Más allá de la hoja de datos: Pruebas en el mundo real de reguladores de voltaje

Últimamente, he estado trabajando arduamente para probar varios componentes electrónicos. Probablemente te estés preguntando por qué simplemente no leo las hojas de datos y ahorro tiempo y dinero. La respuesta es que las hojas de datos, más a menudo de lo que deberían, no contienen todos los detalles que podrías necesitar para seleccionar sabiamente para tu caso de uso específico. Alternativamente, la hoja de datos podría presentar un componente de manera más favorable que su rendimiento en el mundo real. Quiero saber cómo se desempeñan las opciones de componentes que elijo en pruebas del mundo real para los proyectos que hago y construyo.

En una publicación anterior, destacué los 10 principales módulos reguladores de conmutación que pasaron por mi proceso de prueba. Esta vez, te contaré cómo se desempeñaron los reguladores de voltaje lineales que probé.  

Reguladores Lineales vs. Reguladores de Conmutación

Cómo Funcionan los Reguladores Lineales

Los reguladores lineales de voltaje proporcionan una conversión de reducción de un voltaje a otro. Profundamente bajo su capa de epoxi, encontrarás una entrada de comparador no inversora referenciada a un voltaje de banda prohibida específico, una entrada de comparador inversora que monitorea el voltaje de salida y un transistor conectado a la salida del comparador. A medida que el voltaje de entrada varía ligeramente, el circuito comparador de alta ganancia ajusta el voltaje de polarización del transistor, afectando inmediatamente el voltaje y la corriente de salida. En resumen, los reguladores lineales de voltaje son excepcionalmente buenos para producir un voltaje de salida constante independientemente del voltaje de entrada. Esta rápida respuesta les otorga una Razón de Rechazo de la Fuente de Alimentación (PSRR) muy alta, lo que los hace perfectos para su uso con circuitos sensibles de aguas abajo (sensores, ADC, etc.).

Pero los reguladores lineales no son perfectos, y no son dispositivos matizados. Cualquier diferencia entre el voltaje de entrada y salida se disipa dentro del regulador como calor. Por ejemplo, una salida de 5V @ 1A desde una entrada de 12V producirá (12 V - 5 V)*(1 A) = 7 W de calor. 7 Vatios de energía térmica por 5 Vatios de energía eléctrica no es un buen intercambio.

Cómo Funcionan los Reguladores Conmutados

Los reguladores conmutados, o fuentes de alimentación con modo conmutado (SMPS por sus siglas en inglés), utilizan conmutación de alta frecuencia combinada con componentes de almacenamiento de energía como capacitores e inductores para reducir o incluso aumentar el voltaje de entrada. Su característica clave es la eficiencia, donde los reguladores lineales pierden eficiencia a medida que aumenta el rango de voltaje de entrada a salida; los reguladores conmutados pueden mantener una alta eficiencia sobre una amplia gama de voltajes y cargas.

Los reguladores conmutados funcionan al encender y apagar rápidamente el voltaje de entrada al circuito; controlando el ciclo de trabajo (o la relación de tiempo de encendido frente a apagado), se puede ajustar el voltaje de salida. Mientras el interruptor del regulador está encendido, la energía se almacena como un campo magnético en un inductor y luego se libera al salida como un voltaje regulado. Los capacitores suavizan este voltaje que sube y baja rápidamente, proporcionando una salida relativamente suave. Este proceso aumenta significativamente la eficiencia en comparación con un regulador lineal, ya que la energía excesiva no se introduce en el circuito y no necesita convertirse en calor.

Lamentablemente, también hay algunas desventajas en este enfoque. Dado que los reguladores conmutados operan ciclo por ciclo, no pueden reaccionar a cambios en la carga o en el voltaje de entrada tan rápidamente como lo hace un regulador lineal. A menudo experimentan caídas o picos de voltaje momentáneos a medida que cambia la carga. Debido a que el voltaje de entrada está conectado al de salida a través de un inductor durante el tiempo de "encendido" del interruptor, el ruido en la fuente de alimentación de entrada puede llegar al de salida mucho más fácilmente que en un regulador lineal. Además, la acción de conmutación del regulador introduce su propio ruido; a medida que el inductor almacena y libera energía, ocurre una fluctuación de voltaje en la frecuencia de conmutación.

Como nota, existen múltiples topologías de reguladores conmutados, por lo que esto es una visión muy genérica y amplia de su funcionamiento.

Combinando Reguladores de Voltaje Conmutados y Lineales

Cuando tienes una gran diferencia de voltaje entre la entrada y la salida y necesitas una fuente libre de ruido, puedes usar un SMPS en serie con un regulador lineal. El SMPS reduce el voltaje de entrada a un nivel más adecuado para el regulador lineal, el cual proporciona una línea de suministro de bajo ruido. Por ejemplo, supongamos que tienes un sensor de 3.3 V alimentado por una batería de 12 V. En ese caso, podrías usar un regulador conmutado para bajar de 12 V a 4.5 V y luego un regulador lineal para pasar de 4.5 V a 3.3 V. Puedes ver un ejemplo de esto en un circuito real revisando mi artículo y video donde construí una fuente de alimentación de doble riel a partir de una batería de 9V.

Caída de Voltaje de Bajo Voltaje (LDO)

La física impone restricciones: hay un punto en el que los conmutadores y los reguladores de voltaje lineales ya no pueden funcionar correctamente. Ese punto suele depender de alguna manera de los requisitos de corriente del circuito descendente. Supongas que planeas tener un regulador lineal LDO proporcionando un voltaje estable a un dispositivo, como un microcontrolador, desde una fuente ascendente con un voltaje decreciente, como una batería. En ese caso, querrás determinar en qué punto tu circuito deja de funcionar, encontrar una manera de detectar ese voltaje y apagar el circuito antes de que la operación se vuelva poco fiable.

Rendimiento en el Mundo Real

78L09

Probé cinco reguladores de tipo 78L09 de 100 mA de Onsemi, STMicroelectronics y Texas Instruments. Esperaba que las piezas fueran reemplazos directos entre sí, ya que todos tienen números de parte idénticos (ver los resultados aquí). ¡Y es bueno que lo hiciera, ya que ciertamente no todos tienen el mismo rendimiento!

Voltaje de Caída

El voltaje de caída es el voltaje de entrada más bajo que permite que los módulos reguladores de voltaje funcionen según lo especificado. Eso significa que para una salida regulada de 9V, el On Semi MC78L09ABPRAG requiere un voltaje de entrada mínimo que es 9 V + 1.63 V = 10.63 V. Hay 170 mV de diferencia entre el voltaje de caída de las mejores y peores partes, el Texas Instruments UA78L09ACLPRE3 requiere 10.8 V para funcionar correctamente. Eso significa que necesito diseñar mis soluciones para la peor opción posible de componente, o diseñar para el mejor y no aceptar sustituciones. Pero de cualquier manera, estoy dejando algo de lado. Si diseño para la peor parte posible, estaré disipando energía extra como calor, disminuyendo mi presupuesto de energía y acortando innecesariamente la vida útil de la batería. Si diseño para la mejor parte posible, podría atarme a un gasto adicional, o peor aún, a una escasez de componentes.  

Si trabajara para una empresa donde el gerente de compras dijera "¿Está bien sustituir el 78L09 de Texas Instruments por el 78L09 de OnSemi? Nos ahorraría unos 200 dólares en total en la producción." La respuesta debería ser un simple "Sí", pero sin probar la pieza alternativa podrías descubrir que tu circuito no funciona como esperabas dependiendo de cuán ajustadamente diseñaste en torno a la tensión de caída, la salida térmica o el rendimiento frente al ruido.

Eficiencia

Comprobando la eficiencia en varios puntos de tensión de entrada, podrías ver una diferencia del 10 al 15 por ciento bajo cargas muy ligeras. Puede que no parezca mucho, pero si estás operando desde una batería o tienes una carcasa que no puede disipar fácilmente la energía térmica al ambiente, ese ligero cambio podría afectar negativamente la vida útil y el ciclo de trabajo de tu diseño.

Afortunadamente, cuando alcanzamos las calificaciones de corriente máxima de estos reguladores, todos están dentro de un par de porcentos entre sí. Perdemos el componente de Texas Instruments en su voltaje máximo calificado de 24 V. En comparación, los otros cuatro reguladores pueden operar hasta 30 voltios de entrada.

Con un ingreso de 11.9V y una carga de 8 miliamperios, medí entre 6 y 18 milivoltios de ruido en todos los componentes. Para cuando llegamos a una carga de 30 miliamperios, cada uno de los reguladores está dentro de un milivoltio de ruido RMS uno del otro. Supongamos que estás alimentando un dispositivo sensible y de bajo consumo como un amplificador de alta ganancia con estos reguladores. En ese caso, la diferencia de ruido entre los reguladores podría no ser ideal si cambias a una pieza alternativa sin probarla primero.

Aunque no recomendaría operar un regulador lineal al máximo voltaje de entrada que puede manejar, el ruido a 30 voltios de entrada puede variar sustancialmente entre los diferentes fabricantes.

Entonces, ¿qué regulador deberías elegir? Escribí una consulta SQL muy extensa para agregar todos los datos de prueba, resaltar cifras notables y clasificar los reguladores que probé. Las clasificaciones favorecen un bajo voltaje de caída promedio, alta eficiencia y bajo ruido.

En las posiciones uno y dos, tenemos el Microchip MCP1700 y MCP1702. Los probé en sus variantes de 3.3 y 5 voltios, respectivamente. Estos reguladores tienen algunos de los menores caídas de voltaje de todos los reguladores que probé, lo que los llevó a clasificar muy bien. Su rendimiento en cuanto a ruido también es excelente, pero, al igual que con los reguladores conmutados que vimos la última vez, necesitan una carga mínima para operar de manera estable; solo que es mucho menor que sus contrapartes conmutadas. 

Los datos de ruido se recopilaron con mi osciloscopio de la serie Rigol MSO5000, que tiene un piso de ruido relativamente alto. En el futuro, planeo volver a probar todos los reguladores con mi Rohde and Schwarz MXO44 o Keysight MXR, que tienen pisos de ruido mucho más bajos. 

La eficiencia es el otro parámetro clave para la clasificación, y la serie Microchip MCP1700 tiene un muy buen rendimiento... para reguladores lineales. Las gráficas de eficiencia muestran claramente la relación lineal entre el voltaje de entrada y la eficiencia.

A continuación en el ranking, tenemos el STMicroelectronics LF50CV, un regulador de cinco voltios y medio amperio. El gráfico podría hacer parecer que el voltaje de caída es más alto que el del regulador de cinco voltios MCP1702. Sin embargo, este regulador puede proporcionar el doble de corriente - al máximo de 250mA del MCP1702, el LF50CV es un poco mejor en rendimiento de caída. En términos de eficiencia, es prácticamente lo mismo que el MCP1702, lo cual esperamos. 

Los datos de ruido son bastante similares a los datos de caída. Solo mirar el gráfico hace parecer que el LF50CV es mucho más ruidoso, pero es más bien un caso de la tendencia a duplicar la carga. Por ejemplo, con un suministro de 8 voltios y una carga de 250mA, el MCP1702 tiene 3.79mV de ruido RMS, mientras que el LF50CV tiene 3.46mV a 270mA de carga.

Pasando al regulador de Texas Instruments LM3940IT de un amperio y 3.3 voltios, la caída de voltaje es ligeramente mejor que la del MCP1700. Las cosas se vuelven bastante interesantes al mirar el gráfico de eficiencia. La eficiencia bajo cargas ligeras de este regulador disminuye bruscamente, siendo el primero de los reguladores que hemos analizado en mostrar esta pronunciada caída. En general, es un poco menos eficiente que el MCP1700 una vez que la eficiencia alcanza un punto lineal.

El ruido del LM3940IT también es interesante, aunque sospecho que sé por qué. En general, el rendimiento de ruido es excepcional y muy estable bajo cargas extremadamente ligeras. Espero que los grandes picos en el gráfico sean errores de medición - específicamente, el regulador iniciando un apagado térmico. Tengo cada uno de estos reguladores conectados a un disipador de calor enorme con pasta térmica de alto rendimiento y ventiladores a ambos lados... pero aún así no es suficiente para disipar el calor fuera del paquete para algunos componentes. El ruido promedio del LM3940IT en todos los voltajes y cargas es el mejor de todos los reguladores probados, incluso con estos picos de ruido extraños.

En quinto lugar, pero lejos de estar al final de la clasificación, se encuentra otra pieza de Texas Instruments, el TL780-12KCS. Este es un regulador de salida de 12 voltios y 1.5 amperios. Dado el alto corriente y voltaje de salida, espero una caída de voltaje significativamente considerable en comparación con las partes que ya hemos visto. Los datos no decepcionan: con una carga de 1.5 amperios, querrás darle a este regulador al menos 15 voltios para dar un pequeño margen para la variación entre piezas. Con esa carga, ¡necesitarás manejar 4.5 vatios de calor residual! No es sorprendente que el regulador entrara en apagado térmico al suministrar una carga de 1.5 amperios desde una entrada de 30 voltios. Sin embargo, no fue el primero en llegar al apagado térmico durante las pruebas.

La eficiencia es lo que esperarías, además de la caída pronunciada en las cargas más ligeras, justo como vimos en la última pieza de TI. Este es un regulador muy barato, así que puedo ver por qué podrías querer elegirlo en lugar de un regulador conmutado - pero si el ruido de salida no es un problema, entonces probablemente costará más tener gestión térmica que elegir un regulador lineal de estilo de reemplazo conmutado.

Entonces, veamos el ruido porque si estás mirando un regulador como este, ¡no es por su eficiencia! Hay una ligera inestabilidad bajo las cargas más ligeras, pero eso rápidamente desaparece. Su rendimiento de ruido es relativamente consistente a través de todo su rango de carga.

Para concluir nuestra exploración de los reguladores lineales, volvamos a la pregunta central: ¿cuándo deberías usar un regulador lineal en lugar de uno conmutado? Como hemos visto, la respuesta depende de un equilibrio entre eficiencia, ruido y gestión térmica. Los reguladores lineales son la opción predilecta para aplicaciones donde el bajo ruido es crucial, particularmente en circuitos analógicos sensibles. Sin embargo, no se pueden ignorar sus desventajas en eficiencia, especialmente bajo cargas altas y diferencias significativas de voltaje de entrada a salida.

El viaje a través de estos 35 reguladores lineales ha revelado un fascinante paisaje de variaciones de rendimiento. Incluso dentro de la misma familia de componentes, observamos diferencias que podrían impactar significativamente el rendimiento y las consideraciones de diseño de tu proyecto. Esto subraya la importancia de las pruebas en el mundo real y no depender únicamente de las especificaciones de las hojas de datos.

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