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Fuentes de alimentación Step Up Boost Converters

Aumentando la tension

Fuentes de alimentación Step Down

 

 
    • Presentar las fuentes de alimentación conmutadas Step Up o Boost converters.
    • Comprender las diferencias de funcionamiento con un Step Down converter o Step Down.
    • Conocer el integrado XL6009, muy típico en las pequeñas fuentes de podemos incluir en nuestros proyectos con Arduino.
    • Presentar una fuente Step Up basadas en el XL6009 típicas en las fuentes booster disponibles para nuestros Arduinos.

 

Material requerido.

Vista lateralUna fuente de alimentación conmutada Step Up o boost converter

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?

 
  • Una solución es montar varias baterías en serie de modo que la tensión se sume, pero esto tiene el inconveniente de las baterías son muy pesadas y llega un momento en que puede ser peor la solución que el problema.
  • Además si te digo que quiero conseguir 500V de baterías de 12V lo vamos a llevar claro, porque ibas a necesitar 41.  

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.

 
  • Aquí conviene recalcar que la ley de la conservación de la energía es de obligado cumplimiento en este universo y por eso si aumentamos la tensión de salida su intensidad disminuirá proporcionalmente de modo que se cumpla la ley: 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:

Circuito basico
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.

 
  • Recordad que una relación muy estrecha entre la electricidad y el magnetismo, por eso hablamos de electro magnetismo. La energía de la corriente eléctrica carga el campo magnético del inductor, y cuando esa corriente cesa, el campo magnético colapsa devolviendo esa energía al circuito en forma de corriente eléctrica.
  • Es como almacenar agua en un depósito cuando sobra y recobrarla cuando la necesitamos.  

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:

Paso 1

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:

boost-converter-cct02

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.

Paso 3

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.

 
  • Lo sé, es un poco follón, pero no tiene mayor importancia. Basta con entender que D corresponde a valores entre 0 y 1 y si la amplitud del pulso es del 30% del ancho disponible D = 0,3.  

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.

 
  • Habréis visto que no hemos puesto ni un valor en ninguno de los componentes del esquema. Esto no es un olvido, sino una garantía de que no nos acusareis judicialmente porque se os ha ocurrido hacer la broma de montar una de estas fuentes vosotros mismos.
  • Tened un poco de cabeza. Comprad la fuente hecha no hagáis inventos con esto.  

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

Vista frontal

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.

Mosfet + switchingIncluye 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.

Version con voltimetro

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

 
  • Ni se te ocurra alimentar unas LED de 100W con un asco de USB, porque con el 0,5 Amperios que te puede dar, tenemos 0,5 A * 5V = 2.5 Watios y a 24 V nos dará una salida de 2.5 W / 24V = 0.1 Amp, tendrás suerte si ves siquiera que se ilumine el LED.
  • Pero una batería de 5V sí que serviría suponiendo que tenga suficiente potencia.  

 

 

Resumen de la sesión

 

 

    • Hemos visto que una fuente Boost Converter o fuente Step Up nos permite conseguir más tensión en su salida que a la entrada.
    • Presentamos su esquema básico de funcionamiento.
    • Vimos unas fuentes sencillas que podemos encontrar por poco dinero en el mercado.

 

 

 

(22) Comments

  • hola, queria saber si utilizo este dispositivo para regular volltaje. la corriente que entra sera igual corriente que sale o desminuye. por ejemplo yo tengo una vateria de 7.4v 3000mAh quiero regular el voltaje a 5v ¡cuanto de mAh me dara en salida?

    • Hola, la teoría dice (creo) que deberías tener 7.4/5 x 3000 mAh. O sea aumentarías la capacidad en 7.4/5 veces.

    • Hola rol

      Para disminuir el voltaje de entrada debes usar una fuente DC-DC Buck o step down, ya que vas a pasar de 7.4V a 5V.

      El cálculo es saber cuántos watios tienes a la entrada. Entonces tienes 7.4 x 3 = 22W. Ahora, como vas a reducir a 5V, pues 22 / 5 = 4.4A pero hay que restarle la eficiencia del módulo que vas a usar. Normalmente anuncian eficiencias del 95%. Vamos a ser realistas y calcular una eficiencia del 90%. Entonces tenemos 4.4 x 90 / 100 = 3.9A teóricos.
      Pero claro, para tener esa corriente a la salida tu módulo step down debe poder soportarla. El LM2596 te soporta hasta 3A, con lo que deberías irte a, por ejemplo, el XL4005 de 5A.

      Saludos.

    • JIMMY GK

    Hola, estoy experimentando con un montable el eléctrico, de 12v, la batería es 12v-12Ah, utiliza dos motores, sin embargo al conectar el radio y encenderlo, cuando encienden los motores se roban la corriente, ando buscando algo para mantener este y aun hay que conectar las luces con modulo de estrobos.

    • Hola Jimmy, no entiendo muy bien cuál es tu proyecto. Podrías intentar explicármelo un poco mejor. Un saludo.

  • Hola buenas, tengo pensado hacer un proyecto con un arduino nano y un motor NEMA, pero con la particularidad de que el sistema debe ser portátil. Ya que el NEMA necesita voltajes de unos 12V en adelante, tenía la idea de usar una batería portátil de móvil usb de 5V y conectarla a este step-up para conseguir el voltaje necesario. ¿Esto sería posible? Y en caso afirmativo, podría alimentar el arduino nano a esta misma batería a la vez (antes del amplificador, claro)? ¿Como conectaría la batería portátil al amplificador?

    Perdona por tantas preguntas, espero me puedas ayudar.

    Un saludo y si quieres saber más acerca del proyecto no hay problema en estar en contacto.

    • Hola Jaume. Lo que planteas es viable, pero tienes que tener en cuenta consideraciones relativas a la cantidad de energia disponible en la bateria.

      Vamos a ver:Puedes usar baterias 5V y por ejemplo 2000 mAh que puedes encontrar facilmente en cargadores USB y alimentar tu arduino de aqui, pero si usas un boost converter (O step up ) para subir a 12V, unos nuemros rapidos nos dicen que 5V * 2000 maH / 12V = 833 mah

      Lo que reduce fuertemente la duracion de la bateria. Te recomendaria usar baterias de 12V y usar un power down o buck converter para luego bajar de 12 a 5V para alimentar tu arduino

    • Maria

    ¿cuál es la diferencia entre dc-dc aislados y no aislados?
    segun entiendo los aislados se utilizan ampliamente en aplicaciones en las que existen grandes diferencias entre las tensiones de entrada y de salida..
    pero, qué es lo que está aislado? por qué se hace?
    gracias

    • Hola Maria,
      No es este un tema del que conozca lo suficiente como para darte una explicacion extensa y quizas haya algun otro lector que pueda darte una explicacion mas razonable que la mia, pero a pesar de todo intentare decirte que normalmente en este tipo de fuentes hay dos circuitos diferentes que podriamos llamar de entrada y de salida, que es lo que normalmente intentamos aislar a toda costa si las diferenecias de tension son lo bastante grandes para provocar algun problema en caso de averia o a un operador despistado

      Tienes que entender que el bombeo de energia que puede conseguirse a un circuito de Booster puede ser lo bastante elevado como para elevar la tension a varios cientos de voltios con facilidad y por eso casi todos los circuitos que se comercializan se suelen basar en integrados que limitan esa tension de salida a valores tolerables (unas pocas decenas de voltios) y ademas incorporan medidas de proteccion como ciercuito de entrada y salida aislado, es decir no hay posibilidad de conexion galvanica aun en caso de averia, mediante componentes fusibles e incluso medidas de corte en caso de sobrecalentamiento que normalmente significa que hay alguna corriente intensa circulando por donde no debe

    • Xabier

    Buenas, en relación a lo que se comenta anteriormente y sabiendo que puede fallar es necesario proteger la corriente de la salida? Por si se quemara algún componente del Step Down? Se comenta que a veces en caso de fallo dejan pasar toda la tensión chamuscando los dispositivos conectados. Se recomienda alguna instalación de “seguridad” en la salida?

    • Hola Xabier, NO me atrevo a darte una respuesta terminante porque estas cosas las carga el diablo y en el limite siempre pueden pasar cosas raras, pero ten en cuenta que una ventaja de usar circuitos integrados como en este caso es que los diseñadores se preocupan de estas cosas (para vender mas , claro) e incorporan circuitos de sobre tension y calentamiento. Pero si quieres estar mas tranquilo busca la data sheet del integrados de base y ahi te dan todas las explicaciones d elos circuitos de seguridad que incorporan

    • Hola Xabier. Por si te sirve, y por propia experiencia con estos integrados, después de chamuscar unos cuatro del MC34063A (originales, no clones), trabajando con ellos en protoboard con el resto de componentes externos que necesitan, cuando éstos se fastidian dejan de elevar la tensión de Vin. Así, si le estabas suministrando 5V 2A para elevar a 12V, y se te frie el chip, en la salida sólo obtienes 5V, aparte de un poco de humo desde el integrado.
      No es peligroso que dejen pasar toda la corriente, pues lo que estuviera conectado sólo toma la corriente que necesita de ésta o de cualquier fuente de alimentación. Lo peligroso es que si lo tienes tarado a 12V en la salida, por ejemplo, te entregue 30V, pero cuando se fastidia eso no ocurre. Tan solo aparece la alimentación de entrada.
      Si el integrado está en configuración Step Down o Buck, pues ocurriría lo contrario. Te aparece en la salida el voltaje de entrada, no el regulado inferior.

      Saludos.

    • Jesus

    Hola, quería hacerte una pregunta:

    quiero armar el esquema panel solar + batería + arduino; si calculo el amperaje que necesito ¿cuál sería la mejor opción?:

    1. comprar un controlador de carga solar para arduino (funar a 5v), venden en ebay pero por lo que entiendo solo permiten alimentar con 100 mA al arduino y eso no sirve (te dejo link de ebay https://goo.gl/a0E8kO; debido a donde vivo y formas de pago estoy limitado a comprar en allí)
    2. en vez usar el controlador de carga usar un boost converter para regular la carga que va hacia un power bank, y de aquí alimento arduino. Lo que no me queda claro aquí es si no hay problema que la batería esté trabajando todo el tiempo, tal vez no sea buena idea usar un power bank “barato”

    Muchas gracias, a lo mejor en el futuro podrías hacer un tema sobre panel solar + batería + arduino. Gracias por tu página web, eres referente en arudino y electrónica, saludos desde Perú.

    • Alvaro

    Hola

    Pues el problema es que el integrado tiene una pequeña grieta en el frontal y ha salido una gotita de líquido, así que me imagino que se haya achicharrado. De todas formas, el circuito este se supone que admite de 3.5 a 30v a la entrada y da entre 4 y 30v en la salida. Los 14,4V no son nada desorbitado, así que no sé muy bien qué habrá pasado, sólo se me ocurre que este circuito necesite poner una carga a la salida para que se vaya vaciando el condensador y no pete. Pero no lo sé.

    Si que he leido lo siguiente en una plaquita de estas que venden en eBay, y que trae el integrado 6009 del que se habla en este artículo de prometec:

    DSN6009 4A is a high-performance step-up switching current (BOOST) module. The module uses the second generation of high-frequency switching technology XL6009E1 core chip performance than the first generation technology LM2577. XL6009 boost module at a lower cost, superior performance, LM2577 module is about to be eliminated.

    Quizá el LM2577 tiene fallos o problemas que se han corregido en el 6009 y que puede que sea lo que me ha provocado a mí que se haya cascado el condensador y el IC.

    Saludos

    • Alvaro

    Hola
    Me surge una duda, con estos dispositivos, una vez ajustado el voltaje de salida, si la tensión a la entrada varía, ¿la de salida se mantiene al valor fijado o variará proporcionalmente al cambio en la entrada?

    Gracias y un saludo

    • Hola Alvaro, No he hecho la prueba directamente pero me imagino que una variacion en la entrada se reflejara en la salida. De todos modos existen fuentes de este tipo que combinan un power down + un power up y que pueden garantizar una salida estable independientemente de las variaciones de la entrada (Siempre que se mantengan dento de unos minimos o maximos)

        • Alvaro

        Hola

        He estado haciendo pruebas con un módulo de estos que me llegó el otro día, que lleva unintegrado lm2577. Y parece que sí que ajusta el voltajea lo que se le haya marcado. He fijado un voltaje de 9V a la salida con una pila de 4,5V a la entrada y luego me ha mantenido esos 9V al poner a la entrada varias combinaciones de pilas de 1,5V, concretamente he probado 3V, 6V y alguna más metiendo alguna pila recargable de 1,2V. Hasta ahí todo bien, pero me ha dado por poner a la entrada una batería recargable de 14,4V y al mirar el voltaje a la salida ha empezado a dar valores de 14-15V, pero a los pocos segundo se me ha salido de la escala del multímetro (estaba en la de 20V). He mirado que estuviese todo bien conectado, polaridades y todo eso y cuando he ido a pasar el multímetro a la siguente escala de voltaje me ha estallado el condensador electrolítico de salida (de 220uF y 35V máximo). No sé muy bien qué ha pasado ya que se supone que estos integrados traen una protección contra el sobrevoltaje. También es verdad que a la salida no he puesto ninguna carga y a lo mejor es que el electrolítico no tenía dónde descargarse y por eso ha aumentado el voltaje más allá de lo admisible. No sé.

        En fin, me pillaré otro y seguiré haciendo pruebas, pero por lo menos ya sé que si el voltaje varía siempre por debajo del valor fijado a la salida, el circuito mantiene ese voltaje establecido.

        • Hola Alvaro. He estado mirando la hoja de datos de ese integrado y admite hasta 35V, pero probablemente al meterle 14.4V elevó el voltaje de salida por encima de los 35V que soporta el condensador que explotó. Prueba a soldarle otro, aunque sea de mayor tamaño, y así puedes seguir usando el módulo (si no se ha quemado otro componente). Que tenga carga o no de debería influir en la capacidad del condensador a soportar el voltaje.

          Saludos.

            • Alvaro

            Lo que me extraña es que no haya saltado ningún sistema de protección. Podría cambiar el electrolítico pero es que en el integrado he visto que hay una micro grieta en el frontal y no me fío. Siendo módulos baratos, prefiero comprar otro y olvidarme de este.

            Lo de la carga a la salida lo decía porque lo mismo el condensador al no descargarse fuese aumentando su voltaje hasta niveles inadmisibles por el componente.

            Saludos

          • Si ya comentabamos que estos componentes suelen tener un limitador interno para evitar que se dispare la tension pero cualquier historia puede reventar el circuito de salida. Por otro lado ya sabemos que segun la ley de Murphy las cosas tienden a complicarse solas por cualquier chorrada,

          • Si, es extraño, pero piensa en donde han sido ensamblados… Por otro lado, quizás este montados para elevar tensiones alrededor de 3.3V, 5V, o 9V a tensiones superiores. Podrías probar a meterle otra vez los 14.4V pero con el potenciómetro al mínimo…

            Saludos.

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