en tiempos de aranguren. no esta mal estar preparado!

01.03.2018 a las 00:47 hs 584 0

Convertidor 12 V a 5 V USB



Todo el que tenga una instalación fotovoltaica con baterías acumuladoras a 12 V, el que utilice la autocaravana o furgoneta para viajar, o el que quiera poner a cargar en su automóvil el teléfono o la tablet o cualquier accesorio electrónico que funcione a 5 V, necesita un convertidor de 12 V a 5 V. Si además el convertidor tiene un conector USB hembra a su salida, no tiene más que conectarle el cable que viene con dicho teléfono, tablet o accesorio para ponerlo a cargar.
En el artículo pasado os enseñé cómo funciona un 
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. Vamos a aplicarlo a la construcción de un convertidor de 12 V a 5 V, capaz de entregar 4 A de corriente máxima.Este convertidor nos va a hacer posible alimentar accesorios electrónicos, teléfonos, tablets, etc., que están preparados para conectarse a un puerto USB, cuya tensión nominal son 5 V. Esto es muy útil cuando estamos en el automóvil, furgoneta, autocaravana, o tenemos una instalación a 12 V alimentada con placas solares, 
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.Como visteis en el anterior artículo, un 
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 trocea la energía entrante a alta frecuencia, después filtra esa frecuencia para obtener la tensión continua de menor valor a la entrada, y a la vez recoge una muestra de esa tensión como realimentación, para variar el “duty cycle” o ciclo de trabajo de esa señal de alta frecuencia con el fin de autorregular el valor de tensión de salida y que éste se mantenga estable, independientemente de las fluctuaciones de la tensión de entrada al circuito y del consumo de corriente de la carga.Con todo esto, parece que el circuito a diseñar va a ser muy complejo, pero la realidad es que existen circuitos integrados que realizan todas estas funciones con muy pocos componentes externos, facilitándonos enormemente el trabajo.Mi preferido (me lo veréis utilizar en multitud de diseños) es el 
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 (antes pertenecía a National Semiconductor, hasta que TI la compró).
Éste es el esquema del convertidor de 12 a 5 voltios:
Convertidor conmutado de 12 V a 5 V (haz click para abrirlo ampliado) Descripción del circuito
La entrada de 12 V se realiza a través del conector CON1. Lo primero que hay son 2 condensadores, C1 y C2, que sirven para evitar que los ruidos eléctricos producidos en este montaje afecten al resto de la instalación de 12 V.Después tenemos el circuito integrado U1 (LM3578) y sus componentes asociados:
  • Los pines de alimentación del integrado son el 8 (Vin) y el 4 (GND).
  • C4 determina la frecuencia de funcionamiento del convertidor, en este caso cerca de 100 kHz.
  • C3 es necesario para el funcionamiento estable del integrado.
  • La salida de alta frecuencia del integrado se hace a través de un transistor, del que podemos acceder a su colector (pin 6) y su emisor (pin 5), que conectamos a masa.

R3 es un “shunt” de corriente, es decir, una resistencia de valor muy pequeño que sirve para medir la corriente entregada por el circuito para introducirla en el pin 7 del integrado. El LM3578 mide dicha tensión y, si ésta supera el valor de 110 mV, corta la señal de salida con el fin de actuar como protección contra sobrecorrientes y cortocircuitos.He puesto un valor de R3 de 0,025 ohmios, así que la limitación de corriente actuará cuando el consumo alcance los 4,4 amperios.El transistor T1 es el interruptor de potencia, abriéndose y cerrándose casi 100.000 veces por segundo, y para ello está controlado en su base por las resistencias R4 y R5, conectadas al transistor interno del LM3578, como he explicado antes.Después del transistor tenemos el filtro compuesto por la bobina L1 y los condensadores C5 y C6.El diodo D1 cierra el circuito de salida cuando T1 está abierto. Es un diodo 
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, con un tiempo de respuesta superior al de los diodos convencionales (necesario para circuitos de alta frecuencia como éste), y con una caída de tensión directa muy pequeña, de unos 0,2 V.El lazo de realimentación está compuesto por un divisor de tensión, R1 y R2, conectado a la tensión de salida. La tensión dividida se introduce en el pin 1 del integrado, donde la compara con una referencia interna de 1 V. Dependiendo del resultado de dicha comparación, el integrado aumentará o disminuirá el ciclo de trabajo (duty cycle) de la señal de salida, para regular la tensión de salida del circuito.Por último, los 2 pines centrales de cada conector USB van unidos entre si, para forzar la carga de los dispositivos que conectemos.He señalado con línea discontinua las ramas del circuito por las que circula más corriente, con el fin de hacerlas con cobre más grueso en el montaje.Montaje del circuito
Una vez os he explicado el funcionamiento del circuito, vamos a montarlo.Lo he hecho en una placa de circuito impreso taladrada para prototipos, pero el que lo desee puede diseñar un circuito impreso específico.Lista de materiales:
  • C1, C6: condensadores de 100 nF
  • C3: condensador de 22 pF
  • C4: condensador de 820 pF
  • C2: condensador electrolítico de 1.000 μF, 16 V
  • C5: condensador electrolítico de 470 μF, 6,3 V
  • CON1: regleta PCB de 2 contactos
  • USB1: conector USB tipo A hembra doble para PCB
  • D1: diodo tipo Schottky 1N5819
  • L1: bobina (inductor) 25 μH, 4 A (ver texto)
  • U1: circuito integrado LM3578
  • T1: transistor tipo PNP BD436
  • R5: resistencia de 100 Ω (marrón-negro-marrón)
  • R4: resistencia de 120 Ω (marrón-rojo-marrón)
  • R2: resistencia de 10 kΩ, 1% (marrón-negro-negro-rojo)
  • R1: resistencia de 40,1 kΩ, 1% (amarillo-negro-marrón-rojo)
  • R3: shunt de 0,025 Ω (ver texto)
  • 1 disipador pequeño para el transistor, con un tornillo de 3 mm y una tuerca.
  • Pasta de silicona térmica.
  • Cablecillo de conexionado: fino y grueso
  • Placa de circuito impreso perforada.
  • 4 separadores y 4 tornillos de 3 mm, que harán de patas


El patillaje del transistor BD436 es el siguiente:
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La bobina se puede comprar hecha, pero también se puede hacer a mano. Una opción es comprar un núcleo toroidal de ferrita apto para la potencia requerida. Otra opción es realizar, según el método que describí en el artículo “
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“, un núcleo toroidal con las siguientes medidas:
  • 23 mm de diámetro exterior
  • 7 mm de diámetro interior
  • 13 mm de altura


Después, tanto con el núcleo comercial como con el realizado a mano, deberemos enrollar 32 espiras de hilo de cobre esmaltado de 1 mm2 de sección o, mejor aún, 2 hilos trenzados de 0,4 mm de diámetro (calibre awg 26). Si tenéis hilo más grueso se puede utilizar, y si lo tenéis más fino también, pero en lugar de 2 hilos tendréis que trenzar 3, 4 o los que haga falta para llegar a la sección total de 1 mm2, necesaria para que la bobina no se caliente al circular la corriente.
Esta configuración de hilo trenzado se llama 
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.
Para bobinar el inductor os podéis ayudar con un gancho de hacer ganchillo
Después, hay que pelar los extremos del hilo de cobre esmaltado, raspando con una cuchilla, y una vez pelados, estañarlos con el soldador.
Para la realización del shunt (R3) de 0,025 ohmios, podemos utilizar hilo de conexionado muy fino, del que deberemos averiguar su resistencia.
Para ello, mediremos un trozo largo de varios metros con un multímetro. Después, cortaremos un trozo equivalente a 0,025 ohmios, y pelaremos los extremos.
Tendremos que cortar a la medida deseada la placa de circuito impreso, y agrandar los taladros para las patas de los componentes que lo requieran.Después, iremos colocando y soldando los componentes en la placa.
En un principio monté el transistor sin disipador, pero después de ponerlo en funcionamiento me di cuenta de que se calentaba un poco (no mucho), y le puse un disipador; así que mejor será montar el disipador antes de soldar el transistor, pues resultará más cómodo.
Primero hay que poner un poco de pasta térmica, y después se monta el tornillo y la tuerca.Una vez soldados todos los componentes, habrá que hacer las conexiones por el lado de soldaduras, siguiendo el esquema. Hay que tener cuidado de realizar las conexiones marcadas con lineas discontinuas en el esquema con cable más grueso, pues es por las que circula más corriente.
En la regleta se conecta la alimentación de entrada de 12 V. Dicha alimentación (una batería de plomo, por ejemplo) debe ser capaz de entregar unos 2 A para que a la salida de 5 V podamos obtener hasta 4 A.
En el conector USB doble podemos conectar 1 ó 2 dispositivos a la vez, como pueden ser smartphones, tablets, o cualquier otro que se alimente a 5 V, teniendo en cuenta que la suma de los consumos no puede sobrepasar los 4 A.
En la práctica, no hay por qué limitarse a alimentar el circuito con 12 V, sino que podemos alimentarlo con cualquier tensión comprendida entre 7 V y 40 V, que es la tensión máxima admitida por el LM3578.—————-Fe de Erratas y Mejoras
  • 1-01-2016: Corregida la corriente que debe entregar una batería de 12 V para que a la salida de 5 V tengamos 4 A (cambiado de 900 mA a 2 A). Gracias a 
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    .

El cocinero del averno!

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