Martes, 18 Julio 2017 23:11

Regulador Lineal

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El regulador lineal, o regulador de elemento en serie, es la técnica más sencilla, más antigua y, hasta hace poco, la más frecuentemente usada. También la menos eficiente. Hasta que apareció en el mercado el transistor de alta corriente y bajo voltaje de saturación, para ser usado como interruptor, el regulador lineal era prácticamente la única forma de regular voltaje para niveles de potencia de hasta 100 W.

La idea básica de un regulador lineal es la siguiente:

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Fig 1. Regulador Lineal (Idea Básica).

El circuito de un regulador lineal básico es mostrado en la figura 2, este consiste de una resistencia eléctricamente variable en la forma de un transistor (funcionando en la región activa) en serie con la carga. Un amplificador de error sensa el voltaje de salida por medio de una red resistiva de muestreo (R1 y R2) y lo compara con un voltaje de referencia (Vref). La salida del amplificador de error controla la base del transistor por medio de un amplificador de corriente.

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Fig 2. Regulador Lineal (Circuito Básico).

La configuración es de tal manera que si el voltaje de DC de salida sube (ya sea como resultado de un voltaje de entrada o una disminución en la corriente de salida) la base del transistor en serie (Asumiendo NPN) baja en voltaje. Esto aumenta la resistencia del elemento en serie y así el voltaje de salida vuelve a bajar de manera que la muestra de voltaje iguala al voltaje de referencia. Este lazo de retroalimentación negativa trabaja en una manera similar para disminuciones en voltaje de salida debido a una caída del voltaje de entrada o un aumento en la corriente de salida. En ese caso, el voltaje de error mueve la base del elemento en serie un poco más positivo, disminuye su resistencia de colector  a emisor y aumenta el voltaje DC de salida de manera que la muestra de voltaje vuelve a igualar al voltaje de referencia.

En esencia, cualquier cambio de voltaje de entrada, debido a “ripple” del voltaje de la línea AC, cambios en el estado estable de la entrada sobre su banda de tolerancias o cambios dinámicos como resultados de cambios rápidos en la corriente de carga, es absorbido a través del elemento en serie dejando el voltaje de salida constante según lo limite la ganancia de lazo abierto del amplificador de retroalimentación.

Ventajas del Regulador Lineal

Las principales ventajas de un regulador lineal son:

  • El lazo de retroalimentación es completamente acoplado por DC. No hay elementos conmutando y, dentro del lazo, todos los niveles de voltaje DC son predecibles y calculables.
  • No hay transformadores en el lazo y no se generan picos de voltaje o corriente que causan ruido de Radio Frecuencia. Esto hace que el voltaje de salida tenga menos ruido.
  • Como no hay transistores conmutando, no hay perdidas por conmutación debido a corriente cayendo y voltaje subiendo a través del transistor.
  • Todas las pérdidas de calor son debidas a corrientes y voltajes de DC a través de los elementos y son fácilmente calculables.
  • Pocos componentes.
  • Robustos.
  • Sin generación de EMI.

Desventajas del Regulador Lineal

      Varias características de los reguladores lineales los hacen no deseables para la mayoría de las aplicaciones. Usualmente le voltaje DC crudo (rectificado) es derivado al rectificar la salida de un secundario de transformador de 60 a 50 Hz cuyo volumen y peso usualmente representan una restricción muy seria para el sistema. También, solo pueden producir un voltaje menor de un mayor y su voltaje de salida usualmente tiene una conexión DC con el voltaje de entrada. Sin embargo, muy frecuentemente es un requisito que la entrada y la salida estén aisladas. Otras desventajas es que son pesados y voluminosos y de bajo rendimiento.

Eficiencia contra voltaje de salida

      Cuando se toma en cuenta el efecto del rizado (“ripple”) hay que garantizar que el valle del rizado este a un mínimo de 2.5V sobre el voltaje de salida. A partir de esto se calcula la eficiencia o rendimiento “η”. En general, la eficiencia de un regulador lineal aumenta a mayor voltaje de salida y menor voltaje de entrada. Por supuesto, el voltaje de entrada no puede ser menor que el voltaje de salida más de 2.5V. La eficiencia disminuye si el voltaje de entrada aumenta. La figura 3 muestra cómo se realiza el cálculo del rendimiento en un regulador lineal.

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Fig 3. Calculo del Rendimiento en un Regulador Lineal.

 

 

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