Análisis: Fuente de Alimentación Conmutada ZK-4KX

Todo electrónico necesita en su equipo de laboratorio una fuente de alimentación (FA). Es típico al principio que dicha fuente sea un proyecto DIY de una fuente de tipo lineal. Hoy os contaré de una FA conmutada económica y porqué creo que una fuente de laboratorio conmutada es una muy buena idea.

Para las pruebas de mi anterior análisis necesitaba una fuente de alimentación estable y precisa, pero sobre todo estable. Mi vieja fuente de laboratorio era una fuente lineal que regulaba con potenciómetros. Me hubiera servido, pero la regulación a tensiones concretas era pésima por culpa de los potenciómetros.

Tocaba buscar una alternativa: ¿mejorar mi vieja fuente?, ¿rehacer una nueva aprovechando material de la vieja?, ¿comprar una nueva?… al final me decanté por comprar una fuente de alimentación conmutada de tipo Buck Boost económica y la ganadora fue la ZK-4KX que os presento aquí.

La ZK-4KX es una fuente de alimentación conmutada capaz de aumentar (Boost) o disminuir (Buck) la tensión de entrada a los valores requeridos. La selección de la tensión de salida se realiza con un encoder rotativo y un display digital. También permite seleccionar el límite de corriente así como una potencia máxima de salida para evitar daños a la fuente.

Desde unos 7€ puedes hacerte con el convertidor CC-CC. Necesitas para hacerla funcionar una tensión continua de entre escasos 5 V hasta unos 30 V, una fuente de alimentación de un portátil puede hacernos perfectamente el servicio.

Podemos regular la tensión de salida desde 0.5 V hasta 30 V y la corriente de salida máxima es de 4 A, siempre que estemos en una potencia de salida máxima de entre 35 W (sin refrigeración extra) hasta 50 W (con refrigeración forzada).

El display nos muestra la tensión de salida con resolución de centésimas de voltio y la corriente con una resolución de un miliamperio. En dicho display también podemos ver la tensión de entrada, la potencia de salida, los Ah entregados en la salida (si se usa como cargador de baterías), la temperatura de MOSFET de salida y no se si se me olvida algo.

Para seleccionar la tensión de salida requerida podemos mover el encoder, con lo que aumentaremos o disminuiremos la tensión según lo giremos a derechas o viceversa. Pero como por defecto mueve centésima a centésima en una vuelta apenas habremos incrementado la tensión de salida en 0.20 V, y como queramos subir de los 0.5 V a 30 V vamos a tardar un rato.

Podemos entonces entrar en el modo de selección de tensión/corriente de salida. En dicho modo seleccionamos presionando el encoder el dígito de la tensión que queremos cambiar, de esta forma podemos aumentar en décimas de voltio, voltios o decenas de voltio rápidamente. También podremos seleccionar el límite de corriente que entregará la fuente. Muy útil para evitar quemar la carga por accidente.

En el modo de configuración podemos calibrar el display, de forma que nos de una lectura más precisa de la tensión y corrientes de salida. Otros parámetros que podemos controlar son: la tensión máxima, la corriente máxima y la potencia máxima. Estos son los principales, pero hay hasta 14 parámetros configurables.

La precisión del display es aceptable, el máximo error entre la lectura del display y la tensión entregada es de una décima de voltio. La precisión es máxima en un rango de unos pocos voltios alrededor del punto de calibración. Si calibramos a 12 V, el mínimo que podemos calibrar, podemos estar seguros que entre 10 V y 14 V la tensión de salida será centésima arriba o abajo la mostrada en el display. La calibración de corriente funciona parecido con un mínimo de 1 A como punto de calibración.

La divergencia entre el display y la tensión/corriente de salida no es un problema, pues cuando necesitemos medidas precisas siempre debemos recurrir a un buen multímetro.

El ruido de salida es imperceptible, al menos está fuera del alcance de lo que puedo medir con los instrumentos que tengo. La fuente conmuta a 180 kHz, por lo que resulta inaudible.

La estabilidad es muy buena. He tenido la oportunidad de probar el limitador de corriente, funcionando perfectamente en todo el rango, si bien la precisión es pésima por debajo de los 200 mA, siendo buena a partir de unos 500 mA. En este sentido sale a cuenta configurar un límite de corriente de 10mA, cortocircuitar la salida con un amperímetro (multímetro en modo miliamperímetro) e incrementar el límite de corriente hasta que el amperímetro marque el valor deseado.

La protección de sobre carga (la limitación de potencia máxima de salida) es inmediata: se apaga la fuente de alimentación, obligando a desconectar la alimentación de la misma para volver a encenderla.

El radiador del MOSFET de conmutación y de los diodos rectificadores de la salida es un tanto exiguo. Además la forma de sujeción no es optima, quedando inclinado con respecto a la superficie de los elementos que pretende refrigerar. Para mejorar este aspecto retiré el radiador de serie y coloqué uno más grande (no mucho más por las limitaciones de espacio de la caja en la que lo instalé) y coloqué un Thermal Pad de 1 mm de espesor entre el radiador y el MOSFET y los diodos, de esta forma el pad térmico hace que el contacto entre los elementos a disipar y el radiador tengan el mejor contacto posible absorbiendo todas las irregularidades de alturas y ayudando a transmitir el calor al radiador.

Esta es la mayor pega que tiene esta fuente de alimentación si quieres utilizarla al limite de su potencia por periodos prolongados.

Al final busqué una caja de aluminio en la meter la fuente y terminé comprando una apenas un poco más grande que la propia fuente (100x65x50 mm), le puse un conector DC para ponerle cualquier fuente de portátil con conector DC de 5.5×2.1 mm y unos terminales de salida.

Calculo que por algo menos de 20€ se puede comprar todo lo necesario para dejar la fuente como la tengo, yo me he ahorrado un buen pellizco porque algunas cosas ya las tenía en stock. Nótese la ironía de llamar stock a las piezas reutilizadas o sobrantes de otros proyectos. El radiador, por ejemplo, es el disipador del chipset de unas placas madre estropeadas del curro.

La experiencia ha sido muy buena, de hecho me he planteado hacerme una fuente de laboratorio más potente (hasta 20 A) también con un Buck Boost. Esta vez será un modulo controlado por dos potenciómetros, para los que utilizaré potenciómetros multivuelta (10 vueltas para llevarlos de extremo a extremo).

Siempre he tenido cierta reticencia respecto a las fuentes de alimentación conmutadas como fuentes de laboratorio. Pero se debía a que yo conozco muy bien las fuentes lineales y no tenía experiencia con las conmutadas. Hoy en día la inmensa mayoría de fuentes de laboratorio con una gran excursión de tensión y corriente de salida son de tipo conmutado por su mayor eficiencia energética y menor peso y tamaño.

En un futuro hablaré de ambos tipos de fuentes de alimentación y os contaré como ha terminado mi proyecto de fuente de alimentación de alta corriente.