¿Qué es un regulador de voltaje?

Un regulador de voltaje es un circuito que, sin importar lo que conectes a su salida, mantendrá un voltaje constante en sus terminales. A grandes rasgos esa es la utilidad de este circuito, pero los hay de distintos diseños con propósitos y aplicaciones diferentes, en este artículo revisaremos los distintos tipos de reguladores que existen y sus características.

Regulador Lineal

Son especialmente útiles dada su circuitería simple y facilidad de uso. Los reguladores lineales son elementos de 3 terminales, generalmente. Están basados en circuitos analógicos con realimentación que ajustan el voltaje de salida dependiendo de la señal de realimentación.

Diagrama interno de un regulador de voltaje, en esencia se compone de un amplificador de error y un transistor de salida (Cortesía Mouser Electronics)

Se les puede encontrar en varias categorías, como reguladores positivos o negativos, en el caso de los reguladores negativos no hay muchas variantes. En el caso positivo los hay fijos y variables. El primer tipo ofrece un voltaje constante especificado en su matrícula; la serie 78xx y 79xx son ejemplos de este tipo de reguladores. Los variables son dispositivos que permiten ajustar el voltaje de salida mediante elementos externos, como resistores, los conocidos integrados 317 Y 337 son ejemplos de reguladores variables positivos y negativos, respectivamente.

Aparte de su clasificación en reguladores fijos o variables, los reguladores lineales se pueden clasificar de tipo estándar o de baja caída de tensión (Low-dropout, LDO). Los reguladores LDO ofrecen una conversión mejorada, pues la caída de voltaje entre entrada y salida es menor a 1V, a diferencia de los estándar que suele estar alrededor de los 3V. Un último aspecto a tomar en cuenta es el transistor de salida, que en general suele ser un transistor PNP, lo que determina la corriente de salida y la caída de tensión entre entrada y salida.

La ventaja de estos reguladores, reitero, es la facilidad de seleccionar los componentes para un propósito específico, además, dado que no se basan en un principio de conmutación, se les suele utilizar en aplicaciones de bajo ruido, como en comunicaciones, instrumental médico y metrología. Las desventajas, y una de las principales, es su baja eficiencia y la necesidad de un elemento adecuado para la disipación de calor. Además, esta tecnología sólo permite reducir el voltaje de entrada, no aumentarlo, como su contraparte basada en conmutación.

Reguladores por conmutación

Los reguladores por conmutación son más eficientes que los lineales dado que los transistores funcionan en saturación o corte (encendido-apagado) en vez de en su región lineal (como un resistor variable), minimizando la pérdida de potencia. Además, el tamaño de las fuente de alimentación se reduce, dado que se requiere disipar menos calor. Suponiendo una fuente con un voltaje de entrada de 12V con salida de 3.3V, un regulador de conmutación puede alcanzar una eficiencia de más del 90%, respecto al 27.5% de un regulador lineal. Esto se puede interpretar como una reducción del tamaño de cuando menos 8 veces respecto al lineal.

A la izquierda una fuente basada en reguladores por conmutación, a la derecha una con reguladores lineales. Se puede distinguir facilmente que la primera es más compleja y usa transformadores especiales, pero ello conlleva una mayor densidad de potencia.

Sin embargo, la eficiencia de estos dispositivos requiere de un cuidadoso diseño que no se presenta en los reguladores lineales, y aumenta la cantidad de componentes a elegir para obtener un diseño estable y útil, por no decir que existen una diversidad de configuraciones que pueden dar solución a un problema de diseño. Afortunadamente los proveedores de circuitos integrados diseñan sus propios modelos que reducen el número de variables a tomar en cuenta para implementar estos dispositivos, disminuyendo el tamaño de los productos y el esfuerzo para realizarlos.

A diferencia de los reguladores lineales, los reguladores de conmutación pueden encontrarse en éstas configuraciones: Reductor, Elevador y Reductor-Elevador (Inversor). Para concluir, me serviré de esta tabla comparativa para usar como referencia al momento de elegir una de estas dos tecnologías.

Reguladores LinealesReguladores por Conmutación
EconómicoCosto moderado a elevado, dependiendo de la eficiencia y uso de soluciones integradas
Menor número de componentesMayor número de componentes
Espacio reducido cuando operan a bajas potenciasPueden operar a potencias mayores a una mayor eficiencia, con tamaños considerablemente reducidos
Bajo ruido (factor de rizo) dado a que no trabajan a altas frecuenciasTrabajan a altas frecuencias, no recomendable para equipos donde el ruido eléctrico es crucial
Sencillez de diseño e implementaciónDiseño más complejo

En resumen, los reguladores lineales son fáciles de usar, de menor eficiencia pero también de menor rizo de voltaje y mejor respuesta transitoria. Los reguladores por conmutación, de un diseño más retador, requieren de más conocimientos y experiencia, pero a cambio ofrecen una eficiencia muy superior, sobre todo a potencia elevada. Cada solución tiene sus ventajas y desventajas para cada aplicación específica.

Referencias:

https://www.mouser.com/pdfdocs/linear_reg_basic_appli-e.pdf

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN140fb.pdf



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