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Fuentes de alimentación Step Down

Las fuentes de alimentación conmutadas o Switching power

Fuentes de alimentación Step Down

 

 
    • Presentar las fuentes de alimentación conmutadas Step Down o buck converters.
    • Mostrar las diferencias de funcionamiento con un regulador lineal y su mejora de rendimiento.
    • Conocer el integrado LM2596S, muy típico en las pequeñas fuentes de podemos incluir en nuestros proyectos con Arduino.
    • Presentar un par de fuentes Step Down basadas en el LM2596S típicas en las fuentes conmutadas disponibles para nuestros Arduinos. .

 

Material requerido.

Vista lateralUna fuente de alimentación conmutada StepDown

Volviendo a las fuentes de alimentación

 

Hemos dedicado ya varias sesiones al tema de las fuentes de alimentación. Hemos visto un poco por encima las bases de cómo se convierte la corriente alterna a continua y también hemos hablado de los reguladores de tensión como el LM7805 que incluyen vuestros Arduinos y el tipo de fuentes ATX que vienen en vuestros PCs y casi en cualquier electrónica de una cierta potencia que uséis.

¿Entonces qué necesidad hay de volver a hablar de las fuentes de alimentación? ¿Por qué hay tantos tipos? ¿De verdad son tan importantes?

Para empezar todos vuestros cacharritos electrónicos usan una fuente de alimentación para funcionar, de la vez que menos para cargar las baterías, y son como la comida para los que me aguantáis leyendo esto.

Y al igual que no a todos nos gustan los mismos alimentos, tampoco hay una comida ideal que sirva para todo. Una buena alimentación depende de muchas cosas, como si quieres engordar o adelgazar. Si estas en crecimiento o ya estas desarrollado (En cuyo caso ya solo creces a lo ancho)

Si vas a hacer una expedición, diseñar la comida que vas a llevar es una parte crítica de ella. Depende de que a dónde vas haya fuentes adicionales de suministro o no, del peso que puedas cargar o si lo dispones de vehículos suficientes para transportarla, etc., etc.

Lo mismo pasa con la alimentación de la electrónica. No hay una solución buena para todo, depende de muchos factores definidos por el proyecto que estas desarrollando, ya que no es lo mismo desperdiciar energía con un circuito enchufado a la red que si va con baterías.

Imagínate un coche eléctrico que va con baterías gobernado por Arduino a 5V, si sus motores son de 12V (Lo que no es raro) ¿Tengo que poner dos tipos de baterías a 12 y a 5V? eso supone duplicar el peso.

Son este tipo de preguntas las que nos llevan a diseñar fuentes de alimentación diferentes para cada tipo de problemas, porque la solución óptima no es única, sino que depende del proyecto en cuestión.

Por eso (y porque nos va el rollo) vamos a dedicar esta sesión a ver que hay ofertas muy diferentes de fuentes de alimentación en el mercado dependiendo de vuestras necesidades y es importante elegir la correcta cuando vayáis a poner en marcha un invento. Porque desde luego, no dudéis que vais a necesitarlas, ya lo creo.

 

Tipos de fuentes de alimentación

 

Hasta ahora hemos visto los reguladores lineales en alguna sesión previa y hemos usado las fuentes ATX de PC sin entrar mucho en detalles, que son de un tipo completamente diferentes llamadas fuentes conmutadas (Switching Power Supplies)

Vimos que los reguladores lineales como el LM7805, son de lo más fáciles de usar con circuitos como este:

Regulador de 5V

Son fáciles de montar, porque usan unos pocos componentes, son baratos y eficaces. ¿Por qué complicarnos la vida con otros tipos de fuentes? La razón es sencilla: Son muy poco eficientes.

Para unos se trata de salvar el planeta y sus bosques y para otros de conseguir que la batería dure el máximo, pero tenéis que entender que un regulador lineal de tensión, no se diseña pensando en las ballenas sino en el precio, e incorporan la suposición implícita de que el suministro de energía es inagotable y no nos preocupa.

Básicamente un regulador de tensión que recibe 12V y nos entrega a la salida 5 V, como el de nuestros Arduinos, reduce la tensión a base de eliminar en forma de calor la tensión sobrante. Eso significa que un regulador 12/5 V como el mencionado desperdicia en forma de calor 7/12 % de la energía consumida o sea que su rendimiento energético es de 5 /12 = 41%

No es que los diseñadores odien a las ballenas. Simplemente hay muchas aplicaciones de baja necesidad en las que esto no es importante y es algo admisible, especialmente en muy baja potencia.

Pero en cuanto la potencia en juego empiece a crecer, esto se irá haciendo rápidamente inaceptable por dos motivos: El desperdicio energético (Por lo que cuesta, que les den a las ballenas) y por otro motivo peligroso. Cuando el desperdicio en calor es alto, las cosas electrónicas tiende a quemarse con riesgo para los circuitos y además hay que gasta el dinero en costosos radiadores térmicos que ayuden a evitar los problemas asociados, lo que encima hace crecer el tamaño del producto final.

Por eso necesitamos una solución un poco más elegante, que nos ahorre tela (Y nos permite fardar con los colegas sobre las ballenas y los bosques que salvas) y como ya adivináis, hay cantidad de gente lista por ahí, pensando como vendernos la solución verde a  un precio módico.

La solución son las fuentes conmutadas o Switching Power Supplies.

 

Las fuentes conmutadas

 

Necesitamos un sistema un poco más elaborado que un sencillo regulador para conseguir una fuente de alimentación más eficiente en todos los sentidos.

  • El objetivo es que el rendimiento energético sea sensiblemente mejor que el de un regulador
  • Que el calor generado sea mínimo (Implícito en la condición previa)
  • Que el tamaño sea pequeño.

Y para eso se inventan las fuentes conmutadas. Son más complicadas que los reguladores, pero se compran hechas (Bien) y a cambio las podemos usar como bloques de utilidad listas para su uso. Su esquema general es algo así:

Esquema general

Fijaros en la entrada a la izquierda de la imagen tenemos un puente rectificador de diodos y filtro como el que vimos en el capítulo previo, para rectificar la tensión en grueso y después tenemos el Switching transistor que es el que da el nombre a este tipo de fuentes.

 
  • El puente rectificador solo tiene sentido si vamos a usar tension alterna en la entrada, y es superfluo para fuentes DC-DC.  
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Si le ponemos en la base del transistor una señal de pulsos, como la de un PWM de Arduino, obtendremos una salida cuadrada como se ve en la señal en verde arriba.

De algún modo usamos el transistor para conmutar rápidamente la conducción de tensión y mediante la señal de control podemos hacer más o menos anchos los pulsos de conducción.

El resultado final es que la tensión eficaz generada depende de la anchura de esos pulsos para una tensión de base dada y jugando con ello podemos hacer que una señal de digamos 100V de continua a la entrada del Switching transistor se vea a la salida como una corriente de 12 V, con un defecto grave que no es continua, sino cuadrada como la señal verde.

Pero eso tiene fácil remedio, con un filtro con inductancia más condensador, como se ve en la segunda parte del circuito (O FlyWheel).

Para los que no estéis acostumbrados a la electrónica, una inducción es capaz de almacenar energía que entra en forma eléctrica en un campo magnético y liberarla poco a poco cuando la corriente desparece.

Como ni la carga, ni la descarga es instantánea, sino que requiere su tiempo, diseñando adecuadamente el valor de la inducción y del condensador podemos lograr procesos de carga y descarga suaves que hacen suavizarse mucho la señal de salida, cuya imagen esta dibujada en rojo.

Al circuito que realiza esto se le llama FlyWheel (Volante) porque se comporta como cuando empujas una de esas ruedas giratorias en las que subes a los niños. Aunque dejes de empujar la rueda sigue girando (Con el niño a cuestas) porque el sistema ha almacenado energía inercial con tus pequeños impulsos (Y por eso al principio cuesta bastante más iniciar el movimiento)

Pero una vez en marcha, pequeños toques mantienen el giro casi sin esfuerzo y es importante comprender que la velocidad de giro depende del número de toques por segundo con que impulsas la rueda y de la fuerza de estos.

Lo mismo pasa en un circuito como el que describimos arriba. La frecuencia de conmutación determina cuantas veces dejamos pasar la tensión de la entrada a la salida, y la anchura de los pulsos determina que porcentaje del tiempo mantenemos el “empuje eléctrico”, modificando la tensión eficaz de salida.

Cuando el transistor conduce, es la tensión exterior la que mueve el circuito y carga el campo magnético de la inducción L1.

Transistor on

Cuando el transistor corta la tensión, el campo de la inducción colapsa y libera su energía en forma de corriente eléctrica mientras el diodo permite la conducción, cerrando el así el circuito y manteniendo la tensión en la salida.

Transistor OFF

El circuito de FlyWheel hace el equivalente a la inercia de la rueda, almacenando y liberando energía para suavizar la salida.

El resultado es que la tensión continua de la salida es bastante estable y con un nivel regulable en función de la anchura de los pulsos del transistor de regulación. De este modo podemos generar una tensión de salida, variable y regulada a nuestro antojo, siempre y cuando sea menor a la de entrada (y algo más por las pérdidas internas)

Este tipo de circuitos reciben el nombre de fuentes conmutadas, convertidores Buck (Buck converters), o fuentes Step Down (De escalón de bajada) y son la base de las fuentes ATX cuyo uso ya vimos en alguna sesión previo.

Como el transistor permite o corta la corriente de entrada, cuando no hay conducción no hay consumo de energía, y por eso la eficiencia de estas fuentes alcanzan niveles de hasta el 90% en la conversión.

 

Reguladores lineales vs Fuentes conmutadas

 

Para decidir cómo alimentar tus proyectos debes tener en cuenta un par de ideas básicas.

Es importante saber que la eficiencia típica de un regulador lineal suele ser de un 40% y puede caer hasta un 15% con facilidad, por eso nunca deberían usarse en proyectos que funcionen a baterías, frente a un 85% típico de una fuente conmutada.

Las fuentes conmutadas son recomendables siempre que usemos circuitos alimentados por baterías, pero imprescindibles cunado el consumo aumenta por encima de más o menos medio amperio, porque el calor generado, y su evacuación,  empezaran a dar problemas que irán complicándose cada vez más.

Recuerda también que una fuente conmutada, por su propia naturaleza siempre disminuye el nivel de tensión entrada y no puede usarse para que la tensión de salida sea mayor que la de entrada.

 
  • Una fuente DC que dé a su salida una tensión mayor que a la entrada, es una fuente del tipo Boost, o Boost converter, o tambien una fuente Step UP de las que hablaremos en otra sesión próxima.  

En general el mercado nos provee de multitud de circuito montados con fuentes conmutadas y aunque son algo más caras que los simples reguladores lineales, los precios han caído tanto (Que gran cosa es Internet y la competencia) que por unos pocos euros consigues un Buck converter de calidad.

Vamos a echar un vistazo a algunos de ellos para que sepáis lo que podéis buscar.

 

Fuentes Step Down con LM2596S

 

Muchos de los circuitos Step Down disponibles se basan en un chip integrado llamado LM2596S que constituye la base del circuito de Switching de la fuente.

Switching converter

El LM2596S dispone una referencia interna de 150Khz para la base de conmutación del transistor interno y contiene la base de una fuente conmutada. Bastan unos pocos componentes externos para montarlos (El filtro de entrada y el FlyWheel), pero siempre es más cómodo (Y normalmente más barato) comprar una breakout que venga ya montada con todo lo necesario, como esta que tenemos en nuestra tienda: LM2596S DC – DC Step Down

Fuente de alimentacion conmutada

Son módulos sencillos que por unos pocos euros te permite incluir en tus diseños una fuente Step Down lista para usar. Tiene una entrada IN y una salida OUT, y listo.

Puedes regular la tensión de salida con el potenciómetro integrado que ves en azul. Este módulo, en concreto, soporta tensiones de entrada entre 4 y 40 VDC y puede darte a la salida desde 1.5V hasta unos 37 VDC, con un rendimiento excelente.

Pueden proporcionar 2 Amperios estables y llegar puntualmente hasta los 3 Amperios, pero para mantenerlos necesitaras un disipador, por lo que ya son capaces de alimentar cosas como pequeños y no tan pequeños  motores.

Son muy interesantes para los proyectos en los que quieras usar un Arduino con baterías, porque puedes poner la salida a 5V (o 3.3V) y alimentar directamente los pines Vin de tu Duino, con lo que extenderás mucho la duración de estas.

Para el vídeo de demostración voy a usar este otro modulo que además dispone de un pequeño medidor de tensión y display, que nos facilita mucho la vida para ajustar la tensión de salida.

Vista principal

Es el mismo convertidor StepDown con un display y añadido además de un medidor de tensión de buena resolución lo que nos ahorra andar con el tester midiendo.

Aquí os dejo ese vídeo.

 

 

Resumen de la sesión

 

 

    • Hemos visto que una fuente conmutada funciona conceptualmente de un modo muy diferente a un regulador lineal.
    • Vimos porque su rendimiento es mucho mejor que los reguladores lineales y las razones por las que a medida que aumenta la potencia, estos van perdiendo atractivo.
    • Presentados uno de los típicos integrados que se usan en este tipo de fuentes el LM2596S.
    • Vimos un par de modelos disponibles para nuestros propios proyectos.