Regulador de voltaje de alta corriente con LM317 y bypass transistorizado

Hoy tengo el placer de compartir con ustedes un proyecto avanzado en el campo de la electrónica: la construcción de un regulador de voltaje de alta corriente que amplía significativamente las capacidades del conocido LM317.

Este proyecto es una evolución natural de nuestros anteriores trabajos, en los que exploramos cómo construir un regulador de voltaje utilizando el LM317. Sin embargo, en esta ocasión, vamos un paso más allá al incorporar un ingenioso bypass transistorizado.

Esta adición transforma el LM317 en un dispositivo capaz de manejar corrientes sustancialmente más elevadas que su límite operativo estándar. Si desean refrescar conceptos básicos sobre el regulador de voltaje con el LM317, les invito a revisar nuestro artículo previo sobre el tema aquí.

Este proyecto representa un desafío emocionante y una oportunidad de aprendizaje para aquellos apasionados por la electrónica y el diseño de circuitos.

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.

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.

En el diagrama adjunto, se observa claramente cómo se ha implementado el transistor PNP en conjunto con el LM317. Sin embargo, es crucial señalar que en esta configuración específica, el bypass NO FUNCIONARÁ EFECTIVAMENTE. La razón de esto radica en los principios de funcionamiento del BJT (PNP), que requieren una diferencia de potencial mínima de 0.7 voltios entre la base y el emisor para que se inicie la conducción del transistor.

En la configuración actual del circuito, tal como se muestra en el diagrama, la base y el emisor del transistor están conectados al mismo punto, lo que resulta en un potencial idéntico en ambos. Por lo tanto, no se genera la necesaria diferencia de potencial para activar el transistor. Para obtener más detalles sobre las características, así como las condiciones para el corte y la conducción de un transistor BJT, les recomiendo consultar el siguiente artículo:

• El transistor BJT y su uso en la electrónica

Al realizar mediciones con un voltímetro en esta configuración, como se ilustra en el diagrama, detectaríamos una ausencia de diferencia de potencial entre la base y el emisor, ya que ambos terminales comparten el mismo punto de conexión.

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:

Mediante la aplicación de esta fórmula, determinamos el valor de resistencia necesario para activar la conducción a través del transistor. En este proceso, es crucial seleccionar un nivel de corriente específico como referencia. En nuestro caso, elegiremos 700mA. Al realizar el cálculo para una resistencia que induzca la activación del transistor cuando haya 700mA fluyendo a través del regulador, encontramos que R=0.7/0.7=1 Ohm.

Al integrar una resistencia de 1 Ohm entre el emisor y la base, logramos generar una caída de tensión de 0.7 voltios con un flujo de corriente de 0.7 amperios a través del regulador. Es importante no usar el límite máximo de 1.5 amperios del LM317 como referencia para este cálculo, ya que representa un umbral crítico de operación y hay que considerar que no toda la corriente circulará a través del BJT.

Con estos ajustes, el esquema del circuito se presenta de la siguiente manera:

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.

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.

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.

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. 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.

A pesar de nuestros esfuerzos por dirigir la corriente predominantemente a través del transistor PNP, es importante reconocer que siempre habrá una fracción de esta corriente fluyendo por el regulador. Este fenómeno establece un límite práctico de corriente entre 2 y 2.1 amperios, más allá del cual el regulador podría dejar de funcionar correctamente.

Es relevante señalar que nuestras observaciones y conclusiones se basan en el uso de un simulador, lo que nos ofrece una representación idealizada, aunque bastante aproximada, del comportamiento del circuito en condiciones reales. Para ilustrar mejor este punto, he preparado una gráfica de corriente versus voltaje que muestra claramente la distribución de la corriente entre el regulador y el transistor, utilizando una resistencia de carga de 10 Ohms.

Esta visualización nos ayudará a comprender mejor la dinámica del circuito en operación.

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.

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

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.

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

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:

Para concluir, los capacitores añadidos en este diseño juegan un rol crucial como filtros, eliminando eficazmente cualquier perturbación en el voltaje y asegurando una operación estable y fiable del circuito.

Es destacable cómo este diseño mejorado tiene el potencial de manejar corrientes de hasta 10 amperios, un salto significativo en rendimiento, dependiendo en gran medida del modelo específico del transistor utilizado en la configuración de bypass. Este proyecto no solo demuestra la flexibilidad y adaptabilidad de los componentes electrónicos clásicos como el LM317, sino que también subraya la importancia de una selección cuidadosa de componentes para alcanzar resultados óptimos.

Espero que este proyecto les haya inspirado y proporcionado valiosos conocimientos en el ámbito de la electrónica. ¡Gracias por seguir este proyecto y hasta la próxima!