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Aprenda el arte y la ciencia del diseño de las fuentes de alimentación conmutada

Mi primer proyecto de diseño después de convertirme en ingeniero eléctrico recién graduado en 1975 fue el expansor de E/S HP 9878A para la computadora de escritorio HP 9825A. Me dieron la responsabilidad de diseñar todos los aspectos electrónicos del proyecto y trabajé conjuntamente con Jerry Nichols, el ingeniero de HP a cargo del diseño mecánico del proyecto.

Conceptualmente, el expansor de E/S se parecía mucho a uno de los concentradores USB actuales. Tome un puerto de E/S de computadora y “expándalo” a varios puertos. El trabajo del expansor de E/S HP 9878A era tomar una ranura de E/S y transformarla en siete ranuras. Ya que todas las tarjetas de E/S tenían nombres clave basados en especias (perejil, salvia, romero), el nombre clave para el proyecto del expansor de E/S pasó a ser inmediatamente “bastidor de especias”. En 1976 se introdujo el bastidor de especias (Figura 1).

Figura 1: El expansor de E/S HP 9878A (circa 1976) utilizaba una regulación de energía lineal para sus fuentes de alimentación de 5, 12 y -12 voltios ya que, para ese entonces, el diseño del regulador de conmutación aún era una forma de arte. (Crédito de la foto: Steve Leibson)

Parte de ese trabajo de diseño involucraba suministrar energía a las tarjetas de E/S conectadas a las siete ranuras del expansor. Cada tarjeta podría obtener un máximo de 500 miliamperios (mA) de la guía de voltaje regulada de 5 voltios y 100 mA de las guías de voltaje reguladas de 12 y -12 voltios. De este modo, la fuente de alimentación en el expansor de E/S necesitaba proporcionar 3.5 amperios a 5 voltios (además de la fuente de alimentación de 5 voltios requerida por el circuito interno del expansor de E/S) y no más de 700 mA para las fuentes de alimentación reguladas de 12 y -12 voltios.

Los requisitos de la fuente de alimentación de 12 voltios del HP 9878A se cumplieron fácilmente al utilizar los reguladores de tres terminales nuevos (para la época) µA7812 y µA7912, pero no hubo ninguna elección fácil para la fuente de alimentación regulada de 5 voltios, que necesitaba proporcionar casi 4 amperios. Después de una rápida investigación, elegí el CI del regulador ajustable µA723 en un paquete TO-5 de diez clavijas, que requería varios componentes de soporte adicionales y un transistor de energía NPN 2N3055 externo en un paquete TO-3 grande y robusto.

Además: El legendario Bob Widlar diseñó el CI de regulador ajustable µA723 en 1967, que ha demostrado ser notablemente duradero. Como muchos de los diseños de CI análogos de Widlar, el regulador µA723 es fácil de conseguir, incluso hoy en día. Nada mal para un CI que tiene medio siglo.

Los reguladores de tres terminales y el transistor de energía 2N3055 estaban atornillados a un panel de aluminio que estaba ajustado de forma sólida al chasis de aluminio fundido del HP 9878A para disipar el calor, mientras que para el regulador ajustable µA723 montado sobre la placa se colocó un pequeño disipador de calor ajustable con clip. La disipación del calor nunca representó un problema con este diseño.

Los reguladores de tres terminales µA7812 y µA7912 aún pueden ser las elecciones correctas hoy en día, incluso después de casi 45 años, pero yo ya no elegiría el regulador ajustable µA723 ni el transistor de paso NPN 2N3055. Para minimizar el excesivo calor perdido, el diseño de la fuente de energía en el HP 9878A necesitó un transformador de energía enroscado personalizado de modo que la guía de alimentación no regulada de CC fuera un poco más alta que la guía de voltaje regulada de 5 voltios. Sin embargo, en aquel momento, HP tenía su propia tienda de transformadores, así que los transformadores enroscados personalizados no fueron un problema. Hoy en día, el caso es otro: Si lo diseñara hoy, yo no usaría una fuente de alimentación lineal para esta tarea.

En 1975, el diseño de las fuentes de alimentación conmutada aún estaba en sus inicios. De hecho, era más arte que ciencia y había muy pocos CI para ayudar a diseñar las fuentes de alimentación conmutada. En realidad no había ninguno. Hoy en día la ciencia es más avanzada y hay muchos reguladores de energía conmutada disponibles en forma de CI. Sin embargo, todavía pienso que el diseño de fuentes de energía conmutada buenas y confiables sigue siendo un arte. Como en cualquier forma de arte, los artistas primero deben aprender las normas, porque solamente ellos pueden romperlas y solamente pueden hacerlo para su beneficio.

Hay muchos recursos para ayudarlo a aprender el arte y la ciencia del diseño de las fuentes de energía conmutada. Algunos de los mejores recursos son kits de evaluación y trabajos académicos desarrollados por Texas Instruments (TI) para su serie de kits de laboratorio de manejo de energía (Power Management Lab Kit, PMLK). La serie incluye lo siguiente:

Cada uno de estos tres productos incluye una placa de evaluación y un libro de texto que respectivamente cubren el diseño de fuentes de alimentación conmutada de intensificación y reducción y los reguladores de caída baja (LDO). Puede necesitar los LDO incluso para que el diseño de la fuente de alimentación conmutada derive múltiples voltajes de corriente baja y alimentación regulada de la fuente regulada conmutada.

Todos estos libros de texto de TI incluyen experimentos basados en las placas de evaluación. Cuando haya terminado todos los experimentos en estos tres libros de texto de los PMLK, tendrá un amplio conocimiento sobre la ciencia de las fuentes de alimentación. Ojalá hubiese tenido estos recursos hace 45 años.

Acerca de este autor

Image of Steve Leibson Steve Leibson fue ingeniero de sistemas para HP y Cadnetix, editor en jefe de EDN y Microprocessor Report, blogger tecnológico de Xilinx y Cadence (entre otros), y se desempeñó como experto en tecnología en dos episodios de "The Next Wave with Leonard Nimoy". Ha ayudado a los ingenieros de diseño a desarrollar sistemas mejores, más rápidos y más confiables durante 33 años.
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