CIRCUITOS REGULADORES PARA FUENTES DE PODER

Por: Ramón Miranda, YY5RM ( ramon.miranda@ejecutivo.com )

Saludos Colegas. Muchos de nuestros equipos electrónicos aun funcionan con fuentes de poder

tradicionales, a transformador. La intensión del presente artículo, es que el lector, pueda reparar,

modificar, o recuperar, cualquier equipo electrónico, con daños en la Fuente de Poder, o

simplemente contribuir al conocimiento ( En futuro emitiré otra versión de este artículo, con

cambios en las graficas ).

Una de las sub-etapas de nuestras Fuentes de Poder ( PS, Power Suplay, en Ingles ), es el Circuito de

Regulación, su función primordial, es la de mantener un suministro estable en el Voltaje de salida, a

cualquier requerimiento de corriente, además de eliminar el rizado ( Deformación del voltaje, en

los Capacitores de la sub-etapa de filtrado, en la Fuente de Poder ). Para comprender su

funcionamiento, trataré de explicar lo más sencillo posible, aunque en oportunidades no citaré

conceptos, ni el comportamiento de los componentes electrónicos en otros tipos de circuitos, sino

que me dedicaré a la función que cumplen en Fuentes de Poder, que es en realidad lo que nos

interesa.

Fuentes de Poder sin Regulación:

Si realizas un circuito como el de la figura siguiente, con los componentes tradicionales de una

Fuente de Poder, para 13.5 Voltios / 20 Amperios ( Transformador de 390 V.A / 220 ó 110Vac

primario / 16.2Vac secundario, rectificador tipo puente ECG5340 y Capacitor de 10.000uF ó más /

25 Volts D.C. ) y cuentas con un Voltímetro; Puedes medir los diferentes niveles de tensión ( Voltaje

), te darás cuenta que el voltaje aumenta un 27.7 % ( de 16.2 Voltios a 22.1 Voltios ), al conectar el

condensador ( Capacitor ). Esto se debe a que los Capacitores se cargan al voltaje pico de la

Corriente Contínua Pulsante, que es aproximadamente igual al voltaje pico A.C. en el secundario del

Transformador.

Los Voltímetros A.C. convencionales, no miden valores picos, solo miden valores eficaces (

Llamados RMS ) que equivalen al 73.3 % del valor pico ( Ejemplo: 16.2 VAC RMS = 22.1 VAC pico ).

Los valores RMS son los equivalentes que tendría la A.C. sobre una carga, el mismo efecto, como si

se aplicara Corriente Continua pura ( Ejemplo: 16.2 Voltios RMS en A.C. tiene el mismo efecto que

16.2 Voltios en D.C. pura )

A éste mismo circuito de Fuente de Poder no regulada, si le conectas una resistencia de carga o

cualquier consumo de corriente, te darás cuenta que baja el Voltaje en el(los) Capacitor(es), en la

misma proporción en que aumentas consumos de corriente. Esto se debe a que aumenta la

deformación que ofrece el rizado en la C.C., y los Voltímetros convencionales solo miden valores

promedios en D.C., por lo tanto solo apreciarás que baja el voltaje y no lo que en realidad esta

sucediendo ( Por Internet, puedes editar las formas de ondas de la Corriente Contínua Pulsante de

rectificación de onda completa y el rizado ).

En el mercado, existen Multímetros digitales, especiales, que si miden valores RMS, picos y

promedios. También con un Osciloscopio puedes ver en la pantalla, el rizado, las formas de ondas y

sus valores.

Regulación:

Consiste en suministrar a la carga ( Equipos conectados a la Fuente de Poder ), una D.C. lo más

pura posible, con mínimo de deformaciones ( Sin rizado ) y nivel de voltaje que no varíe ( estable ),

a cualquier requerimiento de corriente. En este tema, solo explicaré el implemento de Diodos

Zener, Transistores Convencionales y Circuitos Integrados Reguladores de Voltaje, para la

Regulación y los Transistores de Potencia como Amplificadores de Corriente.

Los Diodos de silicio convencionales ( Rectificadores ) atenúan 0.7 voltios cuando conducen

corriente ( En sentido directo de la corriente eléctrica ), mientras que en contrasentido ( Conectado

al revés ), bloquean el paso de la misma, atenuando todo el voltaje aplicado en el circuito. Los

Diodos Zener igualmente atenúan 0.7 voltios en sentido directo, pero en sentido inverso (

Contrasentido ), conducen corriente ( Corriente de Zener ) cuando el nivel del voltaje aplicado,

supera el valor establecido por los fabricantes de componentes electrónicos ( Voltaje de Zener ).

Este voltaje atenuado por el Zener, siempre será el mismo, constante y estable ( la estabilidad

puede variar un poco, con cambios de temperatura o al someterlos a altas corrientes ). Por lo

general, en circuitos de Fuentes de Poder, los Zener no requieren ser de mucha potencia (

Expresado en Watt, en manuales de reemplazo ) y se conectan en serie con una resistencia que le

limite la corriente, en aproxi. 10 miliamperios ( Suficiente para atenúar el Voltaje de Zener ).

Si deseas comprar, o adquirir Diodos Zener para realizar experimentos, te sugiero:

Para 5.1 Voltio : ECG 5010A ( ½ Watt ), ECG 50135A ( 1 Watt ).

Para 10 Voltios : ECG 5019A ( ½ Watt ), ECG 50140A ( 1 Watt ).

Para 15 Voltios : ECG 5024A ( ½ Watt ), ECG 50145A ( 1 Watt ).

Si conectas cualquiera de estos Diodos Zener, en serie a una resistencia de un Kilo-ohmio ( Bandas

de colores : marrón, negro, rojo, seguido de una banda color dorada o plata ) y le aplicas voltajes

que varíen, entre 18 a 30 voltios, notarás que en el Zener se atenúa un voltaje que se mantiene fijo,

mientras que en la resistencia se atenúa el resto de los voltajes aplicados.

Los Transistores convencionales, son componentes semiconductores muy complejos ( Si deseas

más información, por internet, o bibliografías, puedes obtenerla ), de tres electrodos ( Base,

Colector y Emisor ), de tipo P-N-P o N-P-N, fabricados en Silicio o Germanio y que dependiendo del

circuito como se conecte, pueden funcionar como interruptor, regulador, amplificador, adaptador

de impedancias, oscilador, etc. En nuestro caso se usará el Transistor de Silicio, como Amplificador

de Corriente y solo explicaré los parámetros aplicados en Fuentes de Poder:

*La amplificación depende de un parámetro llamado Ganancia ( Beta, o hfe en algunos manuales

de reemplazo ) y en este caso será la relación entre la Corriente de Base y Corriente de Colector.

Ejemplo: si la ganancia es 100, cuando hay 10 Amperios en el Colector, en la Base habrán 0,1

Amperio.

*La Corriente de Emisor es la sumatoria de la Corriente de Base y la Corriente de Colector, es decir,

para el ejemplo anterior, la corriente de Emisor es: 10 amperios más 0,1 Amperio = 1,1 Amperio.

*Si el Transistor es de Silicio, entre Base y Emisor, siempre se atenúan 0,3 Voltios ( Voltaje Base-

Emisor ). Esto quiere decir que el Voltaje en el Emisor, es el mismo que se aplica en la Base, menos

0,3 Voltios. Ejemplo: Si en la Base aplicamos 14 Voltios, entonces en el Emisor habrá 13,7 Voltios.

*La carga ( Consumo, en la salida del Regulador ), se conecta en serie, al Colector y el Emisor del

(los) Transistor(es) Regulador(es), si el Voltaje en esta carga es fijo, entonces el excedente del

Voltaje aplicado, se atenuará entre el Colector y Emisor ( Voltaje Colector-Emisor ) del (los)

Transistor(es). Ejemplo: En un Circuito Regulador, con entrada 25 VDC., y salida 13.7 VDC., entre

Colector y Emisor se atenúa 11.3 Voltios, pero si bajamos el nivel de entrada a 22 Voltios, entonces

el Voltaje Colector-Emisor bajará a 8.3 Voltios, es decir que entre Colector-Emisor se atenúa el

excedente del Voltaje y sus deformaciones ( Rizado, variaciones y algunos ruidos ).

Conociendo estos parámetros, podemos analizar el siguiente Circuito Regulador, tomando en

cuenta que se alimenta desde el Capacitor de una Fuente de Poder no Regulada ( En este caso 25

Voltios DC, puede funcionar perfectamente, desde 20 %, hasta 100 % del Voltaje de Zener ):

*En el circuito serie, conformado por la resistencia R1 y el Diodo Zener ( DZ1 ), se hace circular una

pequeña corriente ( Puede ser 10 miliamperios ) suficiente como para atenuar el Voltaje de Zener (

15 VDC ), el resto del Voltaje aplicado ( 25 VDC, desde el Capacitor de Filtrado C1 ), se atenuará en

la resistencia R1 ( Restamos 25 VDC, menos 15 VDC = 10 Voltios ). Procedemos a realizar el cálculo

de R1, aplicando la Ley de Ohm, donde R = V / I ( V = Voltaje en la resistencia R1, I = Corriente en la

resistencia R1, que es la misma que circula por el Diodo Zener DZ1 ). Entonces R1 = 10 Voltios,

dividido entre 10 miliamperios, el resultado será en Kilohmios y es 1 kohm.

*Este Voltaje de Zener, será fijo ( 15 VDC ) y se aplicará a la Base del Transistor Q1. En el Colector

de éste, se aplican los mismos 25 VDC suministrados desde el Capacitor de Filtrado de la Fuente de

Poder. El Voltaje en el Emisor será el mismo de la Base, menos 0.7 Voltios, ( Que es el atenuado

entre Base – Emisor ). Por lo tanto en la resistencia R2 habrán 14.3 Voltios. Este proceso se realiza

para amplificar la Corriente ( en circuitos de baja y mediana potencia ) del circuito Zener.

*El Capacitor C2, se carga al Voltaje de Zener, suaviza el arranque de la Fuente de Poder y elimina

ruidos producto del rizado, o cualquier otra situación.

*El valor de la resistencia R2, no es crítico, solo es una pequeña carga y se usa para generar una

corriente suficiente como para polarizar el Transistor ( Puede ser igual, o aproximado a 1 Kilohmio,

de manera que la Corriente de Emisor sea aprox. 10 miliamperios, cuando no se conecte carga al

circuito regulador ).

*Para que este mismo circuito Regulador, sea de Voltaje Variable, conectamos un potenciómetro (

Puede ser lineal, de 1 kilohmio ), en paralelo al Diodo Zener, de manera que se alimente un rango

de Voltaje ( De 0 a 15 Voltios en este caso ), en la Base del Transistor Q1. El detalle se puede

observar en la figura siguiente ( Izquierda ). Toda la explicación antes descrita, pertenece a

Circuitos Reguladores Positivos ( La regulación se realiza en el polo positivo y la masa, o polo

común, es el negativo de la Fuente de Poder ), en la otra figura ( Derecha ), se muestra el circuito

equivalente para la Regulación Negativa ( Se regula el polo negativo y la masa, o polo común, es el

positivo de la Fuente de Poder ), en este caso el Transistor es P-N-P.

Los Circuitos Integrados Reguladores, son componentes electrónicos, en los cuales se encapsula un

circuito completo de regulación, su Voltaje de salida viene establecido por el fabricante de

componentes electrónicos y soportan trabajar a una potencia moderada ( Por lo general pueden

suministrar máximo 1 Amperio ). Los hay de varios tipos, por ejemplo: Reguladores de Voltaje;

Variables, Fijos, Positivos, Negativos, etc. Por lo general tienen tres electrodos ( Terminales )

llamados : entrada ( Imput ), salida ( Output ) y común o referencia ( Comun ).

Las series más usadas y fáciles de identificar en cualquier circuitería, son las 78xx y 79xx. Ejemplo:

LM7805 ( 5 voltios ), LM7906 (- 6 voltios ), LM7812 ( 12 voltios ), LM7915 (- 15 voltios ), etc. Las

primeras dos letras de esta nomenclatura, indican el código del fabricante ( Ejemplo: MC =

Motorola, muy usado en radios ), seguido del número que indican las series 78 ( Regulador Positivo

) y serie 79 ( Regulador Negativo ), seguidamente se indica el voltaje de salida de los mismos (

ejemplos: MC7824 = Regulador de 24 Voltios, fabricado por Motorola, ó MC7905 = Regulador de -5

Voltios, fabricado por Motorola ).

Otra serie de mejores características de estabilización, temperatura extrema, protección contra

cortocircuitos, limitador de corriente, etc., es la 340, ejemplos : LM340T5 ( 5 voltios ), LM340T15 (

15 voltios ), LM340T9 ( 9 voltios ).

El voltaje máximo de entrada ( Imput ) es 48 voltios DC, el voltaje de salida ( Output ), es el

establecido por el fabricante, siempre y cuando el electrodo común esté conectado a masa ( polo

común del circuito ). Si se coloca un nivel de voltaje en el electrodo común, este se sumará al

voltaje de salida en el electrodo Output ( Ejemplo : si conectamos un Diodo Zener de 10 voltios, en

el electrodo común de un Regulador de 7805, el voltaje de salida será 15 voltios. Otro ejemplo : si

conectamos en serie dos diodos rectificadores de silicio, en el electrodo común de un regulador

7812, el voltaje de salida será 13.4 voltios, debido a que cada diodo atenúa 0.7 voltios.

La Potencia máxima, suministrada por cualquiera de los Reguladores antes descritos, se puede

considerar baja, en nuestro caso, se requieren entre moderadas y altas Potencias, con corrientes en

el orden de los 10 Amperios o más. Para solventar esto, se usan los Transistores de Potencia, que

son los encargados de amplificar la Corriente que puede soportar el circuito regulador de las

Fuentes de Poder, PS.

Transistor de Potencia:

Los Transistores de Potencias manejan los mismos parámetros y cálculos que los Convencionales,

con la diferencia que su construcción es robusta, para que puedan soportar las altas corrientes y

temperaturas extremas ( Permiten montaje en Disipadores de Calor ), estos Transistores se

conectan en serie a la carga y dependiendo de ésta, se colocan en paralelo, dos o más Transistores

de Potencia.

La cantidad de calor producida en el proceso de regulación, depende de la cantidad de Corriente de

Colector ( o de Emisor, en nuestro caso ) además del Voltaje que se debe atenuar entre Colector –

Emisor, “por esta razón, recomiendo no usar Transformadores con voltaje de secundario, mayores

al requerido”.

Existen arreglos de transistores, encapsulados en un mismo componente, reciben el nombre de

Transistores Darlongtón, tienen mayor ganancia y los recomiendo para estas Fuentes de Poder.

Basta con colocar cualquier Circuito Regulador, en la Base del(los) Transistor(es) de Potencia, en las

gráficas siguientes, puedes observar los detalles ( En el caso del Circuito Integrado Regulador, se

agregó un potenciómetro para obtener Voltajes Variables ). Sugiero usar pequeño Breaker o Fusible

en la entrada del Circuito Regulador, debido a que en este artículo no explico el sistema de

protección contra cortocircuitos.

Los tipos de Transistores a usar en estos Circuitos, no son críticos. Se puede probar con cualquier

Transistor N-P-N, de Silicio, robusto, para alta Corriente de Colector, altas potencias y con buen

disipador ( Ejemplos: 2N3055, MJ11032, TIP142, ECG181, etc ) y que tengas disponible. Igualmente

para el de baja potencia, se puede usar cualquiera N-P-N que tengas disponible.

En ambos casos, no se deberían usar transistores para Radiofrecuencia, ni para altos Voltajes (

Ejemplo: Los de salida horizontal en TV, Amplificadores Final de RF ).

Para el segundo caso, se pueden colocar dos, ó más Transistores de Potencia, en paralelo, para

aumentar la capacidad de suministro de Corriente.

Se puede colocar una resistencia de 150 a 220 ohmios y de 2 vatios, en paralelo a la salida ( no

necesaria ).