Tutorial para hacer un convertidor elevador de voltaje con Arduino

Hola electrónicos bienvenidos, hoy veremos al convertidor elevador, sé que este es un circuito muy popular y que ya hay muchos tutoriales sobre este tema, pero quiero dar mi opinión sobre el circuito y no solo sobre cómo funciona sino que también cómo implementar el feedback. Este es un componente muy básico y se usan en circuitos siempre que necesites elevar el voltaje.

Materiales

– Arduino
– Mosfet z44n
– Un inductor de 100 mH
– Un diodo
– Una capacidad de 47 microfaradios

 

Veremos cómo funciona el circuito y cómo hacerlo usando unos cuantos componentes y el arduino para crear los pulsos de conmutación, la retroalimentación y finalmente usar un chip integrado especialmente diseñado para este propósito y crear nuestro propio conversor elevador, vamos a empezar.


Si tienes un circuito que funciona con un voltaje determinado, digamos unos 5 voltios y tienes una parte diferente de este circuito que requiere un voltaje más alto, una forma de obtener eso es usar un convertidor elevador llamado convertidor boost: aplicamos un voltaje a la entrada y obtenemos un valor más alto en la salida. Uno de los requerimientos de este circuito es que incluso al cambiar el valor de entrada o si se aplica una carga diferente a la salida debemos tener el mismo voltaje en la salida, por lo que seguramente necesitamos una retroalimentación, por lo que también veremos cómo hacer esto más adelante.

Entonces, ¿cómo funciona el circuito?, como siempre empezamos con solo una fuente de alimentación de digamos unos 5 voltios y una carga de tal vez 100 ohmnios. Si solo tengo la fuente de alimentación de 5 voltios, y quiero aplicar 10 voltios a esta carga ¿cómo podría obtener los 10 voltios?

Para eso una vez más usaremos la magia de un inductor, así que añadimos este componente al circuito, la magia de la bobina funciona de la siguiente manera: al inductor no le gustan los cambios de corriente al igual que al capacitor no le gustan los cambios de voltaje, si creamos un flujo de corriente a través de este inductor en este caso de 50 miliamperios y luego paramos esa corriente el inductor ahorrará lo que haga falta para mantener la misma cantidad de corriente.

Como la corriente es la tensión dividida por la resistencia, y la resistencia viene dada por el material de la bobina por lo que no se puede cambiar, lo único que hay que cambiar es la tensión entonces, si la corriente se hace menor, el voltaje aumenta.

Y es así como elevamos el valor, aplica un voltaje a una bobina y ésta creará un campo magnético a su alrededor, cuando dejes de aplicar el voltaje ese campo magnético se colapsa creando un gran pico de voltaje.

En mi placa de pruebas tengo un botón y una bobina, veamos la salida en él osloscopio, cada vez que presiona el botón se aplican 5 voltios a la bobina y como puedes ver solo tenemos picos cuando cambias el voltaje cada vez que presiono o suelto el botón.

Entonces nuestro circuito también tendrá este botón que abrirá y cerrará el circuito. Colocaremos un interruptor de mosfet entre la salida de la bobina y tierra dado que el voltaje de la salida será más alto que la entrada en ciertos momentos, además no queremos un flujo de corriente hacia atrás, por lo que añadiremos un diodo.

Pero también queremos un voltaje estable en la salida, no solo los picos que crea la bobina entonces para almacenar el voltaje añadimos un condensador,  con esto nuestro circuito está listo, todo lo que tenemos que hacer es encender y apagar el interruptor creando el campo magnético para luego colapsarlo. Le he incrementado el voltaje cuando el mosfet está activado y una corriente pasará de esta manera:

Cuando desactivamos el mosfet la bobina quiere mantener su energía y por eso empujará la corriente a través del diodo cargando la salida, si hacemos eso suficientemente rápido podríamos tener la salida requerida. Para cerrar y abrir el mosfet usaré el arduino para el primer ejemplo y para crear una señal de pwvm aplicda al mosfet.

Montaré este esquema en mi placa de pruebas y usare el mosfet z44n para el interruptor, un inductor de 100 microHenrios, un diodo y un capacitor de 47 microfaradios. En la salida conectaré un potenciómetro en la entrada analógica del arduino para poder ajustar el valor de la salida.

Luego en el código voy a leer el valor de este potenciómetro y voy a cambiar la señal de pwvm aplicada en función de este potenciómetro para la puerta del mosfet.

Subo el código, conecto la sonda del osloscopio, aplicamos 5 voltios en la entrada y vamos a probarlo. Al cambiar el ancho de la señal de pwvm puedo obtener voltajes más altos o más bajos, entonces el circuito funciona, pero ¿qué es lo que falta?

Veamos qué sucede si cambio la carga en la salida.

Por supuesto, con diferentes valores de carga la corriente no será la misma y el tiempo de carga y descarga del capacitor de salida también será diferente, entonces deberíamos informar al arduino de que la carga se ha cambiado y luego el arduino también debería cambiar el valor de la señal pwvm para poder mantener la misma salida, este proceso se llama retroalimentación.

Entonces lo que tenemos que hacer es añadir un divisor de voltaje en la salida y asegurarnos de que en todos los casos el voltaje de este divisor será inferior a 5 voltios ya que ese es el voltaje máximo de entrada analógica del arduino, luego conectamos este divisor de voltaje a una de las entradas analógicas del arduino.

En este caso con el potenciómetro ya no configuramos el valor de la señal de pwvm, sino que el valor que queremos en la salida. Descarga el código final para que tengas una guía mientras eplico el funcionamiento.

Si el valor de la salida es inferior al deseado el arduino automáticamente aumentará la señal de pwvm.

Si la salida es más alta disminuirá la señal y es así como funciona el código de retroalimentación, subo el nuevo código y me aseguro de tener estas conexiones y de que el feedback está conectado y ahora vamos a probar diferentes cargas.

Ahora cambio la carga y el voltaje a la salida, también puedo cambiar el voltaje de entrada y la salida seguirá siendo la misma, la retroalimentación hará todo y si nos fijamos atentamente más de cerca también la señal de pwvm vibra mucho y cambia su ancho todo el rato para poder mantener siempre la misma salida, el ancho cambia automáticamente. Muy bien ahora tenemos un buen conversor elevador pero usar esto con el arduino no es un circuito muy eficiente una mejor forma de hacerlo es utilizar un integrado diseñado para este trabajo para convertidores conmutados este es el controlador convertidor elevador lm2577 ya tiene un pin de retroalimentación y todo lo que necesitamos está ya dentro del chip ya tiene el interruptor y el circuito que creará la señal de pwvm dentro.

Y este es el esquema que he usado para este controlador, muy bien traigo todos los componentes y los soldare en una placa de pcb perforada.

Ahora vamos a aplicarle 5 voltios, el circuito funciona y es bastante pequeño, obtengo más de 30 voltios en la salida con 5 en la entrada, por supuesto puedes comprar directamente el módulo si quieres, pero eso no es tan divertido como construir uno propio y aprender algo en el camino, gracias de nuevo y hasta luego electrónicos.

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