¿Alguna vez necesitaste un voltaje exacto que ningun adaptador comercial te daba? ¿O te topaste con un equipo antiguo cuya fuente entrega un valor raro, fuera de los 3.3V, 5V o 12V de siempre? Ahi es donde entender los reguladores de voltaje lineales deja de ser teoria y se vuelve una herramienta real de banco. En este tutorial vas a aprender como trabaja por dentro un regulador lineal, por que sigue siendo tan usado a pesar de su simpleza, y vas a armar dos circuitos: uno de referencia con un diodo zener para entender el concepto, y una fuente fija de 5V de verdad usando un transistor BD139 y un TL431. Al terminar vas a poder dimensionar el transistor de paso, calcular la resistencia de polarizacion y decidir si tu montaje necesita disipador.

Este contenido esta basado en el articulo de T.K. Hareendran publicado en Codrey Electronics. Aca lo reorganizamos por bloques, le sumamos calculos de disipacion explicados, comparaciones con fuentes conmutadas y la lista de componentes con stock local.

Concepto: que es un regulador lineal

Las fuentes lineales son los conversores DC a DC mas simples que existen. Aunque parezcan basicas frente a una fuente conmutada moderna, se siguen usando muchisimo, sobre todo cuando se busca bajo ruido y un diseño que cualquiera pueda entender y reparar. El regulador lineal es el arquetipo de la fuente reductora: toma un voltaje de entrada DC sin regular y, aprovechando la conductividad variable de un componente activo (casi siempre un transistor), lo "recorta" hasta dejar una salida DC estable.

Hay dos familias de reguladores lineales:

  • Regulador shunt: se conecta en paralelo con la carga. Deriva el exceso de corriente a tierra para mantener el voltaje. Es el principio de un simple diodo zener con resistencia.
  • Regulador serie (series pass): usa un semiconductor activo trabajando en modo lineal como elemento en serie entre la entrada y la carga. Es el mas habitual porque es mas eficiente que el shunt y entrega mas corriente.

La clave conceptual: en un regulador lineal toda la diferencia entre la entrada y la salida se disipa como calor en el elemento de paso. Eso lo hace ineficiente cuando la caida es grande, pero tambien lo hace silencioso y limpio, sin el ruido de conmutacion de una fuente switching.

El regulador serie basico con zener

Antes de la fuente real, conviene entender el circuito minimo. El siguiente es un regulador serie discreto con transistor bipolar. Parece simplisimo, pero no te dejes engañar: detras hay varios factores criticos como el diseño termico, la regulacion de salida y la estabilidad general, y cualquiera de ellos puede hacer que el circuito se comporte mal.

Esquema del regulador serie basico con transistor de paso, resistencia, diodo zener y condensador

En este circuito, el transistor de paso (TR) controla el voltaje de salida y toda la corriente que va a la carga pasa por el. El diodo zener fija la referencia y la resistencia R lo polariza. Dos reglas practicas de dimensionamiento:

  • El voltaje minimo de entrada (Vin) debe ser al menos 2.5V mayor que la salida deseada (Vout).
  • El voltaje del zener (Vz) debe ser unos 0.6V mayor que la salida (Vout), porque se pierde la union base emisor del transistor.

La resistencia de polarizacion R se calcula con la formula clasica de libro de texto, donde Iout es la corriente maxima de salida y hFE es la ganancia de corriente (beta) del transistor de paso:

Formula para calcular la resistencia de polarizacion en funcion del voltaje de entrada minimo, la ganancia del transistor y la corriente de salida maxima

En texto plano, la relacion es:

Text 
R ≈ ( Vin(min) × hFE(min) ) / ( 1.2 × Iout(max) )

Por que importa la disipacion

Como toda la corriente de la carga atraviesa el transistor, hay que dimensionarlo para soportar la "perdida por headroom" (el margen de tension que sobra) mas la carga. La potencia que disipa el transistor es:

Text 
P(transistor) = ( Vin - Vout ) × I(load)

Donde I(load) es la corriente nominal de la carga. Dicho de otra forma: el voltaje de headroom es la caida real entre entrada y salida durante el funcionamiento. Entonces, la perdida por headroom en el peor caso es:

Text 
P(headroom) = ( Vin(max) - Vout ) × I(load nominal)

Este numero es el que define si necesitas disipador. Ejemplo concreto para que lo veas: si entras con 12V, quieres 5V de salida y la carga pide 0.5A, el transistor disipa (12 - 5) × 0.5 = 3.5W. Eso es bastante calor para un encapsulado pequeño, asi que casi seguro vas a necesitar un disipador. En cambio, si entras con 7V para esos mismos 5V, son solo (7 - 5) × 0.5 = 1W, mucho mas manejable. La leccion: no entres con un voltaje mucho mayor del necesario, porque el exceso se quema en calor.

Este regulador serie fijo entrega una consistencia razonable. El bajo numero de componentes no deja espacio para compensacion de temperatura ni proteccion de sobrecorriente, pero para la mayoria de los casos cumple. Ten en cuenta que una fuente regulada ideal tendria impedancia de salida cero (la salida se mantiene constante ante cualquier demanda de corriente), algo que en el mundo real no se logra del todo, y que las caracteristicas del semiconductor limitan el voltaje y la corriente que puedes entregar.

La fuente fija de 5V con BD139 y TL431

Cuando diseñas una fuente regulada lo normal es usar un chip dedicado, porque esos circuitos integrados suelen traer features muy utiles como limitacion de corriente y proteccion contra cortocircuito. Sin embargo, tarde o temprano te vas a cruzar con un regulador lineal hecho a mano con componentes discretos: en equipos antiguos, o simplemente porque necesitas un voltaje no estandar o una especificacion rara. Por eso vale la pena tener a mano un circuito practico para tus experimentos.

El siguiente es un regulador lineal de voltaje fijo, listo para armar en protoboard. Entra con 9V y entrega 5V regulados, usando un transistor de paso BD139 (T1) y un TL431 (IC1) como referencia de precision ajustable:

Esquema de la fuente regulada de 5V con transistor BD139 como elemento de paso y TL431 como referencia ajustable, con resistencias R1 R2 R3 y condensadores C1 C2

El TL431 es una referencia de voltaje ajustable que se comporta como un zener "programable" por dos resistencias. El divisor R2 y R3 fija cuanto sube la salida por encima de la referencia interna. Anota estos puntos clave de diseño:

Text 
Vin(min)  = Vout + VBE de T1
Vout(min) = Vref
Vout      = ( 1 + R2/R3 ) × Vref      (Vref tipico = 2.495)

Con R2 y R3 ambas de 2.2 kohm, la formula da Vout = (1 + 1) × 2.495 = 4.99V, es decir, los 5V buscados. Si quieres otra salida, juega con la razon R2/R3: por ejemplo, para 9V de salida necesitarias que (1 + R2/R3) sea aproximadamente 3.6. Importante: la entrada siempre debe ser mayor que la salida mas la caida base emisor del BD139, asi que con 9V de entrada tienes margen de sobra para 5V.

Los condensadores cumplen roles distintos: C1 (10 uF electrolitico) filtra y estabiliza la entrada, mientras que C2 (100 nF ceramico) limpia el ruido de alta frecuencia en la salida y ayuda a la estabilidad del lazo. R1 (470 ohm) alimenta la referencia desde la entrada.

Errores comunes al armar este circuito

  • La salida no llega a 5V: revisa el divisor R2/R3. Si pusiste valores distintos a 2.2 kohm, recalcula con la formula de Vout. Tambien confirma que la entrada sea mayor que la salida deseada mas la caida del transistor.
  • El BD139 se calienta mucho: estas entrando con un voltaje muy alto o sacando mas corriente de la que el montaje aguanta sin disipador. Baja la entrada o agrega disipador (ver mas abajo).
  • La salida tiene rizado o ruido: verifica que C1 y C2 esten bien conectados y con la polaridad correcta en el caso del electrolitico. El ceramico C2 debe quedar lo mas cerca posible de los terminales de salida.

Tu transistor de paso, necesita disipador

El BD139 viene en encapsulado TO-126, pensado para montarse contra un disipador metalico. Si tu fuente disipa mas de un par de watts (recuerda el calculo P = (Vin - Vout) × I de arriba), el transistor se va a calentar y conviene atornillarle un disipador para TO-126.

Transistor BD139 en encapsulado TO-126 junto a un disipador clip de aluminio para ese mismo formato

Como regla rapida: si al tocar el transistor (con cuidado) no puedes mantener el dedo, esta demasiado caliente y necesita disipacion. Para montajes de banco que entreguen poca corriente y con poca diferencia entre entrada y salida, muchas veces el encapsulado solo basta. Cuando dudes, mide la temperatura y agrega disipador: cuesta poco y alarga la vida del transistor.

Variantes y mejoras

El circuito base es solo el punto de partida. Algunas extensiones que el articulo original no cubre y que puedes probar:

  • Salida ajustable con potenciometro: reemplaza R2 (o parte de R3) por un potenciometro multivuelta. Asi conviertes la fuente fija en una fuente de banco variable, ideal para probar circuitos a distintos voltajes con un solo montaje.
  • Proteccion contra sobrecorriente: agrega un transistor pequeño (por ejemplo un BC547) que sense la caida en una resistencia shunt en serie con la salida y "robe" base al BD139 cuando la corriente excede un limite. Es la base de un limitador de corriente sencillo que el circuito original no trae.
  • Salida dual: si necesitas alimentar amplificadores operacionales, puedes armar dos de estas etapas con referencias espejadas para obtener una salida positiva y otra negativa.
  • Comparalo con un LM7805: arma en paralelo una version con un regulador integrado LM7805 y observa la diferencia de ruido y de caida minima. Es un gran ejercicio para entender cuando conviene discreto y cuando conviene un chip dedicado.

Personalizacion para Chile

En Chile consigues casi todos los componentes en MechatronicStore. Esta es la lista para armar la fuente de 5V con BD139 y TL431:

  • Regulador de voltaje de precision ajustable TL431 (SKU GI2-8) por $490 CLP. Es IC1, la referencia del circuito.
  • Resistencias 1/2 W por unidad (SKU N/D) por $100 CLP cada una. Te sirve para R1 de 470 ohm.
  • Resistencias 1W por unidad, variedad de valores (SKU N/D) por $150 CLP cada una. Usa dos de 2.2 kohm para R2 y R3.
  • Condensador electrolitico por unidad (SKU N/D) por $150 CLP. Es C1 de 10 uF.
  • Condensadores ceramicos distintos valores (SKU N/D) por $100 CLP. Es C2 de 100 nF.
  • Diodos zener 1W 3V a 12V (SKU N/D) por $200 CLP. Te sirve para el circuito de referencia basico con zener.

Sobre el transistor de paso: el BD139 (SKU GU2-7) aparece en el catalogo pero al momento de escribir esto esta sin stock, asi que no lo enlazamos para no frustrarte. Como alternativa funcional, cualquier transistor NPN de potencia media en encapsulado TO-126 o TO-220 con suficiente corriente y ganancia cumple el mismo rol de elemento de paso. Si tu salida disipa varios watts, no olvides el disipador para TO-126.

Recursos

  • Tutorial original (ingles): Quick & Easy Voltage Regulators por T.K. Hareendran en Codrey Electronics.
  • Hoja de datos BD139: busca "BD139 Datasheet" para los limites de corriente, voltaje y ganancia del transistor de paso.
  • Hoja de datos TL431: busca "TL431 Datasheet" para la referencia interna (Vref tipico 2.495V) y la conexion del divisor.

Version chilena con componentes en stock local en MechatronicStore.