Los reguladores de voltaje toman un voltaje de entrada y crean un voltaje de salida regulado a un nivel fijo o ajustable. Esta regulación automática del nivel de voltaje de salida es manejada de manera diferente por varios tipos de reguladores de voltaje.
Tipos de reguladores de voltaje
Los reguladores de voltaje más asequibles y, a menudo, más fáciles de usar son los reguladores de voltaje lineales. Los reguladores lineales son compactos y se utilizan a menudo en sistemas de bajo voltaje y baja potencia. Los reguladores de conmutación son más eficientes que los reguladores de voltaje lineal, pero es más difícil trabajar con ellos y son más caros. Los diodos Zener son económicos y fáciles de usar, pero son menos eficientes que los reguladores lineales.
Reguladores lineales
Una de las formas más básicas de proporcionar un voltaje estable para la electrónica es usar un regulador de voltaje lineal estándar de 3 pines, como el LM7805, que proporciona una salida de 5 voltios y 1 amperio con un voltaje de entrada hasta 36 voltios (dependiendo del modelo).
Los reguladores lineales funcionan ajustando la resistencia en serie equivalente (ESR) del regulador en función de un voltaje de retroalimentación, convirtiéndose esencialmente en un circuito divisor de voltaje. Esto permite que el regulador emita un voltaje constante independientemente de la carga de corriente que se le aplique, hasta su capacidad actual.
Una de las grandes desventajas de los reguladores de voltaje lineales es la gran caída mínima de voltaje, que es de 2,0 voltios en el regulador de voltaje lineal LM7805 estándar. Esto significa que para obtener una salida estable de 5 voltios, se requiere al menos una entrada de 7 voltios. Esta caída de voltaje juega un papel importante en la potencia disipada por el regulador lineal, que debe disipar al menos 2 vatios si entrega una carga de 1 amperio (caída de voltaje de 2 voltios por 1 amperio).
La disipación de energía empeora a medida que aumenta la diferencia entre el voltaje de entrada y el de salida. Por ejemplo, mientras que una fuente de 7 voltios regulada a 5 voltios que entrega 1 amperio disipa 2 vatios a través del regulador lineal, una fuente de 10 voltios regulada a 5 voltios que entrega la misma corriente disipa 5 vatios, lo que hace que el regulador sea solo un 50 % eficiente.
Reguladores de conmutación
Los reguladores lineales son excelentes soluciones para aplicaciones de bajo costo y bajo consumo donde la diferencia de voltaje entre la entrada y la salida es baja y no se requiere mucha energía. El mayor inconveniente de los reguladores lineales es que son ineficientes, que es donde entran en juego los reguladores de conmutación.
Cuando se necesita una alta eficiencia o se espera un amplio rango de voltaje de entrada, un regulador de conmutación se convierte en la mejor opción. Los reguladores de voltaje de conmutación tienen eficiencias de potencia del 85 % o más en comparación con las eficiencias de los reguladores de voltaje lineales que a menudo están por debajo del 50 %.
Los reguladores de conmutación generalmente requieren componentes adicionales en comparación con los reguladores lineales. Los valores de los componentes tienen más efecto en el rendimiento general de los reguladores de conmutación que en los reguladores lineales. También existen desafíos de diseño en el uso efectivo de reguladores de conmutación sin comprometer el rendimiento del circuito como resultado del ruido electrónico que genera el regulador.
Diodos Zener
Una de las formas más sencillas de regular el voltaje es con un diodo Zener. Si bien los reguladores lineales suelen tener un diseño básico, un diodo Zener proporciona una regulación de voltaje adecuada en un solo componente.
Dado que los diodos Zener derivan a tierra todo el voltaje adicional por encima de su umbral de voltaje de ruptura, se puede usar como un regulador de voltaje simple con el voltaje de salida atravesado por los cables del diodo Zener.
Sin embargo, los Zeners a menudo tienen una capacidad limitada para manejar la energía, lo que los limita solo a aplicaciones de baja potencia. Al usar diodos Zener de esta manera, es mejor limitar la potencia disponible que puede fluir a través del Zener seleccionando estratégicamente una resistencia del tamaño adecuado.
