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Regulador Buck – Conceptos básicos de diseño y referencia

El regulador Buck es un convertidor conmutado de potencia DC-DC muy simple que produce un voltaje de salida menor que su entrada. El convertidor buck se llama así porque el inductor siempre actúa contra el voltaje de entrada. La tensión de salida de un regulador buck ideal es igual al producto del ciclo de trabajo de conmutación y la tensión de alimentación.

Regulador buck de conmutacion

Conceptos básicos del Regulador conmutado Buck

En este tutorial vamos a abordar este tipo de regulador o convertidor para entender su funcionamiento y porqué debemos de usarlo a cambio de los reguladores lineales.

En electrónica, un regulador es un dispositivo o mecanismo que puede regular la potencia de salida constantemente. Existen diferentes tipos de reguladores disponibles en el dominio de la fuente de alimentación. Pero principalmente, en el caso de la conversión de CC a CC, hay dos tipos de reguladores disponibles: Lineal o Conmutación.

Un regulador lineal regula la salida usando una caída de tensión resistiva y debido a esto los reguladores lineales proporcionan una menor eficiencia y pierden potencia en forma de calor.

En el otro lado, el regulador de conmutación utiliza inductor, diodo y un interruptor de alimentación para transferir energía desde su fuente a la salida.

Hay tres tipos de reguladores de conmutación disponibles.
1. Convertidor elevador ( Regulador Boost )
2. Convertidor reductor (regulador Buck)
3. Inversor (Flyback)

En la siguiente imagen les ofrecemos un Circuito de convertidor conmutado tipo Buck que puede encontrar montado en el comercio y es bueno para alimentar por ejemplo el Hardaware Arduino.

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En este tutorial, describiremos el circuito del Regulador Buck de conmutación. Discutiremos diferentes aspectos del convertidor Buck y cómo mejorar su eficiencia.

Diferencia entre regulador Buck y Boost

La diferencia entre el regulador de buck y boost es que, en el regulador de buck, la colocación del inductor, el diodo y el circuito de conmutación es diferente al regulador de sobrealimentación. Además, en el caso de un regulador de sobrealimentación, la tensión de salida es más alta que la tensión de entrada, pero en el regulador de caída, la tensión de salida es inferior a la tensión de entrada.

Una topología buck o buck converter es una de las topologías básicas más utilizadas en SMPS. Es una opción popular donde tenemos que convertir un voltaje más alto a un voltaje de salida más bajo.

Al igual que el regulador de impulso, un convertidor de buck o regulador de buck consiste en un inductor, pero la conexión del inductor está en la etapa de salida en lugar de la etapa de entrada utilizada en los reguladores de impulso.

Entonces, en muchos casos, necesitamos convertir un voltaje más bajo a un voltaje más alto dependiendo de los requisitos. El regulador Buck convierte el voltaje de mayor potencial a menor potencial.

Conceptos básicos de diseño del circuito Buck Converter

Conceptos del convertidor buck

En la imagen de arriba, se muestra un circuito regulador Buck simple donde se usa un inductor, diodo, condensador y un interruptor. La entrada está directamente conectada a través del interruptor. El inductor y el condensador se conectan a través de la salida, por lo que la carga obtiene una forma de onda de corriente de salida uniforme. El diodo se usa para bloquear el flujo de corriente negativa.

En caso de conmutar los reguladores de refuerzo, hay dos fases, una es la fase de carga del inductor o la fase de encendido (el interruptor está cerrado en realidad) y la otra es la fase de descarga o la fase de desconexión (el interruptor está abierto).

Conceptos del convertidor buck ON

Si suponemos que el interruptor ha estado en posición abierta durante un tiempo prolongado, la corriente en el circuito es 0 y no hay voltaje presente.

En esta situación, si el interruptor se cierra, la corriente aumentará y el inductor creará un voltaje a través de él. Esta caída de voltaje minimiza la tensión de la fuente en la salida, después de unos momentos la velocidad del cambio de corriente disminuye y el voltaje a través del inductor también disminuye lo que eventualmente aumenta el voltaje a través de la carga. El inductor almacena energía usando su campo magnético.

Entonces, cuando el interruptor está encendido, a través del inductor, el voltaje es V L = Vin – Vout

La corriente en el inductor aumenta a una velocidad de (Vin – Vout) / L

La corriente a través del inductor se eleva linealmente con el tiempo. La tasa de aumento de la corriente lineal es proporcional a la tensión de entrada menos la tensión de salida dividida por la inductancia
di / dt = (Vin – Vout) / L

Gráfica de carga

GRAFICO DE CARGA CIRCUITO BUCK

El gráfico superior muestra la fase de carga del inductor. El eje x denota t (tiempo) y el eje Y denota i (corriente a través del inductor). La corriente aumenta linealmente con el tiempo cuando el interruptor está cerrado o ENCENDIDO.

Conceptos del convertidor buck OFF

Ahora, si el interruptor se abre durante un tiempo mientras la corriente todavía está cambiando, habrá una caída de voltaje en el inductor. El voltaje a través de la carga será menor que el voltaje de entrada. Durante el estado apagado, mientras el interruptor está abierto, la fuente de voltaje de entrada se desconecta y el inductor transferirá la energía almacenada a la carga. El inductor se convertirá en la fuente de corriente para la carga.

El diodo D1 proporcionará una ruta de retorno de la corriente que fluye a través del inductor durante el estado de desconexión.

La corriente del inductor disminuye con una pendiente igual a -Vout / L

Modos de funcionamiento del convertidor Buck

El convertidor Buck se puede operar en dos modos diferentes. Modo continuo o discontinuo.

Modo continuo

Durante el modo Continuo, el inductor nunca se descarga completamente, el ciclo de carga comienza cuando el inductor está parcialmente descargado.

grafica de carga convertidor buck modo continuo

En la imagen de arriba podemos ver, cuando el interruptor se pone en marcha, la corriente del inductor (iI) aumenta linealmente, entonces cuando el interruptor se apaga, el inductor comienza a disminuir, pero el interruptor nuevamente se activa mientras el inductor está parcialmente descargado. Este es el modo de operación continuo.

La energía almacenada en el inductor es E = (LI L 2 ) / 2

Modo discontinuo

El modo discontinuo es ligeramente diferente al modo continuo. En el modo Discontinuo, el Inductor se descarga completamente antes de comenzar un nuevo ciclo de carga. De esta manera, el Inductor se descargará completamente cero antes de que el interruptor se active.

grafica de carga convertidor buck modo discontinuo

Durante el modo discontinuo, como podemos ver en la imagen de arriba cuando el interruptor se cierra, la corriente del inductor (il) aumenta linealmente, luego cuando el interruptor se desconecta, el inductor comienza a disminuir, pero el interruptor solo se enciende después de que el inductor está completamente descargado y la corriente del inductor se quedó completamente cero. Este es el modo de operación Discontinuo. En esta operación, el flujo de corriente a través del inductor no es continuo.

PWM y ciclo de trabajo para un “Circuito convertidor Buck”

Sabemos variando el ciclo de trabajo podemos controlar el circuito regulador de buck. Para esto, se requiere un sistema de control básico. También se requiere un amplificador de error y un circuito de control del interruptor que funcionará en modo continuo o discontinuo.

Conceptos del convertidor buck circuito error

Por lo tanto, para un circuito regulador buck completo, necesitamos un circuito adicional que variará el ciclo de trabajo y por lo tanto la cantidad de tiempo que el inductor recibe energía de la fuente.
En la imagen de arriba, se puede ver un amplificador de error que detecta el voltaje de salida a través de la carga utilizando una ruta de realimentación y controla el interruptor. La técnica de control más común incluye PWM o la técnica de modulación de ancho de pulso que se utiliza para controlar el ciclo de trabajo de los circuitos.

El circuito de control controla la cantidad de tiempo que el interruptor permanece abierto o controlando la cantidad de tiempo que el inductor carga o descarga.

Este circuito controla el interruptor dependiendo del modo de operación. Tomará una muestra de la tensión de salida, la restará de una tensión de referencia y creará una pequeña señal de error, luego esta señal de error se comparará con una señal de rampa del oscilador y desde la salida del comparador funcionará una señal PWM o controlará el circuito interruptor.

Voltaje de salida de PWM

Cuando el voltaje de salida cambia, el voltaje de error también se ve afectado por él. Debido a un cambio de voltaje de error, el comparador controla la salida de PWM. El PWM también cambia a una posición cuando el voltaje de salida crea un voltaje de error cero y al hacer esto, el sistema cerrado de bucle de control ejecuta el trabajo.

Afortunadamente, la mayoría de los reguladores de conmutación Buck modernos lo tienen implementado dentro del mismo IC. De este modo, se logra un diseño de circuitos simple utilizando los modernos reguladores de conmutación.

El voltaje de realimentación de referencia se realiza usando una red de divisor de resistencia. Este es el circuito adicional, que se necesita junto con el inductor, los diodos y los condensadores.

mini-convertidor-dc-dc-buck-MC34063

Circuito de convertidor conmutado tipo Buck que puede encontrar en el comercio con el circuito integrado MC34063.

Mejora de la eficiencia del circuito convertidor Buck

Ahora, sí investigamos sobre la eficiencia, cuánta potencia proporcionamos dentro de los circuitos y cuánta potencia obtenemos en la salida. (Pout / Pin) * 100%

Como la energía no se puede crear ni destruir, solo se puede convertir; la mayoría de las energías eléctricas liberan la potencia no utilizada convertida en calor. Además, no existe una situación ideal en el campo práctico, la eficiencia es el factor más importante para solucionar en los reguladores de voltaje.

Uno de los principales factores de pérdida de potencia para un regulador de conmutación es el diodo. La caída de tensión directa multiplicada por la corriente (Vf xi) es la potencia no utilizada que se convierte en calor y reduce la eficiencia del circuito regulador de conmutación. Además, es el costo adicional de la circuitería para las técnicas de gestión térmica / térmica que utilizan disipador de calor o ventiladores para enfriar los circuitos y disipar el calor. No solo la caída de tensión directa, la recuperación inversa para los diodos de silicio también produce una pérdida de potencia innecesaria y una reducción de la eficiencia general.

El diodo Schottky y Buck

Una de las mejores maneras de evitar un diodo de recuperación estándar es usar diodos Schottky en lugar de diodos que tienen una baja caída de voltaje directo y una mejor recuperación inversa. Cuando se necesita la máxima eficiencia, el diodo puede reemplazarse utilizando MOSFET. En la tecnología moderna, hay muchas opciones disponibles en la sección del regulador conmutado tipo Buck que fácilmente proporciona más del 90% de eficiencia.

A pesar de tener una mayor eficiencia, la técnica de diseño estacionario, los componentes más pequeños, los reguladores de conmutación son más ruidosos que un regulador lineal. Aún así, son muy populares.

Imagen del circuito integrado convertidor Buck

circuito integrado-mc34063

Previamente, creamos un circuito regulador tipo Buck utilizando el IC MC34063, donde la salida de 5V se genera a partir del voltaje de entrada de 12V. El MC34063 es el regulador de conmutación que se usó en la configuración del regulador buck. Usamos un Inductor, un diodo Schottky y condensadores.

diagrama-mc34063

Arriba, diagrama interno del circuito integrado MC34063.

Esquema del convertidor Buck de prueba

Abajo, esquema de prueba del circuito integrado MC34063.

esquema regulador buck

En la imagen de arriba, Cout es el condensador de salida y también usamos un inductor y diodo Schottky que son los componentes básicos para un regulador de conmutación. También hay una realimentación (Feedback). Las resistencias R1 y R2 crean un circuito divisor de voltaje que es necesario para el PWM del comparador y la etapa de amplificación de error. El voltaje de referencia del comparador es 1.25V.

Si vemos el proyecto en detalle, podemos ver que el 75-78% de eficiencia se logra mediante este circuito regulador de conmutación MC34063. Se puede mejorar la eficiencia adicional utilizando la técnica de PCB adecuada y obteniendo procedimientos de gestión térmica.

Ejemplos de uso del regulador Buck
1. Fuente de alimentación de CC en la aplicación de baja tensión
2. Equipo portátil
3. Equipo de sonido
4. Sistemas de hardware integrados.
5. Sistemas solares, etc.
Por último les ofrecemos un diagrama de un circuito clásico elevador de 3,7V a 5,1V con el MC34063EsteE.

mc34063-elevador-de-3-a-5V

Este circuito es apropiado para alimentar microcontroladores e I/O que trabajan a 5V con fuentes de alimentación de equipos que normalmente funcionan a 3,7V.

Y llegamos al final de este tutorial sobre el regulador conmutado Buck, conceptos básicos de diseño y eficiencia con ejemplos prácticos y muy buena teoría.

¿Has probado alguna vez este tipo de regulador? Deja tu experiencia en el apartado de comentarios.

Referencias:
https://circuitdigest.com – Sourav Gupta
https://microcontrollers – Joan
https://mouser.mx/applications/power-supply-topology-buck/

12V stable battery voltage regulator circuit using MC34063

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