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7/11/2019 Fuentes_Regu

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CAPITULO ~

F u e n t e s d e a l im e n t a c i o n r e g u l a d a s '.: . . . . ... ".OBJET IVOSDespues de estudiar este capitulo, deberia ser capa: de:> - Describir el funcionamiento de la regulaci6n en derivaci6n.> - Describir el funcionamiento de la regulaci6n serie.> - Explicar el funcionamiento y caracteristicas de los reguladores de tensi6n integrados.> - Explicar c6mo funcionan los convertidores de ec-ce.> - Exponer el proposito y funcionamiento del amplificador de corriente y el limitador de corriente.> - Describir las tres topologfas basicas de los reguladores conmutados.VOCABULAR IO ampIificador de corriente convertidor ec-ce divisor de fase filtro con condensador filtro de choque interferenciaselectromagneticas interferencias deradiofrecuencia limitador con reduccionde corriente limitador de corriente

protecci6n termica regulacion de carga regulacion de red regulaei6n en un unico punto,. regulaci6n integrada enplaea regulador con dostransistores .regulador conmutado regulador elevador regulador inversor regulador reductor

reguIador serie regulador zener reguladores integrados rendimiento resistencia de deteccion decorriente seguidor zener tension de dropout tension diferencialentrada/salida topologia transistor exterior de potencia

Se puede construir un regulador de tensi6n simple con un diodo zener. Se explicara el usode la realimentacion negativa para mejorar Ia regulacion de tension. Empezaremos COnlos reguladoreslineales, aquellos dispositivos de regulacion que funcionan en la zona lineal. Se analiza ran dos tiposde reguladores lineales:' en dertvacion y el serie. Este capitulo concluye con los reguladores conmutados,dispositivos en los que la regulacion conmuta entre encendido y apagado para mejorar el rendimientoen potencia.

24-1. CARACTERisTICAS DE LAS FUENTESDE ALIMENTACIONLa calidad de una fuente de alimentacion depende de la regulacion en sucarga, la regulacion de red y la resistencia de salida. En esta seccion setrataran estas caracterfsticas, ya que son frecuentemente usadas en las hojasde caracteristicas y especificaciones de las fuentes de alimentaci6n regulada.

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992 PRINCIPIOS DE ELECTRONICA

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o R eg ulacio n p ara carg aLa Figura 24-1 muestra un puente rectificador con un filtro capacitivo deentrada. Cambiando la resistencia de carga se cambia la tensi6n en la carga.Si se reduce la resistencia de carga, se consigue mayor rizado y una tensi6nadicional atraviesa la espiral del transformador y los diodos. Debido a esto,un aumento de la corriente por la carga siempre disminuye la tensi6n en lacarga.

La regulacion para carga indica cudnto cambia La tension en Lacargacuando cambia fa corriente por fa carga. La definici6n de la corriente por lacarga es:

VNL - VFLRegulaci6n para carga = x 100 %VFL(24-1 )

donde VNL = tension en la carga sin corriente por la carga;VFL = tension en la carga con corriente de carga maxima.Con esta definicion, VNL se produce cuando la corriente por la carga es ceroY VFL cuando la corriente por la carga a1canza el maximo valor del disefio.Por ejemplo, suponiendo que la fuente de alimentaci6n regulada de laFigura 24-1 tiene estos valores:

VNL = 10,6 V para h= 0VFL = 9,25 V para h= 1 A

Entonces, la Ecuaci6n (24-1) dara:

120 V60 Hz

. 10,6 V-9,2S V .Regulacion para carga = 9 V x 100 % = 14,6 %,25

VNL - VFLRegulacion de carqa --- x 100%VFLVNL = Tension en la carga sin corriente por la cargaVFL = Tension en la carga con corriente de carga maximaVHL - VLLRegulacion de red = --- x 100%\ { _ L\ { _ L = Tension en la carga con tension de red minimaVHL = Tension en la carga con tension de red maxima

Figura 24-1. Fuente de alimentaci6n con filtro de entrada con condensador.


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FUENTES DE ALIMENT ACI6N REGULADAS 993

Cuanto menor es la regulacion para carga, mejor sera la fuente de ali-mentacion regulada. Por ejemplo, una fuente de alirnentacion regulada queeste bien regulada, tiene una regulacion para carga menor del 1 por 100.Esto significa que la tension en la carga varia menos del I por 100 en todo elrango de la corriente por la carga.

o Regulacion de redEn la Figura 24-1, la tension de red en la entrada tiene un valor nominal de120 V. La tension actual que proporciona la red puede variar desde los 105 alos 125 V rms I, dependiendo del momento del dia, la poblacion y otrosfactores. Como esta tension secundaria es directamente proporcional a latension de red, la tension en la carga en la Figura 24-1 cambiara cuando 10haga la tension de red.Otra forma de especificar la calidad de la fuente de alimentacion regula-da es a traves de su regulacion de linea 0 regulacion de red, definida como:

. v, -v,Regulacion de red = ' HI. LL X 100%VLL (24-2)donde VHL = tension en la carga para una tension de red maxima;VLL = tension en la carga para una tension de red mfnima.Por ejemplo, suponiendo que la fuente de alimentacion regulada de la Figu-ra 24-1 tiene estos valores:

VHL = 9,2 V para una tension de red = 105 V rms\ ' L L = 11,2 V para una tension de red = 125 V rms

Entonees, la Ecuacion (24-2) dara:., 11,2 V - 9,2 VRegulacion de red = 9,2 V x 100% = 21,7%

Como con regulacion para earga, cuanto menor sea la regulacion de red,mejor sera la fuente de alirnentacion regulada. Por ejemplo, una fuente dealimentacion bien regulada puede tener una regulacion de red de menos del0,1 por 100. Es decir, que la tension en la carga varia menos del 0, I por 100euando la tension de red varia de 105 a 125 V rms.

o Resistencia de salidaLa resistencia Thevenin 0de salida de una fuente de alirnentacion reguladadetermina la regulacion en la carga. Si una fuente de alirnentacion regula-

J Nota del traductor: Se habla de valores de tension en la red para Estados Unidos.


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994 PRINCIPIOS DE ELECTRONICAda tiene una resistencia de salida baja, su regulacion en la carga tambiensera baja. Esta es una manera de ca1cular la resistencia de salida:

(24-3)

Por ejemplo, estos son los valores obtenidos anterionnente para la Fi-gura 24-1:V N I . = 10,6 V para t,= 0V r l . = 9,25 V para h= I A

Para esta fuente de alimentacion regulada, la resistencia de salida es:10,6 V - 9,25 V 3 rvR T H = I A = 1, 5 ~~

La Figura 24-2 muestra una grafica de tension en la carga frente a lacorriente por la carga. Como se puede observar, la tension en la carga dismi-nuye cuando la corriente por la carga aumenta. EI cambio en la tension en lacarga ( V N L - Vn)dividido entre el cambio en la corriente ( IF/ . ) es igual a laresistencia de salida de la fuente de alimentacion regulada. La resistencia desalida esta relacionada con la pendiente de esta curva. Cuanto mas horizon-tal sea la grafica, menor sera la resistencia de salida.En la Figura 24-2, la corriente maxima por la carga IFL se produce cuan-do la resistencia de salida es minima. Por ello, una expresion equivalentepara la regulacion en la carga es:

Regulacion en la carga = R T H x 100%RUmin) (24-4)

VNM L - VFLRTH=--:---IF LVNL = Tension en la carga sin correinte de cargaVFL = Tension enh la carga con corriente d carga maximaIF L = Corriente de carga maxima~ - - - - - - - - - - - - - - - - - - . _ - - ~ ~In

Figura 244. Mejorando un regulador en derivaci6n.


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FUENTE S DE AL IMENTAC I6N REGULADAS 99 5

Por ejemplo, si la fuente de alimentaci6n regulada tiene una resistencia desalida de 1 ,5 Q y la resistencia de carga minima es de 10Q, su regulaci6n enla carga sera de:1 ,5 QRegulacion en la carga = 10 Q x 100% = IS %

24-2. RECULADORES EN' DERIVACIONLa regulaci6n de red y la regulaci6n para carga de una fuente de alimenta-ci6n sin regular son demasiado altas para la mayorfa de las aplicaciones.Usando un regulador de tensi6n entre la fuente de alimentaci6n y la carga sepuede mejorar significativamente estos .dos parametres. Un regulador detension lineal utiliza un dispositivo funcionando en la zona lineal para man-tener la tension en la carga constante. Hay dos tipos fundamentales de regu-ladores lineales: los del tipo serie y los del tipo en derivacion. Con los detipo en derivacion, los dispositivos de regulacion estan en paralelo con lacarga.o R eg ula do re s z en erUn regulador en derivacion sencillo consiste en un diodo zener en un circui-to como- el de la Figura 24-3. Como se dijo en el Capitulo '5 , el diodo zenerfunciona en la zona de ruptura, produciendo una tension de salida igual a latensi6n zener. Cuando cambia la corriente por la carga, aumenta 0 disminu-ye la corriente en el zener, manteniendo la corriente a traves de Rs constan-teoCon cualquier regulador en derivaci6n, un cambio en la corriente por lacarga se complementa con un cambio opuesto en la corriente en la rama delzener. Si la corriente por la carga disminuye I rnA, la corriente por la ramadel zener aumenta I rnA.Como se ve en la Figura 24-3, la ecuaci6n para la corriente que atraviesalas resistencias en serie es:

Vin - Vou tIs=---RsEsta corriente serie es igual a la corriente de entrada del regulador en deri-vacion. Cuando la tension de entrada es con stante, la corriente de entrada es

___1+

IL = VoutR LIz = Is - IL-t Figura 243. El reguladorzener es un regulador enderivaci6n.


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996 PRINCIPIOS DE ELECTR6NICA

casi constante ante los cambios en la corriente por la carga. De esta manerase caracteriza un regulador en derivacion, Un cambio en la corriente por lacarga casi no tiene efecto en la corriente de entrada.Un comentario final: en la Figura 24-3, la corriente maxima por la cargacon regulacion se produce cuando la corriente de zener es casi cero. Esto escierto para todos los reguladores en en derivacion, La corriente maxima porla car~a con una tension de salida regulada es igual ala corriente de entrada.o T ension zener con un transistorPara grandes corrientes de carga, la regulacion para carga de un reguladorzener como el de la Figura 24-3 empeora (aumenta) debido a que el cambiode corriente a traves de la resistencia zener puede cambiar significativamen- .te la tension de salida. Una manera de mejorar la regulacion para carga eneste caso es afiadiendo un transistor al circuito, como se muestra en la Figura24-4. Cop este regulador en derivacion, la tension de carga es igual a:

(24-5)Asf es como el circuito mantiene la tension de salida constante: si latension de salida intenta aumentar, este aumento es transmitido a traves deldiodo zener a la base del transistor. Esta tension alta en la base del transistorproduce mayor corriente de colector a traves de Rs. La tension cae a 10 largode Rs compensando los aumentos de tension en la salida. Un cambio signifi-cativo sera solamente un pequefio aumento en la tension en la carga.Inversamente, si la tension de salida intenta disminuir, la tension que. realimenta la base disminuye la corriente de colector, con 10 que cae menosla tension a 10 largo de Rs. De nuevo, un intento de cambio en la tension desalida es compensado por un cambio opuesto en la tension de las resisten-cias en serie. Esta vez, un cambio significativo es solo una ligera disminu-cion de la tension de salida.

o Tension de salida m ayorLa Figura 24-5 muestra otro regulador en derivacion. Este circuito tiene laventaja de ser capaz de usar el coeficiente para bajas temperaturas de ten-sion zener (entre 5 y 6 V). La tension de salida regulada tendra aproximada--r V a u t = li z + V BE

Is= v , - V a u !V z + RsRL V O U ! V O U !_l IL=- RLIz= Is-IL- -Figura 24-4. Mejorando un regulador en derivaci6n.


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FUENTES DE ALIMENTACI6N REGULADAS 997

R2 - 1 R, + R2Vout = = - - ( li z + VSE)R,+ 15 = V in - VoutRL Vout Rs

R , J I _ VoutL -- R LIz==ls-IL- - -Figura 24-5. Regulador en derivaci6n con tensi6n de salida mayor.

mente el mismo coeficiente de temperatura que el diodo zener, pero la ten-sion sera mayor.La realimentacion negativa es similar a la dei regulador anterior. Cual-quier intento de cambio en la tension de salida es realimentado al transistor,el cual cornpensara a su salida casi completamente este cambio. EI resultadoes una tension de salida que cambia mucho menos que si no tuviera reali-mentacion negativa.La tensi6n en la base viene dada por:

Esto es una aproxirnacion, dado que no se incluye el efecto de carga en lacorriente de base debido al divisor de tension. Normalmente, la corriente enla base es 1 0 suficientemente pequefia como para poder ignorarla. Despejan-do en la ecuacion anterior la tension de salida, se obtiene:

En la Figura 24-5, la tension en la base es la suma de la tension de zenerY VBE:

Sustituyendo este resultado en la ecuacion precedente:

(24-6)

La Figura 24-5 muestra las ecuaciones de analisis del circuito. La ecua-cion para la corriente de colector es una aproximacion, dado que no se inclu-ye la corriente a traves del divisor de tension (R , y R2) . Para mantener elrendimiento del regulador al nivel mas alto posible, normal mente un dise-


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fiador pone R IYR2 mucho mayores que la resistencia de carga. Como resul-tado, la corriente que atraviesa el divisor de tension es normalmente 10 sufi-cientemente pequefia como para prescindir de ella en los analisis prelirni-nares.La desventaja de este regulador es que cualquier cambio en VBE se trasla-dara a la tension de salida. Aunque util para aplicaciones sencillas, el circui-to de la Figura 24-5 puede ser mejorado.o R e gu la cion m e jora d aUna forma de reducir el efecto de VBE sobre la tension de salida es con unregulador en derivacion como el de la Figura 24-6. El diodo zener mantienela entrada inversora del amplificador operacional a una tension constante. EIdivisor de tension formado por R I Y R 2 muestrea la tension en la carga eintroduce una tension de realimentacion en la entrada no inversora. La sali-da del ainplificador operacional excita la base del transistor. Debido a larealimentacion negativa, la tension de salida se mantiene casi constante apesar de los cambios de red y carga.Por ejemplo, si la tension en la carga trata de aumentar, la sefial derealimentacion en la entrada no inversora aumenta. La salida del amplifica-dor operacional excita la base mas fuertemente aumentando la corriente decolector. El aumento de corriente de colector a traves de Rs produce unagran tension a traves de Rs, 1 0 que compensa el intento de aumento de ten-sion en la carga. Sucede una correccion similar cuando la tension de cargatrata de disminuir. En resumen, cualquier intento de cambio en la tension desalida es compensado por la realirnentacion negativa.

En la Figura 24-6 la gran ganancia de tension del amplificador operacio-nal elimina el efecto de VBE de la Ecuacion (24-6) (una situacion similar a lade los circuitos con diodos activos vista en el Capitulo 22). Por ello, latension en la carga viene dada por:

(24-7)

- 1 R, + R2V o u , = ~ Vz+ V i. - VoutRL V out 15 = Rs-J V O U 1Il=- Rlle== Is - IL-Figura 24-6. Regulador en derivaci6n con realimentaci6n negativa alta.


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FUENTES, .DE AL IMENT AC I6N REGULADAS 999

o Proteccion contra cortocircuitosUna ventaja de los reguladores en derivacion es que estan construidos conproteccion contra cortocircuito. Por ejemplo, si deliberadamente se ponenen cortocircuito los terminales de la carga de la Figura 24-6, ninguno de loscomponentes del regulador resultara dafiado. Todo 1 0 que sucede es que lacorriente de entrada aumenta a:

VinIs=-RsEsta corriente no es suficiente para dafiar algun componente de un reguladoren derivacion tfpico.o RendimientoUna forma de comparar reguladores de diferente disefio es con el rendimien-to, definido como:

., POUt 00Rendimiento = p. x l %o n

(24-8)donde Pout es la potencia en la carga (Vouth) y P in es la .potencia de entrada(Vinlin ). La diferencia entre P in Y Pout es P rc g , la potencia usada en los compo-nentes del regulador: .

En los reguladores en derivacion de las Figuras 24-4 a 24-6, la disipacion depotencia de Rs Y la del transistor representan la mayor parte de la consumidaen el regulador,

EJEMPLO ~4-.iEn laFigura24-4,\I;n= H ~ V , R s ~ :100, 'Vz= 9;lV,' VaE ~ 0,8 Vy R L= = . :40n. (Cual~s son los valores para.latension'de salida.Ja corriente .de entrada; la corriente en la ca'rga y 'la .corrtente .decolectorz. , : " .

j > cO ' . ' ., '

~SOLUCI6NCori'iasEcua'Ci6nes'de +a Fi'gJ ra ' 24~ 4;~oderrio 's ' c a l c u l l i r 'lb~F:':.g~iente: . . .~-'~,:.' . " .' "",:.. . '. ~ , , '.

". . . . ."

.. . . ,~.'" ., .~","', .. .. , r ' i, .


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EJEMPLO 24-2EI reguladoren derivaclon de la Figura 24-5 tiene los siguientesvalores: v, = 15 V, Rs = 10 Q, Vz = 6,2 V, VBE = 0,81 V y RL= 40:Q. SiR 1 = 750 Q y R 2 = 250 Q, lcuales son los valores aproximados de latension de salida, corriente de entrada, corriente por la carqa ycorriente de colector?SOLUCIONCon las Ecuaciones de la Figura 24-5:

II . :: R 1 + R 2 (V V.) - 750 Q + 250Q (6 2 V 0 81 V) - 9 35 Vout - R 1 Z + BE - 750 Q ' +, -,La tension de salida exacta sera ligeramente superior a esta debi-do a la corriente de base a traves de R2 La corriente aproximadasera:

I = \ l ; n - V o u t = 15 V - 9,35 V = 565 A5 n , 10 Q mI = V o u t = 9,35 V = 234 AL R L 40 Q mI c= Is -IL = 565 mA - 234 rnA = 331 mA

EJEMPLO 24-3lCual es el rendimiento aproximado del ejemplo anterior? lCuan-ta potenciase disipara en el regulador?SOLUCIONLa tension en la carga esaproximadamente 9,35 V, y la corrientepor la carga 234 rnA. La potencia en la carga es:

P o u t = V o u t h = (9,35 V)(234 rnA) = 2,19 WEn la Figura 24-5, lacorriente de entrada vale:

En cualquier regulador en derivacion bien disenado, Is es muchomayor que 1 3 para mantener el rendimiento alto. De esta forma, lapotencia de entrada es:


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FUENTES DE ALIMENT AC ION REGULADAS 1001

.EI rendirniento del reg'ulador.seobtiene: ... ,: ' ,-.. \ , . ',~ ,~-, .. " ; ~.. ' < ; . : . :. "

. ; ~" .":,, .: ,I

R idirrii : Pout'100'0/ 2,J9.W 10'00/'2580/en Imlento=p" '~' .. 10'=:'8 48W'x 10~,. 10., '. :In ~ .

EI rendtmientoesbejocomparado con el deotros reguladorestratados posteriorrnente (reguladores serle y deconmutaci6n). EIrendlmiento bajo es una de las desventajasde los.reguladores en. derivaci6n.Es debidoa la disipacionde potencia enlas resisten-.cias en serie y eltranslstor.que vale:

P.reg~ P in:- Pout = = 8,48 W - ~,19W = ~,29 W'EJEMPLO 24-4EI regulador Emderivaci6n de laFiqura 24-6 tiene los siquientesvalpres paraelcircuitotvc 15 V, Rs";.10 a, Vz= 6,8Vy Fh = 40a.Si R,'=7;5 ka yR; =2,5 kil" l.Guale,sson losvalores aproxirnados-dela tenslonde salida, corriente de entrada,' corriente porla carqa ycorriente decolector? .' ..' . ,SOLUCION "Con las Ecuaciones dela 'Figura 24~6:

. v .: ' : : : R, +H2'V'~ 7,5 kfl;+2,5 kn'(6 8,V)= '07Vout- R " Z,." ., 7 '5 'kQ" '. , .' .. ,: . 1 . ' ' -: '. : ', .' ~ .. ': < : . ' , , ' ," ~ ,V ;n _:Vout:'15 V ~"9i'07 V = 5'9'3'.",. A5 '. Rs' "10 a' .' . ., m .'

'"

, ; n . '~

. '.. "c~ ' ls-:h=i5~3rriA,~;227 mA.,~ ~66;rnA : :/.: .' " .. ' . ." ~ p

EJEMPL02~5'' ," ': . _." , . > , . " , . . . . , ,1'.Calcula~ lamaxirna.corriente poria carga erilosEjeh,plo's24~.1, '.24-2y 24-4;'" . ...., ,~.. ", ' . . .'. ....... ~. ;,-. . ,.SOLUC.ION' ... . ' '. ',,:.Como ~e:dij~ai1teriormente;cu'iillq'uier.regulador;en derivaci6n .tiene unacornente maxima por la canqaaproxirnadarnentedqual a .. . ' . ' ~ . . : ' ! . . " . :


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la corriente a traves de Rs. Como ya se ha calculado ls en estosejemplos, la corriente maxima por la carga sera:'max = 510 mA'max = 565 mA'max = 593 mA

EJEMPLO .24-6Tras construir y probar el regulador en derivaci6n de la Figura 24-5,se obtiene las siguientes mediciones: VNL = 9,91 V, \l,:L = 9,81 V,VHL = 9,94 V Y VLL = 9,79 V. LCuanto vale la requlacion para carga?LV cuanto la requlacion de red?SOLUCION

. , 9,91 V - 9,81 VRegulaclOn para carga = 9,81 V x 100% = 1,02%., . 9,94 V- 9,79 VRegulaclon de red = 9,79 V x 100% = 1,53%

24-3. RECULADORES SERlELa desventaja de los reguladores en derivacion es su bajo rendimiento, pro-vocado por las grandes perdidas de potencia en las resistencias en serie y enel transistor. Cuando el rendimiento no es importante, pueden usarse regula-dores en derivacion, ya que como ventaja aportan su simplicidad.o Mejora del rendimientoCuando el rendimiento es importante, los reguladores serie 0 los conmuta-dos seran los mas adecuados. Un regulador conmutado es el de mayor rendi-miento de todos los reguladores de tension. Tiene un rendimiento con cargamaxima de entre el 75 y el 95 por 100. Pero los reguladores conmutados sonruidosos debido a que producen interferencias de radiofrecuencia (RFl: ra-dio-frequency interference), provocadas por los cambios en el transistor en-tre estados a frecuencias entre lOy 100 kHz. Otra desventaja es su compleji-dad de disefio e implementacion.En cambio, los reguladores serie son silenciosos, ya que su transistorfunciona siempre en la zona lineal. Por otra parte, un regulador serie esrelativamente sencillo de disefiar y construir comparado con un reguladorconmutado. Finalmente, un regulador serie tiene un rendimiento con cargamaxima de entre el 50 y el 70 por 100, suficiente para la mayoria de lasaplicaciones en las que la potencia de carga es inferior a 10 W.Por todas estas razones, los reguladores serie resultan la mejor eleccion


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para la mayorfa de las aplicaciones cuando la potencia de carga no es muyalta. Su relativa sencilIez, de funcionamiento silencioso y el aceptable nivelde disipacion de potencia en el transistor hacen de los reguladores serie laeleccion natural para la mayorfa de las aplicaciones. EI resto de esta seccionanalizara los reguladores serie.

o E I s eg uid or z en erEI regulador. serie mas sencillo es el seguidor zener de la Figura 24-7. Comose vio en el Capitulo 12, el diodo zener funciona en la zona de ruptura,produciendo una tension en la base igual a la tension zener. EI transistoresta conectado a un seguidor de emisor. Por tanto, la tension en la cargaes igual a:

(24-9)

Si la tension de red 0 la corriente en la carga cambian, las tensiones zener ybase-emisor cambiaran solo ligeramente. Por este motivo, en la tension desalida solo se aprecian pequefios cambios cuando aparecen grandes varia-ciones en la tension de red 0 la corriente en la carga.Con los reguladores serie, la corriente en la carga es aproximadamenteigual a la corriente de entrada, ya que la corriente que atraviesa R, es engeneral 10suficientemente pequefia como para poder despreciarse en calcu-los preliminares. EI transistor de los.reguladores serie se llama transistor depaso, ya que toda la corriente de carga 1 0 atraviesa.Un regulador serie tiene mayor rendimiento que un regulador en deriva-cion dado que se ha sustituido las resistencias serie por un transistor de paso.Ahora, la unica perdida significativa de potencia se produce en el transistor.EI mayor rendimiento es la razon principal de preferir los reguladores seriepara aplicaciones con grandes corrientes de carga.Recordar que los reguladores en derivacion tienen una corriente de en-trada constante cuando cambia la corriente por la carga. En los reguladoresserie su corriente de entrada es aproximadamente igual a la corriente por lacarga. Cuando la corriente por la carga cambia en un regulador serie, lacorriente de entrada cambia en la misma cantidad. De esta forma se puedediferenciar en diferentes disefios el tipo de regulacion que se utiliza. En los-1

Figura 24-7. EI seguidor zener es un regulador serie.


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reguladores en derivaci6n la corriente de entrada perrnanece con stante fren-te a cambios en la corriente por la carga, mientras que en los reguladoresserie esta cambia.o R eg ula cio n c on d os tra ns is to re sLa Figura 24-8 muestra el regulador serie con dos transistores estudiado enel Capitulo 12. Si VOU! trata de aumentar por un aumento en la tensi6n de lared 0en la resistencia de carga, aumentara la tensi6n de realimentaci6n en labase de Q t. Esto provoca un aumento de la corriente de colector en Q t queatraviesa R4 y una disminuci6n de la tensi6n en la base de Q2. Esta disminu-cion de tension en la base del seguidor de emisor casi compensa completa-mente el aumento de tensi6n de salida.Similarmente, la tensi6n de salida trata de disminuir debido a una dismi-nucion de la tension en la red 0 de la resistencia de carga, 10 que disminuirala tensi6n de realimentaci6n en la base de Qj. Esto provoca un aumento de latensi6n en la base de Q2, 10 que 'aumenta la tensi6n de salida cornpensandocasi completamente el intento de disminuci6n de la tensi6n de salida. Elefecto global es un ligero descenso en la tensi6n de salida.o T ension d e salid aComo se estudi6 en el Capitulo 12, la tensi6n de salida de la Figura 24-8viene dada por:

(24-10)

Con reguladores serie como el de la Figura 24-8 se puede utilizar unzener de baja tensi6n (de 5 a 6 V) con un coeficiente de temperatura aproxi-madamente cero. La tensi6n de salida tendra casi el mismo coeficiente detemperatura.

- 1JFigura 24-8. Regulador serie distinto.


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FUENTES DE A LIM ENT A CIO N REG ULA DAS 1005

o Tension diferencial entrada/salida, disipacionde potencia y rendimientoEn la Figura 24-8, la tension diferencial entrada/salida se define como Lad ifer en cia en tr e L a ten sion d e en tr ada y L a d e L a s alid a:

Tension diferencial entrada/salida = V ; n - VOUI (24-11 )La corriente a traves del transistor de paso de la Figura 24-8 es igual a:

donde 1 2 es la corriente que atraviesa R2 Para mantener alto el rendimiento,el disefiador debe conseguir que 1 2 sea mucho mayor que el valor de cargamaximo de h. De esta forma, se puede despreciar 1 2 para grandes corrientesde carga y escribir:

Para corrientes de carga altas, la disipacion de potencia en el transistorde paso es muy grande para los .reguladores serie. En este caso se utilizangrandes disipadores de calor. Algunas veces es necesario el uso de un venti-lador para eliminar el exceso de calor dentro del encapsulado.(24-12)

Funcionando a la maxima corriente de carga, la mayorfa de la disipacion depotencia se produce en el transistor de paso. Como la corriente en este tran-sistor es aproximadamente igual a la corriente por la carga, el rendimientoviene dado por:" V OUI 0Rendimiento = = V x 10 %

In(24-13)

Con esta aproximacion, el rendimiento optimo se producira cuando latension de salida sea casi tan grande como la tension de entrada. Esto impli-ca que cuanto mayor sea la tension diferencial entrada/salida, mejor sera elrendimiento.Para mejorar el funcionamiento de un regulador serie se suele utilizar amenudo una conexion Darlington en el transistor de paso. Esto permiteeluso de transistores de baja potencia para excitar el transistor de potencia. Laconexi on Darlington permite tambien valores altos para las resistencias deR a R4, con la consiguiente mejora del rendimiento.o Mejoras en la regulacionLa Figura 24-9 muestra el uso de un amplificador operacional para mejorarla regulacion, Si la tension de salida trata de aumentar, aumenta la realimen-tacion de tension en la entrada inversora del amplificador. Esto disminuye


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su salida, la tension en la base del transistor de paso y el intento de aumentoen la tension de salida. Si la tension de salida trata de disminuir, disminuyela tension de realimentacion en el operacional y aumenta la tension en labase del transistor de paso, con 1 0 que se compensa casi completamente esteintento de disminucion en la tension de salida.La ecuacion de la tension de salida es casi la misma que para el regula-dor de la Figura 24-8, excepto que la alta ganancia en tension del amplifica-dor operacional elimina ,eJ efecto de VSE' Por ello, la tension en la cargaviene dada por:(24-14)

En la Figura 24-9, el amplificador operacional funciona como amplifica-dor no inversor c~n una ganancia en tension en Jazo cerrado de:(24-15)

La tension de entrada es 1atension zener. Por ello, 1aEcuacion (24-14) sepodra escribir siempre como:(24-16)

Por ejemplo, si ACL = 2 Y Vz = 5,6 V, la tension de salida sera de 11,2 V.

o Limitacion de corrienteA diferencia del regulador en derivacion, el regulador serie de la Figura 24-9no tiene proteccion contra cortocircuitos. Si accidentalmente se unen losterminales de la carga, la corriente que la atraviesa crecera aproximandose ainfinito, destruyendo el transistor de paso y puede tambien destruir uno 0mas diodos en 1afuente de alirnentacion no regulada que alimenta el regula-dor serie. Para prevenir esta situacion, la alimentacion regulada incluye nor-malmente alguna forma de regulacion de corriente.

- 1 R, + R2Vou.=-- VzR,I _ Vout+ L- -RL Vou RL-J P D = = ( \ I ; " - Vc,ut)IL-Figura 24-9. Regulador serie con realimentaci6n negativa alta.


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FUENTES DE ALIMENTACI6N REGULADAS 1007- tJFigura 24-10. Regulador serie con limitador de corriente.

La Figura 24-10 muestra una forma de limitar la corriente de carga avalores seguros. R 4 es una resistencia .pequefia Hamada resistencia para Ii-mitacion de corriente. Para este analisis, se usara una R4 de 1 Q. Como lacorriente de carga tiene que atravesar R 4, la resistencia para lirnitacion de-corriente produce la tension base-ernisor en Q ,.Cuando la corriente de carga es menor de 600 rnA, la tension en R 4 esmenor de 0,6 V. En este caso, Q , esta en corte y el regulador funciona comose describio anterionnente. Cuando la corriente de carga esta entre 600 y700 rnA, la tension en R4 esta entre 0,6 y 0,7 V. Esto pone a Q, en conduc-cion. La corriente de colector de Q, circula por R; Esto disminuye la tensionen la base de Q2, 10 que reduce la tension y la corriente en la carga.Cuando se cortocircuita la carga, Q, conduce fuertemente y provoca unacafda de tensi6n en la base de Q2 a aproximadamente 1,4 V (las dos tensio-nes VSE estan conectadas a tierra). La corriente que atraviesa el transistor depaso tfpicamente esta limitada a 700 rnA. Puede ser ligeramente inferior 0superior a este valor, dependiendo de las caracterfsticas de los dos transis-tores.A propos ito, la resistencia R, se afiade al circuito dado que la impedan-cia de salida del amplificador operacional es muy baja (75 nnonnalmente).Sin Rs , el transistor para limitacion de corriente no tiene la suficiente ganan-cia en tension para producir una limitacion de corriente. El disefiador esco-gera un valor para Rs 10 suficientemente grande como para producir unaganancia en tension en el transistor limitador de corriente, pero no tan eleva-da como para impedir que el amplificador operacional excite al transistor depaso. Val ores tipicos para R, son desde cien a algo mas de mil ohmios.La Figura 24-11 representa el limite de corriente. Como una aproxima-cion, el grafico marca en 0,6 V la tension a la cual comienza la limitaci6n decorriente y 0,7 V como la tension para cortocircuito en la carga. Cuando lacorriente en la carga es pequefia, la tension de salida permanece constantehasta un valor de VSEaproximadamente igual a 0,6 V. Mas alla de este pun-to, Q , conduce y se activa la limitacion de corriente. Aumentos adicionalesde It disminuiran la tension en la carga y desaparecera la regulacion. Cuan-

+Ve EISL=- _.R.


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VSE = = 0,6 V/~ e g ~ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -_ _ ~

VSE = = 0,7 V/-L__~~ISL

Figura 24-11. Grafico de la tensi6n en la carga frente a la corriente por la cargacon un limitador de corriente simple.

do la carga esta cortocircuitada, la corriente en la misma esta limitada a unvalor 15L, corriente en la carga con los terminales cortocircuitados (shorted-load terminals).Cuando los terrninales de la carga estan cortocircuitados en la Figu-ra 24-10, la corriente por la carga viene dada por:

(24-17)

donde VBE es aproximadamente 0,7 V. Para corrientes fuertes por la carga, laV8Edeltransistor de limitacion de corriente pude ser algo superior. Se estuvousando una R4 de 1 fl. Cambiando su valor, se podran conseguir limitadoresde corriente que comiencen a cualquier nivel. Por ejemplo, si R4 = 10 fl, lalimitacion de corriente empezara cerca de los 60 rnA con una corriente decortocircuito de aproximadamente 70 rnA.o Limitacion con reduccion de corrienteLa lirnitacion de corriente es una importante mejora, ya que protege al tran-sistor de paso y a los diodos de posibles cortocircuitos en la carga. Pero tienela desventaja de la gran disipacion de potencia en el transistor de paso. Conun corto en la carga, casi toda la tensi6n de entrada llega al transistor depaso. .

Para evitar una disipacion de potencia excesiva, el disefiador puede afia-dir una limitacion con reduccion de corriente (joldback current limiting)como el de la Figura 24-12. La tension en la resistencia para limitaci6n decorriente R4 alimenta un divisor de tension (R 6 y R7), el cual excita la basede QI. En la mayor parte del rango de la corriente de carga, la tensi6n en labase de QI es menor que la tensi6n en el emisor, y VBE es negativa. Estomantiene a Q I en corte.Cuando la corriente de carga es 1 0 suficientemente alta, no obstante, latension en la base de QI empieza a ser mayor que la tensi6n de emisor.Cuando V8E esta entre 0,6 y 0,7 V, empiezala limitaci6n de corriente.


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FUENTES DE ALIMENT ACION REGULADAS 1009- 1Figura 24-12. Regulador serie con limitacion con reduccion de corriente.

A partir de este punto, cualquier disrninucion en la resistencia de carga provocaque la corriente disminuya, Como resultado, la corriente en cortocircuitoesmucho menor que si no estuviese el limitador con reduccion de corriente.La Figura 24-13 inuestra como la tension de salida varia con la corrientede carga. La tension en la carga es constante hasta un valor maximo I m " x . Enese momento comienza la limitacion de corriente. Cuando la resistencia decarga disminuye mas, la corriente se reduce. Cuando aparece un cortocircui-to en los terrninales de la carga, la corriente ~n la misma vale ISL La prin-cipal ventaja de la limitacion de corriente con reduccion es la disminucionde la disipacion de potencia en el transistor de paso cuando la carga acciden-talmente se cortocircuita.En la Figura 24-13, la disipacion de potencia del transistor bajo condi-ciones de maxima carga es:

~ - - - - - - - - ' - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ~ - - - - ~ / L ISL c:Figura 24-13. Grafico de la tension en la carga frente a la corriente por la cargacon limitacion con reduccion de corriente.

J+ (1 - K l \ . { , ~ tI m a x = IS L + --.......;;.;..:KR.R l + R 2Vout=-- VzR l


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1010 PRfNCfPIOS DE ELECTRONICALa disipacion de potencia bajo condiciones de cortocircuito es aproximada-mente:

Normalrnente, el disefiador utilizara una ISL dos 0 tres veces inferior a I m " x 'Haciendo esto, mantendra la disipacion de potencia en el transistor de pasoen niveles por debajo de las condiciones de carga maxima.

EJEMPLO 24-7.Calcular la tension de salida aproximada de ta Figura 24-14.lCuimto vale la disipacion de potencia en el transistor de paso?

SOLUC'ONCon las Ecuaciones de la Figura 24-8:

3kQ+1kQv . , u t = 3 kQ (6,2 V + 0,7 V) = 9,2 VLa corriente en el transistor es aproximadamente igual a la co-rriente por la carga: .'

I = 9,2 V = 230 Ac 40 Q mLa potencia disipada en el transistor es:

P o = (15 V - 9,2 V)(230 rnA) = 1,33 W

EJEMPLO 24-8lCual es el rendimiento aproximado en el Ejemplo 24-7?

SOLUCIONLa tension en la carga es de 9,2 V,.y la corriente poria carga es de230 rnA. La potencia de salida es:

Pout = (9,2 V)(230 rnA) = 2,12 W


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R,3kQ

Figura 2414. Ejemplo.

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, FUENTES DE ALIM ENTACIO N REGULADAS 1011

La tension de entrada es de 15 V Y la corriente de entrada es deaproximadamente 230 mA,el valor de la corriente por la carga. Deesta forma, la potencia de entrada es: .Pin = (15 V)(230mA) = 3,45 W

EI rendimiento .s e obtiene:

Rendimiento = 2'~~5W X 100% = 6',4%Podemos tambien usar la Ecuacion (24-13) para calcular el rendi-miento de un regulador.serie:

R .. ' l o u t " 9,2 V . .'endlrniento = -V x.100% = 15 V x 100% = 61,3%1M

Este es mucho mejorque el rendimiento del regulador en deriva-cion del eiernplo 24-3 (25,8%). Tipicamente, un reguladorserietieneun rendimiento doble del de un regulador en derivacion.EJEMPLO 24-9'l.Cuantovale aproximadamente la tension de salida en laFiqu-ra24-15? lPor que se usa un transistor Darlington?SOLUCIONCon las Ecuaciones de la Figura 24~9:

\t = 2,7 kn+ 2,2 'kQ (56 V) ~ 102 Vout 2,7 kQ . .' ,


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2,2 kQ 1+

Figura 24-15. Regulador serie con transistor Darlington.

La corriente de carga es:

I L = = 10,2 V = 2,55 A4QSise usa un transistorcornun con una ganancia 100 como transis-tor de-paso, la corriente necesaria en labase seria:

I = 2,55 A = 25 5 AB 100' m

Esta es demasiada corriente para un amplificador operacional tipi-co. Si se utiliza un.transistor Darlington, la corriente en la base del. transistor de paso se reduce a un valor mucho menor. Por ejem-plo, un transistor Darlington con una ganancia en corriente 1.000necesitaria solamente una corriente de base de 2,55 mA.

EJEMPLO 24-10Cuando se monta y seprueba elreguJador serie de la Figura 24.;.15,se toman las siquientes medidas: VNL= 10,16 V, ~L = 10,15 V,VHL =10,16Vy VLL=10 ,07 V.lCuilresla requlacion de carga? lCuill es larequlacion de red?, SOLUCION

. ." . '10,16V-10,15V )/ )/Regulaclonde carga =10;15 V .x100~0 =O,0985~0,

I .10,16 V - 10,07 V )/ O 9 0/Regulaclon de red = . 10;07 VX 100~0 = ,8 4/0


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F UE NT ES DE ALIM ENTACI6 N REGULADAS 1013

". . ' .. :." . . . . :.: . . :',Este:~jerhP.16muest~a'c6~o'larea~lfrt~rifaCi6n' ~k~at'iva r~ducel~s'efectosde los carnblosen la,:red"y Ia.carqa. En.amboscases.velcarnbio en la .tensionde salidarequladaes mano r del 1.por 100. '

" .. ,. ',. " "", ,,'EJEMPL024~11

Enla 'Figura24~16,V;n puede variardesde 17.,5a 22,5 V. lCuales lacorrienternaxima porel zener? lCuan~ovalenlastensiones regu-ladasde salida maxima y minima? Si.latensionde.safida reguladavale 12,5 v, lcuanto vale la resistenciadecarqa cuando comienzala regulaci6nde corriente? 'lCualeslacorriente aproximada encortocircuito? ' 'SOLUCIONLacorrienternaxlmaen el zenerseproduce cuandolatension deentrada es 22;5 V: '

:, ~22;5, ' V - 4 ,7 . V~2 7' Az-'S20,n- 1, mLatensi6n requlada de-salida rhfriima seproduce.cuando elpotenciometro.da.todasu.carqa a lararnasuperior.En este caso,

R, =1.750 ny R2 ";'7500 Y latension de salida sera: ',1.750 n+ 750 nV a u t ='1.750 Q, .t4,7 V)='6,HV

Figura 24-16. Ejernplo.


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La tension regulada de salida maxima se produce cuando elpotenciornetro da toda su carga a la rama inferior. En este caso,R, = 750 n y R2 = 1.750 n y la tension de salida sera:v . = 7S0 n + 1.7S0 n (47 V) = 157 Vout 750 n. ' ,

La limitacion de corriente cornenzara cuando la tension en laresistencia de lirnitacion de corriente sea aproximadamente 0;6 V.En este caso, la corriente por la carga sera:It = 0,6 V = 200 mA3 n

Cuando la tension de salida sea de 12,S V, la resistencia de cargacuando comienza la Iimitacion de corriente sera de:12,S VR L = 200 rnA = 62,S n

Cuando se cortocircuitan los terminales de la resistencia decarga, la tension en la resistencia para Iimitacion de corriente es .de aproximadarnente 0,7 V y la corriente en cortocircuito vale: .0,7 VISL=TQ= 233 mA

24-4. RECULADORES LINEALES INTECRADOSExiste una gran variedad de circuitos integrados lineales para regulacion detension con un mimero de pines que van de 3 a 14. Todos son reguladoresserie dado que tienen un rendimiendo mayor que los reguladores en deri-vacion, Algunos reguladores integrados se utili zan en aplicaciones espe-ciales en las que resistencias externas establecen la limitacion de corriente,la tension de salida, etc. Los reguladores integrados usados mayoritaria-mente son los que tienen iinicamente tres pines: uno para la tension deentrada sin regular, otro para la tension de salida regulada y un tercero detom a tierra.Disponibles en encapsulados de plastico 0 de metal, los reguladores detres terminales han llegado a ser extremadamente populares debido a queson baratos y faciles de usaf. Aparte de dos condensadores de desacoploopcionales, los reguladores de tension integrados de tres terminales no nece-sitan de componentes externos.o M od elo s b as ic os d e re gu la do re s in teg rad osLa rnayoria de los reguladores integrados tiene alguno de los siguientes ti-pos de salida: positiva fija, negativa fija 0 ajustable. Los reguladores inte-


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FUENTES DE ALIMENTACI6N REGULADAS 1015

grados con salida fija positiva 0 negativa estan ajustados de fabrica paraobtener diferentes tensiones fijas en un rango que va de los 5 a los 24 V. Losreguladores integrados con salida variable pueden cambiar los valores de latensi6n de salida desde menos de 2 V hasta mas de 40 V.Los reguladores integrados se clasifican tambien como estandar, de bajapotencia y de baja tensi6n diferencial. Los reguladores integrados estandarestan disefiados para aplicaciones sencillas y no crfticas. Pueden soportarcorrientes de mas de 1 A, con disipadores de calor.Los reguladores integrados de baja potencia seran los adecuados cuan-do las corrientes par la carga no superan los 100 rnA. Estan disponibles enencapsulados del tipo TO-92, el mismo tamafio que los transistores parapequefia sefial como el 2N3904. Como estos reguladores no requieren disi-padores de calor, son practices y sencillos de usar.La tension de diferencial entrada/salida minima 0de dropout de unregulador integrado se define como Latension diferencial entrada/salida. minima necesaria para que el reguLador regule. Por ejemplo, un reguladorintegrado estandar tiene una tensi6n marginal de 2 a 3 V. Esto quiere decirque es necesaria una tensi6n de entrada de 2 a 3 V mayor que la tensi6n desalida regulada del chip para funcionar segun las especificaciones. En apli-caciones en las cuales no sea posible conseguir tensiones diferenciales deentre 2 a 3 V, se utilizaran los reguladores de baja tension diferencial. Estostienen una tensi6n de dropout de 0,15 V para corrientes por la carga de 100rnA y de 0,7 V para corrientes por la carga de 1 A.

o Regulacion integrada en placa frente a regulacionen un untee puntoPara la regulacion en un unico punto se necesita una fuente de alimentaci6ncon un regulador de tensi6n grande que distribuya la tensi6n regulada porlas diferentes pLacas 0 tarjetas (circuitos integrados impresos). Esto genera'problemas. Para ernpezar, el regulador debe proporcionar una gran corrientede carga igual a la suma de las corrientes en todas las placas. Segundo, elruido y otras interferencias electromagneticas pueden afectar a las conexio-nes entre la fuente de alimentaci6n regulada y las placas.Dado que los reguladores integrados son baratos, los sistemas electroni-cos con varias placas suelen utilizar la regulaci6n "integrada en LapLaca.Esto significa que cada placa tiene su propio regulador de tres terminalespara suministrar la tensi6n que usa cada uno de los componentes de dichatarjeta. Usando la regulaci6n integrada en placa, se puede repartir una ten-si6n sin regular desde una fuente de alimentaci6n a cada una de las placas ytener un regulador integrado local encargado de regular esta tensi6n en supropia placa. Esto elimina el problema de la corriente de carga alta y delruido asociado con los reguladores en un unico punto.

o Redefinicion de regulacion de carga y de redHasta ahora se ha venido utilizando la definici6n original para las regulacio-nes de carga y de red. Los fabricantes de circuitos integrados de regulaci6nfijos prefieren especificar el cambio en la tensi6n de carga para un rango de


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condiciones de carga y red. Estas son las definiciones para las regulacionesde carga y de red que aparecen en la hojas de caracteristicas de los regulado-res fijos:Regulacion de carga = ~VOU1para un rango de corriente por la cargaRegulacion de red = ~ VOU1para un rango de tension de entradaPor ejemplo, el LM7815 es un regulador integrado que produce unatension de salida positiva fija de 15 V. Las especificaciones tfpicas que apa-recen en las hojas de caracteristicas para las regulaciones de carga y red sonlas siguientes: ;Regulacion de carga = 12 mV para h= 5 rnA a 1,5 ARegulacion de red = 4 mV para V i n = 17,5 Y a 30 V

La regulacion de carga depended de las condiciones de la medida. Laregulacion de carga anterior es para T, = 25 C Y Vin = 23 Y. Igualmente, lascondiciones de la regulacion de red son para '0 = 25C e li. = 500 rnA. Encada caso, la temperatura de union de los dispositivos es de 25C.o Laserie LM78XXLa serie LM78XX (donde XX = 05, 06, 08, 10, 12, 15, 18024) esta com-puesta por reguladores de tension tipicos de tres terminales. El 7805 produceuna salida de +5 V, el 7806 una de +6 Y, el 7808 una de +8 Y, etc., hasta el7824, que produce una salida de +24 Y.

La Figura 24-17 muestra el diagrama de bloques funcional para los dis-positivos de la serie 78XX. Una tension de referencia V , c f incluida en elalimenta la entrada no inversora del amplificador. La regulacion de tensiones parecida a la estudiada anteriormente. Un divisor de tensi6n compuestopor R ; y R ; muestrean la tension de salida y devuelven una tension de reali-mentaci6n a la entrada inversora de un amplificador de ganancia alta. Latension de salida viene dada por:

En esta ecuacion, la tensi6n de referencia es equivalente a la tensionzener de los ejemplos anteriores. Las primas incluidas en R ; y R ; indican queestas resistencias son internas al circuito integrado. Estas resistencias estanreguladas de fabric a para conseguir las distintas tensiones de salida (de 5 a24 Y) de la serie 78XX. La tolerancia de la tensi6n de salida es de 4 porciento.Los LM78XX incluyen un transistor de paso que puede soportar corrien-tes de carga de I A, siempre que cuente con el disipador de calor adecuado.Inc1uyen tambien una proteccion termica y limitacion de corriente. La pro-teccion termica provoca la cafda del funcionamiento del chip cuando la tem-peratura interna se hace demasiado alta, del orden de los 175C. Esta es unaprecaucion para evitar la excesiva disipaci6n de potencia, la cual depende dela temperatura ambiente, tipo del disipador de calor y otras variables. La


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FUENTES DE ALIMENTACION REGULADAS 1017

TRANSISTOR DE PASO f-------------


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si6n entrada maxima debido a la maxima disipacion de potencia. Por ejem-plo, el LM7805 regulara en un intervale de entrada de entre aproximada-mente 8 a 20 V. La hoja de caracterfsticas proporciona las tensiones deentrada minima y maxima para las otras tensiones de salida prefijadas.o La s erie L M7 9X XLa serie LM79XX es ungrupo de reguladores de tension fija negativa contensiones ajustadas en -5, -6, -8, -10, -12, -15, -) 8 Y-24 V. Por ejemplo,un LM7905 produce una tension de salida regulada de -5 V. En el otroextremo, un LM7924 producira una salida de -24 V. Con Ja serie LM79XX,la corriente por la carga posible esta cercana a I A, con el disipador de caloradecuado. Esta serie es similar a la LM78XX estudiada en el apartado ante-rior. incluidos el limitador de corriente, la proteccion terrnica y el excelenterechazo al rizado.o F ue nte s re gu la da s s im e tric asCombinando un LM78XX y un LM79XX, como muestra la Figura 24- J9,se puede regular la salida de una fuente de alimentacion simetrica. EILM78XX regula la salida positiva y el LM79XX la negativa. Los condensa-dores de entrada evitan oscilaciones y los de salida mejoran la respuestatransitoria. Las hojas de caracterfsticas de los fabricantes recomiendan ana-dir dos diodos para asegurar que ambos reguladores entren en conduccioncon cualquier condicion de funcionamiento.

Una soluci6n alternativa para las fuentes de alimentaci6n sirnetricas esutilizar reguladores sirnetricos ajustables. Estos circuitos integrados contie-nen un regulador positivo y otro negativo en un iinico encapsulado. Comoson regulables, este tipo de circuitos integrados pueden hacer variar lasfuentes de alimentacion sirnetricas con una iinica resistencia variable.o R e gu la d or es a ju s ta b le sAlgunos reguladores integrados (LM31, LM337, LM338 y LM350) sonajustables. Tienen corrientes de carga rnaximas que van desde 1,5 a 5 A. Porejemplo, el LM317 es un regulador de tension positiva de tres terminalesque puede proporcionar 1,5 A de corriente de carga sobre un rango de ten-siones de salida ajustables de 1,25 a 37 V. EI rechazo al rizado es de 80 dB.Esto equivale a decir que el rizado en la entrada es 10.000 veces mayor quea la salida del regulador integrado.De nuevo, los fabricantes redefinen las regulaciones de carga y red paraadaptarlas a las caracteristicas del regulador integrado. Estas son las defini-ciones de dichos parametres que aparecen en las hojas de caracterfsticas delos reguladores ajustables:Regulaci6n de carga = Cambio en porcentaje de Vout para un intervalode la corriente de cargaRegulacion de red = Cambio en porcentaje de Vout por voltio que cambiala entrada


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.,':'

F UENT ES D E A LiM EN TA CIO N R EGULADAS 1019

Figura 24-19. Usando un LM78XX y un LM79XX para salidas simetricas,

Por ejernplo, la hoja de caracterfsticas de un LM317 especifica estosvalores tipicos para las regulaciones de carga y de red:

Regulacion de carga = 0,3 % para It = lOrnA a 1,5 ARegulacion de red = 0,2 % por voltio

Como la tension de entrada es ajustable entre 1,25 Y 37 Y, tiene sentidoespecificar la regulacion de carga como un porcentaje. Por ejernplo, si latension. regulada se ajusta a lOY, la regulacion de carga indicara que latension de salida permanecera al 0,3 por 100 de 10 Y (0 30 mY) cuandola corriente de carga carnbie de lOrnA a 1,5 A.La regulacion de red es del 0,02 por 100 por voltio. Esto indica que latension de salida cambia solamente un 0,02 por 100 por cada voltio quecambie la entrada. Si la salida regulada se pone a lOY Y la tension deentrada aurnenta 3 Y, la tension de salida aumentara un 0,06 por 100, equi-valente a 60 rnY.La Figura 24-20 muestra una fuente de alirnentacion sin regular alimen-tando un LM317. La hojade caracteristicas de este integrado da la siguienteecuacion para la tension de salida:

(24-18)

En esta ecuacion, Vref tiene un valor de 1,25 Y e IAD) un valor tipico de50 ~A. En la Figura 24-20, lAD) es la corriente que atraviesa el pin inte-rmedio (el que esta entre los pines de entrada y el de salida). Debido a queesta corriente puede variar con la temperatura, corriente de carga y otrosfactores, normalmente un disefiador hace el primer termino de la Ecuacion(24-18) mucho mayor que el segundo. Por ella se puede sirnplificar la ecua-cion anterior, dando el siguiente resultado:

(24-19)


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Figura 2420. Usando un LM317 para regular la tension de salida.

o R ec hazo al riza do. EI, rechazo al rizado de un circuito integrado regulador de tension es alto,desde 65 a 80 dB. Esto es una importante ventaja dado que no hace necesa-rio el uso de voluminosos filtros LC en la fuente de alimentacion para evitareste rizado. Todo 10 que se necesita es un filtro capacitivo de entrada parareducir el rizado pico a pi co sobre el 10 por 100 de la tension de salida sinregular de la fuente de alimentacion.Por ejemplo, el LM7805 tiene un factor de rechazo al rizado tipico de80 dB. Si un puente rectificador y un filtro capacitivo de entrada producen.una tension de salida de 10 V, con un rizado pico a pico de 1 V, se podrausar un LM7805 para producir una tension de salida regulada de 5 V, con unrizado pico a pico de solamente 0,1 mY. La eliminacion de los voluminososfiltros LC de las fuentes de alirnentacion sin regular es una gran ventaja queafiade el uso de reguladores de tension integrados.o T ab la d e re gu la cio nLa Tabla 24-1 ofrece datos de los reguladores integrados mas corminmenteusados. EI primer grupo, la serie LM78XX, son para tensiones de salidapositivas fijas desde 5 a 24 V. Con disipadores de calor, estos reguladorespueden producir corrientes de carga de 1,5 A. La regulacion de carga estaentre lOy 12 mV. La regulacion de red va desde los 8 a los 18 mV. El factorde rechazo al rizado es mejor en tensiones bajas (80 dB) y peor para tensio-nes altas (66 dB). La tension de dropout es de 2 V para toda la serie. Lasresistencias de salida aumentan desde 8 a 28 mQ entre la menor y la mayortension.El LM78L05 Y el LM78L12 son versiones para baja potencia de sushomologos estandar, el LM7805 y el LM7812. Los reguladores integradosde baja potencia estan disponibles en encapsulado TO-92, el cual no necesi-ta disipadores de calor. Como muestra la Tabla 24-1, el LM78L05 y elLM78L 12 pueden producir corrientes de carga de 100 rnA.EI LM293 1 se incluye como ejemplo de regulador con baja tension dedropout. Este regulador ajustable puede producir tensiones de salida de en-


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FUENTES DE ALIMENT ACION REGULADAS 1021

Tabla 241. Parametres tfpicos para los reguladores de tension integrados mas comunes a.25 CReg Reg RechazoNumero You . (V) i.:A) carga (mV) red (rnV) rizado (dB) Dropout (V) ~out(rnQ) ISL (A)

LM7S05 5 1,5 10 3 SO 2 S 2,1LM7S06 6 1,5 12 5 75 2 9 0,55LM7S0S S 1,5 12 6 72 2 16 0,45LM7S12 12 1,5 12 4 72 2 IS 1.5LM7S15 15 1,5 12 4 70 2 19 1,2LM7S1S IS 1,5 12 15 69 2 22 0.20LM7S24 24 1,5 12 IS 66 2 2S 0.15LM7SL05 5 100 rnA 20 18 : SO 1,7 190 0,14LM7SLl2 12 100 rnA 30 30 SO 1.7 190 0.14LM2931 3a4 100 rnA 14 4 SO 0.3 200 0.14LM7905 -5 1,5 10 3 SO 2 S 2.1LM7912 -12 1,5 12 4 72 2 IS 1.5LM7915 -15 1,5 12 4 70 2 19 1.2LM317 1,2 a 37 1,5 0,3% 0.02%/V SO 2 10 2.2LM337 -1,2 a -37 1,5 0.3% 0,01 %/V 77 2 10 2,2LM33S 1,2 a 32 5 0,3% O.02%jV 75 2.7 5 8

tre 3 y 24 V con corrientes de carga de 100 tnA. Observese que.la tension dedropout es de solo 0,3 V, cop 1 0 que la tension de entrada iinicamente tieneque ser 0,3 V superior a la de salida.EI LM7905, LM7912 y LM7915 son reguladores negativos comunmen-te usados. Sus parametres son similares a los de sus homologos de la serieLM78XX. El LM317 y el LM337 son reguladores ajustables positivos ynegativos que pueden proporcionar corrientes de carga de 1,5 A. Finalmen-te, el LM338 es un regulador ajustable positivo que puede producir tensio-nes de carga de entre 1,2 a 32 V con corrientes de carga de hasta 5 A.Todos los reguladores que aparecen en la Tabla 24-1 tienen pro tecc iontermica. Esto es, todos los reguladores pondran en corte el transistor depaso y detendran su funcionamiento si la temperatura del chip comienza aser demasiado elevada. Cuando el dispositivo se enfrie, este intentara re-iniciarse. Si cualquiera que fuera la causa que provoco el aumento de tern-peratura desaparece, el regulador volvera a funcionar normalmente. Siesto no es as1, permanecera sin funcionar. La proteccion terrnica es unaventaja que los reguladores monolfticos ofrecen para funcionamientos se-guros.

EJEMPLO 24-12lCual es la corriente poria carga en la Figura24-21? lCuantovaleel rizado en la salida? .


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1022 PRINCIPIOS DE ELECTROI'IICA

i20 V1 23Figura 24-21. Ejemplo.

SOLUCIONEI LM7812 produce una tension de salida regulada de +12 V. Deesta forma, la corriente por la carga es:

12 Vh = 100 n= 120 mAPodemos calcular el rizado de entrada pico a pico con la ecuaciondada en el Capitulo 4:

V. _ ! . ! : _ _ 120 mA -V .R- tc: (120 Hz)(1.000 j.l.F)~ 1

LaTabla 24-1 muestra un valor tlpico de rechazo al rizado de72 dB para el LM7812. Si convertimos mentalmente 72 dB (60 dB +12dB), obtendremos aproximadamente 4.000. Con una calculado-ra cientffica, el valor exacto para el rechazo al rizado sera:. 72 dBRR = antiloq ~ = 3.981

EI rizado pico a pico en la salida es aproximadamente:1 VVR= 4.000 = 0,25 mV

EJEMPLO 24-13Si R, = 2 kQy R2 = 22 knen la Figura 24-20, lcuanto vaIe la tensionde salida? Si R2 aumenta a 46 kn, lcuanto valdra ahorala tensionde salida?SOLUCIONCon la Ecuaci6n (24-191:

\ { , u t =2 kn+22 kQ(1,25) = 15 V.2kQ . . .


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FUENTES DE ALiMENTACI6N REGULADAS 1023

Cuando R 2 aumenta a 46kQ, la tension de salida aumentahasta: '..

~ut =2 kQ + 46 kQ(1,25 V) = 30 V2kQEJEMPLO 24-14EI LM7805 puede regular con unos valores de tension en laentra-da que van desde los 7,5 a los 20 V.,Cuanto valen el rendimientomaximo y minimo? .SOLUCIONEI LM7805 tiene una salida de +5 V. Con la Ecuacion (24-13), elrendimientomaxlrno es: .

Bendimiento e ~:tx 100%=7~5VVx 100%=67%

EI rendimiento mayor se produce cuando la tension diferencialentrada/salida se aproxima a la tension de dropout. .Por otra parte, el rendirniento minimo ocurre cuando la ten-sion de entrada es maxima. En estas condiciones, la tension di-ferencial entrada/salida es maxima yla disipaclon de potenciaen el transistor de paso tarnbienes maxima. EI rendimiento mini-moes: .

Rendimiento =.:0 ~ x 100% ::, 25%

Como la tension de entrada sin regular estanorrnalrnente entrelos extrernos de las posibles,el rendimiento esperado en unLM7805 podemos situarlo en torno al 400 50 por 100.

24-5. AMPLIFICACION DE LA CORRIENTEDE SALIDAAunque los reguladores de la serie 78XX que aparecen en la Tabla 24-1tienen una corriente de carga maxima de 1,5 A, las hojas de caracteristicasmuestran muchos de los parametres medidos alA. Por ejemplo, aparece enla regulacion de red, rechazo al rizado y resistencia de salida. Por este moti-vo, se supondra 1 A como el lfmite en la practica de la corriente de cargacuando se use~ dispositivos de la serie 78XX.


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o E I t ransis tor exter iorUna forma de conseguir una corriente de carga mayor es incluyendo unamplificador de corriente (current booster). La idea es parecida a la utiliza-da en un amplificador operacional para aumentar la corriente en la salida.Recuerdese que se uso dicho amplificador operacional para alimentar lacorriente de la base de un transistor extemo, 10 que provocaba un aumentoconsiderable de la corriente de salida.La Figura 24-22 muestra como conectar un transistor exterior para am-plificar la corriente en la salida. Este transistor se conoce como transistorexterior de potencia (outboard transistor). RJ es una resistencia detectora decorriente de 0,7 ~. Adviertase el uso de una resistencia de 0,7 Q frente a unade 0,6 Q. Esto es debido a que el transistor de potencia necesita mas tensionen la base que un transistor para pequefia sefial (el utilizado en el modeleanterior).Cuando la corriente es menor de I A, la tension que atraviesa la resisten-cia es rnenor de 0,7 V Y el transistor esta en corte. Cuando la corrientesupera este nivel, el transistor comenzara a conducir yabsorbera casi toda lacorriente por encima de I A. Esta es la razon: cuando la corriente de cargaaumenta, la corriente en el LM78XX aumenta ligeramente, provocando mastension en la resistencia detectora de corriente, 1 0 que hace que el transistorexterior de potencia conduzca fuertemente.Cada vez que aumente la corriente de carga, la corriente que atraviesael dispositivo 78XX aumentara ligeramente, aumentando la tension en laresistencia detectora de corriente. De esta forma, el transistor exterior depotencia absorbe la mayor parte de cualquier aumento de corriente porencima de I A, Yen el 78XX solo aparecera un pequefio incremento de lacorriente.Para gran des corrientes, la corriente de base en el transistor de potenciapuede llegara a ser grande. EI chip 78XX tiene que suministrar esta corrientede base adem as de su parte de la corriente de carga. Cuando la gran corrienteen la base comience a ser un problema, el disefiador debera usar una cone-xion Darlington en el transistor exterior de potencia. En este caso, la tensionen la resistencia para deteccion de corriente es aproximadamente de 1,4 V,con 10 que RJ debe aumentar hasta los 1,4 kQ.

Q,

LM78XX 2

3

Figura 24-22. Un transistor exterior aumenta la corriente por la carga.


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2R,

0.7 n

o Proteccion contra cortocircui~oLa Figura 24-23 muestra como afiadir proteccion contra cortocircuito al cir-cuito. Se utilizan dos resistencias de deteccion de corriente, una para ali-mentar el transistor de potencia exterior Q 2 Yla segunda para poner en con-duccion a Q I y proteger contra cortocircuito, Para el siguiente estudio sesupondra que a 1 A conduce Q 2 Ya lOA Q I proporciona la proteccion contracortocircuito.As! funciona el circuito: cuando la corriente de carga es mayor de 1A, latension en RI es superior a 0,7 V. Esto pone en conduccion a Q2, el cualalimenta la corriente de carga por arriba de 1 A. La corriente exterior tieneque pasar a traves de R 2 Como esta es solo de 0,07 Q, la tension en ella esmenor de 0,7 V hasta que la corriente extema no supere los 10 A.Cuando se alcanzan los IO A, la corriente que atraviesa Q 2 valdra:

V2 = (10 A)(0,07 Q) = 0,7 VCon ello, el transistor limitador de corriente Q I se pone en el limite paraempezar a conducir. Cuando se superan los lOA, Q I estara fuertementesaturado. Como la corriente de colector de Q I pasa por el 78XX, el dispositi-vo se calienta en exceso y se produce un apagado termico,Una nota final: Cuando se utiliza un transistor exterior de potencia, no semejora el rendimiento de un regulador serie, Con tensiones diferencialesentrada/salida tipicas, el rendimiento ronda el 40 050 por 100. Para aumen-tar este rendimiento con tensiones diferenciales entrada/salida altas, se ne-cesitara de diferentes aproximaciones de regulaciones de tension.

24-6. CONVERTIDORES CC-CCAlgunas veces queremos convertir una tension continua a otro valor diferen-te de tension continua. Por ejemplo, si se tiene un sistema de +5 Y , podemosusar un convertidor ec-ce para producir una salida de +15 V. As}, tendria-mos dos fuentes de alimentacion para nuestro sistema: +5 y +15 V.

Figura 2423. Transistorexterior con limitaci6n decorriente.


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1026 PRINCIPlOS DE ELECTRONlCA

Los convertidores ec-ce son muy eficientes. Dado que sus transistoresconmutan entre conducci6n y corte, la potencia disipada se reduce enorme-mente. Rendimientos tipicos son desde el 65 al 85 por 100.Esta secci6n estudia los convertidores ec-ce sin regular. En la siguientese venin los convertidores regulados que utilizan la modulaci6n en anchurade pulso. Estes convertidores ec-ce se les conoce como reguladores con-mutados.o Id ea b as ic aEn un convertidor ec-ce sin regular tfpico, la entrada de corriente continuase aplica a un oscilador de onda cuadrada. El valor pi co a pico de la serialcuadrada de salida es proporcional a la tensi6n de entrada. La serial cuadra-da excita la bobina primaria de un transformador, como aparece en la Figu-ra 24-24. Cuanto mayor sea la frecuencia, menor seran el transformador ylos componentes del filtro. Para frecuencias muy altas es diffcil producir unaonda cuadrada con los flancos verticales. Normalmente, la frecuencia de laonda cuadrada esta entre los lOy los 100 kHz.Para mejorar el rendimiento se utiliza un tipo especial de transformado-res en los convertidores ec-ce mas caros. Consiste en un ruicleo toroide conun lazo de histeresis regular. Esto produce una tensi6n secundaria en formade serial cuadrada. Dicha tensi6n puede, posteriormente, ser rectificada yfiltrada para obtener una tensi6n de salida continua. Seleccionando diferen-tes radios de giro se puede modificar arriba 0abajo la tensi6n en el secunda-rio. De esta forma, se puede construir un convertidor ec-ce que modifique latensi6n de entrada aumentandola 0 disminuyendola.Una conversi6n cormin es de +5 a +15 V. En sistemas digitales, +5 Vesla alimentaci6n estandar para la mayorfa de los circuitos integrados. Pero loscircuitos integrados lineales, como los amplificadores operacionales, pue-den necesitar I5 V. En casos como este, se deben usar convertidores ec-cede baja potencia que transforman una entrada de +5 V en una salida dual de15 V.o Un posib le d is e noExisten muchas formas de disefiar un convertidor ec-ce, dependiendo de sise usan transistores bipolares 0 FET, de la frecuencia de conmutaci6n, quela tensi6n de entrada pase a ser mayor 0 menor a la salida, etc. La Figu-ra 24-25 es un ejemplo de disefio con transistores bipolares de potencia.Funciona de la siguiente manera: un oscilador de relajaci6n produce una

OSCILADOR RECTIFICADORY F IL TR O

Figura 24-24. Diagrama de bloques funcional de un convertidor ec-cesin regular.


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FUENTES DE ALIMENTAC ION REGULADAS 1027

Figura 24-25. Un convertidor ec-ce sin regular.

onda cuadrada con frecuencia fijada por R, y C~.Esta frecuencia estara en elrango de los kilohercios; un valor tipico seria de 20 kHz.La onda cuadrada excita un divisor de fase Q Io circuito cuya salida sonondas iguales en rnagnitud y opuestas en fase. Estas ondas son la entrada delos transistores de conrnutacion Q2 y Q3 de c1ase B. EI transistor Q~ conducedurante un serniciclo y Q, 10 hace durante el otro. La corriente del prirnarioes, por tanto, una sefial cuadrada, que inducira otra sefial cuadrada en elsecundario, como se via anteriormente.La sefial cuadrada que sale del secundario alirnenta un puente rectifica-dor y un filtro capacitivo. Debido a que se trata de una sefial cuadrada recti-ficada con una frecuencia del orden de unos kHz, es facil de filtrar. La salidafinal es una tension continua de un nivel diferente al de la entrada.o Convertidores CC CC comercialesLasalida del convertidor ec-ce de la Figura 24-25 no esta regulada. Esto estipico en convertidores ec-ce econornicos. Se cornercializan dispositivos deeste tipo con rendirnientos entre el 65 y el 85 por 100. Por ejernplo, estandisponibles convertidores ec-ce economicos de +5 a 12 V de 375 rnA, de+5 a +9 V de 200 rnA, +12 a 5 V de 250 rnA, etc. Todos estos conver-tidores requieren una tension de entrada fija, ya que no incluyen regulacion detension. Ademas, sus frecuencias de conmutacion van de los lOa los 100 kHz.


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1028 PRINCIPIOS DE ELECTR6NICAPor ello incIuyen protecci6n contra interferencias de RF. La mayorfa de lasunidades tienen un MTBF de 200.000 horas (MtBF: mean time betweenfailure: tiempo medio entre fallos).

24-7. RECULADORES CONMUTADOSLos reguladores conmutados provienen de la cIase general de convertidoresec-ce, dado que transforman una tensi6n de entrada continua en otra tensi6nde salida continua, superior 0 inferior a la de entrada. Pero los reguladoresconmutados incIuyen tarnbien regulaci6n de tension, tfpicamente modula-cion en ancho de pulso controlando el corte y la conduccion de un transistor.Con cambios en el cicIo de trabajo, los reguladores conmutados puedenmantener la tension de salida constante bajo condiciones de variaci6n de lared y la carga.o E I t ransistor de pasoEn los reguladores serie la potenciadisipada en el transistor de paso eraaproximadamente la tension diferencial entrada/salida por la corriente decarga:

Si la tension diferencial entrada/salida era igual a la tension de salida, elrendimiento se aproximaba alSO por 100. Por ejemplo, si la entrada a un7805 es de 10 V, la tension en la carga es 5 V Yel rendimiento es del 50por 100.Los reguladores serie de tres terminales son muy populares, ya que sonfaciles de usar y cubren la mayorfa de las necesidades cuando la potencia decarga es menor de lOW. Para este orden de potencia de carga y rendimien-tos del 50 por 100, la potencia disipada en el transistor de paso es tambien delOW. Esto representa la mayor parte de la potencia perdida por calor gene-rado en el interior. Con potencias de carga del orden de 10 W, los disipado-res de calor empiezan a ser voluminosos y la temperatura en el interior delos equipos puede llegar a ser inaceptable.

o Conm utacion del transistor de pasoLa mejor soluci6n al problema del bajo rendimiento y las altas temperaturasen los equipos son los reguladores conmutados, brevemente descritos ante-riormente. Con este tipo de regulador, el transistor de paso esta conmutandoentre saturacion y corte. Cuando el transistor esta en corte, la potencia disi-pada es virtual mente cero. Cuando el transistor se satura, la potencia disi-pada permanece muy baja, ya que VCE(sol) es mucho menor que la tensiondiferencial entrada/salida de los reguladores serie. Como se menciono an-teriormente, los reguladores conmutados pueden alcanzar rendimientos deentre el 75 y el 95 por 100. Por su gran rendimiento y su pequefio tamafio,comienzan a ser extensamente usados.


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,',.FUENTES DE ALIMENTACI6N REGULADAS, 1029

o TopologiasTopologia es un termino usado a menudo en la Iiteratura del regulador con-mutado. Es la tecnica de disefio 0composicion fundamental del circuito. Sehan desarrollado muchas topologfas en los reguladores conmutados, ya queunas son mas convenientes en algunas aplicaciones que en otras.La Tabla 24-2 muestra las topologfas usadas en los reguladores conmu-tados. Las tres primeras son las mas basicas. Utilizan el menor mirnero decomponentes y pueden soportar potencias de carga del orden de los 150 w.Ya que su complejidad es baja, son corminmente usadas, especial mente conreguladoresconrnutados integrados. 'Cuando es preferible el uso de un transformador aislado, se usaran lastopologfas deflyback y de half-forward, que soportan hasta 150 W. Cuandola potencia de carga esta entre 150 y 2.000 W, las topologfas de push-pull,de medio puente 0de puente comp/eto seran las adecuadas. Como estas tresultimas usan mas componentes, la complejidad del circuito es mayor.o Regulador reductorEn la Figura 24-26a se representa un regulador reductor, la topologfa masbasica para un regulador conmutado. Un regulador reductor siempre dismi-nuye la tension. Se usa como dispositivo de conrnutacion un transistor, yasea bipolar 0 FET. La sefial rectangular de salida del modulador de pulsoabre y cierra el conmutador. EI comparador controla el cicio de trabajo delos pulsos. Por ejemplo, el modulador de ancho de pulso puede ser un multi-vibrador de disparo iinico con un comparador alimentando la entrada decontrol. Como se estudio en el Capitulo 23 con un temporizador 555 mo-noestable, un aumento de la tension de control aumenta el cicio de trabajo.Cuando el pulso esta en nivel alto, el conmutador esta cerrado. Estopolariza en inversa el diodo, con 10 que toda la corriente de entrada circula atraves de la autoinduccion, Esta corriente crea un campo magnetico alrede-dor de dicha autoinduccion. La cantidad de energfa almacenada en el campomagnetico viene dada por:

Energfa = 0,5U2 (24-20)Tabla 24-2. Topologias de los reguladores conmutados

Trans-TopoJogia Conversion, Choque formador Diodos Transistores Potencia (W) CompJejidadReductora Reduce Sf No 1 I 0150 BajaElevadora Aumenta Sf No I I 0-150 Bajalnversora Ambas Sf No I I 0-150 BajaFJyback Ambas No Sf I I 0-150 MediaHalf-forward Ambas Sf Sf I I 0-150 MediaContrafase Ambas Sf Sf 2 2 100-1000 AltaMedio puente Ambas Sf Sf 4 2 100-500 AltaPuente completo Ambas Sf Sf 4 4 400-2000 Muyalta


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1030 PR INCIP I O S DE ELECTRON ICA

Q+V;n~o-------.-~r~~--.-------~------~II

J1.J1_ IID

MODULACIONENANCHODE PULSO

~(b)

(d)

--t+

Figura 2426. a) Regulador reductor: b) polaridad con el conmutador cerrado; c) polaridad con el conmutadorabierto: d) el filtro de choque pasa un valor de continua a la salida.

(a)

~(e )

+V;n.m.n,+V. . . J UL deo

La corriente que atraviesa la autoinduccion tarnbien carga el condensa-dor y proporciona corriente a la carga. Mientras el conmutador este cerrado,la tension en la autoinduccion tiene la polaridad como aparece en la Figu-ra 24-26b. Como la corriente en la bobina aumenta, se va almacenando masenergfa en el campo magnetico.Cuando cae el pulso, se abre el conmutador. En este instante, el campomagnetico en torno a la autoinduccion comienza a caer e induce una tensioninversa en la misma, como refleja la Figura 24-26c. Esta tension inversa sellama golpe inductivo. Debido a este golpe inductivo, el diodo se polariza endirecta y la corriente que circula por la autoinduccion continua haciendoloen el mismo sentido. En este momento, la bobina esta devolviendo al circui-to la energia almacenada. En otras palabras, la autoinduccion acnia comouna fuente y continua suministrando corriente a la carga.La corriente circulara por la bobina hasta que esta entregue toda la ener-gia aJ circuito (funcionamiento discontinuo) 0basta que e) conmutador secierre de nuevo (funcionamiento continuo), con 1 0 que se volvera al princi-pio. En cualquier caso, el condensador proporcionara tambien corriente a lacarga durante parte del tiempo que el conmutador este abierto. De esta for-ma, se minimiza el rizado en la carga.


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EI conmutador esta abriendose y cerrandose continuamente. La frecuen-cia de conrnutacion va desde los 10 a mas de 100 kHz (algunos reguladoresconmutados integrados 10 hacen a mas de I MHz). La corriente circula porla autoinduccion siempre en el mismo sentido, saliendo del diodo 0del con-mutador en momentos diferentes del cicio.Con una tension de entrada fija y un diodo ideal, llegara una tension deforma rectangular a la entrada del filtro de choque (vease Fig. 24-26d).Como se vio en el Capitulo 4, la salida de un filtro de choque es igual a lacorriente continua 0valor medio de la entrada. EI valor medio esta relacio-nado con el ciclo de trabajo de la forma:(24-21 )

Cuanto mayor. sea el cicIo de trabajo, mayor sera la tension continua desalida.Cuando la fuente se enciende por primera vez, no hay tension en lasalida que realimente el divisor de tension formado por R J y R 2 Entonces, lasalida del comparador es muy alta y el ciclo de trabajo se aproxima al 100por 100. Como la tension de salida aumenta, la tension de realimentacionVF1 i disminuye la salida del comparador, con 10 que se reduce el cicio detrabajo. En algtin punto, la tension de salida alcanzara un equilibrio en elcual la tension de realimentacion produzca un cicio de trabajo que tenga lamisma tension de salida.Debido a la alta ganancia del comparador, un virtual cortocircuito entrelos terminales del mismo significa que:

V/-/J = = '(REfDe aqu f se puede obtener la siguiente ecuacion para la tension de salida:

(24-22)

Despues de establecerse el equilibrio, cualquier intento de cambio en latension de salida, ya sea debido a cambios en la red 0 en la carga, seracompletamente compensado por la realimentacion negativa. Por ejemplo, sila tension de salida trata de aumentar, la tension de realimentacion disminu-ye la salida del comparador. Esto disminuye el cicIo de trabajo y la tensionde salida. EI efecto global es solo un ligero incremento de la tension desalida, mucho menor que sin la tension de realimentacion.De forma parecida, si la tension de salida trata de disminuir por cambiosen la red 0 la carga, la tension de realimentacion sera menor y la salida delcomparador mayor. Esto aumenta eI cicIo de trabajo y provoca una tensionde salida mayor que compensa casi todo el intento de disminucion en latension de salida.o R e gu la d or e le va d orEn la Figura 24-27a se muestra un regulador elevador, otro regulador con-mutado de topologfa basica. Este tipo de reguladores siempre aumentan la


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-t

MODULACIONEN ANCHODE PULSO

(a)

+ VgOIPe+lI;n~+Vp(b)

o

(c )

Figura 2427. a) Regulador elevador; b) la tensi6n de golpe se suma a la salida cuando el conmutador estaabierto: c) el filtro con condensador de entrada produce una tensi6n de salida igual al pico de entrada.

tension. La teorfa de su funcionamiento es similar a la del regulador reduc-tor en algunos aspectos, pero muy diferente en otros. Por ejemplo, cuando elpulso esta en nivel alto, el conmutador esta cerrado y la energia se almacenaen el campo magnetico, como se vio anteriormente.Cuando el pulso pasa a nivel bajo, se abre el conmutador. De nuevo, elcampo magnetico inducido en la bobina comienza a disminuir y provocauna tension inversa en esta, como muestra la Figura 24-27b. Observese quela tension de entrada se suma ahora al golpe inductivo. Esto significa que elpico de tensi6n en el extrema derecho de la autoinducci6n es:

(24-23)El golpe inductivo depende de la cantidad de energfa que se halla almacena-do en el campo magnetico. Dicho de otra manera, Vgo1pe es proporcional alcicio de trabajo.Con una tensi6n fija de entrada, llegara una tensi6n de forma rectangulara la entrada delft/tro con condensadorde la Figura 24-27c. De esta forma, latension de salida regulada es aproximadamente igual al pica de tensi6n dadopor la Ecuaci6n (24-23). Como ~Olpe es siempre mayor que cero, v " es siem-


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F UE NT ES D E A LIM EN T A q6 N R EG UL AD AS 1033

pre mayor que V i n . Es por esto por 10 que un regulador elevador siempreaumenta la tensi6n. .Aparte de usar un filtro con condensador en vez de un filtro choque, laregulaci6n con topologfa elevadora es similar a la de topologia reductora.Debido a la alta ganancia del comparador, la realimentaci6n es casi igual ala tensi6n de referencia. De esta forma, la tensi6n de salida regulada tam bienviene dada por la Ecuaci6n (24-22). Si la tensi6n de salida trata de aumentar,. hay menor realimentaci6n, menor salida en el comparador, un cicio de tra-bajo menor y un menor golpe inductivo. Esto disminuye el pico de tensi6n,10 que compensa el intento de aumento de la tensi6n de salida. Si la tensi6nde salida trata de disminuir, el aumento de la tensi6n de realimentaci6naumentara el pico de tensi6n, 10 que compensa este interuo de disminuci6n.

o R eg ula do r in ve rs orLa Figura 24-28a muestra un regulador inversor, la tercera topologfa basicade los reguladores conmutados. Un regulador inversor siempre produce una

Q 0+ V ; n ~ O - - - ~ - - - - ~ - - - - - - ' - - - - - - - - - - - - - ~ ~ - - - - - - - - ~IIJ1.fL II -~

MODULACIONEN ANCHODE PULSO

- -(a)

} ~ , } ~ v ,tpe 0 I~ D1JlJ 0 Io -VOU!-Vp' I e-(b) (e) (d)

Figura 24-28. a) Regulador inversor; b) polaridad con el conmutador abierto; c) polaridad con el conmutadorcerrado; d) el filtro con condensador de entrada produce una tensi6n de salida igual al pico negative.


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tension negativa de salida cuando es alimentado con una tension negativa.Cuando el modulador de ancho de pulso tiene su salida en nivel alto, elconmutador pennanece cerrado y se almacena energfa en el campo rnagneti-co. En este momento, la tension en la autoinduccion es igual a Vim con lapolaridad que aparece en la Figura 24-28b.. Cuando el pulso pasa a nivel bajo se abre el conmutador. De nuevo,comienza a disminuir el campo magnetico en la bobina y esto induce unatension de golpe en el mismo, como se muestra en la Figura 24-28c. Latension de golpe es proporcional a la energfa almacenada en el campo mag-netico, la cual esta controlada por el cicio de trabajo. Si ~Icicio de trabajo esbajo, la tension de golpe se aproxima a cero. Si este es alto, la tension degolpe puede ser mayor que \ ' i n , dependiendo de la energfa almacenada.En la Figura 24-28d, el valor absoluto del pico de tension puede sermayor 0menor que la tension de entrada. EI diodo y el filtro con conden-sador produciran entonces una tension de salida -V", Como el valor absolutode la tension de salidapuede ser mayor 0menor que la tension de entrada, seIe llama a esta topologfa reductora-elevadora.En la Figura 24-28a se utiliza un amplificador en configuracion inverso-ra para invertir la tension de realimentacion antes de que alcance la entradainversora del comparador. La regulacion en tension funcionara ahora comose describio anteriormente. Cualquier intento de aumento en la tension desalida disminuira el cicio de trabajo, 1 0 que reduce el valor de pi co de latension. Cualquier intento de disminuir la tension de salida aurnentara elcicIo de trabajo. De la misma manera, la realimentacion negativa mantienela tension de salida casi constante.

o R eg ula do re s re du cto re s in te gra do sAlgunos reguladores conmutados en circuito integrado tienen solo cincoterminales. Por ejemplo, el LT1074 es un regulador conmutado bipolar mo-nolftico con topologfa reductora. Contiene la mayorfa de los componentesdescritos hasta ahora, como una tension de referencia de 2,21 V, un disposi-tivo de conrnutacion, un oscilador interno, un modulador de ancho de pulsoy un comparador. Funciona a una frecuencia de 100 kHz, y puede aceptartensiones desde los +8 a los +40 V de continua, con un rendimiento de entreel 75 y el 90 por 100 para corrientes de carga I a 5 A.En la Figura 24-29 aparece un LT1074 conectado como un reguladorreductor. El pin 1 (FB; feedback) es para la tension de realimentacion. EIpin 2 (COMP) es para la compensacion de frecuencia, que previene de osci-laciones de alta frecuencia. EI pin 3 (GND) es el de tierra. EI pin 4 (OUT) esla salida conmutada del dispositivo interno de conmutacion. EI pin 5 (IN) espara la tension de entrada continua.

D " L" C" R, YR2 realizan las mismas funciones descritas anterionnenteen el apartado del regulador reductor. Pero hay que advertir del uso de undiodo Schottky para mejorar el rendimiento del regulador. Como el diodoSchottky tiene una barrera de potencial baja, la disipacion de potencia seramenor. La hoja de caracterfsticas de un LT1074 recomienda afiadir un con-densador C2 de 200 a 470 j..lFen la entrada para filtrar la sefial de red. Tam-bien recomienda una resistencia R, de 2,7 kQ Y un condensador C, de0,0 I j..lFpara estabilizar el lazo de realimentacion (prevenir oscilaciones).


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5 4+lI;n IN O UT --.+ 0, +I~ Ie, +LT1074 R L VOU1-- - -COMP GND -

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Figura 2429. ReguJador reductor con un LT 1074 .

EI LTI074 es un dispositivo de uso extendido. Un vistazo por la Figu-ra 24-29 explicara el porque. EI circuito es increfblemente simple, conside-rando que es un regulador conmutado, uno de los circuitos mas diffciles dedisefiar y construir. Afortunadamente, los disefiadores de circuitos integra-dos han hecho todo el trabajo duro, .y a que el LT I074 incluye todos loscomponentes menos los que no se pueden integrar (filtros con condensadory de choque) y aquellos que se dejan a eleccion del usuario (R 1 y R2) ' Esco-giendo distintos valores para R I YR], se puede regular la tension de salidadesde los 2,5 a los 38 V. Como la tension de referencia es de 2,21 V, latension de salida vendra dada por:

R) +R2\ I ; , u l = (2,21 V)R) (24-24)La tension diferencial entrada/salida debera ser de al menos 2 V, ya que elconmutador interne es un transistor pnp excitando a otro Darlington npn. Lacafda total en el conmutador puede lIegar a los 2 V para corrientes altas.o R eg ula do re s e le va do re s in te gra do sEl MAX63 I es un regulador conmutado CMOS integrado que utiliza la to-pologfa elevadora para obtener una salida regulada. Este regulador conmu-tado integrado de baja potencia tiene una frecuencia de conmutacion de50 kHz, una tension de entrada de 2 a 5 V Yun rendimiento del 80 por 100.EI MAX63 1 es 10 mas novedoso en simplicidad, dado que necesita de solodos componentes externos.Por ejemplo, en la Figura 24-30 se muestra el MAX631 configuradocomo regulador elevador, con una tension de salida fija de +5 V y una entra-da de +2 a +5 V. La tension de entrada se obtiene de una baterfa, ya que unade las aplicaciones de estos reguladores integrados es en aparatos portatiles.La hoja de caracterfsticas recomienda el uso de una autoinduccion de 330 llHYun condensador de 100 llF.


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OUT 512a5v MAX631- LSI GND FS - -7

Figura 2430. Regulador elevador con un MAX631.

EI MAX63 I es un dispositivo de 8 terminales, de los cuales, los que nose usan 0 se conectan a tierra 0 se dejan libres. En la Figura 24-30, el pin I(LBI: low-battery indicator) se puede utilizar para detectar cuando la baterfaesta baja de carga. Si esta esta a tierra, no afecta al dispositivo. Aunque seusa normalmente como un regulador de salida fija, el MAX63 I puede fun-cionar con un divisor de tension extemo para proveer de una tension derealimentacion a traves del pin 7 (FB). Si el pin 7 esta a tierra, la tension desalida esta ajustada de fabrica a +5 V.Adernas del MAX63 I , existe el MAX632, con una tension de salida de+12 .v , y el MAX633, con una tension de salida de + 15 V. Todos ellosincluyen el pin 6. llamado bomba de carga, el cual es un buffer de bajaimpedancia que produce una serial de salida rectangular. La serial oscilaentre 0 y VOU! a la frecuencia del oscilador y se Ie puede afiadir un cambia-dor de nivel negativo y un detector de pi co para conseguir una tension desalida negativa.Por ejemplo, en la Figura 24-31 a se muestra como configurar unMAX633 para obtener una salida de aproximadamente -12 V. C YD, sonun cambiador de nivel negativo. C2 Y D 2 son el detector de pico negativo.Asf es como funciona la bomba de carga: la Figura 24-31 b muestra la formade onda ideal para la tension saliendo del pin 6. Debido al cambiador denivel negativo, la forma de onda ideal para la tension en D, es la serialrecortada negativamente de la Figura 24-31c. Esta sefial entra en el detectorde pico negativo y produce una salida de aproximadamente -12 V a 20 rnA.EI valor absoluto de esta tension es aproximadamente de 3 V menos que latension de salida debido a la cafda en los diodos (D, y D2) Yen la impedan-cia del buffer (alrededor de 30 Q).Si se usa una bateria para proporcionar la tension en la entrada de unregulador lineal, la tension de salida es siempre menor. Los reguladores deelevacion no solo tienen un mejor rendimiento que los reguladores lineales,sino que pueden aumentar la tension de un sistema alimentado con bateria.Esto es muy importante y explica el hecho de que los reguladores de eleva-ci6n monolfticos se usen ampliamente.La disponibilidad de baterias recargables de bajo coste hace de los re-guladores elevadores integrados una eleccion normal en los sistemas ali-mentados por bateria.Estos tres reguladores integrados tienen una tension de referencia inter-


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+V;n 4 IN OUT 5L , +1 5 VMAX633

6 -CPLB I GND FB T ~O2I~ I~-12 V10, 1- -(a)

0-Va~(c)

+Vaut. Q..fl_JL_(b)

Figura 24-31. a) Usando la bornba de carga de un MAX633 para produ

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