Circuitos Reguladores De Tensión - Concepto, Conmutación Y Derivación

Los reguladores de tensión se utilizan ampliamente en los circuitos de alimentación 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 llamada regulador de modo de conmutación. Sin embargo, los reguladores lineales se siguen utilizando en grandes cantidades debido a su relativa simplicidad y sus altos niveles de rendimiento.

Es posible realizar circuitos reguladores de tensión tanto con componentes discretos como con reguladores IC. Los reguladores IC permiten alcanzar niveles de rendimiento muy altos, a menudo utilizando comparativamente pocos componentes, pero a menudo para muchos proyectos es posible utilizar unos pocos componentes disponibles para hacer un circuito regulador de tensión perfectamente adecuado.

Concepto básico de los circuitos reguladores de tensión

Aunque hay muchos circuitos reguladores de tensión y circuitos integrados diferentes, los conceptos básicos de estos circuitos se clasifican en una de las dos categorías básicas:

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

Todos los circuitos reguladores de tensión entran en una de estas categorías, aunque de las dos, el tipo más común que se ve para los circuitos reguladores de tensión completos es el regulador en serie.

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Además de clasificar los reguladores de tensión como reguladores en serie y en derivación, también es posible clasificarlos en otras dos categorías en función del modo de funcionamiento:

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• Reguladores de tensión lineales.
• Reguladores de tensión de conmutación.

Tanto los circuitos reguladores lineales como los de conmutación son muy utilizados. Cada tipo tiene sus propias ventajas y desventajas, por lo que la elección del tipo de regulador debe hacerse en función de la aplicación prevista.

Circuito regulador de tensión en serie

Los circuitos reguladores de tensión en serie funcionan utilizando un elemento de control en serie, como un transistor bipolar o un transistor de efecto de campo. La base del funcionamiento del circuito gira en torno al control de la conductancia de este elemento en serie mediante una tensión de control.

Si la tensión de la salida tiende a aumentar, se detectará y la tensión de control se ajustará para reducir la conductancia del elemento en serie, lo que hará que la tensión a través del elemento en serie aumente. Como el elemento en serie y la carga forman un circuito divisor de potencial, cualquier aumento de la tensión a través del elemento de control en serie hará que la tensión a través de la carga disminuya.

Del mismo modo, si la tensión a través de la carga tiende a bajar demasiado, se detectará, la tensión de control para el elemento en serie hará que la conductancia del elemento en serie aumente y la tensión a través de la carga se mantendrá.

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 se suele conseguir con un circuito de referencia de tensión basado en un diodo zener.

La tensión de salida del regulador se toma, a menudo a través de un divisor de potencial, y se compara con la tensión de referencia, y la tensión de error se devuelve como tensión de control para alterar la conductancia del elemento de control en serie.

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

Circuito regulador de tensión en derivación

Como su nombre indica, un regulador de tensión en derivación funciona en paralelo con la carga, en lugar de estar en serie con ella. Utilizando una forma de dispositivo de corriente constante, que puede ser tan simple como una resistencia, funciona en paralelo con la carga, derivando o absorbiendo la corriente para que la tensión a través de la carga siga siendo la misma.

Las formas más sencillas de reguladores de derivación utilizan dispositivos de tensión constante, como los diodos zener. Estos circuitos utilizan una resistencia en serie para limitar la corriente, y el diodo zener se coloca entre la resistencia y la tierra en paralelo con la carga.

Como el diodo zener mantiene una tensión constante, y las variaciones de corriente por parte de la carga no provocarán variaciones de tensión (significativas) porque el diodo mantendrá una tensión constante, asumiendo cualquier variación de corriente. Naturalmente, existen otras formas más sofisticadas de regulador en derivación, pero la versión de diodo zener es la más simple y sencilla.

Regulador de tensión lineal

Un circuito regulador de tensión lineal es aquel en el que la conductancia del elemento regulador en serie varía de forma lineal para garantizar el mantenimiento de la tensión necesaria en la salida. De este modo, la tensión de salida se mantiene con la mayor exactitud posible y se obtiene la salida más limpia.

Aunque un circuito regulador de tensión 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 deje caer una tensión significativa a través de él para que pueda mantener los altos niveles de rechazo de ruido y ondulación requeridos.

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El elemento regulador en serie debe ser capaz de disipar niveles significativos de potencia dependiendo de la salida requerida. Esto significa que estas fuentes de alimentación pueden ser grandes y pesadas.

Regulador de tensión de conmutación

A diferencia de los reguladores lineales, en los que el elemento en serie varía de forma lineal, el elemento en serie de los reguladores de conmutación sólo tiene dos estados: encendido y apagado. El regulador funciona cargando un gran condensador en la salida.

A medida que la tensión desciende a medida que la carga se utiliza para alimentar la carga, el regulador en serie se enciende. Una vez que ha alcanzado la tensión necesaria, se apaga de nuevo. Al tener un condensador de reserva suficientemente grande en la salida, los picos de conmutación se eliminan en su mayor parte.

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La ventaja de los reguladores de conmutación es su mayor nivel de eficiencia. El elemento en serie disipa muy poca energía, ya que está encendido o apagado. Como resultado, estas fuentes de alimentación no sólo son muy eficientes, sino que también pueden hacerse 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, por tanto, su uso está muy extendido.

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Resumen

Los reguladores de tensión lineales son muy utilizados en los circuitos electrónicos. Los circuitos que operan a altas velocidades y que requieren que los carriles de alimentación se mantengan con precisión, utilizan circuitos reguladores de tensión para proporcionar la alimentación a la mayoría de los circuitos.