Fuentes de alimentación de tres terminales Actualmente, la mayor parte de las fuentes de alimentación practicas se diseñan con reguladores de voltaje integrados o monolíticos, los cuales poseen solo tres terminales, figura 1, uno que recibe la tensión de entrada no regulada (VIN), otro que entrega la tensión de salida regulada (VOUT) y otro que actúa como electrodo de referencia o tierra (GND). Estos dispositivos pueden proporcionar directamente corrientes de carga desde 100mA hasta 5A o más. Los mismos se ofrecen en capsulas plásticas o metálicas y son extremadamente populares debido a su bajo costo y facilidad de uso.
Figura 1.
Reguladores fijos de tres terminales
Los reguladores de tensión monolíticos de tres terminales pueden ser fijos o ajustables, dependiendo si entregan una tensión de salida fija o variable sobre un cierto rango. Ambos tipos, a su vez, pueden ser positivos o negativos, dependiendo de si entregan una tensión salida o negativa con respecto a su terminal de referencia. Las series comerciales mas populares de cada clase, junto con sus ejemplos representativos son, las siguientes: Reguladores fijos positivos: LM340-5 (5V); LM340-12(12V); LM340-15 (15V); LM7805 (5V); LM7806 (6V); LM7808 (8V); LM7809 (9V);
LM7812 (12V), LM7815 (15V); LM7818 (18V); LM7824 (24V); LM7830 (30V). Reguladores fijos negativos: LM320-5 (-5V); LM320-12(-12V); LM32015 (-15V); LM7905 (-5V); LM7912 (-12V); LM7915 (-15V) Reguladores ajustables positivos: LM317 (desde +1.2V hasta +37V); LM317HV (desde +1.2 hasta +57V); LM338 (desde +1.2V hasta +32V) Reguladores ajustables negativos: LM337 (desde -1.2V hasta -37V); LM317HV (desde -1.2 hasta -47V); LM338 (desde -1.2V hasta -32V) Además del voltaje o rango de voltajes de salida, otra especificación importante de los reguladores es su capacidad de corriente. Esta ultima la determina el tipo de capsula. En este curso trabajaremos principalmente con reguladores de 1A los cuales se ofrecen en capsulas plásticas T ó TO-220. Para corrientes mas grandes (hasta 5A, inclusive) deben utilizarse reguladores de capsula metálica K ó TO-3. Los reguladores mostrados en la figura 1, son de capsula TO-220. Fuentes reguladas fijas En la figura 2 se muestra la estructura básica de una fuente de alimentación con un regulador de tres terminales. Los condensadores Ci y Co actúan, respectivamente, como filtros de desacople de entrada y salida. Sus valores están, típicamente en el rango de 0.1 F a 1 F . Se utilizan para desacoplar o eliminar señales de ruido presentes en la entrada o en la salida del regulador. Por esta razón deben conectarse tan cerca de este último como sea posible.
Figura 2. Estructura básica de una fuente regulada fija con regulador de tres terminales Para garantizar una optima regulación, el voltaje de entrada (Vi) debe ser, por lo menos, 2.5V mayor que el voltaje de salida (Vo) deseado. De todas formas, este último no debe ser superior al valor máximo especificado por el fabricante. Como puede verse el diseño de fuentes de alimentación con reguladores fijos de tres terminales es extremadamente simple, ya que solo se requiere un par de pequeños condensadores de desacople, uno a la entrada y otro a la salida. Este último puede omitirse en muchos casos. En la figura 3 se muestra como ejemplo una fuente regulada de +15V/1A con un regulador LM7815T. La letra “T” al final de la designación indica que se trata de un regulador de 1A en cápsula TO220. Las líneas punteadas alrededor del símbolo del regulador indican que el mismo debe estar provisto de un disipador de calor adecuado.
Figura 3.
Fuente regulada de 15V/1A
Una fuente completa de 5V/1A con un regulador 7805 se presenta en la figura 4. Como regla práctica, el valor rms del voltaje de salida del transformador (9V en este caso) debe ser, por lo menos 3V mayor que el voltaje de salida deseado (5V ídem). Asimismo la capacidad del condensador de filtro (CI) debe escogerse de modo que sea, por lo menos del orden de 1000 F por cada amperio de salida. Nuevamente C2 y C3 actúan como filtros de desacople de ruido. El diodo LED, protegido mediante R1, proporciona una indicación visual de la presencia de voltaje en la salida del regulador.
Figura 4.
Fuente regulada completa de 5V/1ª
Las fuentes anteriores entregan un voltaje de salida de una sola polaridad (positiva en este caso). Muchos circuitos electrónicos, sin embargo requieren una fuente de alimentación dual o de doble polaridad, por ejemplo 5V . Para ello, pueden utilizarse dos reguladores de tres terminales complementarios, es decir un positivo y uno negativo, como se indica en la figura 5. En este caso, la derivación central del transformador actúa como tierra (GND). La salida “+” del puente rectificador proporciona el voltaje de entrada del regulador positivo (7815), mientras que la salida “-“ proporciona el voltaje de entrada del regulador negativo (7915).
Figura 5. Fuente regulada dual fija de 5V/1A con reguladores de tres terminales complementarios En otras ocasiones, la carga exige una corriente superior a la máxima que puede suministrar el regulador. En estos casos, debe utilizarse un transistor externo para transportar la corriente excedente, como se indica en la figura 6.
Figura 6. Fuente regulada de 5V/1A con transistor de paso externo. El transistor comienza a conducir cuando el voltaje entre emisor y base es del orden de 0.7V. Esto equivale a una corriente de carga del orden de 100mA La Resistencia R2 se utiliza para detectar la corriente de entrada del regulador y por tanto la corriente de carga. Cuando esta última es superior a 0.1A, el transistor Q1 conduce y transporta la corriente excedente. Por ejemplo si la carga demanda 3A el regulador entrega 0.1A y el transistor los 2.9A restantes. El voltaje sobre la carga lo determina el regulador. La máxima corriente de salida la determinan las potencias del transformador y transistor de paso. Otro factor muy importante que se debe tener en cuenta en el diseño de fuentes de alimentación, es la protección contra cortocircuitos y sobrecargas. Los reguladores de tres terminales, en particular, cuentan con un mecanismo interno de protección que evita su destrucción cuando su salida se pone en cortocircuito o la carga exige una corriente superior a la máxima especificada. Sin embargo, si se utiliza un transistor de paso externo, siempre es conveniente proteger este último contra tales eventualidades. Una forma de conseguir esta protección, que hace uso de un transistor adicional, se muestra en la figura 7.
Figura 7. Fuente de alimentación de 5V/3A con limitación de corriente simple. En este caso, Q1 actúa como transistor de paso y Q2 como transistor limitador de corriente. Cuando la corriente exigida por la carga es superior a 3.5A, debido a una sobre carga o un cortocircuito en la salida, entra en conducción Q2, bloqueando la circulación de corriente a través de Q1 y activando el circuito interno de protección del regulador. Como resultado, el circuito deja de regular, reduciendo el voltaje de salida a cero y limitando la corriente de cortocircuito a 1A, que es la máxima permitida por el regulador. Fuentes de alimentación reguladas variables Los reguladores examinados anteriormente entregan un voltaje de salida fijo, limitado a los valores estándar comercialmente disponibles (5V, 6V, 8V, 12V, etc.). Cuando se requiere de otros voltajes específicos, digamos 3.25V, la mejor alternativa es utilizar reguladores de tres terminales ajustables, figura 8
Figura 8. Reguladores ajustables de tres terminales. El pin de ajuste (ADJ), sustituye la terminal de tierra de los reguladores fijos. Estos dispositivos pueden ser f谩cilmente programados o configurados para suministrar cualquier voltaje de salida deseado dentro de un rango especificado de valores. Los reguladores ajustables mas comunes son los de las series LM317 (positivos) y LM337 (negativos). La figura 9 se muestra la estructura b谩sica de una fuente de alimentaci贸n variable, desarrollada alrededor de un regulador ajustable de tres terminales. Los condensadores de entrada (Ci) y de salida (Co) cumplen la misma funci贸n que en un regulador fijo.
Figura 9.
Estructura básica de una fuente regulada ajustable
El voltaje de salida (Vo) depende de la relación entre las resistencias R2 y R1. Para el LM317 y su complemento, el LM337, este voltaje esta dado por la siguiente fórmula, válida en el rango desde 1.25V hasta 37V: R2 Vo 1.25 1 R1
(1.1)
Típicamente, R1 es del orden de 240 (valor recomendado). En la figura 10, se muestran los circuitos básicos de utilización del LM317 y el LM337. Con los valores de componentes indicados, el voltaje de salida (VOUT) es variable aproximadamente, desde 1.25V (R2 =0) hasta 27V (R2 = 5K). Para que esto sea posible, el voltaje de entrada (VIN) debe estar siempre, como mínimo, 3V por encima del voltaje de salida deseado. La máxima capacidad de corriente de estos reguladores es del orden de 1.5A en su versión de cápsula TO-220 (LM317T). También se dispone de una versión de baja corriente (LM317L), que entrega hasta 100 mA, y de una versión de alto voltaje (LM317HV), que admite hasta 57V de entrada.
a. Regulador Positivo
b. Regulador Negativo R Considerando Vout 1.25 1 2 ,VRef 1.25V R1
Figura 11.
Reguladores Ajustables básicos (1.2V a 27V)
La estructura básica anterior puede ser mejorada mediante la introducción de algunos componentes adicionales, como se muestra en la figura 12. En este caso el condensador C1, conectado entre la terminal de ajuste (ADJ) y tierra minimiza el rizado y provee una mayor inmunidad al ruido. Asimismo, los diodos D1 y D2 protegen el regulador, proporcionando un camino de baja resistencia para la
circulación de las altas corrientes de descarga de C1 y C2, generadas cuando se suspende el voltaje de entrada. Este tipo de protección también es aplicable a los reguladores fijos. Nuevamente, el voltaje de salida lo determinan R2 y R1, como se explico anteriormente.
Figura 12.
Regulador ajustable completo (12V-27V)
Los reguladores ajustables LM317 y LM337 solo permiten obtener voltajes de salida por encima de 1.25V, que es el valor interno de referencia. En muchas tareas sin embargo, es deseable disponer de tensiones variables desde 0V. Una forma sencilla de lograr este modo de funcionamiento se ilustra en las figuras 13a y 13b. En ambos casos, se utiliza un diodo Zener (D1) para proporcionar voltaje de referencia (Vz) de 1.25V, pero de polaridad opuesta a la del voltaje de salida. De este modo el voltaje de salida es prácticamente igual a 0 cuando R2 esta en su posición de mínima resistencia.
a. Positivo (0 hasta +26V)
b. Negativo (0 hasta -26V) Figura 13. Reguladores ajustables desde 0V. El voltaje de referencia externo (-1.25V 贸 +1.25V) se suma con el voltaje de referencia interno (+1.25V 贸 -1.25V), permitiendo que el voltaje de salida puede variarse desde 0V.
Conclusiones. Las fuentes de alimentación, con reguladores de tres terminales, proporcionan un voltaje de salida constante para un amplio rango de voltajes de entrada y de corrientes de carga. Además, cuentan con circuitos internos que las protegen automáticamente en caso de cortocircuito y sobrecargas. El voltaje de entrada de un regulador de tres terminales debe estar, como mínimo, 2 o 3 voltios por encima del voltaje de salida para que la regulación sea eficiente. Asimismo, no debe ser superior al valor máximo especificado por el fabricante. Este último es del orden de 30 a 40 voltios. La corriente de salida suministrada por un regulador de tres terminales puede variar desde 0 (circuito abierto) hasta su valor máximo especificado, por ejemplo 1A, sin que esto afecte sus características de regulación. Por encima de la corriente máxima, entra en acción un circuito interno de protección térmica que bloquea el funcionamiento del dispositivo hasta que el mismo se enfríe. Los reguladores de tres terminales ajustables permiten obtener voltajes de salida específicos y muy precisos, no disponibles con los reguladores fijos. Este voltaje se programa fácilmente mediante la selección adecuada de un par de resistencias.