Convertidores CC-CC conmutados: Elevador o “Boost converter”

Los convertidores de corriente continua conmutados son muy útiles, pues son capaces de convertir una tensión en otra menor (ver el anterior artículo sobre convertidores “buck”) o en otra mayor, con una eficiencia muy buena. Aquí os explico el principio de funcionamiento del convertidor elevador o “boost converter”.

Después de haberos contado cómo funcionan los convertidores reductores de tensión buck o step-down, ahora toca el convertidor elevador de tensión boost o step-up.

El convertidor elevador o “boost converter” sirve para transformar una tensión de alimentación continua en otra de mayor valor, también continua.

Tenemos una tensión de entrada al convertidor Vi, que es menor que la tensión que queremos obtener a la salida, Vo. Mediante un interruptor electrónico S1, cortocircuitamos a masa la bobina L1, que se cargará de corriente, almacenando energía. Mientras, C1 es el encargado de alimentar la carga que esté conectada a Vo. Cuando S1 se vuelve a abrir, la corriente que ha almacenado L1 llega, a través del diodo D1, hasta C1, cargándolo con una tensión mayor que Vi. El interruptor o conmutador (de ahí lo de “conmutación”) en realidad es un transistor (ya sea bipolar, FET/MOSFET o IGBT, dependiendo de las características que necesitemos en el diseño), y hará la función de abrir y cerrar miles de veces por segundo la conexión entre la bobina L1 y el terminal negativo del circuito o masa. El diodo D1 impide que se cortocircuite a masa C1 mientras S1 está cerrado.

TeoriaBoostDiagrama

De igual manera que vimos en el convertidor buck, el “Duty cycle” o ciclo de trabajo D que caracteriza a la señal que pilota la apertura y cierre del interruptor electrónico S1 determina la relación entre la tensión de entrada y la de salida.

Pero en este caso, la relación que se cumple es la siguiente:

D = 1 – (Vi / Vo)

O lo que es lo mismo, el valor de tensión de salida será:

Vo = Vi / (1 – D)

 TeoriaBuckDutyCycle

Entonces, si por ejemplo queremos diseñar un convertidor que obtenga una salida de 12 V a partir de una entrada de 5 V, tendremos que hacer un oscilador de onda cuadrada con un ciclo de trabajo D = 1 – (5/12) = 0,5833 = 58,33%.

Esto sería suficiente si la tensión de entrada fuese constante, pero en la práctica Vi no tiene por qué ser totalmente constante y puede tener bajadas o subidas, especialmente si vamos a extraer mucha energía de ella. Si la onda cuadrada que hemos generado para controlar el interruptor tiene un ciclo de trabajo constante del 58,33%, las fluctuaciones en la tensión de entrada se traducirán en fluctuaciones proporcionales en la tensión de salida.

Para ello, no basta con que la onda cuadrada que produce el oscilador trabaje con el ciclo de trabajo que hemos calculado previamente, sino que D tendrá que ir adaptándose a dichas fluctuaciones de la tensión de entrada, disminuyendo cuando Vi aumente y viceversa. La tensión de salida Vo, se introduce como realimentación en un comparador que compara esta tensión con una tensión de referencia Vref, y el resultado de este comparador determinará la anchura del pulso aplicado al interruptor. Como consecuencia, la onda cuadrada que va a controlar el interruptor S1 tendrá una frecuencia fija, pero el ancho del pulso irá variando, lo que se llama Modulación por Anchura de Pulso o PWM (Pulse Width Modulation).

La frecuencia de oscilación se suele elegir lo bastante grande como para que la bobina L1 y el condensador C1 no tengan que ser muy voluminosos ni costosos.

En cuanto al rendimiento, si los componentes fueran ideales, sería del 100%, pues la transferencia de energía sería total; pero en la realidad los transistores tienen una caída de tensión entre sus terminales que hace que el rendimiento no sea perfecto, y que se calienten ligeramente; aún así, no es difícil alcanzar rendimientos superiores al 80%. De todas formas, si se eligen bien los componentes y con un buen diseño, se pueden conseguir rendimientos bastante elevados (por encima del 90%), sobre todo comparando con los reguladores lineales.

Más adelante os enseñaré aplicaciones de esta técnica.

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10 responses to “Convertidores CC-CC conmutados: Elevador o “Boost converter””

  1. Suso says :

    Hola Harry. El integrado MC34063 ¿funciona igual que el LM3578?

    Gracias y saludos.

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    • Harry CacHarrytos says :

      Hola, Suso, me alegra verte por aquí.

      Los dos integrados son muy parecidos. Puedes ver las características del MC34063 en alldatasheet.com

      El LM3578 es capaz de dar 750 mA en su transistor de salida, mientras que el MC34063 da 1,5 A. Ambos integrados pueden dar más corriente con un transistor o FET externo. La tensión de referencia del LM3578 es de 1 V, y la del MC34063 es de 1,25 V.

      Puedes ver una aplicación del MC34063 en el blog electgpl.

      Yo suelo usar más el LM3578 porque lo conozco desde hace tiempo y estoy acostumbrado a diseñar los circuitos con él, pero como puedes ver, son muy similares.

      A la hora de hacer la bobina necesaria, puedes ver mi artículo Cómo fabricar núcleos de ferrita (2º método).

      Saludos.

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      • Suso says :

        Yo también soy de los que ven un aparato en la basura, o alguién no lo va a utilizar y los descuartizo, aprovechando lo que pueda. Por eso tengo varios nucleos toroidales, aunque ahora mismo no sé el diámetro. ¿Es critico el valor de la bobina para el voltaje de salida? ¿Cómo se controla el voltaje?

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      • Harry CacHarrytos says :

        No es crítico, lo calculas aproximadamente con las fórmulas de la página que pongo de referencia en el artículo, y si quieres la sobredimensionas un poco para asegurarte.
        Lo que determina el valor de la bobina es con qué valor de corriente de salida la conducción de la bobina pasa de ser discontinua a ser continua.
        En wikipedia está bien explicado. El modo continuo es preferible, porque el circuito emitirá menos interferencias electromagnéticas, y se consigue subiendo el valor de la bobina. Si este aspecto no importa, se puede usar una bobina menor.
        En las hojas de características del LM3578 vienen las fórmulas para calcularla, e incluso unas tablas gráficas para hacerlo.

        Saludos.

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  2. Suso says :

    Perfectamente explicado. Me pillaré los dos integrados y probaré. ¿Podría usar cable AWG22? Es el que tengo por aquí, también reciclado, jejeje…

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  3. Suso says :

    Hola de nuevo Harry.

    Como sabrás, ya probé el MC34063A como Boost, del que compartí el esquema en Inventable. El montaje probado va bien, lo que me extraña es que al usar 5V de una ATX como Vin, que puede entregar 30A, si conecto un bombillo de auto de 12V 21.5W el bombillo enciende, pero solo llega a 5.5V y 1A, y si intento subir la tensión de salida, la fuente se cae. Probé con un condensador de salida de 4700uF pero con los mismos resultados.
    Sebastian me comentó que posiblemente la señal PWM se deformara en algún momento, y por eso se cae. ¿Por qué podría ocurrir esto?
    En cambio, pude mover un motor RC hasta 2A sin problemas.

    Gracias y saludos.

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    • Harry CacHarrytos says :

      Hola, Suso.
      No sé, así de primeras se me ocurre poner el condensador en la entrada, no en la salida. Prueba a ver.
      Saludos.

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      • Suso says :

        El condensador es el necesario para la elevación, en la salida me refiero ¿o estoy equivocado?

        Aún así, probaré a añadir uno de bastantes uF a la entrada, pero me extraña que se caiga. Por la fuente lo dudo, pues una ATX de 420W.

        Ya te comento algo.

        Gracias.

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      • Harry CacHarrytos says :

        Sí, mejor antes y después. La que eleva la tensión es la bobina, el condensador de después filtra los pulsos, y el condensador de antes sirve para alimentar en los momentos de más consumo.

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