Las referencias de tensión se utilizan en una amplia gama de aplicaciones prácticas tales como instrumentos, convertidores analógicos para digitales, microprocesadores y mucho más. Hay varias técnicas que se pueden adoptar para obtener una buena referencia de tensión, incluyendo circuitos integrados listos de gran precisión para ese propósito. En este artículo mostramos cómo funcionan esas referencias y damos una buena cantidad de circuitos prácticos.
Tensiones de referencia precisas son importantes en muchas aplicaciones electrónicas, ya que sirven de parámetros para circuitos de medidas, adquisición de datos y mucho más.
Si bien existen técnicas simples para obtener una referencia, como las que hacen uso de diodos zener, el grado de precisión necesario para una aplicación puede requerir configuraciones mucho más elaboradas. En este artículo veremos los diversos tipos de configuraciones que pueden ser usadas en esas aplicaciones, con un análisis de su precisión y confiabilidad.
Diodo Zener
La forma más simple de obtener una referencia de tensión es la que hace uso de un diodo zener en serie con un resistor, como muestra la figura 1.
El diodo zener mantiene constante la tensión entre sus terminales, incluso cuando la tensión de entrada varía en un cierto rango de valores.
Sin embargo, este tipo de referencia tiene algunos inconvenientes, principalmente debido al hecho de que un diodo zener común además de no ser un componente con una característica absolutamente lineal, sufre alteraciones sensibles de la tensión que opera con la temperatura y, además, ya viene de fábrica con una tolerancia del 5%.
Para que el lector tenga una idea, damos en la tabla abajo los coeficiente de temperatura de algunos diodos zener común así como su impedancia dinámica.
La propia resistencia interna de un diodo zener como regulador ya hace que la tensión presentada sufra variaciones con la tensión de carga, conforme muestra la figura 2.
Dentro de ciertos límites podemos usar un diodo zener en la configuración indicada como referencia de tensión, fijando la corriente alrededor de 5 mA, típicamente.
Dentro de un cierto rango de operación, podemos tener una referencia de tensión que puede considerarse razonable si la aplicación no requiere gran precisión.
Podemos mejorar la referencia si utilizamos una configuración con un amplificador operacional, como muestra la figura 3.
Alimentamos el diodo zener con una fuente de corriente constante y aplicamos la tensión de referencia a un amplificador operacional operando como seguidor de tensión o aún con una ganancia baja que garantice una elevada impedancia de entrada para el circuito.
En este circuito podemos todavía variar uno de los resistores de la red de realimentación controlando la ganancia y así obteniendo una tensión diferente de la que puede proporcionar el zener.
Una gran ventaja de este circuito en relación al uso simple de un diodo zener está en la baja impedancia de salida del operacional. El circuito externo no carga la referencia, cambiando así el valor de la tensión suministrada.
En una aplicación común, la fuente de corriente constante puede ser una simple resistencia calculada para proporcionar una corriente del orden de 5 mA al diodo zener.
Circuitos Integrados
A partir de los problemas que las referencias comunes pueden presentar podemos elaborar circuitos que compensen los problemas de variación de las corrientes con la temperatura y también de las tensiones y más que eso, podemos integrar estos circuitos obteniendo componentes específicos para aplicaciones como referencias de tensión.
La idea básica de una referencia de tensión integrada puede ser mejor entendida si tomamos como punto de partida el circuito de la figura 4.
El par de transistores Q1 y Q2 funciona como una referencia de tensión, o sea como un "zener virtual" en el que la tensión obtenida depende de las características de transferencia de los transistores usados según la curva mostrada en la figura 5.
Este circuito genera una referencia del tipo "band gap" de aproximadamente 1,25 V con excelente estabilidad, siendo usado en muchos reguladores de tensión integrados.
En el circuito mostrado el transistor Q1 funciona en realidad como un zener, con el colector conectado a la base, para proporcionar una referencia con una corriente típica de 1 mA.
El transistor Q3 y utilizado como controlador y la parte de corriente constante proporciona una corriente de 2,1 mA para que el transistor de salida tenga una corriente de colector 1 mA.
La tensión de referencia obtenida de ese circuito (Vref) será dada por la suma de la tensión en R2 y Vbe3. Ver que estas dos tensiones poseen coeficientes opuestos de temperatura de modo que una compensa la otra.
En la práctica, podemos contar con una buena cantidad de circuitos integrados de referencias de tensión, siendo los más comunes los de National Semiconductor (ahora en el Grupo Texas Instruments). En la tabla siguiente tenemos algunos de ellos.
Circuito Integrado Vref Tolerancia de tensión (*)) (+/-) Drift PPM / oC (max) Corriente de funcionamiento (mA) Tipo de salida
Estos circuitos integrados básicamente operan de dos formas para obtener la tensión de referencia. En uno de ellos existe un "zener integrado" en el propio chip, normalmente de 6,9 V, el cual presenta buenas características de estabilidad. En el otro caso, tenemos la configuración banda-gap integrada, proporcionando una tensión de 1,2 V típicamente.
Analizamos algunos circuitos prácticos con estos componentes, para que el lector tenga una idea mejor de su uso.
LM329B
Este circuito integrado puede ser utilizado en una excelente referencia de tensión de 6,9 V, aprovechándose por lo tanto que se trata de un zener integrado, conforme a los circuitos mostrados en la figura 6.
Este circuito puede operar con corrientes de 0,6 a 20 mA en el diodo zener y utiliza sólo una resistencia externa para fijar esa tensión.
Para obtener una tensión diferente "bufferizada", podemos emplear esa referencia de tensión en conjunto con un amplificador operacional, como muestra el diagrama de la figura 7.
En este circuito, la ganancia del amplificador operacional se puede ajustar para obtener la tensión deseada, por ejemplo, 10 V con el circuito indicado. Un trimpot multi vueltas permite un ajuste preciso de la tensión de referencia de ese circuito.
LM336B
Como se muestra en la figura 8, este circuito integrado se utiliza de manera similar al anterior, ya que se trata básicamente de un zener ajustable en un solo chip. Tenemos dos configuraciones posibles donde el resistor en serie determina la corriente por el componente. En este circuito tenemos las tensiones fijas de salida sin el uso de la entrada de ajuste.
Para utilizar la entrada de ajuste, usamos la configuración de la figura 9.
Observe sin embargo que no se trata de ajuste en el sentido amplio de poder tener cualquier tensión de salida, sino un "trimmer", donde fijamos la tensión de salida dentro de estrechos límites, en torno a la tensión de referencia de componente. Por ejemplo, para el LM338B -2,5 V, el rango de ajuste es de 120 mV alrededor de la tensión de salida de 2,5 V.
También podemos mejorar el rendimiento de este ajuste con el aumento de un "sensor" de temperatura que hace su compensación, como muestra la figura 10.
Para el LM336B - 5,0 V podemos tener una compensación de temperatura y un ajuste más amplio, de 500 mV, utilizando el circuito de la figura 11.
Por supuesto, podemos emplear este componente en conjunto con otros para obtener aplicaciones más elaboradas de una referencia de tensión. Una primera posibilidad consiste en un circuito que acepta una gama más amplia de tensiones de entrada para obtener una referencia fija de salida, como muestra la figura 12.
Este circuito se basa en el LM334 que es una fuente de corriente constante y que permite, junto con el LM336B obtener tensiones de referencia de 2,5 V o 5 V, según el componente utilizado. Este circuito admite tensiones de entrada de hasta 30 V.
En la figura 13 tenemos un circuito que tiene por finalidad obtener una señal rectangular de precisión para ajuste de circuitos. Se trata, por lo tanto, de una referencia de tensión modulada, ideal para calibrar osciloscopios, interfaces digitales y sistemas de adquisición de datos.
La tensión de pico obtenida en ese circuito depende del circuito integrado de referencia de tensión usado que puede ser el de 2,5 V o el de 5 V.
LM368
Estos componentes, en sus tres versiones de 2,5, 5,0 y 10 V tienen una referencia de tensión interna del tipo band-gap y una etapa de potencia que puede proporcionar corrientes de salidas hasta 10 mA. La tensión de salida está determinada por el sufijo del componente.
El circuito integrado LM368 se suministra tanto en envoltorio DIL de 8 pines como en envoltorio metálico. En la figura 14 tenemos la aplicación básica de ese componente, para una referencia de tensión de bajo ruido.
Los capacitores y el resistor forman un circuito de filtro que reduce el ruido. En la figura 15 tenemos el modo de usar la entrada de ajuste, que también en ese caso tiene una estrecha franja de acción del orden del 1% de la tensión) para obtener una tensión de salida de gran precisión.
Para obtener una banda más ancha de ajuste, se puede utilizar el circuito de la figura 15.
Para el LM368-2.5, por ejemplo, con el circuito indicado se pueden obtener tensiones de referencia de 2,2 V a 5,0 V y para el LM368-5.0 se pueden obtener tensiones de salida de 4,5 V a 6 , 0 V con ese mismo circuito.
En la figura 16 tenemos una configuración interesante que, usando dos referencias del tipo indicado puede ser usada para obtener una referencia simétrica de tensión con sólo un resistor limitador de corriente.
El resistor debe calcularse para obtener una corriente de 1 a 10 mA en los circuitos integrados que sirven como referencia de tensión.
Para obtener dos tensiones de referencia con un mínimo de componentes, podemos usar el circuito de la figura 17.
En este circuito, el resistor se calcula para obtener una corriente del orden de 1 mA o más para la tensión de referencias elegida.
LM385-1.2
Se trata de un regulador de tensión en envolvente SOT-54 con tres terminales, pero de los cuales sólo se utilizan dos. Como muestra la figura 18, se comporta como un zener de precisión proporcionando una referencia de 1,235 V a partir de tensiones muy bajas, como la de una sola pila de 1,25 V.
Para una alimentación con tensiones mayores, 9 V por ejemplo, podemos usar el circuito de la figura 19. En esa misma figura mostramos la versión que hace uso de una fuente de corriente constante y de esa forma posibilitar la operación del circuito en una amplia gama de tensiones de entrada.
Para la versión de 2.5 V (LM385-2.5) tenemos los circuitos mostrados en la figura 20.
La versión LM385 (sin sufijo) tiene un terminal de ajuste, que puede operar en dos configuraciones básicas que se muestran en la figura 21.
En la primera actúa como una referencia fija de 1,24 V que es dada por el regulador tipo band-gap mientras que en el segundo caso, con la ayuda de un divisor resistivo es posible programar la tensión de salida a un valor mayor.
Este valor se puede calcular fácilmente sumando 1,24 a la tensión proporcionada por el divisor resistivo. Conforme a la fórmula dada junto al diagrama. Vea que este circuito integrado también se suministra en envoltorio de tres terminales SOT-54.
LM3999
Lo que diferencia este dispositivo de los demás circuitos integrados que funcionan como referencias de tensión es la presencia de circuito de compensación de temperatura. En la figura 22 tenemos la envoltura y el circuito interno equivalente.
Este dispositivo tiene un coeficiente de temperatura de 0,0002% por grados centígrados y opera con corrientes de 0,6 mA a 10 mA. La tensión de referencia es de 6,95 V.
En la figura 23 tenemos un circuito típico de aplicación de ese componente.
El resistor debe calcularse para que la corriente en el zener quede en el rango de valores admitido por el componente.
Para una referencia de tensión "bufferizada" podemos usar la configuración mostrada en la figura 24, la cual hace uso de un amplificador operacional.
La ganancia de tensión del amplificador operacional se puede ajustar en el trimpot para obtener tensiones diferentes de la suministrada por el zener interno del LM3999. En el ejemplo, la tensión se ajustará a un valor de alrededor de 10 V.
Observe que la entrada de este circuito puede quedar entre 15 V y 18 V y la compensación de temperatura interna del LM3999 se utiliza. Este circuito presenta una precisión suficientemente elevada para poder utilizar en la calibración de instrumentos de laboratorio.
Conclusión
Las referencias de tensión son circuitos de gran importancia principalmente en el diseño de instrumentos de medida y para su propia calibración.
En este artículo hicimos un breve análisis de los principales tipos con un enfoque especial a la línea de circuitos integrados de National Semiconductor (www.national.com) que posee una línea bastante amplia de esos componentes.
Sugerimos que el lector visite el sitio de esta empresa no sólo para acceder a los datasheets completos de estos componentes, lo que es importante para un proyecto, así como para informarse sobre posibles nuevos tipos que se estén lanzando o que se hayan lanzado recientemente.
Nota: consulte Mouser (www.mouser.com) para ver los tipos más recientes de referencias de tensión en el mercado.
