Introducción a los reguladores de voltaje lineal: 8 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Hace cinco años cuando empecé con Arduino y Raspberry Pi no pensé demasiado en la fuente de alimentación, en este momento el adaptador de corriente de Raspberry Pi y la fuente USB de Arduino era más que suficiente.

Pero después de un tiempo, mi curiosidad me empujó a considerar otros métodos de suministro de energía, y después de crear más proyectos, me vi obligado a hacer consideraciones sobre fuentes de energía de CC diferentes y, si es posible, ajustables.

Especialmente cuando termine su diseño, definitivamente querrá construir una versión más permanente de su proyecto, y para eso deberá considerar cómo proporcionar energía.

En este tutorial explicaré cómo puede crear su propia fuente de alimentación lineal con reguladores de voltaje IC ampliamente utilizados y asequibles (LM78XX, LM3XX, PSM-165, etc.). Aprenderá sobre su funcionalidad e implementación para sus propios proyectos.

Paso 1: consideraciones de diseño

Niveles de voltaje comunes

Hay varios niveles de voltaje estándar que su diseño puede requerir:

• 3.3 voltios CC: este es un voltaje común utilizado por Raspberry PI y dispositivos digitales de baja potencia.
• 5 voltios CC: este es el voltaje estándar TTL (Lógica del transistor del transistor) que utilizan los dispositivos digitales.
• 12 voltios CC: se utilizan para CC, servomotores y motores paso a paso.
• 24/48 voltios CC: ampliamente utilizado en proyectos de impresión 3D y CNC.

Debe considerar en su diseño que los voltajes de nivel lógico deben regularse con mucha precisión. Por ejemplo, para dispositivos con voltaje TTL, el voltaje de suministro debe estar entre 4.75 y 5.25 voltios, de lo contrario, cualquier desviación de voltaje hará que los componentes lógicos dejen de funcionar correctamente o incluso destruyan sus componentes.

A diferencia de los dispositivos de nivel lógico, la fuente de alimentación de los motores, LED y otros componentes electrónicos puede desviarse en un amplio rango. Además, debe considerar los requisitos actuales del proyecto. Especialmente los motores pueden hacer que el consumo de corriente fluctúe y usted necesita diseñar su fuente de alimentación para adaptarse a la situación del "peor de los casos" en la que todos los motores funcionan a plena capacidad.

Debe utilizar un enfoque diferente para la regulación de voltaje para los diseños alimentados por línea y alimentados por batería, porque los niveles de voltaje de la batería fluctuarán a medida que la batería se descarga.

Otro aspecto importante del diseño del regulador de voltaje es la eficiencia; especialmente en proyectos que funcionan con baterías, debe reducir las pérdidas de energía al mínimo.

ATENCIÓN: En la mayoría de los países, una persona no puede trabajar legalmente con voltajes superiores a 50 V CA sin una licencia. Cualquier error cometido por cualquier persona que trabaje con voltaje letal puede provocar su propia muerte o la de otra persona. Por esta razón, solo explicaré la construcción de la fuente de alimentación de CC con un nivel de voltaje inferior a 60 V CC.

Paso 2: Tipos de reguladores de voltaje

Hay dos tipos principales de reguladores de voltaje:

• reguladores de voltaje lineal que son los más asequibles y fáciles de usar
• reguladores de voltaje de conmutación que son más eficientes que los reguladores de voltaje lineal, pero más costosos y requieren un diseño de circuito más complejo.

En este tutorial trabajaremos con reguladores de voltaje lineales.

Características eléctricas de los reguladores de voltaje lineal

La caída de voltaje en el regulador lineal es proporcional a la potencia disipada del IC, o en otras palabras, la potencia se pierde debido al efecto de calentamiento.

Para la disipación de potencia en los reguladores lineales se puede utilizar la siguiente ecuación:

Potencia = (VInput - VOutput) x I

El regulador lineal L7805 tiene que disipar al menos 2 vatios si entrega una carga de 1 A (caída de voltaje de 2 V por 1 A).

Con el aumento de la diferencia de voltaje entre el voltaje de entrada y salida, la disipación de potencia también aumenta. Es decir, por ejemplo, mientras que una fuente de 7 voltios regulada a 5 voltios que entrega 1 amperio disiparía 2 vatios a través del regulador lineal, una fuente de 12 V CC regulada a 5 voltios que entrega la misma corriente disiparía 5 vatios, por lo que el regulador solo 50% eficiente.

El siguiente parámetro importante es la "Resistencia térmica" en unidades de ° C / W (° C por Watt).

Este parámetro indica la cantidad de grados que el chip se calentará por encima de la temperatura del aire ambiente, por cada vatio de potencia que debe disipar. Simplemente multiplique la disipación de potencia calculada por la resistencia térmica y eso le dirá cuánto se calentará ese regulador lineal con esa cantidad de potencia:

Potencia x resistencia térmica = temperatura por encima del ambiente

Por ejemplo, un regulador 7805 tiene una resistencia térmica de 50 ° C / Watt. Esto significa que si su regulador se está disipando:

• 1 vatio, se calentará 50 ° C
• 0,2 vatios se calentará a 100 ° C.

NOTA: Durante la fase de planificación del proyecto, intente estimar la corriente requerida y reduzca la diferencia de voltaje al mínimo. Por ejemplo, el regulador de voltaje lineal 78XX tiene una caída de voltaje de 2 V (el voltaje de entrada mínimo es Vin = 5 + 2 = 7 V CC), como resultado, puede usar una fuente de alimentación de 7, 5 o 9 V CC.

Cálculo de eficiencia

Considerando que la corriente de salida es igual a la corriente de entrada para un regulador lineal, obtendremos una ecuación simplificada:

Eficiencia = Vout / Vin

Por ejemplo, digamos que tiene 12 V en la entrada y necesita una salida de 5 V a 1 A de corriente de carga, entonces la eficiencia para un regulador lineal sería solo (5 V / 12 V) x 100% = 41%. Esto significa que solo el 41% de la energía de la entrada se transfiere a la salida, ¡y la energía restante se perderá en forma de calor!

Paso 3: Reguladores lineales 78XX

Los reguladores de voltaje 78XX son dispositivos de 3 pines disponibles en varios paquetes diferentes, desde paquetes de transistores de potencia grandes (T220) hasta pequeños dispositivos de montaje en superficie; es un regulador de voltaje positivo. La serie 79XX son los reguladores de voltaje negativo equivalentes.

La serie de reguladores 78XX proporciona voltajes regulados fijos de 5 a 24 V. Los dos últimos dígitos del número de pieza del IC indican el voltaje de salida del dispositivo. Esto significa, por ejemplo, que un 7805 es un regulador positivo de 5 voltios, un 7812 es un regulador positivo de 12 voltios.

Estos reguladores de voltaje son sencillos: conecte el L8705 y un par de condensadores electrolíticos en la entrada y salida, y construirá un regulador de voltaje simple para proyectos Arduino de 5 V.

El paso importante es consultar las hojas de datos para conocer los pines y las recomendaciones del fabricante.

Los reguladores 78XX (positivos) utilizan los siguientes pines:

1. ENTRADA Entrada de CC no regulada Vin
2. REFERENCIA (TIERRA)
3. SALIDA - salida CC regulada Vout

Una cosa a tener en cuenta sobre la versión de caja TO-220 de estos reguladores de voltaje es que la caja está conectada eléctricamente al pin central (pin 2). En la serie 78XX eso significa que el caso está conectado a tierra.

Este tipo de regulador lineal tiene un voltaje de caída de 2 V, como resultado, con una salida de 5 V a 1 A, debe tener al menos un voltaje de cabeza de 2,5 V CC (es decir, 5 V + 2,5 V = entrada de 7,5 V CC).

Las recomendaciones del fabricante para los capacitores de suavizado son CInput = 0.33 µF y COutput = 0.1 µF, pero la práctica general es un capacitor de 100 µF en la entrada y la salida. Es una buena solución para el peor de los casos, y los capacitores ayudan a hacer frente a fluctuaciones repentinas y transitorias en el suministro.

En caso de que el suministro caiga por debajo del umbral de 2 V, los condensadores estabilizarán el suministro para garantizar que esto no suceda. Si su proyecto no tiene tales transitorios, puede ejecutarlo con las recomendaciones del fabricante.

El circuito regulador de voltaje lineal simple es solo un regulador de voltaje L7805 y dos condensadores, pero podemos actualizar este circuito para crear una fuente de alimentación más avanzada con cierto nivel de protección e indicación visual.

Si desea distribuir su proyecto, definitivamente sugeriré agregar esos pocos componentes adicionales para evitar inconvenientes futuros con los clientes.

Paso 4: Circuito 7805 actualizado

Primero puede usar el interruptor para encender o apagar el circuito.

Además, puede colocar un diodo (D1), cableado en polarización inversa entre la salida y la entrada del regulador. Si hay inductores en la carga, o incluso condensadores, una pérdida de entrada puede causar un voltaje inverso, que puede destruir el regulador. El diodo evita esas corrientes.

Los condensadores adicionales actúan como una especie de filtro final. Deben tener un voltaje nominal para el voltaje de salida, pero deben ser lo suficientemente altos para adaptarse a la entrada para un pequeño margen de seguridad (por ejemplo, 16 25 V). Realmente dependen del tipo de carga que esperas y se pueden dejar fuera para una carga de CC pura, pero 100uF para C1 y C2, y 1uF para C4 (y C3) sería un buen comienzo.

Además, puede agregar el LED y la resistencia limitadora de corriente adecuada para proporcionar una luz indicadora que es muy útil para la detección de fallas en la fuente de alimentación; cuando el circuito está encendido, las luces LED están ENCENDIDAS; de lo contrario, busque algunas fallas en su circuito.

La mayoría de los reguladores de voltaje tienen circuitos de protección que protegen los chips del sobrecalentamiento y, si se calienta demasiado, baja el voltaje de salida y, por lo tanto, limita la corriente de salida para que el dispositivo no sea destruido por el calor. Los reguladores de voltaje en los paquetes TO-220 también tienen un orificio de montaje para el accesorio del disipador de calor, y sugeriré que definitivamente debería usarlo para conectar un buen disipador de calor industrial.

Paso 5: más potencia de 78XX

La mayoría de los reguladores 78XX están limitados a una corriente de salida de 1 - 1.5 A. Si la corriente de salida de un regulador IC excede su límite máximo permitido, su transistor de paso interno disipará una cantidad de energía más de la que puede tolerar, lo que conducirá al cierre.

Para aplicaciones que requieren más que el límite de corriente máximo permitido de un regulador, se puede usar un transistor de paso externo para aumentar la corriente de salida. La figura de FAIRCHILD Semiconductor ilustra dicha configuración. Este circuito tiene la capacidad de producir una corriente más alta (hasta 10 A) a la carga, pero aún conserva el apagado térmico y la protección contra cortocircuitos del regulador IC.

El transistor de potencia BD536 es sugerido por el fabricante.

Paso 6: Reguladores de voltaje LDO

El L7805 es un dispositivo muy simple con un voltaje de caída relativamente alto.

Algunos reguladores de voltaje lineal, llamados de baja caída (LDO), tienen una caída de voltaje mucho menor que los 2V del 7805. Por ejemplo, el LM2937 o LM2940CT-5.0 tiene una caída de 0.5V, como resultado, su circuito de suministro de energía tiene una mayor eficiencia y puede usarlo en proyectos con fuente de alimentación de batería.

El diferencial mínimo de Vin-Vout que puede operar un regulador lineal se llama voltaje de caída. Si la diferencia entre Vin y Vout cae por debajo del voltaje de caída, entonces el regulador está en modo de caída.

Los reguladores de baja caída tienen una diferencia muy baja entre el voltaje de entrada y el de salida. Especialmente, la diferencia de voltaje de los reguladores lineales LM2940CT-5.0 puede alcanzar menos de 0.5 voltios antes de que los dispositivos “se desconecten”. Para un funcionamiento normal, el voltaje de entrada debe ser 0,5 V más alto que el de salida.

Esos reguladores de voltaje tienen el mismo factor de forma T220 que L7805 con el mismo diseño: entrada a la izquierda, tierra en el medio y salida a la derecha (visto desde el frente). Como resultado, puede utilizar el mismo circuito. Las recomendaciones de fabricación para los condensadores son CInput = 0,47 µF y COutput = 22 µF.

Un gran inconveniente es que los reguladores de "baja deserción" son más caros (incluso hasta diez veces) en comparación con la serie 7805.

Paso 7: Fuente de alimentación regulada LM317

El LM317 es un regulador de voltaje lineal positivo con una salida variable, es capaz de suministrar una corriente de salida de más de 1.5 A en un rango de voltaje de salida de 1.2 a 37 V.

. Las dos primeras letras denotan las preferencias del fabricante, como "LM", que significa "monolítico lineal". Es un regulador de voltaje con salida variable, por lo que es muy útil en situaciones en las que se necesita un voltaje no estándar. El formato 78xx es un regulador de voltaje positivo, o 79xx es un regulador de voltaje negativo, donde “xx” representa el voltaje de los dispositivos.

El rango de voltaje de salida está entre 1.2 V y 37 V, y se puede usar para alimentar su Raspberry Pi, Arduino o DC Motors Shield. El LM3XX tiene la misma diferencia de voltaje de entrada / salida que el 78XX; la entrada debe estar al menos 2,5 V por encima del voltaje de salida.

Al igual que con la serie de reguladores 78XX, el LM317 es un dispositivo de tres clavijas. Pero el cableado es un poco diferente.

Lo principal a tener en cuenta sobre la conexión LM317 son las dos resistencias R1 y R2 que proporcionan un voltaje de referencia al regulador; esta tensión de referencia determina la tensión de salida. Puede calcular estos valores de resistencia de la siguiente manera:

Vout = VREF x (R2 / R1) + IAdj x R2

IAdj es típicamente 50 µA y despreciable en la mayoría de las aplicaciones, y VREF es 1.25 V - voltaje de salida mínimo.

Si descuidamos IAdj, entonces nuestra ecuación se puede simplificar a

Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1)

Si usamos R1 240 Ω y R2 con 1 kΩ, obtendremos un voltaje de salida de Vout = 1.25 (1 + 0/240) = 1.25 V.

Cuando giramos la perilla del potenciómetro completamente en otra dirección, obtendremos Vout = 1.25 (1 + 2000/240) = 11.6 V como voltaje de salida.

Si necesita un voltaje de salida más alto, debe reemplazar R1 con una resistencia de 100 Ω.

Circuito explicado:

• Se requieren R1 y R2 para configurar el voltaje de salida. Se recomienda CAdj para mejorar el rechazo de ondulaciones. Evita la amplificación de la ondulación a medida que el voltaje de salida se ajusta más alto.
• Se recomienda C1, especialmente si el regulador no está muy cerca de los condensadores del filtro de la fuente de alimentación. Un condensador de cerámica o tantalio de 0,1 µF o 1 µF proporciona suficiente derivación para la mayoría de las aplicaciones, especialmente cuando se utilizan condensadores de ajuste y salida.
• C2 mejora la respuesta transitoria, pero no es necesario para la estabilidad.
• Se recomienda el diodo de protección D2 si se utiliza CAdj. El diodo proporciona una ruta de descarga de baja impedancia para evitar que el condensador se descargue en la salida del regulador.
• Se recomienda el diodo de protección D1 si se utiliza C2. El diodo proporciona una ruta de descarga de baja impedancia para evitar que el condensador se descargue en la salida del regulador.

Paso 8: Resumen

Los reguladores lineales son útiles si:

• El diferencial de voltaje de entrada a salida es pequeño
• Tienes una corriente de carga baja
• Necesita un voltaje de salida extremadamente limpio
• Debe mantener el diseño lo más simple y económico posible.

Por lo tanto, los reguladores lineales no solo son más fáciles de usar, sino que proporcionan un voltaje de salida mucho más limpio en comparación con los reguladores de conmutación, sin ondulaciones, picos o ruidos de ningún tipo. En resumen, a menos que la disipación de potencia sea demasiado alta o necesite un regulador elevador, un regulador lineal será su mejor opción.