Reguladores de Voltaje

Reguladores de voltaje

Autor: Patricio Acosta

31 diciembre, 2019

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Los reguladores de voltaje de la serie LM78XX son circuitos integrados de tres terminales que tienen la función de mantener un voltaje constante a la salida.
Sus características principales son:

– Salida de corriente hasta de 1.5 A.
– Salidas de voltajes de 5, 6, 8, 8,5, 9, 12, 15, 18, 24 VDC.
– Protección de sobrecarga térmica.
– Protección contra cortocircuitos.

PINES DE CONEXIÓN

El regulador de voltaje tiene tres pines de conexión. La forma correcta de identificar estos pines es colocando el regulador de manera que podamos leer su número de parte en la parte de color negro. Una vez en tengamos el regulador en esta posición, el pin 1 se encuentra en el extremo izquierdo, el pin 2 es el del medio y el pin 3 es el del extremo derecho.

Pines reguladores de voltaje

Figura 1.

Como se puede ver en la figura 1, los pines 1, 2 y 3 corresponden a las diferentes referencias de voltaje. Esto es muy importante a la hora de realizar el conexionado ya que una mala conexión puede causar daños en el regulador o en los otros elementos del circuito.

La distribución de pines es la siguiente:

– Voltaje de entrada: Pin 1.
– Referencia / GND: Pin 2.
– Voltaje de salida: Pin 3.

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

Para analizar las características eléctricas de un regulador LM78XX vamos a tomar como referencia un regulador de 5V. Por ser de 5V el regulador a analizar el número de parte de este see es LM7805, es decir, reemplazamos las XX por el voltaje de salida del regulador. Para un regulador de 12V el número de parte sería LM7812 y de manera similar obtenemos los números de parte para el resto de voltajes.

Tabla reguladores de voltaje

Figura 2.

En la tabla se encuentran los principales parámetros que especifica el fabricante en la hoja de datos del regulador de voltaje en función de las condiciones de prueba que se detallan en la tercera columna de la tabla. Estos parámetros los vamos a analizar a continuación:

Voltaje de salida:

El voltaje de salida típico es de 5V con un mínimo de 4.8V y un máximo de 5.1V para un voltaje de entrada de 7,5V a 18V respectivamente.

Regulación de Línea:

La regulación de línea se basa en que ante una variación de voltaje en la entrada del regulador, este debe mantener el voltaje a la salida constante o aproximadamente constante. Para este regulador vemos que la regulación de voltaje típica es de 7mV y una máxima de 50mV en el voltaje de salida.

Regulación de Carga:

La regulación de carga está en función la corriente de salida. Y es que esta corriente puede variar en función de las variaciones de la resistencia de carga. Si se da esto, el voltaje a la salida debe tratar de mantenerse constante. Para este regulador vemos que la regulación de carga típica es de 25mV y una máxima de 100mV en el voltaje de salida.

Resistencia de salida:

Esta es la resistencia que ve la carga en la fuente. Este valor tiende a ser cero para condiciones ideales. Sin embargo, según la hoja de datos del fabricante es 17 mΩ.

Corriente de Corto Circuito:

Esta es la máxima corriente a la salida del regulador en caso de tener un corto circuito. Para este regulador y la mayoría de reguladores de esta serie el valor de corriente es de 0.2 A.

Corriente pico de Corto Circuito:

Esta es la máxima corriente pico que soporta el regulador en tiempos muy pequeños (infinitesimales). Para este regulador y la mayoría de reguladores de esta serie el valor de corriente es de 2 A.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

En la siguiente figura tenemos la configuración básica de un regulador de voltaje.

Circuito reguladores de voltaje

Figura 3.

El capacitor C1 y C2 son capacitores de compensación y son cerámicos tipo disco.
El capacitor C1 es requerido solamente si el regulador de voltaje se en cuenta a una distancia considerable (alrededor de 10cm) del filtro de la fuente de alimentación. El filtro de la fuente es un capacitor (generalmente electrolítico) que ayuda a mejorar el factor de rizado del voltaje de entrada al regulador. Más adelante se lo estudiará con un poco más de detalle.
El capacitor C2 es un capacitor que mejora la respuesta transitoria. Por lo general se utiliza cuando los cables para conectar la carga son muy largos.
Es importante mencionar que en aplicaciones de baja corriente no se requieren capacitores de compensación. Además se recomienda anular el capacitor C1 si el capacitor de filtro de la fuente de alimentación se encuentra a una distancia menor a 10 cm de la entrada del regulador. Estos capacitores (C1 y C2) deben montarse lo más cercano posible a los pines del regulador para eliminar los bucles de tierra.

 

FUENTE DE VOLTAJE REGULADA COMPLETA

En el siguiente diagrama vemos una fuente regulada de voltaje desde la etapa de rectificación de onda completa, filtro y regulador de voltaje.

Circuito completo reguladores de voltaje

Figura 4.

El circuito está compuesto en la etapa de rectificación por un voltaje de entrada V1 (12Vrms) que es el voltaje de alimentación del lado secundario de un transformador de voltaje con relación N1/N2 = 0.1, un fusible y un puente de diodos.
Luego tenemos la etapa de filtrado, la cual tiene al capacitor electrolítico CF y su valor se calcula con la ecuación:

Fórmula capacitor electrolítico

Figura 5.

donde:
C = capacitor de filtro
RL = resistencia de carga
ϒ = factor de rizado
f = frecuencia
Asumimos una RL de 160Ω y un factor de rizado de ϒ= 1.5% para este ejemplo y tenemos que:

Cálculo capacitor electrolítico

Figura 6.

C ≈ 1000uF. Este corresponde al capacitor de filtro del circuito.

Luego de la etapa de filtro tenemos la etapa de regulación conformada por el regulador de voltaje LM7805. A la salida tenemos un led con una resistencia el cual indica la presencia de voltaje a la salida del regulador. El valor de la resistencia es calculado con la ley de Ohm teniendo como dato el voltaje de 5V y la corriente del led de 12mA (valor promedio).

Cálculo resistencia

Figura 7.

Con estos valores tenemos el circuito de la siguiente manera:

Simulación reguladores de voltaje

Figura 8.

Circuito reguladores de voltaje

Figura 9.

El diodo D1 es una protección contra corto circuitos. En caso de producirse este fenómeno el voltaje de entrada decrece rápidamente mientras el voltaje en la salida disminuye lentamente.

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