¿Cuándo usaría un regulador de voltaje en lugar de un divisor de voltaje con resistencia? ¿Hay algún caso en el que un divisor de resistencia sea particularmente malo?
Estos dos tipos de circuitos tienen aplicaciones muy diferentes.
Un divisor de resistencia se utiliza generalmente para escalar un voltaje para que pueda ser sentido/detectado/analizado más fácilmente.
Por ejemplo, digamos que quieres monitorear un voltaje de batería. El voltaje puede llegar hasta 15V. Estás usando un convertidor analógico-digital ("ADC") de un microcontrolador, que está utilizando 3.3V como referencia. En este caso, puedes elegir dividir el voltaje por 5, lo que te dará hasta 3.0V en la entrada del ADC.
Hay un par de inconvenientes. Uno es que siempre hay corriente fluyendo a través de las resistencias. Esto es importante en circuitos con restricciones de energía (alimentados por batería). El segundo problema es que el divisor no puede suministrar ninguna corriente significativa. Si comienzas a consumir corriente, cambia la proporción del divisor, y las cosas no salen como se planeaba :) Por lo tanto, realmente solo se usa para impulsar conexiones de alta impedancia.
Un regulador de voltaje, por otro lado, está diseñado para proporcionar un voltaje fijo independientemente de su entrada. Esto es lo que querrás usar para proporcionar energía a otros circuitos.
En cuanto a la creación de múltiples rieles de voltaje: Para este ejemplo, supongamos que estás utilizando reguladores de conmutación que tienen una eficiencia del 80%. Digamos que tienes 9V y quieres producir 5V y 3.3V. Si usas los reguladores en paralelo, conectando cada uno a 9V, entonces ambos rieles serán 80% eficientes. Sin embargo, si creas primero 5V y luego usas eso para crear 3.3V, entonces tu eficiencia de 3.3V es (0.8 * 0.8) = solo 64% eficiente. ¡La topología importa!
Los reguladores lineales, por otro lado, se evalúan de manera diferente. Simplemente reducen el voltaje de salida, para cualquier corriente dada. La diferencia de potencia se desperdicia como calor. Si tienes 10V de entrada y 5V de salida, entonces son 50% eficientes.
¡Sin embargo, tienen sus beneficios! Son más pequeños, menos costosos y menos complicados. Son eléctricamente silenciosos y crean un voltaje de salida suave. Y si no hay mucha diferencia entre los voltajes de entrada y salida, entonces la eficiencia puede superar a la de una fuente de alimentación conmutada.
Existen circuitos integrados que ofrecen múltiples reguladores. Linear Tech, Maxim Integrated, Texas Instruments, todos tienen una buena selección. El LTC3553, por ejemplo, proporciona una combinación de un cargador de batería de litio, un regulador reductor de conmutación y un regulador lineal. Tienen variedades con o sin el cargador, algunos con dos conmutadores y sin lineales, algunos con múltiples lineales...
Uno de mis productos actuales utiliza una batería de 3.7V y necesita 3.3V y 2.5V. Para mí fue más eficiente usar un lineal para el 3.3V y un conmutador para el 2.5V (alimentado por la batería, no por el riel de 3.3V). Utilicé el LTC3553.
Querrás dedicar un tiempo a las herramientas de selección de productos en sus respectivos sitios web.
¡Buena suerte!
Creo que vale la pena mencionar que tu discusión sobre eficiencia con múltiples rieles de suministro se aplica solo a reguladores de conmutación y no a reguladores lineales.
@kmort Imagina que estás dividiendo 10V a 5V. Utilizas dos resistencias de 500 ohmios para hacer la división. Así que, ahora, tienes 10(V) / 1000(Ohm) = 10mA fluyendo a través del divisor. Ahora, añade tu carga. Esta carga va en paralelo con la resistencia de abajo, lo que afecta los cálculos del divisor de resistencia y cambia la proporción de voltaje. Si tu carga es fija, entonces puedes calcular los valores ajustados del divisor. Una buena regla general es no consumir más del 10% desde el nodo central del divisor, para no perturbar demasiado la proporción. ¡Pero ahora estás usando 10 veces la corriente requerida solo a través del divisor!
Dado que un divisor de voltaje no regula, no se debería utilizar un divisor de voltaje cuando se desea un voltaje regulado.
Un regulador de voltaje mantendrá, dentro de sus límites, el voltaje de salida en un valor fijo incluso cuando el voltaje de entrada y la corriente de carga varíen.
Un divisor de voltaje no hará esto. Considera la ecuación del divisor de voltaje:
$$v_{OUT} = v_{IN}\frac{R_2}{R_1 + R_2} - i_{OUT}\cdot R_1||R_2$$
que depende manifiestamente de \$v_{IN}\$ e \$i_{OUT}\$, por lo que un divisor de voltaje no es un regulador de voltaje.
Sin embargo, hay muchas aplicaciones para divisores de voltaje, por ejemplo, atenuación, pero la regulación de voltaje no es una de ellas.
Un divisor de voltaje es particularmente malo para proporcionar un voltaje fijo a una carga variable o de baja impedancia. Las cargas variables son bastante comunes e incluyen la mayoría de los circuitos digitales en el planeta.
Las cargas fijas de alta impedancia pueden tener un divisor de voltaje delante de ellas. Este es el caso cuando se utiliza un ADC para medir o un comparador para limitar un voltaje mucho mayor, o en la entrada de sentido de un regulador de voltaje.
Entonces, si tengo una placa en la que necesito alimentar la lógica tanto de 5V como de 3.3V, probablemente sea mejor tener dos reguladores, uno para cada voltaje, en lugar de intentar alimentar el 3.3V con un divisor de voltaje de resistencia.
Idealmente, tendrías un regulador de voltaje que proporcione ambas tensiones, pero tener dos reguladores es mejor que tener cualquier cantidad de divisores de voltaje para hacer la misma tarea.
Los divisores de voltaje no suelen utilizarse para generar voltajes de suministro porque no proporcionan regulación. Muchas cargas alterarán su voltaje de salida de todos modos, por ejemplo, una carga resistiva a tierra está básicamente en paralelo con R2.
Los divisores de voltaje suelen utilizarse para proporcionar un voltaje a una entrada de alta impedancia. En este caso, puedes pensar en la impedancia como siendo básicamente lo mismo que la resistencia. Tener un resistor de 10M en paralelo con R2 no lo afectará mucho, siempre y cuando R2 sea en sí mismo órdenes de magnitud más bajo, como por ejemplo, 10k. Por supuesto, usar resistores de bajo valor para el divisor también aumenta el flujo de corriente a través de él, lo que puede causar problemas en dispositivos alimentados por batería.
Un ejemplo común de un divisor de voltaje en una entrada de alta impedancia es dividir un voltaje alto a un rango que un ADC puede medir. Digamos que tu ADC tiene una referencia de 1V y quieres medir una batería de 3.6V con él. Podrías usar un divisor de 4:1 para reducir eso para que sea inferior a 1V y medible por el ADC.
Otro ejemplo común es proporcionar un voltaje de referencia secundario. Digamos que tienes un suministro de 3.6V y necesitas una referencia de 1.8V (la mitad del voltaje del suministro, por ejemplo, para sesgar una señal de CA con un offset de CC). En lugar de molestarte con un costoso IC de referencia de voltaje, podrías simplemente usar un divisor de voltaje para reducir a la mitad el voltaje del suministro y enviarlo a un buffer de amplificador operacional. El amplificador operacional tiene una entrada de alta impedancia, y la salida se puede utilizar para sesgar.
Un regulador puede proporcionar una cierta cantidad de corriente a una carga, con el voltaje controlado lo mejor posible, por lo que es adecuado para voltajes de suministro y cosas por el estilo.
Gran explicación. Encontré este artículo que explica los conceptos básicos sobre reguladores de voltaje, aquí derf.com/an-overview-on-voltage-regulators. Lo que no entiendo es la diferencia entre los reguladores Step Up y Step Down. Pensé que tal vez lo sepas, ya que claramente tienes experiencia con ellos y eres conocedor del tema.
@JacobGoona Esos términos tienen que ver con los voltajes de entrada y salida relativos de los reguladores de conmutación. Los reguladores reductores (también llamados reguladores "buck") significan que el voltaje de salida es menor que el voltaje de entrada. ¡Los reguladores elevadores (también llamados reguladores "boost") significan lo contrario! También hay reguladores "buck-boost" que pueden proporcionar un voltaje de salida fijo independientemente del voltaje de entrada (dentro de las especificaciones, por supuesto). Mientras exploras las opciones, ten en cuenta que "regulador" y "convertidor" a menudo se usan indistintamente.
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La salida del divisor no es "rígida", ya que varía en la salida según Refective x Iout, que cambia a medida que cambia la corriente. También disipa una cantidad significativa de energía en la mayoría de los casos. Una alternativa es un resistor más zener, que es un regulador de cierto tipo, pero con problemas de disipación similares.