Reguladores fijos
Os reguladores fijos son circuitos integrados que incorporan reguladores de tensión lineares (analógicos) con una salida de tensión fija y una corriente máxima determinada pelo su tipo.
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Existen reguladores que pueden trabajar con tensiones de salida típicamente de 3 a 48 V y corrientes en el rango de 50 mA a 5 A, disponibles en las más diversas configuraciones, facilitando el diseño de fuentes de alimentación y otras aplicaciones.
Estos reguladores, como se muestra en la figura 1, se colocan después del paso de filtrado de una fuente, con el objetivo de mantener la tensión de salida constante, o incluso la corriente y, en algunos casos, también para hacer la protección contra el cortocircuito y la calefacción Indebida.
En esta serie hay reguladores que requieren transistores adicionales externos y completos que ya tienen componentes de potencia internos.
Destacamos en primero lugar os circuitos integrados reguladores de tensión de 3 terminales, que poseen una disposición de pinos conforme muestra a figura 2.
Estos reguladores pueden ser del tipo positivo, que se insertan en serie con la línea positiva de una fuente de alimentación, o negativos.
En estos reguladores normalmente tenemos un pino de entrada (in), un pino de salida (out) y un pino central que, o puede ser conectado a la tierra, o a algún circuito de control o que permite cambiar la tensión de salida.
Una de las series más comunes de reguladores de este tipo es la 78xx que tiene una buena gama de tensiones, y en la versión básica permite administrar corrientes de hasta 1 A una carga.
Reguladores de tensión 78XX
Los tipos de la serie de 78XX pueden proporcionar tensiones de 5 a 24 volts típicamente con 1 ampère, siendo extremadamente atractivo para los proyectos.
La serie de circuitos integrados 78XX, donde el XX se sustituye por un número que indica la tensión de salida, consta de reguladores de tensión positivos con una corriente de hasta 1 ampère de salida que se presenta en el envoltorio TO-220 como se muestra en la figura 3.
Encontramos una serie equivalente de 200 mA que é a presentada en envoltorios SOT-54.
Diversos son los fabricantes que tienen los circuitos integrados de esta serie en su línea de productos, las tensiones de salida pueden variar sensiblemente de un para otro. Los valores básicos para estas tensiones, que son dados pelas dos últimas cifras del tipo del componente, son:
7805 = 5 volts
7806 = 6 volts
7808 = 8 volts
7885 = 8,5 volts
7812 = 12 volts
7815 = 15 volts
7818 = 18 volts
7824 = 24 volts
La tensión máxima de entrada para los tipos de 5 a 18 volts es de 35 volts. Para el tipo de 24 volts, la tensión de entrada máxima es de 40 volts.
En cualquier caso, para un funcionamiento correcto, la tensión de entrada debe ser de al menos 2 volts más alta que la tensión deseada en la salida.
Los circuitos integrados de la serie 78XX tienen protección interna contra cortocircuitos en la salida y no necesita de ningún componente externo.
Tenga en cuenta que el radiador de calor debe ser escalado de acuerdo con la diferencia entre la tensión de entrada y la tensión de salida, ya que cuanto mayor sea a potencia, mas calor el componente disipará.
En la figura 4 tenemos la aplicación inmediata en un regulador positivo de 1 ampère para tensiones de 5 a 24 volts con corriente de salida de hasta 1 ampère.
El capacitor 330 nF desacopla la entrada del estabilizador mientras que el 100 nF, que debe ser de buena calidad de cerámica, tiene como objetivo evitar oscilaciones a altas frecuencias y desacoplar la salida.
Los capacitores de entrada y salida pueden variar según la aplicación y el tipo específico, y se recomienda consultar el manual del fabricante en caso de dudas.
El segundo circuito corresponde a un estabilizador o regulador de corriente (fuente de corriente constante), que puede servir como base para un excelente cargador de baterías e incluso para motocicletas y baterías de automóviles en un sistema de carga lenta. Este circuito se muestra en la figura 5.
La intensidad de la corriente está dada por la relación Vs/R1, donde R1 es la resistencia limitadora y Vs es la tensión. Recuerde que no se debe ultrapasar el límite de 1 ampère, que es la máxima corriente de salida del circuito integrado.
Para obtener más corriente que 1 ampere, podemos usar un Booster, como se muestra en la figura 6. El transistor puede ser sustituido por equivalentes, con corrientes de colector en el rango de 5 a 10 A para obtener una fuente de 2 a 5 A de corriente de salida.
Las fórmulas que permiten dimensionar os diversos elementos do circuito son dadas junto al diagrama.
Reguladores ajustables
Cuando se habla de una fuente de alimentación lineal, hay componentes tradicionales que, a pesar de que son de generaciones antiguas, todavía son utilizados muy a menudo. Tanto es así que visitando varios sitios de fabricantes de estos componentes, vemos que están constantemente revisando sus aplicaciones, sugiriendo nuevas configuraciones e incluso lanzando nuevas versiones que todavía se pueden utilizar en muchas aplicaciones modernas.
Uno de estos componentes es el bien conocido LM350, aún irremplazable cuando pensamos en una fuente lineal de corriente media para la bancada o para aplicaciones menos críticas. Eso es exactamente lo que vamos a tratar en ese ítem.
Estos reguladores, que también se pueden obtener en la versión de 3 terminales, tienen un terminal de entrada (in), un terminal de salida (out) y un terminal de ajuste (adj) donde el circuito de control está conectado, lo que variará su tensión o corriente de salida.
El LM350
El circuito integrado LM350, que en la versión con sufijo T, se presenta en una cubiertaTO-220 con los pinos mostrado en la figura 7, consiste en un regulador lineal positivo de 3 A para tensiones de salida de 1,2 V a 33 V.
Una información muy interesante que a muchos lectores les gustaría saber acerca de este componente es aquella que indica el lote, año de fabricación y otra información, como se muestra en la figura 8.
En este código la A indica la ubicación de la fábrica, WL el lote de waffers, Y el año de fabricación, WW la semana, y G que el dispositivo es sin plomo.
El ajuste de carga de este circuito es 0,1% (TIP) y el ajuste de línea 0,005% (TIP). El circuito también tiene protección térmica contra sobrecarga.
En aplicaciones comunes, el LM350 puede utilizarse como regulador tensión ajustable como fuente de corriente constante. En el uso como regulador ajustable, un potenciómetro de 10k determina la tensión agregada a la referencia interna de 1,2 V, según lo demostrado en el circuito típico de la aplicación de la figura 9.
Para una fuente fija R2 puede ser calculado por la fórmula:
Vout = 1,25 V ( 1 +
R1
En la figura 10 tenemos la configuración tradicional de fuente de corriente constante, con las fórmulas que permiten el cálculo de los valores de los componentes utilizados.
En la mayoría de los casos, el término Iadj puede ser despreciado, lo que simplifica el uso de la fórmula.
Low Dropou o LDO
Los LDOs o Low Droput son reguladores lineares de tensión que, por sus características, se están volviendo indispensables en una infinidad de aplicaciones, principalmente con la alimentación de equipos alimentados por baterías.
Cuando no es necesario tener en cuenta los problemas de disponibilidad de energía, espacio y calor generados, el uso de reguladores tensión lineales no ofrece ningún problema.
Los tipos comunes tales como los tradicionales que hacen uso de los transistores bipolares en cubiertas del tres terminales tales como los de serie 78 y 79 se pueden utilizar sin problemas.
Estos reguladores, intercalados a los circuitos en los que deben operar, como se muestra en la figura 11, causan una caída tensión de al menos 2 V en los circuitos, y esta caída, además de la pérdida de energía, también significa la generación de calor. El calor generado se da por el producto de la caída de tensión por la corriente circulante.
Y, si tenemos en cuenta que las aplicaciones modernas utilizan baterías de muy baja tensión tales como 2,7 V y 3,3 V, una caída de 2 V tensión en un dispositivo regulador no sería admisible.
Así, para cumplir con una nueva gama de aplicaciones en las que la energía no puede ser desperdiciada, y el calor no debe ser generado en grandes cantidades, una generación diferente de reguladores tensión lineales se hizo disponible, los LDOs o low dropout - salida con baja caída de tensión.
Estos dispositivos muestran caídas tensión muy baja cuando en la conducción, con valores en el rango de 0,1 V a 0,5 V solamente.
Para entender cómo funcionan los LDOs, empecemos por la configuración de un típico regulador lineal tensión. Como podemos ver en la figura 445 este tipo de regulador se entremezcla con el circuito de carga.
Internamente, tienen un circuito de referencia, posiblemente circuitos de protección contra sobrecargas, calefacción y otros recursos que dependen de su aplicación.
Para controlar la corriente sobre la carga con el fin de mantener constante la tensión, estos dispositivos pueden emplear varias configuraciones. Son precisamente estos escenarios que causan la caída de las tensiones responsables de pérdidas y generación de calor.
La configuración más simple es la que hace uso de un transistor NPN bipolar, como se muestra en la figura 13.
La polarización del transistor en una región intermedia entre el corte y la saturación hace que aparezca entre el colector y el emisor una tensión. El producto de esta tensión por la corriente conducida nos da la cantidad de calor que el dispositivo va a disipar.
Además, por sus características, los transistores bipolares causan tensiones razonables entre el colector y el emisor incluso cuando están saturados o cerca de la saturación. Todo esto se traduce en un bajo rendimiento de la configuración, con la generación de calor y pérdidas por la caída de tensión en el dispositivo de paso que es el transistor.
Para lograr que los dispositivos utilizados en el control de la corriente sobre la carga presenten una baja caída de tensión, existen varias posibilidades que el son da por configuraciones, tanto utilizando transistores comunes como transformadores de efecto de campo de energía, como se muestra en la figura 14.
Las configuraciones presentadas tienen, sin embargo, limitaciones que deben ser consideradas en cada proyecto. Analizamos las características de estos Configuraciones como:
Vmin – se trata de la tensión mínima de entrada con el que se puede operar la configuración.
IL – es la corriente de carga típica
Zout – se trata de la impedancia de salida
BW – Banda de paso
Transistor NPN
En este caso, el transistor funciona como seguidor de emisor con una baja impedancia de salida y una banda ancha (BW).
Darlington NPN
Con un par Darlington operando como seguidor del emisor tenemos una impedancia baja de la salida y una banda ancha. Sin embargo:
Vmin = 2 V
IL > 1 a
Transistor PNP
Esta es una configuración interesante para LDOs, pues usando el transistor como inversor tenemos una alta impedancia de salida, una banda estrecha pero una tensión de entrada muy baja.
Vmin = 0,1 V
IL < 1 a
Par PNP/NPN
En esta configuración tenemos transistores complementarios que funcionan como inversores, obteniendo una impedancia de alto rendimiento y una banda de paso angosta. Además:
Vmin = 1,5 V
IL > 1 A
PMOS
Uso de un transistor de efecto de campo PMOS la tensión mínima de entrada será dada por el producto:
RDS (on) x IL
La impedancia de salida es alta y la faja pasante es angosta. Además, la corriente de carga máxima puede ser mayor que 1 A.
Dependiendo de las características de las configuraciones típicas que se pueden utilizar en dispositivos de este tipo, varias arquitecturas para la elaboración de LDOs son adoptadas por los fabricantes. Con ellos, se logra una caída tensión muy baja en el regulador, y con eso menos disipación de calor y mayor rendimiento.
Amplificadores de audio integrados
Del mismo modo que los amplificadores operacionales, reguladores tensión osciladores, también podemos obtener en forma de circuito integrado, amplificadores de audio.
Estos amplificadores se pueden encontrar en versiones que van desde fracciones de watts, como las utilizadas en equipos de sonido portátiles, teléfonos móviles, raditos, etc., a potentes versiones para sonido doméstico, sonido de coche, sonido ambiental con decenas o incluso cientos de watts.
Las cubiertas dependen de la potencia, ya que en un amplificador de audio analógico, como lo que mostramos, el rendimiento es bajo, y se produce una buena cantidad de calor, y se debe transferir al medio ambiente.
Así, los tipos de potencia más altos están equipados con la capacidad de ensamblar en radiadores de calor, como se muestra en la figura 15.
Recordamos que hay una tecnología digital para amplificadores de audio que tiene un rendimiento más alto y que está siendo ampliamente adoptado en equipos modernos. Estos amplificadores, clase D, llegan a tener rendimientos cercanos al 90%, mientras que en los tipos analógicos tradicionales o el rendimiento es de alrededor de 60%.
En otras palabras, un amplificador tradicional, que consume 10 W, produce 6 W de sonido y 4 W son perdidos en forma de calor. El mismo amplificador de clase D, proporciona 9 W de sonido y pierde sólo 1 W en forma de calor.
Amplificador LM386
Uno de los circuitos integrados más versátiles cuando se quieren potencias de audio de menos de 1 W, y que puede ser alimentado por baterías, es LM386.
De hecho, LM386 no es uno de los circuitos integrados más modernos que se pueden utilizar en proyectos. Sin embargo, por la facilidad con la que podemos conseguirlo, y a su bajo costo, sigue siendo el preferido cuando deseas potencias bajas en proyectos de audio.
El circuito integrado LM386 consiste en un amplificador de audio de baja potencia completo que puede ser alimentado con tensiones de 4 a 12 V, y que proporciona potencia en el rango de 250 a 700 mW, con cargas de 4 a 16 ohms .
En la figura 16 tenemos los pino de este circuito integrado que puede obtenerse con varios sufijos (que cambian sus características).
Así que el circuito que damos en la figura 17 es para el LM386-N4 (sólo) que es la versión más común de este componente. En esta figura tenemos el circuito de amplificador básico con ganancia es 20, ya que no hay control de retroalimentación externa.
Para obtener una ganancia más grande basta con utilizar un capacitor externo adicional, que nos lleva al circuito en la figura 18. Este circuito tiene una ganancia tensión de 200 veces.
El control de volumen consta de un potenciómetro de 10 K ohms para ambas versiones. La resistencia de entrada del amplificador es 50 k ohms, y la distorsión armónica total es 0,2%.
Amplificador de prueba con el TDA7052
El TDA7052 es un amplificador integrado completo de aproximadamente 1 W, que requiere sólo un capacitor y un control de volumen externo. En la figura 19 tenemos la manera de usarlo como un amplificador de prueba para la encimera. La alimentación se puede hacer con solamente 4 baterías pequeñas.
Este circuito integrado consta de dos amplificadores de audio para aplicaciones de baja potencia y alimentadas por batería. Los amplificadores se pueden utilizar por separado, para la versión estéreo, o en puente (Bridge o BTL). En las figuras 20 y 21 tenemos su asignación de pinos y dos circuitos de aplicación, que se obtuvieron en el sitio del autor. Se puede obtener más información sobre este componente descargando el datasheet.
TDA2002 de 8 Wrms
Los proyectos de interfonos, receptores de varios tipos, sirenas, sistemas de alerta, cajas amplificadas para instrumentos musicales y computadoras requieren amplificadores de audio de buena potencia. Una solución interesante es que se basa en circuitos integrados específicos que requieren pocos componentes externos, tienen un excelente rendimiento y características de potencia y distorsión de la calidad.
El TDA2002, también especificado como uPC2002, es uno de estos circuitos integrados. El TDA2002 puede proporcionar la energía que alcanza 8 Wrms o 30 Wpmpo con muy pocos componentes externos y tiene una sensibilidad de solamente 50 mV para la potencia máxima de salida. Muchos equipos comerciales utilizan este módulo tanto por su facilidad de obtención como por su bajo costo.
El circuito integrado TDA2002 es un amplificador de potencia, básicamente diseñado para aplicaciones de casetes y radios automáticas. La figura 22 muestra los pinos de este circuito integrado.
Sus principales características son:
Tensión de alimentación (Vs) ............... 8 a 18 V
Corriente quiescente (Is) ..................... 45 a 80 mA
Potencia de salida (Po)
d = 1%, RL = 2 ohms ................. 4,8 W (min)
Vs = 16 V, RL = 2 ohms ............. 10 W (tip)
Sensibilidad:
Po = 0,5 W, RL = 4 ohms .......... 15 mV
Po = 6 W, RL = 2 ohms ............. 50 mV
Respuesta de frecuencia ............. 40 a 15 000 Hz
Ganancia de tensión (Gv) .................. 80 dB (open loop)
Este componente tiene en su interior todos los componentes básicos necesarios para la elaboración de un amplificador completo. Sólo los capacitores de mayor valor de son, y la red de resistores formada por R1 y R2 que determina su ganancia. La relación entre los valores de estos componentes determina la ganancia tensión del circuito que en nuestro caso se fijó en 100 veces.
La red formada por C6 y R3 es un "bootstrap", es una red que compensa las características inductivas del altavoz con el fin de mantener la impedancia de salida constante, y con eso las características del amplificador.
La corriente requerida por el circuito a plena potencia com alimentación máxima llega a 3,5 A, lo que significa que en este caso se debe utilizar una buena fuente en su alimentación. Filtrar esta fuente también es muy importante. En la entrada de alimentación tenemos dos capacitores que deben montarse lo más cerca posible de la clavija de alimentación del circuito integrado.
El capacitor de mayor valor sirve como filtro para las variaciones de corriente cuando el amplificador opera con señales de audio. El capacitor de menor valor se utiliza para desenganchar los componentes de alta frecuencia del circuito evitando la inestabilidad, pues el condensador electrolítico, por sus características inductivas, no puede hacerlo.
La impedancia de la carga influye en la potencia, sin embargo, no puede ser inferior a 2 ohms . Con impedancias de altavoces más altas, el circuito funciona perfectamente, pero su potencia será ligeramente menor. El circuito incluye el potenciómetro de control de volumen pero, dependiendo de la aplicación, este control puede ser parte de los bloques anteriores del proyecto como preamplificador con control de tono, etc.
En la figura 23 tenemos un circuito de aplicación de este componente.
En la figura 24 disponemos de un amplificador con este circuito integrado, montado de kit vendido en el extranjero por Velleman. Observar el uso de un radiador de calor para el circuito integrado.
LM4765
Este componente presenta un THD+N menos del 0,1%. Y cada uno de los amplificadores del mismo circuito integrado puede ser controlado independientemente a través de la lógica externa.
El dispositivo tiene la protección patentada de National SPiKE. contiene varias características de protección integradas que le proporcionan una capacidad operacional segura incluso en condiciones adversas que en otros casos haría que el componente se quemara. Estas protecciones incluyen en sobretensiones, subtensión, sobrecarga de la salida, deriva termal, y picos instantáneos de la temperatura.
Desde 2011, el National Semiconductor se ha convertido en una compañía del grupo Texas Instrumentes. Por tanto, se puede acceder a más información sobre este componente, como por ejemplo el datasheet, pueden tener acceso en el sitio web de Texas Instruments (www.ti.com). Entre la información importante de datasheet, destacamos varias versiones con dibujos de placas.
El circuito integrado en una cubierta de TO-220 de 15 pinos con disposición que se muestra en la figura 25.
Otras características importantes de este amplificador son:
Pequeña cantidad de componentes externos
Gama de tensiones de la fuente de alimentación: 20 a 66 V
tiene modo standby
Potencia de salida de 2 x 30 W a 8 ohms
THD+N con 1 kHz a 30 W a 8 ohms – 0,009% (TIP)
THD+N con 2 x 25 W a 8 ohms con 1 kHz – 0,1% (máx.)
CubiertaTO-220 no aislado
En la figura 26 tenemos el típico diagrama de aplicaciones para uso con fuentes simétricas.
En la figura 27 tenemos la foto de un montaje comercial de este amplificador, obtenida en la Internet. Algunas empresas extranjeras venden el kit de este amplificador en varias versiones.
La numeración entre paréntesis es el segundo canal de audio constante del mismo circuito integrado
En la figura 28 tenemos una configuración de puente (BTL) para el mismo circuito, alimentando un único sistema de altavoces.
En este circuito tenemos la multiplicación por 4 de la potencia obtenida. Por ejemplo, con 25 W amplificadores en puente que no sólo obtener 50 W, pero 100 W. Esto ocurre, porque en este circuito la tensión en la carga se dobla y la energía es directamente proporcional al cuadrado de tensión por la fórmula:
V2
R
Donde:
P = potencia (W)
V = tensión (V)
R = resistência de carga (R)
En este caso, R es la impedancia del altavoz.
Para utilizar una fuente de alimentación simple, tenemos el circuito mostrado en la figura 29. El transistor utilizado en esta aplicación puede ser sustituido por el equivalente BC547.
Amplificadores en puente (BTL)
Un recurso muy utilizado para multiplicar la potencia de los amplificadores es su conexión en puente o BTL (Bridge Tied Load). En los automóviles, la mayoría de los sistemas de sonido emplean el sistema denominado "Trimode", en el que se pueden cambiar dos amplificadores para que operen en la versión mono o estéreo.
La conexión del puente no presenta ningún misterio importante. Como se muestra en la figura 30, dos amplificadores son conectados a la misma carga de modo que cada uno amplifica las señales, pero con fases opuestas.
De esta manera, la tensión instantánea aplicado a la carga dobla y como la potencia es proporcional al cuadrado de la tensión, la potencia se cuadruplica.
Así, dos amplificadores de 10 W rms conectados en puente no proporcionan solamente 20 W a una carga pero más bien 40 W.
Es una técnica excelente cuando la potencia máxima de un sistema es limitada por la tensión, y por la impedancia mínima que puede tener una carga, que ocurre en los sistemas de sonido automotrices.
De esta manera, la técnica de conexión de amplificadores en puente es ampliamente utilizada en los sistemas de sonido automotriz, que presentan la configuración básica que se muestra en la figura 31.
En la operación estéreo normal, cada amplificador está conectado a fuentes separadas de señales, excitando los altavoces de cada canal.
En la operación mono, un amplificador operacional actúa como un inversor, invirtiendo así la fase de la señal que será amplificada por uno de los amplificadores.
Los altavoces (o el altavoz) están conectados a continuación, a la vez, a las salidas de los dos amplificadores, recibiendo doble potencia.
Para entender cómo es posible duplicar la potencia del sistema, supongamos que cada amplificador es capaz de aplicar una señal de 10 V en una carga de 4 ohms.
Con esto, la potencia de cada canal será:
P = V2/R
P = (10 x 10) /4
P= 100/4
P = 25 w por canal o 50 W en total
Si el mismo amplificador está conectado a una carga de 4 ohms , la tensión en el altavoz fluctuará entre el máximo positivo y el máximo negativo, como se muestra en la figura 32.
Así, la tensión aplicada al altavoz será de 20 V. para una carga de 4 ohms , la potencia obtenida será:
P = V2 /R
P = (20 x 20)/4
P = 400/4
P = 100 W o 200 W en total, si se utilizan dos amplificadores en un sistema estéreo.
En la figura 33 tenemos la configuración de puente para un amplificador muy utilizado en muchos sistemas de sonido hogareño.
Vea que este ajuste tiene buenas ventajas en términos de energía obtenida, pero se utiliza solamente en sonido doméstico de la energía, porque tiene la ventaja de ser muy simples.
Contenido
Lección 12 <--