Hoy os voy a hablar un poco de los reguladores, y las diferencias entre los reguladores lineales y los reguladores switching. Sabiendo las diferencias podremos elegir el regulador que mejor se adapte a nuestro proyecto.

Zonas de los Transistores

Lo primero de lo que os voy a hablar, es las zonas de los transistores. Básicamente, porque ambos reguladores se basan en transistores para hacer su trabajo, ya sea de forma independiente o integrados en un circuito integrado. Es por eso que debemos saber las implicaciones básicas de cada zona del transistor, las cuales son tres.

Zona de Corte

Primero está la zona de corte, la cual es la zona en la que se encuentra el transistor por defecto. En esta zona, el transistor tendrá la resistencia máxima y se comportará como un interruptor abierto, por lo cual no dejará pasar la corriente. Al no pasar corriente, no habrá pérdidas en forma de calor.

Zona de Saturación

En el lado contrario a la zona de corte, tenemos la zona de saturación. Esta zona hace que el transistor tenga la resistencia mínima indicada en el dato RdsON del datasheet. En este estado, el transistor se comportará prácticamente como un interruptor cerrado, dejando pasar toda la corriente. En este caso al tener una resistencia muy baja (sobre todo los mosfets), la disipación de calor será mínima.

Zona Activa

Por último está la zona activa, en la cual el transistor se comportará como una resistencia ajustable. En esta zona se puede regular el flujo de corriente del transistor, por lo que es la utilizada por los circuitos de amplificación y por los reguladores. En esta zona, la cantidad de calor que disipe el transistor dependerá de la tensión que caiga en él, y en la corriente que le atraviese (como en el caso de las resistencias).

Reguladores Lineales

Un regulador lineal, es un regulador que utiliza transistores para regular la tensión de salida. Estos transistores funcionan en la zona activa, por lo que actuarán como resistencias y por lo tanto disiparan calor.

Es por eso que se recomienda su uso para circuitos cuyo voltaje de entrada y salida sean lo más próximos posibles, y en los que la corriente no sea muy alta, ya que sino generarán mucho calor y se necesitarán grandes disipadores.

Un circuito típico de regulador lineal sería el siguiente:

Y el circuito simplificado equivalente sería el siguiente:

Obviamente un regulador tiene más componentes implicados en su funcionamiento que una simple resistencia, como un comparador, transistores, protección térmica…

El funcionamiento de estos circuitos es simple, ya que lo que hacen es comparar la tensión de salida con una tensión de referencia interna que tienen, y regulan la resistencia del transistor de paso para contrarrestar el voltaje de entrada y mantenerla estable. Esto hace que la tensión de salida sea muy estable y con un riple muy bajo (dependiendo también de la calidad del regulador).

El punto negativo de estos reguladores es su baja eficiencia, ya que la caída de tensión que se produce en ellos es disipada en forma de calor. Es por ello que cuanto más diste la tensión de entrada de la de salida, peor será su eficiencia y mayor su disipación. Así si por ejemplo, usamos un regulador L7805CV para conseguir una salida de 5v desde una batería de 9v, estaremos consiguiendo una eficiencia de un 55%, y si usamos una batería de 12v, la eficiencia caerá a un 41%.

  • Ventajas
    • Baratos
    • Salida con bajo riple
    • No genera ruido, por lo que es mejor para circuitos sensibles
    • Al no generar ruido no hace interferencias con circuitos sensibles
  • Desventajas
    • Baja eficiencia
    • Alta disipación de calor, pudiendo ser necesario un disipador en algunos casos (lo cual aumenta el coste y el espacio necesario).

Reguladores Switching

Los reguladores switching al contrario que los reguladores lineales, funcionan en las zonas de corte y saturación del transistor, por lo que la disipación de calor será mínima.

Es por eso que son óptimos para su uso con altas corrientes o grandes diferencias de voltaje entre la entrada y la salida. Es posible tener un regulador switching con una entrada de 20v y una salida de 5v y no necesitar disipador para él.

Como contra, estos circuitos son más complejos de diseñar y más caros, ya que necesitan de un controlador de switcheo, un transistor de potencia y unos filtros de entrada y salida como mínimo.

Un circuito básico de regulador switching sería el siguiente:

Y su equivalente simplificado:

El funcionamiento de este circuito es algo más complejo que el del regulador lineal, y se basa en «switchear» el transistor con la señal PWM. Esta señal, controlará el tiempo que se mantiene el transistor en cada estado (corte y saturación), ajustándose dependiendo de la demanda de la carga.

Si por ejemplo, conectamos un diodo led a la salida, este demandará poca corriente, y por lo tanto el ancho de pulso del PWM se reducirá para mantener el voltaje. Asimismo, si conectamos un motor, el ancho de pulso aumentará para entregar la corriente solicitada sin que baje el voltaje.

La señal PWM es una señal de onda cuadrada con dos estados (HIGH o LOW), los cuales controlarán el estado del transistor y el tiempo en el que está en cada uno:

Y gracias al filtro de salida LC (Bobina y Condensador), el voltaje de salida será el voltaje real o RMS resultante.

  • Ventajas
    • Mucho más eficientes, pudiendo a llegar a superar el 85% de eficiencia
    • Apenas generan calor, por lo que no necesitarás el disipador que tanto ocupa
    • Al no generar apenas calor, pueden aguantar corrientes de varios amperios
    • No disipan más calor al aumentar la diferencia de voltaje entre la entrada y salida
    • La frecuencia de funcionamiento es alta, por lo que el rizado puede ser muy bajo.
  • Desventajas
    • Más complejos de hacer y por lo tanto más caros
    • Generan ruido de switcheo, por lo que se recomienda añadir también filtros a su entrada para evitar que se cuele en el resto de aparatos.
    • Si tu circuito es muy sensible, es posible que se vea afectado por el ruido

Como siempre, espero que os haya gustado, y cualquier cosa no dudéis en escribir.

Un saludo.

Daniel Carrasco

DevOps con varios años de experiencia, y arquitecto cloud con experiencia en Google Cloud Platform y Amazon Web Services. En sus ratos libres experimenta con Arduino y electrónica.

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