Circuitos electrónicos: reguladores
La siguiente y última etapa antes de la carga, en un sistema de suministro de energía, es la parte del regulador. Tratemos ahora de entender qué es un regulador y qué hace.
La parte de la electrónica que se ocupa del control y conversión de la energía eléctrica puede denominarse Power Electronics. Un regulador es un dispositivo importante cuando se trata de electrónica de potencia, ya que controla la salida de potencia.
Necesidad de un regulador
Para que una fuente de alimentación produzca un voltaje de salida constante, independientemente de las variaciones del voltaje de entrada o de las variaciones de la corriente de carga, existe la necesidad de un regulador de voltaje.
UNA voltage regulatores un dispositivo que mantiene constante la tensión de salida, en lugar de aplicar cualquier tipo de fluctuación en la tensión de entrada o cualquier variación en la corriente, extraída por la carga. La siguiente imagen da una idea de cómo es un regulador práctico.
Tipos de reguladores
Los reguladores se pueden clasificar en diferentes categorías, dependiendo de su funcionamiento y tipo de conexión.
Depending upon the type of regulation, los reguladores se dividen principalmente en dos tipos, a saber, reguladores de línea y de carga.
Line Regulator - El regulador que regula la tensión de salida para que sea constante, a pesar de las variaciones de la línea de entrada, se denomina como Line regulator.
Load Regulator - El regulador que regula la tensión de salida para que sea constante, a pesar de las variaciones de carga en la salida, se denomina como Load regulator.
Depending upon the type of connection, hay dos tipos de reguladores de voltaje. Son
- Regulador de voltaje en serie
- Regulador de voltaje shunt
La disposición de los mismos en un circuito será como en las siguientes figuras.
Echemos un vistazo a otros tipos de reguladores importantes.
Regulador de voltaje Zener
Un regulador de voltaje Zener es uno que usa un diodo Zener para regular el voltaje de salida. Ya hemos discutido los detalles relacionados con el diodo Zener en el tutorial de ELECTRÓNICA BÁSICA.
Cuando el diodo Zener se opera en la avería o Zener region, el voltaje a través de él es sustancialmente constant para large change of currenta traves de. Esta característica hace que el diodo Zener sea ungood voltage regulator.
La siguiente figura muestra una imagen de un regulador Zener simple.
El voltaje de entrada aplicado $ V_i $ cuando se incrementa más allá del voltaje Zener $ V_z $, entonces el diodo Zener opera en la región de ruptura y mantiene un voltaje constante a través de la carga. La resistencia limitadora en serie $ R_s $ limita la corriente de entrada.
Funcionamiento del regulador de voltaje Zener
El diodo Zener mantiene constante el voltaje a través de él a pesar de las variaciones de carga y las fluctuaciones de voltaje de entrada. Por lo tanto, podemos considerar 4 casos para comprender el funcionamiento de un regulador de voltaje Zener.
Case 1- Si la corriente de carga $ I_L $ aumenta, entonces la corriente a través del diodo Zener $ I_Z $ disminuye para mantener constante la corriente a través de la resistencia en serie $ R_S $. El voltaje de salida Vo depende del voltaje de entrada Vi y el voltaje a través de la resistencia en serie $ R_S $.
Esto se puede escribir como
$$ V_o = V_ {in} -IR_ {s} $$
Donde $ I $ es constante. Por tanto, $ V_o $ también permanece constante.
Case 2- Si la corriente de carga $ I_L $ disminuye, entonces la corriente a través del diodo Zener $ I_Z $ aumenta, ya que la resistencia actual de la serie $ I_S $ a través de RS permanece constante. Aunque la corriente $ I_Z $ a través del diodo Zener aumenta, mantiene un voltaje de salida constante $ V_Z $, que mantiene constante el voltaje de carga.
Case 3- Si el voltaje de entrada $ V_i $ aumenta, entonces aumenta la corriente $ I_S $ a través de la resistencia en serie RS. Esto aumenta la caída de voltaje en la resistencia, es decir, $ V_S $ aumenta. Aunque la corriente a través del diodo Zener $ I_Z $ aumenta con esto, el voltaje a través del diodo Zener $ V_Z $ permanece constante, manteniendo constante el voltaje de carga de salida.
Case 4- Si el voltaje de entrada disminuye, la corriente a través de la resistencia en serie disminuye, lo que hace que la corriente a través del diodo Zener $ I_Z $ disminuya. Pero el diodo Zener mantiene constante el voltaje de salida debido a sus propiedades.
Limitaciones del regulador de voltaje Zener
Existen algunas limitaciones para un regulador de voltaje Zener. Ellos son -
- Es menos eficiente para corrientes de carga pesada.
- La impedancia Zener afecta ligeramente el voltaje de salida.
Por lo tanto, un regulador de voltaje Zener se considera efectivo para aplicaciones de bajo voltaje. Ahora, veamos los otros tipos de reguladores de voltaje, que se fabrican con transistores.
Regulador de voltaje de la serie del transistor
Este regulador tiene un transistor en serie al regulador Zener y ambos en paralelo a la carga. El transistor funciona como una resistencia variable que regula el voltaje del emisor del colector para mantener constante el voltaje de salida. La siguiente figura muestra el regulador de voltaje en serie de transistores.
Con las condiciones de operación de entrada, la corriente a través de la base del transistor cambia. Esto afecta el voltaje a través de la unión emisora base del transistor $ V_ {BE} $. El voltaje de salida se mantiene mediante el voltaje Zener $ V_Z $ que es constante. Como ambos se mantienen iguales, cualquier cambio en el suministro de entrada se indica mediante el cambio en el voltaje base del emisor $ V_ {BE} $.
Por lo tanto, el voltaje de salida Vo puede entenderse como
$$ V_O = V_Z + V_ {BE} $$
Funcionamiento del regulador de voltaje de la serie de transistores
Se considerará el funcionamiento de un regulador de voltaje en serie para variaciones de carga y entrada. Si aumenta el voltaje de entrada, también aumenta el voltaje de salida. Pero esto, a su vez, hace que el voltaje en la unión de la base del colector $ V_ {BE} $ disminuya, ya que el voltaje Zener $ V_Z $ permanece constante. La conducción disminuye a medida que aumenta la resistencia a través de la región del colector emisor. Esto aumenta aún más el voltaje a través de la unión colector-emisor VCE, reduciendo así el voltaje de salida $ V_O $. Esto será similar cuando el voltaje de entrada disminuya.
Cuando ocurren los cambios de carga, lo que significa que si la resistencia de la carga disminuye, aumentando la corriente de carga $ I_L $, el voltaje de salida $ V_O $ disminuye, aumentando el voltaje base del emisor $ V_ {BE} $.
Con el aumento en el voltaje base del emisor $ V_ {BE} $ la conducción aumenta reduciendo la resistencia del colector del emisor. Esto, a su vez, aumenta la corriente de entrada que compensa la disminución de la resistencia de carga. Esto será similar cuando aumente la corriente de carga.
Limitaciones del regulador de voltaje en serie de transistores
Los reguladores de voltaje de la serie de transistores tienen las siguientes limitaciones:
- Los voltajes $ V_ {BE} $ y $ V_Z $ se ven afectados por el aumento de temperatura.
- No es posible una buena regulación para corrientes elevadas.
- La disipación de energía es alta.
- La disipación de energía es alta.
- Menos eficiente.
Para minimizar estas limitaciones, se utiliza un regulador de derivación de transistor.
Regulador de voltaje de derivación de transistor
Un circuito regulador en derivación de transistor se forma conectando una resistencia en serie con la entrada y un transistor cuya base y colector están conectados por un diodo Zener que regula, ambos en paralelo con la carga. La siguiente figura muestra el diagrama de circuito de un regulador de derivación de transistor.
Funcionamiento del regulador de voltaje de derivación de transistor
Si el voltaje de entrada aumenta, $ V_ {BE} $ y $ V_O $ también aumentan. Pero esto sucede inicialmente. En realidad, cuando $ V_ {in} $ aumenta, el $ I_ {in} $ actual también aumenta. Esta corriente, cuando fluye a través de RS, provoca una caída de voltaje $ V_S $ a través de la resistencia en serie, que también aumenta con $ V_ {in} $. Pero esto hace que $ V_o $ disminuya. Ahora bien, esta disminución en $ V_o $ compensa el aumento inicial manteniéndolo constante. Por tanto, $ V_o $ se mantiene constante. Si, en cambio, el voltaje de salida disminuye, ocurre lo contrario.
Si la resistencia de carga disminuye, debería haber una disminución en el voltaje de salida $ V_o $. La corriente a través de la carga aumenta. Esto hace que la corriente de base y la corriente de colector del transistor disminuyan. El voltaje a través de la resistencia en serie se vuelve bajo, ya que la corriente fluye fuertemente. La corriente de entrada será constante.
El voltaje de salida que aparece será la diferencia entre el voltaje aplicado $ V_i $ y la caída de voltaje en serie $ V_s $. Por tanto, la tensión de salida aumentará para compensar la disminución inicial y, por tanto, se mantendrá constante. Lo contrario sucede si aumenta la resistencia de carga.
Reguladores IC
Los reguladores de voltaje están disponibles hoy en día en forma de circuitos integrados (CI). En resumen, se denominan reguladores de CI.
Junto con la funcionalidad de un regulador normal, un regulador IC tiene propiedades como compensación térmica, protección contra cortocircuitos y protección contra sobretensiones que están integradas en el dispositivo.
Tipos de reguladores de CI
Los reguladores de CI pueden ser de los siguientes tipos:
- Reguladores de voltaje positivo fijo
- Reguladores de voltaje negativo fijo
- Reguladores de voltaje ajustables
- Reguladores de voltaje de doble seguimiento
Analicemos ahora en detalle.
Regulador de voltaje positivo fijo
La salida de estos reguladores está fijada a un valor específico y los valores son positivos, lo que significa que el voltaje de salida proporcionado es un voltaje positivo.
La serie más utilizada es la serie 7800 y los circuitos integrados serán como IC 7806, IC 7812 e IC 7815, etc., que proporcionan + 6v, + 12v y + 15v respectivamente como voltajes de salida. La siguiente figura muestra el IC 7810 conectado para proporcionar un voltaje de salida regulado positivo fijo de 10v.
En la figura anterior, el capacitor de entrada $ C_1 $ se usa para prevenir oscilaciones no deseadas y el capacitor de salida $ C_2 $ actúa como un filtro de línea para mejorar la respuesta transitoria.
Regulador de voltaje negativo fijo
La salida de estos reguladores se fija a un valor específico y los valores son negativos, lo que significa que el voltaje de salida proporcionado es voltaje negativo.
La serie más utilizada es la serie 7900 y los circuitos integrados serán como IC 7906, IC 7912 e IC 7915, etc., que proporcionan -6v, -12v y -15v respectivamente como voltajes de salida. La siguiente figura muestra el IC 7910 conectado para proporcionar un voltaje de salida regulado negativo fijo de 10v.
En la figura anterior, el capacitor de entrada $ C_1 $ se usa para prevenir oscilaciones no deseadas y el capacitor de salida $ C_2 $ actúa como un filtro de línea para mejorar la respuesta transitoria.
Reguladores de voltaje ajustables
Un regulador de voltaje ajustable tiene tres terminales IN, OUT y ADJ. Los terminales de entrada y salida son comunes, mientras que el terminal ajustable está provisto de una resistencia variable que permite que la salida varíe entre un amplio rango.
La figura anterior muestra una fuente de alimentación no regulada que impulsa un regulador IC ajustable LM 317 que se usa comúnmente. El LM 317 es un regulador de voltaje ajustable positivo de tres terminales y puede suministrar 1.5A de corriente de carga en un rango de salida ajustable de 1.25v a 37v.
Reguladores de voltaje de seguimiento doble
Se utiliza un regulador de doble seguimiento cuando se necesitan voltajes de suministro divididos. Estos proporcionan voltajes de salida positivos y negativos iguales. Por ejemplo, el RC4195 IC proporciona salidas de CC de + 15v y -15v. Esto necesita dos voltajes de entrada no regulados, como la entrada positiva puede variar de + 18v a + 30v y la entrada negativa puede variar de -18v a -30v.
La imagen de arriba muestra un regulador IC RC4195 de doble seguimiento. También están disponibles los reguladores ajustables de doble tachuela cuyas salidas varían entre dos límites nominales.