guía de trabajos prácticos 5b

Escuela de Educación Técnico Profesional Nº 602 Departamento de Electrónica 2018

Profesor: Palacios José Emanuel Página 1

Apunte N° 1

Circuitos y dispositivos analógicos 5to B

Contenido FUENTES DE VOLTAJE Y CORRIENTE ................................................................................................................................. 2

LAS FUENTES DE ALIMENTACION ................................................................................................................................. 2

TIPOS DE RECTIFICADORES ............................................................................................................................................... 3

EL RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA ........................................................................................................................... 4

RECTIFICADOR PUENTE ..................................................................................................................................................... 4

FILTRO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA................................................................................................................................ 4

REGULADORES ELECTRÓNICOS ......................................................................................................................................... 5

TRANSFORMADORES + SEMICONDUCTORES IGUAL A FUENTE REGULADA ..................................................................... 6

FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE ESTABILIZACIÓN .............................................................................................................. 6

FUENTES REGULABLES ...................................................................................................................................................... 7

REGULADOR INTEGRADO .................................................................................................................................................. 8

REGULADORES DE TENSION .............................................................................................................................................. 8

REGULADORES FIJOS Y AJUSTABLES ................................................................................................................................. 8

REGULADORES NO INTEGRADOS ...................................................................................................................................... 9

REGULADORES INTEGRADOS .......................................................................................................................................... 10

El LM338 .......................................................................................................................................................................... 11

REGULADORES DE TENSION (APLICACIONES) ................................................................................................................. 12

REGULADORES DE TENSIÓN FIJA .................................................................................................................................... 12

ENCAPSULADOS DE LOS 78XX ......................................................................................................................................... 13

DISIPACIÓN DE POTENCIA ............................................................................................................................................... 13

REGULADORES DE TENSIÓN VARIABLES ......................................................................................................................... 13



FUENTES DE VOLTAJE Y CORRIENTE

LAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN Los diodos son dispositivos electrónicos cuyo funcionamiento consiste en permitir el paso de la corriente en un sentido y oponerse en el opuesto. Vamos a ver una de las aplicaciones de los diodos gracias a esta característica. Las fuentes de alimentación son usadas para suministrar corriente eléctrica a nuestros aparatos electrónicos, pero como parten de una corriente alterna es necesario transformarla a corriente continua. En este objetivo vamos a tener como grandes aliados a los diodos. La fuente de alimentación es a un dispositivo electrónico como los "alimentos" son a los seres humanos. Es evidente que cualquier equipo necesita de ella para funcionar. Si falla la fuente falla todo el equipo.

La forma en que está disponible la energía eléctrica de nuestros hogares no es la adecuada para los aparatos que todos conocemos: televisores, lavadoras, frigoríficos, etc. ya que la mayor parte de estos aparatos necesitan corriente continua para funcionar, mientras que la disponible en nuestros enchufes es corriente alterna.

Tenemos dos soluciones, la primera es usar pilas o baterías pero esto nos saldría muy caro; la segunda es transformar la corriente. De ahora en adelante nuestro objetivo va a consistir en transformar la corriente alterna en corriente continua. El proceso se divide en distintas etapas bien diferenciadas, como puede verse en la ilustración correspondiente. La corriente eléctrica en "bruto" viene como corriente alterna y con tensión variable; sin embargo, tras atravesar la fuente de alimentación, obtenemos corriente continua con tensión constante... y esta es la que nos interesa pues es la que vamos a conectar a nuestros dispositivos. La primera etapa por la que va a tener que pasar la corriente va a ser por un transformador de potencia. Este no hace más que elevar la diferencia de potencial o disminuirla (depende del tipo de transformador), esto se traduce en una "elongación" de su gráfica. Siguiendo con la similitud entre la corriente y un chorro de agua podemos imaginar el efecto de este primer paso, que es el transformador, como si pisáramos una manguera por la que está circulando agua. Veríamos que al disminuir el ancho de la manguera, seguiría saliendo la misma cantidad de

agua, pero a mayor presión. Este ejemplo equivaldría a un transformador cuya función fuese la de aumentar la tensión. Por el contrario, un transformador que disminuyese la tensión se podría comparar con una manguera en la que la mitad de ella tuviera una anchura, y la otra mitad tuviera una anchura mayor. El agua al pasar del trozo de manguera más estrecho al trozo más ancho sufriría un "frenazo" en su camino de un extremo de la manguera al otro. Así entraría a una presión y saldría a una presión menor. El segundo paso para la corriente se conoce con el nombre de rectificador. La finalidad de éste, técnicamente hablando, se dice que



es convertir la tensión y corriente alterna en tensión y corriente "unidireccionales". En nuestro ejemplo es bien sencillo darse cuenta de lo que esto significa; como hemos visto, la corriente alterna se puede equiparar al agua circulando ahora en este sentido...ahora en el contrario...y así sucesivamente. Pues un rectificador no sería más que una válvula. Como muestra la ilustración correspondiente donde se permite al agua circular única y exclusivamente en un sentido pero no en el contrario. Así pues, la polaridad de la tensión que salga del rectificador va a ser siempre la misma y por tanto, a partir de aquí, ya tenemos corriente continua. Sin embargo, la tensión de que disponemos todavía no es la adecuada ya que, a pesar de no hacerse negativa, todavía sigue oscilando entre cero, un máximo... y de nuevo cero. En el siguiente paso, el filtro, va a ser el encargado de "apaciguar" estas oscilaciones de la tensión, consiguiendo una tensión con unas oscilaciones bastantes menores. De nuevo podríamos imaginar una manguera que tuviese un trozo ancho y a continuación otro estrecho y así de principio a fin: algo similar a una "ristra de chorizos". El agua circularía oscilando constantemente su presión, siendo esta mayor en los trozos estrechos y menor en los anchos, pues bien, nuestro filtro sería "algo" que alisaría esas rugosidades de la manguera consiguiendo que el agua no sufriera tan grandes cambios de presión y fluyera de una forma más continua.

Por último, podemos encontrarnos, aunque no siempre se utiliza, un regulador. La finalidad de dicho dispositivo no es otra que atenuar más si caben esas pequeñas variaciones de tensión que todavía se producen, proporcionando una tensión constante entre los bornes. En nuestro ejemplo, es como si por fin dispusiéramos de una manguera lisa y uniforme a través de la cual circula una corriente de agua constante sin sufrir ningún tipo de variación en su presión ni en su caudal. A continuación vamos a examinar cada uno de los dispositivos (etapas) con más detalle, con el fin de

poder llegar a un mayor entendimiento sobre cuáles son las propiedades y características de cada uno de ellos.

TIPOS DE RECTIFICADORES El primero de los rectificadores que vamos a ver es el llamado RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA. Es el más sencillo de todos los rectificadores y también el más barato pero, como nadie es perfecto, el rectificador de media onda tampoco lo es y tiene numerosas desventajas que luego enumeraremos. Es uno de los menos usados cuando se requiere eficacia y buen rendimiento, pero el más utilizado si lo que se requiere es un bajo costo.

Este circuito rectificador está formado por un solo diodo. La tensión de entrada al circuito es tensión de corriente alterna y, como sabemos, esta tensión viene

representada por una sinusoide con dos ciclos uno positivo y otro negativo. Durante el ciclo positivo el ánodo del diodo es más positivo que el cátodo y la corriente puede circular a través del diodo. Pero cuando estamos en el ciclo negativo, el ánodo va a ser más negativo que el cátodo y no va a estar permitido el paso de corriente por el diodo. La tensión de salida va a ser igual que la de entrada en el primer caso, es decir, un ciclo positivo, mientras que en el segundo caso, cuando la tensión de entrada es negativa, la de salida va a ser nula. La onda de salida ha quedado reducida a la mitad y de ahí viene el nombre de rectificador de media onda. Una tensión de corriente alterna tiene dos "mitades", una positiva y otra negativa, en el caso anterior, hemos usado el rectificador para anular la parte negativa y nos hemos "quedado" con la positiva. Pero también podemos "quedarnos" con la negativa, simplemente con cambiar el sentido del diodo dentro del circuito rectificador. Como hemos visto, la tensión de salida de un circuito rectificador de media onda se compone de un ciclo con un valor positivo igual al de la tensión de entrada (en el caso más normal) y un ciclo con un valor nulo. Esto es la causa de que este tipo de rectificadores casi no se usen, ya que durante un tiempo no fluye corriente alguna en la salida. El voltaje que se produce no es muy útil para hacer funcionar nuestros aparatos, de ahí la necesidad de filtrarlo primero, no siendo muy fácil este filtrado.



EL

RECTIFICADOR

DE ONDA

COMPLETA Es el rectificador más usado. La gran diferencia con el rectificador de onda media es que, en este caso, obtenemos a la salida tensión en todo instante y no tenemos intervalos de tiempo con una tensión nula como ocurría con el otro rectificador. Es un poco más caro ya que está constituido por un número mayor de componentes pero merece la pena dada su mayor eficacia. Estos rectificadores están constituidos principalmente por dos diodos y un transformador con toma central. Para explicar su funcionamiento tenemos que recordar que un diodo sólo permite el paso de la corriente en un sentido; en este circuito tenemos dos diodos y cada uno de ellos va a permitir el paso a la corriente en un caso opuesto. Así, uno circulará cuando la tensión de corriente alterna de entrada se encuentre en el ciclo positivo y, el otro, cuando se encuentre en el negativo. Pero si no tuviéramos la toma central el circuito estaría cortado siempre, ya que cuando uno puede conducir el otro no, y viceversa, al estar colocados en sentidos opuestos; por eso tenemos que darle una "ruta alternativa" a la corriente para que se produzca tensión de salida en los dos ciclos de entrada. La tensión de entrada a los circuitos de onda completa no es aprovechada en su totalidad, ya que cada uno de los diodos trabaja con la mitad de tensión al estar la toma central en la mitad de la bobina; por eso, aunque vamos a obtener una tensión de corriente continua a la salida, en todo instante de tiempo su valor va a ser la mitad del de la tensión de entrada. El rectificador de VÁLVULA es otro tipo de rectificador pero, por su similitud con los de onda completa, no vamos a dedicarle mucho tiempo. La tensión de salida de estos rectificadores es una onda completa que, al igual que en los anteriores, es la mitad del valor de la de entrada. La diferencia se encuentra en los dispositivos que componen este circuito, aquí se usan diodos de tubos o válvulas.

RECTIFICADOR PUENTE Con este tipo de rectificadores vamos a conseguir una tensión de salida de corriente continua en todo instante, al igual que en el rectificador de onda completa. La ventaja de los rectificadores tipo puente es que la tensión de salida es de la misma magnitud que la de entrada, no perdemos la mitad como ocurría en los anteriores. La desventaja es

que aquí necesitamos cuatro diodos, por lo que el coste de este tipo de circuitos es superior a los vistos anteriormente. El rectificador puente está formado por cuatro diodos que forman un "puente" entre la entrada y la salida. Estos diodos están conectados en paralelo con

el transformador, y no tienen ninguna toma central como ocurría en los de onda completa, según podemos ver en el dibujo. Si el ciclo de tensión de la corriente alterna es el positivo, circula corriente por los diodos 1 y 2, obteniendo en la salida una tensión igual que la de entrada. Si el ciclo de entrada es negativo, circula corriente por los diodos 3 y 4, y obtenemos a la salida una tensión igual en amplitud que la de entrada pero positiva en vez de negativa. Por tanto, en cada ciclo estamos obteniendo en la salida una tensión de corriente continua positiva y de igual amplitud que la de entrada. Con estos rectificadores aprovechamos toda la tensión de entrada y conseguimos una rectificación de onda completa, aunque su precio es el más elevado de todos. Otros circuitos rectificadores que todavía no hemos nombrado son los dobladores de media onda, dobladores de onda completa y triplicadores de voltaje.

FILTRO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Ya hemos visto cómo la tensión que entrega un rectificador no es del todo útil debido a su constante variación a lo largo del tiempo. Además, sus oscilaciones van desde un valor tope, o máximo, hasta



"cero" y este es otro inconveniente ya que en el momento en que la tensión es cero, no se entrega energía alguna. Pues bien, gracias al uso de un filtro conseguiremos "alisar" esas ondulaciones en la tensión, a fin de obtener una tensión lo más parecida a una constante; además, el valor mínimo no será cero sino que tendrá un valor algo positivo.

Como vemos en la ilustración correspondiente, hemos añadido un condensador en paralelo. En esta situación, si no se conectase nada entre los puntos A y B (llamados carga) el condensador comenzaría a cargarse hasta llegar a su tope. Es entonces cuando nuestro filtro ofrece una tensión constante. Esta situación sería

suficiente siempre y cuando no se entregase corriente a la carga, es decir, no se conectase algo. Pero, evidentemente, sería absurdo diseñar un dispositivo electrónico para no utilizarlo. ¿Qué pasa entonces cuando conectamos algo a las salidas del filtro? Pues que cualquier aparato electrónico que se conecte necesita energía para funcionar. Y esta energía eléctrica que necesita la va a tomar de dos partes; por un lado toma energía de la propia fuente y por otro de la que tiene almacenada el condensador. Esto no tendría gran importancia si no fuera por el hecho de que el condensador, al descargarse, va perdiendo diferencia de potencial entre sus bornes, por tanto, vuelve a bajar la tensión. Sin embargo, como la fuente está constantemente suministrando energía eléctrica, el condensador vuelve a cargarse y la tensión por tanto vuelve a subir. Es una oscilación de tensión que dependerá de qué cantidad de energía requiera el dispositivo conectado. No obstante, estas oscilaciones son bastante menores que las obtenidas directamente del rectificador, así pues, su utilización está justificada. El funcionamiento de un filtro formado por un condensador está basado en que dicho condensador puede almacenar energía. Hay otro tipo de dispositivos capaces de almacenar la energía, son los inductores. Podemos tener un filtro formado por un inductor, un condensador o ambos juntos.

REGULADORES ELECTRÓNICOS Esta va a ser la última etapa dentro de nuestra fuente de alimentación. Aunque ya tenemos una corriente continua casi perfecta después del paso por las tres etapas anteriores, todavía hay aparatos electrónicos que no se conforman con que la corriente pase por un filtro y necesitan mejorarla usando dispositivos electrónicos. Una fuente de alimentación regulada ideal es la que mantiene constante la tensión de salida a pesar de los cambios en la tensión de entrada. Existen tres tipos básicos de fuentes de alimentación reguladas, según esté colocado el dispositivo regulador en el circuito: regulador en serie, regulador en paralelo y regulador en conmutación. Deben su nombre a que en el primero colocamos un dispositivo en serie y en el segundo está montado en paralelo. En estos reguladores toda la energía que no hemos liberado en la carga la tenemos que liberar en el regulador, aunque no sea aprovechada. Sin embargo, en los reguladores en conmutación se vuelve a utilizar esta energía, pero esto ya lo estudiaremos más adelante, por el momento nos conformaremos con saber que existe un tipo de controlador electrónico que aprovecha toda la energía que le llega. Los dispositivos que más se usan para regular las fuentes de alimentación son los diodos Zener y el regulador Shunt.



TRANSFORMADORES + SEMICONDUCTORES IGUAL A FUENTE REGULADA No cabe duda de que cualquier circuito donde entren a formar parte los transistores gozará de la cualidad intrínseca a estos, es decir, regular la intensidad que circula por los mismos y, en consecuencia, cualquier magnitud asociada a

ella. Uno de los campos más directos de aplicación de los transistores se da en las fuentes de alimentación. Una fuente fija posee tan sólo una o varias salidas cuya tensión e intensidad permanecen constantes y cuyo valor se ha prefijado a la hora de diseñarlas. Si hacemos uso de unos pocos transistores adecuadamente conectados y unos pocos componentes más podemos diseñar una fuente de corriente continua, cuya tensión de salida puede ser regulada a voluntad, dentro de unos márgenes, y, si así se diseña, será posible también limitar la intensidad presente en su salida. Además, los semiconductores -diodos zener, transistores o circuitos integrados- añaden a las fuentes de alimentación otra característica no solo útil sino además segura: la

estabilización. Cualquier circuito electrónico que haga uso de una alimentación de corriente continua precisará que ésta se mantenga estable dentro de unos márgenes. Esto es precisamente lo que hacen las fuentes estabilizadas. El diodo zener puede ayudarnos en este propósito, pero ahora expondremos nuevas y mejores posibilidades. La ilustración correspondiente nos da una idea bastante clara de lo que precisamos a la hora de obtener una fuente

estabilizada y/o regulada, puesto que los transformadores y rectificadores nos son ya conocidos. Con ellos obtenemos corriente continua pero, si añadimos algún tipo de control sobre la tensión suministrada y hacemos que parte de la misma retorne al bloque de control con el fin de ser supervisada podemos conseguir que dicho "bloque" mantenga la tensión dentro de unos márgenes. Si dicho "control" parte de unos parámetros fijos (previstos en el diseño inicial) estaremos ante una alimentación estabilizada. Si, además, añadimos la posibilidad de modificar los parámetros, en concreto el valor de la tensión de salida, a voluntad del usuario estaremos en presencia de una fuente regulable. Todo esto resulta ya llamativo pero aún podemos pedir más de una fuente de alimentación de mediana calidad: la posibilidad de regular (más bien limitar) la intensidad de salida de la misma. Esto significa que, en caso de "problemas" en el circuito alimentado, se evitarán males mayores si la intensidad de que disponemos tiene un "tope" bien definido.

FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE ESTABILIZACIÓN La aplicación de los diodos zener a la salida de una alimentación continua constituye un tipo de fuente estabilizada de tipo "paralelo". Con el añadido de los transistores a dichos circuitos se constituye otra familia de estabilizadores diferente a la que denominaremos fuente estabilizada de tipo "serie". Para comprender su funcionamiento, nos basaremos en el circuito representado en la ilustración correspondiente y que relaciona el diodo zener ya conocido y un elemento nuevo para nosotros en las fuentes de alimentación, el transistor.



En esta configuración los roles se reparten de la siguiente forma: el conjunto zener se encarga de supervisar la tensión suministrada por la fuente, mientras que el transistor en el modo de colector común recibe la "información" procedente de la parte supervisora y modifica su conducción de acuerdo a aquélla. De esta

manera se obtiene la

estabilización buscada. Vamos ahora a explicar cómo actúa el circuito en el caso de una hipotética variación en la tensión de entrada (Ve). Partimos de la base de que la intensidad de salida (Is) permanece constante (Is = k), por lo que la intensidad de base del transistor T (Ib) permanecerá también constante. La relación de tensiones de entrada y salida se verá afectada por la caída de tensión en T por lo que: Vs = Ve - Vce Como se ha dicho, supondremos que se produce una repentina elevación de la tensión de entrada (Ve), lo cual se traduce inmediatamente en una elevación de la polarización inversa aplicada al diodo zener y, en consecuencia, la intensidad que atraviesa al mismo (Iz) también se ve incrementada. Como quiera que la intensidad que circula por la resistencia limitadora (R) es suma de la que llega a la base de T y al diodo zener se cumple que Ir = Ib + Iz, por lo que un aumento de Iz se traduce de forma inmediata en un aumento de Ir (recordamos que hemos partido de la premisa de que Ib permanece constante). Al aumentar la intensidad que circula por R se origina una mayor caída de tensión en la misma, lo que redunda en un aumento de la polarización negativa del transistor. Como consecuencia de ello se ve incrementada la resistencia colector-emisor (Rce), lo que origina una mayor caída de tensión entre colector y emisor (Vce). Como partíamos de la base de que Vs = Ve - Vce, lo que ocurre, en resumen, es que un incremento de la tensión de entrada (Ve) se traduce en un aumento de la Vce, con lo que se mantiene constante el valor de Vs. La misma lógica se mantiene en el caso de que se originen variaciones en la intensidad de salida (Is); el circuito reaccionará de forma que dicha variación no consiga modificar la tensión de salida (Vs) estabilizada.

FUENTES REGULABLES En la ilustración correspondiente podemos ver los bloques constituyentes de una alimentación de tipo regulable. Cada uno de dichos bloques se ha identificado con una letra, a fin de comentar brevemente el funcionamiento último de la misma. El bloque "A" representa la entrada de alimentación continua de tipo estándar (C1 en el esquema eléctrico). A partir de ella obtendremos otra tensión de salida que será la que podremos regular a voluntad. El bloque "B" (en el esquema, T1) se encarga de realizar la misión que en la fuente estabilizada se encomendaba al transistor configurado en colector común, es decir, compensar las oscilaciones producidas en la tensión de entrada o en la corriente que circula por la carga conectada en la salida de la fuente. El bloque "C" se encarga de tomar una parte de la tensión de salida y hacerla llegar a otro bloque ("E") que se encarga de compararla con cierta señal o tensión, que denominaremos "de referencia". La referencia citada viene representada por la letra "D" y suele ir constituida, en la práctica, por una tensión zener estabilizada o un condensador (C2).

El bloque "E" es el que goza en este montaje de un protagonismo no disimulado. Su misión consiste en comparar las tensiones obtenidas a partir de una toma de la de salida ("C") y de otra de referencia ya citada ("D"). En la práctica, este bloque está formado por un circuito denominado amplificador operacional configurado como comparador de señales. También puede estar conformado -en su versión más sencilla- por un simple transistor. Bien sea uno u otro, su salida se hace llegar, a través de un amplificador (bloque "F" o T3), a la etapa de control "B", la cual modifica la señal o tensión de salida en función de la señal de muestreo preconfigurada. Dicha señal será función, normalmente, de un potenciómetro, el cual



constituirá el elemento que nos permita variar la salida de tensión de la fuente a voluntad.

REGULADOR INTEGRADO Existen en el mercado circuitos de una pastilla que nos permiten realizar todo el proceso de regulación y estabilización de una forma sencilla y rápida. La ilustración nos proporciona una imagen resumida de la circuitería contenida en un chip estabilizador de este tipo. En concreto se trata de un circuito de la conocida familia 78XX.

Estos integrados poseen tan solo tres patillas, las cuales corresponden a las señales de Entrada de tensión a regular, Masa común y Salida de tensión regulada. La familia 78XX, en concreto, se suele utilizar en valores normalizados de 5, 12 y 15 voltios y cuya nomenclatura corresponde, respectivamente, a 7805, 7812 y 7815. Existe otra familia, los 79XX, en concreto, de similar funcionamiento solo que entrega tensión regulada en negativo.

REGULADORES DE TENSIÓN Conseguir que la tensión de un circuito en la salida sea fija es uno de los objetivos más importantes para que un circuito funcione correctamente. Para lograrlo, se utilizan los reguladores de tensión, que pueden ser circuitos formados por elementos discretos o por circuitos integrados. Cuando se diseña un circuito hay muchos factores que tenemos que tener en cuenta. En primer lugar, como es lógico, habrá que comprobar si el circuito diseñado es capaz de realizar todas y cada una de las funciones deseadas. Una vez verificado su correcto funcionamiento, tendremos que comprobar hasta qué punto es capaz el circuito de mantener dichas características de funcionamiento, es decir, cómo va a comportarse ante las ya más que conocidas circunstancias adversas, como pueden ser las variaciones en las tensiones de entrada o, claro es, los cambios de temperatura. Con los transistores vimos que la temperatura era un factor muy importante que podía estropear el transistor si no poníamos algo que compensara sus efectos cuando esta aumentaba o disminuía. La solución la obteníamos muy fácilmente al colocar una resistencia en el emisor, y así, con un esfuerzo muy pequeño, quedaba solucionado un gran problema. Los cambios en la tensión suministrada son, junto con las variaciones de temperatura, una de las principales causas de funcionamientos erróneos o, incluso, de rupturas de los aparatos electrónicos. La razón proviene del hecho de que todos los aparatos electrónicos están diseñados para funcionar con unos ciertos límites en las tensiones de entrada; por tanto, una tensión de entrada que se suministre a un dispositivo y que sea superior a la que este pueda soportar, o a la recomendada por los fabricantes, probablemente produzca corrientes lo suficientemente altas como para quemar alguno de sus componentes y, por tanto, dejar completamente inactivo el aparato electrónico. Esto no sería un serio problema si la tensión suministrada por las compañías eléctricas fuese lo suficientemente precisa como para garantizar una precisión en el valor de la tensión. Sin embargo, esto no es así, y la tensión suministrada por las compañías, dependiendo del lugar y del momento considerado, pueden oscilar hasta un 10% sobre el valor nominal. Esta variación es suficiente para no poder suponer que disponemos de una fuente de tensión constante. Como siempre en la electrónica, de una u otra forma más o menos aproximada, podemos conseguir solventar la mayoría de los problemas que se plantean. En este caso, la solución a las variaciones de tensión la encontramos en los circuitos conocidos como "reguladores de tensión".

REGULADORES FIJOS Y AJUSTABLES Los reguladores de tensión se suelen dividir en dos grandes grupos: reguladores de tensión fija y reguladores ajustables. En los primeros, como su nombre indica, vamos a obtener una tensión fija partiendo de una tensión variable en la entrada. Con los reguladores de tensión constante vamos a obtener un voltaje fijo entre los terminales de la resistencia de carga, durante el período en el cual se mantenga la corriente a través de dicha resistencia dentro de un intervalo determinado. Con los ajustables, vamos a poder controlar la tensión de salida, partiendo también de una tensión variable.



Todo circuito integrado regulador está preparado para disipar una potencia, normalmente en forma de calor. Por esta razón, los circuitos integrados reguladores vienen preparados para que esta disipación no les afecte, y suelen colocar un transistor que estabilice las variaciones que se produzcan. A los reguladores fijos de tensión los podemos dividir en dos grupos, según el signo de la tensión que regulen. Así, podemos tener reguladores de tensión positiva y reguladores de tensión negativa. Los dos van a ser muy parecidos y solo se van a diferenciar en el sentido que lleva lo corriente.

REGULADORES NO INTEGRADOS Tenemos varios tipos de reguladores electrónicos. Los primeros que vamos a ver son los reguladores zener, que se denominan así porque usan las propiedades de los diodos zener para

regular la tensión. Dentro de unos ciertos límites de corriente, sabemos que el diodo zener tiene una caída de tensión constante, por lo tanto, la tensión que va a entregar a la resistencia de carga va a ser constante. Para ver cómo funciona este tipo de circuitos podemos considerar al diodo zener como una resistencia variable. Si, por ejemplo, la resistencia de carga disminuye, va a absorber más corriente. Al principio la tensión disminuirá poco. La resistencia interna del zener va a aumentar dejando pasar menos corriente que antes, por lo que va a caer menos tensión al ser la corriente menor. La tensión de la salida va a permanecer constante aunque varíe la carga. Por el contrario, si la resistencia de carga aumenta, absorberá menos corriente. La resistencia interna del zener va a disminuir, absorbiendo menos corriente que antes para compensar el aumento de la resistencia de carga: el resultado final va a ser que la tensión entre los terminales de la resistencia de carga va a ser prácticamente constante dentro de un margen de corriente no muy grande. Otro tipo de regulador electrónico es el denominado regulador Shunt. Es bastante parecido al regulador zener, pero aquí tenemos un transistor en colector común añadido, cuya resistencia de emisor va a actuar como carga de salida del circuito. En este tipo, el valor de la corriente va a ser más alto debido a la amplificación que va a efectuar el transistor. El regulador serie es otro de los reguladores electrónicos. Se denomina así porque el elemento encargado de regular se encuentra en serie con la corriente de carga. El regulador va a ser un transistor y, al igual que en los reguladores tipo zener considerábamos al diodo zener como una simple impedancia variable, en los reguladores serie vamos a considerar a este transistor también como una impedancia variable. La diferencia con los zener es que ahora la impedancia variable se encuentra en serie con la carga. La entrada de tensión va a ser mayor que la salida regulada. El transistor que usamos como regulador está conectado como seguidor de emisor. Este transistor funciona en la región activa y ofrece cierta resistencia al circuito. Si el circuito está funcionando normalmente, cada vez va a demandar una mayor corriente de carga. Lo que implica que la tensión va a disminuir si no lo tenemos regulado. El regulador serie también tiene la propiedad de compensar las variaciones de entrada de corriente continua. Así pues, con un regulador serie podemos compensar tanto las variaciones de

entrada como las de salida. Otro tipo de regulador es el "regulador en paralelo". Este circuito está formado por impedancia fija colocada entre la entrada no regulada y la salida regulada; una impedancia variable que está colocada en paralelo, de donde viene el nombre de este tipo de reguladores, que se encuentra situada entre los terminales de la salida. La impedancia en paralelo va a variar para conseguir que la tensión de salida sea constante. Normalmente la impedancia en paralelo va ser un transistor, como en los reguladores en serie.



REGULADORES INTEGRADOS

El primer circuito integrado regulador que se fabricó fue el LM723. Es uno de los circuitos integrados más vendidos en el mundo y, a pesar de sus defectos y de que hoy en día hay otro tipo de reguladores integrados, no se ha perdido su popularidad. Durante unos cinco años fue el único regulador integrado que se vendió. Después se encontró el modo de incorporar elementos externos a los circuitos integrados, entre los que se incluían transistores serie de alta corriente. Así surgió la familia de los 7800, reguladores positivos de voltaje fijo.

Pronto le siguió la familia de los 7900, reguladores negativos de voltaje fijo. Estas dos familias tuvieron un gran éxito. Su precio era muy bajo, tenían buenas especificaciones de regulación de carga, linealidad y una buena capacidad de corriente que podía llegar hasta 1 amperio. Eran muy usados como reguladores de circuitos locales. Su mayor ventaja era que se podían reducir considerablemente los requerimientos sobre la fuente de alimentación principal y sus reguladores de voltaje. Después se extendieron ambas familias y aparecieron los

reguladores simétricos dobles. Incluían un regulador positivo y otro negativo dentro del mismo chip, añadiendo un amplificador para que uno de los dos voltajes siga al otro y se obtengan salidas simétricas respecto a tierra. Estos reguladores cada vez han adquirido una mayor importancia, ya que se han ido haciendo evidentes las limitaciones de los reguladores convencionales. La creciente complejidad de los sistemas analógicos conduce a situaciones donde pueden incluirse muchas funciones diferentes dentro de una misma tarjeta. Así, por ejemplo, podemos tener amplificadores operacionales, sensores, comparadores,



microprocesadores, convertidores D/A y A/D, etc., dentro de una misma tarjeta. Esto trae un grave problema para la fuente de alimentación, ya que la tarjeta puede requerir voltajes tanto negativos como positivos. Los reguladores dobles pueden solucionar este tipo de problemas, ajustándose fácilmente a los requisitos de cada

momento. Casi todos los reguladores integrados son de baja potencia. Normalmente, si necesitamos corrientes elevadas, se les agregan elementos que amplifiquen la potencia externos al circuito integrado. Algunos fabricantes han logrado incorporar dentro del circuito integrado los transistores que amplifican la potencia, pero esto trae consigo una amplificación de la disipación de la potencia en el c.i., por lo que no siempre es conveniente integrar el transistor. Como ya sabemos, los reguladores de alta corriente requieren que el circuito esté diseñado para que tenga una resistencia térmica mínima. Según sea la temperatura de trabajo de un circuito integrado, así va a ser su fiabilidad a largo plazo. Por lo tanto, cuanto más calor podamos sacar fuera del chip mejor va ser el circuito y va a funcionar

durante más tiempo.

El LM338 Otro ejemplo de regulador ajustable es el LM338. Este regulador tiene un valor de la tensión de referencia de 1,25 V. Con él podemos conseguir una corriente de salida que va desde los 1,2 V a los 25 V. Es muy recomendable colocar un condensador conectado a la entrada del LM338 para conseguir que el circuito no sea sensible a los ajustes o a la presencia de condensadores de salida. Los LM338 proporcionan una regulación de la carga muy buena. Para obtener las mejores prestaciones tenemos que tomar una pequeña medida. Dicha medida consiste en conectar la resistencia de corriente entre los terminales de ajuste y de salida lo más cerca posible del regulador, aunque para ello se tenga que alejar de la carga.

Cuando utilizamos condensadores con los circuitos integrados regulados es muy conveniente añadir unos diodos de protección y evitar así las descargas que se pueden producir por parte de los condensadores en los puntos de baja corriente de regulador. Cuando un regulador tiene conectado un condensador a la salida y se cortocircuita su entrada, el condensador se va a descargar a través del circuito integrado. Esta descarga es suficiente para dañar al circuito integrado y va a depender de tres factores: el tamaño del condensador, la tensión de salida y la velocidad de decrecimiento de la tensión de entrada. Por todos estos motivos, es muy conveniente añadir unos diodos de protección y, como ejemplo de circuitos integrados que los utilizan, podemos citar el regulador LM338.



REGULADORES DE TENSIÓN

(APLICACIONES) En poco tiempo, los reguladores han invadido el mercado de la electrónica por su sencillez de manejo, versatilidad, y lo que tan importante como esto, el bajo precio que pueden tener estos componentes. Desde la aparición de los reguladores integrados se ha facilitado enormemente el trabajo de los diseñadores de fuentes de alimentación. Gracias a estos, para realizar una fuente de alimentación completa es suficiente con un transformador, un puente rectificador, un filtro y el regulador de tensión. En términos muy generales, y desde el punto de vista práctico, se pueden dividir en dos grandes grupos: los de tensión de salida fija y los que están pensados para regular la salida dentro de unos márgenes razonables.

REGULADORES DE TENSIÓN FIJA Este tipo de circuitos se utilizan para aplicaciones que necesitan una tensión estabilizada y un valor constante para alimentar un circuito o una parte del mismo. Probablemente es el tipo de regulador más utilizado, y es muy normal ver una fuente de alimentación de varias salidas en las que se incorpora uno de estos reguladores en cada una de ellas. Probablemente, el más popular sea la familia de los 78XX. En este nombre deberemos sustituir las dos X por un número que, en realidad, representa el valor de la tensión de salida. De tal modo que si necesitamos una tensión de salida de 5 voltios utilizaremos un 7805. Asimismo, si la tensión necesaria fuese de 12 voltios, deberemos emplear un 7812, coincidiendo siempre las dos últimas cifras con el valor nominal de la tensión regulada. Tienen tres patillas: entrada, salida y masa, de modo que son extremadamente sencillos de conectar y los diseños se simplifican enormemente. Las características de estos circuitos los hacen muy atractivos en varios sentidos. Por un lado tienen un margen de tensiones de entrada muy amplio, pudiendo llegar hasta los 35 voltios de entrada en

algunos modelos. También disponen de una corriente de salida de 1 amperio, que es más que suficiente en muchas de las aplicaciones normales. Y otra característica importante es la protección térmica, que consiste en un sistema de seguridad interno que desconecta la salida cuando el circuito integrado se calienta en exceso. De esta forma el circuito puede soportar una sobrecarga instantánea sin destruirse, lo que le hace muy robusto y resistente. Estos circuitos que estamos estudiando tienen

una regulación positiva. Esto quiere decir que tenemos una entrada de tensión que puede ser variable dentro de unos límites, pero siempre será positiva con respecto a la masa del circuito. Por lo tanto, la salida será fija en el valor nominal del integrado pero siempre positiva, también con respecto a masa. Pero, ¿qué ocurre cuando necesitamos una tensión de salida negativa? Esta pregunta la responde la familia simétrica a la anterior, es decir, los 79XX. Estos circuitos son idénticos a los anteriores, pero con una entrada de tensión negativa con respecto a la masa y, por tanto, la salida será también negativa, ya que lo único que cambia de los 78XX es la polaridad. Con una mezcla de ambas familias es posible diseñar una fuente de alimentación simétrica, es decir, que dispone de una masa, una salida positiva y otra del mismo valor pero negativa. Este tipo de fuente es frecuente utilizarlas con algunos circuitos, como son los amplificadores operacionales, que normalmente necesitan una tensión positiva y otra negativa con respecto a la masa.



ENCAPSULADOS DE LOS 78XX Las versiones corrientes de estos reguladores utilizan el encapsulado tipo TO-220. Éste es de plástico, y en la parte posterior tiene una pequeña lámina metálica con un agujero, para poder fijar un radiador. También está disponible el encapsulado TO-3. Se utiliza para corrientes de salida mayores, en las que se necesita una disipación de potencia más grande. Es totalmente metálico, con la forma típica de los transistores de potencia. Este encapsulado está pensado para montarlo sobre radiadores grandes con mayor grado de radiación térmica. Otro componente de esta familia de reguladores es el 78LXX. Es la versión contraria al anterior, es decir, se utiliza para bajas corrientes de salida. Proporciona un máximo de 100 mA, pero tienen varias ventajas, como es el tamaño de su encapsulado, del tipo TO-92, totalmente de plástico y muy pequeño. Es capaz de manejar una diferencia de tensión entre la entrada y la salida mayor que los normales. Ofrecen una mejor regulación de tensión limitación de corriente y protección contra cortocircuitos, de modo que es prácticamente indestructible, salvo que se invierta la polaridad de la entrada o se exceda la tensión de entrada.

DISIPACIÓN DE POTENCIA Hasta el momento podemos pensar que estos dispositivos son algo "casi mágico" al que se le aplica cualquier tensión de entrada, dentro de unos límites, y se obtiene otra tensión de salida, fija y estable, y con la corriente que nos interesa. Pero esto no es del todo cierto. Para conseguir un diseño correcto es importante seguir algunas normas básicas. Debemos empezar por disponer en la entrada del regulador una tensión de al menos 3 voltios por encima de la tensión nominal de salida. Estos 3 voltios son los que necesita el regulador para poder estabilizar correctamente la tensión.

Por otro lado, la corriente de salida tampoco puede ser tan alta como queramos, sino que dependerá de la tensión que estemos aplicando a la entrada. Todo esto se debe a que en realidad el regulador tiene un máximo de disipación de potencia, que es el factor que le permite trabajar o bien cómodamente o al límite de sus posibilidades. La disipación de potencia será la caída de tensión que tenga el regulador entre sus bornes por la corriente que le atraviese. Para entenderlo más claramente vamos a ver un ejemplo. Disponemos de un 7805 y le aplicamos una tensión de entrada de 12 voltios. Con esto queremos alimentar un circuito que tiene un consumo de corriente de 200 mA. El regulador tendrá una caída de tensión de 12V 5V = 7V. Y la corriente que entregará será de 200 mA, de modo que la disipación de potencia será: P = 7V x 0,2A = 1,4W Si en lugar de aplicar a la entrada del regulador 12 voltios tenemos 15, la disipación de potencia será 10V x 0,2A = 2W Dependiendo de la disipación de potencia que tengamos en el regulador, tendremos que colocar un tipo u otro de radiador y, por supuesto, elegiremos el encapsulado que más convenga al mismo.

REGULADORES DE TENSIÓN VARIABLES Este tipo de reguladores se utiliza principalmente para fuentes de alimentación de laboratorio, ya que se pueden ajustar para obtener una tensión de salida variable dentro de unos márgenes razonables. Cualquier aficionado a la electrónica sabe lo práctico que es tener siempre disponible una fuente capaz de alimentar cualquier circuito que estemos montando, por extraño que sea.

guía de trabajos prácticos 5b

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