8.2: La necesidad de regulación

Los circuitos electrónicos modernos requieren voltajes de fuente de alimentación estables. Sin potenciales estables, el rendimiento del circuito puede degradarse, o si las variaciones son lo suficientemente grandes, el circuito puede dejar de funcionar todos juntos y varios componentes pueden ser destruidos. Hay muchas razones por las que una fuente de alimentación puede fluctuar. No importa cuál sea la causa, es tarea del regulador absorber las fluctuaciones, y con ello mantener constantes potenciales de operación.

Un circuito básico de alimentación se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). Primero, se utiliza un transformador para aislar el circuito de la fuente de alimentación de CA. También se utiliza para reducir (o aumentar) el potencial de la fuente de CA a un nivel más manejable. Luego, un rectificador convierte la señal de CA escalada en CC pulsante, en forma de rectificación de media onda o, más típicamente, de onda completa. Las variaciones en la señal de CC pulsante se filtran para producir un potencial de CC (ojalá) estable, que alimenta la carga. El filtro puede tomar la forma de un condensador simple o, posiblemente, redes más complejas que comprenden tanto condensadores como inductores.

Figura\(\PageIndex{1}\): Fuente de alimentación básica.

Hay dos causas principales de variación de la salida de la fuente de alimentación. Primero, si cambia la señal de la fuente de CA, se verá un cambio proporcional en la salida. Si, por ejemplo, se produce un marrón out ¹, la fuente nominal de 120 V CA utilizada en EU, puede caer a, digamos, 100 V AC. Esto representa una disminución de una sexta parte, o alrededor del 16.7%. Este mismo cambio será reflejado por el transformador, por lo que la salida del transformador también será aproximadamente 16.7% baja. Esta reducción lleva directamente a través del rectificador y filtro a la carga. En algunos circuitos, esto no presentará un problema mayor. Por ejemplo, esto puede significar que un amplificador operacional estará funcionando con un suministro de 12 V en lugar de un suministro de 15 V. Por otro lado, un circuito lógico TTL puede no funcionar correctamente si solo se aplican 4 V en lugar de 5 V. Por supuesto, si se produce una sobretensión, tanto el amplificador operacional como el circuito lógico podrían dañarse.

Qué tan bien maneja un circuito las variaciones en la señal de línea de CA se denota por el parámetro, regulación de línea.

\[ Line \ Regulation = \frac{V_{max} − V_{min}}{V_{min}} \times 100 \label{8.1} \]

donde\(V_{max}\) es el voltaje de carga producido en el potencial máximo de línea de CA y\(V_{min}\) es el voltaje de carga para el potencial de línea de CA más bajo. Normalmente, este valor se expresa como un porcentaje. Idealmente, una fuente de alimentación siempre producirá el mismo potencial de salida, y por lo tanto, la cifra de regulación de línea perfecta sería 0%.

La otra fuente importante de variación de suministro es la variación de la corriente de carga. De hecho, las variaciones de corriente de carga pueden ser mucho mayores que las variaciones habituales que se observan en la línea de CA. Esto normalmente tiene el efecto de aumentar o disminuir la cantidad de ondulación de CA observada en el voltaje de salida. Idealmente, no habría ondulación en la salida. La ondulación es causada por el hecho de que las corrientes de carga pesada reducen efectivamente la constante de tiempo de descarga del filtro. El resultado es que el filtro cede su energía almacenada más rápido y no puede “llenar con éxito los huecos” de la señal pulsante de CC alimentada a él. La señal de ondulación es efectivamente una señal de CA que se mueve en la salida de CC. Esta rápida variación del potencial de suministro puede encontrar su camino en una ruta de procesamiento de audio o señal y crear una gran cantidad de interferencia. Junto con esta variación, el valor efectivo de CC del suministro puede disminuir a medida que aumenta la corriente de carga. La cifra de mérito para la estabilidad a pesar de los cambios de carga se llama regulación de carga.

\[ Load \ Regulation = \frac{V_{max} −V_{min}}{V_{min}} \times 100 \label{8.2} \]

donde\(V_{max}\) es el voltaje de carga más grande producido, y\(V_{min}\) es el voltaje de carga mínimo producido. Estos puntos suelen ocurrir en las corrientes de carga mínima y máxima, respectivamente. Nuevamente, este valor normalmente se expresa como un porcentaje e idealmente sería 0%.

Para mantener un voltaje de salida constante, el regulador de la fuente de alimentación necesita detectar su salida y luego compensar cualquier irregularidad. Esto implica una serie de cosas. Primero, se necesita alguna forma de referencia para una comparación estable con la señal de salida. Segundo, se requiere alguna forma de comparador o amplificador para poder hacer uso de esta comparación. Finalmente, se necesita alguna forma de elemento de control para absorber la diferencia entre la entrada al circuito regulador y la salida deseada. Este elemento de control puede aparecer en serie o en paralelo con la carga, como se ve en la Figura\(\PageIndex{2}\). La primera forma se muestra en la Figura\(\PageIndex{2a}\) y normalmente se conoce como un regulador de modo serie. El elemento de control permite que la corriente pase a través de la carga, pero baja una cantidad específica de voltaje. El voltaje que aparece a través del elemento de control es la diferencia entre la salida del filtro y el voltaje de carga deseado.

La figura\(\PageIndex{2b}\) muestra un regulador de modo de derivación. Aquí, el elemento de control está en paralelo con la carga y consume suficiente corriente para mantener constante el nivel de salida. Para muchas aplicaciones, los reguladores de modo de derivación no son tan eficientes como los reguladores de modo serie. Un ejemplo de un regulador de modo de derivación simple es la disposición de resistencia/diodo Zener mostrada en la Figura\(\PageIndex{3}\). Tenga en cuenta que bajo condiciones sin carga (es decir, cuando la impedancia de carga es infinita) fluye una corriente considerable en el circuito de regulación.

Figura\(\PageIndex{2}\): Dos formas de elementos de control del regulador. a. Regulador serie (arriba). b. Regulador paralelo (abajo).

Figura\(\PageIndex{3}\): Regulador de derivación zener simple.

Referencias

¹ Una reducción en el potencial suministrado estándar puede ser introducida por una compañía eléctrica como una forma de lidiar con condiciones de carga particularmente pesada, como en un día de verano muy caluroso cuando hay numerosos acondicionadores de aire funcionando.