Convertidor Boost con circuito integrado 555

Prototipo de convertidor boost basado en NE 555No deja de causarme asombro como el uso creativo de los componentes electrónicos nos permite utilizarlos para los fines más diversos, incluso en aquellas aplicaciones para las cuales no fueron diseñados. En esta ocasión hablaré un poco de mi experiencia con un NE555 trabajando como el “cerebro” de un convertidor boost.

Sin duda el venerable NE555 que viene acompañándonos desde hace décadas  es uno de los circuitos integrados más conocidos por todos los que por hobby o profesión trabajan en la electrónica y en esta ocasión veremos como puede utilizarse para generar un voltaje mayor al que recibe como alimentación. En esta entrada daremos una noción empírica del funcionamiento de un convertidor boost y propondremos un diseño de PCB para este sencillo circuito.

Investigando sobre las formas  para obtener el voltaje necesario para encender un tubo nixie, me encontré con un diseño bastante sencillo y basado en partes muy comunes de un convertidor boost. El componente más difícil de encontrar en este montaje es un inductor de 100 uH (el que usé en pruebas, lo obtuve de una fuente de alimentación de un Playstation 2). Los demás componentes son resistencias, capacitores, diodos, un mosfet y un circuito integrado NE555, todos bastante fáciles de conseguir.

La finalidad de este circuito es generar un voltaje mayor que el voltaje de alimentación. El circuito se alimenta con 9 a 15 volts y genera un voltaje de salida de al rededor de 170 volts. Obviamente que la corriente entregada en la salida siempre será mucho menor que la de entrada debido a que se trata de un voltaje mayor e idealmente tanto la potencia de entrada y de salida del circuito deberían ser iguales (todos recordamos la famosa ley de la conservación de la energía ¿no?).  Resulta obvio que esto ultimo no es posible en la realidad y por lo tanto para una determinada potencia aplicada en la entrada del circuito, a su salida solamente podremos obtener una potencia menor, debido a las perdidas que presentan los componentes electrónicos. En las pruebas medí una eficiencia de entre 50% y 60 % alimentando el circuito con 12 volts y una salida de 140 volts.

Realizando mediciones de eficiencia sobre el convertidor boost

Teoría del convertidor boost.

El convertidor boost (step-up) es un convertidor conmutado con un voltaje de DC a la salida mayor que el voltaje de entrada. Contiene al menos dos switches controlados (un transistor y un diodo) y cuando menos un elemento en el cual se almacena la energía. Se pueden incluir filtros basados en capacitores e inductores para reducir el rizado en el voltaje de salida. El circuito del convertidor boost básicamente opera alternando en dos estados.

Etapas de operación de un convertidor boost

  • Cuando el switch esta encendido (on state): Se produce una corriente que aumenta con el tiempo a través del inductor. Al mismo tiempo, se produce un campo magnético creciente en las espiras del inductor y este genera una corriente opuesta a la que lo origina, produciendo un aumento gradual en la corriente (ver el enunciado sobre la ley de lenz). Si la resistencia en serie del inductor y la del switch es despreciable (y por lo tanto la caída de potencial en estas), se considerará que se esta cargando con un voltaje constante y la corriente a través del inductor aumentará de manera lineal.
  • Cuando el switch se apaga (off state), el inductor trata de oponerse al cambio repentino en la corriente, produciendo una FEM (fuerza contraelectromotríz) entre sus terminales. Esta fem tiene una polaridad opuesta a la de la fuente de alimentación y es debida al campo magnético que esta colapsando, en este momento se produce la transferencia de energía través del diodo flyback desde el inductor al capacitor de salida (buffer) y también a la carga.

    Medición de la corriente en el inductor en fase de carga: En el canal 1 (naranja) medición de la corriente del inductor realizada colocando una resistencia de 1 ohm en serie con el inductor, en azul la señal en la compuerta del Mosfet desde el 555

Funcionamiento.

El circuito esta diseñado en torno a uno de los circuitos integrados mas usados y famosos del planeta: el circuito integrado NE555. Aún cuando el diseño de este circuito integrado tiene varias décadas de antigüedad, aún encuentra los mas diversos usos, incluso para armar convertidores conmutados sencillos como lo es este circuito.

Esquema de convertidor boost basado en circuito 555

El 555 esta configurado como astable y oscila a una frecuencia de alrededor de 45Khz, determinada por los resistores R2 y R6 y el capacitor C5. La salida del 555 es aplicada directamente a la compuerta de un mosfet que puede operar con altos voltajes (hasta 400 V). El Mosfet IRF740 (Q1) es uno de los “interruptores electrónicos” utilizados en el circuito, el otro interruptor es el diodo de recuperación rápida UF4004 (D2).

Cuando el mosfet se encuentra activo (conduciendo), el voltaje de la fuente de alimentación (Vcc) aparece en los extremos del inductor L1 y la corriente comienza a fluir a través de este, comenzando el proceso de carga, es decir, formando un campo magnético en las espiras del inductor. Cuando el Mosfet se apaga, el inductor intenta mantener un flujo constante de corriente debido al fenómeno de autoinducción (se genera una fuerza electromotriz debido al campo magnético comienza a colapsar). Sin embargo, la corriente no puede fluir a través del Mosfet que se encuentra apagado (en alta impedancia). Por lo tanto el voltaje en el nodo formado por el terminal del inductor L1, el drain del Mosfet Q1 y el ánodo del diodo D2 comienza a aumentar hasta que el diodo de recuperación rápida se encuentra polarizado en directa. En ese momento, el diodo permite que se transfiera la energía almacenada en el inductor hacia el capacitor electrolítico de alto voltaje que actúa como reserva para mantener el voltaje de salida constante.

El funcionamiento del circuito continúa como se ha descrito, por varios ciclos,  hasta alcanzar el voltaje para el que fue ajustado mediante el timpot R7. Las resistencias R3 y R8 funcionan junto al trimpot como un divisor resistivo que acondiciona el voltaje de salida para manejar la base del transistor BC547 (T1). Recordemos que este tipo de transistores requieren de un voltaje base-emisor de aproximadamente 0.7 volts para comenzar a conducir, por lo que la finalidad del arreglo resistivo es reducir el voltaje hasta obtener algo cercano a los 0.7 volts necesarios para encender el transistor. Este transistor actúa sobre el pin 5 del circuito integrado NE555, deshabilitando la salida del oscilador cuando se ha alcanzado el valor deseado para el voltaje de salida.

Precauciones y observaciones

  • El circuito que se presenta en esta página genera voltajes que podrían ser peligrosos o incluso fatales, toma todas las precauciones para evitar tocar el circuito accidentalmente mientras se encuentra en funcionamiento. Se aconseja colocar en la salida un indicador de neón para indicar la presencia de alto voltaje en las terminales.
  • La construcción incorrecta de este circuito puede llevar fácilmente a su destrucción. Revisa todos los componentes que tienen polaridad: Circuito integrado, diodos, capacitores, Mosfet, etc. antes de conectar la alimentación. Las resistencias y el potenciómetro que conforman la red de realimentación deben revisarse antes de conectar el circuito.
  • Un corto circuito prolongado en la salida puede dañar el inductor, ya que toda la corriente de la fuente de alimentación fluiría a través de este de manera incontrolada. Se recomienda proteger con un fusible este circuito.
  • El valor del inductor no es un parámetro crítico, sin embargo, si no se consigue el valor apropiado, debe aproximarse a un valor mas grande que el indicado, inductancias menores pueden saturarse en un periodo de tiempo menor, causando perdidas de eficiencia, sobrecalentamiento y destrucción del Mosfet o el inductor. Inductancias mayores pueden degradar la eficiencia debido a que presentan una mayor resistencia en serie.

Conclusión

Los convertidores DC-DC se encuentran presentes en muchas aplicaciones electrónicas actuales, ya sea para generar un voltaje mayor que el de entrada, uno menor, o invertir la polaridad del voltaje, existen topologías que pueden ayudarnos a obtener el voltaje de alimentación necesario, de manera muy eficiente. El circuito que presentamos arriba puede no ser adecuado para aplicaciones donde se requiere una regulación precisa del voltaje de salida, tampoco para aplicaciones que demanden una eficiencia elevada, sin embargo, es bastante útil para comprender el funcionamiento de un convertidor boost e introducirnos a los conceptos claves sobre inductores que nos ayudarán a comprender mejor otros tipos de fuentes de alimentación conmutadas.

Archivos EAGLE

El siguiente archivo contiene el PCB y el diagrama esquemático realizados en EAGLE para fabricar el circuito que se muestra en las fotografías. El diseño se puede realizar sin complicaciones con la versión gratuita del programa, ya que solamente utilizamos un área de PCB de 5×5 cm y una sola cara.

 

Convertidor Boost para Tubo Nixie

Esquema y circuito impreso en EAGLE para construir un convertidor boost con un circuito integrado NE555. Ideal para probar tubos Nixie


  • VICTOR

    QUE TAL AMIGO
    NECESITO CONSEGUIR UNO QUE ELEVE DE 15V A 50V Y DE 50V A 200V.
    MUCHAS GRACIAS

    • http://tech-freaks.net Rubén

      Hola Victor.

      No mencionas la potencia (requerimientos de salida) que deben manejar. Para diseñar estos circuitos en aplicaciones mas serias, te recomiendo que revises el MC34063A. En la hoja de datos encuentras información para el proceso de diseño completo. Con este circuito puedes armar convertidores buck, boost, buck-boost, etc.

      Si tienes dudas, lo vemos por este medio.

      Saludos.

  • jeeison

    amigo,lo que pasa es que tengo una moto de 6v y le quiero instalar luces hid y estas luces son de 12v,que me recomienda

  • Paulino

    Por fin me he enterado de como funciona un circuito boost.

    Muchas gracias Rubén

  • Juan

    Muy buen aporte, justo estaba necesitando un conversor dc-dc para el driver de unos mosfet. como puedo hacer para bajar el esquemático.
    Saludos.

  • zarek

    Hola buenas tardes, disculpa tu aportacion es muy buena !. Me gustaria saber si me podrias ayudar a simular un buck, step up, step down. Tengo los simuladores live wire, o necesito uno mejor?. Espero me puedas ayudar con eso,es para un trabajo de la universidad. Gracias!

  • carlos

    Hola buen dia, queria saber que voltaje potencia de salida puede manejar este circuito ya que necesitaria hacer uno de 12v a 30v 4A de salida te agradeceria si me podes orientar. gracias

  • Richar

    me podrias ayudar suministrando con los calculos para entenderle de como sacastes cada valor de cada uno de los circuitos.

  • vielsaro

    donde le doy click para descargar el esquematico?

  • Jaime

    Podrían subir de nuevo los archivos de EAGLE. Muchas gracias.

    • http://geekfactory.mx Jesus Ruben

      Se rompio el enlace por la actualización de un plug-in. Ya esta nuevamente funcionando :)

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