Fuente Step-Down o Buck con LM2596 Ajustable

Esta fuente se trata de otra pequeña SMPS (Fuente Switching) del tipo DC/DC (ingresa DC y egresa DC) en nuestro caso sea del tipo Step-Down o Buck Converter, que quiere decir que sera una fuente reductora.
Basa su funcionamiento en base al integrado LM2596-adj el cual se encarga de todo el proceso de Switcheo de la bobina o choque, que gracias a ella se logra generar la acción de reducir la tensión, aunque en algunos casos también se puede utilizar como elevador (Boost o Step-Up).
La teoría de funcionamiento es que necesitamos encender y apagar rápidamente la bobina (Switchear) para que la misma por ley de Lenz y FCEM logre generar una diferencia de tensión respecto a la aplicada en bornes, claro que se estarán imaginando que la bobina genera un pico mucho mayor al de la fuente aplicada a sus bornes al quitarle la tensión (esto es porque la bobina tiende a mantener la carga inductiva en la misma y se rehúsa a que le quitemos la alimentación), dependiendo de la velocidad con la que le quitemos esta tensión y se la volvamos a restablecer, sera la energía que nos entregara.
Estos tiempos están ligados a la frecuencia del transistor de potencia interno del LM2596-adj que suelen estar al rededor de los 150kHz, pero podríamos variar este valor y tendríamos que variar también la cantidad de espiras y núcleo de la bobina en cuestión.
Volviendo al tema anterior donde mencionamos que cuando le extraemos la energía a la bobina la misma se opone y en consecuencia se revela con un pico inverso en los bornes, esta oposición varia en función del ciclo de trabajo, es decir de cuanto tiempo permanece encendido y cuanto apagado, de ahí podremos decir que a la bobina la excitaremos con modulación de ancho de pulso "PWM".
Entonces tenemos un circuito generador PWM, una etapa de potencia con un transistor y una bobina.
Hasta aquí no nos sirve la tensión que nos entrega porque seria una continua pulsante, entonces debemos agregar un diodo rápido "Fast Recovery" que servirá para rectificar la salida de esta bobina y luego la filtraremos con un capacitor.

NOTA: el capacitor casi siempre suele ser de capacidad reducida en comparación a una fuente de alimentación con transformador mecánico, esto es porque como esta fuente en lugar de funcionar a 50Hz funciona a 150000Hz entonces las reactancias necesarias tanto en la bobina como en los capacitores nos obligaran a modificar las capacidades e inductancias de los componentes. Por ello es que para 150kHz el capacitor no requiere tener por ejemplo 4700uF para filtrar unos 4A, sino que con unos 680uF bastara (claro en la electrónica todo se calcula).
Lo mismo sucede con la bobina ya que un transformador de 50Hz requiere una cantidad grande de espiras en los devanados primarios y secundarios, por tratarse de 50Hz posee una reactancia, lo mismo sucede con el núcleo, debe ser grande y de chapa.
Pero si aumentamos la frecuencia, la bobina requiere menor cantidad de espiras, un núcleo que responda a esa frecuencia y no se sature, por ello el ferrita es un material muy utilizado en estas fuentes.

Entonces ahora tenemos toda la fuente funcionando, el oscilador PWM, la etapa de potencia, y la salida rectificada y filtrada. Lo que faltaría es un control de tensión de salida. Al no saber que ciclo de trabajo darle al PWM para que la fuente nos proporcione una determinada tensión de salida debemos tomar muestras de la tension que nos entrega y utilizarla para controlar el generador PWM, para ello se suele hacer es una realimentación o feedback, de esa forma se varia el ciclo de trabajo y se logra el control de la fuente. La mayoría de las fuentes que involucran tensiones peligrosas suelen usar una realimentación con aislación óptica mediante un opto-acoplador, en nuestro caso la realimentación es directa con un divisor resistivo, entonces según la tensión que ingrese a este control sera la variación de tensión en salida y sera la forma de ajustarlo.

Algunas especificaciones:
Topología del tipo Buck Converter
Tensión de entrada entre 4V y 40V de corriente continua
Tensión de salida entre 1.25V y 37V de corriente continua
Corriente de salida estable en 2A
Corriente de salida máxima inestable en 3A
Tensión de Rizado (Ripple) en 100mV
Frecuencia de operación +/-150kHz
Eficiencia de conversión al rededor del 87%
Temperatura de operación hasta 85°C






47 comentarios:

  1. Me parece ((y solo ME PARECE))que el shottky deberìa ir del oto lado de la bobina.

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    1. Hola, nono, la topología Buck es así. Busca "buck converter topology" y vas a ver la estructura básica de una fuente Buck.
      Saludos!

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    2. Mirate esta nota de aplicación de ST, te explica las diferentes topologías para las fuentes DCDC http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/application_note/CD00003910.pdf

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  2. El toroide puede ser de 33uH como muestra el datasheet ?

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    1. Si claro, yo he usado otro valor porque me ha dado mejores resultados pero podes usar ese y probar. Saludos!

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  3. Hola Sebastian.
    He probado estos integrados (los de encapsulado TO-220) y la verdad es que con mínimos componentes externos te armas un convertidor DC-DC Buck en un momento. Como siempre, la parte más dudosa es la elección del inductor.
    Según la hoja de datos, aparecen valores típicos de 33uH y 68uH, pero he probado con otros valores (100uH, 220uH, 330uH) y no veo grandes diferencias.
    Los mejores resultados fueron con una bobina de unos 30uH (aproximadamente) consiguiendo mover un motor CC de 600mA, llegando a los 2.4A si lo frenaba. Lo alimenté con 4V, cayendo tan solo a 3.8V el Vout, desde una fuente conmutada de 19V 3.3A

    He leído por ahí que algunos de estos integrados que vienen de China no son los LM2596, sino su hermano pequeño el LM2576, que trabaja a 52KHz frente a los 150KHz del otro. Si esto es así, hay que cambiar tanto el condensador de salida, por una de 1000uF y la bobina por una típica de 100uH. Pero claro ¿cómo saberlo...?

    En cualquier caso, me han dado menos dolores de cabeza que los MC34063A.

    Muchos saludos.

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    1. Son buenísimos estos integrados y funcionan muy bien.
      Claro lo que pasa que la bobina se diseña en función a la corriente pico máxima y la tensión de entrada (entre otros parámetros) por eso te dio mejor valor de pico con una inductancia menor, tene en cuenta que a menor inductancia menor reactancia inductiva y mayor corriente en el driver de la fuente, por eso también extraes mayor potencia.
      El capacitor podes calcularlo con la formula C=(dt/dv)*i, donde el t es el periodo por ejemplo a 150kHz, y v es la tensión Vpp de Ripple de la fuente e i la corriente máxima.
      Por ejemplo para una frecuencia de 150kHz son 6.7us con un ripple promedio de 25mV por ejemplo y una corriente de 2.4A te da aproximadamente 640uF con dos capas de 330uF en paralelo estarías re bien y encima reducís un poco el ESR.
      Si, el MC34063 es un poco mas laborioso porque requiere que realices mas compensaciones externas.
      Saludos!

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  4. Gracias Sebastian.
    Haré más pruebas con otras bobinas que tengo por aquí antes de montarlo de forma definitiva en una placa.

    Mande a pedir al chino un par de XL6009 a ver como se comportan como Boost, porque con el MC34063A no obtuve resultados óptimos.

    Muchos saludos.

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    1. Por nada, el calculo para la inductancia de la bobina en un Buck o StepDown, es Lmin=[(Vin-Vsat-Vout)/Ipk(sw)]*tON.
      Donde Lmin es la inductancia mínima, Vin es la tensión de entrada, Vsat la tensión de saturacion del transistor entre Drenaje y Fuente o Colector y Emisor, Vout es la tensión de salida, Ipk es la corriente de pico maximo del transistor switching y tON es el tiempo del ciclo de trabajo ON del PWM.
      Por ejemplo para 24V de entrada, Saturacion de 300mV, Salida de 5V, corriente de pico de 1A y periodo de encendido de 10us, sera: Lmin=[(24-0.3-5)/1]*0.00001=0.000187Hy=187uHy
      La corriente Ipk de switching la tenes como: Ipk(sw)=2*Iout*[(tON/tOFF)+1]
      La corriente de la bobina es: IL=[(Vin-Vsat-Vout)/L]*t
      Saludos!

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    2. Gracias de nuevo.

      Me anoto las fórmulas.

      Saludos.

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  5. Hola de nuevo Sebastián.

    Mirando tu último vídeo subido sobre fuentes Buck Boost, y en base los cálculos que me comentaste en el post anterior ¿cómo o de donde obtienes Ton/Toff?
    En el vídeo usas para el cálculo de la bobina 4.3us y 2us.
    Así mismo, los 300mV de voltaje de saturación del transistor ¿los sacas del datasheet del MC34063A?

    Gracias y saludos.

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    1. Hola como estas?, Ton y Toff salen del duty cycle del PWM, si tenes una fuente funcionando a 150kHz con un duty cycle de 20% entonces tenes, 150kHz = 6.67us, para el 20% de Ton es 1,33us y Toff es 5,34us.
      Si en este caso si, los 300mV son del Datasheet, depende del transistor, si usas un booster externo tendrás que ver en el transistor que uses, igual tene cuidado con la bobina cuando usas booster porque cuando extraes por ejemplo 1.5A en la salida tenes por lo menos 3A de corriente de pico y eso requiere una bobina para 3A para que no se sature el núcleo, en caso de usar una bobina mas chica de lo necesario se satura el núcleo y no podes extraer la potencia necesaria.
      Saludos!

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    2. Gracias Sebastian. Entiendo entonces que en un convertidor Buck el duty cycle será siempre menor al 50%, ya que Vout siempre es menor a Vin, o lo que es lo mismo, Ton < Toff.

      Como bien dijiste, que estos temas dan para mucho, una cuestión interesante sería explicar la diferencia entre Modo continuo y Modo discontinuo. Pero eso ya lo dejo a tu criterio.

      Gracias de nuevo y saludos.

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    3. Hola!, si, es un tema super extenso, hay un postgrado solo sobre fuentes SMPS en la universidad, es un tema largo.
      Si, voy a ver si explico modo continuo y discontinuo, pero tengo algunas cosas mas básicas que explicar antes de llegar a eso.
      Saludos!

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  6. Una consulta con respecto al inductor yo arme uno con un ferrite barra y le puse 4 capas de alambre 0.80 y lo mido y me das los 150uh para el integrado lm2576 lo conecto y funciona pero tengo una caída de 0.300 milivolt con un capacitor 1000uf por que cae con una carga de 1 Amper?

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    1. Hola como estas?, habría que analizar el circuito magnético de ese núcleo, porque no es tan eficiente al ser lineal, lo cual si se llega a saturar el núcleo por exceso de corriente de pico no vas a poder extraer la corriente necesaria. Tene en cuenta que la bobina que uses tiene que ser al menos del doble de corriente que la corriente de salida (lo mismo para el transistor que usas), si queres una corriente de 1A, vas a tener una corriente de pico mayor o igual a 2A, tenes que revisar la sección del alambre que usaste y el tamaño y tipo de núcleo, tene en cuenta que si usas un núcleo toroidal vas a tener una permeabilidad mayor y vas a necesitar menos espiras de cobre, lo que hace que la temperatura sea menor y la saturacion disminuya un poco.
      Saludos.

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  7. Te consulto si tengo una entrada de 16 volt y una corriente de 1amper podría hacer una bobina con un núcleo abierto de 4,7 x 25 mm y alambre de 0,90 funcionaria? Como lo calculo si es núcleo abierto?

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    1. Hola como estas?, perdón por la demora.
      El tema respecto al núcleo es que si usas núcleo de aire la inductancia disminuye por lo que necesitas mas espiras, tendrías que re-diseñar tu inductor para que tenga la inductancia necesaria para este DCDC, lo mismo con la corriente, tendrías que calcular en tu nueva bobina con mas espiras si el alambre de 0.9 soporta 1A.
      Saludos.

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    2. Lo hago con una barra de ferrite de 10x25mm y 4 capas de alambre de 0.90

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    3. Habría que calcular la inductancia resultante de tu bobina para asegurarnos de que va a funcionar bien.
      Saludos.

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  8. Con el inductor de 330uh lograste sacarle 2 amper y que no caliente tanto?

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  9. Hola! El inductor que usaste es comprado? O armaste uno con toroide y cobre esmaltado? Otra consulta, porque el On/Off va a masa? Gracias y muy buen aporte! Saludos

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    1. Hola, el inductor lo arme, compre el core toroidal y realice el arrollamiento de la bobina a mano. También se venden armadas.
      El On/Off va a masa porque para que el circuito se encienda tiene que estar a masa, fíjate que hay una linea arriba de la palabra ON, eso significa que es lógica Negada, por ende tiene que ir a 0V para encenderse.
      Saludos.

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  10. Muchas gracias por tu pronta repuesta, estoy teniendo un problema en que Tengo tensión a la salida, es regulable pero no me da nada de corriente, yo tengo el On/Off a 5v, se deberá a eso? Gracias!

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    1. Si, claro así esta apagado tu regulador, tenes que ponerlo a GND (0V) para que se encienda ya que el ON tiene una linea arriba diciendo que es negado por eso va a GND, probarlo a ver si comienza a funcionar bien.
      Saludos.

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    2. Consulta voy a comprar los toroides para hacer los inductores que permeabilidad es recomendable ya que se recomienda baja permeabilidad con una u 150 estaría bien o menos?

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    3. la permeabilidad te la da el material que uses como núcleo, si vas a comprar un núcleo toroidal vas a tener una permeabilidad asociada a ese núcleo, tener baja permeabilidad hace que tu inductor sea mas lineal pero disminuye la inductancia y vas a tener que bobinar mas espiras, el único problema que tenes con alta permeabilidad es que el circuito magnético (el núcleo) se puede saturar con mayor facilidad y podes limitar la corriente, pero si tu núcleo tiene las dimensiones correctas y la sección del alambre es la correcta, no vas a tener problemas.
      Si vas a comprar el inductor, lo mas normal es que lo pidas por corriente e inductancia, sin pensar en el resto de parámetros de construcción.
      Saludos.

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    4. Si entiendo pero no consigo armados y los voy a mandar a fabricar los toroides en artic con una permeabilidad de 300 ahí creo que estaría bien

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    5. Sabes que a veces saco los toroides de las fuentes de pc que están rotas, de ahí usualmente podes sacar algunos, el tema es que si después no tenes un medidor de inductancias se te complica andar calculando con exactitud un valor.

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  11. Hola, una consulta quería saber si tenés algun circuito que tenga regule fino y grueso de tensión para esta fuente? Me sería de mucha ayuda!

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    1. Hola, el ajuste fino y grueso lo haces con dos potenciometros en serie, se pone por ejemplo este de 10k que tiene el circuito para el ajuste grueso y en serie a este se pone uno de 500 ohms o algo así, que sera el ajuste fino. Esa es la manera que se suele implementar de forma sencilla.
      Saludos!

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  12. Gracias por tu respuesta, tendras algún diagrama de conexión? Lo hice como me aconsejaste y solo regula el pote "grueso".

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    1. Hola, el circuito de la izquierda de esta imagen.
      http://www.learningelectronics.net/images/quiz/03454x01.png
      Saludos.

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  13. Muchas gracias! Te comento que ya me funciona correctamente, gracias por tu ayuda!!

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    1. Bueno, me alegro! cualquier cosa consultame.
      Saludos.

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  14. BUENAS me gusto el tema y quisiera saber si me puedes ayudar con una duda de cuanto es la potencia que bota a la salida y que tipo de pwm es el que se usa gracias

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    1. Hola, este integrado proporciona hasta 2,5 o 3A dependiendo del disipador a máxima potencia. También tenes que poner una bobina que pueda soportar un 20% mas de la corriente pico de switching. La potencia dependerá de que tensión ingreses al circuito.
      El PWM es PWM, no comprendo a que te referís con que tipo de PWM usa.
      Saludos.

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  15. Buenas es que tengo que realizar un proyecto y su fuente cumple con casi todo los requisito que me pidieron el cual son los siguientes:
    Alimentación DC 24 Vdc y salida regulada de 0 a 12 Vdc
    Potencia de salida máxima: 100 Watts
    eso fueron los parámetros que me pusieron para realizar dicha fuente y ahora quisiera saber mas o que me oriente como puedo fabricar una fuente con estos parámetros ya que la parte del inductor (los cálculos y el tipo de núcleo no lo tengo muy bien entendido) me gustaría que me ayudara y gracias por su respuesta


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    1. Hola, esta fuente no creo que te sirva, ya que para obtener 100W de salida con un limite de 12V, necesitas que al menos te proporcione 8.4A de salida, que serian aprox 15A de pico de conmutación, con esta fuente no te va a servir, necesitas hacer algo un poco mas grande con algún TL494, SG3524 o UC3843, estos son generadores pwm simétricos con control de feedback y toda la bola, de ahí tenes que hacer un full bridge con 4 mosfet (mas sus respectivos driver fet) y con ello vas a poder obtener los picos de consumo de 15A, pero tenes que re-dimensionar inductores, núcleos y demás. no es una tarea sencilla. Te recomiendo que consigas algún modulo ya armado y si queres hacer tu propio desarrollo, desarmases el comprado y uses sus partes, ya vas a tener todo ahí y te va a costar menos dinero que comprar las piezas por separado.
      http://articulo.mercadolibre.com.ar/MLA-621259030-conversor-dc-dc-step-down-in-7-40v-out-12-35v-9-a-300-w-max-_JM
      Este usa el UC3843.
      Saludos.

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    2. gracias en verdad yo estaba por hacer eso pero es que tengo que presentar eso como proyecto de la Universidad y no se si me puedas ayudar con este esquema que encontré en Internet http://www.cientificosaficionados.com/foros/viewtopic.php?f=7&t=18836 a usted que tiene mas experiencia que le parece ? cumpliria los pico 15A ? o no

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    3. Hola, yo uso el UC3843 que le podes poner afuera el transistor que queres, eso te permite usar transistores grandes o varios en paralelo.
      Estuve buscando datasheet del XL4016 pero los que encontré son algo reducidos, no especifica mucho. El que encontré dice que te puede dar hasta 8A continuos pero no dice nada de pico, igual ojo que pico de corriente a la carga no es lo mismo que pico de corriente switch, por ejemplo si necesitas un pico de corriente en carga de 15A es porque el pico en switch esta en 25... yo no sabría decirte si este que me mostras te sirve ya que no encontré muchos datos. yo usaría un circuito generador PWM con feedback como el UC3843, TL494, etc... y transistores...
      Saludos.

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  16. Buenas noche una pregunta por si acaso usted me puede ayudar con algo quiero hacer el simulado del XL4016 pero por ningun lado encuentro, y el datasheet tampo dice algo mas concreto que un simple diagrama de bloque queria saber si me puede ayudar ya que yo tengo hecho algo en proteus lo que mas o menos entiendo en ese diagrama de bloque ?

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    1. Hola, te va a costar hacer la simulación del XL4016 porque tendrías que obtener el modelo de simulación del fabricante para poder simularlo. Hacerlo por separado como bloques no va a ser lo mismo que el modelo de simulación y por ello no va a ser una simulación eficiente o aproximada a la realidad. En proteus menos aun. Si lo encontras seguramente sea para Spice.
      Saludos.

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  17. HOLA ESO ES VERDAD YO SE QUE NO VA HACER LO MISMO PERO NECESITO ES SIMULAR PARA QUE POR LO MENOS TENGA UNA IDEA DE LO QUE VOY A REALIZAR YA QUE SIN LA IDEA ES MUY DIFÍCIL PRESENTAR UN PROYECTO Y CON RESPECTO A SPICE YA LO HE BUSCADO EN DIFERENTES FORMATO Y NO ENCUENTRO EL ÚNICO QUE ENCONTRÉ FUE EL DIAGRAMA DE BLOQUE QUE DA EL DATASHEET Y QUE SE ME HA HECHO MEDIO DIFÍCIL RESOLVERLO YA QUE HAY COSAS QUE NO LO ENTIENDO AL 100% Y SE ME COMPLICA. ME GUSTARÍA QUE ME AYUDASE DANDO UNA IDEA CON LOS DISTINTOS BLOQUE QUE SE ENCUENTRA EN EL DATASHEET

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