Ser un regulador de conmutación , este circuito es altamente eficiente y no desperdiciará ni disipará energía, a diferencia de los reguladores lineales como IC 7812, IC LM317 o IC LM338.
¿Por qué los reguladores lineales como 7812, LM317 y LM338 son malos convertidores reductores?
Los reguladores lineales como el 7812 y el LM317 se consideran convertidores reductores ineficientes debido a sus características operativas.
En un regulador lineal, el exceso de voltaje de entrada se disipa en forma de calor. Esto implica que la caída de tensión entre los terminales de entrada y salida simplemente se 'quema' como energía desperdiciada. El regulador lineal funciona actuando como una resistencia variable, ajustando su resistencia para disipar el excedente de energía y regular el voltaje de salida.
Este proceso de disipación conduce a una pérdida de potencia considerable y una baja eficiencia. La eficiencia de un regulador lineal está determinada por la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada. A medida que aumenta la diferencia de voltaje de entrada-salida, también aumenta la potencia disipada en forma de calor, que es la diferencia de voltaje multiplicada por la corriente de salida. En consecuencia, la eficiencia disminuye a medida que aumenta el diferencial de voltaje entre la entrada y la salida.
Por ejemplo, cuando se usa un regulador lineal para regular una entrada de 24 V a 12 V, el exceso de 12 V se disipa como calor. Esto puede resultar en un desperdicio de energía sustancial y requerir mecanismos de enfriamiento adicionales en aplicaciones que involucran alta potencia.
Por el contrario, los reguladores de conmutación (como convertidores de dinero ) son más eficientes para la conversión reductora. Utilizan una combinación de inductores, condensadores e interruptores para convertir el voltaje de manera eficiente.
Los reguladores de conmutación almacenan energía durante una fase del ciclo de conmutación y la entregan durante otra, minimizando así la disipación de energía en forma de calor. Según el diseño específico, los reguladores de conmutación pueden lograr eficiencias que van del 80 al 95 % o incluso más.
En resumen, si bien los reguladores lineales como el 7812 y el LM317 son sencillos y rentables, no son la opción más eficiente para la conversión reductora cuando la eficiencia energética es una preocupación importante.
Descripción del circuito
La siguiente figura muestra el diagrama básico del convertidor de 24 V a 12 V.
El regulador de conmutación utilizado es un modelo común de Motorola: el µA78S40.
La siguiente figura presenta la estructura interna de este circuito integrado, que incluye varios componentes necesarios para un regulador de conmutación: oscilador, flip-flop, comparador, fuente de referencia de voltaje, controlador y transistores de conmutación.
Además, hay un amplificador operacional que no es necesario para esta aplicación. El filtrado y el suavizado de la fuente de alimentación están a cargo de los condensadores C3 a C7.
El condensador C1 determina la frecuencia del oscilador, mientras que las resistencias R1, R5 y R6 ayudan a limitar la corriente de salida del convertidor.
El voltaje a través de la resistencia R1 es proporcional a la corriente suministrada por el convertidor.
Al establecer una diferencia de voltaje de aproximadamente 0,3 V entre los pines 13 y 14 del µA78S40, las resistencias R6 y R7 crean un divisor de voltaje, lo que permite que se produzca una limitación de corriente de alrededor de 5A.
La fuente de referencia de voltaje, desacoplada por el capacitor C2, está disponible en el pin 8 de IC1.
Este voltaje de referencia se aplica a la entrada no inversora del comparador interno de IC1. La entrada inversora se establece en un potencial proporcional al voltaje de salida del convertidor.
Para mantener un voltaje de salida constante, el comparador controla la etapa de salida de IC1.
Ambas entradas del comparador se mantienen al mismo potencial, y la tensión de salida viene dada por la siguiente fórmula:
Vs = 1,25 * [1 + (R4 + Aj1) / R5].
La resistencia ajustable Aj1 permite ajustar el voltaje de salida del convertidor en el rango de +10V a +15V.
Los dos transistores de salida forman un par Darlington y su conmutación sucesiva está controlada por el flip-flop en sincronía con las oscilaciones del condensador C1.
Combinado con una puerta AND, este flip-flop es controlado por el comparador para ajustar el tiempo de conducción de la etapa de salida del µA78S40 y mantener un voltaje de salida constante.
El estado saturado o bloqueado del transistor T1 sigue el estado del par Darlington de IC1. Cuando la etapa de salida de IC1 está saturada, el transistor T1 está polarizado y su corriente base está limitada por la resistencia R2.
La resistencia R3, junto con la resistencia R9, forma un divisor de voltaje que limita el voltaje VBE del transistor T1 al comienzo del proceso de conmutación.
El transistor T1, actuando como un modelo de Darlington, se comporta como un interruptor abierto o cerrado a la frecuencia del oscilador del µA78S40.
El inductor L1 permite la caída de tensión de 24V a 12V utilizando las propiedades de la inductancia. En estado estable, cuando el transistor T1 está saturado, se aplica un voltaje de +12 V a través del inductor L1.
Durante esta fase, la inductancia almacena energía, que libera cuando desaparece el voltaje aplicado. Así, cuando el transistor T1 está bloqueado, el inductor L1 tiende a mantener la corriente que circula por él.
El diodo D1 se vuelve conductor y aparece una fuerza contraelectromotriz de -12 V a través del inductor L1.
