Fuente SMPS Boost con 555 y Feedback

Esta fuente es otra versión de la fuente SMPS con 555 que he publicado pero le he agregado un feedback que controla mediante un transistor en emisor común la entrada de control de 555 que si recordamos el diagrama de bloques del mismo, esta influye directamente en la tensión de referencia de uno de los comparadores que forma parte de la temporización del 555, entonces si nosotros dejamos la entrada de control libre sin conexión entonces el temporizador funcionara en base al valor de R1, R2 y C, pero si le modificamos la polarización en la entrada de control, esta misma influye con el comparador y modifica la tensión, por ende la frecuencia o ciclo de trabajo.


En una fuente SMPS la frecuencia y el ciclo de trabajo son vitales en el comportamiento del choque inductivo que es en consecuencia el que nos proporciona la tensión de salida.
Al utilizar el transistor en emisor común conectado al control y controlar el mismo desde la tensión de salida, lo que hacemos es variar esa tensión de control en función de la tensión que tenemos en la salida de la fuente generando un lazo re-alimentado de tensión que nos proporciona una estabilidad mayor en nuestra fuente, de otro modo la misma quedaría libre y podría ser peligroso para la carga que le conectemos como así también para los componentes de salida de la fuente.

Hay que recordar que una fuente SMPS a diferencia de una fuente lineal convencional maneja una frecuencia mucho mayor, esto se hace para reducir el tamaño y peso de los componentes, sobre todo del transformador que suele ser la parte mas pesada de una fuente, entonces si para 50Hz necesitamos un transformador de 10cm cúbicos para una fuente de 12V 4A, en una fuente SMPS necesitaríamos uno de 3cm cúbicos para la misma potencia, y esto se logra achicando el transformador, pero para usar menos cantidad de espiras en los devanados debemos aumentar la frecuencia de operación, ya que a menor cantidad de espiras sera menor la inductancia y mayor la frecuencia (si queremos mantener la misma reactancia inductiva). El uso de frecuencias altas (promedio de 100kHz) también requiere un cambio en el núcleo para que no se sature y para que la permeabilidad sea adecuada, entonces también debemos cambiar el núcleo de hierro por ferrita (Entre otros).
Entonces así reducimos el peso y el tamaño de la fuente.

En nuestro circuito de prueba estamos configurando el 555 a unos 200kHz y estamos usando una bobina con núcleo de ferrita toroidal realizadas a mano de unos 150uH para 2A.
Si alimentamos el circuito con 5V tenemos que calcular la reactanca inductiva del choque para saber que corriente esta circulando por el MOSFET (que recordemos que es un IRFZ44N, un poco grande para este proyecto pero es el que tenia a mano).
La reactancia sera XL=2*pi*f*L en nuestro caso sera XL=2*3.1415*200000Hz*0.00015H=188 Ohms, entonces si alimentamos este circuito (suponiendo que el MOSFET no tiene caída de tensión ya que en Clase E el mismo tiene una impedancia del orden de los 17mOhms aproximadamente) con 5V tendremos por ley de Ohm I=V/R=5V/188R=0.027A=27mA pero esta sera la corriente que circula por el transistor y el choque, la que se drena al diodo sera un poco menor al rededor del 80% de esta, por ende tendremos 21mA aproximadamente.
Para tener un valor de corriente mas útil, tendríamos que modificar tanto la frecuencia (reducirla) como la inductancia (reducirla), por ejemplo a 80kHz y 10uH tendremos una reactancia de unos 5 Ohms, entonces para 5V tendremos unos 800mA de corriente en la salida.


Notase que hay un puente de color amarillo para unir la masa del preset y transistor con el resto de la masa.


17 comentarios:

  1. excelente aporte amigo, como hago para calcular la inductancia de la bobina toroidal

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    1. Hola, gracias. El inductor toroidal podes calcularlo en base a este documento: https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=sites&srcid=ZGVmYXVsdGRvbWFpbnxlbGVjdGdwbHxneDoyOTA4MDlhMWFmYTk2MzBh
      O bien podes buscar alguna calculadora online, que hay varias y te facilitan los cálculos!
      Saludos

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  2. Hola Sebastián.
    Entiendo que jugando con el valor del condensador del 555 y con la inductancia de la bobina, obtenemos corrientes de salida diferentes. Y por el 555 no circula esa corriente porque solo actúa como switch, sino que lo hace por la bobina y el MOSFET. Pensaba elevar la corriente de una batería de tablet de 3.7V y 11mAh para obtener 5 ó 7 voltios. Ya me dices si es correcto.

    Muchas gracias y saludos.

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    1. Hola Suso, como estas?
      Es correcto, tenes que jugar con los parámetros eléctricos de la bobina para obtener la corriente, y con el ciclo de trabajo y frecuencia para obtener una tensión de salida, en este caso por la topologia que tiene Boost solamente va a elevar tensión. No vas a tener ningún problema en obtener los 5 o 7V que necesitas, solo que la batería parece algo pequeña 11mAh, por lo que tenes que analizar la sección del cobre de la bobina para que la fuente no sea una carga muy grande para ella. La reactancia inductiva que obtendrás en función de la construcción de la bobina y la frecuencia, serán clave para el consumo y la autonomía de tu batería. Si la corriente es tan baja, tal vez te convenga realizar una fuente dobladora de tensión en base al multiplicador Cockcroft–Walton (con diodos y capacitores) excitado por un simple 555.
      Saludos!

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    2. Hola Sebastian.

      Gracias por la respuesta. Perdona mi errata, pero la batería de la tablet es de 3000mAh - 3.7V 11.1Wh. Equivoqué su potencia, y creo que si puedo obtener, por lo menos, 500-800mA pues no necesitaría más.

      Conozco el doblador de tensión con 555, diodos y capacitores, y armé uno una vez, pero me parece más estable este montaje, descontando el MC34064A, del que estoy esperando una unidad en la tienda de mi ciudad para montar la fuente que compartes en esta página.

      Hago pruebas a ver que obtengo.

      Gracias de nuevo. Saludos.

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    3. Aaa esta bien, no creo que tengas problemas con esa corriente en la salida.
      Si yo te dije el doblador con 555 porque creí que la corriente de salia que necesitabas era muy poca, pero bueno proba el circuito. Yo probé el MC34063, el 64 no lo probé aun.
      Saludos!

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  3. Hola de nuevo Sebastian.

    Hechas las pruebas, resumo lo obtenido:

    Armé un toroide de 18x8x7 mm, con 4 vueltas de hilo telefónico, y si no me equivocó tiene una inductancia de 12uH.
    El condensador del 555 era de 1nf, con lo que trabaja a 68.5KHz.
    La fuente fué un cargador de móvil de 5V 700mA.

    Con todo esto, la reactancia inductiva sería de unos 5.1 Ohm con lo que obtendría 1A de salida (menos al ser de 700mA la fuente).

    Obtuve 17.2V de salida.

    Luego cambié la fuente por otra de 5V pero de 2A y el voltaje de salida subió a 31V ¿Por qué?

    Añadiendo otro condensador de 1nF en serie para obtener una frecuencia de 34.2KHz el voltaje en el primer caso saltó a 27V. Con la otra fuente pasaba de 34V.

    Corrígeme si mis cálculos no son correctos, gracias.

    Comentar que pude mover un motor de 9V a casi 2A (frenándolo con la mano) y aguantó sin problemas. Apenas se calentó minimamente el IRFZ46N (con disipador).

    ¿Influye la potencia de la fuente en el voltaje de salida final?

    Gracias por las respuestas y saludos.

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  4. Hola como estas?, Veo que te dio 12uH, pudiste comprobarlo o solo es teórico? ya que suele haber mucho error en la construcción teórica de un inductor. Lo ideal seria medirlo con algún LCR o DipMeter. Si estas seguro de ello, lo ideal seria medir también la frecuencia del 555 con carga no en vació, y el ciclo de trabajo del mismo.
    El ciclo de trabajo del mismo influye directamente en la potencia de salida de la fuente.
    La corriente que le suministras a este circuito es clave ya que si la corriente no es suficiente posiblemente se este deformando la forma de onda, el FET puede que varíe también el punto de trabajo y entre ello tengas perdidas y sobrecalentamiento.
    Aparte de la baja de tensión en la salida que mediste, bajar la frecuencia y que te de mayor tensión de salida es posible cuando la corriente de entrada es baja ya que le da mayor tiempo de reposición al sistema y puede que también te varíe el ciclo de trabajo. También puede que la bobina tenga mas inductancia de lo que calculaste en la practica y responda mejor a esa frecuencia.
    Claramente la fuente que le suministra tensión a este circuito influye en la salida y en la performance del sistema variando el rendimiento del mismo también.
    Lo ideal es medir estos componentes para estar seguro y realizar cálculos mas eficientes.
    Saludos!

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    1. Gracias Sebastian. La bobina la construí en base a una calculadora on-line, y que según el número de vueltas me arrojaba 12uH. No dispongo de osciloscopio para medir la frecuencía del 555, con lo que también es teórico este parámetro.
      Lo que sí pude comprobar es que los mejores resultados los obtuve con la fuente de 5V 2A y con la frecuencia (teórica) de 68.5KHz.

      Muchas gracias de nuevo y saludos.

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    2. Por nada!!, es un tema el del diseño de las bobinas, tengo que hacer algún medidor sencillo para acoplar a un multimetro estándar, eso ayudaría bastante para estos casos, a mi particularmente casi nunca me da el valor exacto que me dice la teoría, hay muchas variantes en esto.
      Saludos!

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  5. esa fuente se puede usar de 0 a 15 volt 3 amper?

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    1. Hola, la fuente trabaja desde 2 o 3V hasta 15V sin problemas, pero para una corriente de 3A, hay que modificar toda la etapa de potencia ya que mas de 1A no le podes sacar al circuito actual.
      Saludos!

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  6. hola cordial saludo
    se puede diseñar esta fuente para que trabaje entregando una corriente
    de 5A GRACIAS

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    1. Hola, no se si tendre alguna de esa potencia, dejame ver que encuentro, mas que seguro no sea con el 555, posiblemente con algun otro integrado dedicado para tal fin.
      Saludos

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  7. Buenas noches, me parece muy interesante este proyecto, ya que me encuentro muy interesado en comprender el funcionamiento de las fuentes conmutadas, gracias a estos post comprendí como calcular la corriente de salida del circuito, mi pregunta es como calculo la tensión de salida? Gracias...

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    1. Hola como estas?, la tension de salida se calcula en base al ciclo de trabajo pwm que tiene la fuente, ya que a mayor ciclo de trabajo mayor tiempo se mantendra la carga del capacitor de filtrado de fuente y mayor sera la tension que almacena, de esta manera podes saber la tension de salida, claro que habria que calcularlo segun la formula del capacitor y la carga, la relacion se da para la corriente pero se puede despejar y hallar la tension: i=C*(dV/dt), el comportamiento es similar al de un DAC por PWM y filtro RC.
      Saludos.

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