Este es un diseño clásico de una fuente de alimentación regulada mediante seguidor de emisor (paso en serie). Es un circuito didáctico excelente para entender cómo interactúan los transistores y los diodos Zener.
1. Análisis del Funcionamiento
El circuito utiliza un transistor BD139 (NPN de potencia media) en configuración de colector común. La tensión de salida $V_{out}$ está determinada por la tensión de referencia en la base ($V_B$) menos la caída de tensión base-emisor ($V_{BE}$), que suele ser de aproximadamente $0.7V$.
$$V_{out} = V_B - V_{BE}$$
- Referencia Variable: Al usar un interruptor rotativo ($S1$) para seleccionar diferentes puntos de una cadena de diodos Zener de $3V$, se cambia el valor de $V_B$ en pasos de $3V$ ($3V, 6V, 9V, 12V$).
- Filtrado: $C2$ actúa como un filtro para estabilizar la tensión de referencia (reduciendo el ruido del Zener), mientras que $C1$ estabiliza la salida frente a variaciones de carga.
2. Ventajas y Desventajas
Ventajas
- Simplicidad y Costo: Muy pocos componentes y fácil de ensamblar.
- Ajuste por Pasos: Ideal cuando se necesitan voltajes fijos específicos sin el riesgo de mover accidentalmente un potenciómetro.
- Bajo Ruido: A diferencia de las fuentes conmutadas (SMPS), esta fuente lineal es intrínsecamente "limpia", ideal para circuitos de audio sensibles.
Desventajas
- Baja Eficiencia: Al ser una regulación lineal, el exceso de energía se disipa en forma de calor en el BD139. Por ejemplo, a $3V$ de salida con $15V$ de entrada, el transistor "carga" con $12V$.
- Falta de Protección: No tiene protección contra cortocircuitos. Si la salida se une a tierra, el BD139 se quemará casi instantáneamente.
- Caída de Voltaje ($V_{BE}$): El voltaje de salida real será menor al indicado. En el paso de $3V$, recibirás cerca de $2.3V$, lo cual es una imprecisión significativa.
- Corriente Limitada: El BD139 soporta hasta $1.5A$, pero sin un disipador de calor masivo, fallará por temperatura mucho antes de alcanzar ese límite.
3. Posibles Mejoras (Ingeniería Aplicada)
Para elevar este diseño de un nivel "hobby" a uno profesional, sugeriría los siguientes cambios:
A. Estabilidad Térmica y de Voltaje
- Configuración Darlington: Reemplazar el BD139 por un par Darlington (o añadir un transistor pequeño antes) para aumentar la ganancia de corriente. Esto reduce la carga sobre la red de diodos Zener y mejora la regulación.
- Compensación de $V_{BE}$: Se podría ajustar el valor de los Zener o añadir un diodo en serie con la cadena de referencia para compensar la caída de $0.7V$ y que el voltaje de salida sea más exacto.
B. Protecciones Críticas
- Limitador de Corriente: Añadir una resistencia de bajo valor en el emisor y un transistor pequeño de protección para que, en caso de cortocircuito, la base del BD139 se derive a tierra.
- Disipador de Calor: Es obligatorio montar el BD139 en un disipador de aluminio, preferiblemente con grasa térmica.
C. Filtrado de Entrada
- El esquema asume una entrada de $15V$ DC pura. Si viene de un transformador, falta un puente rectificador y un capacitor de filtro electrolítico grande (mínimo $2200\mu F$ para $1A$).
Resumen Técnico para el Diseño
| Parámetro | Valor Estimado |
| Vin Máximo | $15V$ - $20V$ (Cuidado con la disipación) |
| Vout Real | $V_{Zener} - 0.7V$ |
| Corriente Recomendada | $< 500mA$ (con disipador pequeño) |
| Potencia Transistor | $P = (V_{in} - V_{out}) \times I_{load}$ |
Circuito de proteccion
Incorporar una protección contra cortocircuitos es la diferencia entre un circuito que dura años y uno que se quema en segundos por un error de manipulación.
La forma más eficiente y elegante de proteger este circuito sin añadir mucha complejidad es mediante un limitador de corriente activo utilizando un transistor adicional (un pequeño BC547 o 2N3904 sería perfecto).
Diseño de la Protección (Limitador de Corriente)
Para implementarlo, debemos insertar una resistencia de sensado ($R_{sense}$) en serie con la salida y conectar un segundo transistor que "robe" la corriente de la base del BD139 cuando la carga sea excesiva.
¿Cómo funciona esta mejora?
- Resistencia de Sensado ($R_s$): Se coloca en el emisor del BD139. Toda la corriente de carga pasa por ella. Según la ley de Ohm ($V = I \cdot R$), a medida que sube la corriente, sube el voltaje en los extremos de esta resistencia.
- Transistor de Protección ($Q_{prot}$): Conectamos la base de este pequeño transistor antes de $R_s$ y su emisor después.
- El umbral de disparo: Cuando el voltaje en $R_s$ alcanza los 0.6V - 0.7V, el transistor de protección se activa. Al activarse, este deriva la corriente que viene de la resistencia de $1k\Omega$ directamente a la salida (o a tierra), dejando al BD139 sin corriente en su base.
- Resultado: El BD139 se "apaga" parcialmente, limitando la corriente a un valor seguro y evitando que se destruya.
Cálculo de la Resistencia de Sensado
Si quieres limitar la corriente a, por ejemplo, 500mA ($0.5A$):
$$R_s = \frac{0.7V}{I_{limit}} = \frac{0.7V}{0.5A} = 1.4 \Omega$$
Nota técnica: Deberías usar una resistencia de al menos 1W o 2W para $R_s$, ya que disipará calor durante el límite.
Esquema de Conexiones Sugerido
Aquí te detallo cómo modificar tu circuito original:
- Paso 1: Desconecta el emisor del BD139 del nodo de salida ($V_{out}$).
- Paso 2: Inserta una resistencia de $1.5 \Omega$ entre el emisor del BD139 y el nodo de $V_{out}$.
- Paso 3: Conecta la Base de un BC547 al emisor del BD139 (antes de la resistencia).
- Paso 4: Conecta el Emisor del BC547 al nodo de $V_{out}$ (después de la resistencia).
- Paso 5: Conecta el Colector del BC547 directamente a la Base del BD139.
Ventaja Adicional: Mejora de la Precisión
Como mencionamos que el voltaje de salida cae $0.7V$ respecto al Zener, puedes compensarlo añadiendo un diodo 1N4148 en serie (hacia abajo) al final de la cadena de Zeners. Esto elevará la referencia en $0.7V$, cancelando la caída $V_{BE}$ del transistor y haciendo que tu salida sea de $3V, 6V, 9V$ y $12V$ exactos.