Regulador de voltaje de alta corriente con LM317 y bypass transistorizado

Hola a todos.

En esta ocasión presentaré para ustedes un regulador de voltaje de alta corriente basado en el LM317 pero con un bypass transistorizado que le permitirá a este regulador manejar corrientes muy por encima del nivel de operación del LM317.

En anteriores aportes hemos visto como construir un regulador de voltaje con el LM317.

lm317-1

Sin embargo este circuito posee una desventaja que resulta ser crucial en algunos diseños en los que podríamos necesitar corrientes altas. Y es que el LM317 posee un límite de corriente de 1.5 Amperios.

lm317 datasheet

Esta información la he tomado de la hoja de datos del LM317.

Como podemos ver en todos los modelos que existen de este dispositivo encontramos un límite de 1.5 amperios. Si se sobrepasa dicho umbral se terminará estropeando el regulador.

Esto no es un impedimento para que nosotros podamos crear una fuente regulable que pueda entregar corrientes superiores a los límites del transistor.

Es aquí donde entra el concepto de bypass transistorizado.

El concepto de bypass transistorizado está basado en un transistor PNP que se coloca  junto al LM317 o cualquier otro regulador de voltaje. Emisor y la base se colocan antes del regulador y el colector se conecta después.

lm317-1

En este diagrama se puede apreciar el transistor PNP que se ha colocado por encima del LM317.

En esta configuración el bypass NO VA A FUNCIONAR.

Esto se debe a que según las características del BJT (PNP), debe existir una diferencia de potencial de al menos 0.7 voltios entre la base  el emisor para que el transistor entre en conducción.

En el diagrama de arriba, la base y el emisor están conectados en el mismo nodo, por lo que están sometidos a un mismo potencial.

En el siguiente artículo se puede encontrar más información acerca de las características y las condiciones de corte y conducción de un transistor BJT:

Si tomamos un voltímetro y hacemos una medición tal como aparece el diagrama de arriba percibiremos una diferencia de potencial nula ya que no existe tal diferencia, ambos base y emisor están en el mismo punto.

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La única forma de lograr una caída de voltaje entre el emisor y la base es a través de una resistencia.

Según la Ley de Ohm la caída de voltaje en una resistencia equivale a multiplicar la resistividad del elemento por la corriente que pase a través del mismo.

Si necesitamos que la caída de voltaje sea de 0.7 entonces utilizamos la siguiente ecuación:

equacion

Con esta fórmula encontramos el valor de la resistencia que se necesita para iniciar la conducción a través del transistor.

Siempre se escoge un nivel de corriente. Yo tomaré como referencia 700mA.

Si calculamos la resistencia necesaria para causar un disparo cuando hallan 700mA pasando a través del regulador, obtenemos: R=0.7/0.7=1 Ohm.

Si colocamos una resistencia de 1 Ohm entre el emisor y la base, causaremos una caída de 0.7 voltios cuando hallan 0.7 amperios pasando por el regulador. El límite es 1.5 amperios pero no conviene utilizar dicho valor como referencia ya que el mismo es un punto de ruptura y debemos tomar en cuenta que no toda la corriente se irá por el BJT.

El diagrama quedaría así:

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La resistencia limitadora debe ser una resistencia de potencia ya que a través de ella pasará una corriente considerable. Podemos usar resistores de 10W por seguridad.

Resistencias-especiales-para-potencia

resistencias-de-potencia

Para hacer la prueba con las corrientes en este regulador utilizaremos una resistencia de carga de 10 Ohm. Si variamos el voltaje, la corriente hará lo mismo por lo que podremos evaluar si funciona o no el bypass.

Veamos.

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Vemos que cuando la corriente que le exige la carga al circuito es de 0.36 Amperios, la caída de voltaje en la resistencia límite es solo de 0.36 voltios.

Como 0.36<0.7 voltios, entonces el PNP no conduce.

sin-tc3adtulo-12

Como podemos observar, al pasar 0.7 Amperios por el regulador se consigue una caída de voltaje de 0.7 voltios, lo que activa al transistor PNP que empieza a conducir corriente.

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Si se aumenta la corriente en el sistema, se aumenta la cantidad de corriente que pasa por el regulador y la que pasa por el transistor. Al final se obtiene una corriente superior al valor máximo del LM317; el amperímetro de la derecha está marcando 1.58 amperios que es el resultado de sumar los 1.25 amperios que pasan por el regulador y los 0.331 amperios que pasan por el transistor PNP.

Sin embargo, con todo y el bypass transistorizado, persiste el problema del límite de corriente del LM317.

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Por más que intentemos que la corriente se vaya por el transistor PNP no lo vamos a lograr debido a que siempre habrá una parte de la corriente fluyendo a través del regulador. Esto nos impone un límite de corriente de 2 a 2.1 amperios antes de que el regulador deje de funcionar.

Cabe destacar que estamos utilizando un simulador, por lo tanto un concepto idealizado del funcionamiento de un circuito. Sin embargo la realidad no está muy lejos de lo que muestra el simulador. He decidido traerles una gráfica de corriente vs. voltaje en donde veremos la corriente que pasa por el regulador  y la corriente que pasa por el transistor. Usaremos como carga una resistencia de 10 Ohms.

Sin título-1

Nosotros podríamos dejar las cosas tal como están, ya que una fuente que entregue 2 amperios es aceptable, pero si nuestras exigencias son altas podemos tratar de solucionar este problema.

Según lo que he investigado, el dispositivo que mejor se adapta a nuestras exigencias es un tipo especial de transistor BJT, el llamado Transistor Darlington.

El transistor Darlington es una configuración en la que se utilizan 2 transistores PNP con un colector común y en donde la base de uno va conectada al emisor del otro, provocando un aumento en la ganancia.

Darlington_pairs

La ventaja de los transistores Darlington es que vienen en un solo encapsulado, luciendo idénticos a un transistor común y corriente.

Darlington-Transistor-1

Ahora me gustaría compartir con ustedes un análisis gráfico de la corriente conducida por un transistor PNP vs. la corriente conducida por un transistor Darlington vs. la corriente que pasa por el regulador.

Sin título-1

Aquí podemos observar la diferencia entre un PNP normal y un PNP Darlington.

Sin título-1

El transistor Darlington muestra una conducción muy por encima de la que permite un transistor PNP de uso común por lo que aplicar un transistor Darlington a nuestro diseño es lo más adecuado.

Al final obtendremos el siguiente sideño:

LM317 Bypass Transistorizado

Los capacitores que le agregué funcionan como filtro para eliminar cualquier perturbación que se pueda dar en el voltaje.

Este diseño podría proporcionar corrientes tan altas como 10 amperios. Todo va a depender del modelo de transistor que se vaya a utilizar como bypass.

Espero que les haya gustado.

Saludos.

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El transistor BJT y su uso en la electrónica

Hola a todos.

En este post escribiré acerca del transistor BJT, el NPN y el PNP.

En este blog ya he descrito el transistor BJT como un dispositivo de control para Arduino. El propósito de este artículo será explicar el funcionamiento del transistor BJT como un elemento semiconductor destacando sus características y posibles usos en circuitos electrónicos.

Hasta ahora sabemos que existen dos tipos de transistores BJT, el NPN y el PNP.

bjt

Como ya dijimos, las terminales del transistor BJT se conocen como Base, Emisor y Colector.

trans

En el transistor se cumple una serie de condiciones relacionadas con las corrientes y voltajes en los diferentes terminales.

Posee diferentes usos, de los cuales ya hemos destacado su capacidad de conmutar circuitos.

En los siguientes videos se puede apreciar como encender un LED y posteriormente un Motor, ambos requiriendo 9 voltios utilizando solamente los 5 voltios que proporciona Arduino:

Ahora vamos a ver un análisis más detallado del funcionamiento del transistor. Como pudimos observar en los videos, cuando se aplica el voltaje que proporciona Arduino a la base del transistor, ocurre algo similar a cuando se cierra un interruptor, se produce una corriente entre el colector y el emisor del transistor.

Para que se produzca dicha corriente se debe cumplir una condición especial: debe haber una diferencia de potencial entre el base y el emisor de al menos 0.7 voltios.

¿Que significa esto? Veamos.

pnp

En esta situación el LED permanece apagado a pesar de que hay un voltaje aplicado a la base del transistor. El voltímetro de la figura esta marcando una diferencia de potencial de 0.5 voltios, lo cual según la teoría que existe acerca de transistores, no es suficiente para hacer que el transistor entre en saturación.

Si reducimos el voltaje en la base de forma tal que dicho voltímetro marque 0.7 voltios, el resultado será el siguiente:

pnp

Como podemos observar, al marcar el voltímetro una diferencia de potencial de 700 mV (0.7 voltios) entonces el transistor empieza a conducir ya que ese es el punto de disparo para el estado de saturación.

Esto es una característica propia de todos los transistores BJT, solo conducirán corriente si y solo si hay una diferencia de potencial de 0.7 voltios entre la Base y el Emisor.

El transistor BJT como amplificador de corriente

Los transistores BJT poseen la capacidad de amplificar la corriente que pasa entre los terminales emisor y colector, las cuales dependerán de la corriente aplicada a la base del transistor.

Veamos un ejemplo:

pnp

Cuando no hay corriente aplicada a la base del transistor, no hay corriente fluyendo entre emisor y colector.

pnp

Cuando se aplica una pequeña corriente a la base entonces se inicia la conducción entre emisor y colector.

pnp

Como podemos observar, la corriente en el colector está determinada por la Ley de Ohm. I = V/R, donde el voltaje es 9 voltios y la resistencia 1000 Ohm, lo que da como resultado 9mA que es la corriente en el colector.

Sin embargo en el emisor la corriente no es la misma, sino que ha sido amplificada. Esta amplificación es el resultado de sumar la corriente de la base más la corriente del colector.

pnp

Aquí se aprecia que la corriente en el emisor es 129.59 mA.

Si sumamos la corriente de la base y la del colector, obtenemos:

49.02+80.58=129.6 mA

Para cualquier diseño que necesitemos hacer es prudente conocer el comportamiento del transistor según las diferentes configuraciones que se puedan dar.

Utilizando un simulador de circuitos y tomando como referencia el modelo 2N2905A, presentamos la siguiente gráfica:

pnp

fin

Con la ayuda de Excel podemos apreciar el comportamiento del transistor. La conducción inicia progresivamente desde un voltaje Base-Emisor nulo hasta irse acercando a los 0.7 voltios. En dicho instante el transistor entra en saturación y se comporta como un conductor.

El voltímetro que colocamos entre la base y el emisor es el encargado de mostrar el voltaje Base-Emisor, el cual varía progresivamente a medida que se varía el voltaje en la Base del transistor.

Los usos que tengan estas características los estudiaremos en nuestros próximos aportes.

Si tienen alguna duda por favor dejen sus comentarios.

Saludos.

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