Electrónica de Potencia

Regulador Lineal

David Topete Samaniego · Edición original: 2004 · Revisión: 2026

¿Qué es un regulador lineal?

El regulador lineal, o regulador de elemento en serie, es la técnica de regulación más sencilla y más antigua, y durante décadas fue la más usada. También es la menos eficiente. Hasta que apareció en el mercado el transistor de alta corriente y bajo voltaje de saturación, que podía usarse como interruptor, el regulador lineal era prácticamente la única forma de regular voltaje para niveles de potencia de hasta 100 W.

La idea básica de un regulador lineal se muestra en la figura 1: una resistencia variable en serie con la carga, cuyo valor ajusta continuamente un circuito de retroalimentación.

El circuito de retroalimentación compara el voltaje de la carga con una referencia (la flecha que entra al comparador) y ajusta la resistencia en serie. Si V sube o la carga demanda menos corriente, la resistencia aumenta; si V baja o la carga demanda más corriente, la resistencia disminuye. En todo momento:

V_o = V − V_T(1)

donde V_T es el voltaje en el elemento en serie. El regulador funciona como un divisor de voltaje que se ajusta solo, y por eso sólo puede entregar un voltaje menor que el de entrada.

Circuito básico

El circuito de un regulador lineal básico se muestra en la figura 2. Consiste en una resistencia eléctricamente variable, en la forma de un transistor (Q1) que funciona en la región activa, en serie con la carga. Un amplificador de error (U1) mide el voltaje de salida por medio de una red resistiva de muestreo (R1 y R2) y lo compara con un voltaje de referencia (V_ref). La salida del amplificador de error controla la base del transistor por medio de un amplificador de corriente.

Bloque	Función	Implementación típica
Elemento en serie (Q1)	Absorbe la diferencia entre la entrada y la salida	Transistor NPN, Darlington o MOSFET
Referencia (V_ref)	Voltaje estable contra el que se compara la salida	Diodo zener, TL431 o referencia bandgap (1.25 V)
Red de muestreo (R1, R2)	Entrega al amplificador una fracción de V_o	Divisor resistivo de precisión (1 %)
Amplificador de error (U1)	Amplifica la diferencia entre la muestra y V_ref	Amplificador operacional
Amplificador de corriente	Entrega la corriente de base que Q1 necesita	Transistor excitador (configuración Darlington)

En equilibrio, el amplificador de error lleva su entrada inversora al mismo voltaje que la no inversora, de modo que la muestra iguala a la referencia: V_o · R2 / (R1 + R2) = V_ref. El voltaje de salida es entonces:

V_o = V_ref · (1 + R1 / R2)(2)

Ejemplo 1 · Red de muestreo para 12 V

Con una referencia de 2.5 V y R2 = 10 kΩ, calcular R1 para una salida de 12 V.

R1 = R2 · (V_o / V_ref − 1) = 10 kΩ · (12 / 2.5 − 1) = 38 kΩ

Valor comercial (1 %): 38.3 kΩ → V_o = 2.5 · (1 + 38.3 / 10) = 12.08 V

La ecuación 2 supone un amplificador ideal. Con una ganancia en lazo abierto A finita, la salida tiene un pequeño error relativo de aproximadamente 1/(A·β), donde β = R2/(R1 + R2) es la fracción de la salida que se retroalimenta. En el ejemplo, con un amplificador de 100 dB (A = 10⁵) y β = 0.207, el error es de 0.005 %, apenas 0.6 mV en 12 V. Por eso la precisión de un regulador lineal depende sobre todo de la referencia y de las resistencias de muestreo.

El amplificador de corriente es necesario porque el amplificador de error no puede entregar la corriente de base que demanda Q1. Para 1 A de salida, un transistor de potencia con β = 20 necesita 50 mA de base, mientras que un amplificador operacional entrega típicamente de 10 a 20 mA. Con un excitador en configuración Darlington, la ganancia total sube a unas 1 000 y la corriente de base baja a 1 mA.

Funcionamiento del lazo de retroalimentación

La configuración es tal que, si el voltaje de DC de salida sube (ya sea por un aumento del voltaje de entrada o por una disminución de la corriente de salida), el voltaje en la base del transistor en serie (suponiendo un NPN) baja. Esto aumenta la resistencia del elemento en serie y el voltaje de salida vuelve a bajar, hasta que la muestra de voltaje iguala al voltaje de referencia.

Este lazo de retroalimentación negativa trabaja de manera similar cuando el voltaje de salida disminuye por una caída del voltaje de entrada o por un aumento de la corriente de salida. En ese caso, el voltaje de error hace un poco más positiva la base del elemento en serie, disminuye su resistencia de colector a emisor y aumenta el voltaje de salida, hasta que la muestra vuelve a igualar al voltaje de referencia.

Si V_o sube	Si V_o baja
1. La muestra en el nodo R1–R2 sube	1. La muestra en el nodo R1–R2 baja
2. La salida de U1 baja (entrada inversora)	2. La salida de U1 sube
3. La base de Q1 baja y V_CE aumenta	3. La base de Q1 sube y V_CE disminuye
4. V_o regresa a su valor	4. V_o regresa a su valor

En esencia, cualquier cambio del voltaje de entrada es absorbido por el elemento en serie, y el voltaje de salida se mantiene constante con la exactitud que permite la ganancia en lazo abierto del amplificador de retroalimentación. Esto incluye el rizado (ripple) del rectificador, los cambios de estado estable de la entrada dentro de su banda de tolerancia y los cambios dinámicos debidos a variaciones rápidas de la corriente de carga. La capacidad de atenuar el rizado se expresa como rechazo de rizado (en dB): un regulador con 70 dB reduce 1.77 V de rizado a la entrada a unos 0.6 mV a la salida.

Ventajas del regulador lineal

El lazo de retroalimentación está completamente acoplado en DC. No hay elementos que conmuten y, dentro del lazo, todos los niveles de voltaje de DC son predecibles y calculables.
No hay transformadores dentro del lazo ni se generan picos de voltaje o de corriente que causen ruido de radiofrecuencia. El voltaje de salida tiene muy poco ruido y no se genera interferencia electromagnética (EMI).
Como no hay transistores conmutando, no hay pérdidas por conmutación debidas a la corriente que cae y al voltaje que sube a través del transistor.
Todas las pérdidas de calor se deben a voltajes y corrientes de DC en los elementos, y son fáciles de calcular.
Responde muy rápido a los cambios de carga y atenúa fuertemente el rizado de la entrada.
Usa pocos componentes y es robusto.

Desventajas del regulador lineal

Varias características de los reguladores lineales los hacen poco deseables para la mayoría de las aplicaciones de potencia:

Normalmente, el voltaje de DC sin regular se obtiene al rectificar el secundario de un transformador de 50 o 60 Hz, cuyo volumen y peso suelen ser una restricción muy seria para el sistema.
Sólo pueden producir un voltaje menor a partir de uno mayor.
Su voltaje de salida tiene una conexión de DC con el voltaje de entrada. Sin embargo, con mucha frecuencia es un requisito que la entrada y la salida estén aisladas.
Tienen bajo rendimiento: toda la diferencia entre la entrada y la salida se convierte en calor, lo que obliga a usar disipadores y aumenta aún más el volumen y el peso.

Margen de voltaje (dropout)

Para que el transistor en serie pueda regular, siempre debe quedarle un voltaje mínimo entre colector y emisor. Este voltaje mínimo entre la entrada y la salida se llama voltaje de caída o dropout (V_DO). Cuando se toma en cuenta el efecto del rizado, hay que garantizar que el valle del rizado esté como mínimo 2.5 V por encima del voltaje de salida, y esto debe cumplirse con la línea baja y a plena carga, que es el peor caso (figura 3).

V_{in(valle, mín)} ≥ V_o + V_DO(3)

**Figura 3.** Margen de voltaje en el peor caso: rectificador del tema Introducción a las Fuentes de Poder (puente, 12 V_rms, 4 700 µF) con la línea a −10 % y 1 A de carga, alimentando un regulador de 9 V.

El valor de 2.5 V corresponde a un regulador con transistor NPN y excitador Darlington, como el de la figura 2: el excitador necesita dos caídas base-emisor más su propia saturación. Otras configuraciones reducen el margen:

Elemento en serie	V_DO típico	Ejemplos
NPN con excitador Darlington	2 a 2.5 V	Familia 78xx, LM317
PNP (regulador de baja caída)	0.3 a 0.7 V	LM2940, LM2931
MOSFET (LDO moderno)	0.05 a 0.3 V	Reguladores LDO CMOS

LDO: low dropout, regulador de baja caída de voltaje.

Eficiencia contra voltaje de salida

La figura 4 muestra cómo se calcula el rendimiento (η) de un regulador lineal. Como la corriente que consume el circuito de control es muy pequeña, la corriente de la carga es prácticamente igual a la corriente de entrada (I_R ≈ I_g), y la eficiencia depende sólo de los voltajes:

η = (V_o · I_R) / (V_g · I_g) ≈ V_o / V_g(4)

En general, la eficiencia de un regulador lineal aumenta cuanto mayor es el voltaje de salida y cuanto menor es el voltaje de entrada. Por supuesto, el voltaje de entrada no puede acercarse al de salida más que el margen V_DO, así que la eficiencia máxima posible es:

η_máx = V_o / (V_o + V_DO)(5)

En la práctica, la eficiencia es menor, porque el voltaje de entrada promedio queda por encima del mínimo: hay que sumar la mitad del rizado y el aumento cuando la línea está alta. La figura 5 compara los tres casos. Para salidas bajas, como 3.3 o 5 V, un regulador estándar difícilmente supera el 50 %, y ésa es una de las principales razones por las que se desarrollaron los reguladores por conmutación.

**Figura 5.** Eficiencia contra voltaje de salida: máxima teórica con margen de 2.5 V y de 0.3 V (LDO), y valor práctico de un regulador estándar diseñado para un rizado de 2 V pp y una línea de ±10 %.

V_o	η_máx (V_DO = 2.5 V)	η_máx LDO (0.3 V)	η práctica (rizado y línea)
3.3 V	57 %	92 %	43 %
5 V	67 %	94 %	52 %
12 V	83 %	98 %	69 %
24 V	91 %	99 %	78 %

Potencia disipada y disipador

Toda la potencia que no llega a la carga se disipa en el transistor en serie:

P_D = (V_in − V_o) · I_o(6)

Ese calor debe salir del silicio hacia el ambiente a través de una cadena de resistencias térmicas: de la unión a la cápsula (θ_JC), de la cápsula al disipador (θ_CS) y del disipador al ambiente (θ_SA). La temperatura de la unión es:

T_J = T_A + P_D · (θ_JC + θ_CS + θ_SA)(7)

Ejemplo 2 · Regulador de 9 V con el rectificador de la Introducción

El rectificador del tema Introducción a las Fuentes de Poder (puente, 12 V_rms, 4 700 µF, 1 A) alimenta un regulador. Determinar el voltaje de salida máximo con un margen de 2.5 V, la eficiencia, la potencia disipada y el disipador necesario. Datos: T_A = 40 °C, T_J de diseño ≤ 125 °C, θ_JC = 5 °C/W, θ_CS = 0.5 °C/W (con grasa térmica).

1. Voltaje de salida. Con la línea a −10 % el valle del rizado es de 11.70 V, así que V_o ≤ 11.70 − 2.5 = 9.2 V. Se elige un regulador de 9 V (LM7809). Con este transformador no es posible obtener 12 V regulados.

2. Eficiencia y potencia disipada (con los valores de V_DC de la Introducción):

Línea	V_in promedio	η = V_o/V_in	P_D a 1 A
108 V (−10 %)	12.59 V	71.5 %	3.59 W
120 V (nominal)	14.28 V	63.0 %	5.28 W
132 V (+10 %)	15.98 V	56.3 %	6.98 W

3. Disipador (peor caso, P_D = 6.98 W):

θ_JC + θ_CS + θ_SA ≤ (125 − 40) / 6.98 = 12.2 °C/W

θ_SA ≤ 12.2 − 5 − 0.5 = 6.7 °C/W

Se necesita un disipador de 6.5 °C/W o menos. Sin disipador, la cápsula TO-220 (θ_JA ≈ 65 °C/W) alcanzaría en teoría 40 + 6.98 · 65 ≈ 490 °C; en la práctica actuaría la protección térmica y el regulador se apagaría.

Reguladores lineales integrados

Hoy el circuito de la figura 2 rara vez se construye con componentes discretos. Los reguladores integrados contienen la referencia, el amplificador de error, el excitador y el transistor de paso en una sola cápsula de tres terminales, y agregan protecciones internas:

Familia	Tipo	Salida	Corriente	V_DO
78xx	Fijo positivo	5, 6, 8, 9, 12, 15, 18, 24 V	1 a 1.5 A	≈ 2 V
79xx	Fijo negativo	−5 a −24 V	1 a 1.5 A	≈ 2 V
LM317 / LM337	Ajustable positivo / negativo	±1.25 a ±37 V	1.5 A	≈ 2 a 3 V
LDO (LM2940, otros)	Fijo o ajustable	Desde 0.8 V	0.1 a 3 A	0.05 a 0.7 V

El LM317 (figura 6) mantiene 1.25 V entre sus terminales OUT y ADJ. Esa referencia, aplicada sobre R1, fija una corriente que también circula por R2, de modo que:

V_o = 1.25 V · (1 + R2 / R1) + I_ADJ · R2(8)

La corriente de la terminal de ajuste (I_ADJ ≈ 50 µA) es tan pequeña que el segundo término normalmente se desprecia.

**Figura 6.** Regulador ajustable LM317 en su configuración típica.

Las protecciones internas más comunes son la limitación de corriente (algunos diseños discretos usan limitación con retroceso, o foldback, que reduce la corriente cuando la salida está en cortocircuito), el apagado térmico, que desconecta el regulador cuando la unión se sobrecalienta, y la protección del área de operación segura del transistor de paso.

Resumen

El regulador lineal es una resistencia variable en serie con la carga (un transistor en región activa) controlada por un lazo de retroalimentación negativa.
El voltaje de salida lo fijan la referencia y la red de muestreo: V_o = V_ref · (1 + R1/R2).
Es simple, silencioso, rápido y sin EMI, pero sólo reduce voltaje, no aísla y desperdicia en calor toda la diferencia entre la entrada y la salida.
El valle del rizado debe quedar al menos V_DO (2.5 V en un diseño estándar) por encima de la salida en el peor caso.
La eficiencia es aproximadamente V_o/V_in: alta para salidas altas y baja para salidas de pocos volts.
La potencia disipada (V_in − V_o) · I_o define el disipador necesario.

Referencias

Pressman, A. I., Billings, K., y Morey, T. Switching Power Supply Design, 3.ª ed. McGraw-Hill, 2009. Cap. 1, sec. 1.2 (regulador lineal: funcionamiento, limitaciones, disipación y eficiencia contra voltaje de salida).
Malvino, A. P. Principios de Electrónica, 6.ª ed. McGraw-Hill, 2000. Cap. 24 (reguladores serie y reguladores lineales integrados).
Boylestad, R. L., y Nashelsky, L. Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, 10.ª ed. Pearson, 2009. Cap. 15 (fuentes de alimentación y reguladores de voltaje).
Rincón-Mora, G. A. Analog IC Design with Low-Dropout Regulators, 2.ª ed. McGraw-Hill, 2014.
Texas Instruments. Hojas de datos de los reguladores LM317 y LM340/LM78xx.

Las secciones de funcionamiento, ventajas, desventajas y eficiencia siguen la presentación de Pressman et al. [1], sec. 1.2. Figuras 1, 2 y 4: originales del autor (2004). Figuras 3, 5 y 6: elaboradas para esta edición.

Contenido original de David Topete Samaniego (2004). Revisión y ampliación asistidas con IA (2026).