Reguladores de voltaje: su función e importancia explicada
Un regulador de voltaje es un dispositivo que mantiene el voltaje estable por sí solo.Ajusta el voltaje para asegurarse de que los dispositivos conectados obtengan una cantidad estable y consistente, incluso si el voltaje de entrada cambia o las condiciones de carga varían.Esto ayuda a proteger las delicadas piezas electrónicas de ser dañadas por los cambios de voltaje.Este artículo analiza más de cerca las partes principales y los tipos de reguladores de voltaje, que muestra por qué son tan importantes para mantener la electrónica funcionando sin problemas.Desglosar los dos tipos principales de reguladores de voltaje, describiendo cómo funcionan, sus beneficios y para qué situaciones son más adecuadas.También hay un tutorial práctico sobre la construcción de un regulador de voltaje en una placa de pan, que brinda una forma práctica de aprender sobre su diseño y función.Finalmente, ofrece consejos sobre cómo elegir el regulador de voltaje correcto, centrándose en el equilibrio entre eficiencia, control de calor y estabilidad de voltaje para proyectos específicos.Catalogar
Figura 1: Regulador de voltaje
Componentes de un regulador de voltaje
• Comparador
El comparador compara el voltaje de salida con un voltaje de referencia establecido.Su trabajo es garantizar que la salida permanezca dentro del rango deseado enviando señales de control que ajusten el voltaje en consecuencia.Cuando la salida se desplaza del valor de referencia, el comparador desencadena ajustes para volver a poner la salida en línea.
Figura 2: Circuito regulador de voltaje con comparador de voltaje
• Fuente de voltaje de referencia
Este es un voltaje altamente estable que actúa como el punto de referencia para la comparación.El voltaje de referencia permanece constante, incluso si hay cambios en el voltaje de entrada, la temperatura o la carga.Esto es proporcionado por una referencia de BandGAP y ofrece una estabilidad confiable en diferentes condiciones de funcionamiento.
Figura 3: fuente de voltaje de referencia
• Amplificador de error
El amplificador de error magnifica la diferencia entre el voltaje de referencia y el voltaje de salida.Esta señal amplificada se usa para ajustar el mecanismo de control, reduciendo la brecha entre la salida real y el voltaje de destino.Asegura que la salida coincida con el voltaje previsto lo más cerca posible.
Figura 4: Regulador de voltaje con amplificador de error
• Red de retroalimentación
La red de retroalimentación consta de resistencias, y a veces condensadores, que envían una parte del voltaje de salida nuevamente al sistema para su monitoreo.Este bucle de retroalimentación es importante para configurar el voltaje de salida correcto y estabilizar el regulador.La relación de retroalimentación, determinada por los componentes de la red, controla cuánto de la salida se vuelve al amplificador o comparador de error.
Figura 5: Señal de retroalimentación en el regulador de voltaje
• Elemento de control
El elemento de control ajusta activamente el voltaje de salida.En reguladores lineales, este es un transistor que trabaja en su estado activo para regular el voltaje.En los reguladores de conmutación, el elemento de control actúa como un interruptor, activando y apagado el voltaje de entrada para transferir energía a través de componentes como inductores o condensadores, suave la salida.
Figura 6: Elemento de control en el regulador de voltaje
• Regulación de carga
La regulación de la carga es la capacidad del regulador para mantener el voltaje de salida estable a medida que cambia la carga.La fuerte regulación de la carga significa que la salida permanece constante, incluso si la cantidad de corriente de la carga dibuja fluctúa.
Figura 7: Regulación de carga
• Regulación de línea
La regulación de la línea mide qué tan bien el regulador mantiene una salida estable cuando varía el voltaje de entrada.Un buen regulador de voltaje muestra cambios de salida mínimos incluso cuando hay cambios en el voltaje de entrada.
Figura 8: Regulación de línea
• Disipador de calor
Para los reguladores lineales que pueden generar calor disipando el exceso de voltaje, a menudo se requiere un disipador de calor.Ayuda a dispersar el calor producido por el elemento de control, como un transistor, manteniendo el dispositivo dentro de las temperaturas de funcionamiento seguras.
Figura 9: disipador de calor
• Circuito de protección
Muchos reguladores de voltaje vienen con características de protección incorporadas como sobrecorriente, apagado térmico y protección contra cortocircuitos.Estas salvaguardas evitan que el regulador y los dispositivos conectados se dañen, mejorando la seguridad general y la confiabilidad.
Tipos de reguladores de voltaje
Reguladores de voltaje lineal
Los reguladores de voltaje lineal usan una parte principal llamada elemento de paso, generalmente un tipo de transistor como un transistor de unión bipolar (BJT) o un MOSFET.Esta parte está controlada por un amplificador operativo.Para mantener el voltaje estable, el regulador compara constantemente el voltaje de salida con un voltaje de referencia interno fijo.Si los dos no son los mismos, el amplificador operativo cambia el elemento de paso para corregir la salida.Este proceso sigue funcionando para marcar la diferencia entre los dos voltajes lo más pequeño posible.
Dado que los reguladores lineales solo pueden reducir el voltaje, la salida siempre será menor que el voltaje de entrada.Aunque esto limita cómo se pueden usar, los reguladores lineales siguen siendo populares porque son simples y funcionan bien.Son fáciles de diseñar, confiables, rentables y producen muy poca interferencia electromagnética (EMI), significa que hay menos ruido y ondulación en la salida.
Por ejemplo, un regulador lineal simple como el MP2018 solo necesita un condensador de entrada y un condensador de salida para funcionar correctamente.Este pequeño número de piezas hace que el diseño sea fácil, confiable y asequible.
Figura 10: Regulador de voltaje lineal
Reguladores de voltaje de conmutación
Los reguladores de conmutación son una opción más avanzada en comparación con los reguladores lineales, pero su diseño requiere más precisión y atención al detalle.A diferencia de los reguladores lineales, los reguladores de conmutación dependen de componentes externos, ajuste de bucle de control cuidadoso y planificación de diseño reflexivo.Estos reguladores vienen en tres tipos principales: convertidores reducidos (Buck), convertidores de paso up (impulso) y una combinación de los dos.Esta gama de opciones las hace mucho más flexibles que los reguladores lineales.
Una de las ventajas de cambiar los reguladores es su alta eficiencia, a menudo superando el 95%.También se destacan en la gestión del calor y son capaces de manejar corrientes más grandes al tiempo que soportan una amplia variedad de voltajes de entrada y salida.Sin embargo, la compensación de este rendimiento es una mayor complejidad.Para trabajar correctamente, los reguladores de conmutación necesitan componentes adicionales como inductores, condensadores, transistores de efectos de campo (FET) y resistencias de retroalimentación.
Un buen ejemplo de un regulador de conmutación es el modelo HF920 que demuestra el fuerte rendimiento y la gestión de energía confiable que ofrecen estos dispositivos.
Figura 11: Regulador de voltaje de conmutación
Tipos de reguladores de voltaje de conmutación
Reguladores de Buck, también llamados convertidores bajos, se utilizan para reducir un voltaje más alto a un voltaje de salida más bajo y más utilizable.El proceso comienza con un transistor que se enciende y apaga a alta velocidad, cortando el voltaje de entrada en ráfagas cortas.Estas rápidas explosiones de voltaje se pasan a través de un inductor que almacena energía temporalmente.A medida que el voltaje continúa, se suaviza aún más por un condensador, lo que resulta en un voltaje de salida más bajo constante.Este método es eficiente, reduciendo la energía desperdiciada como calor.Los reguladores de Buck son buenos en dispositivos como computadoras portátiles, teléfonos inteligentes y otros electrónicos portátiles.
Figura 12: Circuito del regulador de Buck
Boost Regulators , a menudo denominados convertidores subterráneos, trabajan para aumentar un voltaje de entrada bajo a un voltaje de salida más alto.Aquí, un transistor que carga un inductor cuando está activo y libera la energía almacenada cuando se apaga.Esta liberación controlada eleva el nivel de voltaje.Estos reguladores son útiles en situaciones en las que la alimentación de entrada, como la de una batería, es demasiado baja para las necesidades del dispositivo.A medida que agotan las baterías, el regulador de BOOST garantiza que el voltaje permanezca consistente, manteniendo los dispositivos operativos incluso a medida que los niveles de potencia disminuyen.Esto los hace ideales para muchos productos electrónicos con batería que requieren un voltaje constante a pesar del suministro de energía fluctuante.
Figura 13: Circuito del regulador de Boost
Reguladores de Buck-Boost Combine las características de los convertidores Buck y Boost, permitiéndoles aumentar o disminuir el voltaje de entrada según sea necesario.Estos reguladores primero invierten el voltaje de entrada y luego lo ajustan, ya sea que lo ponga hacia arriba o hacia abajo dependiendo de la salida requerida.Esta capacidad de adaptarse a las condiciones cambiantes hace que los reguladores de Buck-Boost sean excelentes en sistemas con voltajes de entrada impredecibles o inestables, como en automóviles o aplicaciones de energía renovable como los sistemas de energía solar.Al proporcionar una salida estable independientemente de las fluctuaciones de entrada, se aseguran de que los dispositivos conectados funcionen de manera confiable en una amplia gama de condiciones.
Figura 14: Circuito del regulador de Buck-Boost
Construya su propio regulador de voltaje de placa de pan
El kit de regulador de voltaje de paneles es el punto de entrada perfecto para principiantes que buscan obtener experiencia práctica con soldadura y diseño básico de circuitos.No solo aprenderá los conceptos centrales de la electrónica, sino que al final de este proyecto, habrá creado un dispositivo completamente funcional, capaz de proporcionar una salida constante de 5 VDC para pequeños proyectos electrónicos.
Este kit incluye todo lo que necesita para ensamblar un regulador de voltaje confiable:
- placa de circuito impreso (PCB)
- DC Power Jack
- condensadores y resistencia
- LED de estado de potencia
- encabezados de pin
- Manual de instrucciones integral
Las herramientas requeridas para este proyecto son:
- soldador y soldadura
- cortadores de alambre
- Fuente de alimentación (como un adaptador de pared de 6-18V)
El proceso de ensamblaje se descompone paso a paso para ayudarlo a comprender el funcionamiento de un regulador de voltaje a medida que avanza.
Paso 1: Instalación de la resistencia y el condensador
Comience por recoger la resistencia y doblar sus cables para que se ajusten a la ranura R1.Insérvelo en el lugar designado en el tablero y soldadura los cables de forma segura desde la parte posterior.Una vez soldado, corte cualquier cable extra que sobresalga.A continuación, tome el condensador de 0.1 µF y siga el mismo proceso para la ranura C2.No hay necesidad de preocuparse por la forma en que se enfrentan, estos componentes se pueden colocar en cualquier dirección porque no están polarizados.
Figura 15: Instalación de la resistencia y el condensador
Paso 2: Configuración del regulador de voltaje y Jack Barrel
Coloque el regulador de voltaje en la ranura V-REG, asegúrese de alinear la pestaña con la línea indicada en la placa.Obtener esta orientación correcta es importante, si se instala hacia atrás, el regulador no funcionará y podría dañar el circuito.El papel del regulador es mantener estable el voltaje incluso si la entrada fluctúa, asegurando que la potencia entregada a su circuito se mantenga estable.Después de soldar los cables, recorte el cable extra.Ahora, pase hacia el gato del barril, inserte en la ranura B1 y soldadura en su lugar.Esto servirá como la principal conexión de potencia para su proyecto.
Figura 16: Configuración del regulador de voltaje y el gato de barril
Paso 3: Colocar el condensador y el LED de potencia
Inserte el condensador de 10 µF en la ranura C1, asegurándose de que el cable más largo vaya a la almohadilla (+).Verifique que la franja en el condensador esté al lado de la etiqueta PWR para una orientación adecuada.Posteriormente, instale el LED en su ranura, alineando la muesca con la línea correspondiente en el símbolo de la placa para asegurarse de que se coloque correctamente.
Figura 17: Colocar el condensador y el LED de potencia
Paso 4: Instalación del interruptor de encendido y los pasadores de placa
Coloque el interruptor de encendido en la ranura PWR y soldadura de forma segura.Cuando se trata de los alfileres de paneles, pueden ser difíciles de manejar porque necesitan ser soldados desde abajo.Para mantenerlos alineados, puede mantenerlos constantes a mano mientras soldadura o usa una placa de pan para apoyarlos durante el proceso.
Figura 18: Instalación del interruptor de encendido y los pasadores de placa
Paso 5: Configuración de rieles de alimentación
Para garantizar que el regulador de voltaje funcione correctamente, debe configurar los rieles de alimentación.Elija el lado de la placa que desea usar.Vamos con la izquierda para esta configuración.Haga coincidir las almohadillas en el tablero con los rieles "+" y "-" en la placa de pan.Una vez que todo esté alineado, solifique las almohadillas de media luna para bloquear la conexión en su lugar.Si alguna vez necesita revertir la polaridad de potencia, puede usar el número de pieza SWT7 en almohadillas específicas, aunque esto generalmente no es aconsejable.
Figura 19: Configuración de rieles de alimentación
Paso 6: alimentar el tablero
Use una fuente de alimentación de CC de 2.1 mm que proporcione entre 6 y 18 voltios para alimentar la placa.Si el voltaje de entrada supera los 12 voltios, el regulador puede calentarse, pero eso es normal y no es motivo de preocupación.Si no está usando una placa de pan, puede usar las almohadillas de soldadura "+ -" ubicadas cerca del gato barril para dibujar 5V de potencia regulada.
Figura 20: Kit regulador de voltaje de placa
¿Cómo elegir el regulador de voltaje adecuado para su diseño?
Un regulador de voltaje es como un sistema de control para la energía de su proyecto.Se asegura de que su proyecto obtenga la cantidad correcta de energía.
Imagine que su fuente de energía da más voltaje que el de su proyecto.A regulador lineal es un dispositivo simple que reduce el voltaje a un nivel seguro para su proyecto.Es fácil de usar y funciona bien si la diferencia entre el voltaje que tiene y el voltaje que necesita no es demasiado grande.
Pero los reguladores lineales pueden desperdiciar energía, cuando hay una gran diferencia entre el voltaje de entrada y salida.Esta energía desperdiciada se convierte en calor y se convierte en un problema para su proyecto.
Si su regulador lineal se está poniendo demasiado caliente, significa que está desperdiciando mucha potencia.En este caso, es posible que desee usar un regulador de conmutación de buck.Este tipo de regulador es más eficiente y no desperdicia tanta energía.Reduce el voltaje al encender y apagar la alimentación muy rápido para crear un voltaje promedio más bajo.
Si su proyecto necesita más voltaje de lo que su fuente de energía puede proporcionar, un Regulador de conmutación de impulso puede ayudar.Aumenta el voltaje de su fuente de energía para darle a su proyecto la potencia adicional que necesita.
A veces, su fuente de energía puede no ser estable, dando demasiado o muy poco voltaje. Un regulador de conmutación de Buck-Boost pueden aumentar y disminuir el voltaje según sea necesario, asegurándose de que su proyecto siempre obtenga la cantidad correcta de potencia.
Para proyectos que necesitan potencia muy estable, puede combinar un Regulador de conmutación con un regulador lineal.El regulador de conmutación maneja grandes cambios en el voltaje, mientras que el regulador lineal asegura que la alimentación sea suave y estable.
Por lo tanto, el regulador de voltaje correcto depende de cuánto difiera el voltaje de su fuente de alimentación de lo que necesita su proyecto y qué tan estable y limpio debe ser la potencia.Cada tipo tiene sus propias fortalezas, así que elija el que mejor se ajuste a su proyecto.
Conclusión
El estudio de los reguladores de voltaje cubre una parte importante de la ingeniería eléctrica que combina el uso y la teoría práctica.El artículo explica componentes como amplificadores de error y disipadores de calor, así como las diferencias entre los reguladores lineales y de conmutación, lo que da una comprensión sólida de cómo estos dispositivos controlan la potencia.También incluye una guía paso a paso sobre la construcción de un regulador de voltaje en una placa de pan, lo que ayuda a que el proceso sea más claro y brinda a los lectores una experiencia práctica para apoyar los conceptos.A medida que los diseños electrónicos se vuelven más complicados y las necesidades de potencia cambian, saber cómo funciona la regulación de voltaje se vuelve muy importante.Este artículo actúa como una herramienta de enseñanza y una guía práctica, que ayuda tanto a los diseñadores como a los aficionados a elegir y usar los mejores reguladores de voltaje para sus proyectos, asegurando que su electrónica dure más y funcione bien.
Preguntas frecuentes [Preguntas frecuentes]
1. ¿Cuándo usar un regulador de voltaje?
Un regulador de voltaje es importante cuando se necesita voltaje estable para que los dispositivos electrónicos funcionen correctamente.Protege contra el daño de los cambios de voltaje repentino, lo que puede ocurrir debido a cambios en los problemas de demanda de energía o oferta.Se usa en cosas como alimentación por computadora, equipos de telecomunicaciones y otros dispositivos que son sensibles a los cambios de voltaje.
2. ¿Es AVR un regulador de voltaje?
Sí, AVR (regulador de voltaje automático) es un tipo de regulador de voltaje.Ajusta automáticamente el nivel de voltaje para garantizar que se entregue un voltaje constante y apropiado al equipo, independientemente de los cambios en la carga o el voltaje de entrada.Esto ayuda a prevenir daños y mejorar la eficiencia en los dispositivos eléctricos.
3. ¿Qué es un regulador de voltaje de CA?
Un regulador de voltaje de CA controla el voltaje de la potencia de corriente alterna (CA) para proporcionar un voltaje de salida estable a dispositivos conectados.Compensa las variaciones en las condiciones de voltaje de entrada y carga, asegurando la entrega de una salida de CA constante, bueno para la operación confiable de los dispositivos con AC.
4. ¿Es un inversor un regulador de voltaje?
No, un inversor no es un regulador de voltaje.Un inversor está diseñado para convertir la corriente continua (DC) en corriente alterna (AC).Si bien algunos inversores tienen capacidades incorporadas para estabilizar el voltaje de salida, su función principal es la conversión del tipo de corriente, no regula el voltaje.
5. ¿Cómo se prueba un regulador de voltaje?
Aquí le mostramos cómo probar un regulador de voltaje:
Configure el multímetro: configure su multímetro para medir el voltaje.
Conecte el multímetro: conecte las sondas a los terminales de salida del regulador.
Verifique el voltaje: encienda el sistema y verifique la lectura.Debería coincidir con la salida esperada del regulador.
Opcional: Pruebe con carga: cambie la carga y vea si la salida se mantiene estable, que muestra que el regulador funciona correctamente.
6. ¿Cuál es la diferencia entre un controlador de voltaje y un regulador de voltaje?
Un controlador de voltaje ajusta el voltaje de salida en función de la entrada del usuario, como cambiar el brillo de la luz o la velocidad del motor.Un regulador de voltaje mantiene el voltaje estable, incluso si la carga o la entrada cambian.Los controladores cambian el voltaje según sea necesario, mientras que los reguladores se aseguran de que permanezca constante.