Reguladores de voltaje fijo de 3 terminales - Circuitos de trabajo y aplicación

Los populares reguladores fijos de 3 terminales disponibles en la actualidad tienen la forma de IC 7805, IC 7809, IC 7812, IC 7815 e IC 7824, que corresponden a salidas de voltaje fijo de 5 V, 9 V, 12 V, 15 V y 24 V .

Estos se llaman fijos reguladores de voltaje dado que estos circuitos integrados pueden producir excelentes voltajes de salida de CC fijos y estabilizados en respuesta a un voltaje de entrada de CC no regulado mucho más alto.

Estos reguladores de voltaje monolíticos de alta gama se pueden comprar a muy bajo precio hoy en día, lo que normalmente es menos costoso y menos complicado de trabajar, en comparación con la construcción. circuito regulador discreto equivalentes.

Estos reguladores de 3 terminales son increíblemente fáciles de cablear, como se puede ver en el diagrama de circuito a continuación que demuestra el método estándar mediante el cual se implementan estos circuitos integrados.

Los tres terminales del IC están, por razones aparentes, designados con los nombres entrada, común y salida .

El suministro positivo y negativo simplemente se conectan a través de los terminales de entrada y común del IC respectivamente, mientras que el voltaje estabilizado regulado se adquiere a través de los terminales de salida y comunes.

La única parte externa discreta que se demanda opcionalmente es un condensador en los cables de entrada y salida del IC. Estos condensadores son necesarios para mejorar el nivel de regulación de salida del dispositivo y para mejorar la respuesta transitoria. Los valores de microfaradios de estos condensadores generalmente no son críticos y, por lo tanto, normalmente están entre 100 nf, 220 nf o 330 nf.

Tipos de reguladores de la serie 78XX

los tipos de voltaje fijo más populares y ampliamente utilizados , los reguladores de voltaje monolíticos son los reguladores positivos de la serie 78XX y los reguladores negativos de la serie 79XX.

Estos se encuentran con 3 especificaciones de corriente de salida. Le proporcionan 9 tipos positivos y nueve 9 tipos negativos de variantes, como se muestra en el cuadro a continuación.

Esta serie 78XX de circuitos integrados viene con clasificaciones de voltaje adicionales tanto en forma positiva como negativa. Los rangos estándar para estos reguladores 78XX son 8 V, 9 V, 10 V, 18 V, 20 V y 24 V, que corresponden a los CI 7808, 7809, 7810, 7818, 7820, 7824.

Muchos de estos dispositivos llevan caracteres de sufijo o cifras con su número impreso, según el fabricante o el tipo de marca.

Sin embargo, todos son esencialmente iguales con una calificación idéntica. Varias partes interesadas no promocionarán estos circuitos integrados por número de tipo, sino que solo señalarán sus especificaciones de polaridad, voltaje y corriente, y ocasionalmente con referencia al estilo de su paquete.

Principales características

Estos circuitos integrados cuentan con limitación de corriente incorporada y protección contra cortocircuitos para la carga de salida. En los reguladores de la serie 78XX de potencia media y alta, esta característica es generalmente del tipo plegable. La limitación de corriente de retorno es una condición en la que la corriente de salida simplemente no responde a una sobrecarga de salida debido a una limitación de corriente automática.

¿Qué es el límite de corriente de retorno?

La reacción de retroceso de un circuito limitador de corriente de retroceso se puede observar en la siguiente figura, que demuestra claramente cómo la corriente de salida se minimiza en condiciones de sobrecarga a menos del 50% de la corriente de salida ideal. La razón principal para emplear la limitación de corriente de retorno es que reduce significativamente la disipación dentro del regulador en situaciones de cortocircuito.

La respuesta de limitación de la corriente de retroceso se puede entender a partir de la siguiente explicación:

Suponga que tenemos 7805 IC con una entrada de 10 V y sufre un cortocircuito en sus terminales de salida. En esta situación, bajo un tipo de corriente normal, la salida del circuito integrado continuará generando 1 amperio de corriente dando una disipación de 10 vatios. Pero con una corriente de retroceso especial que limita, la corriente de cortocircuito puede restringirse a alrededor de 400 mA, lo que da como resultado una disipación en el dispositivo de solo 4 vatios.

Función de apagado térmico

La mayoría de los reguladores de voltaje monolíticos también cuentan con un circuito de protección de apagado térmico incorporado. Esta función ayuda a reducir la corriente de salida en caso de que el dispositivo pase por una situación de sobrecalentamiento.

Como resultado, estos tipos de circuitos integrados reguladores de voltaje son extremadamente robustos y nunca se dañan fácilmente, incluso cuando se usan incorrectamente. Dicho esto, una forma de destruirlos es mediante la aplicación de una tensión de alimentación de entrada superior al rango especificado.

Encontrará variaciones en los voltajes de entrada máximos tolerables especificados por diferentes proveedores para estos circuitos integrados del mismo tipo estándar, aunque aparentemente 25 voltios es el rango mínimo ofrecido para cualquier dispositivo de 5 voltios (7805). Los reguladores de mayor voltaje pueden manejar un mínimo de 30 voltios, mientras que para las variedades de 20 y 24 voltios el rango de entrada es de hasta 40 voltios.

Para que el circuito funcione correctamente, el voltaje de entrada debe ser más alto en 2.5 voltios que el voltaje de salida requerido, con la excepción del regulador 7805 donde se supone que el voltaje de entrada es un poco más de 2 V por encima de la salida requerida de 5 V, lo que significa que debería ser mínimo de 7 V.

Corriente en espera sin carga

La corriente de reposo o el consumo de corriente en reposo de estos circuitos integrados sin carga en la salida puede estar entre 1 y 5 mA, aunque esto puede llegar hasta 10 mA en algunas variantes de muy alta potencia.

Regulación de línea y carga

La regulación de línea para todos los circuitos integrados reguladores 78XX es menor al 1%. Es decir, el voltaje de salida puede mostrar una variación de menos del 1% independientemente de la variación del voltaje de entrada del rango de voltaje de entrada máximo y mínimo.

La regulación de carga también suele ser inferior al 1% para la mayoría de estos dispositivos. Estas características aseguran que la salida continuará proporcionando el voltaje de salida constante nominal independientemente de las condiciones de carga de salida.

La función de rechazo de ondulación para la mayoría de estos circuitos integrados reguladores se encuentra en las proximidades de 60 dB junto con un nivel de ruido de salida que puede ser inferior a 100 microvoltios.

Disipación de potencia

Cuando utilice estos circuitos integrados de regulador 78XX, debe recordar que estos circuitos integrados están clasificados para manejar solo una cantidad finita de disipación de energía. Por lo tanto, bajo la carga de salida más alta, nunca se debe permitir que el voltaje de entrada exceda unos pocos voltios por encima del límite de entrada máximo tolerable.

La disipación de potencia máxima a temperatura ambiente normal (25 grados Celsius) para los rangos de dispositivos 78XX de baja, media y alta potencia es de 0,7 vatios, 1 vatio y 2 vatios, respectivamente.

La limitación anterior podría mejorarse significativamente a 1,7 vatios, 5 vatios y 15 vatios respectivamente si los dispositivos están montados en un disipador de calor sustancialmente grande. La potencia disipada en todos estos dispositivos reguladores es proporcional a la diferencia entre los voltajes de entrada y salida, multiplicada por la corriente de salida.

Cómo aplicar el disipador de calor a los circuitos integrados 78XX

En esta situación, cuando el dispositivo está completamente cargado a alrededor de 800 mA, la disipación del dispositivo podría ser de hasta 4 vatios (0.8A x 5V = 4W).

Esto parece ser dos veces más que el PD máximo permitido de 2 vatios para el dispositivo 7815. Esto implica que los 2 vatios adicionales deben compensarse mediante un disipador de calor.

En general, hay una amplia selección de disipadores de calor disponibles en el mercado, y estos se identifican con una clasificación de un grado / vatio particular.

Esta clasificación básicamente indica el aumento de temperatura que se produce por cada vatio de potencia disipado a través del disipador de calor. Esto también indica que para un disipador de calor más grande, los grados por vatio serán proporcionalmente más bajos.

El tamaño más bajo de disipador de calor necesario para un dispositivo regulador 78xx podría determinarse de la siguiente manera.

Tenemos que averiguar principalmente la temperatura atmosférica nominal donde se utiliza el dispositivo. Excepto si es probable que el dispositivo se use en un entorno excepcionalmente cálido, una cifra de alrededor de 30 grados centígrados puede considerarse una suposición razonable.

Clasificación de temperatura segura

A continuación, puede ser esencial conocer la clasificación de temperatura máxima segura para el IC regulador 78XX específico. Para los reguladores monolíticos 78XX, este rango puede ser de 125 grados centígrados. Habiendo dicho eso, esta es en realidad la temperatura de la unión, y no la temperatura de la carcasa que el IC puede soportar.

La temperatura máxima absoluta permisible de la carcasa es de alrededor de 100 grados centígrados. Por lo tanto, es importante no permitir que la temperatura del dispositivo aumente por encima de los 70 grados centígrados (100 - 30 = 70).

Debido a que una potencia de 2 vatios puede resultar en un aumento en la temperatura de un máximo de 70 grados, un disipador de calor clasificado para disipar a 35 grados centígrados / vatio o menos (70 grados divididos por 2 vatios = 35 grados C por vatio) será bueno suficiente.

En la práctica, debería emplearse un disipador de calor relativamente más grande, ya que la transferencia de calor nunca es muy eficiente en la mayoría de los casos.

Además, para obtener una estabilidad duradera, debe asegurarse de que el dispositivo funcione idealmente a algo por debajo del rango de temperatura máxima admisible nominal.

Si es posible, asegúrese de un margen razonable de +/- 20 grados o tal vez más.

Cuando el regulador IC está encerrado dentro de un contenedor y se cubre lejos de la atmósfera libre, puede causar que el aire atrapado en el contenedor se caliente por la disipación del regulador. Esto, a su vez, podría hacer que las otras partes sensibles de la PCB funcionen en condiciones más cálidas. Tal situación podría requerir un disipador de calor más grande para el regulador IC.

Circuitos de aplicación

A continuación se puede ver un circuito de aplicación típico de una fuente de alimentación que utiliza un regulador de voltaje monolítico 78XX de voltaje fijo.

En este diseño, se utiliza un CI 7815 como CI regulador que nos proporciona alrededor de +15 voltios a aproximadamente 800 mA de corriente.

El transformador utilizado tiene una clasificación de 18-0 - 18V para el secundario con una clasificación de corriente de 1 amperio.

Está conectado a un rectificador de onda completa push-pull que proporciona un voltaje descargado de aproximadamente 27 V CC después de ser filtrado a través de C1.

Los condensadores C2 y C3 funcionan como condensadores de desacoplamiento de entrada y salida que deben conectarse relativamente más cerca del cuerpo del IC. Cuando la carga de salida esté completa, verá que el voltaje de entrada aplicado al IC1 alcanza un nivel de 19 a 20 voltios, lo que permite una diferencia de aproximadamente 5 voltios en la entrada / salida del regulador.

Cómo hacer un circuito de fuente de alimentación dual

Dado que los reguladores monolíticos 78XX de voltaje fijo se pueden comprar tanto en variantes negativas como positivas, parecen perfectos para implementar fuentes de alimentación balanceadas duales .

Cuando, por ejemplo, se necesita un suministro regulado para operar un circuito basado en amplificador operacional con suministros positivos y negativos de 12 voltios a 100 mA, se podría aplicar el diseño que se muestra en la siguiente figura.

En este ejemplo, T1 es un transformador de 15-0-15 voltios con clasificación de corriente secundaria de 200 mA o más. Puede encontrar un par de rectificadores de onda completa push-pull D2 y D3 que le dan una salida positiva.

D1 junto con D4 producen una salida negativa. El suministro positivo es filtrado por C1 mientras que la línea negativa es limpiada y filtrada por C2.

IC1 le proporciona una salida de suministro positiva regulada, mientras que IC2 funciona como un regulador de suministro negativo. C3 a C6 se colocan como condensadores de desacoplamiento para mejorar la eficiencia de salida en términos de una mejor respuesta a picos, ruido y transitorios.

Voltaje de salida más alto usando circuito regulador en serie

La configuración que se muestra arriba también se puede utilizar para obtener valores de voltaje combinados de los dos reguladores. Es decir, si el 79L12 se reemplaza con el regulador 78L12 permitirá que la salida sea de 24 V.

En tal configuración, se puede ignorar la línea de 0 V y se puede acceder a la salida de +24 V directamente a través de las líneas positivas y negativas de la salida.

Voltaje de salida más alto usando circuito de diodo en serie

En realidad, es muy fácil obtener un pequeño aumento de voltaje en la salida utilizando un diodo rectificador entre el pin de tierra del IC y la línea de tierra.

Este enfoque permite al usuario acceder a un nivel de voltaje un poco más alto que puede no obtenerse directamente de ningún dispositivo regulador listo para usar.

La técnica exacta de cableado de esta configuración se puede ver en la siguiente imagen.

En este ejemplo, hemos estimado que el voltaje de salida requerido es de aproximadamente 6 V, y lo hemos implementado a través de un regulador IC de 5 voltios aumentando la salida en 1 voltio.

Como puede verse, esta elevación de 1 V se logra de manera efectiva simplemente incorporando un par de diodos rectificadores en serie con el cable común del regulador.

Los rectificadores están conectados para asegurarse de que estén polarizados hacia adelante a través de la corriente de reposo utilizada por el regulador, y que se mueve a través de la terminal GND común del dispositivo.

Como resultado, los diodos adjuntos se comportan como diodos Zener de bajo voltaje, donde cada diodo cae alrededor de 0,5 a 0,6 voltios, lo que permite un voltaje Zener combinado de aproximadamente 1 a 1,2 voltios.

El objetivo del diseño es elevar el terminal común del regulador en 1 voltio sobre el potencial de suministro de tierra. Aquí el regulador 7805 IC en realidad estabiliza la salida nominal a 5 V por encima de la línea de tierra, por lo tanto, al elevar el terminal de tierra en alrededor de 1 V, la salida también se eleva en la misma magnitud, lo que hace que la salida también se regule a aproximadamente Nivel de 6 V. Este procedimiento funciona extremadamente bien con los tres circuitos integrados reguladores de voltaje del terminal 78XX.

Resistencia de polarización para los diodos

Sin embargo, en algunos casos, es posible que deba conectar una resistencia externa a través del GND y el pin de salida del IC para ayudar un poco más de corriente a los diodos, de modo que puedan conducir de manera óptima para los resultados esperados.

Dado que cada diodo rectificador facilitará una caída directa de alrededor de 0,65 V aproximadamente, calculando más diodos de este tipo en serie podemos lograr un nivel proporcionalmente más alto de voltaje aumentado en la salida del IC.

Sin embargo, para que esto suceda, el nivel de entrada debe ser mayor en al menos 3 V que el nivel de salida estimado final. Los diodos de silicio como el 1N4148 funcionarán bastante bien para la aplicación.

Alternativamente, si los diodos parecen engorrosos, también se podría usar un solo diodo Zener equivalente para obtener el mismo efecto, como se muestra en el siguiente ejemplo.

Dicho esto, asegúrese de que el procedimiento se implemente para obtener no más de 3 V por encima de la clasificación real del dispositivo. Más allá de este nivel, la estabilización de la salida puede verse afectada.

Aumento de la capacidad actual

Se podría implementar otra gran modificación a un regulador 78XX para lograr una mayor corriente de salida superior a la clasificación máxima del dispositivo.

A continuación se muestra un método para hacer esto.

La relación de configuración R1 y R2 indicada asegura que por cada miliamperio de corriente que pasa por R1, D1 y el regulador, un poco de corriente superior a 4 mA se desplaza a través de Tr1 y R2.

Como resultado, cuando se usa el 1 amperio completo a través de IC1, tenemos una corriente de más de 4 amperios que pasa por Tr1. Esta situación permite que el circuito entregue una corriente de salida óptima que es un poco más alta que 5 amperios.

Incluso en condiciones de sobrecarga, las corrientes a través de Tr1 e IC1 continúan teniendo una relación algo más alta que 4: 1, por lo tanto, la característica de limitación de corriente del IC continúa funcionando sin problemas.

Los circuitos de esta forma han demostrado ser innecesarios hoy en día debido a la disponibilidad de dispositivos reguladores de mayor potencia como el 78H05, 781-112, etc., que vienen con una corriente nominal máxima de 5 amperios y permiten al usuario configurarlos exactamente con la misma facilidad que las contrapartes de corriente más baja.