Diferentes tipos de reguladores de tensión con su principio de funcionamiento

En la fuente de alimentación, los reguladores de tensión desempeñan un papel fundamental. Por eso, antes de hablar de un regulador de tensión, debemos saber cuál es el papel de una fuente de alimentación en el diseño de un sistema. Por ejemplo, en cualquier sistema que funcione, como un smartphone, un reloj de pulsera, un ordenador o un portátil, la fuente de alimentación es una parte esencial para que el sistema funcione, porque proporciona un suministro constante, fiable 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 alimentación de CA que se obtiene de las tomas de corriente y la alimentación de CC que se obtiene de las baterías. Por tanto, este artículo trata una visión general de los diferentes tipos de reguladores de tensión y su funcionamiento.

¿Qué es un regulador de tensión?

Un regulador de tensión se utiliza para regular los niveles de tensión. Cuando se necesita una tensión constante y fiable, el regulador de tensión es el dispositivo preferido. Genera una tensión de salida fija que permanece constante ante cualquier cambio en la tensión de entrada o en las condiciones de carga. Actúa como un amortiguador para proteger los componentes de los daños. Un regulador de tensión es un dispositivo con un diseño simple de avance y utiliza bucles de control de retroalimentación negativa.

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

El principales componentes utilizados en el regulador de tensión son

• Circuito de retroalimentación
• Tensión de referencia estable
• Circuito de control del elemento de paso

El proceso de regulación de la tensión es muy sencillo si se utilizan los tres componentes anteriores. El primer componente del regulador de tensión, como un circuito de realimentación, se utiliza para detectar los cambios en la salida de tensión continua. Basándose en la tensión de referencia y en la realimentación, se puede generar una señal de control que acciona el elemento de paso para compensar los cambios.

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

Funcionamiento del regulador de tensión

Un circuito regulador de tensión se utiliza para crear y mantener una tensión de salida permanente incluso cuando la tensión de entrada o las condiciones de carga cambian. El regulador de tensión obtiene la tensión de una fuente de alimentación y puede mantenerla en un rango que se adapte bien al resto de componentes eléctricos. Lo más habitual es que estos reguladores se utilicen para convertir la energía DC/DC, AC/AC o bien AC/DC.

Tipos de reguladores de tensión y su funcionamiento

Estos reguladores pueden implementarse mediante circuitos integrados o circuitos de componentes discretos. Los reguladores de tensión se clasifican en dos tipos: regulador de tensión lineal y regulador de tensión 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 los reguladores de conmutación de alta eficiencia, la mayor parte de la potencia i/p puede transmitirse al o/p sin disiparse.

Básicamente, hay dos tipos de reguladores de tensión: El regulador de tensión lineal y el regulador de tensión de conmutación.

• Hay dos tipos de reguladores de tensión lineales: En serie y en derivación.
• Hay tres tipos de reguladores de tensión de conmutación: Reguladores de tensión elevadores, reductores e inversores.

Reguladores de tensión lineales

El regulador lineal actúa como un divisor de tensión. En la región óhmica, utiliza un FET. La resistencia del regulador de tensión varía con la carga, lo que da lugar a una tensión de salida constante. Los reguladores de tensión lineales 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 la tensión de salida.

Una vez aliada una carga, los cambios en cualquier entrada o carga tendrán como consecuencia una diferencia de corriente en todo el transistor para mantener la salida constante. Para cambiar la corriente del transistor, éste debe trabajar en una región activa o bien óhmica.

A lo largo de este procedimiento, este tipo de regulador disipa mucha energía porque la tensión neta cae dentro del transistor para disiparse como el calor. En general, estos reguladores se clasifican en diferentes categorías.

• Regulador positivo
• Ajustable en negativo
• Salida fija
• Seguimiento
• Flotante

Ventajas

El ventajas de un regulador de tensión lineal son las siguientes

• Proporciona una baja tensión de ondulación de salida
• Rápido tiempo de respuesta a los cambios de carga o de línea
• Baja interferencia electromagnética y menos ruido

Desventajas

El desventajas de un regulador de tensión lineal incluyen las siguientes.

• La eficiencia es muy baja
• Requiere un gran espacio: se necesita un disipador térmico
• No se puede aumentar la tensión por encima de la entrada

Reguladores de tensión en serie

Un regulador de tensión en serie utiliza un elemento variable colocado en serie con la carga. Cambiando la resistencia de ese elemento en serie, se puede modificar la tensión que cae a través de él. Y la tensión a través de la carga permanece constante.

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

Reguladores de tensión en derivación

Un regulador de tensión en derivación funciona proporcionando un camino desde la tensión de alimentación hasta la tierra a través de una resistencia variable. La corriente que pasa por el regulador en derivación se desvía de la carga y fluye inútilmente hacia la tierra, por lo que esta forma suele ser menos eficiente que el regulador en serie. Sin embargo, es más sencillo, ya que a veces sólo consta de un diodo de referencia de tensión, y se utiliza en circuitos de muy baja potencia en los que la corriente desperdiciada es demasiado pequeña para ser preocupante. Esta forma es muy común en los circuitos de referencia de tensión. Un regulador shunt normalmente sólo puede absorber corriente.

Aplicaciones de los reguladores en derivación

Los reguladores en derivación se utilizan en:

• Fuentes de alimentación conmutadas de baja tensión de salida
• Circuitos de fuente y sumidero de corriente
• Amplificadores de error
• Fuentes de alimentación lineales y conmutadas de tensión o corriente ajustable
• Control de la tensión
• Circuitos analógicos y digitales que requieren referencias de precisión
• Limitadores de corriente de precisión

Reguladores de tensión 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 se desconecta porque casi no disipa energía. Los reguladores de conmutación son capaces de generar tensiones de salida superiores a la de entrada o de polaridad opuesta, a diferencia de los reguladores lineales.

El regulador de tensión de conmutación se conecta y desconecta rápidamente para modificar la salida. Requiere un oscilador de control y también carga componentes de almacenamiento.

En un regulador de conmutación con Modulación de Frecuencia de Pulso varían la frecuencia, el ciclo de trabajo constante y el espectro de ruido impuesto por la PRM; es más difícil filtrar ese ruido.

Un regulador de conmutación con Modulación por 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. Proporciona un mayor rendimiento.

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

Topologías de conmutación

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

Aislado

Se basa en la radiación y los entornos intensos. De nuevo, los convertidores aislados se clasifican en dos tipos que son los siguientes

• Convertidores Flyback
• Convertidores Forward

En la lista anterior, los convertidores aislados se tratan en el tema de las fuentes de alimentación conmutadas.

Sin aislamiento

Se basa en pequeños cambios en Vout/ Vin. Ejemplos: Regulador de tensión Step Up (Boost) - Eleva la tensión de entrada; Step Down (Buck) - Reduce la tensión de entrada; Regulador de tensión Step up/ Step Down (boost/ buck) - Reduce, eleva o invierte la tensión de entrada en función del regulador; Bomba de carga - Proporciona múltiplos de entrada sin utilizar un inductor.

De nuevo, los convertidores no aislados se clasifican en diferentes tipos, pero los más importantes son

• Convertidor Buck o regulador de tensión reductor
• Convertidor Boost o Regulador de tensión 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. Además, es un diseño más complejo, capaz de manejar una mayor eficiencia energética. Un regulador de tensión conmutado puede proporcionar una salida mayor, menor o que invierte la tensión de entrada.

Desventajas de las topologías de conmutación

• Mayor tensión de rizado de salida
• Tiempo de recuperación transitoria más lento
• La EMI produce una salida muy ruidosa
• Muy caro

Los convertidores de conmutación elevados, también llamados reguladores de conmutación de refuerzo, proporcionan una mayor tensión de salida elevando la tensión de entrada. La tensión de salida está regulada, siempre que la potencia que se extraiga esté dentro de la especificación de potencia de salida del circuito. Para alimentar cadenas de LEDs, se utiliza el regulador de tensión de conmutación elevadora.

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

Entonces V_en I_en = V_fuera I_fuera ,

I_fuera / I_en = (1-D)

De ello se deduce que en este circuito

• Los poderes siguen siendo los mismos
• La tensión aumenta
• La corriente disminuye
• Equivalente al transformador de corriente continua

Regulador de tensión reductor (Buck)

Reduce la tensión de entrada.

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

P_en = P_fuera; V_en I_en = V_fuera I_fuera,

I_fuera / I_en = V_en /V_fuera = 1/D

El convertidor reductor equivale a un transformador de corriente continua en el que la relación de vueltas está en el rango de 0-1.

Paso arriba/paso abajo (Boost/Buck)

También se denomina inversor de tensión. Mediante esta configuración, es posible subir, bajar o invertir la tensión según las necesidades.

• La tensión de salida tiene la polaridad opuesta a la de entrada.
• Esto se consigue mediante el diodo de polarización inversa VL durante los tiempos de desconexión, produciendo corriente y cargando el condensador para la producción de tensión durante los tiempos de desconexión
• Utilizando este tipo de regulador de conmutación, se puede conseguir una eficiencia del 90%.

Reguladores de tensión del alternador

Los alternadores producen la corriente necesaria para satisfacer la demanda eléctrica de un vehículo cuando el motor está en marcha. También reponen la energía que se utiliza para arrancar el vehículo. Un alternador tiene la capacidad de producir más corriente a menor velocidad que los generadores de corriente continua que antes utilizaban la mayoría de los vehículos. El alternador tiene dos partes

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

Regulador electrónico de tensión

Se puede hacer un regulador de tensión sencillo 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 de los diodos, la tensión a través del diodo sólo cambia ligeramente debido a los cambios en la corriente consumida o a los cambios en la entrada. Cuando el control preciso de la tensión y la eficiencia no son importantes, este diseño puede funcionar bien.

Regulador de tensión de transistores

Los reguladores de tensión electrónicos tienen una fuente de referencia de tensión astable que proporciona el diodo Zener, que también se conoce como diodo de funcionamiento de tensión de ruptura inversa. Mantiene una tensión de salida de CC constante. Se bloquea la tensión de ondulación de CA, pero no se puede bloquear el filtro. El regulador de tensión también tiene un circuito adicional de protección contra cortocircuitos, y un circuito de limitación de corriente, protección contra sobretensión y desconexión térmica.

Parámetros básicos de los reguladores de tensión

• Los parámetros básicos que hay que tener en cuenta en el funcionamiento de un regulador de tensión incluyen principalmente la tensión i/p, la tensión o/p y la corriente o/p. Por lo general, todos estos parámetros se utilizan principalmente para determinar si la topología del tipo VR se ajusta bien o no al CI de un usuario.
• Otros parámetros de este regulador son la frecuencia de conmutación, la corriente de reposo y la resistencia térmica de la tensión de retroalimentación, que pueden aplicarse en función de los requisitos
• La corriente de reposo es importante cuando la eficiencia en los modos de espera o de carga ligera es la principal preocupación.
• Una vez que se considera la frecuencia de conmutación como un parámetro, la explotación de 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, así como para disolver el calor del sistema.
• Si el regulador tiene un MOSFET, entonces todas las pérdidas, tanto conductivas como dinámicas, se disiparán dentro del paquete y deben tenerse en cuenta al medir la temperatura máxima del regulador.
• El parámetro más importante es la tensión de retroalimentación, ya que decide la menor tensión o/p que puede mantener el CI. Esto restringe la menor tensión o/p y la precisión repercutirá en la regulación de la tensión de salida.

¿Cómo elegir el regulador de tensión correcto?

• Los parámetros clave juegan un papel fundamental a la hora de seleccionar el regulador de tensión por parte del diseñador, como Vin, Vout, Iout, prioridades del sistema, etc. Algunas características clave adicionales, como el control de la habilitación o la indicación de buena potencia.
• Cuando el diseñador ha descrito estas necesidades, emplea una tabla de búsqueda paramétrica para descubrir el mejor aparato que satisfaga las necesidades preferidas.
• Para los diseñadores, esta tabla es muy valiosa porque proporciona varias características, así como los paquetes que se pueden obtener para satisfacer los parámetros necesarios para el requisito de un diseñador.
• Los dispositivos de MPS están disponibles con sus hojas de datos, que describen detalladamente las piezas externas necesarias y cómo medir sus valores para obtener un diseño estable, eficiente y de 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, puedes utilizar algunas herramientas de simulación como el software MPSmart/ DC/DC Designer, etc. MPS ofrece diferentes reguladores de tensión de tipo lineal, compacto, eficiente y de conmutación, como la familia MP171x, la familia HF500-x, MPQ4572-AEC1, MP28310, MP20056 y MPQ2013-AEC1.

Limitaciones/desventajas

Las limitaciones de los reguladores de tensión son las siguientes

• Una de las principales limitaciones de los reguladores de tensión es que son ineficientes debido a la disipación de una enorme corriente en algunas aplicaciones
• La caída de tensión de este CI es similar a la caída de tensión de una resistencia. Por ejemplo, cuando la entrada del regulador de tensión es de 5V y genera una salida de 3V, la caída de tensión entre los dos terminales es de 2V.
• La eficiencia del regulador puede limitarse a 3V o 5V, lo que significa que estos reguladores son aplicables con menos diferenciales Vin/ Vout.
• En cualquier aplicación, es muy importante tener en cuenta la disipación de potencia prevista para un regulador, ya que cuando las tensiones de entrada son altas, la disipación de potencia será elevada, lo que puede dañar diferentes componentes por sobrecalentamiento.
• Otra limitación es que sólo son capaces de realizar una conversión buck en comparación con los tipos de conmutación, ya que estos reguladores proporcionarán buck y conversión.
• Los reguladores de tipo conmutado son muy eficientes, pero tienen algunos inconvenientes, como la rentabilidad en comparación con los reguladores de tipo lineal, son más complejos, tienen un gran tamaño y pueden generar más ruido si sus componentes exteriores no se eligen con precaución.

Esto es todo sobre los diferentes tipos de reguladores de tensión y su principio de funcionamiento. Creemos que la información proporcionada en este artículo te resulta útil para comprender mejor este concepto. Además, para cualquier duda sobre este artículo o cualquier ayuda en la realización de proyectos de electricidad y electrónica, puedes dirigirte a nosotros comentando en la sección de comentarios de abajo. He aquí una pregunta para ti - ¿Dónde utilizaremos un regulador de tensión del alternador?