Reguladores de tensión con amplificadores operacionales operacionales realimentados
Un amplificador operacional de alta ganancia que amplifique el error nos puede servir para un circuito regulador de tensión. Para este caso r esulta Xi≈ 0, por lo que la expresión de la tensión de salida nos queda: Vo =Vz. .((R1/R2) + 1) El regulador más sencillo realizado con AO es utilizando la configuración realimentada no inversora como se muestra a continuación:
En este circuito, ante variaciones de la tensión de alimentación (del AO) o de la corriente de carga, la tensión de salida regulada Vo (de salida del AO) está determinada por la tensión de referencia Vref. y los resistores R1 y Rr, según la expresión conocida para esta configuración: Vo = ((Rr/R1) + 1). Vref. Como se observa, con esta disposición circuital, la menor tensión de salida del regulador será la tensión de referencia, situación que se da para Rr= 0 y R1= ∞ (AO seguidor). La variación de la tensión de alimentación, así como su rizado, son absorbidos por el AO. Para el AO 741, la tensión de alimentación aplicada entre sus terminales ±Vcc, no debe superar los 36 voltios. La diferencia de tensión entre los terminales +Vcc y Vo no debe ser inferior a 2 voltios (el AO se satura y deja de regular). Una característica interesante de este regulador es la posibilidad de cambiar el voltaje de salida Vo (modificando el valor de R1 o de Rr), manteniendo su valor constante e independiente de la corriente de carga. La tensión de referencia se la puede obtener mediante un diodo Zener alimentado por la propia tensión de salida Vo como se muestra e n el siguiente circuito:
En este caso la resistencia Rs se calcula para que circule una corriente por el diodo Zener por encima de codo, por ejemplo Iz = 5 mA RS = (Vo – Vz) / Iz Por ello la tensión de salida deberá estar por encima de la tensión del Zener para asegurar que este último se encuentre trabajando en la zona de ruptura. Los pasos para diseñar esta fuente de alimentación regulada son los siguientes: 1) Seleccionamos el AO 2) Seleccionamos el diodo Zener con una tensión de ruptura de valor 1/3 a ½ de Vo 3) Calculamos la resistencia limitadora de la corriente del diodo Zener: Rs = (Vo – Vz) / Iz para Iz = 5 mA 4) Tomamos el valor de (R1 + R r) para que tome una corriente de 1 mA o sea: (R1 + Rr) = Vo / 1mA 5) Se selecciona un potenciómetro de valor cercano al calculado y se ajusta para obtener la tensión de salida Vo. Si colocamos resistores fijos, los calculamos de la siguiente manera: R1= (R1 + Rr) . (Vref/Vo) siendo Vref = Vz Rr = (R1 + Rr) – R1 6) El voltaje mínimo de la fuente no r egulada deberá ser superior a Vi ≥ Vo + 2 V
Es de notar que debido a las limitaciones en la corriente máxima que puede entregar el AO, la máxima corriente que se puede entregar a la carga no supera los 5 mA (o según las capacidades del AO) ILmax ≤ IAOmax – Iz – ( Vo/(R1+Rr))
El circuito anterior es una variante del anterior con AO, donde se ha agregado un transistor de paso, en configuración colector común o seguidor de emisor, para amplificar la corriente de salida del AO y aumentar la capacidad de carga del regulador, en un factor de aproximadamente 100. En este caso es el transistor de paso el que entrega corriente a la carga a través del terminal de emisor. Por ejemplo si la corriente de carga vale IL=500mA y hFE= 100, el amplificador operacional solo debe entregar una corriente Io=IL/ hFE =500/100= 5 mA. Los cambios en el voltaje de la fuente de alimentación no regulada debido al rizado o a la pobre regulación del voltaje de cc, son absorbidos por el colector del transistor de paso. El transistor de paso se deberá seleccionar para un corriente de colector ICmax≥ ILmax y una disipación de potencia PDmax ≥ (Vi – Vo). ILmax.
El transistor de paso puede reemplazarse por dos transistores en configuración Darlington, para aumentar la capacidad de corriente de carga, como se muestra en la siguiente figura para una conexión típica.
En este caso, la ganancia del transistor reforzador de paso permite una corriente de emisor o de carga superior a 1 A. En la práctica, las limitaciones en la potencia disipada por el transistor reforzador, limitan la corriente de carga a unos pocos amperes. Para mayor corriente de carga deberían añadirse más transistores reforzadores conectados en paralelo. En la práctica, estos reguladores se utilizan hasta corriente de carga no superiores a 5 A, siendo uno de los factores adversos, el rendimiento bajo frente a los reguladores de tensión conmutados, que son de alto rendimiento.
Protección del regulador de tensión frente a sobrecargas o cortocircuitos
Como hemos notado, los reguladores serie no tienen protección contra las sobrecargas o cortocircuitos, por lo cual es imprescindible agregarle un tipo de protección frente a estos acontecimientos. Se disponen de varios métodos para realizar este tipo de protección, siendo en todos ellos es necesaria la detección de la corriente de falla. En el circuito de la siguiente figura se muestra un método sencillo de realizar esta pr otección:
El circuito limitador esta compuesto por el transistor limitador de corriente Qs y la resistencia sensora de corriente RI por el cual circula la corriente de carga IL. Cuando esta corriente supera un valor máximo (ILmax) especificado en el diseño del regulador, sobre la resistencia RI se produce una caída de tensión de alrededor de 0,6 volt, valor suficiente para polarizar el transistor Qs a la conducción haciendo que por su colector se derive la corriente de salida del AO fuera de la base del transistor de paso. Una vez que el transistor Qs conduce, la corriente de emisor del transistor de paso y por ende la corriente de carga se mantiene en un valor constante a ILmax., con una disminución de la tensión de salida Vo. El valor de RI que limita la corriente de carga a ILmax se calcula aproximadamente con la siguiente expresión: RI = 0,6 V/ILmax.
Reducción automática de tensión y corriente
El circuito anterior produce una disminución automática tanto de voltaje como de la corriente de salida, protegiendo a la carga y al regulador de un exceso de corriente La reducción automática la proporciona la red adicional de divisor de voltaje R3 y R 4. Que esta censando la tensión de salida (emisor) de Q1. Cuando IL se incrementa a suvalor máximo, el voltaje a través de RI se vuelve lo suficientemente grande para activar a Qs proporcionando limitación de corriente. Si la resistencia de carga se hace más pequeña, el voltaje que activa a Q2 se vuelve mayor (disminuye la polarización inversa de R3), de forma que IL cae cuando VL también lo hace. Cuando la resistencia de carga regresa a su valor nominal, el circuito reanuda su acción de regulación de voltaje. Los siguientes esquemas muestran la limitación de corriente para el primer circuito y la reducción de corriente y tensión del segundo circuito.
Otras configuraciones de los reguladores de tensión lineales realimentados El circuito regulador analizado, con AO realimentado, denominado “seguidor de emisor” es el má s utilizado, dada la facilidad de implementación. El transistor de paso, en serie con la carga, trabaja
como seguidor emisivo (colector común). La señal amplificada de error (salida del AO) entra por la base y sale por emisor. Cuando la tensión regulada de salida es elevada, esta configuración no resulta conveniente. Dado que el nivel de comparación se efectúa al valor de Vref. (Voltaje bajo), resulta evidente que la última etapa del AO debe trabajar con tensiones altas porque la base del transistor de paso está prácticamente al valor de la tensión de salida.
Esta situación puede acarrear problemas de diseño, exigiendo semiconductores que trabajen con niveles altos de voltajes. Para evitar estos casos, no comunes, se pueden ut ilizar reguladores serie en configuración “Emisor común no inversor” y reguladores serie en configuración “Emisor común inversor”.
Regulador serie emisor común no inversor
El circuito de la izquierda muestra el esquema del regulador serie no inversor y el circuito de la derecha muestra el mismo esquema redibujado para mostrar el principio no inversor en que trabaja el amplificador, considerando como entrada a la tensión de referencia Vref. En este caso el amplificador total está formado por el AO y el transistor de paso, que como podemos observar trabaja en emisor común. Como este transistor desfasa la señal 180°, el terminal de entrada inversor del AO se convierte en “no inversor” para el conjunto AO transistor. De la misma forma cambia el terminal no inversor del AO. Por ello esta configuración es similar a un amplificador no inversor con entrada en Vref. y salida Vo. La tensión de salida regulada, está dada por la expresión conocida del AO no inversor: Vo = (Rr/R1 +1).Vref. Regulador serie emisor común inversor
El circuito de la izquierda muestra el circuito regulador serie en emisor común inversor y el circuito de la derecha muestra el mismo regulador pero redibujado, donde se aprecia que resulta similar a la configuración del AO realimentado inversor. En este caso el amplificador está formado por el conjunto AO más el transistor de paso, que está conectado en emisor común. Como el transistor desfasa 180º, en esta conexión, las entradas del amplificador total están invertidas en relación a los desfasajes que producen las entradas del AO. La tensión de salida del regulador, para la configuración inversora va a estar dada por la conocida expresión Vo = -(Rr/R1).Vref El signo, nos indica el desfasaje de Vo en relación a la tensión de referencia Vref. (180°) Los circuitos descriptos, son prácticos cuando se debe regular tensiones elevadas. Esto se debe al hecho el AO trabaja como si estuviera “colgado del potencial de salida, dado que si se toma a este
potencial como referencia, el amplificador operacional trabaja con niveles bajo de tensión, ya sea a Vref. O prácticamente cero en la entrada (sea no inversor o inversor). También la salida del AO trabaja con niveles bajos (tensión base emisor del transistor de paso), independientemente del valor de tensión que el regulador este entregando a la carga, por más alta que ella sea. De los dos circuitos analizados, el que más resulta conveniente es la inversora, dado que me permite variar la tensión de salida en un amplio rango, a partir de cero, con solo variar la resistencia (potenciómetro) Rr desde el valor cero. Las fuentes reguladas comerciales con AO y transistor de paso, con variación de la tensión de salida, utilizaron éste esquema inversor. Reguladores de tensión paralelo con AO realimentados
Estos reguladores no son tan comunes como los anteriores, dada su baja eficiencia, pero presentan como ventaja su sencillez para circuitos simples de regulación. En la siguiente figura, se esquematizan tres configuraciones para los reguladores de tensión paralelo donde utilizan un amplificador operacional para amplificar el error, antes de comandar el transistor paralelo con la carga.
Las disposiciones circuitales en lo que respecta a la posición relativa del AO, son iguales a la de los reguladores serie analizados, por lo cual las ventajas y problemas, son similares. Es de destacar que la menor tensión de salida de un regulador paralelo esta dado por un valor cercano al de saturación del transistor paralelo, valor que permita garantizar que el circuito trabaje en la zona lineal.
