Reguladores de voltaje

En este artículo aprenderemos todo sobre los reguladores de voltaje de tres patillas, fijos, con tensiones de salida positiva o negativa. Todo circuito electrónico contiene alguna forma de alimentación eléctrica, y estos reguladores integrados proveen una solución sencilla a este problema.Ya sea que nuestro circuito se alimente directamente de la red eléctrica de 110/220V o que lo haga a partir de pilas o baterías, generalmente es necesario contar con una etapa encargada de proveer un voltaje adecuado, y constante en el tiempo.
Existen muchas maneras de lograr un voltaje estable, pero en general utilizan varios componentes discretos, lo que redunda en un costo elevado, un diseño más complicado, y circuitos más grandes. La alternativa es utilizar algún regulador de tensión integrado, disponibles para casi todos los voltajes que podamos imaginar, y para corrientes desde unas pocas centésimas de Amper hasta varios amperes.

Dentro de los reguladores de voltaje con salida fija, se encuentran los pertenecientes a la familia LM78xx, donde “xx” es el voltaje de la salida. Estos son 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18 y 24V, entregando una corriente máxima de 1 Amper y soporta consumos pico de hasta 2.2 Amperes. Poseen protección contra sobrecargas térmicas y contra cortocircuitos, que desconectan el regulador en caso de que su temperatura de juntura supere los 125°C.
Los LM78xx son reguladores de salida positiva, mientras que la familia LM79xx son para voltajes equivalentes pero con salida negativa. Así, un LM7805 es capaz de entregar 5 voltios positivos, y un LM7912 entregara 9 voltios negativos.
La capsula que los contiene es una TO-220 (figura 2), igual a la de muchos transistores de mediana potencia. Para alcanzar la corriente máxima de 1 Amper es necesario dotarlo de un disipador de calor adecuado, sin el solo obtendremos una fracción de esta corriente antes de que el regulador alcance su temperatura máxima y se desconecte.

La potencia además depende de la tensión de entrada, por ejemplo, si tenemos un LM7812, cuya tensión de salida es de 12v, con una tensión de entrada de digamos 20v, y una carga en su salida de 0,5A, multiplicando la diferencia entre la tensión de entrada y la tensión de salida por la corriente que circulara por la carga nos da los vatios que va a tener que soportar el integrado:

(Vint – Vout) x Iout = (20 – 12) x 0.5 = 4W

La tensión de entrada es un factor muy importante, ya que debe ser superior en unos 3 voltios a la tensión de salida (es el mínimo recomendado por el fabricante), pero todo el exceso debe ser eliminado en forma de calor. Si en el ejemplo anterior en lugar de entrar con 20 volts solo usamos 15V (los 12V de la salida mas el margen de 3V sugerido) la potencia disipada es mucho menor:

(Vint – Vout) x Iout = (15 – 12) x 0.5 = 1.5W

De hecho, con 15v la carga del integrado es de 1,5W, menos de la mitad que con 20v, por lo que el calor generado será mucho menor y en consecuencia el disipador necesario también menor.
En la figura 3 vemos la disposición de pines de estos reguladores. Es diferente según se trate de un 78xx o un 79xx. En el caso de los primeros, el pin 1 corresponde a la entrada (input), el pin 2 es el punto común (common) y el pin3 es el correspondiente a la salida (output). En el caso de los reguladores negativos, el pin 1 y el pin 2 intercambian sus funciones, siendo el primero el correspondiente al punto común, y el segundo la entrada. Es importante recordar esto al momento de conectarlos, ya que es posible que se destruyan si son conectados en forma incorrecta.
El voltaje máximo que soportan en la entrada es de 35 voltios para los modelos del LM7805 al 7815 y de 40 voltios para el LM7824.
Por ultimo, debemos mencionar que existen versiones de estos reguladores para corrientes menores y mayores a 1 Amper. Efectivamente, los que tienen como nombre LM78Lxx disponibles en capsula TO-92 (ver figura 4) entregan una corriente máxima de 100 mili amperes, y proveen tenciones de salida de 3.3; 5; 6; 8; 9; 12;15; 18 y 24V. Luego del nombre llevan un sufijo, que puede ser “AC” o “C”, que indican el error máximo en su salida, que es de +/-5% en el primer caso y de +/-10% en el segundo. Así, un LM78L05AC es un regulador de voltaje positivo, de salida 5 volts/100mA, con un error máximo del 5%.
En caso de necesitar manejar corrientes mayores, las versiones en capsula TO-3 (ver figura 5) soportan una corriente de salida máxima de 5 A.

Normalmente, no hacen falta adicionar demasiados componentes a la hora de alimentar un circuito mediante uno de estos reguladores. El fabricante provee una serie de indicaciones en sus hojas de datos, que analizaremos a continuación.
Comenzaremos por el caso más sencillo, donde queremos obtener una tensión de salida que coincide con alguno de los reguladores existentes, a partir de una fuente de corriente continua perfectamente regulada, pero mayor que la deseada en al menos 3V. Para ello, el circuito sugerido es el de la figura 6, donde vemos que solo son necesarios un par de capacitores cerámicos, uno entre el punto común y la entrada, y otro entre el punto común y la salida. La única consideración es que estos condensadores deben estar situados lo mas cerca posible (eléctricamente hablando) del regulador. Obviamente, se supone que la tensión de entrada esta dentro del rango que puede manejar el regulador, y que el modelo de regulador es el adecuado para la tensión que necesitamos.
En algunos casos se presenta el problema de tener que alimentar un circuito con una tensión para la cual no hay un regulador adecuado, por ejemplo, un circuito que se alimente con 10V. En estos casos, se puede recurrir a un esquema como el de la figura 7, donde con la ayuda de algunos componentes adicionales, entre ellos un potenciómetro que servirá para ajustar la tensión de salida al valor requerido y un amplificador operacional (ver articulo sobre ellos para mas datos) se puede transformar un regulador de tensión fija en uno variable.
Las figuras 8 y 9 nos muestran una configuración que permite aumentar significativamente la corriente de salida, utilizando para ello un transistor de mediana potencia. En el caso de la figura 9 se cuenta con una protección adicional contra cortocircuitos en la salida de la fuente.

Veamos algunos circuitos reales, construidos a partir de estos reguladores.
La figura 10 es el esquema eléctrico de una fuente de 5V a partir de la red de 220V (o 110V, simplemente cambiando el transformador). El transformador de entrada se encarga de reducir la tensión de red a 9 voltios de corriente alterna, que será rectificada por los cuatro diodos dispuestos en forma de puente. A la salida del puente de diodos tendremos presente una tensión continua algo mayor a 10 voltios, con un pequeño ripple que será eliminado por el capacitor electrolítico C1. El resto del circuito es equivalente al de la figura 6, tal lo propuesto en la hoja de datos del LM7805.
En el caso de la figura 11, partimos de un transformador con punto medio, capaz de suministrar 0, 18 y 36 voltios. Al igual que en el caso anterior, mediante un puente de diodos conformado por los diodos 1 al 4 rectificamos la corriente entregada por el secundario del transformador, pero esta vez usamos el positivo para obtener 15 voltios respecto del punto medio del transformador (que será nuestro “0”) y el negativo para obtener -15V mediante un regulador LM7915, que como vimos antes es un regulador de voltaje negativo. Nuevamente, hay que filtrar el ripple a la salida del puente diodos, tarea que se lleva a cabo mediante los capacitores electrolíticos C1 y C2. A continuación, los reguladores LM7815 y LM7915 se encargan de regular las tensiones de salida. Esta fuente es ideal para alimentar por ejemplo circuitos que tengan amplificadores operacionales, que como se explico en el artículo correspondiente, necesitan una alimentación positiva y negativa.

No debe faltar en nuestro taller de electrónica un buen surtido de estos circuitos integrados estabilizadores de tensión, ya que muy frecuentemente los utilizaremos para alimentar nuestros proyectos. Como vimos, son muy sencillos de utilizar, simplemente debemos recordar la función de cada uno de sus pines, que difieren en los de salida positiva y salida negativa.
Debemos mencionar que existen reguladores cuya salida no es fija, si no que se puede ajustar fácilmente mediante una resistencia variable, como es el caso del LM317, que serán analizados a fondo en otros artículos.