Fonte de Alimentação Caseira com XL4016: Como Fazer uma Fonte Ajustável Step-Down

Ter uma fonte de alimentação ajustável na bancada é extremamente útil para quem trabalha com eletrônica.

Em um momento precisamos de 12 V. Depois, 9 V. Em outro projeto, talvez 5 V ou uma tensão diferente para testar determinado circuito.

Uma solução relativamente simples é aproveitar um módulo conversor DC-DC e transformá-lo em uma fonte de alimentação caseira ajustável.

No vídeo deste artigo mostro uma fonte que montei utilizando uma placa step-down baseada no XL4016, um conversor chaveado capaz de reduzir uma tensão contínua de entrada para uma tensão menor na saída.

O módulo utilizado é comercializado como capaz de fornecer correntes elevadas, chegando a aparecer no mercado com especificações de até 9 A. Entretanto, existe um detalhe técnico importante sobre esse número que veremos adiante.

O que é um conversor step-down?

O nome já ajuda a entender:

step-down = reduzir.

Se temos, por exemplo:

ENTRADA
  24 V
   ↓
XL4016
   ↓
SAÍDA
  12 V

estamos reduzindo a tensão.

Esse tipo de circuito também é conhecido como:

buck converter.

A grande vantagem em relação a um regulador linear é a eficiência.

Em vez de simplesmente transformar uma grande quantidade da diferença de tensão em calor, o conversor chaveado trabalha armazenando e transferindo energia através de elementos como indutor, capacitor e chaveamento eletrônico.

O XL4016 é um regulador chaveado

O XL4016 utiliza PWM e trabalha com frequência fixa de aproximadamente 180 kHz. O datasheet da XLSEMI descreve o componente como um conversor buck DC-DC de alta eficiência e baixo ripple.

De forma bastante simplificada:

DC DE ENTRADA
      ↓
 CHAVEAMENTO
      ↓
   INDUTOR
      ↓
 FILTRAGEM
      ↓
DC DE SAÍDA

Um circuito de controle monitora a saída e ajusta o chaveamento para manter a tensão desejada.

Não é uma fonte que aumenta a tensão

Isso precisa ficar claro.

Como estamos trabalhando com um conversor step-down, a saída precisa ser inferior à tensão disponível na entrada.

Portanto, se alimentarmos o módulo com:

12 V

não devemos esperar obter:

24 V

na saída.

Para aumentar tensão precisaríamos de outra topologia, como um conversor boost.

Existem ainda módulos buck-boost, capazes de trabalhar com redução e elevação em determinadas condições.

Transformando o módulo em uma fonte de bancada

O interessante é que podemos utilizar o módulo pronto como o núcleo da fonte.

A estrutura fica aproximadamente:

FONTE DC
   │
   ↓
┌──────────────┐
│    XL4016    │
│              │
│  STEP-DOWN   │
└──────────────┘
       │
       ↓
 SAÍDA AJUSTÁVEL
       │
       ↓
    CIRCUITO

Depois podemos acrescentar os elementos que tornam o conjunto mais prático:

caixa, bornes, potenciômetros, chave, display, voltímetro/amperímetro e ventilação, dependendo da versão que desejamos construir.

O potenciômetro permite ajustar a tensão

Módulos baseados no XL4016 normalmente utilizam um potenciômetro para ajustar a tensão de saída.

O próprio CI trabalha com uma referência de feedback de aproximadamente 1,25 V, e uma rede resistiva externa determina a tensão regulada.

Na prática, para o usuário, temos:

GIRAR POTENCIÔMETRO
        ↓
ALTERAR REFERÊNCIA
        ↓
CIRCUITO AJUSTA PWM
        ↓
ALTERAR TENSÃO DE SAÍDA

Isso é o que permite utilizar a mesma fonte para diferentes experiências.

Ajuste a tensão antes de conectar seu circuito

Essa é uma regra simples que evita muitos problemas.

Imagine que utilizamos a fonte ontem para alimentar um circuito de:

12 V

Hoje queremos conectar um módulo de:

5 V

Se simplesmente conectarmos o novo circuito sem verificar a fonte, podemos aplicar 12 V a um equipamento projetado para 5 V.

Portanto:

LIGAR A FONTE
      ↓
MEDIR A SAÍDA
      ↓
AJUSTAR A TENSÃO
      ↓
CONFERIR NOVAMENTE
      ↓
CONECTAR A CARGA

Esse pequeno hábito pode salvar muitos componentes.

Um voltímetro na própria fonte facilita bastante

Podemos deixar um multímetro permanentemente conectado durante os testes:

XL4016 ─────── CARGA
   │
   └──── MULTÍMETRO

Mas, para uma fonte que será utilizada frequentemente, é interessante incorporar um pequeno voltímetro digital de painel.

Assim conseguimos visualizar imediatamente a tensão de saída.

Isso transforma o módulo em algo muito mais próximo de uma fonte de bancada convencional.

E os famosos 9 A do módulo XL4016?

Aqui precisamos separar duas coisas:

a especificação do CI XL4016 e a especificação anunciada pelo fabricante/vendedor do módulo completo.

Há módulos comerciais baseados no XL4016 anunciados como 9 A, inclusive com testes publicados nessa faixa.

Entretanto, uma versão bastante difundida do datasheet oficial do XL4016 especifica o componente como conversor de 8 A, com limite de corrente interno típico em torno de 10 A.

Curiosamente, existe também uma revisão mais recente do datasheet oficial da XLSEMI que apresenta o XL4016 como dispositivo de 12 A, com faixa recomendada de entrada de 8 a 36 V.

Isso significa que não é prudente afirmar simplesmente:

“Qualquer placa XL4016 fornece 9 A continuamente.”

A placa inteira precisa suportar a corrente

O CI é apenas uma parte do conversor.

Temos também:

XL4016
  +
INDUTOR
  +
DIODO
  +
CAPACITORES
  +
TRILHAS DA PCB
  +
CONECTORES
  +
DISSIPAÇÃO

Todos esses elementos precisam suportar a corrente.

O datasheet, por exemplo, apresenta um circuito típico de aplicação operando em 5 V / 8 A e curvas de eficiência até essa corrente.

Portanto, quando um módulo é anunciado como 9 A, esse número deve ser entendido dentro das condições específicas daquela placa.

Corrente máxima não significa corrente disponível em qualquer situação

Suponha que desejamos:

Vout = 12 V
Iout = 9 A

A potência de saída seria:

P = V × I

P = 12 × 9

P = 108 W

Isso já representa uma potência considerável para uma pequena placa.

A fonte que alimenta o XL4016 também precisa conseguir fornecer a energia necessária.

Se tivermos hipoteticamente 90% de eficiência:

Pentrada ≈ 108 / 0,90

Pentrada ≈ 120 W

Não adianta utilizar uma fonte de entrada de 30 W e esperar retirar mais de 100 W continuamente na saída.

Eficiência é uma das grandes vantagens

O datasheet apresenta eficiência de aproximadamente 87% em 12 V → 5 V / 6 A e cerca de 93% em 24 V → 12 V / 6 A, nas condições de teste especificadas.

Isso é muito melhor do que desperdiçar toda a diferença de tensão em um regulador linear.

Mesmo assim:

90% de eficiência não significa ausência de calor.

Se temos:

100 W de entrada

e:

90 W de saída

aproximadamente:

10 W

estão sendo perdidos.

Grande parte dessas perdas acaba aparecendo como calor nos componentes.

Dissipação de calor continua sendo importante

É comum encontrarmos módulos XL4016 com dissipadores.

Isso não está ali apenas por estética.

Quando aumentamos a corrente, componentes como:

CI, diodo e indutor

podem aquecer consideravelmente.

Por isso, se pretendemos trabalhar com correntes elevadas durante períodos prolongados, precisamos observar a temperatura.

Esse assunto se conecta diretamente ao teste que fizemos no artigo sobre dissipadores de calor e medição de temperatura em componentes eletrônicos.

Um pequeno ventilador pode ajudar

Dependendo da montagem, podemos utilizar:

ENTRADA DE AR
      ↓
   XL4016
      ↓
VENTILAÇÃO
      ↓
SAÍDA DE AR

A ventilação forçada pode reduzir a temperatura dos dissipadores e de outros componentes.

Mas existe uma regra importante:

ventilador não corrige um circuito eletricamente subdimensionado.

Ele é parte do gerenciamento térmico, não uma forma de transformar qualquer módulo em uma fonte de potência ilimitada.

Limitação de corrente é extremamente útil em uma fonte

Algumas placas XL4016 comercializadas como módulos de fonte ajustável possuem, além do ajuste de tensão, controle de corrente.

Quando disponível, esse recurso é muito interessante para uma fonte de bancada.

Temos então dois controles:

CV → CONSTANT VOLTAGE
     tensão constante

CC → CONSTANT CURRENT
     corrente constante

Em operação normal, a fonte pode trabalhar mantendo a tensão definida.

Quando a carga tenta consumir mais que o limite ajustado, o controle de corrente atua.

Por que limitar corrente?

Imagine que estamos testando pela primeira vez um circuito que deveria consumir:

100 mA

Podemos estabelecer um limite próximo ao esperado.

Se existir algum erro e o circuito tentar consumir:

2 A

a limitação pode ajudar a evitar danos.

É uma característica extremamente útil durante:

montagem, manutenção e desenvolvimento de protótipos.

Atenção: nem todo módulo XL4016 possui os mesmos recursos

Existem muitas placas diferentes utilizando esse CI.

Algumas possuem:

somente ajuste de tensão.

Outras oferecem:

tensão + corrente.

Algumas possuem:

display.

Outras incluem:

dissipadores maiores ou ventilação.

Portanto, não devemos concluir que todos os módulos chamados “XL4016” são eletricamente idênticos.

O XL4016 identifica principalmente o circuito integrado utilizado, não uma única placa padronizada.

Qual tensão podemos obter?

Em uma revisão amplamente encontrada do datasheet, o XL4016 é especificado para entrada entre 8 e 40 V e saída ajustável aproximadamente entre 1,25 e 36 V, sempre respeitando a natureza step-down do circuito.

Mas a placa completa pode estabelecer limites diferentes.

Além disso, existe uma pequena queda mínima necessária entre entrada e saída.

Portanto, não devemos esperar colocar exatamente:

12,00 V

na entrada e conseguir:

12,00 V

perfeitamente regulados na saída em qualquer carga.

Para uma fonte ajustável, normalmente utilizamos uma tensão de entrada suficientemente acima da maior tensão que pretendemos obter.

Posso alimentar com um transformador?

Não diretamente na saída AC do transformador.

O XL4016 é um conversor:

DC → DC.

Se partirmos de um transformador convencional, precisamos primeiro:

REDE AC
   ↓
TRANSFORMADOR
   ↓
RETIFICAÇÃO
   ↓
FILTRAGEM
   ↓
TENSÃO DC
   ↓
XL4016
   ↓
SAÍDA DC AJUSTÁVEL

Nesse caso entram também questões de isolamento e segurança com a tensão da rede.

Uma alternativa mais simples para muitos projetos é utilizar uma fonte DC isolada pronta para alimentar o módulo step-down.

Podemos reaproveitar uma fonte DC

Por exemplo, se temos uma fonte adequada de:

24 V DC

podemos utilizá-la como entrada e criar uma fonte ajustável para tensões inferiores:

24 V DC
   ↓
XL4016
   ↓
1,25 V ... < 24 V

respeitando os limites e a margem necessária do módulo.

Isso pode ser muito útil na bancada.

Uma caixa deixa o projeto muito mais prático

Depois que o circuito está funcionando, podemos instalá-lo em um gabinete.

Na frente podemos ter:

┌────────────────────────────┐
│                            │
│       12.00 V              │
│                            │
│   VOLTAGE      CURRENT     │
│      ○             ○       │
│                            │
│    +               -       │
│    ●               ●       │
│                            │
└────────────────────────────┘

Os potenciômetros originais da placa podem até ser substituídos ou adaptados para controles acessíveis externamente, desde que a alteração seja feita corretamente.

Isso transforma um pequeno módulo eletrônico em um equipamento muito mais agradável de utilizar.

Bornes de saída também ajudam

Podemos instalar bornes do tipo banana:

VERMELHO → positivo

PRETO → negativo

Assim conseguimos utilizar:

cabos banana, garras jacaré ou adaptadores.

Para quem faz experiências frequentemente, isso é muito mais prático do que ficar parafusando fios diretamente no terminal da placa.

Um fusível é uma proteção simples e interessante

Dependendo da construção, podemos acrescentar proteção adequada na entrada.

O fusível deve ser dimensionado considerando:

corrente, tensão, tipo de carga e características da fonte.

Ele não substitui as proteções eletrônicas do conversor, mas pode acrescentar uma camada de proteção ao conjunto.

O XL4016 possui internamente recursos como limitação de corrente, proteção térmica e proteção contra curto-circuito descritos pelo fabricante.

Teste a fonte antes de confiar nela

Depois da montagem, não basta observar:

“A tensão está aparecendo no display.”

Eu faria uma sequência de testes:

SEM CARGA
   ↓
MEDIR TENSÃO

PEQUENA CARGA
   ↓
MEDIR TENSÃO E CORRENTE

AUMENTAR A CARGA
   ↓
OBSERVAR REGULAÇÃO

MANTER FUNCIONANDO
   ↓
MEDIR TEMPERATURA

Isso ajuda a descobrir o verdadeiro comportamento da sua placa, e não apenas aquilo que estava escrito no anúncio do vendedor.

Veja a fonte caseira no vídeo

No vídeo abaixo mostro minha fonte de alimentação caseira utilizando uma placa step-down XL4016, uma solução muito útil para a bancada de eletrônica.

A grande vantagem desse tipo de projeto é aproveitar um módulo pronto para resolver a parte mais complexa da conversão e concentrar nosso trabalho na construção de uma ferramenta adequada às nossas necessidades.

Vale a pena construir uma fonte com XL4016?

Para uma fonte auxiliar de bancada, considero uma solução bastante interessante.

Temos:

MÓDULO DE BAIXO CUSTO
        +
TENSÃO AJUSTÁVEL
        +
BOA EFICIÊNCIA
        +
CORRENTE ELEVADA
        +
CAIXA + BORNES + DISPLAY
        ↓
FONTE ÚTIL PARA A BANCADA

Mas existe uma conclusão importante:

não devemos dimensionar a fonte apenas pelo número de amperes escrito no anúncio do módulo.

Se a placa é anunciada como 9 A, isso não significa automaticamente que podemos exigir 9 A continuamente em qualquer tensão, temperatura ou condição de ventilação.

Precisamos considerar a placa específica, a fonte de entrada, a potência, os componentes utilizados e a dissipação térmica.

Fazendo isso, uma placa baseada no XL4016 pode se transformar em uma fonte ajustável extremamente útil para experiências, testes e projetos eletrônicos.