Circuito convertidor buck de 12V a 5v usando mc34063

En el tutorial anterior, demostramos el diseño detallado de Boost Converter usando MC34063, donde se diseñó un convertidor boost de 3.7V a 5V. Aquí vemos cómo convertir 12V a 5V. Como sabemos que las baterías exactas de 5V no siempre están disponibles, y a veces necesitamos un voltaje más alto y un voltaje más bajo al mismo tiempo para manejar diferentes partes del circuito, por lo que usamos una fuente de voltaje más alto (12v) como fuente de energía principal y reducimos esta voltaje a voltaje más bajo (5v) donde sea necesario. Para este propósito, un circuito convertidor reductor se utiliza en muchas aplicaciones de electrónica que reduce el voltaje de entrada según el requisito de carga.

Hay muchas opciones disponibles en este segmento; Como se vio en el tutorial anterior, MC34063 es uno de los reguladores de conmutación más populares disponibles en dicho segmento. El MC34063 se puede configurar en tres modos: Reducción, Impulso e Inversión. Usaremos la configuración Buck para convertir la fuente de 12 V CC a 5 V CC con capacidad de corriente de salida de 1 A. Anteriormente hemos construido un circuito convertidor Buck simple usando MOSFET; También puede consultar muchos más circuitos electrónicos de potencia útiles aquí.

IC MC34063

El diagrama de distribución de pines del MC34063 se muestra en la siguiente imagen. En el lado izquierdo se muestra el circuito interno del MC34063 y en el otro lado se muestra el diagrama de distribución de pines.

MC34063 es un 1. 5A Step up o step down o regulador inversor, debido a la propiedad de conversión de voltaje DC, MC34063 es un convertidor DC-DC IC.

Este IC proporciona las siguientes características en su paquete de 8 pines:

Referencia compensada por temperatura
Circuito de límite de corriente
Oscilador de ciclo de trabajo controlado con un interruptor activo de salida del controlador de alta corriente.
Acepta 3,0 V a 40 V CC.
Puede funcionar a una frecuencia de conmutación de 100 KHz con una tolerancia del 2%.
Corriente de espera muy baja
Voltaje de salida ajustable

Además, a pesar de estas características, está ampliamente disponible y es mucho más rentable que otros circuitos integrados disponibles en dicho segmento.

En el tutorial anterior, diseñamos un circuito de aumento de voltaje usando MC34063 para aumentar el voltaje de la batería de litio de 3.7V a 5.5V, en este tutorial diseñaremos un convertidor Buck de 12V a 5V.

Cálculo de los valores de los componentes para Boost Converter

Si revisamos la hoja de datos, podemos ver que la tabla de fórmulas completa está presente para calcular los valores deseados requeridos según nuestro requisito. Aquí está la hoja de fórmulas disponible dentro de la hoja de datos, y también se muestra el circuito de aumento.

Aquí está el esquema sin el valor de esos componentes, que se utilizará adicionalmente con el MC34063.

Calcularemos los valores necesarios para nuestro diseño. Podemos hacer los cálculos a partir de las fórmulas proporcionadas en la hoja de datos o podemos utilizar la hoja de Excel proporcionada por el sitio web de ON Semiconductor.

Aquí está el enlace de la hoja de Excel.

https://www.onsemi.com/pub/Collateral/MC34063%20DWS.XLS

Pasos para calcular los valores de esos componentes

Paso 1: - Primero, debemos seleccionar el diodo. Elegiremos el diodo 1N5819 ampliamente disponible. Según la hoja de datos, a 1A de corriente directa, el voltaje directo del diodo será de 0,60 V.

Paso 2: - Primero calculamos el inductor y la corriente de conmutación, ya que será necesario para realizar más cálculos. Nuestra corriente promedio del inductor será la corriente máxima del inductor. Entonces, en nuestro caso, la corriente del inductor es:

IL (promedio) = 1A

Paso 3: - Ahora es el momento de la corriente de ondulación del inductor. Un inductor típico usa del 20 al 40% de la corriente de salida promedio. Entonces, si elegimos la corriente de ondulación del inductor 30%, será 1A * 30% = 0.30A

Paso 4: - La corriente pico de conmutación será IL (promedio) + Iripple / 2 = 1 +.30 / 2 = 1.15A

Paso 5: - Calcularemos el t _ON / t _OFF usando la fórmula siguiente

Para esto, nuestro Vout es 5V y el voltaje directo del diodo (Vf) es 0.60V. Nuestro voltaje de entrada mínimo Vin (min) es 12V y el voltaje de saturación es 1V (1V en la hoja de datos). Al poner todo esto junto obtenemos

(5 + 0.60) / (12-1-5) = 0.93 Entonces, t _ON / t _OFF = .93uS

Paso 6: - Ahora calcularemos el tiempo Ton + Toff, según la fórmula Ton + Toff = 1 / f

Seleccionaremos una frecuencia de conmutación más baja, 40Khz.

Entonces, Ton + Toff = 1 / 40Khz = 25us

Paso 7: - Ahora calcularemos el tiempo de Toff. Como calculamos Ton + Toff y Ton / Toff anteriormente, el cálculo será más fácil ahora,

Paso 8: - Ahora el siguiente paso es calcular Ton, Tonelada = (Tonelada + Toff) - Toff = 25us - 12.95us = 12.05us

Paso 9: - Debemos elegir el condensador de tiempo Ct, que será necesario para producir la frecuencia deseada.

Ct = 4,0 x10 ^-5 x Ton = 4,0 x 10 ^-5 x 12.05uS = 482pF

Paso 10: - Dependiendo de esos valores calcularemos el valor del inductor

Paso 11: - Para la corriente de 1A, el valor Rsc será 0.3 / Ipk. Entonces, para nuestro requisito será Rsc =.3 / 1.15 =.260 Ohms

Paso 12: - Calculemos los valores del condensador de salida, podemos elegir un valor de ondulación de 100 mV (pico a pico) de la salida de refuerzo.

Vamos a elegir 470uF, 25V. Cuanto más condensador se utilice, más ondulación se reducirá.

Paso 13: - Por último, necesitamos calcular el valor de las resistencias de retroalimentación de voltaje. Vamos a elegir R1 valor 2k, Por lo tanto, el valor R2 se calcula como

Vout = 1.25 (1 + R2 / R1) 5 = 1.25 (1 + R2 / 2K) R2 = 6.2k

Diagrama de circuito del convertidor Buck

Entonces, después de calcular todos los valores. Aquí está el esquema actualizado

Componentes necesarios

2 conectores de relimate para entrada y salida
Resistencia 2k - 1 nos
Resistencia de 6.2k - 1 nos
1N5819- 1 nos
Condensador de 100uF, 25V y 359.37uF, 25V (470uF, 25V usados, valor cerrado seleccionado) - 1 nos cada
Inductor 62.87uH, 1.5A 1 núms. (Se usa 100uH 2.5A, estaba disponible en el mercado)
Condensador de disco cerámico de 482pF (470pF usado) - 1 nos
Unidad de fuente de alimentación de 12V con clasificación de 1.5A.
MC34063 regulador de conmutación ic
Resistencia de.26ohms (.3R, 2W usados)
1 nos veroboard (se puede utilizar vero punteado o conectado).
Soldador
Fundente para soldar y alambres para soldar.
Cables adicionales si es necesario.

Después de organizar los componentes, suelde los componentes en la placa Perf

Prueba del circuito convertidor Buck

Antes de probar el circuito, necesitamos cargas de CC variables para extraer la corriente de la fuente de alimentación de CC. En el pequeño laboratorio de electrónica donde estamos probando el circuito, las tolerancias de prueba son mucho más altas y debido a eso, pocas precisiones de medición no están a la altura.

El osciloscopio está calibrado correctamente, pero los ruidos artificiales, EMI y RF también pueden cambiar la precisión del resultado de la prueba. Además, el multímetro tiene tolerancias de +/- 1%.

Aquí mediremos las siguientes cosas

Ondulación de salida y voltaje a varias cargas de hasta 1000 mA. Además, pruebe el voltaje de salida a esta carga completa.
La eficiencia del circuito.
Consumo de corriente inactivo del circuito.
Condición de cortocircuito del circuito.
Además, ¿qué pasará si sobrecargamos la salida?

Nuestra temperatura ambiente es de 26 grados Celsius cuando probamos el circuito.

En la imagen de arriba, podemos ver la carga de CC. Esta es una carga resistiva y, como podemos ver, diez no. de las resistencias de 1 ohmio en conexión en paralelo son la carga real, que está conectada a través de un MOS-FET. Controlaremos la puerta MOSFET y permitiremos que la corriente fluya a través de las resistencias. Esas resistencias convierten la energía eléctrica en calor. El resultado consiste en un 5% de tolerancia. Además, estos resultados de carga incluyen el consumo de energía de la carga en sí, por lo que cuando no se conecta ninguna carga a través de ella y se alimenta con una fuente de alimentación externa, mostrará 70 mA predeterminados de corriente de carga. En nuestro caso, alimentaremos la carga desde una fuente de alimentación externa del banco y probaremos el circuito. La salida final será (Resultado - 70 mA).

A continuación se muestra nuestra configuración de prueba; hemos conectado la carga a través del circuito, medimos la corriente de salida a través del regulador reductor, así como el voltaje de salida del mismo. También se conecta un osciloscopio a través del convertidor reductor, por lo que también podemos verificar el voltaje de salida. Estamos proporcionando una entrada de 12V desde nuestra unidad de fuente de alimentación de banco.

Estamos dibujando. 88A o 952mA-70mA = 882mA de corriente desde la salida. La tensión de salida es 5.15V.

En este punto, si comprobamos la ondulación pico a pico en el osciloscopio. Podemos ver la onda de salida, la ondulación es de 60 mV (pk-pk). Lo cual es bueno para un convertidor reductor de conmutación de 12V a 5V.

La forma de onda de salida se ve así:

Aquí está el marco de tiempo de la forma de onda de salida. Es de 500 mV por división y un marco de tiempo de 500uS.

Aquí está el informe de prueba detallado

Tiempo (segundos)	Carga (mA)	Voltaje (v)	Ondulación (pp) (mV)
180	0	5.17	60
180	200	5.16	60
180	400	5.16	60
180	600	5.16	80
180	800	5.15	80
180	982	5.13	80
180	1200	4.33	120

Cambiamos la carga y esperamos aproximadamente 3 minutos, en cada paso, para comprobar si los resultados son estables o no. Después de una carga de 982 mA, el voltaje se redujo significativamente. En otros casos, desde 0 cargas hasta 940 mA, la caída de voltaje de salida fue de aproximadamente 0,02 V, lo que es una estabilidad bastante buena a plena carga. Además, después de esa carga de 982 mA, el voltaje de salida se reduce significativamente. Usamos una resistencia de.3R donde se requería.26R, debido a eso, podemos extraer 982mA de corriente de carga. La fuente de alimentación MC34063 no puede proporcionar la estabilidad adecuada a una carga completa de 1A, ya que usamos.3R en lugar de.26R. Pero 982mA está muy cerca de la salida de 1A. Además, usamos resistencias con tolerancias del 5% que están disponibles con mayor frecuencia en el mercado local.

Calculamos la eficiencia a una entrada fija de 12V y cambiando la carga. Aqui esta el resultado

Voltaje de entrada (V)	Corriente de entrada (A)	Potencia de entrada (W)	Voltaje de salida (V)	Corriente de salida (A)	Potencia de salida (W)	Eficiencia (n)
12.04	0,12	1,4448	5.17	0,2	1.034	71.56699889
12.04	0,23	2.7692	5.16	0.4	2.064	74.53416149
12.04	0,34	4.0936	5.16	0,6	3.096	75.6302521
12.04	0.45	5.418	5.16	0,8	4.128	76.19047619
12.04	0,53	6.3812	5.15	0,98	5.047	79.09170689

Como podemos ver, la eficiencia promedio es de alrededor del 75%, lo que es un buen resultado en esta etapa.

El consumo de corriente inactivo del circuito se registra 3.52mA cuando la carga es 0.

Además, verificamos el cortocircuito y observamos Normal en cortocircuito.

Después del umbral de corriente de salida máxima, los voltajes de salida disminuyen significativamente y, después de cierto tiempo, se acercan a cero.

Se pueden realizar mejoras en este circuito; Podemos usar un condensador de valor más alto de ESR bajo para reducir la ondulación de salida. Además, es necesario un diseño de PCB adecuado.