Tutorial de Electrónica

Introducción

Conseguir que la tensión de un circuito en la salida sea fija es uno delos objetivos más importantes para que un circuito funcionecorrectamente. Para lograrlo, se utilizan los estabilizadores oreguladores de tensión, que pueden ser circuitos formados porelementos discretos o por circuitos integrados.

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Conceptos fundamentales en el diseño de una fuente estabilizada

Cuando se diseña un circuito hay muchos factores quetenemos que tener en cuenta. En primer lugar, como es lógico,habrá que comprobar si el circuito diseñado es capaz derealizar todas y cada una de las funciones deseadas. Una vezverificado su correcto funcionamiento, tendremos quecomprobar hasta qué punto es capaz el circuito de mantenerdichas características de funcionamiento, es decir, cómo va acomportarse ante las ya más que conocidas circunstanciasadversas, como pueden ser las variaciones en las tensiones deentrada o, claro es, los cambios de temperatura.

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Conceptos fundamentales en el diseño de una fuente estabilizada Con los transistores sabemos que la temperatura es un factormuy importante que puede estropear el transistor si noponíamos algo que compensara sus efectos cuando estaaumentaba o disminuía. La solución la obteníamos muyfácilmente al colocar una resistencia en el emisor, y así, conun esfuerzo muy pequeño, quedaba solucionado un granproblema. Los cambios en la tensión suministrada son, juntocon las variaciones de temperatura, una de las principalescausas de funcionamientos erróneos o, incluso, de rupturasde los aparatos electrónicos. Lo

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Conceptos fundamentales en el diseño de una fuente estabilizada

La razón proviene del hecho de que todos los aparatoselectrónicos están diseñados para funcionar con unosciertos límites en las tensiones de entrada; por tanto, unatensión de entrada que se suministre a un dispositivo y quesea superior a la que este pueda soportar, o a larecomendada por los fabricantes, probablemente produzcacorrientes lo suficientemente altas como para quemaralguno de sus componentes y, por tanto, dejarcompletamente inactivo el aparato electrónico. Esto nosería un serio problema si la tensión suministrada por lascompañías eléctricas fuese lo suficientemente precisa comopara garantizar una precisión en el valor de la tensión.

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Conceptos fundamentales en el diseño de una fuente estabilizada

Sin embargo, esto no es así, y la tensión suministrada porlas compañías, dependiendo del lugar y del momentoconsiderado, pueden oscilar hasta un 10% sobre el valornominal. Esta variación es suficiente para no podersuponer que disponemos de una fuente de tensiónconstante. Como siempre en la electrónica, de una u otraforma más o menos aproximada, podemos conseguirsolventar la mayoría de los problemas que se plantean.En este caso, la solución a las variaciones de tensión laencontramos en los circuitos conocidos como"reguladores de tensión".

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Reguladores fijos y ajustables

Los reguladores de tensión se suelen dividir en dos grandesgrupos:

• Reguladores de tensión fija

• Reguladores ajustables.

En los primeros, como su nombre indica, vamos a obteneruna tensión fija partiendo de una tensión variable en laentrada.

Con los reguladores de tensión constante vamos a obtener unvoltaje fijo entre los terminales de la resistencia de carga,durante el período en el cual se mantenga la corriente através de dicha resistencia dentro de un intervalodeterminado. Con los ajustables, vamos a poder controlar latensión de salida, partiendo también de una tensión variable.

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Reguladores fijos y ajustables

Todo circuito integrado regulador está preparado para disiparuna potencia, normalmente en forma de calor. Por esta razón,los circuitos integrados reguladores vienen preparados paraque esta disipación no les afecte, y suelen colocar untransistor que estabilice las variaciones que se produzcan.

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Reguladores fijos y ajustables

A los reguladores fijos de tensión los podemos dividir endos grupos, según el signo de la tensión que regulen:

• Reguladores de tensión positiva

• Reguladores de tensión negativa.

Los dos van a ser muy parecidos y solo se van adiferenciar en el sentido que lleva lo corriente.

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Reguladores no integradosTenemos varios tipos de reguladores electrónicos. Losprimeros que vamos a ver son los reguladores zener, que sedenominan así porque usan las propiedades de los diodoszener para regular la tensión.

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Dentro de unos ciertos límites de corriente, sabemos que eldiodo zener tiene una caída de tensión constante, por lotanto, la tensión que va a entregar a la resistencia de carga vaa ser constante.

Reguladores no integrados

Para ver cómo funciona este tipo de circuitos podemosconsiderar al diodo zener como una resistencia variable. Si,por ejemplo, la resistencia de carga disminuye, va a absorbermás corriente. Al principio la tensión disminuirá poco. Laresistencia interna del zener va a aumentar dejando pasarmenos corriente que antes, por lo que va a caer menostensión al ser la corriente menor. La tensión de la salida va apermanecer constante aunque varíe la carga. Por elcontrario, si la resistencia de carga aumenta, absorberámenos corriente.

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Reguladores no integrados

La resistencia interna del zener va a disminuir, absorbiendomenos corriente que antes para compensar el aumento de laresistencia de carga: el resultado final va a ser que la tensiónentre los terminales de la resistencia de carga va a serprácticamente constante dentro de un margen de corrienteno muy grande.

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Reguladores no integrados

Otro tipo de regulador electrónico es el denominadoregulador Shunt. Es bastante parecido al regulador zener,pero aquí tenemos un transistor en colector comúnañadido, cuya resistencia de emisor va a actuar como cargade salida del circuito. En este tipo, el valor de la corriente vaa ser más alto debido a la amplificación que va a efectuar eltransistor.

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Reguladores no integradosEl regulador serie es otro de los reguladores electrónicos. Sedenomina así porque el elemento encargado de regular seencuentra en serie con la corriente de carga. El regulador va a serun transistor y, al igual que en los reguladores tipo zenerconsiderábamos al diodo zener como una simple impedanciavariable, en los reguladores serie vamos a considerar a estetransistor también como una impedancia variable. La diferenciacon los zener es que ahora la impedancia variable se encuentra enserie con la carga. La entrada de tensión va a ser mayor que lasalida regulada.

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Reguladores no integradosEl transistor que usamos como regulador está conectado comoseguidor de emisor. Este transistor funciona en la región activa yofrece cierta resistencia al circuito. Si el circuito está funcionandonormalmente, cada vez va a demandar una mayor corriente decarga. Lo que implica que la tensión va a disminuir si no lo tenemosregulado. El regulador serie también tiene la propiedad decompensar las variaciones de entrada de corriente continua. Asípues, con un regulador serie podemos compensar tanto lasvariaciones de entrada como las de salida.

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Regulador en paraleloOtro tipo de regulador es el "regulador en paralelo". Estecircuito está formado por impedancia fija colocada entre laentrada no regulada y la salida regulada; una impedanciavariable que está colocada en paralelo, de donde viene elnombre de este tipo de reguladores, que se encuentrasituada entre los terminales de la salida. La impedancia enparalelo va a variar para conseguir que la tensión de salidasea constante. Normalmente la impedancia en paralelo va serun transistor, como en los reguladores en serie.

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Reguladores series, ajustables y fijos.

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El primer circuito integrado reguladorque se fabricó fue el LM723, hace unos15 años aproximadamente. Es uno de loscircuitos integrados más vendidos en elmundo y, a pesar de sus defectos y deque hoy en día hay otro tipo dereguladores integrados, no se ha perdidosu popularidad. Durante unos cinco añosfue el único regulador integrado que sevendió. Después se encontró el modo deincorporar elementos externos a loscircuitos integrados, entre los que seincluían transistores serie de altacorriente. Así surgió la familia de los78XX, reguladores positivos de voltajefijo.

Reguladores integrados

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Pronto le siguió la familia de los 79XX,reguladores negativos de voltaje fijo.Estas dos familias tuvieron un gran éxito.Su precio era muy bajo, tenían buenasespecificaciones de regulación de carga,linealidad y una buena capacidad decorriente que podía llegar hasta 1amperio. Son muy usados comoreguladores de circuitos locales. Su mayorventaja es que se pueden reducirconsiderablemente los requerimientossobre la fuente de alimentación principaly sus reguladores de voltaje.

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Características y encapsulado de los reguladores integrados fijos 78XX y 79XX

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Reguladores simétricos

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Después se extendieron ambasfamilias y aparecieron losreguladores simétricos dobles.Incluían un regulador positivo yotro negativo dentro del mismochip, añadiendo un amplificadorpara que uno de los dos voltajessiga al otro y se obtengan salidassimétricas respecto a tierra. Estosreguladores cada vez hanadquirido una mayorimportancia, ya que se han idohaciendo evidentes laslimitaciones de los reguladoresconvencionales.

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Reguladores doblesLa creciente complejidad de los sistemas analógicos conduce asituaciones donde pueden incluirse muchas funciones diferentesdentro de una misma tarjeta. Así, por ejemplo, podemos teneramplificadores operacionales, sensores, comparadores,microprocesadores, convertidores D/A y A/D, etc., dentro de unamisma tarjeta. Esto trae un grave problema para la fuente dealimentación, ya que la tarjeta puede requerir voltajes tantonegativos como positivos. Los reguladores dobles puedensolucionar este tipo de problemas, ajustándose fácilmente a losrequisitos de cada momento.

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Disipación de calor

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Casi todos los reguladores integrados son debaja potencia. Normalmente, si necesitamoscorrientes elevadas, se les agregan elementosque amplifiquen la potencia externos alcircuito integrado. Algunos fabricantes hanlogrado incorporar dentro del circuitointegrado los transistores que amplifican lapotencia, pero esto trae consigo unaamplificación de la disipación de la potenciaen el c.i., por lo que no siempre esconveniente integrar el transistor. Como yasabemos, los reguladores de alta corrienterequieren que el circuito esté diseñado paraque tenga una resistencia térmica mínima.Según sea la temperatura de trabajo de uncircuito integrado, así va a ser su fiabilidad alargo plazo. Por lo tanto, cuanto más calorpodamos sacar fuera del chip mejor va ser elcircuito y va a funcionar durante más tiempo.

EL LM723

Uno de los circuitos integrados más utilizados es el 723. Es un reguladorde tensión. En el interior de este circuito integrado vamos a encontrarun amplificador operacional con sus dos entradas, inversora y noinversora, un diodo zener de referencia, un transistor que actúa comoregulador de tensión, un segundo transistor de salida y un tercertransistor que va a controlar la intensidad y va a ser el encargado delimitarla, en el caso de que sea necesario, para evitar problemas conuna intensidad muy alta. En este circuito vamos a tener una tensión dereferencia de alrededor de 7 voltios. El amplificador operacional estáconectado como seguidor de tensión, es decir, conectamos la salidadirectamente a la entrada inversora. Después ponemos un divisor detensión, formado por dos resistencias, que nos va a proporcionar latensión que vamos a meter por la entrada no inversora. Dicha tensiónes la que vamos a obtener a la salida del amplificador ya que, comohemos dicho, se encuentra conectado como seguidor de tensión.

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EL LM723

Por lo tanto, su funcionamiento más general consiste enunir la entrada inversora a la tensión de referencia, la noinversora al divisor de tensión, después conectar ladiferencia de ambas entradas amplificadas al transistorregulador, que va a conseguir la estabilización deseada alvariar su conducción para compensar la diferencia de lasdos entradas. Aunque la máxima intensidad de salida de un723 sean 150 mA, tenemos que tener cuidado con lacorriente de salida para no sobrepasar la máxima disipaciónposible.

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EL LM723

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EL LM723

Si necesitamos una corriente de salida mayor que la que nospermite el 723, podemos añadir un transistor exterior al circuitointegrado. Este transistor de potencia puede ser del tipo PNP oNPN, pero tenemos que tener muy en cuenta de qué tipo es,para conectarlo correctamente al circuito integrado. Si estamosañadiendo un transistor NPN, lo vamos a conectar como si fuerauna extensión de los seguidores internos que tiene el 723. Labase va a ir conectada al potencial de salida del circuitointegrado, Vo, y el emisor lo vamos a unir a la entrada inversora.Pero si añadimos un PNP vamos a conectar el potencial de salida,Vo, a la entrada inversora y esta al emisor, y la base a Vc, que esla tensión del colector del transistor de salida del circuitointegrado 723.

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EL LM723

Entre las ventajas que nos ofrece un 723 podemos destacar subuena regulación y bajo coeficiente de temperatura, junto con suversatilidad. Además, no solo se puede usar como regulador detensión sino que también se puede emplear como regulador deintensidad.

El 723 se caracteriza por su pequeño consumo en reposo, bajaderiva con la temperatura y su alto rechazo al ruido. Es aplicableen fuentes de alimentación positivas y negativas como unregulador paralelo, serie, conmutado o flotante. Se pueden usarcomo fuentes de laboratorio, reguladores locales para tarjetaslógicas, reguladores para amplificadores de datos de bajo nivel,fuentes para instrumentación, sistemas aerotransportados yfuentes para circuitos digitales y lineales.

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EL LM723

Con un 723 podemos conseguir un regulador básico de bajatensión y un regulador básico de alta tensión. Como yasabemos, con el circuito integrado 723 podemos construiruna fuente de alimentación. Cuando se empezaron afabricar los circuitos integrados era muy difícil superar los40 voltios de salida con un c.i.; para conseguir esto habíaque usar semiconductores discretos, no integrados, inclusocon el 723 no se podían rebasar los 40 voltios de entrada ycon esta entrada sólo se podía conseguir una salida que,como mucho, alcanzaba los 37 voltios. Pero ahora podemosconstruir un circuito con un 723 que supere este límite desalida para poder usarlo como regulador básico de altatensión.

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EL LM723

En un LM723, una zona importante es la fuente de tensiónde referencia, que está compensada en temperatura y casiexenta de ruido. La fuente de referencia puedeproporcionar una corriente que puede alcanzar 15 mA.Aparte, como ya sabemos, se encuentra un amplificadorcorrector que va a controlar al transistor que proporciona latensión de salida, un transistor que se encarga de limitar lacorriente. Es posible conseguir una alimentación totalmenteestable y protegida contra los cortocircuitos usando un 723y algunos componentes discretos asociados.

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Reguladores flotantes

Para conseguir tensiones estabilizadas de más de 40 voltios,el circuito necesita una tensión auxiliar separada, que actúecomo fuente de tensión.

A este tipo de reguladores se les denomina "reguladoresflotantes". Con estos circuitos podemos conseguir unatensión de salida que puede ser regulable entre 0 y 60 voltios.

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El LM338

Otro ejemplo de regulador ajustable es el LM338. Este reguladortiene un valor de la tensión de referencia de 1,25 V. Con élpodemos conseguir una corriente de salida que va desde los 1,2 V alos 25 V. Es muy recomendable colocar un condensador conectadoa la entrada del LM338 para conseguir que el circuito no seasensible a los ajustes o a la presencia de condensadores de salida.Los LM338 proporcionan una regulación de la carga muy buena.Para obtener las mejores prestaciones tenemos que tomar unapequeña medida. Dicha medida consiste en conectar la resistenciade corriente entre los terminales de ajuste y de salida lo más cercaposible del regulador, aunque para ello se tenga que alejar de lacarga.

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LM338

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El LM338Cuando utilizamos condensadores con los circuitosintegrados regulados es muy conveniente añadir unos diodosde protección y evitar así las descargas que se puedenproducir por parte de los condensadores en los puntos debaja corriente de regulador. Cuando un regulador tieneconectado un condensador a la salida y se cortocircuita suentrada, el condensador se va a descargar a través delcircuito integrado. Esta descarga es suficiente para dañar alcircuito integrado y va a depender de tres factores: eltamaño del condensador, la tensión de salida y la velocidadde decrecimiento de la tensión de entrada. Por todos estosmotivos, es muy conveniente añadir unos diodos deprotección y, como ejemplo de circuitos integrados que losutilizan, podemos citar el regulador LM338.

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EL LM317El circuito integrado LM317 es un regulador serie ajustable, capazde trabajar con hasta 40 Voltios de corriente continua de entraday capaz de entregarnos a su salida una tensión ajustable de entre1,25 a 37 Voltios.Es recomendable colocar un condensador conectado a la entradade muy alta capacidad esto permitirá lograr una mejor absorcióny filtrado de los ruidos de alta frecuencia que existen en la redeléctrica y que, por supuesto, atraviesan el transformador dealimentación.Es importante aclarar que la potencia del transformador debieraser acorde a la capacidad de corriente de los diodos y el/lostransistores que se utilicen en la etapa de regulación. Es decir, noes necesario colocar diodos que soporten 25 Amperios cuando eltransformador sólo puede entregar una corriente de 3 Amperios.Lo mismo ocurre con el/los transistores de potencia, siempre esbueno colocar dispositivos que sean capaces de trabajar con eldoble o triple de la corriente nominal que utilicemos.

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Fin del Tutorial

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