Fuente autooscilante de 12 a 5V con Mosfet
Introducción
En esta nueva parte y artículo del sitio web, veremos todo acerca de este gran proyecto de la fuente autooscilante de 12 a 5V con Mosfet, una solución muy confiable para alimentar circuitos lógicos sensibles como microcontroladores, Arduino y demás, con la ventaja de la separación de tierras para así evitar que estos lleguen a tener reinicios por la activación o desactivación de cargas pesadas de potencia o su posible destrucción por quemaduras.
Veremos los circuitos, ecuaciones y demás de parte de este diseño y mostraremos más profundizaciones y la parte práctica de este mismo.
Fundamentos teóricos
Definiciones
Una fuente autooscilante de 12V a 5V con MOSFET es un convertidor de corriente continua a corriente continua (DC-DC), diseñado para reducir un voltaje de entrada de 12V a uno de salida de 5V mediante un sistema de oscilación y conmutación. A continuación, te doy una fundamentación teórica de este tipo de fuente.
Principio de Funcionamiento
Una fuente autooscilante se basa en el principio de la conmutación electrónica, donde un MOSFET se utiliza para abrir y cerrar rápidamente el flujo de corriente, generando pulsos que luego se transforman y regulan a un voltaje de salida menor. Al oscilar a frecuencias altas, la eficiencia de conversión aumenta debido a la menor disipación de potencia en el MOSFET y en los componentes asociados.
Etapas de la Fuente Autooscilante
Oscilador: En este tipo de fuente, el circuito suele incluir una red de retroalimentación positiva (como una resistencia o un capacitor de realimentación) para inducir oscilaciones en el MOSFET. La frecuencia de oscilación depende de los valores de los componentes pasivos y el diseño del circuito.
Conmutación del MOSFET: Al oscilar, el MOSFET se enciende y apaga, controlando la cantidad de energía transferida desde la fuente de 12V a la salida de 5V. En cada ciclo de conmutación, el transformador almacena energía en forma de campo magnético y la libera, generando un voltaje controlado. Una resistencia shunt con un transistor NPN dará el límite de corriente que pasa por el Mosfet.
Filtrado: Para obtener una salida de 5V estable, se utiliza un capacitor de filtro que suaviza los pulsos de voltaje de la conmutación, proporcionando una señal continua.
Características del MOSFET en la Fuente
El MOSFET es clave, ya que su capacidad para manejar altas corrientes y conmutar rápidamente permite reducir el tamaño de los componentes de filtrado y aumentar la eficiencia. El MOSFET debe estar en estado de saturación (con baja resistencia interna) durante la conmutación para minimizar pérdidas y en corte cuando no conduce.
Cálculo de la Frecuencia y Voltaje de Salida
La frecuencia de oscilación suele estar determinada por la combinación del capacitor, devanado de bías y la resistencia de retroalimentación. Para el voltaje de salida, la relación de conmutación (duty cycle) se ajusta para que el promedio del voltaje de salida sea de aproximadamente 5V. Este duty cycle se puede modificar según los requerimientos del circuito y la carga conectada. En este caso no se le puso, dado el bajo voltaje de conversión. Otro factor importante, es que este PWM también se verá afectado por la limitación de corriente seteada por la resistencia shunt conectada al Source del mosfet y en compañía al transistor NPN.
Ventajas y Desventajas
Ventajas: Alta eficiencia, reducción en tamaño de componentes, y la posibilidad de operar a bajas tensiones de entrada.
Desventajas: Diseño más complejo que fuentes lineales, y posibles problemas de ruido debido a la alta frecuencia de conmutación.
Con estos principios teóricos, una fuente autooscilante de 12V a 5V con MOSFET puede optimizarse para adaptarse a aplicaciones que requieren un nivel de eficiencia elevado y un tamaño compacto, como sistemas portátiles o dispositivos de bajo consumo.
Análisis y diseño
Apariencia y simbología
Para el proyecto Fuente autooscilante de 12 a 5V con Mosfet, se tiene en cuenta que su simplicidad lo hace un circuito sencillo y fácil de montar si se tienen bien seleccionados sus componentes.
Así quedaría su montaje en protoboard.
Acá vemos el transformador toroidal de ferrita del proyecto Fuente autooscilante de 12 a 5V con Mosfet que nos da la separación galvánica de tierras y etapas de circuito.
Es evidente que, si el proyecto de la Fuente autooscilante de 12 a 5V estuviera en una pcb, esta no sería de un tamaño considerable.
Estructuras y planos
A continuación, mostraremos el plano completo de esta Fuente autooscilante de 12 a 5V con Mosfet, y más adelante mostraré la parte funcional de este.
Para un desglose mas cercano de la Fuente autooscilante de 12 a 5V con Mosfet, mostramos cada parte en el mismo plano.
En este plano se pueden ver sus bloques principales de la Fuente autooscilante de 12 a 5V con Mosfet:
- Rojo: simplemente es la entrada y filtro de potencia.
- Naranja: Conmutación y control de realimentación positiva del primario del transformador de ferrita toroidal.
- Azul: Protección con desactivación del límite de corriente por Rshunt.
- Verde: Circuito de realimentación con el devanado de bias del transformador de ferrita.
- Amarillo: Salida de voltaje, rectificación y filtrado y carga con resistencia y led.
Gráficas y fórmulas
En esta parte del proyecto Fuente autooscilante de 12 a 5V con Mosfet mostramos la oscilación de las partes, en amarillo la señal del Gate del Mosfet, y la azul es la salida de potencia.
Funcionamiento
El funcionamiento básico de una fuente autooscilante de 12V a 5V con MOSFET se basa en un ciclo de conmutación repetitivo que reduce el voltaje de entrada a un nivel deseado de salida. Aquí tienes un desglose de cómo opera en términos sencillos:
Inicio de la Oscilación:
El circuito cuenta con componentes de realimentación, como resistencias y capacitores, que crean una señal oscilante o pulsante. Esta señal se aplica al gate (puerta) del MOSFET, encendiéndolo y apagándolo de manera continua y rápida. Este empieza cuando la resistencia que va desde el positivo al gate del Mosfet activa el mismo, ya empieza la circulación de corriente y posterior oscilación.
Etapa de Conmutación:
Cuando el MOSFET está encendido (conduciendo), permite el paso de corriente desde la fuente de 12V a través de una bobina (inductor) o primario del transformador de ferrita.
El inductor almacena energía en forma de campo magnético mientras el MOSFET está en conducción, que, al soltarse, esta genera un voltaje negativo en el inductor de bias del transformador y hace que la compuerta del mosfet se desactive y por lo tanto el mosfet se apague, en este momento vuelve al inicio todo.
Almacenamiento de Energía en el Inductor o devanado de secundario:
Cuando el MOSFET se apaga, el campo magnético en el inductor colapsa, liberando su energía y generando un voltaje en dirección opuesta. Esta entrega su energía al secundario.
Esta energía liberada alimenta la carga de salida (que requiere 5V), contribuyendo a mantener un voltaje constante.
Filtrado de la Señal de Salida:
Los pulsos de voltaje resultantes en la salida se suavizan mediante un capacitor de filtro, transformando la señal pulsante en un voltaje continuo de aproximadamente 5V.
Esto asegura que el voltaje de salida sea lo más estable posible para alimentar correctamente la carga conectada, como un dispositivo o circuito.
Resistencia shunt y limitación de corriente
En el pin de source del mosfet, está la resistencia cerámica que da el límite de corriente, cuando esta llega a un nivel de corriente alto para su umbral, activa el transistor NPN que a su vez desactiva pone en corto el gate del mosfet hacia tierra y apaga este Mosfet. En consecuencia, el ciclo vuelve y se repite.
Ciclo Continuo:
Este proceso de conmutación se repite muchas veces por segundo (en el rango de los kilohercios o más), lo que permite que la fuente autooscilante entregue una salida de 5V de manera eficiente y con un mínimo de pérdida energética.
En resumen, el MOSFET oscila constantemente entre los estados de encendido y apagado, lo que permite al inductor y al capacitor de salida mantener un flujo constante de 5V en la salida del circuito. Este tipo de fuente es ideal para aplicaciones que requieren una alta eficiencia y una regulación estable de voltaje.
Aplicaciones y ejemplos
Aplicaciones
Las fuentes autooscilantes de 12V a 5V con MOSFET tienen aplicaciones prácticas en una variedad de dispositivos y sistemas electrónicos, especialmente donde se necesita convertir eficientemente un voltaje de entrada mayor a uno menor. No solamente a separar galvánicamente las etapas de los circuitos. Aquí algunos ejemplos:
Cargadores USB para Vehículos:
En los autos, la mayoría de las fuentes de alimentación proporcionan 12V (desde la batería), pero muchos dispositivos como teléfonos y tabletas requieren 5V. Una fuente autooscilante convierte de 12V a 5V eficientemente para alimentar puertos USB en cargadores de autos.
Sistemas de Energía Portátil y Baterías:
Dispositivos como power banks o fuentes de alimentación móviles utilizan fuentes autooscilantes para obtener un voltaje estable de 5V para cargar dispositivos, aunque las baterías internas puedan operar a voltajes más altos.
Electrónica de Consumo:
Aparatos como routers, consolas de videojuegos y algunos equipos de audio o dispositivos electrónicos de uso doméstico que funcionan con adaptadores de corriente externa, a menudo requieren una regulación de 5V a partir de adaptadores de 12V.
Circuitos Integrados de Bajo Voltaje:
En sistemas integrados y placas de desarrollo, como las placas Arduino o Raspberry Pi, que necesitan un voltaje estable de 5V, una fuente autooscilante permite alimentar estos sistemas con una batería de 12V sin afectar su funcionamiento.
Automatización y Robótica:
En robots y dispositivos de automatización que llevan múltiples motores o sensores, estas fuentes pueden reducir el voltaje de 12V (de la batería o la fuente principal) a 5V, suministrando así la energía necesaria para los microcontroladores y sensores, que generalmente operan a 5V.
Dispositivos de IoT (Internet of Things):
Muchos dispositivos IoT, especialmente los que operan con baterías recargables de 12V o paneles solares pequeños, requieren un voltaje de 5V para funcionar. Una fuente autooscilante permite una conversión eficiente y estable para sensores, módulos Wi-Fi y microprocesadores dentro de estos dispositivos.
Estas fuentes de 12V a 5V con MOSFET son valoradas por su eficiencia y compactación, ideales para aplicaciones que requieren estabilidad y bajo consumo energético.
