Publicado : 24/04/2021 Convertidores Buck/Boost – Step up/Step Down - Categorías : Productos , Teoría Productos relacionados Convertidor Automatico Boost Buck Step Up-Down 150W Boost Convertidor DC a DC Boost Step-Up de 10-32V a 12-35V Regulador de voltaje MT3608 Convertidor DC a DC Boost Step-Up 2-24V a 5-28V MicroUSB Regulador de voltaje AMS1117 Convertidor DC a DC de 4,5-12V a 3,3V 0,8A Salida fija AMS1117 Convertidor DC a DC de 4,5-12V a 5V 0,8A Salida fija Se llama convertidor DC-DC a un tipo de convertidor de potencia que transforma corriente continua de un nivel de tensión a otro. En el área de la electrónica, los más conocidos son los reguladores conmutados, específicamente los que utilizan almacenamiento de energía en forma de campo magnético. ¿Por qué se utilizan los convertidores? En nuestros circuitos podemos encontrarnos con problemas de potencia debido a la diferencia entre la potencia emitida por la fuente de alimentación y la potencia que consume realmente nuestra carga. Esto conlleva que se pierda potencia en forma de calor, haciendo que la fuente gaste más energía de la necesaria. Por ejemplo: Potencia de motor: Pmot = I * Vmot = 0,2A * 5V = 1W Potencia de pila: Pbat = I * Vbat = 0,2A * 10V = 2W Como podemos ver, el motor tiene la mitad de potencia que la batería, por tanto, el resto se pierde en forma de calor, haciendo que los componentes se calienten. Por tanto, para evitar este problema se usan los estabilizadores, también llamados reguladores. La serie más conocida de reguladores integrados es la 78xx y la serie 79xx, como el típico LM7805. Este está especificado como un regulador de 5V, 1.5A. Pero los de mayor potencia necesitarán un disipador de calor, y este es el principal problema de los reguladores serie lineales tanto discretos como integrados, porque como hemos dicho, al estar en serie con la carga, las caídas de tensión en sus componentes provocan grandes disipaciones de potencia. Referencia A0074 Convertidor DC a DC Step-down de 8V-40V a 1,25V-36V 10A Regulador de voltaje Los más usados en electrónica, como hemos avanzado, son los reguladores conmutados que, como su nombre indica, se encienden y apagan a un ritmo muy rápido, proporcionando una fuente de alimentación estable y con resultados muy eficientes. Entre sus ventajas es que la eficiencia es mucho más grande (mayor al 80%) en comparación con los reguladores lineales (40%-60%), lo que significa a grandes rasgos que, si se requiere una fuente de gran potencia, el calor disipado por la fuente “conmutada” es mucho menor que la que disiparía una fuente lineal de características semejantes. Es por ello por lo que a pesar de que su coste es mayor, así como el número de componentes pasivos requeridos, son más recomendables para usos con potencias considerables. Tipos de convertidores Dentro de los reguladores conmutados, también conocidos como convertidores, existen tres grandes grupos: Reductores, Elevadores o Reductores-Elevadores. Convertidor reductor El convertidor reductor o convertidor Buck (o step-down), convierte la tensión DC de entrada a una tensión de salida DC de menor nivel. Es una fuente conmutada con dos dispositivos semiconductores (transistor y diodo), un inductor y opcionalmente un condensador a la salida. El funcionamiento del conversor reductor es sencillo, consta de un inductor controlado por el diodo y por el transistor, como un MOSFET canal p, pero puede ser cualquier elemento que pueda conducir y aislar de manera controlada, los cuales alternan la conexión del inductor bien a la fuente de alimentación o bien a la carga mediante un circuito oscilador PWM. Para entender su funcionamiento hay que hacer un análisis en dos estados, cuando el transistor conduce (Estado “ON”) y cuando no lo hace (Estado “OFF”) y, por tanto, aísla a la fuente. Estado “ON”: Cuando el transistor conduce, la corriente va desde la fuente de entrada hasta el condensador, cargando a su paso la bobina. Por el diodo por tanto no pasa corriente, no conduce, ya que está polarizado inversamente. La ecuación, siguiendo las leyes de Kirchhoff, queda: Vi=Vson +Vlon+Vo La función de este estado es cargar la bobina, el principal elemento de almacenamiento de energía, además de alimentar la carga con el voltaje suficiente gracias al condensador. Estado “OFF”: Cuando el transistor se pone en un estado de corte, es decir, no hay conducción porque está abierto, la fuente principal de energía no alimenta el circuito. En ese momento se aprovecha la energía del inductor, almacenada en forma de campo magnético, para hacer circular una corriente por el circuito. Esta corriente sigue alimentando al condensador y mantiene el nivel de voltaje a la salida. La ecuación para este “estado OFF” queda: -Vd=-Vloff+Vo Por lo tanto, entre estos dos estados de conducción y no conducción es como se transforma el voltaje de entrada al de salida. Al conmutar entre estados, a una frecuencia fija, la conversión dependerá de cuánto dura cada estado con respecto a la frecuencia. Por convención, usaremos el estado de conducción como base, será nuestro ciclo de trabajo. Por lo tanto, usaremos para conmutar el transistor un circuito oscilador en el que podamos cambiar su ciclo de trabajo, es decir un circuito de oscilación PWM. Existen también dos situaciones de funcionamiento: Modo Continuo (si la corriente que pasa a través del inductor (IL) nunca baja a cero durante el ciclo de conmutación) y Modo Discontinuo (la carga consume menos de lo que el circuito puede entregar en un ciclo). Pero para su explicación, entraríamos ya en ecuaciones más complejas, con integrales y derivadas. Debido a estas características, a la hora de elegir el convertidor Buck que debemos usar, necesitaremos responder algunas preguntas: ¿qué voltaje de entrada tenemos?, ¿qué voltaje de salida necesitamos? ¿cuál al es la corriente máxima que queremos suministrar? ¿o con qué frecuencia de conmutación (PWM) contamos? Referencia A0023 Referencia A0073 Convertidor DC a DC de 4,5-12V a 3,3V Convertidor DC a DC de 4,5-12V a 5V Convertidor elevador El convertidor elevador o convertidor boost (o step-up) es un convertidor DC a DC que obtiene a su salida una tensión continua mayor que a su entrada. Es un tipo de fuente de alimentación conmutada que contiene al menos dos interruptores semiconductores (diodo y transistor), y al menos un elemento para almacenar energía (condensador, bobina o combinación de ambos). Frecuentemente se añaden filtros construidos con inductores y condensadores para mejorar el rendimiento. El funcionamiento es parecido al del convertidor Buck, ya que tiene básicamente los mismos elementos, pero en otra posición. El transistor (S) se comporta como un interruptor que cambiará entre los dos estados posibles, “ON” y “OFF”. Estado “OFF”: Cuando el transistor se pone en un estado de corte, es decir, no hay conducción porque está abierto, la corriente pasa por la bobina (L), luego por el diodo (que fuerza a que vaya en ese sentido la corriente) y luego se reparte entre el condensador y la carga. Entonces está alimentando a la carga y a la vez está cargando al condensador. Esta corriente sigue alimentando al condensador y mantiene el nivel de voltaje a la salida. La ecuación para este “estado OFF” queda: Vi-Vo=L(dIL/dt) Cuando el condensador está totalmente cargado se cierra el interruptor, pasando al estado “ON”. Estado “ON”: Cuando el transistor conduce, la corriente va desde la fuente de entrada hasta la bobina, y después toda la corriente se va por el transistor, ya que actúa como camino cerrado y supone un camino más fácil (menos resistencia) para ella. Por tanto, la otra parte del circuito parece que queda independiente, el diodo hace que la corriente no pueda ir en sentido contrario. Es entonces cuando el condensador que está totalmente cargado va alimentando a la carga mientras tanto. Una vez se agote la energía del condensador, se vuelve a cambiar el estado del transistor, volviendo al estado “OFF”. Durante el estado ON, el conmutador S está cerrado, lo que hace que el voltaje de entrada (Vi) aparezca entre los extremos del inductor, lo que causa un cambio de corriente (IL) a través de este durante un período (t), según la fórmula: (∆I/L)/∆t=L Vi/L Existen también dos situaciones de funcionamiento: Modo continuo (toda la energía se transfiere a la carga, sin llegar a que la corriente se anule), y Modo Discontinuo (la carga consume menos de lo que el circuito puede entregar en un ciclo). Pero para su explicación, entraríamos también en ecuaciones más complejas, como en el caso del Buck. Referencia A0065 Boost Step-Up 2-24V a 5-28V Convertidor reductor-elevador Por último. el convertidor reductor-elevador o convertidor Buck-Boost los cuales como su nombre indica, reducen o aumentan la tensión en su salida. Esquema básico Hay dos topologías distintas para estos convertidores: Convertidores de forma inversora, donde el voltaje de salida es de signo inverso al de la entrada. Convertidor reductor seguido de un elevador. el voltaje de salida tiene la misma polaridad que la entrada, y puede ser mayor o menor que el de entrada. Un convertidor reductor-elevador no inversor puede utilizar un único inductor que es usado para el inductor reductor y el inductor elevador. Pero si puede reducir o elevar el voltaje de salida, ¿Cómo se controla? Pues se controla ajustando la variable de ciclo de trabajo del transistor de conmutación. Esquemático de un convertidor Buck-Boost Para el caso del inversor con bobina común, vemos también como hay dos estados dependiendo del transistor (S): Estado “ON”: la fuente de entrada de voltaje está directamente conectada al inductor (L). Por lo que se almacena la energía en L, la cual se va cargando. En este estado, el condensador proporciona corriente a la carga de salida. Estado “OFF”: ya no hay fuente de energía a la entrada. Ahora el inductor está conectado a la carga de salida y el condensador, por lo que la energía es transferida de la bobina L a C y R. Como se puede observar, el diodo marca también el sentido de la corriente de las ramas del condensador y de la carga (R), estando invertida la polaridad. Pero lo interesante de este circuito, es que idealmente podríamos ir desde un voltaje de 0V hasta infinito. Evidentemente, factores como la temperatura hacen que sea irreal llegar hasta los infinitos voltios. Volviendo al caso del ejemplo anterior, deberíamos usar un regulador reductor, ya que la tensión de alimentación es mayor que la usada por la carga. Con esto solucionaremos la pérdida de potencia. Referencia A0017 Convertidor Automatico Boost Buck Step Up-Down - Tensión de entrada: 3V-28V - Tensión de salida: 1.25-26V (ajustable) Otros convertidores Existen otros tipos de convertidores que caben mencionar al menos. Dentro de los convertidores reductores-elevadores tenemos los siguientes: Convertidor Push-Pull Convertidor Cuk Convertidor SEPIC Al igual que el resto de los convertidores de energía, existen topologías de convertidores DC-DC que utilizan transformadores de aislación para obtener características de aislamiento eléctrico y de elevación o reducción de voltajes. Los tipos fundamentales de convertidores DC-DC aislados son los siguientes. Convertidor Forward Convertidor Flyback Convertidor Puente Convertidor Semipuente FUENTES: https://www.edumedia-sciences.com/es/media/677-convertidor-buck https://nomadaselectronicos.wordpress.com/2015/04/12/convertidores-dcdc-buck/ https://rufianenlared.com/buck-boost/ https://es.wikipedia.org/ https://cacharrytos.com/2014/12/14/convertidores-cc-cc-conmutados-elevador-o-boost-converter/