Una fuente estable para cada circuito
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, disponible para casi todos los voltajes que podamos imaginar y para corrientes desde unas pocas centésimas de amperio hasta varios amperios.
La familia LM78xx y LM79xx
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 24 V, entregan una corriente máxima de 1 amperio y soportan consumos pico de hasta 2,2 amperios. 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 entrega los voltajes equivalentes pero con salida negativa. Así, un LM7805 es capaz de entregar 5 voltios positivos, y un LM7912 entregará 12 voltios negativos.
La cápsula 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 amperio es necesario dotarlo de un disipador de calor adecuado; sin él solo obtendremos una fracción de esta corriente antes de que el regulador alcance su temperatura máxima y se desconecte.
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 pin 3 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 LM7815 y de 40 voltios para el LM7824.
Por último, debemos mencionar que existen versiones de estos reguladores para corrientes menores y mayores a 1 amperio. Los que tienen como nombre LM78Lxx, disponibles en cápsula TO-92 (ver figura 4), entregan una corriente máxima de 100 miliamperios y proveen tensiones de salida de 3,3; 5; 6; 8; 9; 12; 15; 18 y 24 V. Luego del nombre llevan un sufijo, que puede ser “AC” o “C”, que indica 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 V/100 mA, con un error máximo del 5 %. En caso de necesitar manejar corrientes mayores, las versiones en cápsula TO-3 (ver figura 5) soportan una corriente de salida máxima de 5 A.
Potencia disipada y disipador
La potencia además depende de la tensión de entrada. Por ejemplo, si tenemos un LM7812, cuya tensión de salida es de 12 V, con una tensión de entrada de, digamos, 20 V, y una carga en su salida de 0,5 A, multiplicando la diferencia entre la tensión de entrada y la tensión de salida por la corriente que circulará por la carga nos da los vatios que va a tener que soportar el integrado:
(Vint - Vout) x Iout = (20 - 12) x 0.5 = 4 W
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 voltios solo usamos 15 V (los 12 V de la salida más el margen de 3 V sugerido), la potencia disipada es mucho menor:
(Vint - Vout) x Iout = (15 - 12) x 0.5 = 1.5 W
De hecho, con 15 V la carga del integrado es de 1,5 W, menos de la mitad que con 20 V, por lo que el calor generado será mucho menor y, en consecuencia, el disipador necesario también será menor.
Circuitos sugeridos por el fabricante
Normalmente, no hace falta agregar 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 coincida con alguno de los reguladores existentes, a partir de una fuente de corriente continua perfectamente regulada, pero mayor que la deseada en al menos 3 V. 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 más cerca posible (eléctricamente hablando) del regulador. Obviamente, se supone que la tensión de entrada está 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 10 V. 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 artículo sobre ellos para más 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.
Dos fuentes reales
Veamos algunos circuitos reales, construidos a partir de estos reguladores.
La figura 10 es el esquema eléctrico de una fuente de 5 V a partir de la red de 220 V (o 110 V, 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 rizado que será eliminado por el capacitor electrolítico C1. El resto del circuito es equivalente al de la figura 6, tal como propone 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 -15 V mediante un regulador LM7915, que como vimos antes es un regulador de voltaje negativo. Nuevamente, hay que filtrar el rizado a la salida del puente de 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 explicó en el artículo correspondiente, necesitan una alimentación positiva y negativa.
En el taller
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 entre los modelos de salida positiva y los de salida negativa.
Debemos mencionar que existen reguladores cuya salida no es fija, sino que se puede ajustar fácilmente mediante una resistencia variable, como es el caso del LM317, que serán analizados a fondo en otros artículos.
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