Construye esta fuente de voltaje regulado.
Por: Oscar Toledo Esteva.
La mayoría de los equipos electrónicos necesitan estar alimentados por una fuente de voltaje estable y precisa para su correcto funcionamiento. Los sistemas electrónicos que llaman fuentes de alimentación se dividen en dos bloques: sistemas de alimentación lineares o convencionales y sistemas de alimentación conmutadas o switcheo, que utilizan todas las computadoras, celulares y otros instrumentos de uso diario.
Las fuentes que funcionan con modo conmutable SMPS (Switched Mode Power Supply) son de una gran eficiencia con un rendimiento promedio del 80%, pequeñas, ligeras y generan poco calor. Aunque en la práctica son circuitos complejos que pocos aficionados pueden construir, hay dos técnicas del SMPS para producir mas voltaje o mas amperaje. Una fuente regulada que produce un voltaje mayor que el voltaje de entrada se conoce como Step-Up o Elevador (Boost), la desventaja del Step-Up es que reduce la corriente en la salida del voltaje. La otra técnica es la que produce un voltaje menor que el voltaje de entrada, eso si, una corriente elevada, se le conoce como Step-Down o Gran carga (Buck). Para fijar el voltaje de salida se usa un divisor de voltaje con dos resistores, que conectados en la salida de voltaje alimentan el control de referencia del voltaje interno, este circuito determina el voltaje preciso que el proyecto necesita.
Con un par de resistores se puede obtener de un voltaje de entrada un voltaje menor de salida. Los resistores forman un divisor potencial que suministra poca corriente y la precisión del voltaje de salida depende del voltaje de entrada, que se puede corregir con un diodo zener de 20 mA colocado en el lugar del resistor R2 y se obtiene un voltaje preciso que varía del 5% al 2.3%.
Los dos resistores actuan como un atenuador de voltaje de entrada, similar a un control con resistencia variable, que funciona en los controles de volumen de audio analogo, polarizar un circuito electrónico, o calibrar un sensor.
La estabilidad de voltaje mejora con un comparador de voltaje que monitorea el voltaje de referencia interna con el voltaje de salida, como funcionan los reguladores de voltaje linear baratos y fáciles de usar de la serie LM78XX que tienen tres terminales que usan el voltaje de entrada, el polo negativo y el voltaje de salida fijado, aunque se necesita ventilar el calor que produce el chip, una lámina de aluminio doblada lo disipa y esto ocupa espacio para el proyecto.
Los reguladores lineares con estabilidad térmica son apropiados para referencias de voltaje precisas en fuentes de alimentación. Como el regulador TL431 con derivada programable con resistores para diseñar fuentes regulable a bajo costo. Al tener una referencia interna de 2.500 voltios con una precisión compensada por temperatura, esto garantiza fuentes de voltaje mas estables. Su versatilidad ajustable facilita construir fuentes regulables con tres resistores, fuentes de corriente constante y fuentes robustas con transistores acoplados en serie para obtener una corriente alta, por ejemplo: el siguiente diagrama ilustra un regulador de 5V. con un transistor que disipa 1A; similar al regulador 7805, con la ventaja de obtener otro voltaje con solo cambiar un resistor.
Características principales del TL431 con 1% de precisión. Presentación con con su voltaje, corriente, encapsulado y su fabricante.
Pieza Voltaje ZVOut Vref Tol Temperatura Package Marca KIA431ACLPR 36V 1-100mA .22 ohm 2.495V 1% -40º - 85º TO92 KIA TLV431CURE 35V .6-50mA .2 ohm 2.495V .8% -30º - 85º SC-82 Mitsumi SC431CSK-1.TR 30V 130uA-150mA .25 ohm 2.495V 1% -40º - 85º SOT23 Semtech TLV431A 18V 80uA-20mA .25 ohm 1.240V 1% -40º - 125º SOT23 Diodes TLVH431AQDBZR 18V 80uA-20mA .1 ohm 1.240V 1% -40º - 125º SOT23 NXP
El TL431 tiene 3 patillas: cátodo, ánodo y referencia. Este diseño tiene un amplificador diferencial con una referencia de voltaje preciso aterrizado (ánodo) que se acopla a un transistor conmutativo como salida (cátodo), la otra entrada (referencia) es de alta impedancia y sirve para comparar y ajustar el voltaje deseado, que facilita su operación como detector de límites de voltajes, fuentes de voltaje con alto amperaje, amplificador de audio, radio superregenerativo hasta 2 MHZ; y con resistores adicionales se retroalimenta creando un oscilador para fuentes conmutables.
Comparación del 7805 con el regulador del TL431.
El divisor potencial utiliza dos resistores para obtener un voltaje de salida, con la ecuación se eligen los valores de trabajo:
I = V. ent / (R1+R2) Ej: .25ma = 5V / (10 kohm + 10 kohm)
V. sal. = I x R2 Ej: 2.5v = .25ma x 10 kohm
W = I x V. ent. Ej: 1.25mw = .25ma x 5V
Un switch cerrado indica la expansión del campo magnético del inductor cuando el diodo no conduce y descarga el condensador, mientras que un switch abierto indica la descarga del campo magnético del inductor cuando el diodo conduce para cargar el condensador. Esto se produce de una forma repetitiva por medio de un oscilador para las dos fases de conexión y desconexión.
La selección del inductor es uno de los puntos clave en el diseño de una fuente conmutada. Su núcleo de ferrita corresponde a un trabajo complejo de selección por la confusión que especifican los diferentes fabricantes. No todos los núcleos de ferrita son iguales, y los inductores se fabrican de núcleos con diferentes materiales en base a la frecuencia de aplicación, la corriente que circula por el inductor genera un flujo magnético cuya densidad no debe saturarlo para evitar pérdidas. Los reguladores conmutados trabajan con dos ciclos alternados, igual que la corriente alterna de 60hz, hay un estado de conexión y desconexión, donde un transformador con núcleo laminado en el estado de conexión expande el campo magnético, y en la desconexión el campo magnético se colapsa, todo en un muestreo o periodo de 16 milisegundos (.01666 = periodo de 60hz).
El inductor es la parte principal de un regulador de conmutación, y es el equivalente al devanado primario de un transformador. Un inductor consta de un núcleo ferromagnético, con 470 uH opera mas o menos a 70 khz, mientras que 2 hasta 10 uH pueden trabajar hasta 2500000 hz (equivalente a 400ns).
Un transistor NMOS con baja resistencia (Microohms) que maneja alta frecuencia (alrededor de 3 mhz) y con el wattaje necesario equivale a un switch mecánico que conecta y desconecta la fuente en nanosegundos por medio de un oscilador que produce pulsos en un periodo de 400ns.
Este convertidor de voltaje regulado puede operar con un voltaje de entrada de 3V hasta 7V y puede alimentar cualquier proyecto que necesite un voltaje regulado con precisión (step-up) desde 3.3 V hasta 20 V y 500 mA máximo.
Lista de materiales para un voltaje de salida de 5V 120mA: CI Regulador LM2704MF-ADJ SOT-23-5 National C1 Capacitor cerámico 4.7mF 10V SMD 0805 Murata C2 Capacitor cerámico 4.7mF 25V SMD 0805 Panasonic I Inductor 2.2uH VLS25201ST-2R2M1R2 SMD TDK D Diodo Shottky MBRM540 SMD SOD-123 On Semi R1 Resistor 1MG 1% SMD 0603 KOA R2 Resistor 330K 1% SMD 0603 Yageo
Con R1 y R2 se puede fijar 12V de salida con 180 mA. (5V entrada)
R1 240K 1% SMD 0603 R2 27K 1% SMD 0603
Valores de R1 y R2 fijan otros voltajes con la siguiente ecuación:
R1 = R2 x (V. Salida - 1 / 1.237 V. Referencia)
Norma EIA (Electronic Industries Association)
Clave de valores del resistor con 3 dígitos
| 00 = 0 | 11=127 | 22=165 | 33=215 | 44=280 | 50=365 | 66=475 | 77=619 | 88=806 |
| 01=100 | 12=130 | 23=169 | 34=221 | 45=287 | 56=374 | 67=487 | 78=634 | 89=825 |
| 02=102 | 13=133 | 24=174 | 35=226 | 46=294 | 57=383 | 68=499 | 79=649 | 90=845 |
| 03=105 | 14=137 | 25=178 | 36=232 | 47=301 | 58=392 | 69=511 | 80=665 | 91=866 |
| 04=107 | 15=140 | 26=182 | 37=237 | 48=309 | 59=402 | 70=523 | 81=681 | 92=887 |
| 05=110 | 16=143 | 27=187 | 38=243 | 49=316 | 60=412 | 71=536 | 82=698 | 93=909 |
| 06=113 | 17=147 | 28=191 | 39=249 | 50=324 | 61=422 | 72=549 | 83=715 | 94=931 |
| 07=115 | 18=150 | 29=196 | 40=255 | 51=332 | 62=432 | 73=562 | 84=732 | 95=953 |
| 08=118 | 19=154 | 30=200 | 41=261 | 52=340 | 63=442 | 74=576 | 85=750 | 96=976 |
| 09=121 | 20=158 | 31=205 | 42=267 | 53=348 | 64=453 | 75=590 | 86=768 | |
| 10=124 | 21=162 | 32=210 | 43=274 | 54=357 | 65=464 | 76=604 | 87=787 |
A = Nulo B=0 C=00 D=000 E=0000 F=00000 X = -0 Y=-00 Z=-000
78 A = 634 ohmios La letra A es nula 02 C = 10200 = 10.2 K.Ohmios. Con la letra multiplicadora C=00 (+00) 01 F = 10000000 = 10 Mg.Ohmios 01 F = 00000 (+00000) 01 Y = 100 (Y = Desplaza a la derecha dos dígitos) = 1 ohmio Y = -00 68 X = 499 (X = Desplaza a la derecha un dígito) = 49.9 ohmios X = -0
Los materiales para este proyecto están a la venta en la dirección anotada al pie de esta página.