Este artículo forma parte de mis libros Fuentes de Alimentación (Volumen 1) donde abordamos todo lo que los practicantes de electrónica necesitan saber sobre fuentes. En él abordamos los principios de funcionamiento de los reguladores de tensión. En nuestra sección de libros el lector tendrá información para adquirir los dos volúmenes completos.
Regulación y ajuste
Utilizando un transformador, rectificador y filtro como hemos visto hasta ahora ya tenemos una tensión continua que puede ser usada para alimentar determinadas cargas. Sin embargo, debido a las características del condensador y de la propia corriente pulsante, la tensión sobre la carga variará según ella requiera más o menos corriente. En otras palabras, la tensión no es estabilizada o regulada.
Para obtener una tensión constante sobre una carga, una tensión que no sufra variaciones cuando el consumo de la carga se altera o incluso cuando la tensión de entrada del circuito varía, necesitamos contar con un circuito regulador de tensión. Para la regulación de la tensión de una fuente existen varias configuraciones que se pueden utilizar.
Algunas muy simples basadas en pocos componentes y otras sofisticadas, basadas en circuitos integrados complejos. Comencemos por la forma más simple, pues a través de ella podemos entender cómo funciona todo.
La forma más simple de hacer la regulación de una fuente es aprovechando las propiedades eléctricas de los diodos zener. Los diodos zener, cuando polarizados en sentido inverso, mantiene constante la tensión entre sus terminales en una amplia gama de valores de corriente, como muestra la figura 1.
Así, si conectamos un diodo zener después del circuito de filtrado de una fuente, como muestra la figura 2, la tensión sobre el zener, que es la tensión en la carga conectada en paralelo con él, se mantiene constante.
La resistencia se calcula de modo que en la corriente mínima de la carga tenga una corriente máxima en el diodo zener que aún le haga mantener la tensión zener entre sus terminales y que esté por debajo de su capacidad de disipación.
Por otro lado, cuando la corriente en la carga es máxima, la caída de tensión en el resistor debe ser compatible con la entrada de tensión del circuito. Como los diodos zener, en general, son componentes de pequeña disipación, este tipo de regulador no es muy usado de la forma en que lo describimos.
Sin embargo, podemos aprovechar las propiedades del diodo zener para elaborar circuitos que sean más eficientes, tanto en el mantenimiento de la tensión de carga y en el manejo de corrientes elevadas. Así, existen dos configuraciones posibles para los reguladores de tensión usados en fuentes lineales: en serie y en paralelo.
Regulador Serie
La idea básica de un regulador serie es conectar en serie con la línea de alimentación de la carga un circuito que funcione como un resistor variable teniendo como referencia un diodo zener, como muestra la figura 3.
Con base en la información del diodo zener y de la propia tensión de salida a través de un circuito de realimentación, el regulador cambia su resistencia para mantener la tensión en la carga constante, independientemente de la corriente que esté drenando. La configuración más simple para este circuito es la que hace uso de un transistor NPN, un diodo zener y un resistor, como muestra la figura 4.
El zener mantiene constante la tensión en la base del transistor, polarizado por el resistor. Como para conducir, la tensión de base del transistor debe ser aproximadamente 0,6 V mayor que la tensión de emisor, con el uso del zener como referencia, garantizamos que el circuito siempre se comportará en el sentido de mantener la tensión de emisor 0, 6 V debajo de la tensión de base, como muestra la misma figura.
Así, usando un diodo zener de 12,6 V, garantizamos que en el emisor del transistor, en el cual está conectada la carga, la tensión será siempre 12 V. Véase que, para que este circuito debemos considerar la caída de tensión en el transistor cuando él conduce.
Esto significa que la tensión de entrada de este circuito debe ser por lo menos 2 V mayor que la tensión que deseamos en la salida. El resistor, por otro lado, debe ser calculado de modo que proporcione la corriente que el transistor necesita para saturar y al mismo tiempo mantenga la tensión que el diodo zener necesita para funcionar.
La ventaja de este circuito es que el diodo zener es recorrido por una corriente muy pequeña en relación a la corriente requerida por la carga, pues esta corriente es amplificada por el transistor. La desventaja está en el hecho de que el transistor se comporta como un resistor variable con una disipación elevada de potencia, en función de la corriente drenada por la carga.
Incluso en las fuentes relativamente pequeñas, los transistores usados en este tipo de circuito deben estar dotados de buenos radiadores de calor. En la práctica, sólo en las fuentes más simples se utiliza la configuración dada como ejemplo.
Los circuitos más elaborados se pueden lograr con el uso de Darlingtons, e incluso recursos adicionales como protecciones contra cortocircuito, etc. De este modo, siguiendo esta configuración tenemos muchos reguladores de tensión de tres terminales en forma de circuitos integrados.
Básicamente existen dos tipos de reguladores serie para el uso en fuentes de alimentación: fijos y variables. Los reguladores fijos poseen un zener interno que ya determina la tensión de salida. Así, el terminal de ese zener normalmente se conecta a la tierra como en el caso de los reguladores de 6 y 12 V, 7806 y 7812, como muestra la figura 5.
Vea que estos reguladores están dotados de envoltorios que permiten su montaje directo en disipadores de calor. Los pequeños cambios en la tensión de salida se pueden lograr con el aumento de un diodo adicional externo que sumará su tensión del diodo interno, como en el caso de la figura 6.
En la configuración indicada, usando dos diodos comunes polarizados en el sentido directo, sumarán 1,2 V a la tensión de un 6705 de 5 V de salidas, obteniéndose así 6,2 V de salida. Los circuitos integrados de la serie 78XX, según las características dadas más adelante en este libro, pueden controlar corrientes hasta 1 A en su versión básica.
Para obtener más corriente de lo que el circuito puede proporcionar es normal el uso de transistores adicionales en las configuraciones mostradas en la figura 7.
Ver que, si los transistores se conectan en paralelo, las resistencias de emisor deben ser agregadas para que haya una distribución correcta de las corrientes entre ellos. Este tema será abordado en los proyectos de fuentes prácticas de altas corrientes y en "fuentes de alta corriente" También es importante observar que la regulación no necesita ser hecha obligatoriamente en la línea positiva de alimentación.
En las fuentes simétricas es común el uso de reguladores positivos y negativos de tensión al mismo tiempo. Tanto el diodo zener como los propios circuitos reguladores más sofisticados pueden hacer la regulación negativa de tensión, como muestra la figura 8.
Los circuitos integrados de la serie 79XX, por ejemplo, son reguladores negativos de tensión. También es importante observar que existen reguladores que poseen zeners internos de valores muy bajos, lo que permite agregar un circuito externo para ajustar la tensión de salida.
Tenemos entonces los reguladores variables (que tanto pueden ser negativos como positivos) capaces de controlar corrientes hasta que bastante altas. Citamos como ejemplo los reguladores LM317 y LM350 de que trataremos en este mismo libro con más detalles. En esta categoría también se puede incluir el 723.
Regulador Paralelo (shunt)
Una forma menos común de hacer la regulación de la tensión de una fuente es a través de un regulador paralelo, cuya configuración básica con un transistor se muestra en la figura 9.
Este regulador funciona como un zener de alta potencia derivando la corriente en la carga de modo que la tensión entre sus terminales sea mantenida constante. El circuito se calcula de tal manera que las corrientes drenadas por la carga y el regulador sumadas, resulten en una resistencia que, en serie con la resistencia R de entrada, genera la tensión de alimentación de la carga.
Así, cuando la carga aumenta su consumo, el regulador disminuye, lo que hace que la suma de las corrientes se mantenga y con ello la tensión en la carga. La gran desventaja de este circuito es que la disipación de potencia es constante, incluso cuando la carga está con su consumo mínimo.
Además, en función de la corriente de la carga, el regulador puede disipar potencias bastante altas exigiendo así el uso de grandes disipadores y transistores con capacidad de corriente elevada.
