Todo dispositivo electrónico, desde una supercomputadora hasta un simple destellador, debe necesariamente poseer una parte esencial para su funcionamiento. Me estoy refiriendo a la fuente de alimentación. En efecto, diseñada y realizada de mil formas distintas, siempre se encuentra presente en todo equipo electrónico cualquiera sea su uso o complejidad.
Es por esto que a la hora de realizar cualquier circuito electrónico práctico, el diseñador debe necesariamente realizar una fuente de alimentación acorde a las necesidades del circuito. La mayoría de las veces se le exigía a ésta que mantuviera la tensión de salida constante para cualquier condición de uso (léase distintas corrientes de salida y distintas tensiones de entrada). En muchas ocasiones diseñar tal fuente resultaba una tarea bastante difícil y tediosa. Se debían asumir compromisos que relacionaban la complejidad del diseño con la estabilidad del mismo. Así, por ejemplo, una pequeña fuente que requería pocos componentes presentaba una regulación pésima, mientras que una que ofrecía una buena estabilidad, precisaba una cantidad faraónica de componentes y, por consiguiente, aumentaba el tiempo y el costo del diseño.
Afortunadamente las empresas diseñadoras de componentes han puesto fin a esta peripecias, presentando, hace ya algunos años, los reguladores integrados. Estos dispositivos de gran utilidad aúnan todas las ventajas de una completa fuente de alimentación en un solo encapsulado reduciendo el problema de un buen diseño a unos pocos componentes. Veamos, ahora, un poco más en profundidad de qué se trata esto.
Reguladores fijos
En la mayoría de las aplicaciones se requiere una tensión fija y estable de un determinado valor. La línea de reguladores ideales para este tipo de necesidades es la conocida como LM78XX. Las primera letras y dos número corresponden a la denominación, mientras que las dos últimas XX deben ser reemplazados por la tensión de salida requerida. Las tensiones disponibles de observan en la siguiente tabla:
Número
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Tensión de salida
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LM7805
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5 Voltios
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LM7806
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6 Voltios
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LM7808
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8 Voltios
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LM7809
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9 Voltios
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LM7812
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12 Voltios
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LM7815
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15 Voltios
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LM7818
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18 Voltios
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LM7824
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24 Voltios
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LM7830
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30 Voltios
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Cada uno de estos dispositivos posee sólo tres terminales, uno corresponde a la entrada de tensión no regulada, otro es la salida regulada y el restante es la masa, común a ambos. En cuanto al encapsulado, conviene aclarar que, si bien están disponibles en varios tipos, generalmente se los suele encontrar en el encapsulado del tipo TO-220, correspondiente a una corriente de salida de 1 amper.
Resumiendo, y para comprender completamente la simplicidad de una fuente de alimentación de este tipo, sólo basta observar el diseño de la siguiente figura:
Como se observa, sólo fueron agregados dos capacitores al circuito integrado. Explicaremos la función de cada uno de ellos. C1, que se halla a la entrada del regulador, filtra la tensión de posibles transitorios y picos indeseables, mientras que C2, que se encuentra a la salida, disminuye la tensión de rizado de salida, a la vez que evita oscilaciones.
En cuanto a la tensión de entrada, se puede ver que es de un rango muy amplio. Por ejemplo, si el regulador elegido es uno de 12 voltios (LM7812), la tensión de entrada podrá ser de entre 15 y 39 voltios.
Para realizar una fuente de alimentación fija completa, observemos la figura siguiente que constituye sólo una modificación de la anterior:
En este diseño partimos directamente de la tensión alterna de red (220v), para lograr una tensión perfectamente estable. Primeramente, como es lógico, la tensión es reducida mediante un transformador. Luego, esta tensión alterna de bajo valor es rectificada por el puente D1, obteniéndose así una señal de onda completa. Después la señal se filtra por medio de C1 consiguiéndose de esta forma una tensión continua no estabilizada, que es inyectada al circuito anterior para su regulación.
Características de las fuentes con reguladores integrados
Vimos como se puede realizar de forma muy sencilla una fuente de tensión fija regulada. Examinemos ahora las excelentes características que ésta posee a pesar de lo simple de su diseño.
Comencemos por la regulación de línea, que es un parámetro que establece cuánto varía la tensión de salida frente a variaciones en la tensión de entrada. Es posible comprobar que para un cambio de 20 voltios a la entrada se produce una variación de sólo 4 milésimas de voltio a la salida, con lo cual, podemos suponerla inmune a los cambios de tensión de entrada.
Otro parámetro importante es la denominada regulación de carga, que indica cuánto varía la tensión de salida cuando la corriente varía de un mínimo al máximo. Nuevamente los resultados obtenidos son excelentes: para una variación de corriente de 1,5 amperes, la tensión de salida solamente se modifica en 10 milésimas de voltio.
También es vital el denominado rechazo al riple. Este valor indica cuántas veces más chico es el valor de la tensión de rizado a la salida con respecto a la entrada. Con el capacitor de salida se obtienen valores típicos de 75 dB. Esto implica que la tensión de rizado a la salida es 5000 veces menor que a la entrada. Esta característica posibilita la disminución de la capacidad de C1, con la reducción de costo y tamaño que esto trae aparejado.
Finalmente la corriente que este tipo de dispositivo es capaz de entregar:
Para un LM7805 ésta adopta un valor de 2 amperios. Si, en cambio, se trata de un LM7808 a un 7815 ésta es de 1,5A, mientras para reguladores de tensión superiores la corriente es de 1,2A. Es importante aclarar que estos valores son válidos cuando se utiliza un disipador adecuado y cuando la tensión de entrada no es superior en más 15 voltios con respecto a la de salida. Es decir que Vent-Vsal<15V. Igualmente veremos algunos métodos para obtener mayor corriente de salida de estos dispositivos.
Otra característica importante de esta línea es la protección térmica y contra corriente excesiva: cuando la corriente que atraviesa al integrado adquiere un valor demasiado elevado o cuando su temperatura es excesiva, el integrado disminuye la tensión de salida en forma automática a cero. Debido a estas últimas características estos dispositivos son casi indestructibles.
En resumen, con unos pocos componentes es posible fabricar, mediante el uso de reguladores de tensión, una fuente de tensión fija con una salida tipo de 1,5A, cuya salida no varía en más de 15mV para cualquier condición. Este tipo de fuente es más que suficiente para la mayoría de las aplicaciones electrónicas.
Reguladores de tensión negativa
Hasta ahora hemos conocido los reguladores fijos cuya tensión de salida es positiva con respecto a masa. Sin embargo, también existe la serie análoga a la LM78XX, de similares características, cuyas tensiones de salida son negativas con respecto a tierra. Dicha serie es la 79XX. Donde nuevamente las X son reemplazadas por los valores anteriormente mencionados.
Las características de esta serie son similares a la anterior en lo que respecta a regulación de carga, de línea, rechazo al rizado y corriente de salida. La única diferencia, además claro está de ser reguladores de tensión negativa, en la distribución de pines en el encapsulado.
A través de la combinación de ambas series es perfectamente factible el diseño de una fuente de tensión simétrica como la indicada en la figura:
De esta forma obtenemos una fuente simétrica con las características de la anterior fuente simple. Es necesario aclarar que, aunque no es conveniente, las tensiones de salida del regulador positivo y negativo no tienen por qué ser las mismas. Sin embargo, es recomendable que no sean muy diferentes una de la otra.
Reguladores de tensión variable
En ciertas ocasiones, sobre todo cuando realizamos alguna aplicación de laboratorio, es necesario disponer de una fuente que posea una tensión de salida regulable. Como no podía ser de otra forma existen distintas formas muy simples de realizarlas con reguladores integrados.
La primera forma que veremos es a través de la utilización de la, a esta altura conocida, serie LM78XX. Este diseño sirve tanto para generar una fuente regulable, como para una fuente fija que provea un valor de tensión no convencional. Por ejemplo, a través de este circuito es factible el desarrollo de una fuente fija de 7,2V con todas las ventajas que los reguladores integrados ofrecen. Un posible diseño es el siguiente:
El principio de funcionamiento de esta configuración no resulta para nada complicado. Entre sus terminales GND y OUT del regulador se desarrolla una tensión de XX voltios (recordar el significado de las equis). Esta tensión aparece sobre los bornes de R1 desarrollándose así una corriente I de XX/R1 amperios. Ahora bien, la tensión de salida es I*(R1+R2), osea (XX/R1)*(R1+R2). Es decir que, la tensión de salida es de XX*(R2/R1+1) voltios.
Si R2 es un potenciómetro, entonces disponemos de una fuente de tensión regulable. Basta variar R2 para que la tensión de salida varíe a un valor deseado. Una vez fijado este valor, se mantiene casi constante ya que sólo depende XX (salida del regulador) que es casi constante. Si, por el contrario, R2 es un Preset o una resistencia fija, La tensión de salida se mantendrá casi constante en el valor prefijado creando así una fuente de tensión de un valor no estándar.
Un detalle importante a resaltar, que surge de la observación del término entre paréntesis de la expresión de salida, es que la tensión de salida mínima es la propia tensión nominal del regulador, cualquiera sea la relación R2/R1 escogida. Es por este motivo, y teniendo en cuenta que la mínima tensión nominal de la línea 78/79XX es de cinco voltios, que este diseño no es útil para el diseño de una fuente de tensión versátil de laboratorio. Para ello recurriremos a otro tipo de regulador integrado.
El LM317
Para las aplicaciones en las que se requiere diseñar específicamente una fuente regulable de amplio margen de salida, es altamente recomendable utilizar otro regulador el LM317. En principio sus características son similares a cualquier 78XX, es decir un regulador positivo. Sin embargo, posee una diferencia fundamental que lo hace ideal para fuentes regulables: su tensión de referencia(la XX de la expresión anterior) es de sólo 1,25V, con lo ofrece la posibilidad de un amplio rango de tensiones de salida.
Un diseño estimativo de una fuente de laboratorio, con las excelentes características de regulación y rechazo de rizado ya comentadas, capaz de proveer una tensión de salida entre 1,25V y 25V es el siguiente:
Se observa que fueron agregados dos diodos y un capacitor con respecto al último circuito. Tanto D2 como D3 evitan que se descargue el nuevo capacitor incluido a través del integrado. A su vez dicho capacitor (C4 en este caso) mejora el rechazo al rizado elevándolo hasta los 80dB.
Para obtener el rango de salida indicado en la figura R1 debe ser de 220 ohm, R2 un potenciómetro de 5 kohm y D1 y D2 cualquier diodo pequeño como, por ejemplo, 1N4001.
En cuanto a la corriente de salida, es de 1,5 amperios si se utiliza un disipador adecuado.
Amplificación de la corriente de salida
Como ya comentamos, la corriente de salida de un regulador integrado de este tipo es, en el mejor de los caso, de dos amperios. Este valor puede resultar insuficiente para algunas aplicaciones de potencia. Es por este motivo que, a través del agregado de algunos componentes, amplificaremos la corriente de salida hasta casi cualquier valor. El principio básico es el siguiente:
Observando con detenimiento el diseño, se notará que la corriente de salida circula ahora también por RL. Al hacer esto provoca una caída de tensión sobre esta resistencia que, es a su vez, la tensión VBE que se aplica al transistor T1. Cuando la mencionada tensión que cae sobre RL sea levemente superior a 0,6 voltios T1 comenzará a conducir, evitando de esta forma el grueso de la corriente pase por el regulador. De esta forma, y con el uso de uno o varios transistores adecuados, se puede obtener a la salida del regulador casi cualquier corriente.
El cálculo de RL Resulta, según lo indicado arriba, muy sencillo. Entonces será:
RL=VBE/IL
En dónde VBE adopta un valor de 0,7 voltios e IL es la máxima corriente que debe circular por el regulador. Un valor típico para esta corriente es de 1 amperio. Realizando los cálculos obtenemos, que para un regulador estándar, RL es de 0.68 ohm 2W.
En cuánto a T1, sólo basta decir que puede ser cualquier transistor PNP que soporte la corriente máxima de salida de la fuente. (ADVERTENCIA: dicha corriente es muy superior a IL). Si es de gran valor es recomendable colocar dos o más transistores en configuración Darlington.
