Regulador de alta corriente

MC7805

El 7805 (aquí en su versión MC7805) es un regulador de tensión lineal de tres terminales de la familia 78xx. Entrega una salida fija de 5 V, pero su corriente máxima está limitada a 1 A, y solo con una disipación de calor adecuada.

Cuando la carga pide más de lo que el regulador puede dar, no hace falta cambiar de familia: basta con reforzarlo con un transistor PNP de paso. En este montaje, un MJ2955 (PNP de 15 A y 115 W, complementario del clásico 2N3055) se encarga del grueso de la corriente mientras el 7805 sigue haciendo lo que mejor sabe: mantener la salida en 5 V. El conjunto entrega del orden de 5 A conservando la regulación del integrado.

Cómo funciona el circuito

La idea es sencilla: el regulador sigue mandando, pero deja de transportar toda la corriente.

Toda la corriente del montaje entra por Rs y llega a un nodo común del que cuelgan dos caminos: el emisor de Q1 y la resistencia Re, que alimenta el pin IN del regulador. Es decir, Re está intercalada entre el emisor y la base de Q1 (la base se conecta al mismo nodo que IN), de modo que la caída de tensión en Re es exactamente la tensión base-emisor del transistor.

Con cargas pequeñas, la corriente que consume el regulador es baja, la caída en Re no llega a la $V_{BE}$ del PNP (unos 0,6-0,7 V) y Q1 permanece cortado: el circuito se comporta como un 7805 normal. A medida que la carga crece, la corriente por Re aumenta, la caída sube y, al alcanzar la $V_{BE}$, Q1 empieza a conducir y va aportando por su colector la corriente que le falta a la salida. A partir de ese punto la tensión en Re queda fijada en $V_{BE}$: la corriente del regulador se queda “anclada” cerca de ese valor y todo el exceso que pida la carga lo entrega el transistor, no el integrado.

El regulador, mientras tanto, sigue midiendo la salida y ajustando: si la tensión cae, consume algo más de corriente de base a través de Re, Q1 conduce más y la salida vuelve a 5 V. El 7805 pasa de ser el elemento de paso a ser el driver de un transistor mucho más grande.

El resto de componentes acompaña:

• C1 ($\geq 10\ \mu\text{F}$) es el depósito de la entrada sin regular: aguanta los picos de corriente que ahora pueden llegar a varios amperios.
• C3 ($1{,}0\ \mu\text{F}$) desacopla el pin IN del regulador, tal como pide su datasheet cuando el integrado queda lejos del filtro de entrada.
• C4 ($1{,}0\ \mu\text{F}$) mejora la respuesta transitoria en la salida.
• C2 ($0{,}33\ \mu\text{F}$) puentea la salida con el nodo IN, es decir, la unión base-colector de Q1: amortigua el lazo formado por el regulador y el transistor y ayuda a evitar oscilaciones.

Un aviso importante: este circuito no es a prueba de cortocircuitos. Las protecciones internas del 7805 (limitación de corriente, corte térmico) solo cuidan del propio integrado; Q1 queda fuera de ese lazo y, ante un cortocircuito en la salida, nada limita la corriente que entrega.

Diseño de aplicación

1. Umbral de conducción de Q1. Es lo único que fija Re. La corriente que circula por ella queda anclada en:

$$I_{Re} = \frac{V_{BE}}{R_{e}}$$

Con $V_{BE} \approx 0{,}7\ \text{V}$ y $R_{e} = 0{,}7\ \Omega$ resulta $I_{Re} \approx 1\ \text{A}$: el 7805 trabaja solo hasta cerca de su límite y a partir de ahí entra Q1.

2. Reparto de corriente. Esa corriente de Re se divide entre lo que consume el regulador y la base del transistor, y el colector multiplica esta última por la ganancia:

$$I_{Re} = I_{reg} + I_{B} \qquad\qquad I_{out} \approx I_{reg} + \beta \cdot I_{B}$$

El MJ2955 tiene $h_{FE} = 20$ a $70$ para $I_{C} = 4\ \text{A}$; conviene diseñar con el peor caso, $\beta = 20$. Para una salida de $5\ \text{A}$ con $I_{Re} = 1\ \text{A}$:

$$I_{B} = \frac{I_{out} - I_{Re}}{\beta - 1} = \frac{5 - 1}{19} \approx 0{,}21\ \text{A}$$

Es decir, $I_{C} \approx 4{,}2\ \text{A}$ los pone el transistor y solo $I_{reg} \approx 0{,}79\ \text{A}$ pasan por el 7805, dentro de su límite de 1 A. Si se rebaja Re, entra antes el transistor pero el integrado queda más descargado; si se sube, el 7805 asume más trabajo.

3. Potencia en Re. Una vez Q1 conduce, Re soporta permanentemente $V_{BE}$:

$$P_{Re} = \frac{V_{BE}^{2}}{R_{e}} = \frac{0{,}7^{2}}{0{,}7} = 0{,}7\ \text{W}$$

Conviene elegirla de al menos $2\ \text{W}$.

4. Disipación de Q1. Es el punto crítico del montaje: el transistor traga la diferencia entrada-salida a plena corriente.

$$P_{Q1} \approx (V_{in} - V_{out}) \cdot I_{C}$$

Con $V_{in} = 10\ \text{V}$ e $I_{C} = 4{,}2\ \text{A}$ son unos $21\ \text{W}$: radiador obligatorio. Los 115 W del MJ2955 son su máximo con la cápsula a 25 °C, una cifra que en la práctica no se alcanza nunca.

5. Tensión de entrada mínima. El transistor de paso añade su $V_{BE}$ al diferencial mínimo que ya exige el regulador:

$$V_{in(min)} = V_{out} + V_{dropout} + V_{BE} + I_{total} \cdot R_{s}$$

Con un dropout típico de unos 2 V salen $5 + 2 + 0{,}7 \approx 7{,}7\ \text{V}$ más lo que caiga en Rs.

6. Rs. Está en serie con la entrada y conduce la corriente total (la del regulador más la del transistor), así que su valor debe mantenerse en el rango de las decenas de miliohmios: cada $0{,}1\ \Omega$ significa $0{,}5\ \text{V}$ de caída y $2{,}5\ \text{W}$ disipados a 5 A. Su caída es proporcional a la corriente total, por lo que es también el punto natural donde añadir un sensado si se quiere dotar al circuito de la protección contra cortocircuito que no tiene.

Otras aplicaciones

Además del refuerzo de corriente que se explica aquí, el 7805 aparece en montajes muy variados: alimentación fija de 5 V, regulación local sobre placa, fuentes de corriente o reguladores ajustables. Algunas de las más habituales:

• Alimentación de 5 V para lógica y microcontroladores. Su uso clásico: entregar una tensión estable de 5 V a circuitos digitales a partir de una fuente mayor sin regular.
• Regulación local sobre placa. Un regulador junto a cada tarjeta o bloque del sistema, en lugar de una única fuente central, para reducir ruido y caídas por el cableado.
• Fuente de corriente constante. Con una sola resistencia entre OUT y GND, el regulador fija la corriente en lugar de la tensión.
• Regulador de salida ajustable. Elevando su pin común con un divisor o un diodo, la salida sube por encima de los 5 V nominales.
• Fuente de alimentación básica para prototipos. Con un transformador y un puente rectificador, ofrece una salida de 5 V lista para la mesa de trabajo.