Diseño de fuentes de voltaje lineales con C.I.

         Introducción

            Los reguladores de voltaje son un grupo popular de C.I. lineales. Un regulador de voltaje en C.I. recibe una entrada de voltaje de C.C. relativamente constante y suministra como salida un valor relativamente mas bajo de voltaje C.C. que el regulador mantiene fijo o regulado sobre un amplio rango de control para la corriente de carga y de voltaje de filtrado. Partiendo de un voltaje de suministro de C.A., se puede desarrollar un voltaje en C.C. de estado estacionario rectificando el V_CA, posteriormente filtrándolo a un nivel de C.C. y finalmente regulándolo con un circuito regulador de voltaje en C.I.

            Los reguladores de voltaje en C.I. proporcionan un voltaje de salida fijo y se encuentran disponibles en un rango diverso de voltajes de salida. Los reguladores en C.I. son seleccionados para operar con voltajes positivos o negativos. Los reguladores de voltaje también se encuentran disponibles para proporcionar una salida sobre cualquier conjunto de voltaje sobre un rango de valores impuestos por los valores de la resistencia externa.

         Reguladores de voltaje en C.I.

            Los reguladores de voltaje comprenden una amplia clase de C.I. utilizados. Estas unidades contienen la circuiteria para la fuente de referencia, el amplificador de error, el dispositivo de control y la protección de sobre carga. Todas estas contenidas en una sola pastilla en el C.I. Aunque la construcción interna es algo diferente que la que se describió para los reguladores de voltaje discretos, la operación externa es prácticamente la misma. Examinaremos la operación de algunos de los reguladores de voltajes fijos de 3 terminales tanto para voltajes positivos como negativos y los que permiten tener un voltaje de salida ajustable.

            Una fuente de suministro puede construirse en una forma simple utilizando un trasformador conectado al suministro de C.A. para aumentar o disminuir el valor deseado, posteriormente rectificándolo con un circuito de ½ onda o onda completa, filtrarlo para obtener el nivel de voltaje deseado y finalmente regular el voltaje de C.C. utilizando un regulador de voltaje en C.I.

Conexiones físicas de los reguladores para aumentar su campo de aplicaciones.

            Toda fuente de alimentación esta formada por etapas y las principales son: transformación, rectificación, filtrado y regulación.

            La etapa de regulación posee diversas configuraciones, dependiendo de cada aflicción. Entre estas configuraciones tenemos las que hacen uso de los reguladores integrados de tensión, como salida fija en tensión negativa o positiva.

La familia 78XX consiste en circuitos integrados reguladores positivos, mientras que la serie 79XX trabaja con valores de tensión negativos en su salida.

La siguiente tabla muestra los valores de tensión mínima y máxima de entrada para los circuitos integrados de las series 78XX y 79XX. El valor de tensión regulado esta dado por los dos últimos números.

Hay que destacar que los elementos de esta familia poseen protección interna contra sobrecalentamiento y sobrecargas, además de no necesitar componentes adicionales para realizar el regulado.

En la figura 3.1, se presenta el diagrama a bloques de un circuito integrado regulador de tensión, que consiste en:

Elemento de referencia: que proporciona una tensión de referencia estable conocida

Elemento de interpretación de tensión: que muestra el nivel de tensión de salida.

Elemento comparador: que compara la referencia y el nivel de salida para generar una señal de error.

Elemento de control: que puede utilizar esta señal de error para generar una transformación de la tensión de entrada y producir una salida deseada.

Figura 3.1

Agregando algunos componentes externos, podemos alterar esa configuración del circuito integrado, y asi aumentar su correinte de salida y sus aplicaciones.

Regulación de tensión básico

La aplicación mas usada en circuitos utilizando los 78XX es el de la figura 3.2. la tensión de salida depende del circuito integrado utilizado y la corriente máxima para cualquier C.I. de esa serie es de 1 A. El capacitor C₁, filtra la tensión del rectificador, mientras que el capacitor C₂ desacopla la alimentación.

Figura 3.2

Regulador fijo con mayor tensión de salida

En caso de que se desee montar una fuente de 12V, pero en su banco de trabajo solo existan C.I.s 7805... ¿Qué puedo hacer?, sencillo: basta colocar un elemento que provoque una caída de tensión como se muestra en la figura 3.3.

De esta forma, la tensión de salida será la suma de la tensión regulada por el C.I. (V_reg) mas la ciada del componente.

Figura 3.3

El valor del resistor esta calculado por la siguiente formula

Donde:

            V_s = tensión de salida deseada

            V_reg = tensión de salida del regulador

            R = resistencia en Kohms

Para el ejemplo dado, el valor obtenido para R fue de 1.4 Kohms. El valor comercia mas cercano es de 1.2 Kohms.

En caso de que la corriente consumida sobrepase los 500mA es conveniente colocar en el C.I. un disipador de calor adecuado.

Regulador de tensión de salida con zener

En caso de que el resistor sea sustituido por un diodo zener, la tensión de salida aumentara de acuerdo con la tensión del mismo (figura 3.4)

Este mismo razonamiento se aplica con diodos rectificadores comunes, según se muestra en la figura 3.5

Figura 3.4

Por el hecho de que la tensión de entrada excede el limite soportado, el circuito no es a prueba de cortos.

Figura 3.5

Tensión de salida ajustable con un C.I. regulador fijo

En la figura 3.6, tenemos un circuito de comportamiento superior en lo que atañe a regulación, observe que la configuración es la misma que la de la figura 3.3, con el agregado de un potenciómetro.

De esta forma podemos variar la tensión de salida, desde la tensión de regulación del C.I. (V_reg) hasta el valor máximo, dado pro la formula:

Donde:

            R₁ < V_reg / 3I_q

            V_reg = tensión de salida del regulador

R₁ y P₁ = resistor y potenciómetro en ohms

I_q = corriente en reposo

Figura 3.6

el parámetro I_q es denominado corriente en reposo de operación, y generalmente esta en el rango de 3mA a los 10mA. La misma es la corriente que fluye de la entrada hacia el terminal común del C.I. y varia para cada regulador (normalmente se toma 5mA).

Fuente de corriente fija

Hay casos en que necesitamos corriente constante, como un cargador de batería, por ejemplo, sabemos que el C.I. posee una tensión constante de salida V_reg. Si agregamos un resistor tendremos una corriente siempre fija en la salida (figura 3.7).

Figura 3.7

Para la fuente de corriente del ejemplo dado, la formula para calcular el valor de I_s es:

para el circuito integrado 7805, el manual indica una corriente de reposo de 4.2mA.

Fuente de corriente ajustable

En caso de que sea necesario una corriente ajustable en la salida, utilice el circuito de la figura 3.8.

La corriente de salida máxima y mínima se calculan por la siguientes formulas:

Figura 3.8.

El control de ajuste de corriente se hace por el potenciómetro, cuyo valor se calcula en función del rango de valores de corriente.