Recomendaciones para el diseño adecuado de una Fuente de Voltaje

Al diseñar nuestros circuitos nos encontramos con diversos problemas, uno de los más frecuentes es utilizar una fuente de voltaje adecuada para nuestra aplicación, debemos cumplir con los requisitos adecuados al circuito que vamos a alimentar, un mal diseño en la fuente hace que nuestro circuito no funcione.

Voltaje adecuado

La primera condición que buscamos cumplir es contar con el voltaje adecuado, la mayoría de las veces buscaremos una fuente de voltaje constante, en la electrónica es muy común utilizar 5V, 9V, 12V, 3.3V ó 24V, o fuentes simétricas que llevan valores positivos y negativos, usualmente de la misma magnitud, por ejemplo ±12V, muy usado para OPAMPs.

78xx_a-01

La solución para muchos casos es utilizar un regulador de la familia 78XX para voltajes positivos o de la familia 79XX para voltajes negativos. En caso de necesitar un voltaje variable es común utilizar un LM317 o LM337, que con una simple configuración de resistores podemos ajustar el voltaje de salida de este regulador.

Corriente adecuada

La siguiente condición a cumplir es la corriente, y usualmente aquí es cuando solemos tener problemas, la situación puede ser o muy sencilla o muy complicada, si tu aplicación requiere menos de 500mA sin problema podemos usar los reguladores anteriores, pero si nuestro circuito necesita más de 500mA esto se puede complicar, y el problema es el calor.

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Cuando se tiene una aplicación de demasiada corriente el problema es que el calor impide funcionar de manera adecuada al regulador y el resultado más común es que se cae el voltaje al no poder suministrar toda la potencia necesaria.

Existen diferentes soluciones que podemos aplicar de acuerdo al tipo de solución al que nos enfrentamos:

Suministrar una corriente alta durante un periodo de tiempo corto

Éste es el problema más fácil de solucionar, si tu circuito tiene elementos que requieren una gran cantidad de corriente al momento de arrancar el sistema, como motores por ejemplo, entonces la solución es simplemente colocar un capacitor grande en la salida de voltaje.

capacitorfuente

La explicación es simple, el capacitor tiene dos ventajas, es capaz de almacenar energía de modo que puede proporcionar corriente al circuito, y la otra ventaja es que la velocidad con la que proporciona esta corriente (Slew Rate) suele ser mayor que la de los reguladores de voltaje.

Entonces cuando el sistema requiere una gran cantidad de corriente, de manera rápida y durante un periodo corto de tiempo, el capacitor es capaz de proporcionarla, la corriente del capacitor se une a la del regulador de voltaje para poder alimentar el sistema.

Por eso es que las fuentes de computadora tienen tantos capacitores en sus fuentes.

Suministrar una cantidad grande de corriente de manera constante (mayor a 1A)

En este caso el sistema consume una cantidad considerable de corriente de manera constante, en este caso hay dos opciones, usar un regulador lineal con un disipador muy grande, o utilizar una fuente conmutada.

El problema de los reguladores lineales, cómo el 7805 ó LM317, es que para disminuir el voltaje de entrada al voltaje que deseamos en la salida lo que en realidad hace es convertir esa energía en calor, entonces cuando la diferencia de voltaje de entrada respecto al voltaje de salida es grande lo que hace nuestro regulador es calentarse mucho porque está convirtiendo toda esa energía en calor.

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Para ayudar a disipar todo ese calor lo que necesitamos es colocar un disipador, la potencia que tiene que disipar el regulador es:

P = I_{salida} * (V_{salida} - V_{entrada})

Las fuentes conmutadas para los que no las conocen son circuitos que funcionan como los reguladores de voltaje, también son conocidos cómo convertidores de DC a DC y la ventaja es que son mucho más eficientes.

Las fuentes conmutadas utilizan un sistema basado en PWM para hacer más eficiente la alimentación del circuito, su eficiencia usualmente es mayor al 85%, de modo que es una gran opción, entonces la duda es ¿por qué no usamos siempre fuentes conmutadas? Porque son más difíciles de diseñar, utilizan bobinas que suelen aumentar el espacio y el costo.

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¿Cuándo es recomendable usar fuentes conmutadas? Cuando tu sistema consuma una cantidad de corriente mayor a 1A.

Éste sin duda es un tema interesante y extenso, en caso de haberte interesado te recomendamos el siguiente documento redactado por Linear Technology, fabricante de circuitos integrados, en el que se explica la comparativa a detalle de las fuentes lineales y las fuentes conmutadas.

Basic Concepts of Linear Regulator and Switching Mode Power Supplies

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