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Diseño óptimo de un regulador de tensión en paralelo
Federico Miyara
1. Regulador simple con un diodo de ruptura
El caso más simple es el regulador con un diodo zener, indicado en la figura 1. Si
bien el circuito parece muy sencillo, su diseño requiere cierto cuidado para lograr las
mejores condiciones de operación para el zener y el mejor rendimiento.
Rs

is

iL

+

+

iz

vGRL vL

Vz
−

−

Figura 1. Un regulador paralelo basado en un diodo zener

La corriente is entregada por el generador está dada por
is

=

vG − v L
Rs

= iZ + i L .

(1)

Suponiendo por el momento que vG es constante, vemos que las corrientes por el zener y
por la carga responden a un principio de bascularidad, es decir que la corriente entregada por la fuente bascula entreel zener y la carga según sea lo requerido por esta última.
Normalmente iL es una variable aleatoria que depende de la carga y de sus condiciones
de operación. Por ejemplo, si la carga fuera un amplificador de audio, la corriente variaría alrededor de un punto de trabajo conforme va variando la señal. Nos interesa ver
cómo varía la corriente por el zener:
iZ

=

vG − v L
− iL .
Rs

(2)Si suponemos que por especificación se cumple que ILmín < iL < ILmáx, se verificará
vG − v L
− i L máx
Rs

< iZ

<

vG − v L
− i L mín .
Rs

(3)

Para garantizar el funcionamiento del zener es necesario que en la peor condición circule por él al menos la corriente IZmín que asegura que la regulación. Esta condición se
da para iL = iLmáx, de donde resulta
Ismín = ILmáx + IZmín.Para esto hace falta que

1

(4)

Rs

≤

vG − V L
.
I L máx + I Z mín

(5)

Si ahora permitimos que la tensión del generador varíe,1 VGmín ≤ vG ≤ VGmáx, la resistencia deberá satisfacer la condición anterior aun para el mínimo valor de vG, es decir
Rs

≤

VG mín − VL
.
I L máx + I Z mín

(6)

Ahora hagamos algunas consideraciones energéticas. La potencia suministradapor el
generador es
PG = is vG.

(7)

La potencia entregada a la carga será, a su vez,
PL = iL vL,

(8)

de modo que el rendimiento de la fuente estará dado por
η=

PL
PG

=

iL v L
.
i s vG

(9)

En todo diseño es importante lograr el máximo rendimiento posible, es decir, el
mínimo consumo de energía. Suponiendo vG, vL e is fijos, el rendimiento máximo se
logra cuandola corriente de carga es máxima, ya que en este caso es mínima la corriente por el zener y por lo tanto también lo es la potencia disipada por éste.
Suponiendo ahora que iL = iLmáx, vemos que el rendimiento crece al reducir is y vG.
A primera vista parecería que la solución óptima se logra eligiendo los mínimos valores
posibles de estos parámetros. El mínimo valor de vG sería, en principio, vL,lo cual obligaría a elegir Rs = 0. Esta solución no es admisible porque la corriente is quedaría indeterminada.2 Aunque podría parecer que reducir vG a un valor muy cercano a vL (por
ejemplo, vL + 0,1 V) proporcionaría un rendimiento cercano al óptimo, esto no sucede
debido a que en todos los casos prácticos vG varía. Esto implica que si fijamos su valor
mínimo muy próximo a vL, el valor máximono estará tan próximo y, como Rs es en este
caso pequeña, is aumentaría demasiado. El exceso de corriente deberá dirigirse al zener,
con dos consecuencias: el zener resultará muy sobrecargado, obligando a sobredimensionarlo, y se disipará en él y en Rs mucha potencia, con lo cual bajará el rendimiento.
Como ejemplo numérico, supongamos VL = 10 V, IL = 100 mA e IZmín = 1 mA y
que la máximavariación de vG es un 20 %. Si adoptamos VGmín = 10,5 V resultará
Rs

=

10,5 − 10
Ω ≅ 4,95 Ω .
0,1 + 0,001

En la situación de máxima corriente por la carga, es decir, 100 mA, por el zener circulará 1 mA. Si ahora vG se incrementa en un 10 %, VGmáx = 12,6 V, la corriente is será:
1

2

Esta variación se puede deber tanto a la presencia de algún ripple residual del rectificador y el...