Hoy me gustaría compartir con ustedes el principio de funcionamiento de un convertidor reductor de CC a CC o, como algunas personas lo conocen, un circuito convertidor reductor de CC a CC. Dado que es muy eficaz y económico, es muy popular hoy en día. Por eso, quiero enseñarle a mi hija sus principios de funcionamiento de una manera sencilla y esperamos que esta experiencia pueda resultarle útil a usted también.
Reducirá un voltaje de entrada alto a un voltaje de salida bajo que sea adecuado para una carga o varios usos.
También se le puede denominar “convertidor de dinero”, a menudo de manera casual.
Nota:
Lo explicaré con conceptos simples basados en mi experiencia enseñando a mi hija. Lo cual, en algunas partes, puede no estar acorde con los principios académicos. Pero primero comprendamos los principios generales. Luego entraremos en más detalles más adelante.
Según el antiguo dicho, “No importa si es un gato negro o un gato blanco; basta con atrapar un ratón”.
Más información: cómo funciona y tipos
¿Por qué utilizar el convertidor Buck?
El convertidor reductor es una parte esencial de la fuente de alimentación de modo conmutado. Dándole una eficiencia energética mucho mayor que una fuente de alimentación lineal.
Por ejemplo, queremos utilizar un LED de 3,7 V y 3 W con un adaptador de CA de 12 V y 0,5 A. Pero el nivel de voltaje es demasiado alto. Así que primero tenemos que bajar el voltaje del adaptador de CA a 3,7 voltios.
¿Qué podíamos hacer?
¿Qué podíamos hacer? Primero, necesitamos encontrar la corriente del LED.
Yo = P/V
Yo = 3W / 3,7V
Entonces, I = 0,81A
En este caso, podríamos utilizar un circuito regulador lineal, como el LM317, ya que puede reducir el voltaje a 3,7 V mientras suministra una corriente máxima de 1,5 A.
Sin embargo, el adaptador de CA puede suministrar sólo 0,5 A de corriente de entrada al LM317. Pero el LED requiere una corriente de aproximadamente 0,8 A.
En principio, el regulador lineal, o LM317, no puede aumentar la corriente de salida. Funciona de manera similar a una resistencia, haciendo que la corriente de salida del LM317 siempre sea inferior a la corriente de entrada, 0,5 A. Esto reducirá la potencia del LED y lo hará menos brillante.
Llegados a este punto, si aún no lo entiendes, te lo explicaré más claramente.
El diagrama de bloques ilustra por qué los reguladores lineales tienen un rendimiento deficiente.
Sea la altura de los bloques cuadrados verdes el nivel de voltaje y su ancho la corriente.
El bloque LM317 limita el voltaje a 3,7 V, mientras que el resto del exceso de voltaje, alrededor de 8,3 V, del voltaje del adaptador de CA no se utiliza. Entonces, ¿sería fantástico si pudiéramos convertir este voltaje en más corriente para la carga?
Comparar la energía eléctrica con el agua
La respuesta: ¡Sí! Pero en los circuitos reguladores lineales esto es casi imposible. Entonces, en su lugar, deberíamos usar el regulador de conmutación o «convertidor reductor».
Porque puede reducir y mantener un voltaje constante de 3,7 V. Y también puede aumentar la corriente de salida. Lo cual es similar a convertir el exceso de voltaje en corriente.
Es como cualquier otra fuente de alimentación normal que puede generar potencia (P), que consta de voltaje (V) y corriente (I), mediante una ecuación simple: P = V x I.
Podemos comparar el adaptador de CA y el LED (Carga) con dos tanques de agua de diferentes tamaños. El primer tanque mide 12 (V) x 0,5 (A) y el segundo tanque tiene unas dimensiones de 3,7 (V) x 0,8 (A).
Si llenamos el primer tanque con agua y dejamos que el agua fluya hacia el segundo tanque, ¿lo llenaría por completo?
Por supuesto que sí, porque el volumen del primer tanque es 6 (W) de 12 (V) x 0,5 (A) y el segundo tanque es 3 (W) de 3,7 (V) x 0,8 (A). Normalmente, el agua dentro del recipiente más grande puede llenar completamente un recipiente más pequeño.
La simple idea de cambiar de regulador
A continuación, comprendamos el concepto de convertidor reductor o regulador de conmutación. Utiliza el principio de conmutación de alta frecuencia.
En la ilustración anterior, dejaremos que la potencia eléctrica del adaptador de CA esté representada por una arcilla rectangular con una altura de 12 V y un ancho de 0,5 A. Y divídelo en cinco partes iguales.
Luego, los reorganizamos y los distribuimos uniformemente para que el ancho total sumara 0,8A.
A continuación, utilizamos una tabla de madera para colocarla encima de la arcilla y presionarla hasta 3,7V. Como se muestra en la ilustración de arriba.
Hace que las 5 piezas de arcilla se expriman y se combinen en una sola pieza con una altura de 3,7 voltios. Pero el ancho ha aumentado de 0,8A a 1,6A.
Esperamos que esta analogía le ayude a empezar a comprender el convertidor reductor de forma más concreta. En resumen, la idea es encender y apagar la alimentación de entrada a alta frecuencia. Luego esa energía se comprimió para que pudiéramos obtener el voltaje y la corriente deseados.
Ventajas y desventajas
Desde mi experiencia, sus ventajas y desventajas se pueden resumir brevemente de la siguiente manera:
Alta eficiencia
Cuando se ingresa energía eléctrica en este circuito, generará casi la misma cantidad de energía que antes.
En este caso, produce un voltaje de salida constante de 3,7 V y una corriente máxima de aproximadamente 1,4 A. Esto equivale aproximadamente a 5,18 W. En comparación con la entrada original de 6 W, pierde aproximadamente el 13,6 % de su energía, una eficiencia del 80 % al 95 %.
Su deficiencia es mucho menor que la del suministro de energía lineal; Algunos circuitos pueden perder hasta el 40% de su potencia de entrada.
Talla pequeña
De los circuitos de alimentación lineal que hemos estado utilizando. Siempre necesitamos ingresar una corriente más alta si queremos una corriente de salida alta. Entonces deberíamos usar un transistor de potencia, o IC, e instalar un disipador de calor lo suficientemente grande. Definitivamente haría el circuito más grande.
Pero el convertidor reductor funciona de manera diferente. La energía eléctrica de entrada, que es de alto voltaje pero de baja corriente, se puede comprimir a un voltaje bajo y una corriente más alta. Cuando hay una corriente de entrada baja, los transistores y los circuitos integrados también se vuelven más pequeños, y lo mismo ocurre con el circuito.
Sin embargo, tiene dos desventajas principales, que son:
Circuito complicado
Dado que tiene muchos pasos en su funcionamiento, el circuito es más complejo que un circuito regulador lineal. Pero hoy en día tenemos circuitos integrados, por lo tanto, un circuito más pequeño y más conveniente.
Alto ruido
Cuando se trabaja a altas frecuencias, existe una alta probabilidad de causar interferencias. Un claro ejemplo lo tenemos al usarlo con un circuito amplificador de audio. Podíamos escuchar el zumbido muy claramente, incluso cuando bajábamos el volumen al nivel más bajo posible. Por tanto, se debe evitar en circuitos como sistemas de audio, contadores, circuitos digitales, comparadores, etc.
Sin embargo, también tienen muchos beneficios. Por tanto, es muy interesante estudiarlo y comprenderlo. A continuación, conozcamos más detalles.
El principio principal del convertidor Buck
Vea el diagrama de bloques simple a continuación. La mayoría de los convertidores reductores funcionan como parte de circuitos de suministro de energía de modo conmutado. Su entrada es un suministro de CC no regulado y la salida es un voltaje regulado por CC más bajo que es estable para la carga.
A continuación, aprendamos sobre el suministro básico de modo de conmutación de voltaje reductor o el bloque convertidor reductor. Tiene algunos componentes. Pero, ¿cómo aumenta su corriente de salida?
Primero, comprenda todas las variables principales:
vino es un voltaje de entrada en los Estados Unidos y «Uin» en los países europeos.
votar es un voltaje de salida en los Estados Unidos y «Uout» en los países europeos.
Componentes simples
Este circuito consta de sólo cuatro componentes principales, que son:
C1 es el condensador de entrada. C2 es el condensador de salida.. Son componentes electrónicos básicos que utilizamos muy a menudo y con los que estamos muy familiarizados. Almacenan energía eléctrica y la liberan en la misma polaridad.
S1 es un interruptor; En el circuito real, usaremos un transistor o MOSFET. Encenderá y apagará el Vin periódicamente, como un cuchillo que cortará la energía eléctrica en partes.
L1 es una bobina o un inductor. Es un componente esencial; Casi todos los circuitos reguladores de conmutación lo necesitan. Funciona de manera similar a un capacitor en el sentido de que puede almacenar energía y liberarla. Pero funciona un poco diferente.
Cuando éramos niños, nos gustaba jugar con globos de agua. Al principio fue difícil llenar los globos con agua. Porque el globo se resiste a ser estirado por el agua que se llena. Pero como el agua se mantiene Al fluir hacia adentro, se volvió más fácil llenarlo hasta que estuvo lleno. Y cuando dejes de echar agua, saldrá hasta vaciarse.
Un globo es como un inductor, pero está hecho de una bobina de alambre conductor. Y en cuanto al agua, será electricidad.
Al principio resistirá la corriente eléctrica. Pero a medida que pasó el tiempo, la corriente eléctrica pudo fluir a través de él cada vez mejor. Hasta casi igualar a los conductores eléctricos normales. Al mismo tiempo, creará un campo electromagnético.
Cuando dejamos de alimentarlo, este campo electromagnético permanecerá por un tiempo y luego colapsará gradualmente, causando que una corriente eléctrica regrese con una polaridad invertida respecto a la original.
D1 es un diodo que funciona como una válvula de agua unidireccional, configurando el agua para que fluya en la dirección deseada. En algunos casos, pueden trabajar juntos para aumentar la cantidad de agua. Por ejemplo, extraiga el exceso de agua para volver a utilizarla. En electrónica ocurre lo mismo. Con la ayuda de un diodo, podemos aplicar el exceso de corriente para aumentar la corriente de salida.
Proceso de trabajo paso a paso
A continuación, aprendamos cómo funciona. Vea el diagrama de bloques a continuación.
(1) El Vin carga el condensador C1 hasta que esté lleno. Entonces, su voltaje es el mismo que el de la fuente de alimentación (Vin).
(2) El interruptor (S1) se enciende cerrando el circuito. Hace que el voltaje positivo fluya hacia el circuito.
(3) Este voltaje positivo cae a través de la bobina (L1). Porque ahora el Vin es mayor que el Vout. El flujo de corriente a través de la bobina aumenta a una velocidad lineal. Entonces, hay energía almacenada en la bobina (L1) y desde ella se irradia un campo electromagnético.
Pero no fluye corriente a través de D1 porque ahora tiene polarización inversa.
Y cuando L1 alcance su punto de saturación, la corriente fluirá a través de él como un conductor normal. Por lo tanto, también puede cargar C2 hasta que esté lleno.
Luego, vea el siguiente diagrama de bloques a continuación.
(1) S1 apaga o abre el circuito, lo que provoca que ya no fluya energía eléctrica hacia L1.
(2) Pero el campo electromagnético a su alrededor comenzó a colapsar. Provocando una inducción y liberando una corriente eléctrica en la polaridad alternada de la original.
El D1 ahora tiene polarización directa, por lo que la corriente L1 puede fluir a través de D1 hacia GND. Ahora que L1 y C2 están en paralelo, las corrientes de L1 se suman a la energía ya almacenada en el condensador de salida C2. Esto hace que la corriente en Vout aumente por un momento. Sin embargo, la corriente en la bobina disminuye linealmente hasta que el Vin la vuelve a energizar.
Entonces, cuando el interruptor (S1) enciende o cierra el circuito, hace que la corriente positiva fluya hacia el circuito nuevamente. Todo el proceso es el mismo. Todo este proceso hace que el nivel de tensión de salida sea constante y capaz de alimentar la carga de forma continua.
¿Empieza a complicarse? ver lo mas simple circuito de alimentación
El gran problema es la dificultad para controlar el interruptor (S) de forma que nos dé una mayor corriente en la salida. Hay tres modos de corriente que fluyen a través de L1, como se muestra en el siguiente gráfico.
(A) Modo continuo (CM) – Cuando la velocidad de conmutación es suficiente. La corriente está en su punto más bajo; no llegará a cero. Provocando una corriente continuamente alta a través de L1.
(B) Modo discontinuo (DM) – Pero si el S1 se enciende y apaga demasiado lentamente, hará que la corriente en L1 caiga a cero en cada ciclo de operación. Esto hace que la corriente de L1 tenga baja eficiencia.
(C) Límite CM/DM – En este modo, el interruptor se enciende inmediatamente si la corriente de la bobina cae a cero.
Circuitos de ejemplo
Veo que tienes sueño por leer principios aburridos, al igual que yo.
Pero ahora que hemos aprendido acerca de esos principios, podemos pasar a crear un circuito real con ellos. Y he seleccionado algunos para que intentes hacerlos a continuación.
- Circuito regulador de conmutación de 5 V que utiliza transistores
- Circuito controlador LED de modo conmutado (Ahorrar energía)
- Circuito convertidor elevador USB de 5 V a 12 V CC-CC
- Fuente de alimentación conmutada por transistor simple de 12 V
- Circuito convertidor elevador de 1,5 V a 5 V para microcomputadora
- Circuito convertidor elevador de 5 V a +/- 12 V o superior usando transistor
Conclusión
Controlar el encendido o apagado utiliza muchas teorías muy complicadas. Pero en el uso real, no es necesario utilizar todos los principios teóricos.
Dado que cada circuito puede utilizar sólo 1 o 2 teorías. Por tanto, deberíamos optar por estudiar sólo las teorías que utilizamos con frecuencia. Después de eso, si otros circuitos los requieren, puedes estudiar más a fondo.
Es normal que usted (incluidos mis hijos) no comprenda estos principios. Pero creemos que cuando lo manejes y lo practiques podrás resolver esos problemas a la perfección. Estos circuitos pueden ser claves para sus problemas que quizás aún no conozca.
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