Fuente Conmutada SMPS 13.8V 10A con IR2153 y IRF840 + PCB

¡Hola, entusiastas de la electrónica!

Hoy vamos a sumergirnos en el fascinante mundo de las fuentes conmutadas SMPS (Switched-Mode Power Supply) con un proyecto práctico y poderoso: una fuente de 13.8V capaz de entregar hasta 10A de corriente continua. Este proyecto utiliza el eficiente controlador PWM IR2153 y los robustos transistores MOSFET IRF840, componentes que juntos forman una combinación imbatible en términos de costo-beneficio y rendimiento.

Si eres estudiante, profesional del área, diseñador o aficionado en busca de una fuente de alimentación confiable para tus aplicaciones, ¡este artículo es para ti! Vamos a desvelar juntos cada etapa de este circuito, desde la teoría hasta la práctica, con explicaciones claras y detalladas.

🔍 ¿Qué es una Fuente Conmutada SMPS?

Antes de sumergirnos en el proyecto, vamos a entender qué hace a las fuentes conmutadas tan especiales. A diferencia de las fuentes lineales tradicionales, que disipan el exceso de energía en forma de calor, las fuentes SMPS operan con conmutación en alta frecuencia, resultando en mayor eficiencia energética y un tamaño reducido.

Piensa en la fuente SMPS como un sistema inteligente que "enciende y apaga" rápidamente la energía, ajustándola para proporcionar exactamente lo que tu circuito necesita. Este proceso de conmutación ocurre a frecuencias muy elevadas (generalmente por encima de 20kHz), permitiendo el uso de componentes más pequeños y ligeros.

🔧 Análisis Detallado del Circuito

Nuestro proyecto de fuente conmutada SMPS de 13.8V 10A puede dividirse en 8 etapas fundamentales, cada una desempeñando un papel crucial en el funcionamiento general del circuito. Vamos a explorar cada una de ellas:

1️⃣ Circuito de Protección

¡La seguridad es lo primero! Nuestro circuito de protección está compuesto por un Fusible de 5A/250V, que actúa como guardaespaldas, interrumpiendo el circuito en caso de una sobrecorriente peligrosa. En paralelo, tenemos un NTC (Coeficiente de Temperatura Negativo), un termistor especial que limita la corriente de pico inicial.

Piensa en el NTC como un "semáforo inteligente" para la electricidad: cuando el circuito se enciende, ofrece alta resistencia, limitando la corriente inicial. A medida que se calienta, su resistencia disminuye, permitiendo que el flujo normal de corriente ocurra. Esta topología se encuentra en la mayoría de las fuentes SMPS modernas, como las de portátiles y computadoras.

2️⃣ Filtro de Transitorios

Esta etapa funciona como un "guardia de tráfico" para la electricidad, impidiendo que el ruido de alta frecuencia viaje entre nuestro circuito y la red eléctrica. Está compuesta por un filtro capacitivo inicial (C1, C2) que inhibe las altas frecuencias de regresar a la red, y una bobina de filtro de EMI (Interferencia Electromagnética), que atenúa el ruido generado por la conmutación.

3️⃣ Rectificación Primaria

Aquí, la corriente alterna de la red eléctrica (110V o 220V) se convierte en corriente continua pulsante a través del puente rectificador D1. Es como si transformáramos el flujo bidireccional de la electricidad en un flujo unidireccional, preparándolo para las próximas etapas.

4️⃣ Filtro Primario

Los condensadores C3 y C4 actúan como reservorios de energía, suavizando la ondulación de la corriente continua pulsante y proporcionando un voltaje más estable para la etapa de conmutación. Piensa en ellos como pequeños "lagos de energía" que garantizan un flujo constante.

5️⃣ Etapa de Conmutación

¡Esta es la "magia" de la fuente conmutada! El corazón de esta etapa es el CI IR2153, un controlador PWM (Modulación por Ancho de Pulso) que genera señales de alta frecuencia para controlar los transistores MOSFET Q1 y Q2 (IRF840). Estos transistores funcionan como interruptores ultra-rápidos, encendiéndose y apagándose en alta frecuencia para "cortar" el voltaje continuo en pulsos de alta frecuencia.

El IR2153 es particularmente interesante porque ya incorpora un driver para MOSFETs en su encapsulado de solo 8 pines, simplificando significativamente el diseño y reduciendo el conteo de componentes.

6️⃣ Transformador de Alta Frecuencia

A diferencia de los transformadores convencionales que operan a 60Hz, nuestro Trafo Chopper opera en alta frecuencia, permitiendo un tamaño drásticamente reducido con la misma capacidad de potencia. Es responsable de dos funciones cruciales: aislar galvánicamente el circuito de salida de la red eléctrica (¡esencial para la seguridad!) y transformar el alto voltaje del primario al bajo voltaje necesario en el secundario.

7️⃣ Rectificación Rápida

En el secundario del transformador, necesitamos convertir los pulsos de alta frecuencia de vuelta a corriente continua. Para esto, utilizamos el diodo rápido D3 (MBR3045PT), que es capaz de operar eficientemente a las altas frecuencias generadas por nuestro circuito. Los diodos comunes no serían adecuados aquí debido a su tiempo de recuperación lento.

8️⃣ Filtro de Salida

Finalmente, el inductor L2 y el condensador C9 forman un filtro LC que suaviza la ondulación residual, proporcionando un voltaje de salida limpio y estable de 13.8V. Es la última barrera entre los pulsos rectificados y la energía perfectamente utilizable que alimentará tus proyectos.

⚡ El Controlador PWM IR2153 en Detalle

El IR2153 es el cerebro de nuestra fuente conmutada. Este circuito integrado de International Rectifier (ahora parte de Infineon) está diseñado específicamente para aplicaciones de puente medio en fuentes conmutadas, combinando un oscilador con drivers para MOSFETs en un solo paquete.

La alimentación del CI se realiza a través de la resistencia de potencia R3 (27K 5W) junto con el condensador C5. Internamente, el IR2153 ya posee un diodo Zener de 15.6V para regular su alimentación, pero la corriente disponible es limitada. Por eso, es crucial no utilizar una resistencia R3 con un valor menor al especificado, ya que esto podría sobrecargar y dañar el CI.

Una mejora interesante sería añadir un diodo Zener externo de 15V en paralelo con la alimentación del CI, proporcionando una protección adicional y mayor estabilidad.

Cabe destacar una diferencia importante entre el IR2153 y el IR2153D: el modelo "D" ya incorpora internamente el diodo D2 (FR107 o BA159) necesario para el funcionamiento adecuado del circuito. Si estás utilizando el IR2153D, puedes omitir este componente. Si es el IR2153 (sin la "D"), mantén el diodo D2 según el esquema.

🔌 Diagrama Esquemático Completo

Ahora que entendemos cada parte del circuito, vamos a examinar el diagrama esquemático completo en la Figura 2. Este es el momento en que todas las piezas del rompecabezas encajan, formando un sistema cohesivo y funcional.

🔧 El Transformador: Corazón de la Fuente Conmutada

El transformador TR1 es un componente crítico en nuestra fuente. Para este proyecto, utilizamos un transformador modelo IE-35A recuperado de una fuente ATX de desecho. La buena noticia es que prácticamente cualquier transformador de fuente ATX puede ser utilizado, siempre que sigamos la distribución de pines correcta.

Una de las grandes ventajas de este proyecto es que no hay necesidad de rebobinar el transformador. ¡Solo hay que identificar correctamente los terminales y conectarlos como se muestra en la Figura 3 a continuación. Este enfoque ahorra tiempo y elimina una de las etapas más complejas de la construcción de fuentes conmutadas.

Además del modelo EI-35A, otros transformadores de fuentes AT o ATX pueden ser utilizados, como los modelos EI-33, ER35, TM3341101QC, ERL35, EI28, entre otros. La Figura 4 muestra un ejemplo del transformador EI-35A que utilizamos:

En cuanto a los inductores L1 y L2, ambos pueden ser aprovechados de la fuente ATX original. El inductor L1 es el filtro de EMI de entrada, mientras que el L2 es el filtro de salida. Si prefieres construir tu propio filtro, puedes enrollar un inductor en un núcleo toroidal de ferrita utilizando hilo de cobre esmaltado de 0,6 mm con aproximadamente 25 vueltas.

📝 Lista Completa de Componentes

Para facilitar tu montaje, hemos compilado una lista detallada de todos los componentes necesarios para este proyecto:

🖨️ Placa de Circuito Impreso (PCB)

Para facilitar tu montaje, hemos puesto a disposición los archivos de la PCB (Placa de Circuito Impreso) en diferentes formatos, cubriendo todas tus necesidades, ya sea para un montaje casero o para enviar a una fabricación profesional.

Los archivos están disponibles en formato GERBER (para fabricación profesional), PDF (para visualización e impresión) y PNG (para referencia visual). ¡Y lo mejor de todo: están disponibles para descarga gratuita directamente desde el servidor MEGA, a través de un enlace directo, sin ninguna complicación o redirección!

📥 Descargar Archivos

Para descargar los archivos necesarios para el montaje del circuito electrónico, simplemente haz clic en el enlace directo proporcionado a continuación:

Enlace para Descargar: Descargar Archivos (Layout PCB, PDF, GERBER, JPG)

🎓 Conclusión y Próximos Pasos

Construir tu propia fuente conmutada SMPS es un proyecto desafiante, pero extremadamente gratificante. Además de ahorrar dinero, ganas un conocimiento profundo sobre el funcionamiento de las fuentes de alimentación modernas, esenciales en prácticamente todos los equipos electrónicos que usamos a diario.

Esperamos que esta guía detallada haya sido útil para tu viaje en la electrónica. Recuerda siempre priorizar la seguridad al trabajar con circuitos conectados a la red eléctrica y no dudes en buscar ayuda si tienes dudas.