Advertencia: Esta fuente fue realizada estrictamente como un experimento. No recomiendo que se haga «casera» bajo ninguna circunstancia: no existe motivo técnico ni económico para diseñar una fuente desde cero para un proyecto hobby. Las fuentes conectadas a la linea pueden ser mortales.
Una fuente conmutada, también conocida como fuente switching, o SMPS, es un tipo de fuente que utiliza un inductor como parte del circuito de regulador de energía.
El circuito mas sencillo es el Buck Converter, que se puede ver aquí:
El funcionamiento es algo contraintuitivo al principio, pero tiene sentido una vez que se entiende. Todo gira alrededor de el switch, indicado por S, que en la vida real, es un transistor.
- Cuando el switch S esta cerrado, se permite circulacion de corriente desde VI, a traves de L, a la carga R. Cuando esto pasa, se forma un campo magnético a través del inductor L.
- Cuando el switch S esta abierto, el campo magnético alrededor del inductor L colapsa, se induce sobre el mismo inductor, y se vuelve una corriente eléctrica. El voltaje intentará ir hacia ambos extremos del inductor, pero al encontrarse con el diodo D en inversa, se verá forzado a ir en el otro sentido, alrededor de la carga, y por fin a través de D (esta vez en directa), completando el circuito.
Este es el principio básico de funcionamiento de toda SMPS: el switch S conmuta a una alta velocidad, enviando pulsos a través de la bobina L, que funciona como una especie de «batería magnética» que se carga y descarga todo el tiempo. Mientras mas alto sea el tiempo de carga de la bobina L, mayor será el voltaje de salida.
Ademas, la bobina L junto al capacitor C, forman un filtro LC, que funciona como filtro pasa bajos: se eliminan los pulsos de alto voltaje (recordemos que la entrada puede ser muy superior a la salida), y el voltaje de salida es mas estable. Con un diseño correcto, la oscilacion puede ser de unos pocos milivolts. No será adecuado para audio, pero para circuitos digitales es mas que suficiente.
Obviamente, el circuito se completa con un controlador, que module los pulsos del switch para mantener el voltaje constante, contra un voltaje de referencia. Variando el voltaje de referencia, se puede variar el voltaje de salida. Modulando el voltaje de referencia, obtendremos un amplificador de audio de Clase D, pero esto es para otro posteo.
Fuentes aisladas
Como se puede observar, la fuente no tiene ningun tipo de aislación. No es apta para conectar a la línea (existen ciertos casos donde es posible utilizar una fuente no aislada, por ejemplo, en un foco LED, algo que el usuario jamás podrá tocar y electrocutarse). Pero si deseamos que nuestro circuito sea aislado, podemos hacerlo muy facilmente con una pequeña modificación:
Esta configuración se denomina fly-back. Se reemplaza el inductor por un transformador. El diodo pasa a tener una configuracion de rectificador mas similar a la tradicional. Básicamente, es una fuente a transformador comun y corriente, pero que funciona a alta frecuencia.
De hecho, mientras mayor sea la frecuencia de operacion, menor es el tamaño (físico) para un transformador. Por esto, los aviones utilizan una frecuencia de linea de 440Hz en lugar de las residenciales de 50 o 60Hz, ya que les permite disminuir notablemente el tamaño del transformador (y el peso del avion).
El VIPer28
El controlador que elegi para el proyecto es un viejo conocido: el VIPer28 de ST. Este es el circuito de aplicación, disponible en el datasheet:
Vemos claramente el transformador y el esquema basico de flyback, pero tambien se agrega un optoacoplador, y un bobinado adicional.
El optoacoplador es el bucle de control: el LED del optoacoplador se encenderá al alcanzar el voltaje, y se apagará cuando no sea suficiente. El controlador, en su entrada FB, intentará siempre mantener un voltaje constante (filtrado por el capacitor). Si se pasa, el LED del optoacoplador brillará mas intensamente, el fototransistor aumentará su corriente, y el voltaje en el pin FB bajará, lo que obligará al controlador a reducir el ancho de los pulsos PWM.
Si por el contrario, el voltaje disminuye demasiado, el pin FB subirá de voltaje, y el controlador aumentará el ancho de pulsos. Como vemos, es un equilibrio muy delicado. Obviamente, al poner carga en la fuente, el voltaje caera, y el controlador responderá ampliando los pulsos. Lo mismo ocurrirá si se cambia el voltaje de entrada. En fin, el controlador buscará siempre mantener el equilibrio.
Respecto del segundo bobinado, observamos que posee, al igual que el principal, un diodo y un capacitor: es realmente otra fuente switching, pero que se utiliza para alimentar al CI VIPer28.
De hecho, el «truco» de utilizar varios bobinados se usa en ciertas fuentes de alimentacion. Por ejemplo, en las fuentes de PC, se usaba esta configuración para los multiples voltajes que la fuente posee: 12, 5, 3.3, -5, -12V. ¿Como que -5? Bueno, cada salida es aislada e independiente de la otra. Simplemente se conecta «al reves» una de las salidas, y esta entregará un voltaje negativo.
Cabe aclarar que solo podemos tener un pin de feedback: solo uno de los voltajes será preciso. Los otros voltajes variarian: si aumenta la carga en el voltaje principal, el voltaje principal se mantiene constante por la reaccion del controlador, pero los otros voltajes aumentarán. Esto debe considerarse en el diseño del equipo.
El transformador
El problema con este tipo de fuentes es que no es común encontrar los transformadores correctos para la aplicación en cualquier tienda. Existen pero se venden en grandes volúmenes, a pedido. Entonces no nos queda mas remedio que armar el nuestro. Aquí estoy bobinando el transformador a medida:
El transformador lo arme sobre… un transformador de SMPS viejo. Fue reciclado de una placa de un TV que no funcionaba. Tiene los 3 bobinados: primario, secundario, y auxiliar. En el datasheet se detalla como calcular esto.
El transformador finalizado, con sus 6 cables de conexión, listo para las pruebas.
El circuito
Aqui podemos observar el diagrama. Arriba a la izquierda, el filtro de ruido para evitar interferencias. A continuacion, un puente rectificador, y un diodo (exactamente igual que en una fuente de alimentacion, solo que este puente tiene el voltaje de la linea multiplicado por Raiz cuadrada de 2: para 220V, son aproximadamente 310V. Los capacitores de entrada se suelen diseñar para 600V en circuitos de 220-240V).
Este es el diseño de la PCB. En realidad, este diseño no superaría una inspeccion por una agencia de seguridad electrica (como TÜV o UL), entre otros motivos, porque las pistas de alto voltaje, innecesariamente gruesas, que van al capacitor C2, no tienen distancia suficiente y existe posibilidad de que se formen arcos eléctricos.
Aquí la fuente finalizada, entregando 5V y 1A a la salida. El ripple fue el esperado, con menos de 50mVpp bajo carga.
Conclusiones
Este artículo no trata de ser un instructivo, NO recomiendo bajo ninguna manera que hagan este circuito. Un cargador de celular comun y corriente es mas eficiente, menos costoso, y menos peligroso que este antiguo diseño de fuente switching. Siempre recomiendo que usen cargadores de celular, o para algo mas profesional, una fuente modular como los HiLink HLK-PM01:
Esta fuente es capaz de entregar 600mA a 5V, y existe un modelo de 3.3V 1A. Mide 20x35mm y sirve perfectamente (solo debemos complementarla con un varistor y un diodo externo). Y se suelda a la PCB dandole un aspecto muy profesional.