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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.

 

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Vista lateral Fuente de alimentación conmutada Step Up o boost converter  Fuente de alimentación conmutada Step Up o boost converter
Sterp-up-main-600x356 fuente  Step Up o boost converter con voltimetro 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?

 
  • 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.

 

 

 

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(43) Comments

  • Avatar for Charly
    • Ivan Uriarte

    Hola Tobías, si necesitas ese voltaje y esa intensidad, deberías comprarte una fuente de alimentación de esas características.

  • Avatar for Charly
    • Tobías Hereñú

    Hola yo tengo el modulo XL6009 y necesito que tenga un voltaje de salida de 24v y 4amp, con que lo debería alimentar para recibir esos valores? Muchas gracias.

  • Avatar for Charly
    • Ivan Uriarte

    Hola Radamés, si no me equivoco la idea de subir de 5 a 7 parece peor, ya que la potencia VxI se mantiene, y al subir de voltaje bajaría la intensidad que puede proporcionar. Bajar de 12 a 7 parece mejor, además los step down tienen un muy buen rendimiento. Un saludo.

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    • Radames

    Buen día, he leído que el voltaje recomendado para alimentar a los arduinos es de 7 volts, y quiero alimentar un arduino con una fuente conmutada de 12 volts, que inconvenientes hay de poner un módulo step-down ajustado a 7V después de una fuente conmutada de 12 V, y si habrá pros y contras de poner una fuente de mayor voltaje y un step-down ó una fuente de 5V y un step up, sabrán que es mejor?

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    • Ivan Uriarte

    Sí Daniel, pero recuerda que siempre se mantiene VxI, o sea que la intensidad será diferente.

  • Avatar for Charly
    • Constantino Alarcon Mery

    Hola, muy interesante todas las cosas que escribe y he aprendido mucho, siendo un informático sin formación de electrónico.

    Tengo un lego mindstorms y se me ocurrió la idea de poner 3 baterías de teléfono (con pcb incluida lo cual corta el circuito) pero el mindstorms usa 9 volts, y podría ser interesante regular el voltaje de estas 3 baterías, todas con distinta capacidad, y puestas en paralelo. así que aumento desde 3,8 volts a 8 o 9 volts con el step up, y con la ventaja que puedo cargar todas las baterías con un mismo enchufe a 2 ampers (lo cual carga 3 baterías a capacidad dividida), la ventaja es que si una batería se corta, el sistema sigue operando pero las pilas se exigirían más (entregando más ampers). Lego mindstorms puede llegar a pedir 2.5 ampers a máxima capacidad.

    Mi pregunta es: nota algún inconveniente en esta idea?

    Poner las baterías en serie puede ser un despropósito cuando ya son baterías con protección y no le puedes poner una bms, además que no cuadra el voltaje requerido teniendo que regularlo o con resistencias en paralelo (divisor) o usando un step down … y si se corta una batería pierdo todo el circuito (al no ser balanceado).

  • Avatar for Charly
    • Daniel MG

    Hola!

    Si ajusto el módulo para obtener 12V de salida, ¿Voy a obtener 12V independientemente del voltaje de entrada (por ejemplo, si de 3.7 cambio a 5)?

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    • Ivan Uriarte

    Hola Hugo, sí te servirá, pero recuerda que la potencia VxI se mantiene igual, con lo que la intensidad disminuye.

  • Avatar for Charly
    • Hugo

    Que tal, saludos! yo no soy muy entendido en estos temas pero ojala y puedan auxiliarme, quisiera saber si uno de estos módulos me podrían servir para duplicar un voltaje de 6 volts que sale de un autoestereo para que salga de 12 volts para encender una cámara de reversa.

    Muchas gracias.

  • Avatar for Charly
    • Prueba TPV TPV

    Hola Danaelinux, parece un problema claro de step up. Has comprobado que la tension que da es correcta?

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    • Danaellinux

    Buenas, estoy alimentando un arduino pro mini de 5V con un Step Up XL6009, a través de dos baterías 18560 3,7V que subiendo 5V queda estable, pero cuando lo conecto al arduino me lo tuesta, se sube a 9v se calienta, humillo y a tomar por……. y así 6. He probado 3 transformadores y los tres igual. Si conecto el arduino con un adaptador USB todo correcto, le conecto el Step Up Booster y en cuestión de segundos tengo un arduino pro mini para llevar al punto limpio. He probado uno de Velleman (vma402) y sin problemas todo perfecto. No tengo nada conectado, ni leds, nada. Estaba por publicarlo en el blog de Iker Jiménez. Muchas gracias

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    • Jesús Sánchez

    Hola Jose Juan. No puedes extraer de donde no hay. En una pila de 9V y 300mA tienes 2,7W de potencia. Para obtener 1500mA, la pila tendría que tener 13.5W.
    Como comenta Ivan, sí puedes aumentar el voltaje, pero disminuyes la corriente. Los 2,7W se mantienen constantes en todo momento, aparte de las pérdidas en la conversión de tensión.

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    • Ivan Uriarte

    Supongo que pòdrías poner varias en paralelo, pero yo buscaría un power bank por ejemplo, que te puede dar hasta 2 amperios.

  • Avatar for Charly

    Hola:

    Necesito aumentar la corriente de una batería de 9v «batería cuadrada»… ¿como lo puedo lograr? regularmente estas baterías son de 300mA y quisiera aumentarla hasta unos 1500mA.

  • Avatar for Charly
    • Juan carlos macho mangas

    Hola Antonio, puedes perfectamente conectarlo a una fuente ATX y usar el https://www.prometec.net/producto/mano-robot/ para modificar el voltaje pero recuerda que solo puedes ponerle hasta 1 amperio en la entrada

  • Avatar for Charly
    • Antonio Mora

    Es posible conectar el modulo XL6009 a una fuente de PC ATX, con el fin de tener una gama más amplia de voltajes y regulable, de ser posible, que opción es la mejor, conectar el modulo a 3.3, 5, o 12 Voltios. Muchas gracias.
    Saludos

  • Avatar for Charly
    • Juan carlos macho mangas

    Hola Jose, estos circuitos son fuentes de alimentacion que modifican el nivel de tension de la señal de entrada hacia abajo, pero su objetivo es mantener estable la salida aun cuando varie algo la entrada.

    Por no funcionara con dispositivos de audio, para eso necesitas un amplificador como https://www.prometec.net/producto/amplificador-audio-3w/

  • Avatar for Charly
    • Jose

    Hola queria preguntar como reacionaría este dispositivo teoricamente si esa entrada de DC lleva asociada señal de audio, osea si fuera DC de audio a un altavoz por ejemplo de 5v con la carga del cono enchufada, saldría por el output
    La señal de audio intacta, pero aumentada o no funcionaría

    Osea como se comporta si esa tensiónn de entrada fluctua, también fluctuaría la salida automáticamente?, Estiendo que si porque depende de cuanto entre para cuanto salga? O no?

    Gracias.

  • Avatar for Charly
    • Jesús Sánchez

    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.

  • Avatar for Charly
    • Ivan Uriarte

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

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