El electrón es divertido: Una fuente de alimentación semi-profesional

Te invito a montar una fuente de alimentación casi tan profesional como la de un laboratorio electrónico, pero a un precio de aficionado.

Cómo nació la idea…

En artículos anteriores Francisco, un usuario de uno de los  Blogs del grupo, hizo una consulta acerca de un circuito de fuente de alimentación que lleva el integrado LM338K ( https://natureduca.com/blog/el-electron-es-divertido-un-alimentador-para-el-coche/#comment-2345). Recordé entonces que hacía un tiempo construí una fuente de laboratorio para mi propio uso utilizando ese componente, y tengo que decir que me ha dado grandes satisfacciones, porque hasta el momento ha trabajado en todas las condiciones, con gran precisión y eficacia. Y lo mejor de todo, el coste ha sido ínfimo en comparación con el precio que pagaría por un equipo profesional de las mismas características. Así que, quiero compartir contigo la experiencia de construir este aparato, en la seguridad de que te resultará también muy gratificante.

Un equipo imprescindible…

Ciertamente, la fuente de alimentación de laboratorio es uno de los equipos más importantes del técnico electrónico, junto con el polímetro. Si tú eres uno de esos inquietos que te gusta practicar y experimentar con la electrónica, o si has tenido la idea de construir alguno de los montajes que ya he propuesto en estas mismas páginas, entonces también le puedes sacar un notable rendimiento a esta fuente, sea para comprobar un circuito o parte de él, el funcionamiento individual de un componente, etc.

Si ya has montado alguna vez un pequeño circuito electrónico y no disponías de fuente de alimentación, en cuanto le des a ésta el primer uso te preguntarás al momento ¡cómo no la construí antes!; si lo ves desde la perspectiva de un técnico aficionado le hallarás enseguida numerosas aplicaciones.

¿Qué puedes hacer con una fuente de alimentación semi-profesional como esta?

Pues para empezar, todos los alimentadores que tienes en tu hogar dispersos por los cajones, como los de los teléfonos móviles, los aparatos de radio, el viejo lector de CD’s musicales, la impresora antigua, el viejo ordenador portátil, el cargador de pilas recargables, etc., todos ellos, como digo, podrían ser reemplazados por nuestra fuente de alimentación. Cierto es, que no parece congruente utilizar un aparato de al menos 5 kg. (que calculo pesará todo el conjunto), para alimentar digamos que una radio de bolsillo, pero he puesto el ejemplo de los alimentadores para que os déis cuenta cómo este aparato puede emular a cualquiera de ellos, sea cual sea la salida de voltaje que tenga; es como un alimentador universal, pero de potencia.

Nuestra fuente puede, además, sustituir si fuera necesario a un cargador de baterías. En caso de emergencia lo podríamos utilizar para reponer la carga de la batería de nuestro coche, o trabajar mucho más finamente, cargando pequeñas baterías de níquel cadmio, o de litio. Sólo sería cuestión de aplicar una tensión de carga ligeramente superior a la de servicio de la batería o pila que deseamos recargar.

Por supuesto, la finalidad más importante de nuestra fuente sería apoyar la construcción de los circuitos que vayamos montando, teniéndola siempre a mano y dispuesta para dar alimentación a cualquier montaje o componente. Tras su primer uso, te aseguro que la adoptarás como una aliada inseparable.

¿Qué se le pide a una fuente de laboratorio? ¿y, cuánto nos va a costar?

Una fuente para el taller tiene que ser capaz de trabajar con un amplio abanico de voltajes, ser estable, cubrir la mayoría de intensidades de corriente de los aparatos a prueba, y tener una buena protección contra cortocircuitos.  Si además de todo eso, resulta que es económica, entonces miel sobre hojuelas.

En realidad, todo eso lo podemos obtener pero invirtiendo cantidades de dinero nada modestas, pues una buena fuente de alimentación variable y de potencia no es algo que se encuentre en el supermercado, donde habitualmente podemos beneficiarnos de numerosos artículos y ofertas, sino que es preciso dirigirse a comercios especializados en equipos o componentes electrónicos. Pero, hay algunas soluciones en cuanto a relación calidad-precio que no parecen creíbles, el secreto está en la «autoconstrucción», sigue leyendo y lo comprobarás.

¿Qué vamos a montar?

En esta ocasión, por poco dinero os propongo disfrutar construyendo una fuente de alimentación digna de un pequeño laboratorio de electrónica. Pero, para aclararnos mejor durante el montaje, vamos a dividirla en dos secciones, a una la llamaremos módulo de rectificación y a la otra módulo de regulación.

A continuación presento un esquema de un circuito de regulación que os servirá para montar cualquiera de tres versiones: de 1,5, 3 ó 5 amperios, la única modificación en el montaje será el tipo de integrado que utilizaremos (LM317K, LM350K ó LM338K, respectivamente), y el transformador, cuya corriente de salida deberá ser consecuente con el integrado que utilicemos.

La versión más ambiciosa de las tres que propongo es capaz de suministrar cualquier voltaje desde 1,25 V. hasta los 32 V., de forma variable, es decir, con un botón puedes ir variando la tensión dentro de ese margen y seleccionar la que te plazca. Además, la fuente también puede suministrar hasta 5 amperios de corriente, con los que cubrirás las necesidades de la mayoría de circuitos que decidas emprender.

El circuito es muy simple, por tanto presumo que no vas a tener ningún problema en hacerlo funcionar si sigues las instrucciones. Pero, no creas ni por asomo que su sencillez de contrucción es sinónimo de simpleza tecnológica. Todo lo contrario, el corazón del sistema, el integrado IC1, es en sí mismo una gran fuente de alimentación regulada reducida a la mínima expresión. Cualquiera de los tres integrados citados poseen en su interior más de 25 transistores, otras tantas resistencias, varios condensadores y diodos, protección térmica y contra cortocircuitos, y todo ello formando un conjunto cuyos elementos de control pueden conectarse desde el exterior a traves de tan solo tres terminales.

¿Qué tenemos que comprar y qué podemos aprovechar?

Lo más costoso (y voluminoso) es, seguramente, el módulo de rectificación, pues se precisa un transformador que suministre 35-40 voltios y al menos 5 amperios, además de un puente de diodos rectificador y un condensador electrolítico de filtro. A ello, habría que sumarle una caja de aluminio o hierro galvanizado.

Estamos en crisis, así que habrá que rebajar costes, pero aún estando boyantes os propongo una fórmula con la que ahorrarás bastante dinero, y es la siguiente:

Primero comprueba si dispones de un cargador de baterías con salida 12-24V y hasta 5A de corriente, y que no te importe reutilizar, si es así, entonces acabas de darle una alegría a tu bolsillo, porque ya no necesitarás comprar ni la caja, ni el transfomador, ni el rectificador, porque ya los tienes en su interior. Sólo nos faltaría el condensador, que lo veremos más adelante.

Y si no tienes un cargador a mano, puedo decirte que incluso comprando uno de estas características, te resultará mucho más económico que si compras todos esos elementos por separado (en la sección del automóvil de cualquier gran superficie puedes encontrar pequeños cargadores de este tipo por menos de 40 euros), y con la ventaja de que estrenarás esa parte del circuito que vas a utilizar.

La solución de utilizar un cargador de 24V sólo tiene una pequeña pega, y es que el voltaje de salida de la fuente ya regulada sólo la podrás variar poco más allá de esos 24 voltios, que es la salida que suministra el transformador (en la práctica éste entregará un poco más), pero aún sin aprovechar todas las posibilidades del regulador, sigue siendo una excelente fuente, porque cubres la mayoría de voltajes estandar de los circuitos que puedes encontrar en el mercado, o que vayas a construir (la mayoría utilizan voltajes de entre 3 y 24 voltios).

El cargador, casi con toda seguridad vendrá con un conmutador frontal para seleccionar 12 ó 24 voltios de salida. Tendrás que puentear ese conmutador para que el transformador entregue sólo 24V, quedando libre y al aire la salida de 12V; el conmutador quedará también sin función alguna. Si este trabajo es fructífero para ti, más adelante te enseñaría como sacarle jugo a esa toma de 12V que queda al aire, y aprovecharíamos también para darle uso al conmutador.

Si dispones de un transformador de 24 voltios pero sin rectificador, puedes añadírselo tú mismo al circuito. Simplemente, pide en tu casa de electrónica un puente rectificador de 5 A/24V y fíjate en el esquema  cómo va conectado. La salida positiva debe estar marcada con un signo +, y las entradas que llegan desde el transformador pueden estar marcadas con el símbolo de la corriente alterna, o con la letra «S».

Arriba podemos ver un puente rectificador de 5A. Este componente esta perforado en el medio, lo que le permite ser instalado en la pared de la caja mediante un tornillo pasante, simplificando así el montaje. También puede instalarse sobre una placa si fuera necesario, en posición vertical.

Ya hemos solucionado el problema del módulo rectificador, pero los cargadores no entregan el voltaje filtrado (para cargar una batería no se necesita filtrar la corriente), y por tanto tenemos que añadirle un condensador al circuito que realice esa función. Ese condensador tiene que ser electrolítico, de al menos 4000 microfaradios y 40 voltios o más. Si tienes a mano algún condensador de este tipo procedente de una vieja fuente, por ejemplo de un ordenador u otro aparato, comprueba antes de extraerlo que soporta tensiones como mínimo de 40 voltios (el voltaje máximo viene marcado en el cuerpo del condensador). Si no es así, tendrás que adquirirlo, y en ese caso te aconsejo que lo compres de los verticales que vienen con abrazadera. El motivo, es evitar tener que construir una placa para su montaje, pudiendo de esta forma sujetarlo con la abrazadera a cualquier superficie del interior de la caja (mediante un tornillo pasante).

Añadir el condensador de filtro al módulo rectificador es muy sencillo, hay que soldarlo en paralelo con la salida del rectificador (mira el esquema), pero fijándote muy bien en que el borne positivo del condensador lo conectas al borne positivo del puente rectificador. OJO, porque si lo colocas al revés ¡¡explotará!! (siento ser tan gráfico).

¿Qué integrado utilizar y cómo montarlo?

El alma del sistema es un circuito integrado regulador variable de tres terminales, y que según la serie que utilicemos podremos obtener diferentes corrientes de salida. Yo escogí tres que son compatibles cualquiera de ellos para utilizar en este esquema. El de menor corriente es el LM317K, que suministra 1,5 amperios; el LM350K nos entregaría hasta 3 amperios; y si queremos sacarle todo el rendimiento a un transformador de 5 amperios, entonces nos conviene utilizar el LM338K. Lógicamente, según se va subiendo en amperaje, así sube también el precio del componente.

Estos integrados se pueden adquirir con encapsulado llamado TO3 (pídelo así en tu comercio de componentes), que es perfecto para montar sobre un refrigerador exterior que permita disipar al aire libre el calor generado. Esto es algo importante, si no consigues un refrigerador de algún aparato viejo, tendrás que adquirirlo también en un comercio de electrónica. Ojo con los terminales en este encapsulado, pues según el que utilicemos cambia su disposición. En el esquema de arriba está configurado para el LM338K, pero si utilizamos el LM350K o el LM317K, hay que invertir los terminales 1 y 2, porque donde está la entrada es el ajuste y viceversa.

¿Cómo funciona el regulador?

Una característica de estos integrados reguladores, es que el terminal de salida (el punto 3 en el esquema) está siempre a 1,25V por encima del terminal de ajuste (el punto 1), y que la corriente de reposo de este terminal es de tan solo 50 microamperios.

El LM317K tiene un margen de tensión de entrada de 4 a 40V, y un margen de salida de 1,25 a 37V. El más alto en corriente, el LM338K, tiene el mismo margen de tensión de entrada, pero su margen de salida ya baja hasta los 32V. En nuestro caso, utilizando el transformador de un cargador de 24V, es obvio que el margen de salida se reduce aún más. En la práctica, la salida del circuito puede variarse mediante R1, siempre que la tensión de entrada no regulada sea por lo menos 3V mayor que la máxima tensión de salida necesaria.

La resistencia R2 de 200 ohmios y el potenciómetro lineal R1 de 5K, están calculados para que haya como mínimo una corriente a través de R2 de 3,5 miliamperios, lo cual asegura la mejor estabilidad del circuito.

Los condensadores electrolíticos C2 y C3 ayudan a aumentar el factor de rechazo de rizado, desacoplando las tensiones espúreas que podrían entrar al integrado a través del terminal de ajuste (1), o alcanzar el terminal de salida de la fuente.

El diodo D1 que está en paralelo con R2, es una protección para evitar que el condensador C3 pueda descargarse a través del terminal de ajuste del integrado, en el caso de que la salida del regulador quedase cortocircuitada. En tal situación, el condensador seguiría el camino más corto para su descarga, a través del ánodo de D1 y cerrando el circuito a través del puente (el corto) de los terminales de salida de la fuente.

La relación de componentes…

Para el módulo rectificador:

Si no consigues un cargador de baterías de las características descritas, tienes que adquirir los siguientes componentes:

– Una caja de aluminio o hierro galvanizado acorde con el tamaño del transformador.
– Un transformador de corriente alterna con salida de al menos 24 voltios, y corriente según el integrado a utilizar: 5A para el LM338K, 3A para el LM350, ó 1,5A para el LM317K.
– Un puente rectificador de 5A para atornillar en panel.
– Un condensador electrolítico con abrazadera de al menos 4000 microfaradios y 40 voltios ó más.
– Un fusible de 0,5A (500 miliamperios) para la línea de red de 220V.
– Un piloto de neón para el frontal de la caja.
– Un interruptor para el frontal.
– Bornes rojo y negro para la salida de corriente contínua.

Para el módulo regulador:

– 1 integrado regulador, según la corriente que se desee obtener (acorde con el transformador a utilizar): para 5A el LM338K, para 3A el LM350, ó para 1,5A el LM317K.
– Material necesario para el montaje del integrado:
– 1 mica aislante
– Tornillos y arandelas aislantes
– Pasta de silicona para mejorar la conducción del calor.
-1 resistencia de 200 ohmios y 1/2 vatio.
– 2 condensadores electrolíticos de 10 microfaradios y 50 voltios.
– 1 diodo de silicio 1N4002.
– 1 condensador de disco de 0,27 microfaradios.
– 1 potenciómetro lineal de 5 K, con su botón de panel.
– Una placa Uniprint para el montaje de los componentes (viene perforada y se puede cortar con una sierra al tamaño que se precise).

Cuestiones finales…

Las especificaciones técnicas de los integrados descritos, dicen que éstos tienen en su interior una protección térmica y contra cortocircuitos. De todas formas, por mi propia experiencia utilizando todo de equipos electrónicos, te aconsejo que no pongas a prueba esa posibilidad: los experimentos, mejor con gaseosa.

Este artículo se me ha hecho demasiado largo, así que, explicado ya todo lo que considero fundamental para construir el proyecto, prefiero volcar lo que me quede en el tintero a medida que vosotros vayáis planteando las dudas.

Mucha suerte con el montaje.

El Tecnotrón