Ideas de diseño: Convertidor Boost

En este artículo no vamos a descubrir los convertidores “Boost”, elevadores de tensión o convertidores DC-DC, sino que veremos un ejemplo práctico de cómo implementar un sistema de estas características para utilizarlo en nuestras aplicaciones. Este tipo de convertidor es utilizado en circuitos que involucran microcontroladores (3,3Volts) y deben utilizar, por ejemplo, un LCD (5Volts). En la mayoría de los casos, se utiliza un regulador de 5Volts y otro de 3,3Volts, sin embargo, veremos un método para aprovechar un sistema conmutado más eficiente: el convertidor Boost. Otro caso de aplicación ideal sería cuando trabajamos con baterías AA o AAA; este tipo de circuitos nos resuelven, por ejemplo, la alimentación de 12Volts a un amplificador operacional. Aquí traemos un artículo muy interesante para quienes se inician en las técnicas de conmutación como hacemos en NeoTeo, con un circuito práctico.

Hace pocos días atrás, me tocó la experiencia de reparar un TV (LCD, TV analógica) que presentaba la falla de no sintonizar ningún canal y, en todos los espacios dedicados a guardar estos canales, aparecía siempre el mismo canal. Este tipo de equipos incorporan selectores de canales tradicionales de TV (del tipo I2C) como los que utilizamos en el Receptor NeoTeo o en el Analizador de Espectro NeoTeo y las tensiones de alimentación necesarias son tres: 5Volts, 12Volts y 33Volts. Una particularidad de este tipo de TV es que su fuente de alimentación genera tensiones de 3,3Volts, 5Volts, 12Volts y 24Volts (ésta última tensión aparece en el caso de los TV que utilizan CFL’s para la retro-iluminación de la pantalla) y mi pregunta fue la lógica: ¿cómo se obtienen los 30/33Volts para el selector de canales? La solución es sencilla, simple y económica, un pequeño transistor, utilizado como convertidor boost, evita un bobinado extra en el transformador de conmutación, más su correspondiente rectificador y filtro.

En la imagen se destacan, entre otras cosas, el selector de canales (U22) y la zona inferior donde encontramos V22 y algunas advertencias de peligro. Allí podemos ver que a partir de 12Volts de alimentación, con componentes muy sencillos de conseguir, se obtienen 40Volts desde una alimentación de 12Volts. VD109 es el rectificador rápido, luego R254 (en la conexión al pin 9 del selector de canales) limita la corriente y D66 es el zener que se encarga de la regulación final a 33Volts para el selector de canales. El diodo VD109 es un 1N4148, que es capaz de trabajar con corrientes de hasta 100mA y esto nos presenta el fundamento de que este tipo de circuitos no hace magia sino que la transformación de energía obtenida en la salida es en detrimento de la corriente absorbida a la fuente donde se conecta. Sin embargo, esta relación se puede optimizar hasta un máximo posible utilizando los valores apropiados de inductancia, de capacidad a la salida del diodo rectificador y, por supuesto; empleando valores adecuados en la frecuencia de conmutación y el ciclo de trabajo del PWM utilizado en el trabajo de conmutación del transistor. En el ejemplo (comercial) mostrado, la corriente consumida por el selector de canales en la línea de 33Volts es de menos de 10mA, de allí parte el hecho de que se utilicen semiconductores de baja capacidad de corriente.

El funcionamiento elemental de este tipo de circuitos es bastante simple y responde a la posibilidad de la inductancia, colocada antes del diodo rectificador, de almacenar la mayor cantidad de energía posible durante la saturación (conducción) del transistor, para luego entregarla al circuito y, además de alimentar la carga, almacenar energía en el capacitor de salida. Este potencial almacenado se entregará a la carga en el próximo ciclo de saturación del transistor y el proceso se repetirá mientras la tensión de conmutación actúe sobre la base del transistor. En nuestra vida real, y aplicada a los microcontroladores, podemos utilizar esta tecnología en proyectos donde el consumo energético no sea intenso. Es decir, en casos donde la energía requerida por un circuito sea tan pequeña que se pueda extraer de un par de baterías AA o AAA, por ejemplo. Como no podía ser de otra manera, comenzamos a instalar componentes en un protoboard y decidimos investigar un poco sobre este método ultra-sencillo para elevar una tensión.

Para obtener la señal PWM necesaria podemos emplear cualquier microcontrolador (hasta un NE555, o un SX8122), por lo tanto, no vamos a describir el circuito pero sí el método específico para hacerlo. En nuestro caso usamos un 18F25K20 y empleamos la instrucción HPWM de Amicus que permite ejecutarla, sin atención alguna, en cualquier momento del programa. Es decir, utilizando el pin de salida RC2 (PortC.2) (CCP1) o RC1 (PortC.1) (CCP2) podemos escribir en cualquier lugar del programa la instrucción HPWM 1, 90, 30000, por ejemplo. Esta instrucción indica que utilizaremos la salida del módulo CCP1, con un ciclo de trabajo igual a 90 (0 – 255) y una frecuencia de 30Khz. Con HPWM, el programa principal sigue corriendo y funcionando sin problemas mientras el PWM se genera de fondo y sin atención alguna durante todo el funcionamiento del, en este caso, PIC. Si por algún motivo, en función de que el circuito lo requiera, deseamos cambiar la tensión de salida del convertidor, bastará con escribir una nueva instrucción HPWM y la salida cambiará los parámetros de trabajo sin afectar el funcionamiento del programa principal. En tu caso, puedes utilizar interrupciones u otros arreglos de código para lograr un PWM continuo y estable. En Amicus (o Proton) es tan sencillo como escribir una única línea de código.

Los elementos utilizados en el convertidor que te mostramos son muy comunes y sencillos de obtener en cualquier tienda de componentes o hasta en un equipo de desarme. Una inductancia de 470uH, un transistor BC639 o BC337 son ideales para esta tarea, un diodo rápido 1N4148, un zener de 5,1Volts y algunas (pocas) resistencias serán necesarias para obtener una tensión de 5Volts a partir de 3,3Volts. Esto es muy útil cuando utilizamos, por ejemplo, las baterías recargables de teléfonos inalámbricos para alimentar nuestros diseños. Estas baterías de Ni-Cd se encuentran fácilmente de 3,6Volts con una capacidad de corriente de 600mA. Tres baterías simples AA de Ni-Mh (usadas en cámaras fotográficas) pueden entregarnos hasta casi 3000mA y una sola celda de batería Li-Po o Li-ion también será una fuente ideal con una tensión de 3,6 a 3,7Volts y una capacidad de corriente de entre 1,5 y 3Amperes, pero a una alta tasa de entrega de energía (a diferencia de las anteriores). Al pensar en estas posibilidades de trabajo “móvil” o de campo, las ideas de desarrollo se expanden de manera muy amplia y sólo unos pocos elementos podrán ayudarnos en el uso de baterías en circuitos elaborados.

Un ejemplo clásico de aplicaciones que no se contenta con tan baja tensión es el uso de amplificadores operacionales (trabajando a más de 9Volts). Muchos circuitos accesorios (tradicionales) a un microcontrolador necesitan 5Volts para una operación eficiente, por ejemplo, una memoria 24CXX trabajando a una velocidad de bus I2C de 1Mhz. Otro ejemplo clásico es la mayoría de los LCD alfanuméricos (aunque muchos trabajan hoy a 3,3Volts, los comunes lo hacen a 5Volts). La lista sería interminable y los consumos de estos elementos mencionados casi nunca llegan a 10mA. Una memoria EEPROM consume 1mA, un LCD (sin backlight) consume alrededor de 4mA, un sensor de temperatura I2C absorbe tan sólo algunos micro-Amperes, es decir, en muchas oportunidades, el uso de un convertidor “Boost” puede ayudarnos a realizar diseños más eficientes y con la posibilidad de utilizar unas pocas baterías sin depender de la red eléctrica. Los cálculos correctos y convencionales para diseñar y/o desarrollar convertidores Boost (tanto en modo continuo, como discontinuo) no son sencillos y requieren de un conocimiento matemático avanzado. Para aquellos que quieran explorar este terreno, al final del artículo les dejamos dos enlaces donde están explicados todos y cada uno de estos procedimientos que pueden resultarles sumamente útiles y valiosos. Para nuestros propósitos iniciales de práctica, obtener 5V@10mA, con muy pocas reformas a un circuito comercial como el mostrado al inicio, es más que suficiente partiendo de 3,3Volts de alimentación.

Si te interesa ampliar los comentarios sobre este tipo de desarrollos (convertidores DC-DC) y deseas mostrarnos tus proyectos, te invitamos a participar del Foro de Electrónica de NeoTeo donde encontrarás más ejemplos de aplicación y más gente interesada en aprovechar la energía en forma eficiente e inteligente. ¡Te esperamos!