Reguladores de voltaje LINKS: [PDF]
INTRODUCCIÓN: En este artículo aprenderemos todo sobre los reguladores de voltaje de tres patillas, fijos, con tensiones de salida positiva o negativa. Todo circuito electrónico contiene alguna forma de alimentación eléctrica, y estos reguladores integrados proveen una solución sencilla a este problema. Ya sea que nuestro circuito se alimente directamente de la red eléctrica de 110/220V o que lo haga a partir de pilas o baterías, generalmente es necesario contar con una etapa encargada de proveer un voltaje adecuado, y constante en el tiempo. Existen muchas maneras de lograr un voltaje estable, pero en general utilizan varios componentes discretos, lo que redunda en un costo elevado, un diseño más complicado, y circuitos más grandes. La alternativa es utilizar algún regulador de tensión integrado, disponibles para casi todos los voltajes que podamos imaginar, y para corrientes desde unas pocas centésimas de Amper hasta varios amperes.
INDICE: > Introducción > Familia LM78xx / LM79xx > Aplicaciones típicas > Circuitos prácticos > Fuente de alimentación + cargador de baterías Familia LM78xx / LM79xx
Dentro de los reguladores de voltaje con salida fija, se encuentran los pertenecientes a la familia LM78xx, donde ³xx´ es el voltaje de la salida. Estos son 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18 y 24V, entregando una corriente máxima de 1 Amper y soporta consumos pico de hasta 2.2 Amperes. Poseen protección contra sobrecargas térmicas y contra cortocircuitos, que desconectan el regulador en caso de que su temperatura de juntura supere los 125°C.
Los LM78xx son reguladores de salida positiva, mientras que la familia LM79xx son para voltajes equivalentes pero con salida negativa. Así, un LM7805 es capaz de entregar 5 voltios positivos, y un LM7912 entregara 9 voltios negativos. La capsula que los contiene es una TO-220, igual a la de muchos transistores de mediana potencia. Para alcanzar la corriente máxima de 1 Amper es necesario dotarlo de un disipador de calor adecuado, sin el solo obtendremos una fracción de esta corriente antes de que el regulador alcance su temperatura máxima y se desconecte. La potencia además depende de la tensión de entrada, por ejemplo, si tenemos un LM7812, cuya tensión de salida es de 12v, con una tensión de entrada de digamos 20v, y una carga en su salida de 0,5A, multiplicando la diferencia entre la tensión de entrada y la tensión de salida por la corriente que circulara por la carga nos da los vatios que va a tener que soportar el integrado:
(Vint - Vout) x Iout = (20 - 12) x 0.5 = 4W
La tensión de entrada es un factor muy importante, ya que debe ser superior en unos 3 voltios a la tensión de salida (es el mínimo recomendado por el fabricante), pero todo el exceso debe ser eliminado en forma de calor. Si en el ejemplo anterior en lugar de entrar con 20 volts solo usamos 15V (los 12V de la salida mas el margen de 3V sugerido) la potencia disipada es mucho menor: (Vint - Vout) x Iout = (15 - 12) x 0.5 = 1.5W De hecho, con 15v la carga del integrado es de 1,5W, menos de la mitad que con 20v, por lo que el calor generado será mucho menor y en consecuencia el disipador necesario también menor. En la figura 3 vemos la disposición de pines de estos reguladores. Es diferente según se trate de un 78xx o un 79xx. En el caso de los primeros, el pin 1 corresponde a la entrada (input), el pin 2 es el punto común (common) y el pin3 es el correspondiente a la salida (output). En el caso de los reguladores negativos, el pin 1 y el pin 2 intercambian sus funciones, siendo el primero el correspondiente al punto común, y el segundo la entrada. Es importante recordar esto al momento de conectarlos, ya que es posible que se destruyan si son conectados en forma incorrecta.
El voltaje máximo que soportan en la entrada es de 35 voltios para los modelos del LM7805 al 7815 y de 40 voltios para el LM7824. Por ultimo, debemos mencionar que existen versiones de estos reguladores para corrientes menores y mayores a 1 Amper. Efectivamente, los que tienen como nombre LM78Lxx disponibles en capsula TO-92 entregan una corriente máxima de 100 mili amperes, y proveen tenciones de salida de 3.3; 5; 6; 8; 9; 12;15; 18 y 24V. Luego del nombre llevan un sufijo, que puede ser ³AC´ o ³C´, que indican el error máximo en su salida, que es de +/-5% en el primer caso y de +/-10% en el segundo. Así, un LM78L05AC es un regulador de voltaje positivo, de salida 5 volts/100mA, con un error máximo del 5%. En caso de necesitar manejar corrientes mayores, las versiones en capsula TO-3 soportan una corriente de salida máxima de 5 A.
Aplicaciones típicas
Normalmente, no hacen falta adicionar demasiados componentes a la hora de alimentar un circuito mediante uno de estos reguladores. El fabricante provee una serie de indicaciones en sus hojas de datos, que analizaremos a continuación:
Figura 1
Figura 2
Comenzaremos por el caso más sencillo, donde queremos obtener una tensión de salida que coincide con alguno de los reguladores existentes, a partir de una fuente de corriente continua
Figura 3
Figura 4
perfectamente regulada, pero mayor que la deseada en al menos 3V. Para ello, el circuito sugerido es el de la figura 1, donde vemos que solo son necesarios un par de capacitores cerámicos, uno entre el punto común y la entrada, y otro entre el punto común y la salida. La única consideración es que estos condensadores deben estar situados lo mas cerca posible (eléctricamente hablando) del regulador. Obviamente, se supone que la tensión de entrada esta dentro del rango que puede manejar el regulador, y que el modelo de regulador es el adecuado para la tensión que necesitamos. En algunos casos se presenta el problema de tener que alimentar un circuito con una tensión para la cual no hay un regulador
adecuado, por ejemplo, un circuito que se alimente con 10V. En estos casos, se puede recurrir a un esquema como el de la figura 2, donde con la ayuda de algunos componentes adicionales, entre ellos un potenciómetro que servirá para ajustar la tensión de salida al valor requerido y un amplificador operacional (ver articulo sobre ellos para mas datos) se puede transformar un regulador de tensión fija en uno variable. Las figuras 3 y 4 nos muestran una configuración que permite aumentar significativamen te la corriente de salida, utilizando para ello un transistor de mediana potencia. En el caso de la figura 4 se cuenta con una protección adicional contra cortocircuitos en la salida de la fuente.
Circuitos prácticos Veamos algunos circuitos reales, construidos a partir de estos reguladores. La figura 5 es el esquema eléctrico de una fuente de 5V a partir de la red de 220V (o 110V, simplemente cambiando el transformador). El transformador de entrada se encarga de reducir la tensión de red a 9 voltios de corriente alterna, que será rectificada por los cuatro diodos dispuestos en forma de puente. A la salida del puente de diodos tendremos presente una tensión continua algo mayor a 10 voltios, con un pequeño ripple que será eliminado por el capacitor electrolítico C1.
Figura 5
En el caso de la figura 6, partimos de un transformador con punto medio, capaz de suministrar 0, 18 y 36 voltios. Al igual que en el caso anterior, mediante un puente de diodos conformado por los diodos 1 al 4 rectificamos la corriente entregada por el secundario del transformador, pero esta vez usamos el positivo para obtener 15 voltios respecto del punto medio del transformador (que será nuestro ³0´) y el negativo para obtener -15V mediante un regulador LM7915, que como vimos antes es un regulador de voltaje negativo. Nuevamente, hay que filtrar el ripple a la salida del puente diodos, tarea que se lleva a cabo mediante los capacitores electrolíticos C1 y C2. A continuación, los reguladores LM7815 y LM7915 se encargan de regular las tensiones de salida. Esta fuente es ideal para alimentar por ejemplo circuitos que tengan amplificadores operacionales, que como se explico en el artículo correspondiente, necesitan una alimentación positiva y negativa.
Figura 6
Todos (O casi todos) conocerán a los reguladores de voltaje de 3 patas tipo 78XX como componentes prácticos y fáciles de emplear. Hay, sin embargo algunos detalles a considerar para obtener los mejores resultados. En algunos casos la práctica es tan importante como la teoría, de esto se trata el artículo.
Figura 1: Circuito típico con un regulador de voltaje de la serie 78XX. Desde su introducción, los reguladores de voltaje de 3 patas desplazaron rápidamente a sus colegas construidos con componentes discretos. Y por una buena razón, ¿ Por qué hacerlo difícil si con un solo componente bastará ? Estos reguladores están disponibles para prácticamente cualquier voltaje de salida deseado y el funcionamiento de la serie 78XX es por lo general más que adecuado para la mayor parte de los usos. Además en caso de equivocación, están protegidos térmicamente y por sobrecarga La única exigencia de esta serie es que el voltaje de entrada (Sin regular) deberá ser al menos 3V superior al de salida, de otra manera el circuito de regulador no puede hacer su trabajo correctamente. Estos reguladores 78XX son componentes básicos prácticos, necesitan poca superficie sobre las placas de impreso y no requieren casi ningún caso componentes externos. El esquemático de una fuente de tensión estabilizada que emplea uno de estos reguladores será por lo general al esquema de la Figura 1. El voltaje de salida de transformador es rectificado con un puente de diodos y alisado por el condensador C1. C2 y C3 mejoran la estabilidad del regulador así como su respuesta a los transitorios, mientras C4 actúa como el ³parachoques´ local (La reserva de energía) para la carga conectada.
Ahora bien, ¿Para que sirve cada componente particular en el modelo estándar? Para aclarar esta duda re-dibujamos la versión general en la Figura 2
Figura 2: Estamos de acuerdo, el esquema ya no es tan prolijo como antes, pero indica mejor el objetivo de cada componente. Por ejemplo, el condensador C1 debería ser colocado tan cerca como sea posible del puente rectificador. C2 y C3 deberían unirse directamente a la entrada y la salida del regulador. C4 debería colocarse lo más cercano a la carga que fuera posible. Por último pero no menos importante es que todas los retornos (0 V) se encuentren unidos en un solo punto (Punto frió) y este se encuentre lo más cercano posible al condensador de salida. La estabilidad, el rechazo a la ondulación y el comportamiento ante transitorios del regulador son mucho mejores ahora que en el esquema de la figura 1 colocando correctamente los mismos componentes en la PCB. Un comentario acerca del valor de los condensadores. En la práctica, un valor de 100 nF tanto para C2 como para C3 parece trabajar bien. El valor de C4 electrolítico no es realmente crítico y por lo general varía entre 10 uF y 47 uF, dependiendo de la corriente de salida. La siguiente regla práctica básica puede ser aplicada para calcular el valor del condensador de filtro principal:
C1: El valor en uF debería ser al menos igual, pero preferentemente un factor de 2 veces mayor, que la corriente en mA. Así tomando 1000 mA en el ejemplo de la Figura 2, llegamos a un valor de 1000 uF o 2200 uF. Dos resistencias adicionales Aunque el fabricante no lo mencione, nosotros (Elektor) llegamos a la conclusión de que se puede mejorar el funcionamiento de la serie 78XX sobre el esquema estándar mediante unas pequeñas modificaciones Esto se pone de manifiesto en una mejor respuesta a los transitorios cuando la carga varía rápidamente. La reforma no implica más que la adición de dos resistencias de serie para C2 y C4. El Condensador C3 puede ser omitido sin la pérdida de calidad y C4 es aumentado según el valor de la Figura 3 El cambio no responde a rigor científico alguno, pero las mejoras se perciben fácilmente. Una teoría posible es que los condensadores y los trazos en la PCB, en ciertas circunstancias, pueden formar lazos LC que pueden llevar a una oscilación y hacer que el regulador de voltaje reaccione más despacio a transitorios. Una pequeña resistencia de serie puede tener un efecto beneficioso. La marca del regulador también puede desempeñar un papel importante en el comportamiento general.
Figura 3. La adición de dos resistencias puede mejorar la respuesta transitoria en
ciertas circunstancias. Incluso aunque los efectos benéficos de las resistencias en serie no puedan ser comprendidos ni visualizados en todas las circunstancias, seguramente merece el esfuerzo para experimentar con esto. El coste es prácticamente insignificante y si este método simple realmente mejora el comportamiento dinámico del regulador, entonces esto es una ventaja bienvenida. Los valores para R1 y R2 son difíciles de calcular (Se hace por prueba-error). En el prototipo del autor, construyo alrededor de los 7812, con los valores mostrados en la Figura 3 fueron los que dieron la mejor perfomance. Por experimentación aparece el siguiente resultado cuando el valor del electrolítico C4 es aumentado, la resistencia R2 debe ser más pequeña. El valor de R1 es menos crítico. El consejo: Inténtelo con la práctica. Fuente: Traducción de un articulo de Elektor
