Que Es Un Regulador de tensión en serie O Regulador De Paso En Serie

El regulador de tensión en serie o, como se denomina a veces, el regulador de paso en serie es el enfoque más utilizado para proporcionar la regulación final de la tensión en una fuente de alimentación regulada linealmente.

El regulador lineal en serie proporciona un alto nivel de rendimiento, especialmente cuando se requiere un bajo nivel de ruido, rizado y transitorios en la salida regulada.

Existe una buena variedad de circuitos que utilizan componentes electrónicos discretos que proporcionan una regulación lineal con un elemento de paso en serie y, además, prácticamente todos los CI de reguladores lineales utilizan este enfoque.

Esto significa que hay muchas opciones de reguladores de tensión en serie que se abren al emprender el diseño del circuito electrónico de una fuente de alimentación.

Índice()

    Conceptos básicos de los reguladores de tensión en serie

    El regulador de tensión en serie o regulador de tensión de paso en serie utiliza un elemento variable colocado en serie con la carga. Cambiando la resistencia del elemento en serie, se puede variar la tensión que cae a través de él para asegurar que la tensión a través de la carga permanezca constante.

    Conceptos básicos de los reguladores de tensión en serie

    La ventaja del regulador de tensión en serie es que la cantidad de corriente consumida es efectivamente la utilizada por la carga, aunque una parte será consumida por cualquier circuito asociado al regulador.

    A diferencia del regulador de tensión en derivación, el regulador en serie no consume toda la corriente incluso cuando la carga no requiere ninguna corriente. Como resultado, el regulador de tensión en serie es considerablemente más eficiente.

    En lugar de consumir la corriente no requerida por la carga para mantener la tensión, reduce la diferencia de tensión entre la tensión de entrada y la tensión estabilizada requerida.

    Para mantener un nivel de regulación suficiente y rechazar el ruido y los transitorios que pueda haber en la tensión de entrada, los reguladores de tensión lineales en serie tienen que reducir una tensión importante.

    Muchos reguladores de tensión de alta calidad y bajo ruido y ondulación necesitan varios voltios a través del elemento regulador en serie. Esto significa que se disipan niveles significativos de potencia en este componente, y se requiere una buena capacidad de disipación de calor para el dispositivo regulador de paso en serie y también para la fuente de alimentación en su conjunto.

    Lee: Que Es Una Fuente De Alimentación Lineal - Suavización, Rectificador. Ventajas Y Desventajas

    Aunque un regulador en serie es considerablemente más eficiente que un regulador en derivación, es considerablemente menos eficiente que una fuente de alimentación conmutada. La eficiencia de un regulador de tensión en serie y de cualquier fuente de alimentación lineal que lo utilice dependerá de la carga, etc., pero a menudo se alcanzan niveles de eficiencia inferiores al 50%, mientras que las fuentes de alimentación conmutadas pueden alcanzar niveles superiores al 90%.

    Los reguladores de tensión en serie tienen niveles de eficiencia relativamente bajos en comparación con una fuente de alimentación conmutada, pero tienen las ventajas de la simplicidad y también su salida está libre de los picos de conmutación que se ven en algunas fuentes conmutadas, aunque los SMPS están mejorando y el rendimiento de muchos es excepcionalmente bueno hoy en día.

    Regulador de tensión simple de seguidor de emisor

    El diseño del circuito electrónico de un regulador de tensión simple de seguidor de emisor es muy sencillo. Este circuito no se utiliza mucho por sí solo en una fuente de alimentación lineal, pero puede utilizarse dentro de otros equipos para proporcionar una tensión descendente, etc., a partir de un raíl de tensión superior.

    Regulador de tensión simple de seguidor de emisor

    El circuito utiliza un único transistor de paso en forma de configuración de seguidor de emisor, y un único diodo Zener u otro diodo regulador de tensión accionado por una resistencia desde la fuente no regulada.

    Esto proporciona una forma simple de sistema de retroalimentación para asegurar que el voltaje Zener se mantiene en la salida, aunque con una reducción de voltaje igual a la tensión de unión de emisor de la base - 0,6 voltios para un transistor de silicio.

    Es muy sencillo diseñar un circuito regulador de tensión de paso en serie como éste. Conociendo la corriente máxima requerida por la carga, es posible calcular la corriente máxima de emisor. Esto se consigue dividiendo la corriente de carga, es decir, la corriente de emisor del transistor por la Β o hfe del transistor.

    El diodo Zener generalmente necesitará un mínimo de unos 10mA para que un Zener pequeño mantenga su tensión regulada. La resistencia debe calcularse entonces para proporcionar la corriente de accionamiento de la base y la corriente Zener mínima a partir del conocimiento de la tensión no regulada, la tensión Zener y la corriente necesaria.

    (Tensión no regulada - Tensión Zener ) / corriente]. Debe añadirse un pequeño margen a la corriente para asegurar que hay suficiente margen cuando la carga, y por tanto la base del transistor, está tomando toda la corriente.

    La capacidad de disipación de potencia del diodo Zener debe calcularse para el caso en que la corriente de carga, y por tanto la corriente de base, sea nula. En este caso, el diodo Zener deberá tomar toda la corriente que pasa la resistencia en serie.

    A veces se puede colocar un condensador a través del diodo Zener o del diodo de referencia de tensión para ayudar a eliminar el ruido y los transitorios de tensión que puedan producirse.

    Muestreo de la salida

    El sencillo circuito regulador de tensión en serie de seguidor de emisor comparaba directamente la salida con la referencia de tensión. De este modo, la tensión de salida era igual a la de la referencia, despreciando la caída de tensión del emisor de la base.

    Sin embargo, es posible mejorar el rendimiento del regulador de tensión muestreando una parte de la tensión de salida y comparándola con la referencia. Para esta función se puede utilizar un amplificador diferencial como un amplificador operacional.

    Si se hace esto, entonces la tensión de salida se hace mayor que la tensión de referencia ya que la retroalimentación negativa en el circuito lucha por mantener las dos tensiones comparadas iguales.

    Si, por ejemplo, la tensión de referencia es de 5 voltios y el muestreo o divisor de potencial proporciona el 50% de la tensión de salida, entonces la tensión de salida se mantendrá en 10 voltios.

    Muestreo de la salida

    La división de potencial o el muestreo pueden hacerse variables, y de este modo, la tensión de salida puede ajustarse al valor deseado. Normalmente, este método sólo se utiliza para pequeños ajustes, ya que el nivel mínimo de salida que se obtiene con este método es una salida igual a la tensión de referencia.

    Hay que recordar que el uso de un divisor de potencial tiene el efecto de reducir la ganancia del bucle de realimentación. Esto tiene el efecto de reducir la ganancia del bucle y, por lo tanto, de reducir el rendimiento de la regulación. Normalmente hay suficiente ganancia de bucle para que esto no sea un problema importante, excepto cuando sólo se muestrea una proporción muy pequeña de la salida.

    También hay que tener cuidado de no aumentar la tensión de la salida hasta un punto en el que el regulador no tenga suficiente caída a través de ella para regular la tensión de salida suficientemente.

    Regulador de paso en serie con realimentación

    Para mejorar el rendimiento de un simple seguidor de emisor, es posible añadir una red de realimentación más sofisticada al circuito regulador de tensión. Esto se consigue muestreando la salida, comparándola con una referencia y utilizando algún tipo de amplificador diferencial para retroalimentar la diferencia y corregir los errores.

    Es posible utilizar un simple circuito de dos transistores para un regulador de paso en serie con detección de tensión y retroalimentación. Aunque es bastante sencillo utilizar un amplificador operacional, que proporcionará mayores niveles de realimentación y, por tanto, una mejor regulación, este circuito de dos transistores ilustra bien los principios.

    Regulador de paso en serie con realimentación

    En este circuito TR1 forma el transistor de paso en serie. El segundo transistor, TR2, actúa como amplificador diferencial, alimentando la tensión de error entre el diodo de referencia y la tensión de salida detectada, que es una proporción de la tensión de salida ajustada por el potenciómetro. La resistencia R1 proporciona la corriente para el colector de TR2 y el diodo de referencia de tensión ZD1.

    Referencia de tensión

    Cualquier regulador de tensión lineal sólo puede ser tan bueno como la referencia de tensión que se utiliza como base de la comparación dentro del sistema. Aunque en teoría se podría utilizar una batería, esto no es satisfactorio para la mayoría de las aplicaciones. En su lugar, se utilizan casi universalmente referencias basadas en diodos Zener.

    Los reguladores y referencias de circuitos integrados utilizan sofisticadas combinaciones de transistores y resistencias en el chip para obtener fuentes de referencia de tensión precisas y compensadas por la temperatura.

    La referencia de tensión debe ser accionada desde la alimentación no regulada. No puede tomarse de la salida regulada porque hay problemas de puesta en marcha. En el momento de la puesta en marcha no hay salida y, por tanto, la salida de referencia será cero y se mantendrá hasta que la referencia se ponga en marcha.

    Referencia de tensión

    A menudo, la salida de la fuente de referencia se alimenta a través de un divisor de potencial. Esto no sólo reduce la tensión de salida, que normalmente es muy útil, sino que también permite añadir un condensador a la salida para ayudar a eliminar cualquier ondulación o ruido que pueda estar presente. La tensión reducida también es útil porque la tensión mínima de salida se rige por la tensión de referencia.

    Reguladores de tensión en serie de baja caída

    Una de las consideraciones de cualquier regulador es la tensión que debe colocarse a través del elemento de paso en serie. A menudo, en el caso de los reguladores lineales, se requiere una caída significativa a través del elemento de paso en serie para lograr la mejor regulación y el rechazo del ruido. Por ejemplo, un regulador lineal con una salida de 12 voltios puede estar diseñado para tener una tensión de entrada de 18 voltios o más.

    Con cualquier regulador lineal hay un voltaje mínimo que se requiere a través del elemento en serie antes de que el regulador "caiga". Este voltaje de caída puede verse en muchos circuitos integrados de reguladores lineales.

    Lee: Que Son Los Transformadores Monofásicos. Tipos, Usos Y Función

    En algunos circuitos, tener un regulador de baja caída es importante. Si la tensión de entrada disponible no es particularmente alta, tener un regulador lineal de baja caída puede ser importante. Tendrá que regular bien, a pesar de tener una tensión limitada a través de él.

    Aunque los circuitos mostrados aquí son simples circuitos de transistores, los mismos principios se utilizan en circuitos más grandes y también en circuitos integrados. Los mismos conceptos de reguladores de paso en serie, así como los circuitos de diodos de referencia, el muestreo y otras áreas, utilizan los mismos elementos.

    Los conceptos utilizados aquí se emplean prácticamente en fuentes de alimentación reguladas lineales que pueden ofrecer muy buenos niveles de rendimiento. Las fuentes de alimentación reguladas lineales son más grandes y pesadas que las fuentes de alimentación conmutadas, sin embargo tienen fama de tener poco ruido y una buena regulación en la salida, libre de los picos que tienen algunas fuentes conmutadas.

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