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Convertidor DC-DC MC34063A: El desafío de las baterías “AA”

por Mario 18 abril, 2009, 7:41 pm 21 Votes 59 Comments

Cuando necesitamos una tensión elevada y sólo poseemos una baja tensión de alimentación, nos desmoralizamos y abandonamos (muchas veces) un proyecto por entender que no podremos lograr la tensión necesaria que nuestro diseño requiere. Puedes obtener tu fuente de energía desde la batería del coche, desde un puerto USB y hasta de tres sencillas baterías doble A. Puedes bajar, subir y hasta cambiar la polaridad de la tensión obtenida en la salida. Cualquier tensión que necesites en tu próximo diseño no será un impedimento para el MC34063A. ¿De qué se trata el desafío? Lee y entérate.

Introducción al MC34063A

Muchos fabricantes en el mundo han adoptado el MC34063A entre sus productos líderes, gracias a la versatilidad de uso, facilidad de diseño y sus posibilidades de desarrollo. Este circuito integrado es básicamente un Convertidor DC-DC que puede manejar tensiones de entrada desde 3Volts (dos baterías AAA) hasta 40Volts, y puede cumplir funciones de Step-Up (elevación), Step-Down (disminución) e inversor de la polaridad de la tensión de entrada, entregando en la salida una corriente de switch máxima de 1,5 Amperes. Todo con muy pocos componentes sencillos a su alrededor.

Existe una versión que permite trabajar con temperaturas más bajas y es la MC33063A, que es capaz de funcionar entre -40° y 85°C, mientras que la MC34063A lo hace entre 0° y 70°C. Atentos aquellos que quieran crear diseños para ser usados en ambientes extremos de temperaturas, ya que este se trata de un dato muy importante. Un ejemplo sería el diseño de un circuito orientado a la meteorología y que sea utilizado en globos aerostáticos, o también en tableros de control industrial donde las temperaturas suelen elevarse de manera trágica para ciertos diseños.

Los encapsulados de presentación más utilizados y conocidos son los que vemos en la imagen, siendo el PDIP-8 el más popular. Pero cuando los espacios son reducidos, por ejemplo en el caso de un robot sumo, el SO-8 es una buena elección. No debemos dejar de pensar en el volumen que ocuparán los capacitores electrolíticos de entrada y salida, el diodo schottky y la bobina que el circuito requiere. Las resistencias pueden dejar de considerarse y más aún si utilizamos la técnica SMD.

Comenzando a diseñar circuitos

El datasheet (u hoja de datos) de este IC nos ofrece datos muy útiles para el diseño, y uno de ellos es que la frecuencia típica de operación de su oscilador interno es de 33Khz, pudiendo variar entre 24 y 48Khz. En el pin 3 se conecta el capacitor que fijará la frecuencia de oscilación. Podemos encontrarnos con la situación de que el valor resultante por diseño y cálculo no exista en el mercado o, dicho de otro modo, no sea un valor estándar y normalizado. Las variaciones que presente el valor de este capacitor se verán reflejadas en las tensiones resultantes del circuito. Otro de los parámetros afectados por el valor del capacitor será la temperatura que alcance el dispositivo, al trabajar a altas corrientes de conmutación. Valores cercanos o por debajo de 1nF garantizan un funcionamiento a temperaturas de trabajo seguras.

El datasheet nos muestra un primer ejemplo de Step-Up, lo que significa una elevación a la salida, de la tensión de entrada (Vout > Vin). En el diagrama vemos que la tensión de entrada existente es de 12Volts y se pretende una salida de 28Volts. Valores cercanos a los 30Volts de alimentación se utilizan en sintonizadores de TV y en los cátodos de displays fluorescentes de los reproductores de DVD, por mencionar sólo dos.

Se puede apreciar un circuito muy sencillo de lograr con pocos componentes y que incluye un filtro opcional a la salida, para disminuir el nivel de tensión de ripple desde 400mV a 40mV, si la aplicación lo requiere. El valor de CO que, en el diagrama aparece de 330uF, puede incrementarse hasta 1000uF, lo mismo que el de salida del filtro opcional. El referido cambio no afectará el funcionamiento del circuito, mientras que aportará una sustancial reducción al nivel de tensión de ripple final. Cabe agregar que también es recomendable el agregado de capacitores cerámicos de 100nF respecto a GND, tanto a la entrada de alimentación del IC (pin 6) como en la salida (en paralelo con CO). El diodo schottky, que en el esquema es un 1N5819, puede remplazarse por otro que sea capaz de entregar la corriente necesaria al circuito a alimentar.

Es decir, si se va a utilizar en aplicaciones de menor consumo, podemos utilizar cualquier otro que cumpla la misma función y en un encapsulado aún menor. Debemos saber también que el rendimiento del sistema depende en gran parte de la tensión de polarización directa de este diodo. Cuanto más se aproxime a las condiciones de un diodo ideal, mayor será el rendimiento del circuito y por consiguiente, mayor aprovechamiento de la energía de entrada.

La bobina L, que vemos en la parte superior del gráfico, cuyo valor viene expresado usualmente en uH (microHenrios), no requiere de valores críticos como si pueden tener CT, RSC, R1 y R2. Valores de 100uH a 470uH funcionan sin inconvenientes en cualquier pequeño diseño Step-Up. Lo que NO debemos omitir es controlar la corriente que la misma pueda conducir. Digamos que si vamos a trabajar a 1Amper de corriente a la salida, debemos colocar una inductancia que soporte hasta 3Amperes al menos. Eso viene dado por el diámetro del alambre utilizado en la construcción del bobinado y, al momento de solicitarla en la tienda, será un valor a mencionar para poder comprar la que nos brindará un funcionamiento efectivo. Un buen margen de seguridad siempre es 3 veces la corriente a trabajar.

Cuando a la salida se requieren corrientes mayores a 1,5Amperes, como vemos en la imagen superior, la hoja de datos aconseja colocar un transistor externo para aumentar la posibilidad de conmutar mayores niveles de corriente a través de L. Esta consideración deberá también contemplarse al momento de elegir una bobina que soporte el régimen de trabajo elegido. Una configuración Darlington resultante en la salida (transistor en IC + transistor adicional) permitirá mayores velocidades de conmutación y en consecuencia una menor disipación de temperatura, hecho que nos favorece al no requerir voluminosos disipadores de calor para el transistor agregado. También debemos aumentar la característica de corriente del diodo de salida, siendo siempre preferente una elección de modelo con la mayor velocidad posible de conducción.

Abordar los demás circuitos Step-Down (reductor) e inversor de polaridad, sería redundante, por lo que decidimos no incluirla. De todos modos, te dejamos una verdadera joya que encontramos en la web y que te ayudará a diseñar tus circuitos con este maravilloso IC. Coloca los valores disponibles y deseados de tensión más los de corriente, frecuencia de oscilación y tensión de ripple tolerable en los casilleros disponibles. En función de los valores de referencia introducidos, la aplicación transformará el circuito adoptando la configuración necesaria. Esta aplicación hubiera sido magnífica si además proporcionase el dibujo del circuito impreso a realizar, pero no nos quejamos. El hecho de resolver todas las ecuaciones que se ven en la figura 15 del datasheet ya es una ayuda que adelanta el diseño muchas horas. Por otro lado, en la figura 14 puedes ver ejemplos de circuitos impresos que seguramente te servirán de guía durante el desarrollo de tu aplicación.

Si observas con detenimiento los ejemplos allí expuestos de placas impresas, notarás que el diseño prevé una generosa superficie de cobre dedicada a desempeñarse como plano de tierra, cumpliendo la función equivalente a una Jaula de Faraday. De esta forma se favorece la atenuación de ruidos emitidos producto de la oscilación interna dentro del IC y los generados por la corriente de conmutación a través de L.

Algunos fabricantes proveen muestras gratis del circuito integrado. A estos componentes que son exactamente los mismos que se comercializan en las tiendas, se los denomina samples y puedes solicitarlos directamente desde la Web del fabricante. Estos materiales te llegarán a tu domicilio sin costo alguno. Los samples han sido muy importantes en la investigación y aprendizaje de muchas personas motivo por el cual los fabricantes aprovechan esta metodología de muestras gratis para insertarse en el mercado de consumo masivo, facilitando sin cargo materiales para su estudio y ensayo.

El desafío

Como NeoTeo nunca descansa, te invitamos a ti a tratar de hacer funcionar algún elemento que esté preparado para ser alimentado por otras fuentes de energías, con tan sólo tres baterías doble A. Ya que el MC34063A comienza a ser eficazmente operativo a partir de los 4V, creemos que con baterías frescas y una tensión de entrada de 4,5Volts podemos lograr interesantes salidas de tensión y aplicarlas a diversos circuitos y/o equipos.

Por lógica no vamos a determinar ni imponer ninguna configuración circuital, pero debe cumplir la especificación de ser alimentado con tres baterías doble A. Puede ser un Step-Up para alimentar una EeePC o puede ser un Step-Down para alimentar un MP3 o un MP4, por citar pequeños ejemplos. O la conjunción de varios MC34063A para algún equipo que requiera varias tensiones como es el caso de un DVD Player. Otra aplicación muy interesante sería lograr hacer funcional una CFL (lámpara fluorescente de bajo consumo) a partir de este sistema que, como pueden ver, es inagotable en la cantidad y en la calidad de montajes que se podrían implementar. Cualquier aplicación es válida. El desafío es lograrlo y demostrarlo.

Para facilitar el diseño recomendamos la lectura profunda de este artículo, la búsqueda en la Web de ejemplos de aplicación y por supuesto, la herramienta que mencionamos en párrafos anteriores. Nosotros te mostramos en el siguiente vídeo a un pequeño (pero efectivo) Scroll Text que funciona habitualmente a 12Volts pasando publicidad comercial, y que hemos seleccionado para ser alimentado por un MC34063A a partir de las tres baterías de 1,5V, tomando el guante del desafío. Una aplicación importante al igual que su consumo y que con un pequeño circuito, se logra hacer brillar en plenitud.

En el mismo se ven claramente los materiales empleados entre los que se destacan las tres baterías de 1,5volt. Se puede ver el conjunto formado por el toroide y un electrolítico de 1000uF a la salida para minimizar la tensión de ripple final, en la parte derecha del montaje. En la izquierda se encuentra la entrada de la alimentación y al centro del sector utilizado en el protoboard o placa de pruebas, se destacan el diodo Schottky, la bobina (de 100uH) y naturalmente el circuito integrado. Otro de los hechos llamativos del video es la presencia de dos multímetros indicando la tensión de salida uno y la corriente consumida por el Scroll Text el otro instrumento.

En virtud de tener un consumo que nunca es estable por el encendido variable de la cantidad de LEDs pudo reflejarse la variación de la corriente absorbida y que la misma coincidía con una variación en la tensión de salida. Tal vez la exigencia fue algo extrema en lo que respecta a la potencia absorbida a las baterías, pero bien valió el ejemplo de demostrar cuán útil puede resultarnos un MC34063A y la cantidad de aplicaciones que podemos encontrarle. ¿Y tú? ¿Te animas al desafío? Tal como anuncia el Scroll Text: ¿Hasta donde crees que pueda llevarte la imaginación?

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