TRABAJO DE INVESTIGACION : REGULADORES DE VOLTAJE

Fuentes de alimentación regulada

Una fuente de alimentación no regulada consta de un transformador, un rectificador y un filtro. Hay tres razones por las cuales tal sistema sencillo no es suficientemente bueno para algunas aplicaciones. La primera es su mala regulación; la tensión de salida no es constante conforme varía la carga. La segunda es que la tensión continua de salida varía directamente con la entrada alterna. La tercera es que la tensión continua de salida varía con la temperatura, en particular si se utilizan dispositivos semiconductores.

Estabilización

Puesto que la tensión continua de salida Vo depende de la tensión continua no regulada de entrada Vi, de la corriente en la carga IL y de la temperatura T, la variación Vo de la tensión de salida de una fuente de alimentación puede expresarse como

Vo = Sv Vi + Ro L + ST T

Cuanto menor son los valores de los tres coeficientes, mejor es la regulación de la fuente de alimentación.

Regulador seguidor de emisor

fig.1

Este circuito utiliza un transistor para absorber la diferencia entre los voltajes de entrada y salida.

Vo = Vc - Vce = Vz - Vbe

Is = Iz + Ib = ( Vc - Vz ) / Rs

Ib = IL / HFE

En este circuito, para carga plena, el diodo zener absorbe solo la corriente de la base, que es considerablemente menor que la corriente de carga. Conforme aumenta Vc, se incrementará Vce para mantener Vo constante. Puesto que también Is aumenta con Vc, se incrementarán también Vz y Vo ligeramente, lo que modifica la regulación de la línea. Conforme aumenta IL , lo hace también Vbe, debido a la transconductancia Gm del transistor. Puesto que Ib también aumenta, Iz disminuye y la resultante decrece en Vz, sumándose al incremento en Vbe, lo que afecta a la regulación de la carga.

Regulador de tensión serie

La razón física de la mejora de la regulación de tensión con el circuito regulador de seguidor de emisor, reside en el hecho de que una fracción grande del aumento de la tensión de entrada aparece a través del transistor de control, de forma que la tensión de salida casi permanece constante, esto es debido a que un aumento en la salida polariza al transistor de control de forma que la corriente disminuya. Esta polarización adicional provoca un aumento en la tensión colector emisor, que tiende a compensar el aumento de entrada.

De esta explicación se deduce que si la variación de la salida fuese amplificada antes de aplicarse al transistor de control, la estabilización sería mejor.

El siguiente circuito muestra este concepto

Según dicho esquema, una fracción de la tensión de salida bVo, se compara con la tensión de referencia VR. La diferencia bVo - VR es amplificada por Q2. Si la tensión de entrada aumenta, Vo aumenta solo ligeramente y, sin embargo, Q2 puede provocar una variación grande de corriente en R3 (y, puesto que la tensión base emisor es pequeña, también a través de Q1) y Vo permanezca prácticamente constante.

# Comentarios adicionales

Se han desarrollado muchos circuitos para estabilizar el voltaje de referencia, mejorar la limitación de la corriente operacional y la respuesta transitoria, los cuales se pueden encontrar en la fuente de alimentación comerciales. Cuando aparecieron los circuitos integrados y la tecnología de los híbridos, muchos de esos circuitos se incluyeron en paquetes pequeños, tales como el regulador de tres terminales. Como resultado, en la actualidad, muchas fuentes de alimentación utilizan pequeños circuitos integrados para regular la salida de voltaje hasta 5 mV.

La mayoría de las fuentes de alimentación tienen un capacitor de salida que reduce la impedancia de salida, mejora la respuesta transitoria y ayuda a estabilizar.

Fuentes de alimentación de CI de tres terminales

Los reguladores de CI de tres terminales pueden diseñarse para manejar voltaje positivo o negativo y pueden ser fijos o ajustables. Los valores comunes de voltaje de 5,6,8,12,15,18 y 24 voltios están disponibles con facilidad para proporcionar corrientes nominales de hasta 3 amper. Los transistores externos de paso en serie pueden utilizarse conjuntamente con los reguladores de tres terminales, con el objeto de mejorar la capacidad de corriente de carga. Este tipo de regulador puede considerarse como un convertidor de CC a CC con buena capacidad de filtrado. Este tipo emplea usualmente en forma interna alguna forma de limitación de corriente y protección contra sobrecarga térmica.

Para obtener una operación óptima, el voltaje de entrada debería ser de varios volts superior al voltaje deseado de salida, así como debería emplearse un capacitor de entrada, típicamente de tantalio, si el regulador se encontrara a una cierta distancia del capacitor de filtro de la fuente de alimentación. En las siguientes figuras se muestran diagramas de fuentes de alimentación basadas en un regulador de tres terminales de salida fija y del tipo ajustable respectivamente.

Regulador ajustable LM337

El LM337 es un regulador de tres terminales de voltaje negativo capaz de entregar 100 mA y un rango de salida de 1.2 a 37 volts. Requiere solo dos resistores para fijar la tensión de salida, además las regulaciones de línea y de carga son mejores que la de los reguladores fijos.

Además de su mejor rendimiento sobre los reguladores fijos, el LM337 ofrece una protección completa contra sobrecarga. Incluyendo en el chip un limitador de corriente y protección contra sobrecarga térmica. Todas las protecciones de sobrecarga permanecen funcionales aún cuando la terminal de ajuste esté desconectada.

# Características:

• Salida ajustable hasta 1.2 volts.

• Salida de corriente garantizada a 100 mA.

• Regulación de línea típicamente 0.01 % / volts.

• Regulación de la carga típicamente 0.1 % .

• Límite de corriente constante con la temperatura.

• Elimina la necesidad de almacenar mucho voltaje.

• Encapsulado estándar de tres terminales.

• Rechazo de rizado de 80 db.

Generalmente solo un simple capacitor sólido de salida (de tantalio) es necesario solo si el dispositivo se encuentra alejado de los filtros capacitores de entrada en cuyo caso se utiliza una derivación a la entrada. Se puede agregar un mayor capacitor a la salida para mejorar la salida transitoria. El terminal de ajuste puede ser derivado para lograr altos rangos de rechazo de rizado, los cuales son difíciles de lograr con reguladores de tres terminales.

Además de reemplazar a los reguladores fijos, el LM337 es muy útil en una amplia gama de aplicaciones. Como el regulador está “flotando” y ve solo el voltaje diferencial de entrada salida, se puede entregar varios cientos de voltios siempre que no exceda el voltaje diferencial máximo de entrada salida.

Se convierte en un regulador ajustado conmutado simple, en un regulador de salida programable o conectando un resistor fijo entre el ajuste y la salida, el LM337 puede ser usado como un regulador de corriente de precisión. Alimentación con apagado electrónico puede ser obtenido conectando a masa el terminal de ajuste, el cual programa la salida a 1.2 voltios donde la mayoría carga un poco de corriente.

El -LM337 es encapsulado en una envase TO-92 tipo transistor. El LM337 tiene un rango de operación desde los -25 ºC a 125 ºC.

Aplicaciones típicas

En operación el LM337 tiene una referencia de tensión interna de precisión que desarrolla una tensión nominal de -1.25 voltios, VREF, entre la salida y la terminal de ajuste. La tensión de referencia aparece a través del resistor programado , R1. Como VREF es constante, existe una corriente constante, I1 a través del resistor programado. La tensión de salida está dada entonces por

Vo = VREF + ( I1 + IADJ ) R2

= VREF + ( VREF R2 / R1 ) + IADJ R2

= VREF ( 1 + R2 / R1 ) + IADJ R2

Nótese que si VREF, R1, R2 e IADJ son constantes, entonces Vo también es una constante.

A menudo se utiliza un capacitor de paso de entrada. Para casi todas las aplicaciones, es adecuado un capacitor de disco de 0.1ðF o uno sólido de tantalio de 1 ðF. Este capacitor corta las variaciones de alta frecuencia que ocurren en los circuitos adjuntos.

Aunque el LM337 es estable sin capacitores de salida, como en cualquier circuito retroalimentado, ciertos valores de capacitancia externa pueden provocar oscilaciones excesivas conocidas como timbrado. Este se produce con capacitancias entre 500 y 5000 ðF. Un capacitor de tantalio sólido de 1 ðF ( o electrolítico de aluminio de 25 ðF ) en la salida reduce este efecto y asegura la estabilidad.

Diodos de protección

Cuando se utilizan capacitores con cualquier tipo de CI regulador es a veces a necesario añadir unos diodos de protección para evitar descargas de los condensadores a través de puntos de baja corriente del regulador. La mayoría de los condensadores de 20 ðF tienen la suficiente resistencia interna como para entregar picos de 20 A cuando se los cortocircuita. Aunque ello ocurre durante un periodo de tiempo muy corto, la energía puesta en juego es suficiente para dañar ciertas partes del CI.

Cuando se conecta un condensador a la salida de un regulador y se cortocircuita su entrada, éste se descargará a través del regulador. La corriente de descarga depende del valor del condensador, de la tensión de salida y de la velocidad de decrecimiento de la tensión de entrada.

* Refiriéndonos al primer circuito vale hacer la siguiente aclaración:

• Cuando CL supera los 20 ðF, D1 protege al LM337 frente a cortocircuitos en la entrada.

• Cuando C2 supera los 10 ðF y Vo los -25 V, D2 protege al LM337 frente a cortocircuitos en la salida.

* Haciendo referencia al segundo circuito tenemos que:

• C1 = 1 ðF tántalo sólido ó 10 ðF electrolítico de aluminio, para estabilidad

• C2 = 1 ðF tántalo sólido, solamente requerido si el regulador se encuentra alejado más de 10 cm de los condensadores de filtro de la fuente.

• Relación de regulación de tensión:

Vo = -1.25 V ( 1 + R2 / 240  ) + ( - IADJ x R2 )

Regulador Paralelo

La estabilización de tensión con elemento regulador en paralelo a tiende a dos principios fundamentales:

Transistor en paralelo

El funcionamiento del circuito es el sgte.; la tensión en extremos de la tensión del zener es prácticamente constante ; un aumento de la tensión en la carga produce un aumento igual de la tensión emisor - base del transistor; esta situación produce un aumento de la corriente de emisor , y , por lo tanto , una mayor caída de tensión en la resistencia , lo cual tiende a restaurar la tensión de salida a su valor original .

A pesar de la ventaja que supone ampliar el alcance en potencia disipada del zener , este tipo de fuente regulada prácticamente no se utiliza debido a su escaso rendimiento . Obsérvese que a medida que la corriente de carga va disminuyendo el rendimiento va tendiendo a cero.

Las fuentes en paralelo , tanto las formadas por un zener , como por un zener y un transistor , tienen la ventaja de que el elemento regulador está automáticamente contra cortocircuitos de salida .

C.I

C.I

-BO

-Vi

C22

R2

LM337

R12

Vout

-Vint

Vout

Vint

C2

C1

R2

R1

Adj

LM337

Vo2

CL

D12

D22