Circuito convertidor de refuerzo: construcción y operación
La mayoría de las veces necesitamos un voltaje ligeramente superior al que nuestras fuentes de alimentación pueden proporcionar. Una situación común es que necesitamos 12 V pero nuestras baterías solo pueden proporcionar 9 V. O tal vez tengamos un suministro de 3,3 V pero nuestro circuito IC requiera 5 V. Estas situaciones proporcionan la motivación para el proyecto que cubre este informe.
¿Existe alguna forma de convertir un voltaje de CC en otro? O más específicamente, ¿hay alguna manera de aumentar el nivel de voltaje que ya tenemos sin pasar por el trabajo de circuitos muy complejos? Afortunadamente, la respuesta a ambas preguntas es sí. Y en este proyecto, discutiremos el circuito para aumentar los voltajes de CC, de uno más bajo a uno más alto.
El circuito aumenta el voltaje del suministro, por lo que se denomina convertidor elevador. Hay muchas formas de convertir un voltaje de CC más bajo a uno más alto. Sin embargo, el convertidor elevador no implica el tedioso método de convertir CC a CA, luego aumentar el voltaje y luego convertir el voltaje CA escalonado a CC. Este método es ineficiente e implica demasiados pasos. Usaremos un método más inteligente para lograr el objetivo haciendo algo llamado «Convertidores CC-CC de modo conmutado”.
¿Qué es el convertidor Boost?
A convertidor de carga (también conocido como convertidor elevador) es uno de los tipos más simples de convertidores de modo conmutado. Como sugiere el nombre, el convertidor toma un voltaje de entrada y lo aumenta. En otras palabras, es como un transformador elevador, es decir, aumenta el nivel de voltaje CC (mientras el transformador aumenta/baja el nivel de voltaje de CA) de bajo a alto, mientras disminuye la corriente de alto a bajo mientras la potencia suministrada es la misma.
Todo lo que tiene es un inductor, un interruptor semiconductor, un diodo y un condensador. El convertidor elevador es muy simple y requiere muy pocos componentes, esto se debe a que fueron diseñados y desarrollados originalmente en la década de 1960 para alimentar la electrónica de los aviones. La mayor ventaja de un convertidor elevador es que ofrece una eficiencia muy alta. Algunos de los convertidores de impulso Puede alcanzar una eficiencia del 99%. Eso significa que del voltaje de entrada solo se desperdicia el 1% de la energía.
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Diagrama del circuito del convertidor de impulso
Componentes necesarios
- Fuente de voltaje
- Inductor
- Diodo 1N4001
- Dispositivo de conmutación (MOSFET)
- Condensador
- Carga
Inductor
El inductor, en general, se utiliza para almacenar energía. En este circuito, también realizará la misma función. Aumentar la inductancia permite una mayor salida de voltaje, porque cuanto mayor es la inductancia, más energía puede almacenar. Si coloca un valor más bajo de inductor, producirá menos voltaje en la salida. Podemos jugar con los valores de inductancia para ver cómo afecta el voltaje de salida.
Si usa una inductancia más alta, resistirá el flujo de corriente a través de ella, ya que es un valor mayor, por lo que el proceso de carga puede tardar más, pero al final produce una salida de voltaje más alta. No se puede utilizar cualquier tipo de inductor disponible para fabricar un convertidor elevador. El inductor debe tener la corriente nominal requerida. Eso significa que el inductor debe poder soportar altas corrientes y tener un núcleo altamente permeable, de modo que la inductancia para un tamaño determinado sea alta.
MOSFET
Transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico es la forma completa del MOSFET. MOSFET es un dispositivo semiconductor utilizado principalmente para aplicaciones de conmutación. El MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales que consta de los terminales de fuente S, puerta G y drenaje D, cuerpo B. El MOSFET es, con diferencia, el transistor más común y se puede utilizar tanto en circuitos analógicos como digitales.
En última instancia, el MOSFET tiene que controlar el voltaje y el flujo de corriente entre la fuente y el drenaje. Funciona casi como un interruptor. MOSFET también es un transistor. La única diferencia es que el transistor requiere corriente mientras que el MOSFET requiere voltaje. El requisito de conducción del MOSFET es mucho mejor y mucho más sencillo en comparación con el BJT. Estas son las ventajas que nos impulsan a utilizar el MOSFET como nuestro dispositivo de conmutación en el circuito Boost. El diagrama de bloques del MOSFET se muestra a continuación.
Diodo 1N4007
1N4007 es un diodo rectificador de unión PN. Este tipo de diodos permiten únicamente el flujo de la corriente eléctrica en una dirección. Por lo tanto, se puede utilizar para la conversión de energía CC a CC. 1N4007 tiene diferentes aplicaciones de la vida real, por ejemplo, aplicaciones de diodos de rueda libre, rectificación de fuentes de alimentación de uso general, inversores, convertidores, etc. La distribución de pines para el diodo dado se proporciona a continuación.
| Diodo 1N4007 | ||
| Pin no. | Nombre del pin | Cargar |
| 1 | Ánodo | +ve |
| 2 | cátodo | -ve |
El diagrama de arriba muestra la imagen simbólica y real del 1N4007. La comprensión de cualquier componente de un circuito eléctrico mejora enormemente cuando se conocen las características eléctricas de ese dispositivo. Las características eléctricas del diodo 1N4007 se tabulan a continuación.
| 1N4007 Características eléctricas | ||
| Parámetro | Valores | Unidades |
| Tensión directa a 1,0 A | 1.1 | V |
| Corriente inversa a 25°C | 5 | ua |
| Capacitancia total a 1,0 MHz | 15 | pF |
| Corriente inversa máxima a plena carga a 75° | 30 | ua |
| Corriente directa rectificada promedio | 1 | A |
| Voltaje inverso repetitivo pico | 1000 | V |
Las características del diodo 1N4007 son las siguientes:
- Baja corriente de fuga
- Caída de tensión directa baja
- Alta capacidad de sobretensión hacia adelante
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Este diodo tiene muchas aplicaciones de la vida real en sistemas integrados; a continuación se detallan algunas de las principales aplicaciones asociadas con el diodo en particular:
- Convertidores
- Para fines de conmutación en sistemas integrados
- Aplicaciones de diodos de rueda libre
- Inversores
- Rectificación general de potencia de fuentes de alimentación.
- Para evitar corriente inversa y proteger microcontroladores como Arduino o microcontrolador PIC.
Condensador
El condensador es un elemento electrónico que se utiliza para almacenar la carga eléctrica y para fines de filtración. El condensador está formado por 2 conductores colocados muy juntos y separados por un material dieléctrico. Los conductores acumulan carga eléctrica cuando se conectan a la fuente de alimentación. Una placa acumula carga positiva y la otra carga negativa. Hay dos tipos de condensadores, cerámicos y electrolíticos. El tipo de condensador que vamos a utilizar en este circuito es electrolítico. El condensador electrolítico debe tener un voltaje nominal de aproximadamente el doble del voltaje de salida.
Cuanto mayor sea la clasificación, mejor, porque más voltaje podrá manejar. El voltaje a través del capacitor no debe exceder el voltaje nominal o podría explotar. Dado que el circuito convertidor elevador puede producir un alto voltaje, queremos usar un capacitor que tenga una clasificación de alto voltaje. También queremos que la capacitancia del condensador sea alta. Desde entonces, el inductor emite grandes cantidades de corriente; Queremos que el condensador pueda almacenar esta carga.
Funcionamiento del convertidor Boost
El funcionamiento del convertidor elevador se comprende mejor si se sabe cómo funciona un inductor, un condensador o un MOSFET. Una vez que comprendemos cómo funcionan los componentes, procedemos a comprender el funcionamiento del convertidor elevador. Conecte correctamente los componentes como se muestra en el diagrama del circuito.
Además, sólo estamos discutiendo el funcionamiento del circuito hasta el condensador. La carga conectada al capacitor ve al capacitor como una fuente de voltaje fija y funcionará correctamente.
Paso 1:- Aquí no sucede nada, sólo el condensador en la salida se carga al valor de voltaje de entrada.
Paso 2:- Ahora, encendemos el interruptor. Nuestra fuente de señal se pone alta, activando el MOSFET. Toda la corriente se desvía a través del MOSFET a través del inductor. Tenga en cuenta que durante este tiempo el condensador permanece cargado ya que no puede descargarse a través del diodo ahora polarizado en retroceso. Por supuesto, la fuente de energía no es inmediatamente más corta, ya que el inductor hace que la corriente aumente relativamente lentamente. Además, los campos magnéticos generados alrededor del inductor en el circuito.
Paso 3:- Cuando el MOSFET se apaga, la corriente que llega al inductor se detiene repentinamente. La naturaleza misma del inductor es mantener suave flujo de corriente, no le gustan los cambios repentinos de corriente. Entonces, responde a esto generando un voltaje grande con la polaridad opuesta al voltaje que se le suministró originalmente utilizando la energía almacenada en el campo magnético para mantener ese flujo de corriente.
Si solo consideramos los símbolos de polaridad del inductor, notamos que el inductor ahora actúa como una fuente de voltaje en serie con el suministro. Esto significa que el ánodo del diodo ahora tiene un voltaje más alto que el cátodo, que está conectado al capacitor cargado al voltaje intrínseco de la fuente de voltaje. Esto hace que el diodo tenga polarización directa.
El condensador de salida ahora está cargado a un voltaje más alto que antes, lo que significa que hemos aumentado con éxito un voltaje de CC bajo a uno más alto.
Estos pasos anteriores ocurren miles de veces (dependiendo de la frecuencia del oscilador) para mantener el voltaje de salida bajo carga.
Operación de conmutación
El MOSFET debe encenderse y apagarse a una velocidad muy alta. Para esta operación, podemos usar algo tan simple como un temporizador 555 junto con algunos circuitos o incluso hay un IC SMPS (fuente de alimentación de modo conmutado) dedicado como el famoso IC MC34063A.
El circuito dado en el informe es para un Convertidor elevador de uso general. Se pueden fabricar convertidores elevadores específicos implantando el mismo circuito con valores calculados.
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