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Calculadora de Caída de Tensión en Regulador Lineal

Calcula la tensión de caída mínima, disipación de potencia y temperatura de reguladores lineales.

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Fórmula

PD=(Vin−Vout)×Iload,η=Vout/Vin×100P_D = (V_in − V_out) × I_load, η = V_out / V_in × 100%
V_in— Tensión de entrada (V)
V_out— Tensión de salida (V)
I_load— Corriente de carga (A)
V_DO— Tensión de caída (V)
θ_JA— Resistencia térmica (°C/W)

Cómo Funciona

La calculadora de caídas de los reguladores lineales determina el voltaje mínimo de entrada, la disipación de energía y la eficiencia de los circuitos de regulación de voltaje, algo esencial para el filtrado del regulador posterior a la conmutación, las referencias de voltaje precisas y la instrumentación sensible al ruido. Los diseñadores de fuentes de alimentación, los ingenieros analógicos y los desarrolladores de sistemas integrados utilizan esta herramienta para garantizar un margen de ampliación adecuado y, al mismo tiempo, minimizar las pérdidas térmicas. Según «El arte de la electrónica» (tercera edición) de Horowitz & Hill, los reguladores lineales disipan el exceso de voltaje en forma de calor: Pdiss = (Vin - Vout) × Iload, lo que logra una eficiencia máxima de η = Vout/Vin. En la serie LM7805 clásica (salida fija de 5 V), la tensión de caída es de 2 a 2,5 V según la hoja de datos de ON Semiconductor, por lo que se requiere un Vin ≥ 7 V para garantizar la regulación. Los reguladores LDO (baja caída) modernos reducen esta tensión a entre 50 y 300 mV mediante transistores de paso PMOS con un Rds (encendido) inferior a 0,5 Ω. Según la nota de aplicación SLVA079 de TI, la tensión de caída aumenta aproximadamente de forma lineal con la corriente de carga: Vdropout ≈ Rds (on) × Iload. La precisión de referencia interna (normalmente del ± 1 al 2%) y la regulación línea/carga (variación de 5 a 50 mV) determinan la estabilidad de la tensión de salida en condiciones variables.

Ejemplo Resuelto

Diseñe una etapa posterior al regulador utilizando una regulación lineal después de un convertidor reductor. Requisitos: convierta la salida reductora de 5 V en 3,3 V como referencia del ADC, carga de 50 mA, ruido de salida de <50 µV. Paso 1: Seleccione el tipo de regulador: el LM317 (caída de 1,5 V) tiene un margen insuficiente con transitorios de entrada de 5 V. Utilice LDO: TI TPS7A4901 (caída de 250 mV, ruido RMS de 15 µV). Paso 2: Verifique el margen de maniobra: a 50 mA: Vdropout = 90 mV típico, 250 mV máx. VIN_min = 3,3 + 0,25 = 3,55 V (la entrada de 5 V proporciona un margen de 1,45 V). Paso 3: Calcular la potencia: Pdiss = (5 - 3,3) × 0,05 = 85 mW. Paquete SOT-23-5 (θJa = 180 °C/W): ΔtJ = 15 °C; no se requiere disipador térmico. Paso 4: Verificar el ruido — TPS7A4901:15 µV RMS (10 Hz - 100 kHz) con el desacoplamiento adecuado. Utilice cerámica de 10 µF + 0,1 µF en la entrada/salida. Paso 5: Compruebe que el PSRR: 70 dB a 1 kHz atenúa la ondulación de 30 mV del convertidor reductor a 9 µV en la salida.

Consejos Prácticos

  • ✓Según el AN-1072 de Analog Devices, conecte en cascada dos LDO para lograr un rendimiento con un nivel de ruido ultrabajo: la primera etapa proporciona 20 dB de PSRR, la segunda etapa agrega 60 dB, lo que logra un rechazo total del ruido de conmutación de más de 80 dB
  • ✓Utilice LDO ajustables (TPS7A49, LT3045) con resistencias de precisión del 0,1% para una precisión del voltaje de salida superior al ± 1%; los LDO de voltaje fijo suelen especificar una tolerancia de ± 2-3%
  • ✓Agregue un condensador de arranque suave en el pin de ajuste para limitar la corriente de entrada: 100 nF proporcionan una rampa de arranque de 1 a 10 ms, lo que protege contra la caída de voltaje de entrada con una impedancia de fuente limitada

Errores Comunes

  • ✗Confunde los reguladores estándar con los LDO: el LM7805 requiere un margen de maniobra mínimo de 2 V (Vin ≥ 7 V), mientras que los LDO modernos (ADP3338) funcionan con una caída de solo 190 mV a 1 A
  • ✗Ignorando el efecto de resistencia interna: caída = Rds (encendido) × carga; un LDO de 0.3 Ω muestra una caída de 150 mV a 500 mA pero 450 mV a 1.5 A, lo que podría superar las especificaciones
  • ✗Con un desacoplamiento de entrada insuficiente: según el TI SLVA115, los LDO requieren un condensador de entrada de 1 a 10 µF a menos de 10 mm de los pines para evitar la oscilación; un ESR <1 Ω para cerámica o de 0,5 a 5 Ω para tántalo

Preguntas Frecuentes

La tensión de caída es el diferencial mínimo entre Vin y Vout para mantener la regulación dentro de la tolerancia de salida especificada. Según la nota de aplicación de ON Semiconductor, representa la tensión que atraviesa el transistor de paso cuando está saturado (PMOS: Rds (on) × Iload, NPN: Vce (sat)). Por debajo de la caída, la tensión de salida cae proporcionalmente con la entrada y el PSRR se degrada a 0 dB.
La baja caída permite: (1) una mayor duración de la batería: una caída de 200 mV más baja extrae entre un 5 y un 10% de capacidad adicional de la batería de las celdas de iones de litio, (2) reduce la disipación de energía (a 1 A, 200 mV menos de caída ahorra 200 mW de calor), (3) la regulación en cascada: permite etapas posteriores a la regulación sin un presupuesto de voltaje excesivo. Según TI, los Ultra-LDO modernos logran una caída de 50 mV a 1 A.
Vin_min = Vout + Vdropout + Vmargin (normalmente de 100 a 200 mV). Utilice la especificación de caída máxima con la corriente y la temperatura de funcionamiento. Ejemplo: salida de 3,3 V, caída máxima de 200 mV, margen de 150 mV → VIN_min = 3,65 V. Para aplicaciones con baterías, calcule el voltaje de la batería al final de la descarga y verifique que VIN_min sea alcanzable.
Pdiss = (Vin - Vout) × Iload + Vout × Iq, donde Iq es la corriente de reposo (normalmente de 1 µA a 5 mA). Con una corriente de carga alta, predomina el término Iload. Ejemplo: de 12 V a 5 V a 500 mA: Pdiss = 7 V × 0,5 A = 3,5 W; requiere una disipación térmica significativa (θmA < 15 °C/W para un funcionamiento seguro a una temperatura ambiente de 85 °C).
Según la guía de selección de topología de alimentación de TI: utilice un regulador lineal cuando (1) la eficiencia sea superior al 80% (Vout/Vin > 0,8), (2) sea crítico con poco ruido (<100 µV), (3) la prioridad de simplicidad/costo, (4) el espacio de la PCB sea limitado (<0,5 cm²). Según la guía de selección de topología de potencia de TI: utilice un regulador lineal cuando (1) eficiencia > 80% sea aceptable (Vout/Vin > 0,8), (2) bajo nivel de ruido crítico (<100 µV), (3) prioridad de simplicidad/costo, (4) espacio limitado en la PCB (> Vout (>2 ×), (3) potencia >2 W. Enfoque híbrido: el regulador de conmutación y el posregulador LDO logran tanto eficiencia como bajo nivel de ruido.

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