Fuentes de alimentación reguladas lineales
Con un secundario de 7,5 V, un 7805 pierde la regulación cien veces por segundo y un LDO regula con casi 1 V de margen. Lo que decide es el fondo de la ondulación, no la tensión media.
01De la red a una tensión continua estable
Una fuente lineal tiene cuatro bloques: un transformador que baja la tensión de red y aísla, un rectificador, un capacitor de filtro que convierte los pulsos en una continua con ondulación, y un regulador que elimina la ondulación y las variaciones de la red y de la carga. El regulador es un amplificador realimentado: compara una fracción de la salida con una referencia y maneja un transistor en serie que absorbe la diferencia de tensión.
Los diodos rectificadores se presentaron en semiconductores y diodos, de la tecnicatura, y hay una publicación con el diseño completo de una fuente regulada con LM317.
02Rectificador y capacitor de filtro
Con un puente, el capacitor se carga en los picos de cada semiciclo y se descarga por la carga el resto del tiempo. El pico es el de la tensión del secundario menos dos caídas de diodo, y la ondulación depende de cuánta carga se pierde entre picos:
La recarga ocurre en un ángulo corto, así que la corriente por los diodos y el secundario llega en pulsos de varias veces la corriente de carga. Por eso el transformador se dimensiona con una potencia aparente mayor que la de continua que entrega, y los diodos y el capacitor con su corriente de pico y su corriente eficaz de ondulación.
03El regulador serie
El regulador lineal clásico tiene una referencia de tensión, un zener compensado o una referencia de bandgap de 1,25 V, un amplificador de error y un transistor de paso. La realimentación hace que la salida siga a la referencia multiplicada por el divisor, y reduce en la ganancia de lazo el efecto de la red y de la carga:
Para regular, el transistor de paso necesita una tensión mínima entre entrada y salida, la tensión de caída (dropout). En los reguladores con salida por emisor NPN, como el 7805, es de unos 2 V; en los LDO, con un PNP o un PMOS de paso, baja a unas décimas de volt. Si en el fondo de la ondulación la entrada queda por debajo de \( V_o + V_{DO} \), la ondulación pasa a la salida.
04Disipación y rendimiento
El diseño es un compromiso: la tensión del secundario tiene que alcanzar para que el fondo de la ondulación supere la caída del regulador con la red baja, pero cada volt de más es calor. Los LDO permiten bajar el secundario y la disipación; las fuentes conmutadas resuelven el problema de raíz, a cambio de ruido de conmutación.
Simulación en el tiempo de un puente de diodos (0,8 V cada uno) alimentado desde un secundario con 0,5 Ω de resistencia de bobinado, a 50 Hz, con capacitor de filtro y carga de corriente constante. El trazo gris es la tensión rectificada; el azul, la del capacitor; la línea roja, la mínima que necesita el regulador, y el verde, la salida.
Los reguladores integrados agregan protecciones: limitación de corriente, a veces con retroceso (foldback) para reducir la disipación en cortocircuito, apagado térmico y protección del área de operación segura del transistor de paso.
05En el laboratorio
Medir con el osciloscopio la ondulación sobre el capacitor para varias corrientes de carga y compararla con \( I_L/(2fC) \). Medir también la corriente de pico por los diodos con una resistencia chica en serie.
Bajar la tensión de red con un autotransformador variable y observar en qué punto la ondulación aparece a la salida de un 7805 y de un LDO.
Medir las regulaciones de línea y de carga de un regulador ajustable y compararlas con la hoja de datos.
06Errores frecuentes
- Mirar la tensión media y no el fondo de la ondulación. El regulador deja de regular en el mínimo, no en el promedio.
- Diseñar con la red nominal. La red puede estar un 10 % abajo y la fuente tiene que seguir regulando.
- Olvidar la resistencia del transformador. Con carga, el pico real queda bastante por debajo de \( \sqrt 2 V_s \).
- Subir el secundario "por las dudas". Cada volt de más se convierte en calor en el regulador.
07Autoevaluación
¿Qué ondulación estima la fórmula para 0,5 A con 2200 μF a 50 Hz?
\( 0{,}5/(2 \cdot 50 \cdot 2{,}2\cdot10^{-3}) \approx 2{,}3 \) V.
¿Qué salida da un LM317 con R1 = 240 Ω y R2 = 720 Ω?
\( 1{,}25 \cdot (1 + 3) = 5 \) V.
Un regulador de 12 V entrega 0,8 A con 17 V medios de entrada. ¿Cuánto disipa?
4 W.
¿Por qué un LDO permite usar un transformador de menor tensión?
Porque necesita solo unas décimas de volt entre entrada y salida, en lugar de unos 2 V.
08Para ampliar
- Paul Horowitz y Winfield Hill. The Art of Electronics. 3.ª ed., Cambridge University Press, 2015. El capítulo de reguladores lineales, con el diseño de fuentes completas.
- Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith. Microelectronic Circuits. 8.ª ed., Oxford University Press, 2020. El rectificador con capacitor y el ángulo de conducción.
- Texas Instruments. Hojas de datos de los reguladores LM7800, LM317 y de la familia LDO. Disponibles en el sitio del fabricante. Las especificaciones de regulación, rechazo de ondulación, caída y protecciones.