?,
Por supuesto, es más o menos posible secuestrar reguladores fijos, pero el circuito requerido es bastante complejo y supera el propósito principal de la simplicidad.
Existen dispositivos que pueden hacer el trabajo por nosotros, el más popular es el LM317.
El LM317 es como cualquier otro regulador lineal con un pin de entrada y un pin de salida, pero en lugar de un pin de tierra hay un pin llamado ‘adjust’. Este pin está diseñado para obtener retroalimentación de un divisor de voltaje a través de la salida para que el pin siempre esté en 1.,25V, variando los valores de resistencia podemos obtener diferentes voltajes. La hoja de datos incluso dice, ‘elimina el almacenamiento de muchos voltajes fijos’, pero por supuesto esto se aplica solo si puede permitirse el lujo de tener esas dos resistencias a bordo.
algo bueno de los reguladores ajustables como este es que con un pequeño cambio en la configuración también pueden servir como suministros de corriente constante.
al conectar una resistencia al pin de salida y el pin de ajuste al otro extremo de la resistencia como se muestra en la figura, el regulador intenta mantener una constante 1.,25V a través de la resistencia de salida y por lo tanto una corriente constante en la salida. Este circuito simple es bastante popular entre la Comunidad del laser del diodo.
Los reguladores fijos también pueden hacer esto, pero los voltajes de abandono son irrazonablemente altos (de hecho, el voltaje de salida nominal). Trabajarán en un apuro, sin embargo, si estás desesperado.
limitaciones del regulador de voltaje
la mayor ventaja de los reguladores lineales es su simplicidad; no hay nada más que decir.
sin embargo, como todos los buenos chips vienen con su propio conjunto de limitaciones.,
Los reguladores lineales funcionan como una resistencia variable con retroalimentación, dejando caer cualquier voltaje innecesario. Mientras dibuja la misma corriente que la carga. Esta energía desperdiciada se convierte en calor, lo que hace que estos reguladores sean calientes e ineficientes a altas corrientes.
por ejemplo, un regulador de 5V con una entrada de 12V funcionando A 1A tiene una pérdida de potencia de (12V – 5V)*1A, que es de 7W! Eso es una gran cantidad de energía desperdiciada, y la eficiencia es de solo el 58%!
así que a altos diferenciales de voltaje de entrada-salida o a altas corrientes, los reguladores tienen una eficiencia energética patética.,
el problema de tensión diferencial de entrada-salida se puede superar utilizando más de un regulador en serie con tensiones de salida decrecientes (hasta el valor de tensión deseado) de modo que la tensión se reduce gradualmente. Si bien la disipación de potencia general es la misma que tener un regulador, la carga de calor se extiende a través de todos los dispositivos, disminuyendo la temperatura de funcionamiento general.