Diferenzas entre reguladores lineais reguladores conmutados e reguladores en serie

1. Reguladores lineares vs. reguladores conmutados

Un regulador linear require unha tensión de entrada superior á súa tensión de saída. Xestiona a diferenza entre a tensión de entrada e a de saída—coñecida como tensión de caída—variando a impedancia do seu elemento de reguílo interno (como un transistor).

Pódese pensar nun regulador linear como un experto preciso en "control de tensión". Frente a unha tensión de entrada excesiva, actúa decisivamente "cortando" a parte que supera o nivel de saída desexado, asegurando que a tensión de saída permanezca constante. A tensión excedente que se "recorta" disípanse finalmente como calor, mantendo unha saída estable.

En termos de configuración de circuito, un regulador linear en serie típico utiliza un amplificador de erro, unha fonte de tensión de referencia e un transistor de paso para formar un sistema de realimentación en bucle cerrado que monitoriza e corrige continuamente a tensión de saída en tempo real.

Os reguladores lineares inclúen principalmente reguladores de tres terminais e reguladores LDO (Low Dropout). O primeiro usa unha arquitectura convencional que require unha diferenza de tensión de entrada a saída relativamente grande (xeralmente ≥2 V), resultando en menor eficiencia, e é adecuado para aplicacións de medio a alto poder. En contraste, os reguladores LDO están optimizados para unha tensión de caída mínima (tan baixa como 0.1 V), facéndoos ideais para escenarios onde as tensións de entrada e saída están próximas—como nos dispositivos alimentados por batería—embora sexa necesario un deseño térmico cuidadoso.

A figura 1 ilustra os principios de funcionamento dos reguladores lineares e conmutados.

Por outro lado, os reguladores conmutados controlan o tempo de conducción e apagado dos interruptores de potencia (por exemplo, MOSFETs) para axustar o ciclo de traballo da transferencia de enerxía. A tensión de entrada converteuse entón nunha tensión de saída media estable a través do almacenamento e filtrado de enerxía por inductores e condensadores.

A súa característica central é a reguílo de tipo "picadora": a tensión de entrada cortase a alta frecuencia, e a enerxía entregada á saída controlase axustando o ciclo de traballo do interruptor. Este enfoque logra unha eficiencia significativamente maior comparado co regulador linear.

As topoloxías comúns de reguladores conmutados inclúen Buck (reducir), Boost (aumentar) e outras, admitindo un amplo rango de tensións de entrada e sendo adequadamente aptos para aplicacións de alto poder ou entornos con fluctuacións significativas na tensión de entrada.

A figura 2 ofrece unha comparación entre reguladores lineares e conmutados. Pode seleccionar o tipo axeitado baseándose nas súas necesidades específicas: elixe un regulador linear cando a prioridade sexa un baixo ruído e simplicidade no circuito; opta por un regulador conmutado cando sexa necesario unha alta eficiencia e entrega de alto poder.

2. Reguladores de voltaxe en serie

Un regulador de voltaxe en serie está situado entre a fonte de enerxía e a carga, actúando como un “guardián de reguílo de voltaxe” preciso. O seu principio de funcionamento implica o axuste dinámico da resistencia dun resistor variable en resposta ás cambios na voltaxe de entrada ou corrente de saída, mantendo así a voltaxe de saída nun valor estable e predefinido.

Na tecnoloxía electrónica moderna, os CI (Circuitos Integrados) de reguladores en serie utilizan dispositivos activos —como MOSFETs ou transistores de xuncción bipolar (BJTs)— para substituír elegantemente os resistores variables tradicionais, mellorando significativamente o rendemento e a fiabilidade do regulador.

A configuración do circuito dun regulador de voltaxe en serie é precisa e ben estruturada, consistindo principalmente nos seguintes catro componentes nucleares:

● Transistor de saída: Conectado en serie entre os bornes de entrada e saída do regulador, actúa como unha ponte que liga a fonte de enerxía aguas arriba coa carga aguas abaixo. Cando ocorren fluctuacións na voltaxe de entrada ou corrente de saída, a sinal do amplificador de erro controla precisamente a voltaxe de porta (para MOSFETs) ou a corrente de base (para BJTs) deste transistor.

● Fonte de voltaxe de referencia: Actúa como un referente estable para o amplificador de erro, desempeñando un papel crítico. O amplificador de erro confía nesta referencia fixa para regular con precisión a porta ou a base do transistor de saída, asegurando así unha voltaxe de saída estable.

● Resistencias de realimentación: Estas resistencias dividen a voltaxe de saída para xerar unha voltaxe de realimentación. O amplificador de erro compara esta voltaxe de realimentación coa voltaxe de referencia para lograr unha reguílo de saída precisa. As dúas resistencias de realimentación están conectadas en serie entre os bornes VOUT e GND, e a voltaxe no punto medio delles é alimentada ao amplificador de erro.

● Amplificador de erro: Funcionando como o “cérebro intelixente” do regulador en serie, o amplificador de erro compara cuidadosamente a voltaxe de realimentación (é dicir, a voltaxe no punto medio da división de resistencias de realimentación) coa voltaxe de referencia. Se a voltaxe de realimentación cae por debaixo da voltaxe de referencia, o amplificador de erro aumenta a forza de impulsión ao MOSFET, reducindo a súa voltaxe drenador-fonte e, polo tanto, aumentando a voltaxe de saída. Por contra, se a voltaxe de realimentación supera a voltaxe de referencia, o amplificador reduce a forza de impulsión ao MOSFET, aumentando a voltaxe drenador-fonte e baixando a voltaxe de saída en consecuencia.

Neste artigo, exploramos máis a fondo os principios de funcionamento, as funcións e as configuracións de circuito de varios tipos de reguladores de voltaxe. No próximo capítulo, explicaremos o mecanismo de reguílo dinámico dos reguladores lineais e esclareceremos as diferenzas entre os reguladores de tres terminais e os LDO (Low Dropout).