REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO

“SANTIAGO MARIÑO” EXTENSION “MATURÍN”

REGULADORES DE VOLTAJE

Autor: Medina Camacho, Daniel David.

C.I: 24.578.041Asesor:

Nestor MachadoSección “C”Electrónica

Maturín 14 de enero de 2015

i

INDICE

INTRODUCCION................................................................................................................ IV

ANÁLISIS GENERAL DE FILTROS PASO BAJO............................................................V

REGULACIÓN DE VOLTAJE CON BJT.........................................................................VII

REGULADOR EN SERIE CON CARGA.....................................................................................VII

REGULADOR EN PARALELO CON CARGA........................................................................VIII

CIRCUITOS REGULADORES DE TENSIÓN POR LIMITACIÓN DE CORRIENTE............................................................................................................................................ VIII

REGULADOR SERIE........................................................................................................................... IX

LIMITADOR DE CORRIENTE.......................................................................................................... X

REGULADOR PARALELO................................................................................................................ XI

LIMITADOR PARALELO................................................................................................................ XIII

REGULADORES INTEGRADOS (CI)...........................................................................XIV

REGULADOR DE TENSIÓN DE SALIDA FIJA....................................................................XVI

REGULADOR DE TENSIÓN DE SALIDA VARIABLE........................................................XVI

REGULADOR DE TENSIÓN DE ALTA CORRIENTE DE SALIDA.............................XVII

PROTECCIÓN CONTRA CORTO CIRCUITO....................................................................XVIII

CONCLUSION.................................................................................................................... XX

BIBLIOGRAFIA.............................................................................................................. XXII

ii

INDICE DE ANEXOS

Filtro paso bajo RC v

Diagrama de bloques regulador en serie vii

Diagrama de bloques de regulador paralelo viii

Diagrama regulador serie ix

Diagrama de limitador de corriente x

Diagrama de regulador paralelo xii

Limitador paralelo xiii

Esquema de un Regulador Integrado simplicado (78XX). xiv

Conexión del regulador de salida variable xvii

Diagrama de circuito de protección contra corto circuito xix

iii

INTRODUCCION

Como hacia el fin de siglo XIX ya se había inventado el micrófono, que transforma

una señal acústica en una eléctrica. Por otro lado, ya se había inventado el audífono,

aparato que transforma una señal eléctrica en una acústica. La mayor parte de los

dispositivos electrónicos requieren de voltajes continuos para operar. Las baterías son

una opción útil pero tienen un tiempo de operación limitado. Otra opción consiste en

generar la fuente de alimentación utilizando la red de 220 volts alterno (220 RMS).

Esta tensión puede ser manipulada fácilmente usando un transformador y circuitos

rectificadores, los que sumados a un dispositivo regulador proporcionan diferentes

valores de tensión. Expondremos algunos circuitos y que son exactamente desde una

perspectiva de nivel medio sobre filtros paso bajo y reguladores de voltaje. La

regulación, por lo general, se obtiene a partir de un regulador de voltaje, que toma un

voltaje de dc y proporciona un voltaje de dc un tanto menor, pero permanece

constante, incluso si el voltaje de dc de entrada varía o si la carga de salida conectada

al voltaje dc cambia.

iv

ANÁLISIS GENERAL DE FILTROS PASO BAJO

Filtro paso bajo RC

Un filtro paso bajo es un circuito formado por una Resistencia y un Capacitor

conectados en serie de manera que este permite solamente el paso de frecuencias por

debajo de una frecuencia en particular llamada frecuencia de corte (Fc) y elimina las

frecuencias por encima de esta frecuencia. Estos filtros no son perfectos por lo que se

hace el análisis en el caso ideal y el caso real. 

Filtros pasó bajo ideal

Son filtros activos que proporciona una salida constante desde dc hasta una

frecuencia de corte y que luego no conduce ninguna señal por arriba de esta

frecuencia.

Filtros pasó bajo Real

La reactancia capacitiva cambia con la frecuencia. Para altas frecuencias XC

es baja logrando con esto que las señales de estas frecuencias sean atenuadas. 

En cambio a bajas frecuencias (por debajo de la frecuencia de corte) la reactancia

capacitiva es grande, lo que causa que estas frecuencias no se vean afectadas o son

afectadas muy poco por el filtro.

v

Con la ley de Ohm: 

Vin = I x Z = I x (R2 + XC2) 1/2 

Vo = I x XC  

Vo = Vin / ( 1 + (2 x π x RC)2 )1/2

Donde Z = Impedancia

La frecuencia de corte es aquella donde la amplitud de la señal entrante cae

hasta un 70.7 % de su valor máximo. Y esto ocurre cuando XC = R. (reactancia

capacitiva = resistencia).Si XC = R, la frecuencia de corte será:  Fc = 1 / (2 x π x RC)

La banda de frecuencias por debajo de la frecuencia de corte se llama Banda de paso,

y la banda de frecuencias por encima de Fc se llama Banda de atenuación. 

El funcionamiento de estos circuitos como filtro pasa bajos es fácil de

entender. En el caso del primero, el condensador presentará una gran oposición al

paso de corrientes debidas a frecuencias bajas y como forma un divisor de

tensión con la resistencia, aparecerá sobre él casi toda la tensión de entrada.

Para frecuencias altas el condensador presentará poca oposición al paso de la

corriente y la resistencia se quedará casi el total de la tensión de entrada, apareciendo

muy poca tensión en extremos del condensador. El segundo circuito funcionará de

forma muy parecida al primero. 

vi

REGULACIÓN DE VOLTAJE CON BJT

Los dos tipos de reguladores de voltaje con transistor BJT son el regulador de

voltaje en serie y el regulador de voltaje en paralelo. Cada uno de estos tipos de

circuito puede ofrecer un voltaje de salida de dc regulado o mantenido a un valor

establecido incluso si el voltaje de entrada varía o si la carga conectada a la salida

cambia

REGULADOR EN SERIE CON CARGA

Diagrama de bloques regulador en serie

El regulador en serie detecta un cambio en la salida de voltaje de la carga por

medio de un circuito de muestreo que suministra un voltaje de realimentación para ser

comparado con una referencia, así:

1. Si el voltaje de salida se incrementa, el circuito comparador proporcionara

una señal de control que ocasiona que el elemento de control en serie

disminuya la cantidad de voltaje de salida, con lo que se mantiene, por lo

tanto, el voltaje de salida.

vii

2. Si el voltaje de salida disminuye el circuito comparador proporcionara una

señal de control que ocasionara que el elemento de control en serie incremente

el voltaje de salida

REGULADOR EN PARALELO CON CARGA

Diagrama de bloques de regulador paralelo

El regulador en paralelo proporciona una regulación por medio de corriente

que se deriva de la carga, para regular el voltaje de salida. El voltaje no regulado de

entrada da una corriente a la carga, parte de esta corriente se deriva por el elemento

de control para mantener el voltaje de salida regulado.

CIRCUITOS REGULADORES DE TENSIÓN POR LIMITACIÓN DE CORRIENTE

REGULADOR SERIE

viii

Diagrama regulador serie

El regulador serie incorpora un transistor (de potencia). Aquí, la corriente que

absorbe el diodo zener no es la que no quiere la carga I L, sino la que no desea la base

del transistor. Note que la corriente de carga es la corriente que circula de colector a

emisor, luego I L ≈ βI B. Esto implica que el valor máximo que podría circular por la

base del transistor es la corriente I L Max dividida por el β del transistor. Luego en el

caso en que la carga no requiera toda la corriente, por el zener solo podría circular

como máximo una fracción de la corriente de la base. El circuito funciona de la

siguiente forma:

La tensión V Ldebe mantenerse ja ante variaciones de la corriente de carga

(solo bajo el rango de diseño).

El diodo zener proporciona la referencia de voltaje al cual debe permanecer el

regulador,V Z. Siempre debe estar polarizado adecuadamente, a lo menos debe

circular I Z min

Si existe un incremento de la corriente de carga I L (por disminución de RL),

esto implica una disminución del voltaje V L, entonces el voltaje aplicado

V Be=V Z−V L aumenta, lo que lleva a un incremento de la corriente base. Finalmente

aumenta la corriente de colector, restaurándose del V Loriginal.

Si existe una disminución de la corriente de carga, crece V L luego disminuye

IB , lo que lleva a un disminución de la corriente de carga I L, disminuyendo V L.

El resistor R se debe diseñar para que por el diodo zener circule la corriente mínima

necesaria para que se polarice adecuadamente. Además, I B Max proporciona la

corriente de máxima carga (I L Max) así.

I L Max=β I B Max

Luego

ix

I=I z min+ I B max

R=V S min+V L

IZ min+ I B=

V S min−V L

IZ min+I L max

β

En la práctica se puede considerar I Z min=0,1 I Z max. El transistor utilizado

de cumplir con los requerimientos de potencia adecuados

LIMITADOR DE CORRIENTE

Diagrama de limitador de corriente

Establece una realimentación negativa cuando la corriente de carga sobrepasa

la máxima especificada por el regulador, manteniendo la corriente de carga constante

aun cuando la resistencia de carga sea menor al mínimo requerido por las

especificaciones del regulador. En esta última situación el circuito ya no funciona

como regulador, puesto que la tensión de salida no puede permanecer constante, sino

que decrece conforme la resistencia de carga disminuye. Cuando la corriente de carga

excede el máximo permitido, se genera una caída de tensión en la juntura b - e de Q2,

logrando que dicho transistor conduzca, luego disminuye la Corriente que excita la

x

base de Q1, haciendo que la corriente de carga disminuya. Luego R se diseña de tal

forma que cuando la corriente de carga aumente en forma excesiva, el transistor Q2

comience a conducir.

La resistencia R se diseña como:

R=VBE (Q2)

IL Max

Esto asegura que Q2 comienza a conducir cuando la corriente de carga

sobrepasa el máximo permitido.

Técnicas de limitador de corriente

Para estos reguladores, al igual que los construidos enteramente con componentes

discretos, es posible diseñar algunos limitadores de corriente muy sencillos. El diseño

de Rsc dependerá de la máxima corriente que se requiera del regulador, se diseña para

que entre los terminales b-e de Q3 se apliquen 0.6 volts.

REGULADOR PARALELO

Diagrama de regulador paralelo

xi

El regulador tipo paralelo es cuando el voltaje V L excede el voltaje de ruptura

del diodo, la corriente a través de este se incrementa, luego el voltaje en el zener y en

la carga se mantiene constante e igual al voltaje nominal de diodo zener así, V L = V Z.

La fuente de corriente es un resistor .Este se diseña para que el diodo este

correctamente polarizado y por lo menos circule la corriente mínima bajo cualquier

exigencia de carga, dentro de los limites especificados por el regulador. Las

condiciones mas exigidas serán: I Z min , I L Max ,V S mino para I L min , I Z Max ,V S Max,

luego

R=V S min−V L

I Z min+¿ I L Max¿

En un diseño práctico se especifican los requerimientos de potencia de tal

forma que esta pueda ser manejada por los elementos utilizados. Habitualmente, la

corriente mínima de un zener varia entre 1 y 2 (mA), pudiendo usarse dicho valor.

Una condición adicional establece que I Z Max=10 I Z min, reemplazando en la

ecuación, la corriente máxima que circulara por el diodo zener será

I Z Max=I L min (V Z−V S min )+ I L Max(V S Max−V Z )

V S min−0,9 V Z−0,1V S Max

Esto solo permite la corriente máxima que circula por el zener. Conociendo la

potencia del zener, puede determinarse la corriente máxima de este, luego

IZ min=0,1 PZ

V Z, dicha corriente evidentemente será mayor que la mínima real pero

permite establecer un rango para asignar los valores.

LIMITADOR PARALELO

xii

Limitador paralelo

Son una resistencia y un diodo, conectado en serie con la señal de entrada,

en el que se toma la salida a través del diodo en paralelo. Utiliza la misma teoría del

diodo y la tensión de la acción divisora como limitadores en serie. Una resistencia y

el diodo están conectados en serie con la señal de entrada y la señal de salida se

desarrolla a través del diodo. La salida está en paralelo con el diodo, de ahí el nombre

del circuito, limitador paralelo. El limitador paralelo puede limitar ya sea la

alternancia positiva o negativa de la señal de entrada. Recordemos que en el limitador

serie fue desarrollada la salida mientras que el diodo lo estaba llevando a cabo . En el

limitador paralelo la salida se desarrollará cuando el diodo está cortado.

REGULADORES INTEGRADOS (CI)

xiii

Esquema de un Regulador Integrado simplicado (78XX).

Los reguladores de voltaje comprenden una clase de CIs ampliamente. Los

reguladores de CI contienen los circuitos de la fuente de referencia, el amplificador

comparador, el dispositivo de control y la protección contra la sobrecarga, todo en un

CI. A pesar de que la construcción interna de un CI es un tanto distinta de la descrita

para los circuitos de reguladores de voltaje discretos, la operación externa es muy

similar. Las unidades de CI ofrecen la regulación de un voltaje fijo positivo o

negativo o de un voltaje ajustable.

Es posible construir una fuente de alimentación mediante un transformador

conectado a la línea de suministro de ac, opcionalmente se le filtrara mediante un

transformador conectado a la línea de suministro de ac para llevar el voltaje de ac a la

amplitud deseada, luego se rectificara este voltaje de ac, opcionalmente se le filtrara

mediante un capacitor y un filtro RC y finalmente, se regulara el voltaje de dc por

medio de un CI regulador. Es posible seleccionar los reguladores para operar con

corrientes de carga desde cientos de miliamperes hasta decenas de amperes que

corresponden a rangos de potencia de miliwatts hasta decenas de watts.

xiv

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.

REGULADOR DE TENSIÓN DE SALIDA FIJA

xv

Conocido también como regulador de voltaje de tres terminales, Se

encuentran los pertenecientes a la familia LM78xx, donde “xx” es el voltaje de la

salida. Estos son 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18 y 24V, entregando una corriente máxima de

1 Amper y soporta consumos pico de hasta 2.2 Amperes. Poseen protección contra

sobrecargas térmicas y contra cortocircuitos, que desconectan el regulador en caso de

que su temperatura de juntura supere los 125°C.

Cuenta con un voltaje dc de entrada no regulado V i aplicado a una terminal

de entrada, un voltaje dc de salida regulado V 0 en una segunda terminal, y la tercera

terminal conectada a tierra.

REGULADOR DE TENSIÓN DE SALIDA VARIABLE

Conexión del regulador de salida variable

Los reguladores de voltaje también se encuentran disponibles en configuraciones de

circuitos que permiten que el usuario establezca el voltaje de salida en un valor

deseado. La unidad LM317, por ejemplo, puede operarse con el voltaje de salida

regulado en cualquier valor dentro del rango de voltajes de 1.2 a 37 V. Los resistores

R1 y R2 fijan la salida en cualquier voltaje deseado dentro del rango de ajuste (1.2 a 37

V).

xvi

REGULADOR DE TENSIÓN DE ALTA 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.

xvii

  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.

PROTECCIÓN CONTRA CORTO CIRCUITO

Diagrama de circuito de protección contra corto circuito

Los reguladores están equipados con un circuito de protección cuyo propósito es

limitar la corriente del elemento en serie (o incluso anularla). Los circuitos de

protección se diseñan para estar inactivos bajo condiciones de operación normal y

activarse tan pronto como se intente exceder el correspondiente limite de seguridad.

El propósito del circuito de protección contra sobrecarga es evitar que la corriente que

circula por el transistor en serie exceda un nivel de seguridad predeterminado, como

sucedería, por ejemplo, en el caso de cortocircuitar la salida.

xviii

La técnica en su forma mas simple, se implementa con otro transistor (Q2) y una

resistencia (RSC) . La función de RSC es chequear el valor de I EI y desarrollar una

caída de tensión de valor suficiente para hacer que el transistor de vigilancia Q2

conduzca cuando I EI alcance un nivel de predeterminado de seguridad I EI(max) = I SC

Esto se consigue imponiendo la condición

I 0 (max )=I SC=V BE

RSC

CONCLUSION

xix

Filtros paso bajo

Los filtros paso bajo están conformados por una resistencia y un capacitor esto

eliminan las frecuencias altas dejando solo las bajas comúnmente su uso esta para

hacer que las altas frecuencias de una señal de audio fuesen a un altavoz para sonidos

agudos mientras que un filtro paso bajo haría lo propio con los graves. Otra

aplicación sería la de eliminar los ruidos que provienen de la red eléctrica (50 o

60Hz) en un circuito cuyas señales fueran más altas, pueden hallarse en muchos

lugares desde simples equipos de sonidos hasta en grandes industrias para eliminar

señales.

Regulación de voltaje por BJT

Este tipo de regulador utiliza un transistor en serie con la carga, cada uno de

estos tipos de circuito puede ofrecer un voltaje de salida de dc regulado. Su relativa

simplicidad, funcionamiento silencioso y la disipación de potencia del transistor

aceptable hacen del regulador serie la opción natural para muchas aplicaciones. Un

regulador serie es mas eficiente que un regulador paralelo porque hemos reemplazado

las resistencias serie por el transistor de paso. Ahora, la única pérdida de potencia

significativa es la debida al transistor.

Regulador de voltaje por limitador de corriente

Todo regulador de voltaje intenta estabilizar las tensiones que se aplican en

un circuito o sobre una parte de este. El regulador más sencillo que existe es

el regulador paralelo, este regulador solo requiere de un diodo zener el que se

intercala con frecuencia entre la carga y la fuente de

alimentación mediante resistencias limitadoras y condensadores electrolíticos, pero

este circuito presenta varios inconvenientes comenzando por el propio valor de

xx

voltaje del zener, además en este tipo de circuito la corriente de la carga se ve

limitada por las características del diodo en cuanto a tensión corriente y temperatura

que soporta.

Regulador Integrado (CI)

Muy eficiente y sencillo es el regulador de la familia 78xx, este circuito

integrado con apariencia de transistor existe en dos variantes, los 78xx y los 79 xx, el

primero se trata de un regulador con salida positiva mientras que el segundo caso

hace referencia a un regulador con salida negativa, las siglas xx hacen referencia al

voltaje que regulan, note que es un circuito realimentado y con limitador de corriente,

además tiene una salida en emisor común, para proveer más corriente.

BIBLIOGRAFIA

xxi

Boylestad Nashelsky 2003 Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos

electrónicos, Octava edición: Pearson. Venezuela

Juan Gruvg 2005 Tipos de Reguladores de voltaje con transistores.

Documento en línea.

Disponible: http://www.galeon.com/juangruvg/tarea5.htm. Consulta: 10/01/15

J.I Huircan. Reguladores de voltaje. Documento en Linea.

Disponible: http://quidel.inele.ufro.cl/~jhuircan/PDF_CTOSII/reguieee.pdf

Consulta: 09/01/15

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bypass transistorizado. Documento en Linea.

Disponible:http://panamahitek.com/regulador-de-voltaje-de-alta-corriente-

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Consulta: 09/01/15

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Disponible:

http://paginas.fisica.uson.mx/horacio.munguia/aula_virtual/Cursos/

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Consulta: 09/01/15

xxii