Convertidor DC-DC reductor de 12 V a 5 V, 3 A

LM2596

El LM2596 es un regulador conmutado reductor (“buck”) que sustituye a los reguladores lineales cuando el diferencial entre entrada y salida hace inviable disipar la potencia sobrante en calor. Entrega hasta 3 A de salida con muy pocos componentes externos.

Existe en versión ajustable y en varias variantes de tensión fija. En este montaje se usa la de 5 V para bajar una entrada de 12 V a los 5 V que suele necesitar la lógica.

Cómo funciona el circuito

El principio del convertidor reductor es guardar energía en un inductor mientras el interruptor está cerrado y devolverla a la carga cuando se abre. El LM2596 abre y cierra su interruptor interno 150 000 veces por segundo y ajusta el tiempo que permanece cerrado (el ciclo de trabajo) según lo que mide en el pin Feedback: si la salida cae, alarga la conducción; si sube, la acorta.

Cuando el interruptor conduce, la tensión de entrada llega al inductor L1 (33 µH), que se carga con una corriente que sube en rampa mientras suministra a la vez la corriente de la carga y recarga el condensador de salida C2 (220 µF). El diodo D1 (1N5824, Schottky de 5 A) queda polarizado en inversa y no conduce.

Cuando el interruptor se abre, el inductor no admite un cambio brusco de corriente y mantiene la suya empujando al nodo de salida hacia arriba: el diodo Schottky se polariza en directa y cierra el camino por masa, de ahí su nombre de diodo de rueda libre. La corriente del inductor baja ahora en rampa mientras sigue alimentando la carga.

El condensador de entrada C1 (680 µF) es el que aguanta los picos de corriente que la fuente no puede entregar durante la conducción del interruptor: cada ciclo, el regulador extrae de golpe la corriente de la carga (y algo más) por el pin VIN, y sin ese depósito el rizado en la entrada sería inaceptable.

En la versión fija, el pin Feedback se conecta directamente a la salida: la red divisora que fija la referencia ya está integrada. Y el pin ON/OFF se lleva a masa para dejar el regulador siempre activo — si se necesita apagarlo desde un microcontrolador, basta con llevar ese pin a nivel alto.

Diseño de aplicación

Con la versión fija, los únicos parámetros a elegir son el inductor, el diodo, el condensador de salida y el condensador de entrada. El datasheet trae tablas y nomogramas para los cuatro; aquí basta con conocer las ideas detrás de cada uno.

Inductor. Es el único que merece un mínimo de cálculo. Se dimensiona fijando el rizado de corriente $\Delta I_{L}$ que queremos por él — una regla común es hacerlo del orden del 30 % de la corriente de salida. Ignorando las caídas del interruptor y del diodo, el ciclo de trabajo se aproxima por:

$$D \approx \frac{V_{out}}{V_{in}}$$

Y de la tensión sobre el inductor durante la conducción sale directamente:

$$L \approx \frac{(V_{in} - V_{out}) \cdot D}{\Delta I_{L} \cdot f_{sw}}$$

Con $V_{in} = 12\ \text{V}$, $V_{out} = 5\ \text{V}$, $D \approx 0{,}42$, $\Delta I_{L} = 0{,}9\ \text{A}$ (30 % de 3 A) y $f_{sw} = 150\ \text{kHz}$ salen unos 22 µH; el valor comercial más cercano por arriba, 33 µH, es el que recomienda directamente el nomograma del datasheet.

Diodo Schottky. Debe ser Schottky (caída baja y recuperación inmediata) y soportar toda la corriente de salida. El 1N5824 (5 A, 40 V) va sobrado.

Condensador de salida. Fija el rizado de tensión y estabiliza el lazo. Lo que manda a esta frecuencia no es la capacidad sino la ESR: con 220 µF de baja ESR el rizado se queda en unas decenas de milivoltios.

Condensador de entrada. Aguanta los picos de corriente que la fuente no puede entregar en el instante de la conducción. Los 680 µF de este montaje están holgados.

Otras aplicaciones

El LM2596 cubre prácticamente cualquier reducción de tensión en la que el diferencial es demasiado grande para un regulador lineal. Algunas aplicaciones típicas:

• Fuentes reductoras en placa (POL). Bajar de un bus de 12 V o 24 V a los 3,3 V o 5 V que necesita la lógica sin el calor de un regulador lineal.
• Cargadores sencillos de baterías. En modo ajustable, la salida se lleva al valor de flotación deseado; la limitación interna de corriente añade una protección básica.
• Preregulador previo a un LDO. El buck baja la tensión con buen rendimiento hasta unos volts por encima del valor final; un LDO en cascada limpia el rizado de conmutación para etapas sensibles.
• Regulación local sobre placa. Alimentar subsistemas concretos desde una fuente principal más alta, evitando cablear la tensión final por toda la placa.
• Sustitución de reguladores lineales que se calientan. Reemplazo directo cuando un 78xx o similar se queda corto por disipación, especialmente en cargas de 1 A o más.