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domingo, 4 de mayo de 2014

Tutorial de Electrónica Básica. 09. Los reguladores de tensión



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Función de un regulador de tensión.

Una fuente de alimentación clásica y sencilla como la del siguiente esquema proporciona una tensión determinada. Por ejemplo, 12 voltios. Se utiliza un transformador de 9V porque, al rectificarla, se eleva en un factor de "raíz de dos", es decir, aproximadamente 1,41. Con lo cual esos 9V suben hasta poco más de 12.





Pero son 12 voltios... en vacío. Cuando se conecta una carga a esa fuente la tensión "cae", disminuye. Y tanto más cuanto más consumo tenga esa carga.

Esto puede no tener importancia en algunas situaciones, por ejemplo si vamos a alimentar una luz, un motor en según que aplicaciones, etc. Pero si necesitamos alimentar un circuito electrónico que necesite una tensión estable para que dicho circuito funcione también de forma estable, necesitaremos que la tensión sea constante independientemente del consumo.

Cuando una fuente tiene esta característica de entregar una tensión constante se dice que es una fuente "estabilizada".

Esta función de estabilización se confiaba a una serie de componentes que se añadían a la fuente (haciéndola mas compleja), tales como diodos zener, resistencias, condensadores...

Hoy, esto es posible sin necesidad de recurrir a cálculos ni a diseñar circuitos: Basta con añadir uno de los reguladores de tensión que veremos en este capítulo para conseguir tanto regulación como estabilización.

Lo anterior, por supuesto, sin salirse de unos limites: Si sometemos a una fuente a un consumo excesivo (cortocircuito) la estabilización deja de actuar y en su lugar debería entrar en funcionamiento un sistema de protección contra cortocircuito... en caso de que la fuente tenga tal sistema de protección. En caso contrario, la fuente simplemente aguanta, o se rompe.



La familia 78xx y 79xx

Con estos componentes la función de estabilización está ahora muy simplificada. Tienen tres terminales:

1. La entrada de la tensión que vamos a regular
2. Un terminal común para la entrada y la salida
3. La salida con la tensión ya regulada y estabilizada.




La familia de componentes 78xx y 79xx son reguladores estabilizadores que, con sólo tres terminales, hacen todo el trabajo. Realmente son circuitos integrados, pues en su interior está implementado un verdadero circuito.

El código 78xx y 79xx nos dice dos datos primordiales acerca de este circuito:

la serie 78 es para reguladores de tensión positiva (los más comunes)
la serie 79 es para reguladores de tensión negativa.

Los 78xx son los más usados, para fuentes sencillas, o no tan sencillas, pero que siempre usan tensiones positivas respecto de un "cero", "negativo" o "masa".

Los segundos (79xx) se utilizan para regular tensiones negativas. Por ejemplo, en el caso de una fuente simétrica: Hay una tensión positiva, un cero y una tensión negativa. Pues bien, para la tensión positiva usaríamos un 78xx, mientras que para la tensión negativa habría que usar un 79xx.

Lo podemos ver en este ejemplo de fuente simétrica:

Fuente de alimentación simétrica.
78xx para el positivo, 79xx para el negativo













Voltajes disponibles

Las dos "xx" del código del regulador nos dicen qué tensión nos proporciona ese regulador. Los hay para distintas tensiones normalizadas que cubren un buen rango. Estos valores son los siguientes:

Tensión salida Voltios    Regulador positivo         Regulador negativo
5                                        7805                           7905
6                                        7806                           7906
8                                        7808                           7908
9                                        7809                           7909
10                                      7810                           7910
12                                      7812                           7912
15                                      7815                           7915
18                                      7818                           7918     
24                                      7824                           7924

Al parecer, hay catálogos o fabricantes que hablan de reguladores para 3.3 voltios (7833) y para 27 voltios (7827) pero yo no los he encontrado en ninguna tienda. Lo habitual son los valores de la tabla anterior.

En el siguiente dibujo vemos como se usan estos reguladores:

Fuente clásica con un 7812 a la salida.











NOTA IMPORTANTE: Para que estos circuitos funcionen correctamente, la tensión a la entrada deberá ser -como mínimo- igual o superior a la tensión de salida + 2 voltios. Por ejemplo, si vamos a usar un 7805 debemos poner en su terminal de entrada al menos 7 voltios. Si vamos a usar un 7812, la entrada debería ser al menos de 14 voltios.

Lo mismo para los reguladores 79xx negativos.

En el código de estos reguladores pueden aparecer letras al principio: Son relativas al fabricante o a series determinadas.




Prestaciones

Estos dos enlaces nos llevan a las dos primeras páginas de las especificaciones de un 78xx

Características de un 78xx. Página 1 
Características de un 79xx. Página 2


Sobre las tensiones que pueden ofrecer estos reguladores ya vimos en el punto anterior las distintas opciones, desde 5 hasta 24 voltios.

En cuanto a la intensidad máxima que soporta la familia 78xx, como mínimo tenemos asegurado 1 amperio.

Los 78Sxx funcionan de la misma manera, pero la "S" en su código nos dice que aguantan hasta 2 amperios.

Los 78Txx con una "T" en su código nos dice que aguantan hasta 3 amperios

Es aconsejable dotar a los 78xx de un disipador térmico, especialmente si lo vamos a hacer trabajar en la mitad superior de su corriente máxima. Por ejemplo, para un 78xx que aguanta 1 amperio, si la corriente va a ser mayor de 500 mA deberíamos poner un disipador.

Para los 78Sxx y los 78Txx siempre deberíamos usar un disipador.

Regulador con disipador, que evita la rotura al disipar el calor generado























Como podemos ver en el datasheet, lamentablemente, no podemos aplicar cualquier tensión a la entrada de un regulador para obtener la deseada. El valor límite a la entrada de un 78xx es de 35 voltios excepto para el 7824 que es de 40 voltios. Por encima de esa tensión corremos el riesgo de romperlo. No hay que olvidar el detalle importante de que la tensión de entrada será -como mínimo- superior en dos voltios al voltaje de salida.




Aplicaciones, ejemplo práctico

Tienen muchas aplicaciones, y gracias a la variedad de tensiones disponibles son elementos muy a tener en cuenta. Hay varias tensiones que son muy interesantes por el gran uso que se hace de ellas.

1) Podemos utilizar un 7805 para cargar un móvil, ya que un teléfono móvil se carga a esta tensión.

2) Con un 7812 podemos recrear la tensión que ofrece una batería



Comprobar un regulador

En todos los capítulos en que se habla de un componente dedico un apartado para comprobar o medir dicho componente con el fin de saber si está en buen estado.

Lo mejor para estar seguros de que un regulador está bien es hacerlo trabajar en las condiciones propias. Aplicaremos a su terminal de entrada una tensión dos o tres voltios por encima de la del regulador (pero menor de 35 voltios). El negativo lo conectamos a su terminal 2 común. Y mediremos entre el terminal 2 y el terminal 3 la tensión, que deberá ser la correspondiente a ese regulador. Mejor aún si ponemos una carga adecuada a ese voltaje, sin excedernos en el consumo, claro está.

Si resulta ser un 79xx procederemos igual pero teniendo en cuenta que trabaja con tensiones negativas: Conectamos el cero o positivo a su terminal 2 común. El negativo a regular lo conectaremos a su terminal 1 de entrada. Aquí hay que observar la misma regla que en el caso de un regulador positivo: Esa tensión de entrada será -como mínimo- dos o tres voltios mas negativa que la tensión correspondiente del regulador. Si por ejemplo es un 7909, la tensión será de -11 voltios minimo (respecto del terminal común 2). A la salida en el terminal 3 deberíamos tener 9 voltios negativos respecto del terminal 2.

En el minuto 06:12 del vídeo se muestra como trabaja un 7805. En realidad esto sería también una forma de comprobar que dicho 7805 está bien.



Reguladores ajustables: El LM317 (+) y LM337 (-)

Los reguladores vistos hasta ahora eran fijos, es decir, ofrecen una tensión determinada. 

El LM317 nos permite obtener una tensión regulada variable (acoplándole un potenciómetro) en un rango entre 1.2 y 37 voltios, con una intensidad máxima de 1.5 amperios. El circuito es el siguiente:


Regulador variable: LM317 (positivo) y LM337 (negativo)





















En el datasheet podéis ver otras características interesantes de este circuito.

También hay una versión de este circuito para tensiones negativas: El LM337 (abajo en el dibujo anterior).



Rincón de la Teoría
El efecto DOPPLER.

Lo que se oye en el 13:27 del vídeo es un ejemplo del efecto doppler. Cuando el vehículo se aproxima, el claxon suena más agudo. Cuando se aleja, suena mas grave. Pero eso sólo lo percibe el observador inmóvil. El conductor que va en el vehículo oye el claxon con una frecuencia fija.

¿Que está sucediendo?

Cuando un objeto que emite un sonido está en movimiento, ¿La velocidad del objeto y del sonido, se suman?

La respuesta es: No.

La velocidad del sonido es constante para un medio dado. Lo que ocurre con los objetos en movimiento (respecto del observador) es que cuando el objeto se aproxima, las ondas de sonido se comprimen, es decir, al observador llegan mas ondas por unidad de tiempo, lo que equivale a que la frecuencia es mayor. Cuando el objeto se aleja respecto del observador, llegan menos ondas por unidad de tiempo al observador, las ondas se expanden, lo que equivale a que la frecuencia será menor.

Y esto es proporcional a la velocidad del objeto que se mueve, hasta el punto que esta variación de frecuencia puede servirnos para deducir la velocidad del objeto.

He puesto el ejemplo del sonido, pero el efecto doppler se da en cualquier fenómeno oscilatorio que se propague en forma de onda, por ejemplo, las radiaciones electromagnéticas, incluyendo la luz. Cuando un objeto se aproxima hacia nosotros, su luz "corre" hacia el azul (frecuencia mayor), mientras que si ese objeto se aleja de nosotros, su luz "corre" hacia el rojo. Esto, a velocidades reales no se percibe a simple vista, pero sí con instrumentos de medida muy precisos.

Este efecto doppler es usado en Astronomía, y de hecho fue el que puso en guardia a los astrónomos acerca de un curioso fenómeno estelar: Todas las galaxias ofrecen un efecto doppler de corrimiento hacia el rojo. Es decir, se alejan de nosotros. Pero sería muy pretencioso pensar que nuestro planeta es un punto privilegiado o especial en el cosmos. Enseguida se dieron cuenta: No es que todo se aleje de nosotros, sino que todo se aleja de todo. Es como si dibujamos puntos en un globo desinflado y a continuación lo inflamos. No hay ningún punto especial, pero todos creen ser especiales porque ven como los demás puntos se alejan de ellos.

Como en una explosión.

Y de ahí, a la Teoría del Big Bang: Si todo se aleja de todo en el Universo, ¿Qué pasa si rebobinamos atrás en el tiempo?: Pues que todo se acerca a todo. Es decir, toda la materia del universo estuvo reunida en un punto minúsculo antes de suceder "la gran explosión" o Big Bang que dio origen al universo conocido.

Dejando de lado la veracidad o no de esta teoría (que está mas que aceptada y comprobada por la comunidad científica), este efecto Doppler puede explotarse también en la vida cotidiana.

Una de las aplicaciones mas conocidas probablemente no sea muy popular: Es el famoso "radar" de tráfico que permite saber a qué velocidad circulas. Se basa en ondas de radar que inciden sobre el vehículo a medir. El vehículo hace rebotar esas ondas, pero le imprimen un cambio (efecto doppler) según la velocidad de ese vehículo. Cuando esas ondas vuelven al emisor, el cambio de frecuencia es analizado por medio de ecuaciones matemáticas implementadas en el circuito de ese radar, y la velocidad es obtenida de forma bastante fiable... siempre y cuando los equipos se utilicen bien y estén en perfecto estado.




El vídeo:




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