Circuitos reguladores de voltaje que usan transistor y diodo Zener

En este artículo, analizaremos exhaustivamente cómo hacer circuitos reguladores de voltaje transistorizados personalizados en modos fijos y también en modos variables.

Todos los circuitos de suministro de energía lineal que están diseñados para producir un estabilizado, Voltaje constante y la salida de corriente incorporan fundamentalmente etapas de transistor y diodo Zener para obtener las salidas reguladas requeridas.

Estos circuitos que usan partes discretas pueden tener la forma de voltaje fijo o constante permanentemente, o voltaje de salida ajustable estabilizado.

Regulador de voltaje más simple

Probablemente, el tipo más simple de regulador de voltaje es el estabilizador de derivación Zener, que funciona mediante el uso de un diodo Zener básico para la regulación, como se muestra en la Figura siguiente.

Los diodos Zener tienen una tensión nominal equivalente a la tensión de salida prevista, que puede coincidir estrechamente con el valor de salida deseado.

Siempre que la tensión de alimentación esté por debajo del valor nominal de la tensión zener, presenta una resistencia máxima en el rango de muchos megaohmios, lo que permite que la alimentación pase sin restricciones.

Sin embargo, en el momento en que el voltaje de suministro aumenta por encima del valor nominal de 'voltaje zener', se desencadena una caída significativa en su resistencia, lo que hace que el sobrevoltaje se desvíe a tierra a través de él, hasta que el suministro cae o alcanza el nivel de voltaje zener.

Debido a esta derivación repentina, la tensión de alimentación cae y alcanza el valor zener, lo que hace que la resistencia zener aumente nuevamente. Luego, el ciclo continúa rápidamente asegurando que el suministro permanezca estabilizado en el valor zener nominal y nunca se permita que supere este valor.

Para obtener la estabilización anterior, el suministro de entrada debe ser un poco más alto que el voltaje de salida estabilizado requerido.

El exceso de voltaje por encima del valor zener hace que se activen las características internas de 'avalancha' del zener, lo que provoca un efecto de derivación instantáneo y una caída del suministro hasta que alcanza el valor nominal del zener.

Esta acción continúa infinitamente asegurando un voltaje de salida fijo estabilizado equivalente a la clasificación Zener.

Ventajas del estabilizador de voltaje Zener

Los diodos Zener son muy útiles cuando se requiere una regulación de voltaje constante y baja corriente.

Los diodos Zener son fáciles de configurar y pueden usarse para obtener una salida estabilizada razonablemente precisa en todas las circunstancias.

Solo requiere una única resistencia para configurar una etapa reguladora de voltaje basada en diodos Zener, y se puede agregar rápidamente a cualquier circuito para obtener los resultados deseados.

Desventajas de los reguladores estabilizados Zener

Aunque una fuente de alimentación estabilizada con Zener es un método rápido, fácil y eficaz para lograr una salida estabilizada, incluye algunos inconvenientes graves.

• La corriente de salida es baja, lo que puede soportar altas cargas de corriente en la salida.
• La estabilización puede ocurrir solo para diferencias de entrada / salida bajas. Lo que significa que el suministro de entrada no puede ser demasiado alto que el voltaje de salida requerido. De lo contrario, la resistencia de carga puede disipar una gran cantidad de energía y hacer que el sistema sea muy ineficiente.
• El funcionamiento del diodo Zener generalmente se asocia con la generación de ruido, que puede afectar críticamente el rendimiento de circuitos sensibles, como los diseños de amplificadores de alta fidelidad y otras aplicaciones vulnerables similares.

Uso de 'diodo Zener amplificado'

Esta es una versión zener amplificada que utiliza un BJT para crear un zener variable con capacidad mejorada de manejo de potencia.

Imaginemos que R1 y R2 tienen el mismo valor, lo que crearía un nivel de sesgo suficiente en la base BJT y permitiría que BJT se comportara de manera óptima. Dado que el requisito mínimo de voltaje directo del emisor base es 0,7 V, el BJT conducirá y desviará cualquier valor que esté por encima de 0,7 V o como máximo 1 V, dependiendo de las características específicas del BJT utilizado.

Entonces la salida se estabilizará en 1 V aproximadamente. La potencia de salida de este 'zener variable amplificado' dependerá de la potencia nominal del BJT y del valor de la resistencia de carga.

Sin embargo, este valor se puede cambiar o ajustar fácilmente a algún otro nivel deseado, simplemente cambiando el valor R2. O más simplemente reemplazando R2 con un bote. El rango de los potenciómetros R1 y R2 puede oscilar entre 1K y 47K, para obtener una salida suavemente variable desde 1V hasta el nivel de suministro (24V máx.). Para mayor precisión, puede aplicar la siguiente fórmula de divisor de volatilidad:

Voltaje de salida = 0.65 (R1 + R2) / R2

Inconveniente del amplificador Zener

Una vez más, el inconveniente de este diseño es una alta disipación que aumenta proporcionalmente a medida que aumenta la diferencia de entrada y salida.

Para configurar correctamente el valor de la resistencia de carga en función de la corriente de salida y la alimentación de entrada, los siguientes datos se pueden aplicar de forma adecuada.

Suponga que el voltaje de salida requerido es de 5 V, la corriente requerida es de 20 mA y la entrada de suministro es de 12 V. Luego, utilizando la ley de Ohm, tenemos:

Resistencia de carga = (12-5) / 0.02 = 350 ohmios

potencia = (12 - 5) x 0.02 = 0.14 vatios o simplemente 1/4 vatio será suficiente.

Circuito regulador de transistor en serie

Esencialmente, un regulador en serie que también se llama transistor de paso en serie es una resistencia variable creada usando un transistor conectado en serie con una de las líneas de suministro y la carga.

La resistencia del transistor a la corriente se ajusta automáticamente según la carga de salida, de modo que la tensión de salida permanece constante en el nivel deseado.

En un circuito regulador en serie, la corriente de entrada debe ser ligeramente mayor que la corriente de salida. Esta pequeña diferencia es la única magnitud de corriente que utiliza el circuito regulador por sí solo.

Ventajas del regulador en serie

La principal ventaja de un circuito regulador en serie en comparación con un regulador de tipo derivación es su mejor eficiencia.

Esto da como resultado una disipación mínima de energía y un desperdicio a través del calor. Debido a esta gran ventaja, los reguladores de transistores en serie son muy populares en aplicaciones de reguladores de voltaje de alta potencia.

Sin embargo, esto se puede evitar cuando el requerimiento de energía es muy bajo, o cuando la eficiencia y la generación de calor no se encuentran entre los problemas críticos.

Básicamente, un regulador en serie podría simplemente incorporar un regulador de derivación Zener, cargando un circuito de búfer seguidor de emisor, como se indicó anteriormente.

Puede encontrar una ganancia de voltaje unitaria siempre que se emplee una etapa de seguidor de emisor. Esto significa que cuando se aplica una entrada estabilizada a su base, generalmente también lograremos una salida estabilizada del emisor.

Debido a que podemos obtener una ganancia de corriente más alta del seguidor del emisor, se puede esperar que la corriente de salida sea mucho más alta en comparación con la corriente de base aplicada.

Por lo tanto, incluso cuando la corriente base es de alrededor de 1 o 2 mA en la etapa de derivación zener, que también se convierte en el consumo de corriente en reposo del diseño, la corriente de salida de 100 mA podría estar disponible en la salida.

La corriente de entrada se suma a la corriente de salida junto con 1 o 2 mA utilizados por el estabilizador zener, por lo que la eficiencia alcanzada alcanza un nivel sobresaliente.

Dado que, el suministro de entrada al circuito tiene la capacidad nominal suficiente para lograr el voltaje de salida esperado, la salida puede ser prácticamente independiente del nivel de suministro de entrada, ya que este está directamente regulado por el potencial base de Tr1.

El diodo Zener y el condensador de desacoplamiento desarrollan un voltaje perfectamente limpio en la base del transistor, que se replica en la salida generando una volatilidad prácticamente libre de ruido.

Esto permite que este tipo de circuitos tengan la capacidad de entregar salidas con una ondulación y ruido sorprendentemente bajos sin incluir condensadores de suavizado enormes, y con un rango de corriente que puede llegar a ser de 1 amperio o incluso más.

En lo que respecta al nivel de voltaje de salida, este puede no ser exactamente igual al voltaje zener conectado. Esto se debe a que existe una caída de voltaje de aproximadamente 0,65 voltios entre la base y los cables del emisor del transistor.

En consecuencia, esta caída debe deducirse del valor de voltaje zener para poder lograr el voltaje de salida mínimo del circuito.

Lo que significa que si el valor zener es 12,7 V, entonces la salida en el emisor del transistor podría ser de alrededor de 12 V, o por el contrario, si el voltaje de salida deseado es 12 V, entonces el voltaje zener debe seleccionarse para que sea 12,7 V.

La regulación de este circuito regulador en serie nunca será idéntica a la regulación del circuito zener, porque el seguidor del emisor simplemente no puede poseer impedancia de salida cero.

Y la caída de voltaje a través de la etapa tiene que aumentar marginalmente en respuesta al aumento de la corriente de salida.

Por otro lado, se podría esperar una buena regulación cuando la corriente zener multiplicada por la ganancia de corriente del transistor alcanza un mínimo de 100 veces la corriente de salida más alta esperada.

Regulador en serie de alta corriente con transistores Darlington

Para lograr esto precisamente, esto a menudo implica que se deben usar unos pocos transistores, pueden ser 2 o 3 para que podamos lograr una ganancia satisfactoria en la salida.

Un circuito fundamental de dos transistores que aplica un seguidor emisor El par de Darlington que se indica en las siguientes figuras muestra la técnica de aplicar 3 BJT en una configuración de seguidor de emisor Darlington.

Observe que, al incorporar un par de transistores, se produce una caída de voltaje mayor en la salida de aproximadamente 1.3 voltios, a través de la base del primer transistor a la salida.

Esto se debe al hecho de que se eliminan aproximadamente 0,65 voltios de cada uno de los transistores. Si se considera un circuito de tres transistores, esto podría significar una caída de voltaje ligeramente por debajo de 2 voltios en la base del primer transistor y la salida, y así sucesivamente.

Regulador de voltaje de emisor común con retroalimentación negativa

A veces se ve una buena configuración en diseños específicos que tienen un par de amplificadores de emisor común , con una retroalimentación negativa neta del 100 por ciento.

Esta configuración se demuestra en la siguiente figura.

A pesar del hecho de que las etapas de emisor común normalmente tienen un grado sustancial de ganancia de voltaje, esta puede no ser la situación en este caso.

Es debido a la retroalimentación negativa del 100% que se coloca a través del colector del transistor de salida y el emisor del transistor controlador. Esto facilita que el amplificador logre una ganancia de una unidad exacta.

Ventajas del regulador de emisor común con retroalimentación

Esta configuración funciona mejor en comparación con una Par Darlington reguladores basados ​​en seguidor de emisor debido a su caída de voltaje reducida a través de los terminales de entrada / salida.

La caída de voltaje obtenida con estos diseños es de apenas alrededor de 0,65 voltios, lo que contribuye a una mayor eficiencia y permite que el circuito funcione de manera efectiva independientemente de si el voltaje de entrada no estabilizado es solo unos cientos de milivoltios por encima del voltaje de salida esperado.

Eliminador de batería con circuito regulador en serie

El circuito eliminador de batería indicado es una ilustración funcional de un diseño construido utilizando un regulador en serie básico.

El modelo está desarrollado para todas las aplicaciones que trabajen con 9 voltios CC con una corriente máxima que no supere los 100 mA. No es apropiado para dispositivos que exigen una cantidad de corriente relativamente mayor.

T1 es un 12-0-12 era un transformador de 100 mA que proporciona aislamiento de protección aislado y un reductor de voltaje, mientras que su devanado secundario con toma central opera un rectificador push-pull básico con un condensador de filtro.

Sin carga, la salida será de alrededor de 18 voltios CC, que puede caer a aproximadamente 12 voltios a plena carga.

El circuito que funciona como un estabilizador de voltaje es en realidad un diseño de tipo en serie básico que incorpora R1, D3 y C2 para obtener una salida nominal regulada de 10 V. La corriente zener oscila entre unos 8 mA sin carga y unos 3 mA a plena carga. La disipación generada por R1 y D3 como resultado es mínima.

Un seguidor de emisor de par Darlington formado por TR1 y TR2 se puede ver configurado ya que el amplificador de búfer de salida entrega una ganancia de corriente de aproximadamente 30.000 a plena salida, mientras que la ganancia mínima es de 10.000.

En este nivel de ganancia, cuando la unidad funciona con 3 mA bajo corriente de carga completa, y una ganancia mínima i no muestra casi ninguna desviación en la caída de voltaje en el amplificador incluso cuando la corriente de carga fluctúa.

La caída de voltaje real del amplificador de salida es de aproximadamente 1,3 voltios, y con una entrada moderada de 10 voltios, esto ofrece una salida de aproximadamente 8,7 voltios.

Esto parece casi igual a los 9 V especificados, considerando el hecho de que incluso la batería real de 9 voltios puede mostrar variaciones de 9,5 V a 7,5 V durante su período de funcionamiento.

Agregar un límite de corriente a un regulador en serie

Para los reguladores explicados anteriormente, normalmente es importante agregar una protección contra cortocircuitos de salida.

Esto puede ser necesario para que el diseño pueda ofrecer una buena regulación junto con una impedancia de salida baja. Dado que la fuente de alimentación tiene una impedancia muy baja, puede pasar una corriente de salida muy alta en la situación de un cortocircuito de salida accidental.

Esto podría hacer que el transistor de salida, junto con algunas de las otras partes, se quemen inmediatamente. Un fusible típico puede simplemente no ofrecer protección suficiente porque el daño probablemente ocurrirá rápidamente incluso antes de que el fusible pueda reaccionar y fundirse.

La forma más fácil de implementar esto quizás sea agregando un limitador de corriente al circuito. Se trata de circuitos complementarios sin ningún impacto directo en el rendimiento del diseño en condiciones normales de trabajo.

Sin embargo, el limitador de corriente puede hacer que el voltaje de salida caiga rápidamente si la carga conectada intenta consumir cantidades sustanciales de corriente.

En realidad, el voltaje de salida disminuye tan rápidamente que, a pesar de tener un cortocircuito en la salida, la corriente disponible del circuito es un poco más que su clasificación máxima especificada.

El resultado de un circuito limitador de corriente se demuestra en los datos a continuación, que muestran el voltaje y la corriente de salida con respecto a una impedancia de carga que disminuye progresivamente, como se obtiene con la unidad eliminador de batería propuesta.

los circuito de limitación de corriente funciona usando solo un par de elementos R2 y Tr3. Su respuesta es en realidad tan rápida que simplemente elimina todos los posibles riesgos de cortocircuito en la salida, proporcionando así una protección a prueba de fallas para los dispositivos de salida. El funcionamiento de la limitación de corriente se puede entender como se explica a continuación.

R2 está cableado en serie con la salida, lo que hace que el voltaje desarrollado en R2 sea proporcional a la corriente de salida. Con consumos de salida que alcanzan los 100 mA, el voltaje producido en R2 no será suficiente para activarse en Tr3, ya que es un transistor de silicio que requiere un potencial mínimo de 0,65 V para activarse.

Sin embargo, cuando la carga de salida excede el límite de 100 mA, genera suficiente potencial a través de T2 para encender adecuadamente Tr3 en conducción. TR3, a su vez, hace que fluya algo de corriente f hacia Trl a través del riel de suministro negativo a través de la carga.

Esto da como resultado una cierta reducción del voltaje de salida. Si la carga aumenta aún más, se produce un aumento proporcional del potencial en R2, lo que obliga a Tr3 a encenderse aún más.

En consecuencia, esto permite que se desplace una mayor cantidad de corriente hacia Tr1 y la línea negativa a través de Tr3 y la carga. Esta acción conduce además a una caída de voltaje proporcionalmente creciente del voltaje de salida.

Incluso en caso de un cortocircuito de salida, es probable que Tr3 se polarice fuertemente en conducción, lo que obligará a que el voltaje de salida caiga a cero, lo que garantiza que la corriente de salida nunca exceda la marca de 100 mA.

Fuente de alimentación de banco regulada variable

Fuentes de alimentación estabilizadas de voltaje variable funcionan con un principio similar al de los tipos de reguladores de voltaje fijo, pero cuentan con un control de potenciómetro lo que facilita una salida estabilizada con un rango de voltaje variable.

Estos circuitos se adaptan mejor como fuentes de alimentación de banco y taller, aunque también se pueden utilizar en aplicaciones que exigen diferentes entradas ajustables para el análisis. Para tales trabajos, el potenciómetro de la fuente de alimentación actúa como un control preestablecido que se puede usar para adaptar el voltaje de salida del suministro a los niveles de voltaje regulados deseados.

La figura anterior muestra un ejemplo clásico de un circuito regulador de voltaje variable que proporcionará una salida estabilizada continuamente variable de 0 a 12V.

Principales características

• El rango de corriente está limitado a un máximo de 500 mA, aunque esto puede aumentar a niveles más altos actualizando adecuadamente los transistores y el transformador.
• El diseño proporciona una muy buena regulación de ruido y ondulación, que puede ser inferior a 1 mV.
• La diferencia máxima entre el suministro de entrada y la salida regulada no es más de 0,3 V incluso con la carga de salida completa.
• La fuente de alimentación variable regulada se puede utilizar idealmente para probar casi todos los tipos de proyectos electrónicos que requieren suministros regulados de alta calidad.

Cómo funciona

En este diseño podemos ver un circuito divisor de potencial incluido entre la etapa del estabilizador zener de salida y el amplificador de búfer de entrada. Este divisor de potencial es creado por VR1 y R5. Esto permite ajustar el brazo deslizante del VR1 desde un mínimo de 1,4 voltios cuando está cerca de la base de su pista, hasta un nivel de zener de 15 V mientras está en el punto más alto de su rango de ajuste.

Existen aproximadamente 2 voltios caídos sobre la etapa de búfer de salida, lo que permite un rango de voltaje de salida de 0 V a alrededor de 13 V. Dicho esto, el rango de voltaje superior es susceptible a tolerancias de parte, como la tolerancia del 5% en el voltaje zener. Por lo tanto, el voltaje de salida óptimo puede ser una sombra superior a 12 voltios.

Algunos tipos de eficientes circuito de protección de sobrecarga puede ser muy importante para cualquier fuente de alimentación de banco. Esto puede ser esencial ya que la salida puede ser vulnerable a sobrecargas aleatorias y cortocircuitos.

Empleamos una limitación de corriente bastante sencilla en el diseño actual, determinada por Trl y sus elementos vinculados. Cuando la unidad funciona en condiciones normales, el voltaje producido a través de R1, que se conecta en serie con la salida de suministro, es demasiado pequeño para activar Trl en conducción.

En este escenario, el circuito funciona con normalidad, además de una pequeña caída de tensión generada por R1. Esto apenas produce ningún efecto sobre la eficiencia de regulación de la unidad.

Esto se debe a que la etapa R1 viene antes que los circuitos del regulador. En caso de una situación de sobrecarga, el potencial inducido a través de R1 se dispara hasta alrededor de 0,65 voltios, lo que obliga a Tr1 a encenderse, debido a la corriente de base adquirida a partir de la diferencia de potencial generada en la resistencia R2.

Esto hace que R3 y Tr1 consuman una cantidad significativa de corriente, provocando que la caída de voltaje en R4 aumente sustancialmente y que se reduzca el voltaje de salida.

Esta acción restringe instantáneamente la corriente de salida a un máximo de 550 a 600 mA a pesar del cortocircuito en la salida.

Dado que la función de limitación de corriente restringe la tensión de salida a prácticamente 0 V.

R6 está montado como una resistencia de carga que básicamente evita que la corriente de salida sea demasiado baja y que el amplificador de búfer no pueda funcionar normalmente. C3 permite que el dispositivo logre una excelente respuesta transitoria.

Inconvenientes

Al igual que cualquier regulador lineal típico, la disipación de potencia en Tr4 está determinada por el voltaje y la corriente de salida y está en un máximo con el potenciómetro ajustado para voltajes de salida más bajos y cargas de salida más altas.

En las circunstancias más graves, es posible que se induzcan 20 V a través de Tr4, lo que hace que fluya una corriente de alrededor de 600 mA. Esto da como resultado una disipación de potencia de alrededor de 12 vatios en el transistor.

Para poder tolerar esto durante períodos prolongados, el dispositivo debe instalarse en un disipador de calor bastante grande. VR1 podría instalarse con una perilla de control considerable que facilara una escala calibrada mostrando las marcas de voltaje de salida.

Lista de partes

• Resistencias (Todo 1/3 vatio 5%).
• R1 1,2 ohmios
• R2 100 ohmios
• R3 15 ohmios
• R4 1k
• R5 470 ohmios
• R6 10k
• VR1 4.7k carbono lineal
• Condensadores
• C1 2200 µF 40V
• C2 100 µF 25 V
• C3 330 nF
• Semiconductores
• Tr1 BC108
• Tr2 BC107
• Tr3 BFY51
• Tr4 TIP33A
• DI a D4 1N4002 (4 unidades)
• D5 BZY88C15V (15 voltios, 400 mW zener)
• Transformador
• T1 Red principal estándar, 17 o 18 voltios, 1 amperio
• secundario
• Cambiar
• S1 D.P.S.T. red rotativa o tipo palanca
• Diverso
• Caja, tomas de salida, placa de circuito, cable de alimentación, cable,
• soldadura, etc.

Cómo detener el sobrecalentamiento del transistor con diferenciales de entrada / salida más altos

Los reguladores de tipo transistor de paso, como se explicó anteriormente, generalmente se encuentran con la situación de experimentar una disipación extremadamente alta que aparece en el transistor regulador en serie siempre que el voltaje de salida es mucho más bajo que el suministro de entrada.

Cada vez que se impulsa una corriente de salida alta a bajo voltaje (TTL), posiblemente sea crucial emplear un ventilador de enfriamiento en el disipador de calor. Posiblemente, una ilustración severa puede ser el escenario de una unidad fuente especificada de proporcionar 5 amperios a 5 y 50 voltios.

Este tipo de unidad podría tener normalmente un suministro no regulado de 60 voltios. Imagine que este dispositivo en particular es para generar circuitos TTL en toda su corriente nominal. En esta situación, el elemento en serie del circuito deberá disipar 275 vatios.

El gasto de suministrar suficiente enfriamiento parece ser realizado solo por el precio del transistor en serie. En caso de que la caída de voltaje sobre el transistor regulador pudiera posiblemente limitarse a 5,5 voltios, sin depender del voltaje de salida preferido, la disipación podría disminuir sustancialmente en la ilustración anterior, esto puede ser el 10% de su valor inicial.

Esto podría lograrse empleando tres partes semiconductoras y un par de resistencias (figura 1). Así es como funciona exactamente: el tiristor Thy puede ser conductor normalmente a través de R1.

Sin embargo, una vez que la caída de voltaje en T2, el regulador en serie supera los 5,5 voltios, T1 comienza a conducir, lo que hace que el tiristor se 'abra' en el siguiente cruce por cero de la salida del puente rectificador.

Esta secuencia de trabajo específica controla constantemente la carga alimentada a través de C1, el condensador del filtro, para que el suministro no regulado se fije en 5,5 voltios sobre el voltaje de salida regulado. El valor de resistencia necesario para R1 se determina de la siguiente manera:

R1 = 1,4 x Vsec - (Vmin + 5) / 50 (el resultado estará en k Ohm)

donde Vsec indica el voltaje RMS secundario del transformador y Vmin significa el valor mínimo de la salida regulada.

El tiristor debe ser capaz de resistir la corriente de ondulación máxima y su voltaje de funcionamiento debe ser de un mínimo de 1,5 Vseg. El transistor regulador en serie debe especificarse para admitir la corriente de salida más alta, Imax, y debe montarse en un disipador de calor donde pueda disipar 5,5 x Isec vatios.

Conclusión

En esta publicación, aprendimos cómo construir circuitos reguladores de voltaje lineales simples usando transistor de paso en serie y diodo Zener. Las fuentes de alimentación lineales estabilizadas nos brindan opciones bastante sencillas para crear salidas fijas estabilizadas utilizando un número mínimo de componentes.

En tales diseños, básicamente un transistor NPN se configura en serie con una línea de suministro de entrada positiva en un modo de emisor común. La salida estabilizada se obtiene a través del emisor del transistor y la línea de alimentación negativa.

La base del transistor está configurada con un circuito de abrazadera Zener o un divisor de voltaje ajustable que asegura que el voltaje del lado del emisor del transistor replica fielmente el potencial de la base en la salida del emisor del transistor.

Si la carga es una carga de alta corriente, el transistor regula el voltaje a la carga provocando un aumento en su resistencia y así asegura que el voltaje a la carga no exceda el valor fijo especificado según lo establecido por su configuración base.