Diferentes tipos de reguladores de voltaje con principio de funcionamiento

En la fuente de alimentación, los reguladores de voltaje juegan un papel clave. Entonces, antes de ir a discutir un regulador de voltaje , tenemos que saber que ¿cuál es el papel de una fuente de alimentación al diseñar un sistema ?. Por ejemplo, en cualquier sistema de trabajo como un teléfono inteligente, reloj de pulsera, computadora o computadora portátil, la fuente de alimentación es una parte esencial para que funcione el sistema búho, ya que proporciona un suministro constante, confiable y continuo a los componentes internos del sistema. En los dispositivos electrónicos, la fuente de alimentación proporciona una potencia estable y regulada para que los circuitos funcionen correctamente. Las fuentes de alimentación son de dos tipos, como la fuente de alimentación de CA que se obtiene de las tomas de corriente y la fuente de alimentación de CC que se obtiene de las baterías. Por lo tanto, este artículo analiza una descripción general de los diferentes tipos de reguladores de voltaje y su funcionamiento.

¿Qué es un regulador de voltaje?

Se utiliza un regulador de voltaje para regular los niveles de voltaje. Cuando se necesita un voltaje estable y confiable, el regulador de voltaje es el dispositivo preferido. Genera un voltaje de salida fijo que permanece constante ante cualquier cambio en un voltaje de entrada o condiciones de carga. Actúa como un amortiguador para proteger los componentes de daños. A regulador de voltaje es un dispositivo con un diseño de avance simple y utiliza bucles de control de retroalimentación negativa.

Regulador de voltaje

Existen principalmente dos tipos de reguladores de voltaje: reguladores de voltaje lineal y reguladores de voltaje de conmutación, estos se utilizan en aplicaciones más amplias. El regulador de voltaje lineal es el tipo de regulador de voltaje más sencillo. Está disponible en dos tipos, que son compactos y se utilizan en sistemas de baja potencia y baja tensión. Analicemos los diferentes tipos de reguladores de voltaje.

los componentes principales utilizados en el regulador de voltaje son

• Circuito de retroalimentación
• Voltaje de referencia estable
• Circuito de control de elemento de paso

El proceso de regulación de voltaje es muy fácil usando los tres anteriores componentes . El primer componente del regulador de voltaje, como un circuito de retroalimentación, se usa para detectar los cambios dentro de la salida de voltaje de CC. Según el voltaje de referencia y la retroalimentación, se puede generar una señal de control que impulsa el elemento de paso para compensar los cambios.

Aquí, el elemento de paso es un tipo de estado sólido dispositivo semiconductor similar a un transistor BJT, diodo de unión PN, de lo contrario un MOSFET. Ahora, la tensión de salida de CC se puede mantener aproximadamente estable.

Funcionamiento del regulador de voltaje

Se utiliza un circuito regulador de voltaje para crear y mantener un voltaje de salida permanente incluso cuando el voltaje de entrada cambia las condiciones de carga. El regulador de voltaje obtiene el voltaje de una fuente de alimentación y se puede mantener en un rango que se adapte bien al resto componentes eléctricos . Por lo general, estos reguladores se utilizan para convertir energía CC / CC, CA / CA o CA / CC.

Tipos de reguladores de voltaje y su funcionamiento

Estos reguladores se pueden implementar mediante circuitos integrados o circuitos de componentes discretos. Los reguladores de voltaje se clasifican en dos tipos, a saber, regulador de voltaje lineal y regulador de voltaje de conmutación. Estos reguladores se utilizan principalmente para regular la tensión de un sistema, sin embargo, los reguladores lineales funcionan con baja eficiencia, así como los reguladores de conmutación que funcionan con alta eficiencia. En reguladores de conmutación con alta eficiencia, la mayor parte de la potencia i / p se puede transmitir al o / p sin disipación.

Tipos de reguladores de voltaje

Básicamente, existen dos tipos de reguladores de voltaje: regulador de voltaje lineal y regulador de voltaje de conmutación.

• Hay dos tipos de reguladores de voltaje lineal: Serie y Shunt.
• Hay tres tipos de reguladores de voltaje de conmutación: reguladores de voltaje ascendente, descendente e inversor.

Reguladores de voltaje lineal

El regulador lineal actúa como divisor de voltaje. En la región óhmica, usa FET. La resistencia del regulador de voltaje varía con la carga, lo que da como resultado un voltaje de salida constante. Los reguladores de voltaje lineal son el tipo original de reguladores que se utilizan para regular las fuentes de alimentación. En este tipo de regulador, la conductividad variable del elemento de paso activo como un MOSFET o un BJT es responsable de cambiar el voltaje de salida.

Una vez que se alía una carga, los cambios en cualquier entrada, de lo contrario, la carga se traducirá en una diferencia de corriente en todo el transistor para mantener la salida constante. Para cambiar la corriente del transistor, se debe trabajar en una región óhmica activa.

A lo largo de este procedimiento, este tipo de regulador disipa mucha energía porque el voltaje neto cae dentro del transistor para disiparse como calor. Generalmente, estos reguladores se clasifican en diferentes categorías.

• Positivo Ajustable
• Negativo Ajustable
• Salida fija
• Seguimiento
• Flotante

Ventajas

los ventajas de un regulador de voltaje lineal Incluya lo siguiente.

• Da un voltaje de ondulación de salida bajo
• Tiempo de respuesta rápido para cambios de carga o línea
• Baja interferencia electromagnética y menos ruido.

Desventajas

los desventajas de un regulador de voltaje lineal Incluya lo siguiente.

• La eficiencia es muy baja
• Requiere un gran espacio; se necesita un disipador de calor
• No se puede aumentar el voltaje por encima de la entrada

Reguladores de voltaje en serie

Un regulador de voltaje en serie utiliza un elemento variable colocado en serie con la carga. Al cambiar la resistencia de ese elemento en serie, se puede cambiar el voltaje que cae a través de él. Y el voltaje a través de la carga permanece constante.

La cantidad de corriente consumida es utilizada efectivamente por la carga, esta es la principal ventaja de la regulador de voltaje en serie . Incluso cuando la carga no requiere corriente, el regulador en serie no consume toda la corriente. Por lo tanto, un regulador en serie es considerablemente más eficiente que un regulador de voltaje en derivación.

Reguladores de voltaje de derivación

Una derivación regulador de voltaje funciona proporcionando un camino desde el voltaje de suministro hasta el suelo a través de una resistencia variable. La corriente a través del regulador de derivación se ha desviado de la carga y fluye inútilmente al suelo, por lo que esta forma suele ser menos eficiente que el regulador en serie. Sin embargo, es más simple, a veces consiste en solo un diodo de referencia de voltaje, y se usa en circuitos de muy baja potencia en los que la corriente desperdiciada es demasiado pequeña para ser motivo de preocupación. Esta forma es muy común para los circuitos de referencia de voltaje. Un regulador de derivación generalmente solo puede absorber (absorber) corriente.

Aplicaciones de los reguladores de derivación

Los reguladores de derivación se utilizan en:

• Fuentes de alimentación conmutadas de bajo voltaje de salida
• Circuitos de fuente y sumidero de corriente
• Amplificadores de error
• Voltaje o corriente ajustable lineal y de conmutación Fuentes de alimentación
• Monitoreo de voltaje
• Circuitos analógicos y digitales que requieren referencias de precisión
• Limitadores de corriente de precisión

Reguladores de voltaje de conmutación

Un regulador de conmutación enciende y apaga rápidamente un dispositivo en serie. El ciclo de trabajo del interruptor establece la cantidad de carga transferida a la carga. Esto se controla mediante un mecanismo de retroalimentación similar al de un regulador lineal. Los reguladores de conmutación son eficientes porque el elemento en serie es totalmente conductor o está apagado porque casi no disipa energía. Los reguladores de conmutación pueden generar voltajes de salida que son más altos que el voltaje de entrada o de polaridad opuesta, a diferencia de los reguladores lineales.

El regulador de voltaje de conmutación se enciende y apaga rápidamente para alterar la salida. Requiere un oscilador de control y también carga componentes de almacenamiento.

En un regulador de conmutación con frecuencia variable de modulación de frecuencia de pulso, ciclo de trabajo constante y espectro de ruido impuesto por PRM varía, es más difícil filtrar ese ruido.

Un regulador de conmutación con Modulación de ancho de pulso , frecuencia constante, ciclo de trabajo variable, es eficiente y fácil de filtrar el ruido.
En un regulador de conmutación, la corriente de modo continuo a través de un inductor nunca cae a cero. Permite la mayor potencia de salida. Da un mejor rendimiento.

En un regulador de conmutación, la corriente de modo discontinuo a través del inductor cae a cero. Ofrece un mejor rendimiento cuando la corriente de salida es baja.

Cambio de topologías

Tiene dos tipos de topologías: Aislamiento dieléctrico y No aislamiento.

Aislado

Se basa en radiaciones y ambientes intensos. Nuevamente, los convertidores aislados se clasifican en dos tipos que incluyen lo siguiente.

• Convertidores Flyback
• Convertidores directos

En la lista anterior, los convertidores aislados se tratan en el tema de la fuente de alimentación en modo conmutado.

Sin aislamiento

Se basa en pequeños cambios en Vout / Vin. Algunos ejemplos son el regulador de voltaje Step Up (Boost) - Aumenta el voltaje de entrada Step Down (Buck) - reduce el voltaje de entrada Step up / Step Down (boost / buck) Regulador de voltaje - Disminuye o aumenta o invierte el voltaje de entrada según el controlador Bomba de carga - Proporciona múltiplos de entrada sin utilizar un inductor.

Nuevamente, los convertidores no aislados se clasifican en diferentes tipos, sin embargo, los más importantes son

• Convertidor reductor o regulador de voltaje reductor
• Convertidor de refuerzo o regulador de voltaje elevador
• Convertidor Buck o Boost

Ventajas de las topologías de conmutación

Las principales ventajas de una fuente de alimentación conmutada son la eficiencia, el tamaño y el peso. También es un diseño más complejo, que es capaz de manejar una mayor eficiencia energética. Un regulador de voltaje de conmutación puede proporcionar una salida, que es mayor o menor que o que invierte el voltaje de entrada.

Desventajas de topologías de conmutación

• Voltaje de ondulación de salida más alto
• Tiempo de recuperación transitorio más lento
• EMI produce una salida muy ruidosa
• Muy caro

Los convertidores de conmutación elevadora, también llamados reguladores de conmutación de refuerzo, proporcionan una salida de voltaje más alta al elevar el voltaje de entrada. El voltaje de salida está regulado, siempre que la potencia se extraiga dentro de la especificación de potencia de salida del circuito. Para la conducción de cadenas de LED, se utiliza el regulador de voltaje de conmutación Step up.

Reguladores de voltaje elevador

Suponga que el circuito sin pérdidas Pin = Pout (las potencias de entrada y salida son las mismas)

Entonces V_enI_en= V_fueraI_fuera,

I_fuera/ I_en= (1-D)

De esto se infiere que en este circuito

• Los poderes siguen siendo los mismos
• Aumenta el voltaje
• Disminuye la corriente
• Equivalente a transformador DC

Regulador de voltaje reductor (reductor)

Reduce el voltaje de entrada.

Reguladores reductores de voltaje

Si la potencia de entrada es igual a la potencia de salida, entonces

PAG_en= P_fueraV_enI_en= V_fueraI_fuera,

I_fuera/ I_en= V_en/ V_fuera= 1 / D

El convertidor reductor es equivalente a un transformador de CC en el que la relación de vueltas está en el rango de 0-1.

Step Up / Step Down (Boost / Buck)

También se le llama inversor de voltaje. Al usar esta configuración, es posible aumentar, disminuir o invertir el voltaje según el requisito.

• El voltaje de salida es de polaridad opuesta a la de entrada.
• Esto se logra mediante el diodo de polarización inversa de polarización directa VL durante los tiempos de inactividad, produciendo corriente y cargando el condensador para la producción de voltaje durante los tiempos de inactividad.
• Al utilizar este tipo de regulador de conmutación, se puede lograr una eficiencia del 90%.

Reguladores de voltaje Step Up / Step Down

Reguladores de voltaje del alternador

Los alternadores producen la corriente necesaria para satisfacer las demandas eléctricas de un vehículo cuando el motor funciona. También repone la energía que se utiliza para arrancar el vehículo. Un alternador tiene la capacidad de producir más corriente a velocidades más bajas que los generadores de CC que alguna vez fueron utilizados por la mayoría de los vehículos. El alternador tiene dos partes

Regulador de voltaje del alternador

Estator - Este es un componente estacionario, que no se mueve. Contiene un conjunto de conductores eléctricos enrollados en bobinas sobre un núcleo de hierro.
Rotor / Armadura - Este es el componente móvil que produce un campo magnético giratorio por cualquiera de las siguientes tres formas: (i) inducción (ii) imanes permanentes (iii) usando un excitador.

Regulador de voltaje electrónico

Se puede hacer un regulador de voltaje simple a partir de una resistencia en serie con un diodo (o una serie de diodos). Debido a la forma logarítmica de las curvas V-I del diodo, el voltaje a través del diodo cambia solo ligeramente debido a cambios en la corriente consumida o cambios en la entrada. Cuando el control de voltaje y la eficiencia precisos no son importantes, este diseño puede funcionar bien.

Regulador de voltaje electrónico

Regulador de voltaje de transistor

Los reguladores de voltaje electrónicos tienen una fuente de referencia de voltaje estable que es proporcionada por el diodo Zener , que también se conoce como diodo de funcionamiento de voltaje de ruptura inversa. Mantiene una tensión de salida CC constante. El voltaje de ondulación de CA está bloqueado, pero el filtro no se puede bloquear. El regulador de voltaje también tiene un circuito adicional para protección contra cortocircuitos y circuito limitador de corriente, protección contra sobrevoltaje y apagado térmico.

Parámetros básicos de reguladores de voltaje

• Los parámetros básicos que se deben tener en cuenta al operar un regulador de voltaje incluyen principalmente el voltaje i / p, el voltaje o / p y la corriente o / p. Generalmente, todos estos parámetros se utilizan principalmente para determinar el tipo de VR topología coincide o no con el IC de un usuario.
• Otros parámetros de este regulador son la frecuencia de conmutación, la resistencia térmica del voltaje de retroalimentación de corriente en reposo puede ser aplicable según el requisito
• La corriente de reposo es significativa una vez que la eficiencia en todos los modos de espera o carga ligera es la principal preocupación.
• Una vez que la frecuencia de conmutación se considera un parámetro, explotar la frecuencia de conmutación puede conducir a las soluciones de un sistema pequeño. Además, la resistencia térmica puede ser peligrosa para eliminar el calor del dispositivo y disolver el calor del sistema.
• Si el controlador tiene un MOSFET, luego todos los conductores y dinámicos pérdidas se disipará dentro del paquete y debe considerarse una vez que se mide la temperatura máxima del regulador.
• El parámetro más importante es el voltaje de retroalimentación, ya que decide la menor tensión o / p que puede contener el IC. Esto restringe la menor tensión o / py la precisión afectará la regulación de la tensión de salida.

¿Cómo elegir el regulador de voltaje correcto?

• Los parámetros clave juegan un papel clave al seleccionar el regulador de voltaje por parte del diseñador, como Vin, Vout, Iout, prioridades del sistema, etc. Algunas características clave adicionales como habilitar el control o buena indicación de potencia.
• Cuando el diseñador haya descrito estas necesidades, utilice una tabla de búsqueda paramétrica para descubrir el mejor aparato para satisfacer las necesidades preferidas.
• Para los diseñadores, esta tabla es muy valiosa porque proporciona varias características, así como paquetes que se pueden obtener para cumplir con los parámetros necesarios para los requisitos de un diseñador.
• Los dispositivos de MPS están disponibles con sus hojas de datos que describen en detalle las partes externas requeridas, cómo medir sus valores para obtener un diseño estable, eficiente con alto rendimiento.
• Esta hoja de datos ayuda principalmente a medir los valores de componentes como la capacitancia de salida, la resistencia de retroalimentación, la inductancia o / p, etc.
• Además, puede utilizar algunas herramientas de simulación como el software MPSmart / DC / DC Designer, etc. MPS proporciona diferentes reguladores de voltaje con una variedad lineal compacta de tipos eficientes y de conmutación como la familia MP171x, la familia HF500-x, MPQ4572-AEC1 , MP28310, MP20056 y MPQ2013-AEC1.

Limitaciones / inconvenientes

Las limitaciones de los reguladores de voltaje incluyen lo siguiente.

• Una de las principales limitaciones del regulador de voltaje es que son ineficientes debido a la disipación de una gran corriente en algunas aplicaciones.
• La caída de voltaje de este IC es similar a un resistor caída de voltaje. Por ejemplo, cuando la entrada del regulador de voltaje es de 5 V y genera una salida como 3 V, la caída de voltaje entre los dos terminales es de 2 V.
• La eficiencia del regulador se puede restringir a 3V o 5V, lo que significa que estos reguladores son aplicables con menos diferenciales Vin / Vout.
• En cualquier aplicación, es muy importante considerar la disipación de potencia esperada para un regulador, porque cuando los voltajes de entrada son altos, la disipación de potencia será alta y puede dañar diferentes componentes debido al sobrecalentamiento.
• Otra limitación es que simplemente son capaces de conversión de reducción en comparación con los tipos de conmutación porque estos reguladores proporcionarán reducción y conversión.
• Los reguladores como el tipo de conmutación son altamente eficientes, sin embargo, tienen algunos inconvenientes como la rentabilidad en comparación con los reguladores de tipo lineal, más complejos, de gran tamaño y pueden generar más ruido si sus componentes exteriores no se eligen con cautela.

Se trata de diferentes tipos de reguladores de voltaje y su principio de funcionamiento. Creemos que la información proporcionada en este artículo es útil para comprender mejor este concepto. Además, para cualquier consulta relacionada con este artículo o cualquier ayuda para implementar proyectos eléctricos y electrónicos , puede acercarse a nosotros comentando en la sección de comentarios a continuación. Aquí tiene una pregunta: ¿Dónde usaremos un regulador de voltaje de alternador?