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Topología de alimentación - Regulador lineal

La función de un regulador lineal es convertir una fuente de voltaje de entrada estable o inestable en un voltaje de salida estable. Durante su funcionamiento normal, incluso si hay grandes fluctuaciones en el voltaje de entrada, el voltaje de salida puede mantenerse estable.

Principio de funcionamiento del regulador lineal

La mayoría de los reguladores lineales utilizan un control en bucle cerrado. Para obtener el valor de voltaje de salida deseado, podemos ajustar la relación R1/R2 para que el voltaje en la entrada inversora del amplificador sea igual al voltaje de referencia en la entrada no inversora del amplificador \(V_{ref}\). La función del lazo de retroalimentación de amplificación de error es mantener la diferencia de voltaje entre las dos entradas en 0.

El principio es el siguiente: si la carga disminuye/aumenta el voltaje de entrada, el voltaje de salida aumentará/disminuirá. El voltaje en la entrada inversora del amplificador será mayor/menor que el voltaje de referencia \(V_{ref}\), el voltaje de salida del amplificador de error será negativo, el voltaje en la base del transistor de conducción disminuirá y, finalmente, el voltaje de salida del transistor también disminuirá. Por otro lado, si la carga aumenta/disminuye el voltaje de entrada, el voltaje en la entrada inversora del amplificador disminuirá y será menor/mayor que el voltaje de referencia \(V_{ref}\), el voltaje en la base del transistor de conducción aumentará y, como resultado, el voltaje de salida aumentará para compensar la disminución original del voltaje de salida. El lazo de retroalimentación puede ajustar simultáneamente las variaciones de voltaje causadas por cambios en el voltaje de entrada (regulación de línea) y cambios en la carga (regulación de carga).

Eficiencia del regulador lineal

La eficiencia del regulador lineal se refiere a la relación entre la potencia de salida \(P_{out}\) y la potencia de entrada \(P_{in}\):

\[ η = \frac{P_{out}}{P_{in}} \]

Donde,

\[ P_{out}=V_{out}*I_{out}, \]
\[ P_{in}=V_{in}*I_{in}, \]
\[ I_{in}=I_{out}+I_{q} \]

\(I_{q}\) es la corriente estática sin carga.

Regulador lineal de baja caída de tensión (LDO)

En los reguladores lineales convencionales, se utiliza un transistor bipolar como amplificador de corriente. Debido a la configuración del circuito Darlington, existe una cierta caída de tensión.

Si se utiliza un transistor de efecto de campo de canal P en lugar de un transistor bipolar, se obtiene lo que se conoce como un regulador lineal de baja caída de tensión (Low Drop Output, LDO), que solo tiene una caída de tensión necesaria de unos cientos de milivoltios.

Debido a que la caída de tensión necesaria del transistor de efecto de campo depende únicamente de su voltaje de conducción directa (equivalente a \(R_{ds}*I_{load}\)), y generalmente la resistencia \(R_{ds}\) es muy pequeña, la caída de tensión necesaria también es muy baja.

Ventajas, desventajas y aplicaciones

Ventajas

  • Circuito simple y económico.
  • Bajo nivel de ruido en la salida.
  • Alta capacidad de aislamiento de ruido.
  • Respuesta transitoria rápida.

Desventajas

  • Requiere una cierta caída de tensión para funcionar como regulador, por lo que solo se puede utilizar para reducir la tensión.
  • En casos de grandes caídas de tensión, la eficiencia de conversión es baja y las pérdidas se disipan en forma de calor, lo que afecta la estabilidad y confiabilidad del circuito.
  • Prioriza la potencia, incluso cuando el circuito de carga no requiere una corriente alta. Esto significa que todos los componentes funcionan a plena carga, incluso cuando no es necesario, lo que genera una mayor cantidad de calor.
  • En casos de caídas de tensión insuficientes, puede haber una gran cantidad de ondulación.

Aplicaciones

  • Circuitos analógicos y generadores de reloj que requieren una estricta demanda de ruido en la fuente de alimentación.
  • Escenarios de suministro de energía para circuitos digitales de baja corriente donde la eficiencia de conversión de energía no es crítica.

Referencias y agradecimientos

Este post está traducido usando ChatGPT, por favor feedback si hay alguna omisión.