A menudo es necesario aumentar o disminuir los voltajes de CC. Los circuitos para aumentar o disminuir los voltajes CC no son simples como es el caso de los voltajes CA. Cambiar el nivel de voltajes CC requiere circuitos complejos. Estos circuitos se denominan convertidores de CC a CC. Los convertidores CC – CC son circuitos electrónicos que convierten un voltaje CC constante en un nivel de voltaje alto o bajo.
Cuando un circuito aumenta el voltaje de CC a un nivel más alto, se llama convertidor elevador. Cuando un circuito reduce el voltaje de CC a un nivel más bajo, se llama convertidor Buck. Como un convertidor elevador convierte el voltaje de CC a un nivel de voltaje más alto, también se lo conoce como convertidor elevador. Para aumentar la señal de voltaje, se requiere un circuito regulador que pueda aumentar la señal de voltaje de entrada.
La mayoría de los dispositivos electrónicos, como teléfonos inteligentes y tabletas, funcionan con 5 V CC. Sin embargo, para uso general, las baterías de 3,7 V son bastante comunes. Estas baterías se pueden utilizar para alimentar dispositivos de 5 V mediante un circuito convertidor elevador. En este proyecto electrónico, el voltaje de la batería de iones de litio de 3,7 V se incrementa a 5 V CC. Se puede suponer que el voltaje de fin de descarga de la batería de iones de litio es de 3,5 V, por lo que este circuito convertirá el voltaje de entrada mínimo de 3,5 V al nivel de 5 V. Se puede consumir una corriente máxima de 500 mA por este convertidor de impulso.
El regulador utilizado para aumentar la señal en este proyecto es el MC34063AP1, que aumentará la señal de entrada al nivel de voltaje deseado.
Componentes necesarios
Figura 1 : Lista de componentes necesarios para el convertidor DC a DC Boost
Conexiones de circuito –
En este proyecto, el circuito convertidor elevador se construye utilizando un IC convertidor de CC a CC 34063A. El voltaje de entrada se suministra a través de una batería de 3,7 V que tiene su ánodo conectado al pin 6 del regulador IC y su cátodo conectado a tierra común. Se conecta un condensador Cin al pin 6 para eliminar las ondulaciones de la señal de entrada. Un condensador C1 adicional está conectado en paralelo al condensador Cin para reducir la ESR general de las capacitancias. El voltaje de salida se toma del pin 5 del regulador IC a través de un circuito divisor de voltaje formado por las resistencias R1 y R2. En el pin 7 del IC, se conecta una resistencia limitadora de corriente Rsc y en el pin 8, se conecta una resistencia R3 para limitar la corriente en la base del transistor incorporado del IC. Los pines 2 y 4 del IC están conectados a tierra. En el pin 1, se conectan un inductor y un diodo para aumentar el voltaje de entrada. En el pin 3 del IC, se conecta un condensador de temporización Ct. Hay un condensador de Co conectado a la salida del circuito para reducir las ondulaciones en la señal de salida.
Cómo funciona el circuito –
Antes de comprender el funcionamiento del circuito convertidor elevador basado en IC 34063, es importante comprender cómo funciona un circuito convertidor elevador básico. El siguiente es el circuito básico de un convertidor elevador.
Fig. 2: Diagrama del circuito del convertidor elevador básico
En un circuito convertidor elevador, la salida es mayor que la señal de voltaje de entrada. El circuito básico de un convertidor elevador consta de un oscilador para proporcionar la señal de entrada, un diodo, un componente de conmutación como un transistor y al menos un elemento de almacenamiento de carga (condensador o inductor).
El oscilador proporciona una onda cuadrada en la entrada, por lo que durante el semiciclo positivo de la onda cuadrada, el inductor almacena algo de energía y genera un campo magnético. Durante esta fase, el terminal izquierdo del inductor tiene voltaje positivo. La base del transistor recibe voltaje positivo y se enciende. Por tanto, el ánodo del diodo tiene un potencial menor y actúa como un circuito abierto. Por lo tanto, toda la corriente de la fuente fluye a través del inductor hasta el transistor y finalmente a tierra.
Fig. 3: Diagrama de circuito que muestra el ciclo positivo en el funcionamiento del circuito convertidor Boost
Durante el medio ciclo negativo, el MOSFET se apaga. Debido a esto, el inductor no puede cargarse. La corriente que pasa por el inductor genera una fem inversa (según la ley de Lenz) que invierte la polaridad del inductor (como se muestra en la imagen siguiente). Por lo tanto, el diodo tiene polarización directa.
Ahora la carga almacenada del inductor comienza a descargarse a través del diodo y se obtiene un voltaje de mayor nivel en la salida. En este caso, el voltaje de salida depende de la carga almacenada en el inductor. Cuanto mayor sea la carga almacenada, mayor será el voltaje de salida. Por tanto, si el tiempo de carga del inductor es mayor, la carga almacenada en el inductor también aumenta. Por lo tanto, se convierten en dos fuentes de voltaje de entrada: una es el inductor y la otra es el suministro de entrada. Por lo tanto, el voltaje de salida es siempre mayor que el voltaje de entrada.
Fig. 4: Diagrama de circuito que muestra el ciclo negativo en el funcionamiento del circuito convertidor Boost.
Para aumentar la eficiencia y eliminar las ondulaciones de la salida del convertidor elevador, es necesario agregar algunos otros componentes al circuito básico del convertidor elevador.
Diseño de un circuito convertidor elevador utilizando el regulador 34063 –
En este proyecto, se diseña un convertidor de CC a CC utilizando el regulador IC 34063. Este regulador es un CI especialmente diseñado para la conversión de CC a CC. Proporciona un voltaje de salida constante y regulado. Internamente, este regulador cuenta con un transistor con un oscilador donde el oscilador proporciona una frecuencia de onda cuadrada de hasta 100 kHz.
La señal de entrada para el funcionamiento del regulador 34063 puede variar de 3V a 40V y el voltaje de salida se puede ajustar según sea necesario mediante una red divisora de voltaje. El IC se puede utilizar en aplicaciones de convertidor elevador, convertidor reductor e inversor de voltaje. El IC tiene 8 pines con la siguiente configuración de pines:
Fig. 5: Tabla que enumera la configuración de pines del regulador IC 34063
El regulador IC viene con las siguientes características:
• Corriente de espera baja: consume mucha menos corriente cuando no hay carga conectada a la salida.
• Puede proporcionar una corriente de salida de hasta 1,5 A cambiando el circuito externo de este convertidor elevador.
• Voltaje de salida ajustable: el usuario puede cambiar el voltaje de salida según sea necesario.
• Frecuencia ajustable hasta 100 kHz
Fig. 6: Circuito interno del regulador IC 34063
En la figura 2 se puede ver que junto con los componentes básicos como oscilador, transistor, diodo e inductor que son esencialmente parte del diseño del circuito básico de un convertidor elevador (figura 1), el regulador 34063 también tiene componentes adicionales. Estos componentes se utilizan para proporcionar más funciones al usuario y aumentar la eficiencia del circuito convertidor elevador.
El siguiente circuito se utiliza para hacer un convertidor elevador usando el regulador 34063:
Fig. 7: Diagrama del circuito del convertidor elevador
Los diferentes componentes externos interconectados con el regulador IC cumplen las siguientes funciones específicas:
Condensador de sincronización CT: hay un capacitor conectado al pin 3. El pin 3 sirve como capacitor de sincronización. El condensador conectado en el pin 3 define la frecuencia de conmutación del regulador IC.
Resistencia limitadora de corriente Rsc: hay una resistencia limitadora de corriente conectada al pin 7 del regulador IC. La resistencia de corriente de la fuente Rsc está conectada entre el pin 7 y el terminal positivo de la batería. La resistencia Rsc limita la corriente máxima Ipk (corriente interna máxima que fluye desde el inductor y el diodo) del circuito. Por eso, al diseñar el circuito, es importante elegir el inductor y el diodo adecuados que puedan permitir la corriente máxima Ipk.
Capacitancias Cin, Co y C1: hay condensadores Cin, Co y C1 conectados en el circuito para filtrar las señales de entrada y salida. Las capacitancias Cin y Co se utilizan en la entrada y salida respectivamente. Estos condensadores reducen las ondulaciones y el ruido no deseados en las señales de entrada y salida. El condensador de Co proporciona un voltaje CC regulado y suave en la salida. También se utiliza un condensador adicional C1 de valor muy pequeño en paralelo con el condensador Cin para reducir la ESR (Resistencia en Serie Equivalente) en la tensión de entrada.
Resistencias R1, R2 y R3: hay resistencias de retroalimentación R1, R2 y R3 conectadas en el circuito. R1 y R2 son las resistencias de retroalimentación que deciden el voltaje de salida deseado. El voltaje de salida depende de las resistencias de retroalimentación mediante la siguiente ecuación:
Vsalida = Vref*(1+(R2/R1))
La tensión Vref es la tensión de referencia. Internamente, el 34063A proporciona un voltaje de referencia estable de 1,25 V. Para un voltaje de salida deseado, los valores de las resistencias de retroalimentación R1 y R2 se pueden calcular de la siguiente manera:
Vsalida = 1,25*(1+(R2/R1))
5 = 1,25*(1+(R2/R1)) (Dado que el voltaje de salida deseado, Vout = 5V)
Calculando la ecuación anterior,
R2 = 3*R1
Si R1 se considera 15k ohmios
R2 = 3*15000
R2 = 45k ohmios. Esto se puede redondear a 47K ohmios, ya que es fácil conseguir una resistencia de 47k.
Entonces en este experimento
R1 = 15k y R2 = 47k
La resistencia R3 se utiliza para limitar la corriente que fluye hacia el colector del transistor integrado en el regulador (ver figura 2).
Inductor L1 y diodo D1: el inductor y el diodo son los componentes principales del circuito convertidor elevador básico. El diodo elegido para ser utilizado en el circuito es el 1N5822, ya que este diodo tiene una menor caída de voltaje directo, alta capacidad de corriente de hasta 3 A y puede trabajar a alta frecuencia.
Para diseñar un convertidor elevador que convierta una entrada mínima de 3,5 V en una salida de 5 V usando 34063, el valor para diferentes componentes externos debe calcularse como se muestra en la Figura 3. De acuerdo con la hoja de datos de 34063, para el elevador convertidor se puede usar la siguiente tabla para calcular valores de los componentes. Pero antes de calcular los valores de los componentes, es importante considerar los siguientes parámetros que se utilizan en la tabla proporcionada en la hoja de datos.
(Voltaje mínimo de entrada de la batería), Vin (min) = 3,5 V
(Voltaje de salida requerido), Vou = 5 V
(Corriente de salida máxima), Iout(máx.) = 500 mA
(Tensión de saturación del transistor), Vsat = 0,5 V (valor aproximado según hoja de datos 34063)
(Caída de tensión directa del diodo 1N5822), FV = 0,4 (según la hoja de datos del diodo 1N5822)
(Frecuencia de conmutación de salida deseada), f = 100 kHz
En el diseño de este circuito convertidor elevador se elige la frecuencia máxima que puede proporcionar el regulador 34063AP1. Debido al hecho de que cuanto mayor es la frecuencia, menor es el tamaño del inductor, esto hace que el circuito sea menos voluminoso.
(voltaje de ondulación de salida pico a pico deseado), Vripple = 100 mV
Este es el voltaje de ondulación de pico a pico que se debe considerar en la salida. La tensión de rizado siempre debe ser menor para una salida regulada y constante.
Tabla para calcular los valores de los componentes del convertidor Step-Up.
Fig. 8: Tabla utilizada para calcular los valores de los componentes del convertidor elevador.
Por conveniencia, los siguientes valores se han redondeado para que los componentes se puedan ensamblar fácilmente.
CT = 150 pF, Rsc = 0,22 ohmios, Lmín = 10 uH, Co = 200 uF
Valores de otros componentes.
Resistencia R3: el valor estándar de la resistencia R3 es de 180 ohmios para el convertidor elevador según la hoja de datos del regulador 34063. En el circuito se ha redondeado a 200 ohmios.
Condensador Cin: en este circuito, se utiliza un condensador de 100 uF para Cin. Este es el valor estándar para el convertidor elevador según la ficha técnica del regulador 34063.
Condensador C1: el valor del condensador C1 debe ser menor para que pueda reducir la ESR general, por lo que la capacitancia C1 se considera 0,1 uF.
Después de conectar todos los componentes externos al regulador IC, se pueden medir el voltaje y la corriente de salida para realizar observaciones prácticas. Medir diferentes valores de voltaje y corriente en el circuito ayuda a evaluar la eficiencia del circuito convertidor elevador.
Voltaje de entrada práctico de la batería, Vin = 3,6 V
Tensión de salida práctica, Vout = 5,35 V
La eficiencia del circuito convertidor elevador debe evaluarse con diferentes cargas. Por conveniencia, se conectan resistencias de diferentes valores como carga a la salida para realizar pruebas. Los resultados obtenidos durante la prueba se resumen en la siguiente tabla:
Figura 9: Tabla que enumera el voltaje y la corriente de salida del convertidor Boost para diferentes cargas
Fig. 10: Gráfico que muestra la variación de voltaje para diferentes cargas en la salida del convertidor elevador
Fig. 11: Gráfico que muestra la variación de corriente para diferentes cargas en la salida del convertidor elevador
A partir de observaciones prácticas, se puede ver que cuando aumenta la demanda actual, el voltaje comienza a caer. Al igual que con el voltaje de salida de 5 V con una carga de 100 ohmios, la corriente consumida en la salida es de 50 mA. A medida que la salida de voltaje comienza a caer por debajo de 5 V, la corriente consumida por la carga comienza a aumentar. Por lo tanto, el circuito sólo puede suministrar corriente hasta aproximadamente 50 mA si el voltaje de salida se establece en aproximadamente 5 V. La eficiencia del circuito se puede mejorar agregando filtros y reguladores de voltaje (diodos Zener) para obtener un voltaje regulado en la salida.
Figura 12: Prototipo de Boost Converter diseñado en una placa de pruebas
Al diseñar este circuito, es importante que para la salida estabilizada sea necesario utilizar un capacitor en la potencia de entrada y también en la salida del circuito, de esta manera se pueden reducir las ondulaciones no deseadas en las señales de entrada y salida. También se debe agregar un valor de capacitor bajo (C1) en paralelo con un valor de capacitor alto (Cin) en la entrada para reducir la ESR general. El diodo y el inductor deben elegirse sabiamente para que puedan permitir la máxima corriente de entrada (Ipk) a través de ellos. Maximizar la corriente de salida debe ser el criterio para elegir el diodo y el inductor. La energía de entrada debe suministrarse al regulador 34063 solo en su rango de trabajo. La selección del diodo (D1) debe ser tal que sufra menos caída de tensión directa y pueda trabajar a altas frecuencias.
Diagramas de circuito
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