¿Alguna vez necesitaste un voltaje exacto que ningún 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? Ahí es donde entender los reguladores de voltaje lineales deja de ser teoría y se vuelve una herramienta real de banco. En este tutorial vas a aprender cómo trabaja por dentro un regulador lineal, por qué 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 polarización y decidir si tu montaje necesita disipador.

Este contenido está basado en el artículo de T.K. Hareendran publicado en Codrey Electronics. Acá lo reorganizamos por bloques, le sumamos cálculos de disipación explicados, comparaciones con fuentes conmutadas y la lista de componentes con stock local.

Concepto: qué es un regulador lineal

Las fuentes lineales son los conversores DC a DC más simples que existen. Aunque parezcan básicas frente a una fuente conmutada moderna, se siguen usando muchísimo, 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 más habitual porque es más eficiente que el shunt y entrega más 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 caída es grande, pero también lo hace silencioso y limpio, sin el ruido de conmutación de una fuente switching.

El regulador serie básico con zener

Antes de la fuente real, conviene entender el circuito mínimo. El siguiente es un regulador serie discreto con transistor bipolar. Parece simplísimo, pero no te dejes engañar: detrás hay varios factores críticos como el diseño térmico, la regulación de salida y la estabilidad general, y cualquiera de ellos puede hacer que el circuito se comporte mal.

Esquema del regulador serie básico 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 él. El diodo zener fija la referencia y la resistencia R lo polariza. Dos reglas prácticas de dimensionamiento:

  • El voltaje mínimo 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 unión base emisor del transistor.

La resistencia de polarización R se calcula con la fórmula clásica de libro de texto, donde Iout es la corriente máxima de salida y hFE es la ganancia de corriente (beta) del transistor de paso:

Fórmula para calcular la resistencia de polarización en función del voltaje de entrada mínimo, la ganancia del transistor y la corriente de salida máxima

En texto plano, la relación es:

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

Por qué importa la disipación

Como toda la corriente de la carga atraviesa el transistor, hay que dimensionarlo para soportar la "pérdida por headroom" (el margen de tensión que sobra) más 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 caída real entre entrada y salida durante el funcionamiento. Entonces, la pérdida por headroom en el peor caso es:

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

Este número 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, así 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 más manejable. La lección: 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 número de componentes no deja espacio para compensación de temperatura ni protección de sobrecorriente, pero para la mayoría de los casos cumple. Ten en cuenta que una fuente regulada ideal tendría 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 características 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 útiles como limitación de corriente y protección 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 estándar o una especificación rara. Por eso vale la pena tener a mano un circuito práctico 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 precisión 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 cuánto 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 fórmula da Vout = (1 + 1) × 2.495 = 4.99V, es decir, los 5V buscados. Si quieres otra salida, juega con la razón R2/R3: por ejemplo, para 9V de salida necesitarías que (1 + R2/R3) sea aproximadamente 3.6. Importante: la entrada siempre debe ser mayor que la salida más la caída base emisor del BD139, así que con 9V de entrada tienes margen de sobra para 5V.

Los condensadores cumplen roles distintos: C1 (10 uF electrolítico) filtra y estabiliza la entrada, mientras que C2 (100 nF cerámico) 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 fórmula de Vout. También confirma que la entrada sea mayor que la salida deseada más la caída del transistor.
  • El BD139 se calienta mucho: estás entrando con un voltaje muy alto o sacando más corriente de la que el montaje aguanta sin disipador. Baja la entrada o agrega disipador (ver más abajo).
  • La salida tiene rizado o ruido: verifica que C1 y C2 estén bien conectados y con la polaridad correcta en el caso del electrolítico. El cerámico C2 debe quedar lo más 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 metálico. Si tu fuente disipa más de un par de watts (recuerda el cálculo 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 rápida: si al tocar el transistor (con cuidado) no puedes mantener el dedo, está demasiado caliente y necesita disipación. 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 artículo original no cubre y que puedes probar:

  • Salida ajustable con potenciómetro: reemplaza R2 (o parte de R3) por un potenciómetro multivuelta. Así conviertes la fuente fija en una fuente de banco variable, ideal para probar circuitos a distintos voltajes con un solo montaje.
  • Protección contra sobrecorriente: agrega un transistor pequeño (por ejemplo un BC547) que sense la caída en una resistencia shunt en serie con la salida y "robe" base al BD139 cuando la corriente excede un límite. 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.
  • Compáralo con un LM7805: arma en paralelo una versión con un regulador integrado LM7805 y observa la diferencia de ruido y de caída mínima. Es un gran ejercicio para entender cuándo conviene discreto y cuándo conviene un chip dedicado.

Personalización 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 precisión ajustable TL431 (SKU GI2-8) por $490. Es IC1, la referencia del circuito.
  • Resistencias 1/2 W por unidad (SKU N/D). Te sirve para R1 de 470 ohm.
  • Resistencias 1W por unidad, variedad de valores (SKU N/D). Usa dos de 2.2 kohm para R2 y R3.
  • Condensador electrolítico por unidad (SKU N/D). Es C1 de 10 uF.
  • Condensadores cerámicos distintos valores (SKU N/D). Es C2 de 100 nF.
  • Diodos zener 1W 3V a 12V (SKU N/D). Te sirve para el circuito de referencia básico con zener.

Sobre el transistor de paso: el BD139 (SKU GU2-7) aparece en el catálogo pero al momento de escribir esto está sin stock, así 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 (inglés): Quick & Easy Voltage Regulators por T.K. Hareendran en Codrey Electronics.
  • Hoja de datos BD139: busca "BD139 Datasheet" para los límites de corriente, voltaje y ganancia del transistor de paso.
  • Hoja de datos TL431: busca "TL431 Datasheet" para la referencia interna (Vref típico 2.495V) y la conexión del divisor.

Versión chilena con componentes en stock local en MechatronicStore.