¡Selecciona el Regulador de Voltaje adecuado para tus Proyectos de Electrónica!

 

Introducción...

En este apartado conocerás la importancia de los reguladores de voltaje usados en el diseño de tarjetas electrónicas presentes en cualquier equipo electrónico cotidiano con el que convivimos.

Entenderemos que existen dos tipos de reguladores, conocidos como Lineales y Conmutados. Ambos funcionan bien, sin embargo, debemos entender el funcionamiento correcto y donde son mas utilizados cada uno de ellos.

Hoy en día lo reguladores conmutados son los mas utilizados, debido a su gran capacidad de controlar voltaje y consumo de corriente. Pueden  bajar o aumentar el voltaje sin cambiar el Semiconductor.

Reguladores LINEALES

Los reguladores nacen debido a la necesidad de mantener una voltaje estable y una corriente continua para los componentes electrónicos conectados en la misma linea eléctrica. Ya que la entrada principal de alimentación suele ser mayor a la que necesita el Semiconductor. Funciona como un limitador de un voltaje mayor al que el fabricante recomienda en su uso de trabajo, así como, el de mantener la linea de voltaje estable evitando bajas y picos de voltaje que puedan llegar a dañar a los componentes conectados al mismo.

Depende del tipo de arreglo del circuito eléctrico, el diseñador siempre se preocupara por que el consumo de CORRIENTE sea mínimo en el orden de mili o micro amperes, según sea el caso

Cuando el consumo se activa con la carga, es cuando se tiene una aumento de corriente, sin embargo, se busca que el circuito se encuentre en "reposo" o "modo standby", para que el consumo sea lo mínimo posible.

En los reguladores lineales existe un semiconductor encapsulado y con una laminilla física para la disipación de calor, ya que estos producen una elevada temperatura de trabajo.

Internamente en un regulador, hay arreglo de transistores que se encargan de controlar el paso de voltaje, provocando que a la salida siempre se mantenga el voltaje que indica el fabricante, es decir, 1.2v, 3.3v, 3.7v, 4.2v, 4.7v, 5.1v, etc.

Este tipo de reguladores en su mayoría trabaja siempre con voltajes de hasta 15v. Cuando se requiere elevar mas el voltaje se procede a diseñar un arreglo físico de semiconductores que permitan la regulación de un determinado voltaje como: 24v, 26v, 36v, 54v, y asi sucesivamente.

Para los reguladores lineales la configuración mas usada lleva por nombre "Pi", en la que físicamente a la entrada hay un capacitor polarizado, un capacitor no polarizado y en ocasiones un inductor en serie. Ambos capacitores están en paralelo tanto en la entrada como en  la salida.

Ejemplo, el regulador mas común es un 7805, que permite una salida de 5v. A la salida se presenta el mismo arreglo que en la entrada.

 En la siguiente figura podemos observar el diagrama que indica la configuración "Pi":

       Figura 01: Regulador Lineal en configuración "Pi".

Se puede observar que la entrada de voltaje para este caso particular es de +12v y la salida de acuerdo a las especificaciones técnicas del fabricante es de +5v.

La salida de corriente que permite este regulador es máximo de 1 ampere. Por lo que la carga deberá de consumir menos que eso.

En caso contrario se sobre-calentara y comenzara a perder sus propiedades físicas, provocando que deje de regular la linea corte positivo y corte negativo de la entrada o salida.

Para entender su funcionamiento a grandes rasgos:

1. El capacitor C1 con un valor de 10uF/25v, tiene un valor significativo de trabajo. Se dice que el tiempo en el que el ciclo tarda en recuperar su carga es de 10 micro-segundos, es decir, cuando la linea eléctrica por la que circula la corriente presenta discrepancias tales como la falta de corriente; este tardara 10 micro-segundos en recuperar la energía  eléctrica para que siga fluyendo.
   En muchos aspectos, el voltaje especificado en el capacitor como este de 25v no afecta debido a que es el voltaje máximo que soporta el capacitor. Pero en la mayoría de los casos, un valor elevado o superior de lo que el circuito nunca se alimentara, puede provocar un almacenamiento de energía mayor por la que siempre estará cargado el circuito. Esto puede o no perjudicar al diseño electrónico según sea importante para el desarrollador.
   En conclusión se sugiere un voltaje adecuado en rango donde no haya mas voltaje. Ejemplo si se alimenta un circuito con +12v, sera adecuado poner una capacitor de +25v ya que si se coloca uno de +16v con el tiempo se puede inflar debido a que soporta casi el 80% de energía almacenada, por otro lado, si se coloca un valor de 200v, dependiendo de la configuración del equipo, estará cargándose y elevando el voltaje de lo que realmente se necesita.
   
   
2. El capacitor cerámico C2 con un valor de 1nF/250v. Trabajara para filtrar y tratar de "purificar" la linea de alimentación eléctrica, es decir, en 1 nano-segundo, quitara y enviara a tierra alguna discrepancia que presente la linea sea: ruido, armónicas, frecuencias externas, rizado o ripple, entre otras.
   
   
3. Previo a la entrada de alimentación +12v, se supone entonces que el regulador recibe a la corriente mas pura y estable, por lo que ahora quedara disminuir el voltaje de entrada +12v a +5v.
   
   
4. El capacitor C3 mencionado en función al capacitor C2, actuara igual por las discrepancias que estas provoca el regulador internamente.
   
   
5. Finalmente la recuperación de energía es esencial, al recibir la linea de voltaje a +5v; cada 4.7 micro-segundos, recuperara la energía eléctrica y la estabilidad del voltaje para alimentar la carga.

Es importante mencionar, que los valores que se muestran aquí, no son particularmente un estándar, los valores van a variar según el diseñador, el tipo de circuito que alimentara y regula.

Sugerencia de PCB Layout

La sugerencia para el ruteo de pistas en la PCB, suele no ser tan "importante". Esto debido a que la regulación es continua, pese a existir variaciones en la linea de alimentación eléctrica, no afecta la regulación a la hora de realizar un Layout.

¿Porqué?

En este tipo de reguladores no se presenta una Conmutación como se vera en la siguiente sección. Donde la alta frecuencia genera ruido que tiene que ser forzosamente filtrado y que el enrutado de los componentes, mientras mas cerca se haga aumentara la capacitancia parásita la cual se insiste en ser filtrada. 

A continuación se muestran algunos ejemplos del PCB Layout:

      Figura 02: PCB Layout con la mascara de polígono aproximado a 1 mm de separación.

Como se puede observar la pista de voltaje de entrada y salida es de 2 mm de ancho debido a que si se aprovecha al máximo el regulador, este permite 1 ampere de corriente. Se puede realizar una pista menor si hay mas componentes y dependiendo del tamaño de la PCB board. Siempre y cuando no sobre pase el consumo de corriente por lo previamente ya mencionado.

Otro ejemplo del PCB Layou que a continuación se muestra:

  Figura 03: PCB Layout con la pista GND Ruteada, en consumo mínimo de corriente.

Puede aplicarse una linea de soldadura para reforzar la pista.

Figura 04: Eliminando la mascara de soldadura, se puede reforzar con estaño para una mejor conductividad de corriente que exija la carga.

Concluimos que este tipo de reguladores, sea de otro voltaje o mas alto de acuerdo a los que existen comercialmente, no presentan tanto problema como los de conmutación...

Reguladores de CONMUTACIÓN

Una de las ventajas de utilizar este arreglo de circuitos en el diseño electrónico, es que puedes tener un control desde un voltaje mínimo sea de 1.2v o 1.5v hasta 8v a 15v, y mas.

 

¿Porqué?

Esto se debe porque existe un arreglo de capacitores y resistencias que generan una frecuencia; que dependiendo de la frecuencia sera el voltaje variado -según los valores-, y que a través de un inductor se determina la corriente por el que es capaz de proveer a los los circuitos restantes.

Los valores de los componentes pasivos son fijos, y determinaran una salida de voltaje estable, si se cambia el valor de estos mismos, puede disminuir o aumentar, en ocasiones el arreglo depende de una resistencia variable para poder modificar la salida de voltaje.

A continuación se muestra algunos ejemplos donde se encuentran este tipo de reguladores conmutados:

Foto (a)

Foto (b)

Figura 05: Foto a) Muestra un driver IC como oscilador, un inductor y un arreglo de capacitores y resistencias. Foto b) Muestra lo mismo que el anterior, incluso señalado con un recuadro rojo la salida de voltaje que este proporciona.

Problemas que se presentan en este tipo de circuitos. Ruido, rizo, armónicas y cargas parásitas que sera necesario filtrar.

En la siguiente imagen se muestra el diagrama de un circuito y una explicación de que hace cada componente:

     Figura 06: Esquema de un regulador conmutado y sus componentes de control.

¿Cómo funciona?

El funcionamiento de este regulador conmutado es totalmente complejo debido a que los componentes pasivos deben de estar bien seleccionados, calculados y de buena calidad. Porque si se DEGRADA un componente, pierde sus propiedades y modifica el funcionamiento del regulador provocando que baje o aumente la salida de voltaje.
El problema es que se daña el circuito que sigue a la alimentación o salida del regulador.

Su funcionamiento es:

1. La entrada de alimentación junto con el capacitor C1, es el mantener la energía constante, como va a sentir la fluctuación de la frecuencia, debe evitar a toda costa que no le falte la energía eléctrica de entrada como ya se explico en el apartado anterior.
2. El diodo schottky, se encarga de recuperar la señal en conmutación a alta frecuencia, debido a la velocidad con la que el regulador opera, un diodo normal en alta frecuencia no puede recuperar la señal y por lo tanto fluctúa, provocando discrepancias en el arreglo del circuito.  
3. La bobina L1 como tal será la encargada de proveer la corriente para poder alimentar el circuito, pese a que exista una L2 de frente, esta evita picos excesivos que puedan dañar al circuito de carga. 
4. La retroalimentación del sistema, esta dada por las resistencias serie-paralelo, estas son las mas IMPORTANTES, debido a que el valor con la que estas retroalimentación al regulador sera la salida de voltaje que el diseñador desea. Se puede colocar una resistencia variable para modificar el comportamiento de la señal y así, se puede ver cuanto disminuye o aumenta el voltaje en el circuito.

 A continuación se muestran algunos ejemplos del PCB Layout:

Figura 07: PCB Layout recomendado para este tipo de reguladores.

En la figura 06, se sugiere que el layout, sea lo mas cercano posible para que la interferencia en frecuencia tanto interna como externa no afecte los valores de control del regulador. Esto impide que la capa o máscara de cobre que cubre toda la sección de regulación filtre y a la ves, evite dejar pasar cargas parásitas en las lineas de salida del voltaje.

Finalmente llegamos al final de este Post esperando que les haya sido de gran utilidad la informacion en base a largos años de experiencia.

En el próximo Post diseñaremos con cálculos cada uno de ellos para una correcta selección de componentes...

¡Hasta pronto!