Tener una fuente de alimentación ajustable en el banco de trabajo es extremadamente útil para quienes trabajan con electrónica.
En un momento necesitamos 12 V. Después, 9 V. En otro proyecto, quizá 5 V o una tensión diferente para probar un determinado circuito.
Una solución relativamente sencilla es aprovechar un módulo convertidor DC-DC y transformarlo en una fuente de alimentación casera ajustable.
En el vídeo de este artículo muestro una fuente que monté utilizando una placa step-down basada en el XL4016, un convertidor conmutado capaz de reducir una tensión continua de entrada a una tensión menor en la salida.
El módulo utilizado se comercializa como capaz de suministrar corrientes elevadas, llegando a aparecer en el mercado con especificaciones de hasta 9 A. Sin embargo, existe un detalle técnico importante sobre esta cifra que veremos más adelante.
¿Qué es un Convertidor Step-Down?
El propio nombre ayuda a entenderlo:
step-down = reducir.
Si tenemos, por ejemplo:
ENTRADA
24 V
↓
XL4016
↓
SALIDA
12 Vestamos reduciendo la tensión.
Este tipo de circuito también se conoce como:
convertidor buck.
La gran ventaja frente a un regulador lineal es la eficiencia.
En lugar de simplemente transformar una gran parte de la diferencia de tensión en calor, el convertidor conmutado funciona almacenando y transfiriendo energía mediante elementos como el inductor, el condensador y la conmutación electrónica.
El XL4016 es un Regulador Conmutado
El XL4016 utiliza PWM y funciona con una frecuencia fija de aproximadamente 180 kHz. La hoja de datos de XLSEMI describe el componente como un convertidor buck DC-DC de alta eficiencia y bajo rizado.
De forma muy simplificada:
DC DE ENTRADA
↓
CONMUTACIÓN
↓
INDUCTOR
↓
FILTRADO
↓
DC DE SALIDAUn circuito de control supervisa la salida y ajusta la conmutación para mantener la tensión deseada.
No es una Fuente que Aumenta la Tensión
Esto debe quedar claro.
Como estamos trabajando con un convertidor step-down, la salida debe ser inferior a la tensión disponible en la entrada.
Por lo tanto, si alimentamos el módulo con:
12 Vno debemos esperar obtener:
24 Ven la salida.
Para aumentar la tensión necesitaríamos otra topología, como un convertidor boost.
También existen módulos buck-boost, capaces de reducir y elevar la tensión en determinadas condiciones.
Transformando el Módulo en una Fuente de Banco
Lo interesante es que podemos utilizar el módulo ya montado como núcleo de la fuente.
La estructura queda aproximadamente así:
FUENTE DC
│
↓
┌──────────────┐
│ XL4016 │
│ │
│ STEP-DOWN │
└──────────────┘
│
↓
SALIDA AJUSTABLE
│
↓
CIRCUITODespués podemos añadir los elementos que hacen que el conjunto sea más práctico:
caja, bornes, potenciómetros, interruptor, display, voltímetro/amperímetro y ventilación, dependiendo de la versión que queramos construir.
El Potenciómetro Permite Ajustar la Tensión
Los módulos basados en el XL4016 normalmente utilizan un potenciómetro para ajustar la tensión de salida.
El propio CI funciona con una referencia de realimentación de aproximadamente 1,25 V, y una red resistiva externa determina la tensión regulada.
En la práctica, para el usuario, tenemos:
GIRAR POTENCIÓMETRO
↓
CAMBIAR REFERENCIA
↓
EL CIRCUITO AJUSTA EL PWM
↓
CAMBIAR TENSIÓN DE SALIDAEsto es lo que permite utilizar la misma fuente para diferentes experimentos.
Ajusta la Tensión Antes de Conectar tu Circuito
Esta es una regla sencilla que evita muchos problemas.
Imagina que ayer utilizamos la fuente para alimentar un circuito de:
12 VHoy queremos conectar un módulo de:
5 VSi simplemente conectamos el nuevo circuito sin comprobar la fuente, podemos aplicar 12 V a un equipo diseñado para 5 V.
Por lo tanto:
ENCENDER LA FUENTE
↓
MEDIR LA SALIDA
↓
AJUSTAR LA TENSIÓN
↓
COMPROBAR DE NUEVO
↓
CONECTAR LA CARGAEste pequeño hábito puede salvar muchos componentes.
Un Voltímetro en la Propia Fuente Facilita Mucho las Cosas
Podemos dejar un multímetro permanentemente conectado durante las pruebas:
XL4016 ─────── CARGA
│
└──── MULTÍMETROPero, para una fuente que se utilizará con frecuencia, es interesante incorporar un pequeño voltímetro digital de panel.
Así podemos visualizar inmediatamente la tensión de salida.
Esto transforma el módulo en algo mucho más parecido a una fuente de banco convencional.
¿Y los Famosos 9 A del Módulo XL4016?
Aquí debemos separar dos cosas:
la especificación del CI XL4016 y la especificación anunciada por el fabricante/vendedor del módulo completo.
Existen módulos comerciales basados en el XL4016 anunciados como de 9 A, incluso con pruebas publicadas en ese rango.
Sin embargo, una versión bastante difundida de la hoja de datos oficial del XL4016 especifica el componente como un convertidor de 8 A, con un límite de corriente interno típico de alrededor de 10 A.
Curiosamente, también existe una revisión más reciente de la hoja de datos oficial de XLSEMI que presenta el XL4016 como un dispositivo de 12 A, con un rango recomendado de entrada de 8 a 36 V.
Esto significa que no es prudente afirmar simplemente:
«Cualquier placa XL4016 suministra 9 A de forma continua.»
Toda la Placa Debe Soportar la Corriente
El CI es solo una parte del convertidor.
También tenemos:
XL4016
+
INDUCTOR
+
DIODO
+
CONDENSADORES
+
PISTAS DE LA PCB
+
CONECTORES
+
DISIPACIÓNTodos estos elementos deben soportar la corriente.
La hoja de datos, por ejemplo, presenta un circuito típico de aplicación funcionando a 5 V / 8 A y curvas de eficiencia hasta esa corriente.
Por lo tanto, cuando un módulo se anuncia como de 9 A, esta cifra debe entenderse dentro de las condiciones específicas de esa placa.
Corriente Máxima No Significa Corriente Disponible en Cualquier Situación
Supongamos que queremos:
Vout = 12 V
Iout = 9 ALa potencia de salida sería:
P = V × I
P = 12 × 9
P = 108 WEsto ya representa una potencia considerable para una placa pequeña.
La fuente que alimenta el XL4016 también debe ser capaz de proporcionar la energía necesaria.
Si hipotéticamente tenemos una eficiencia del 90 %:
Pentrada ≈ 108 / 0,90
Pentrada ≈ 120 WNo sirve de nada utilizar una fuente de entrada de 30 W y esperar obtener continuamente más de 100 W en la salida.
La Eficiencia es una de las Grandes Ventajas
La hoja de datos presenta una eficiencia de aproximadamente 87 % en 12 V → 5 V / 6 A y alrededor de 93 % en 24 V → 12 V / 6 A, en las condiciones de prueba especificadas.
Esto es mucho mejor que desperdiciar toda la diferencia de tensión en un regulador lineal.
Aun así:
una eficiencia del 90 % no significa ausencia de calor.
Si tenemos:
100 W de entraday:
90 W de salidaaproximadamente:
10 Wse están perdiendo.
Gran parte de estas pérdidas termina apareciendo en forma de calor en los componentes.
La Disipación de Calor Sigue Siendo Importante
Es común encontrar módulos XL4016 con disipadores de calor.
No están ahí solo por estética.
Cuando aumentamos la corriente, componentes como:
el CI, el diodo y el inductor
pueden calentarse considerablemente.
Por eso, si pretendemos trabajar con corrientes elevadas durante períodos prolongados, debemos controlar la temperatura.
Este tema está directamente relacionado con la prueba que realizamos en el artículo sobre disipadores de calor y medición de temperatura en componentes electrónicos.
Un Pequeño Ventilador Puede Ayudar
Dependiendo del montaje, podemos utilizar:
ENTRADA DE AIRE
↓
XL4016
↓
VENTILACIÓN
↓
SALIDA DE AIRELa ventilación forzada puede reducir la temperatura de los disipadores y de otros componentes.
Pero existe una regla importante:
un ventilador no corrige un circuito eléctricamente subdimensionado.
Forma parte de la gestión térmica, no es una forma de transformar cualquier módulo en una fuente de potencia ilimitada.
La Limitación de Corriente es Extremadamente Útil en una Fuente
Algunas placas XL4016 comercializadas como módulos de fuente ajustable tienen, además del ajuste de tensión, control de corriente.
Cuando está disponible, esta función es muy interesante para una fuente de banco.
Entonces tenemos dos controles:
CV → CONSTANT VOLTAGE
tensión constante
CC → CONSTANT CURRENT
corriente constanteEn funcionamiento normal, la fuente puede trabajar manteniendo la tensión establecida.
Cuando la carga intenta consumir más que el límite ajustado, actúa el control de corriente.
¿Por Qué Limitar la Corriente?
Imagina que estamos probando por primera vez un circuito que debería consumir:
100 mAPodemos establecer un límite próximo al valor esperado.
Si existe algún error y el circuito intenta consumir:
2 Ala limitación de corriente puede ayudar a evitar daños.
Es una característica extremadamente útil durante:
el montaje, el mantenimiento y el desarrollo de prototipos.
Atención: No Todos los Módulos XL4016 Tienen las Mismas Funciones
Existen muchas placas diferentes que utilizan este CI.
Algunas tienen:
solo ajuste de tensión.
Otras ofrecen:
tensión + corriente.
Algunas tienen:
display.
Otras incluyen:
disipadores más grandes o ventilación.
Por lo tanto, no debemos concluir que todos los módulos llamados «XL4016» son eléctricamente idénticos.
XL4016 identifica principalmente el circuito integrado utilizado, no una única placa estandarizada.
¿Qué Tensión Podemos Obtener?
En una revisión ampliamente disponible de la hoja de datos, el XL4016 está especificado para una entrada de entre 8 y 40 V y una salida ajustable de aproximadamente 1,25 a 36 V, respetando siempre la naturaleza step-down del circuito.
Pero la placa completa puede establecer límites diferentes.
Además, se necesita una pequeña caída mínima entre la entrada y la salida.
Por lo tanto, no debemos esperar aplicar exactamente:
12,00 Ven la entrada y conseguir:
12,00 Vperfectamente regulados en la salida con cualquier carga.
Para una fuente ajustable, normalmente utilizamos una tensión de entrada suficientemente superior a la mayor tensión que pretendemos obtener.
¿Puedo Alimentarlo con un Transformador?
No directamente desde la salida AC del transformador.
El XL4016 es un convertidor:
DC → DC.
Si partimos de un transformador convencional, primero necesitamos:
RED AC
↓
TRANSFORMADOR
↓
RECTIFICACIÓN
↓
FILTRADO
↓
TENSIÓN DC
↓
XL4016
↓
SALIDA DC AJUSTABLEEn este caso también entran en juego cuestiones de aislamiento y seguridad con la tensión de red.
Una alternativa más sencilla para muchos proyectos es utilizar una fuente DC aislada ya preparada para alimentar el módulo step-down.
Podemos Reutilizar una Fuente DC
Por ejemplo, si tenemos una fuente adecuada de:
24 V DCpodemos utilizarla como entrada y crear una fuente ajustable para tensiones inferiores:
24 V DC
↓
XL4016
↓
1,25 V ... < 24 Vrespetando los límites y el margen necesario del módulo.
Esto puede ser muy útil en el banco de trabajo.
Una Caja Hace que el Proyecto Sea Mucho Más Práctico
Una vez que el circuito está funcionando, podemos instalarlo en un gabinete.
En el panel frontal podemos tener:
┌────────────────────────────┐
│ │
│ 12,00 V │
│ │
│ VOLTAJE CORRIENTE │
│ ○ ○ │
│ │
│ + - │
│ ● ● │
│ │
└────────────────────────────┘Los potenciómetros originales de la placa incluso pueden sustituirse o adaptarse para disponer de controles accesibles desde el exterior, siempre que la modificación se realice correctamente.
Esto transforma un pequeño módulo electrónico en un equipo mucho más agradable de utilizar.
Los Bornes de Salida También Ayudan
Podemos instalar bornes tipo banana:
ROJO → positivo
NEGRO → negativoAsí podemos utilizar:
cables banana, pinzas de cocodrilo o adaptadores.
Para quienes realizan experimentos con frecuencia, esto es mucho más práctico que estar atornillando cables directamente al terminal de la placa.
Un Fusible es una Protección Sencilla e Interesante
Dependiendo de la construcción, podemos añadir una protección adecuada en la entrada.
El fusible debe dimensionarse teniendo en cuenta:
corriente, tensión, tipo de carga y características de la fuente.
No sustituye las protecciones electrónicas del convertidor, pero puede añadir una capa de protección al conjunto.
El XL4016 incluye internamente funciones como limitación de corriente, protección térmica y protección contra cortocircuitos descritas por el fabricante.
Prueba la Fuente Antes de Confiar en Ella
Después del montaje, no basta con observar:
«La tensión aparece en el display.»
Yo realizaría una secuencia de pruebas:
SIN CARGA
↓
MEDIR TENSIÓN
CARGA PEQUEÑA
↓
MEDIR TENSIÓN Y CORRIENTE
AUMENTAR LA CARGA
↓
OBSERVAR LA REGULACIÓN
MANTENER EN FUNCIONAMIENTO
↓
MEDIR TEMPERATURAEsto ayuda a descubrir el comportamiento real de tu placa, y no solo lo que estaba escrito en el anuncio del vendedor.
Mira la Fuente Casera en el Vídeo
En el vídeo a continuación muestro mi fuente de alimentación casera utilizando una placa step-down XL4016, una solución muy útil para el banco de electrónica.
La gran ventaja de este tipo de proyecto es que podemos utilizar un módulo ya preparado para resolver la parte más compleja de la conversión y concentrar nuestro trabajo en construir una herramienta adecuada a nuestras necesidades.
¿Vale la Pena Construir una Fuente con el XL4016?
Para una fuente auxiliar de banco, considero que es una solución bastante interesante.
Tenemos:
MÓDULO DE BAJO COSTE
+
TENSIÓN AJUSTABLE
+
BUENA EFICIENCIA
+
CORRIENTE ELEVADA
+
CAJA + BORNES + DISPLAY
↓
FUENTE ÚTIL PARA EL BANCOPero hay una conclusión importante:
no debemos dimensionar la fuente basándonos únicamente en el número de amperios indicado en el anuncio del módulo.
Si la placa se anuncia como de 9 A, esto no significa automáticamente que podamos exigir 9 A de forma continua con cualquier tensión, temperatura o condición de ventilación.
Debemos tener en cuenta la placa específica, la fuente de entrada, la potencia, los componentes utilizados y la disipación térmica.
De este modo, una placa basada en el XL4016 puede convertirse en una fuente ajustable extremadamente útil para experimentos, pruebas y proyectos electrónicos.
Para explorar otros contenidos sobre fuentes ajustables, reguladores de tensión, rectificación, filtrado y convertidores, visita también la sección de Fuentes y Alimentación.