Objetivos
Material requerido.
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Fuente de alimentación conmutada Step Up o boost converter |
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F uente Step Up o boost converter con voltimetro |
Esta sesión es poco más que una traducción de la magnífica página sobre el mismo tema de Learn about electronics, que podéis encontrar aquí .
Las Fuentes de alimentación Step Up o Boosters
En la sesión previa hicimos una pequeña presentación a las fuentes de alimentación conmutadas o Switching Power Supplies (SPSs). Vimos que la idea básica consiste en conmutar con rapidez la tensión de entrada mediante un transistor para controlar la entrada de energía al circuito.
Vimos que para una frecuencia base de conmutación la anchura de los pulsos determina la tensión eficaz de salida proporcionalmente y eso nos permite obtener una señal seudo continua que debidamente filtrada es una aproximación excelente a una señal de tensión regulable inferior a la de entrada.
La virtud de los buck converters o fuentes de Step Down es que proporcionan un buen rendimiento en la conversión de energía de una batería por ejemplo, sin desperdiciarla en forma de calor.
Estas fuentes son ideales si estamos alimentando un equipo con baterías de digamos 12V, como por ejemplo en un coche, y deseamos alimentar nuestro Arduino para cualquier invento. Nos permiten bajar la tensión de 12V de la batería a los 5 V que necesitamos en nuestra entrada Vin con garantías de no desperdiciar energía de la batería en forma de calor, y por tanto extender sensiblemente su duración.
Hasta aquí todo bien, pero la vida como ya deberíais saber, no es nunca sencilla y basta que des la solución a un problema para que alguien levante el dedo (Normalmente para metértelo en el ojo) y plantee una situación en la que tu solución apesta.
Normalmente siempre habrá alguien dirá algo como: “Ya, la solución está bien, pero mi problema es otro” o bien: “Tengo una batería de 5V para mi Arduino y quiero alimentar un motor de 12V ¿Cómo lo consigo?”
O también otra de mis favoritas: “Mi batería es de 12V y es lo que quiero, pero el problema es que a medida que se va agotando, en cuanto cae un poco por debajo de la tensión nominal, los circuitos se cortan porque detectan la caída y eso que aún queda un 70% o 60% de carga en la batería. Si pudiera usar aun la batería mediante una fuente que pudiera darme más tensión de la que tengo sería ideal”.
Los ingenieros son gente de fino instinto y coeficiente intelectual superior a la media que rápidamente olfatean las oportunidades de negocio y en seguida encontraron la forma de vendernos un chisme que sirve para conseguir exactamente eso: Una fuente de alimentación capaz de darte más tensión a la salida de la que recibe a la entrada (Por increíble que te pueda parecer) y además en continua para que se pueda usar con baterías.
A estas fuentes de alimentación se las conoce por el nombre de Boosters o Boost Coverters (Algo así como mejoramiento o aumento) o fuentes Step Up, y son un tipo particular de fuentes conmutadas SPS.
Fuentes Step Up o Boosters
La entrada de tensión DC al Step Up puede provenir de baterías, molinos de viento o quizás de paneles solares, de un modo que puede ser impredecible, porque la tensión DC que nos dará a la salida depende de la situación de la batería, la velocidad del viento o la intensidad de la radiación solar, pero en general pequeña siempre.
Así que la primera idea que tenéis que fijar en la meninges es que una fuente Step Down siempre entrega una tensión inferior a la entrada, pero una fuente Booster o Step Up, siempre entrega una tensión de salida mayor que la de entrada.
Vin * Iin = Vout * Iout
El objetivo de estas fuentes es precisamente conseguir que podamos entregar a la salida más tensión DC de la que recibimos a la entrada y para eso se emplean un par de trucos de lo más astutos.
Veamos un esquema básico de una fuente Step Up o Booster:
Como veis es bastante parecido a una fuente Step Down, pero ahora usamos un transistor Mosfet de potencia y hemos cambiado la posición de la inductancia (O solenoide, tenéis que aprender la jerga del gremio si queréis que vuestros colegas más enrollados os respeten).
Mientras que en una fuente Step Down usábamos la energía almacenada en el campo magnético para cubrir la ausencia de tensión de entrada (Cuando corta el Switching transistor) aquí la usamos para garantizar como mínimo la tensión de entrada.
Aquí, mientras que el transistor conduce, prácticamente tenemos un corto circuito entre los extremos de la inducción y eso hace que se cargue rápidamente el campo magnético de la inducción y almacene energía en ella.
La impedancia de D1 y C1 es mucho mayor que la del transistor a secas y por eso prácticamente toda la corriente circula por el primer circuito y ceba el inductor:
Cuando cortamos la conducción del transistor, tenemos una situación en que súbitamente el inductor intenta mantener el flujo de corriente y descarga la energía almacenada en el campo magnético para compensarlo.
El truco es que ahora tenemos esta tensión de descarga VL sumada a la tensión de entrada VIN lo que hace que el total aumente:
La suma de las dos tensiones fuerza la conducción a través de D1, porque el transistor esta en corte, y carga el condensador C1 además de alimentar la carga a la salida.
Cuando el transistor vuelve a entrar en conducción, cortocircuita el primer bloque de la fuente como en la primera ilustración cargando el campo magnético de la inducción, pero ahora el condensador de salida está cargado y puede mantener la tensión, aunque naturalmente inicia su descarga.
El voltaje de salida teórico d este circuito viene determinado por la tensión de entrada Vin dividido por 1- D, donde D es el ciclo de la señal que conmuta el transistor, con 0% para el corte y 100% cuando la anchura del pulso corresponde al máximo y 50% para la mitad del ancho.
Si la onda cuadrada que gobierna el transistor es de 10 µ segs (1 / 10 µ = 100 KHz) y la anchura del pulso es la mitad, y la tensión de entrada es de 12 V, obtenemos el bonito valor de:
Vout = Vin / (1 -0,5) = 12 / 0,5 = 24 V
Como la tensión de salida depende directamente del duty cicle de la señal con que alimentamos el Switching transistor, conviene controlarlo con exactitud, porque imagínate que pasamos el Duty cicle al 99%, sin más que alargar el ancho del pulso. Tendríamos
Vout = 12 / ( 1 – 0,99) = 1200 V
Ni que decir tiene que estos voltajes pueden acabar con una llamada a los bomberos si no andas con ojo y de la vez que menos freirá todo tu circuito (y tus dedos si andan cerca) si no mantienes el duty cicle razonablemente bajo y dimensionas el circuito para tensiones que un novato no suele esperarse.
Precisamente por esa capacidad de los Boost converters para subir la tensión de modo desproporcionado, todos los circuitos comerciales incluyen alguna protección contra sobrecarga, y en la práctica no se diseñan directamente en base a sus componentes sino a partir de algún integrado que garantice unas protecciones a prueba de cretinos y novatos.
Va otra vez: No montéis este tipo de circuitos por vuestra cuenta. Apoyaros en cualquiera de las fuentes comerciales que vais a encontrar por poca tela.
Fuentes Step Up Booster comerciales
Si necesitas empujar una poco la tensión de las baterías de que disponéis, es relativamente fácil hoy día encontrar fuentes Boost Converters de este estilo por unos pocos euros, si no necesitáis grandes potencias y típicamente es el caso de todos nuestros proyectos en el mundo Arduino
Todos los desarrollos comerciales de Boosters incluyen circuitos de protección integrados en el propio circuito de Switching y los que tenemos en la tienda no son una excepción: modulo XL6009
Este que os presentamos está basado en el integrado XL6009, que permite una tensión de entrada entre 5V y 32V con un máximo de 4 Amperios y una salida entre 5 y 52V.
Incluye un MOSFET de potencia y un oscilador de 400 KHz internos. Permite ajustar la tensión de salida con un único potenciómetro que veis en la imagen, e incluye circuitos de protección para evitar el sobre voltaje y protección térmica.
Otra de las virtudes de estos pequeños convertidores Booster es que consiguen una eficiencia próxima al 94% en la conversión de tensiones, lo que les hace muy interesantes para las aplicaciones con baterías o con paneles solares por ejemplo.
Existen también modelos que incluyen un voltímetro y display para regular la tensión de salida, sin necesidad de usar el multímetro externo para comprobarlo, pero por ahora no hemos recibido ninguno de estos.
Son tan fáciles de manejar como los Buck converters de la sesión anterior. Simplemente conectas la tensión de entrada y ajustas el valor de salida y poco más. Este tipo de fuentes booster pueden usarse por ejemplo para subir los 5V de tu USB hasta los 12 que puede requerir un motor o los 24 de unas luces LED, por ejemplo
Resumen de la sesión