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.

KIA431ACLPR     36V 1-100mA     ZVOut = .22 ohm   Vref 2.495V   -40º - 85º   TO92    KIA
SC431CSK-1.TR   30V 130uA-150mA ZVOut = .25 ohm   Vref 2.495V   -40º - 85º   SOT23   Semtech
TLV431A         18V 80uA-20mA   ZVOut = .25 ohm   Vref 1.240V   -40º - 125º  SOT23   Diodes
TLVH431AQDBZR   18V 80uA-20mA   ZVOut = .1 ohm    Vref 1.240V   -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


Step-Down o Buck (voltaje de salida menor que voltaje de entrada con incremento de amperaje).


Step-Up o Boost (voltaje de salida mayor que voltaje de entrada con decremento de amperaje).

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


Fuente Step-Up con los componentes de la lista montados en el circuito impreso. Adecuada para alimentar un microprocesador.

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)


Fuente Step-Down con voltaje de entrada de 14V hasta 28V y una salida de voltaje de 13.8V a 3A. Adecuada para un panel solar que proporciona un voltaje regulado para cargar y mantener un voltaje de servicio constante, para una batería sellada de 12V.


Fuente Step-Down para uso profesional marca Artesyn modelo EXQ60-48D05-3V3J, con voltaje de entrada de 33-75 VCD, con doble voltaje de salida: 5V+ con 12A y 3.3V+ con 15A.

Circuito impreso con piezas SMD para practicar con el cautín.

Practicar con el cautín para soldar componentes montados en el circuito impreso aleja el temor de dañar las piezas milimétricas SMD. Para este fin, creamos un circuito impreso que suministramos con doce piezas de diferentes dimensiones con las normas establecidas: 2 piezas 0402 (1.005mm), 2 piezas 0603 (1.608mm), 2 piezas 0805 (2.012mm), 2 piezas 1206 (3.216mm), 2 piezas 2512 (6.432mm), 1 pieza SOIC-8 y 1 pieza LQFP80.

Tabla de claves para resistores SMD

Norma EIA (Electronic Industries Association)

Clave de valores del resistor con 3 dígitos

Los primeros dos dígitos con el valor del resistor.

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

Clave del tercer dígito.

A = Nulo  B=0    C=00  D=000  E=0000  F=00000
X = -0    Y=-00  Z=-000

Ejemplos:

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

Un regulador conmutado es compacto y no requiere un disipador, tenemos a la venta los materiales del circuito impreso para practicar la soldadura (con doce componentes), los TL431 y el transistor ZTX450, la fuente Step-Up, el circuito impreso solo para el regulador LM2704MF-ADJ y un circuito impreso armado con todos los componentes, además las dos fuentes Step-Down y resistores SMD 0805 y 0603 a 1% de todos los valores. Acuda a la dirección anotada al pie de esta página.