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Ideas de diseño: Alimentación

Cuando diseñamos un circuito electrónico siempre nos encontramos con la necesidad de adaptar una tensión principal de entrada a otras de menor o mayor valor según el tipo de desarrollo que estemos afrontando. Reguladores lineales fijos como los de la línea 78XX suelen ser la opción más habitual. Además, cuando las posibilidades lo permiten, los reguladores de bajo “drop-out” se presentan como una solución más optimizada. Si crecemos en complejidad, pasamos a convertidores DC-DC con niveles de eficiencia de más del 90%. Sin embargo, hay soluciones mucho más sencillas que, sin llegar a tener la eficiencia de un regulador concebido para esa función, nos abren la mente a nuevas posibilidades con componentes muy económicos. Diseñemos juntos: Alimentación de sub-circuitos.

Como la mayoría conoce, el universo de reguladores fijos (o variables) de tensión, integrados en un chip, es enorme. La oferta de posibilidades que se encuentra en la red suele incluso ocasionarnos confusión para determinar cuál es el modelo más apropiado para nuestras necesidades, según la tensión de entrada, la corriente que pueda manejar y la disponibilidad a futuro del componente empleado. No olvidemos que solo los componentes exitosos en ventas perduran en el tiempo. Si seleccionamos un elemento muy exótico puede que en un año o dos ya no exista en el mercado para reparaciones o futuras construcciones. Otro problema que se suma es la posibilidad de trabajar con altas tensiones de entrada, por ejemplo, con más de 40Volts. Con solo pasar unos pocos Volts, los reguladores convencionales alcanzan temperaturas de trabajo muy importantes, y en algunas oportunidades no hay disipador de temperatura que alcance para irradiar tanto calor generado por la diferencia de tensiones entre la entrada de alimentación y la salida regulada.

Las soluciones clásicas pueden quedar al borde del abismo en muchos diseños "ajustados"

En el diseño que hoy te mostramos, la tensión “drop-out” del sistema es de apenas 0,1Volt (o menos) para corrientes de más de 500mA utilizando un transistor de propósitos generales, como puede ser el BC640. En el circuito mostrado abajo vemos que en el LED del optoacoplador existirá una diferencia de potencial de 1Volt (según el tipo de optoacoplador usado) y el resto de la tensión de salida estará determinada por la característica del diodo zener colocado en serie. Un sencillo diodo zener de baja corriente de trabajo le brinda al circuito un excelente desempeño aún con corrientes de regulación (hacia la carga) tan bajas como 1mA. Si hay necesidad de regular la tensión de salida para un circuito alimentado con una única batería de 1,2Volts, el zener puede eliminarse y el circuito regulará la tensión de salida a 1Volt, que es la mínima posible. Otra opción puede ser la de colocar un preset de más de 10K en serie con un zener de cualquier valor para tener de ese modo una fuente ajustable con base de tensión en el valor característico de funcionamiento del diodo zener.

Un circuito muy sencillo que se puede adaptar fácilmente a nuestras necesidades

Las posibilidades de creación se multiplican a medida que uno comienza a analizar el circuito y observa la cantidad de variables que puede usar, por ejemplo, LEDs. No solo tendríamos una indicación visual sino que agregaríamos valores definidos de tensión en rangos donde los zeners no son habituales. Por ejemplo, un LED rojo posee una caída de tensión característica de 1,8Volts que, sumados a la tensión del LED del optoacoplador, nos resulta en 2,8Volts de tensión regulada a la salida. Un sencillo diodo 1N4148 polarizado en directa nos permite llegar de manera muy sencilla a los 3,3Volts. También podemos utilizar diodos del tipo Schottky para obtener tensiones más ajustadas y hasta transistores BJT convencionales hasta lograr la tensión deseada en la salida.

Un optoacoplador clásico y de propósitos generales: PC817

Utilizando transistores de alto valor de tensión de trabajo Colector – Emisor, podemos crear a nuestra medida y conveniencia reguladores mucho más robustos y eficaces que los conocidos de la serie 78XX, con el beneficio de ahorrar espacios ya que no serán necesarios los disipadores de calor clásicos. Por supuesto, esta energía calórica que no se disipa al aire se traduce en un sistema más eficiente de alimentación. Otra posibilidad de trabajo sería utilizar como transistor serie un conjunto darlington para trabajar con altas corrientes. Sumando más variables, un transistor MOSFET de canal P puede brindarnos la solución eficaz que necesitamos.

Un circuito muy flexible y muy fácil de implementar para cada aplicación en particular

La única condición funcional que el circuito debe mantener es la siguiente: la sumatoria de las tensiones en la rama del LED del optoacoplador siempre deberá ser inferior a la tensión de entrada de alimentación y deberá coincidir con los valores nominales que la carga necesite para un funcionamiento correcto. Por lo tanto, con muy pocos componentes, todos ellos muy baratos y con un diseño que admite decenas de posibles configuraciones, podemos lograr en cuestión de minutos una fuente de alimentación muy útil, optimizada a nuestras necesidades. En nuestro caso, los valores empleados para los ensayos nos brindaron niveles de regulación muy fáciles de alcanzar y muy sencillos de lograr en pocos pasos, como si se tratara de un rompecabezas para niños. Pocos componentes, poco espacio, poca disipación de temperatura, alta eficiencia con bajo “drop-out”, ¿qué más se puede pedir?

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Escrito por Mario

21 Comments

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  1. Hola Mario:
    Haber si entendi,
    Si yo tengo un voltaje de entrada de 12 voltios y deseo un voltaje de salida de 5 voltios, necesitaria un zener de 4,1 voltios?
    Con el transistor BC640 se podria manejar hasta 1 amper de corriente?, que es la corriente de colector que maneja este tipo de transistor. Si necesito mas corriente tendria que colocar un transistor con corriente de colector mucho mayor o colocar un darlington?.

    Me interesa mucho este tema, porque tengo un LM338 en un circuito que le llegan 12 voltios y debo tener 5 voltios a la salida pero con 3 amperios de salida, pero se calienta mucho el LM338 y quiero probar otras opciones.

    Muchas gracias y un saludo amigo.

    • Hola Yesbond.

      Me atrevo a sugerirte algo… Si tienes una diferencia grande entre el voltaje de entrada y de salida en el regulador, los reguladores lineales de este tipo comienzan a tener problemas por lo potencia disipada en forma de calor. En tu caso, si tienes entrada de 12 volts entonces: 12-5 = 7 V lo cual indica que:
      P=(V)(I)=(7)(3)=21W
      Es decir que necesitas calcular tu sistema térmico para disipar 21W y mantener el componente a una temperatura aceptable. Por otra parte, la potencia que se esta entregando a la carga es de P=(5)(3)=15W. Si te fijas, la mayor parte de la energía eléctrica se va en calor, entonces la eficiencia de la fuente es baja:
      Eff=Pout/Pin=(5*3)/(12*3)=0.41=41%(aprox)
      Existe un tipo de regulador que te puede ayudar en estos casos, los reguladores conmutados o switching (topología buck) como el MC34063A pueden ser de ayuda, ya que aún con diferencias grandes entre el voltaje de entrada y el de salida, mantienen eficiencias del orden de 80% – 90%. Recientemente trabaje con el LM2675M y el MC34063A y son bastante buenos, te recomiendo que le des una revisada a estos componentes y busques algo similar que sea adecuado para manejar los 3A.

      Saludos

      • Hola Ruben

        Muchisimas gracias por tu explicacion muy clara.
        Tienes razon, 21 wattios es bastante calor, y creo que por ese motivo se me quemo. Quise probar con el MC34063A, pero el problema son las bobinas, no se porque es tan dicifil encontrar las que necesito. No pude implementar mi regulador por esa bobina que indica el datasheet. Y pues como necesito 3 amperios de salida pues el LM2675M creo que me queda un poco colgado.

        Agradezco tu respuesta. Saludos

      • Debiéramos construir un medidor de inductancias este año. Hay mucha gente que tiene inconvenientes con el tema de las inductancias. Utilizar la inductancia adecuada para cada aplicación no es tarea sencilla. Es decir, una inductancia de 100uH para trabajar en un circuito de procesamiento de señales de video no tendrá la misma construcción física que una del mismo valor en H orientada a este tipo de fuentes conmutadas.

        Tenemos un largo 2011 aún por delante. Algo haremos.

        Saludos!
        Mario

      • Tienes razon Mario, es muy dificil para los que no tenemos experiencia con las bobinas. Probe para el MC34063A del tipo ceramico que tienen la inductancia marcada con puntos de colores, pero nada, y probe con las de nucleo de ferrita con valores predeterminados pero nada. Y no se que hago mal pero a veces de tanto experimentar, me canso y veo otros caminos como el LM338 que les comente.
        Gracias por la respuesta.

  2. Mario, te haz vuelto especialista en hacer artículos sobre componentes. Sobre todo me impresionó el SX8122 y esperando que saques la tercera entrega si tienes ideas en hacerla.

    Buen trabajo.

  3. Hola Yesbond, aunque sé que esperarías que te conteste Mario, solo quisiera hacerte llegar este comentario.
    Esta forma de implementar un regulador, además de facilitarte el diseño, te permite tener un funcionamiento exitoso "con pequeñas diferencias entre la tensión regulada y la tensión de entrada". El escenario que vos planteas respecto a usar un LM338 o este diseño no cambia. La potencia a disipar por el regulador (calor), cualquiera sea el diseño va a ser aprox (Vreg-Vin) x Ireg. y este diseño no cambia la condición Vin = 12V y Vreg = 5 V. Mario en el proyecto "Fuente para Protoboard" supera este inconveniente haciando caer la tensión de entrada (12 V) en una resistencia de 4.7 Ohms para atacar al regulador de 5 V con una tensión menor. La potencia la disipa el resistor y no el regulador. Un abrazo

    • Hola jor_wilson,
      Gracias por tu comentario.
      Tienes razon, yo le coloque una resistencia de 0,47 ohms a 5 wattios y el voltaje que le entra al lm338 es de 10,5 voltios. Voy a seguir tu recomendacion y le voy a aumentar el valor a la resistencia seguiendo el esquema de Mario.

      Un abrazo igual. Saludos

      • no se que disposicion de componentes usas, pero para tres amperes no tendrias problemas en usar el "huevo frito" del transistor tipo 2N3055 para incrementar la corriente de salida de un regulador. La tension la regula el 338 y el transistor entrega tu corriente. La salida del regulador a la base del transistor. El colector en la entrada. Y desde el emisor tenes la tension regulada con la corriente que maneja el transistor. Con solo un disipador podes entregar tranquilo 5 amperes…

      • Hola a todos! :))

        Yesbond:
        Tal como te han comentado ya Ruben y jor_wilson, la mejor opción en tu caso es un convertidor DC-DC por la elevada diferencia de tensiones (entrada-salida) y el alto consumo de corriente que necesitas.

        Si los requerimientos de corriente fueran menores, la cosa sería distinta. Un 7805 con esa diferencia de tensión, calentará siempre, un transistor "seleccionado" tal vez no levante tanta temperatura. (estoy hablando a menores consumos de corriente)

        La opción de faraon es válida también. Un 2N3055 en un buen disipador se bancaría esa potencia (yo tengo una fuente con dos TIP35 en paralelo) y sería otra vía de solución, pero si el espacio es reducido, el convertidor DC-DC es tu mejor opción.

        Una última pregunta: ¿En qué aplicación necesitas tanta corriente a 5Volts?

        Saludos a todos!
        Gracias por compartir este espacio!
        Mario

      • Entonces de esta manera:

        La salida del LM338 (5 Voltios) a la base del 2N3055.
        Al colector del 2N3055 llega la entrada de 12 voltios igual que la entrada del LM338
        Y desde el emisor tengo la tension regulada de 5 voltios con la corriente que maneja el 2N3055.
        Le coloco disipadores de calor tanto al regulador como al transistor. OK 😉
        Muchas gracias faraon por tu genial ayuda, voy a probarlo.

        No Mario son 5 voltios a 3 amperios, son para el sistema que te mostre una vez que tenia mucho ruido y que me indicaste lo de los filtros con los toroides. !Me funciono perfecto despues que me diste tu consejo!. Muchas gracias por sus respuestas.

        Un saludo cordial

  4. Buen articulo.

    Para el caso de Yesbond si todavia no está ducho en el tema de armar sus propias bobinas, lo mejor es usar la solucion de faraon. Un regulador monolitico de 3 terminales y un transistor de paso para manejar la corriente necesaria. Aunque no el 2N3055 ya que este tiene un maximo de 15A, y solo estas necesitando 3A… siempre hay que tener en cuenta los costos

      • TIP35 con encapsulado metálico. (Me refiero a la parte que se monta sobre el disipador) 😉
        Excelente transistor para fuentes de alimentación. Al menos a mí me ha dado muy buenos resultados siempre.

        Saludos!
        Mario

  5. Un medidor LC no vendría mal, existen por ahi unos cuantos que utilizan un pic y un oscilador con LM311, me gustaría ver la versión ""Neoteo" de uno de estos circuitos.

    Muchachos, les comento que con el tema de los inductores, no he tenido tanto problema, ordené unos cuantos con valores desde 100 uH hasta 780 (con núcleo de ferrita, especiales para aplicaciones de potencia) y con esos tengo para experimentar con corrientes en el orden de 200 a 1000 mA. Además el fabricante coilcraft envía muestras gratuitas si estamos trabajando en algún proyecto comercial y su catálogo es bastante amplio. Es cosa de perderles el miedo a los inductores.

    Me gustaría recomendarles un software que tiene Texas Instruments que puede ser de mucha utilidad, se llama Switcher Pro y básicamente nos hace todos los cálculos necesarios para nuestros reguladores de tensión y hasta nos puede entregar un reporte completo del diseño.

    Mario, ya que hablas de herramientas para el banco de trabajo me gustaría sugerirte que armaras un desarrollo de una carga de corriente constante (dummy) para probar fuentes de alimentación. Eso sería bastante útil también y no debería ser tan complicado.

    Saludos cordiales 😉

    • Hola Rubén!

      Que bueno eso que comentas del software de Texas instruments.
      Te invito a que te des una vuelta por el foro de electrónica de NeoTeo y nos cuentes un poco más sobre él.
      Lo mismo para charlar más en concreto sobre la "dummy load" que mencionas. 😉

      Además para contar con tu presencia en el foro donde todos podemos aportar nuestro granito de arena para aquellos que necesitan ayuda en materia de electrónica.

      Te esperamos!
      Saludos!
      Mario

  6. colegas estoy trabajando en una etapa de regulacion dc a dc pero los valores de entrada son mayores de 70 voltc dc pero necesito un voltaj de salida de 1.5 volt dc para trabajar un optocoplador como podria solucionar dis culpen gracias

  7. Hola Mario,
    Todos sus proyectos son muy buenos, sinceramente, uno mas útil que otro, lo único que le sugeriría con todo respeto es en cuanto a la calidad de los diagramas, por lo menos a mi se me dificulta muchísimo discernir los valores de los componentes, pines de componentes y algunas conexiones.
    Un saludo agradecido por su labor tan buena y generosa.
    PD seria muy necesario un medidor de Inductancia de alto rango, 200H o más.

  8. Hola Mario,
    Todos sus proyectos son muy buenos, sinceramente, uno mas útil que otro, lo único que le sugeriría con todo respeto es en cuanto a la calidad de los diagramas, por lo menos a mi se me dificulta muchísimo discernir los valores de los componentes, pines de componentes y algunas conexiones.
    Un saludo agradecido por su labor tan buena y generosa.
    PD seria muy necesario un medidor de Inductancia de alto rango, 200H o más.

  9. Hola Mario,
    Todos sus proyectos son muy buenos, sinceramente, uno mas útil que otro, lo único que le sugeriría con todo respeto es en cuanto a la calidad de los diagramas, por lo menos a mi se me dificulta muchísimo discernir los valores de los componentes, pines de componentes y algunas conexiones.
    Un saludo agradecido por su labor tan buena y generosa.
    PD seria muy necesario un medidor de Inductancia de alto rango, 200H o más.

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