Gracias al circuito integrado MC34063A de Motorola podemos diseñar y montar rápidamente un circuito inversor de tensión al valor que necesitemos. Este versatil integrado es capaz de funcionar en modo elevador BOOST ( step up ), modo reductor BUCK ( step down ) y así mismo como inversor de tensión. También dispone de la capacidad de utilizar un transistor exterior ya sea bjt o Mosfet tipo NPN o PNP para aumentar la potencia de conmutación. Así mismo, la tensión de salida puede ser variable o fija con un mínimo número de componentes.
Fig. 1. Montaje.
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Fig. 2. Detalle soldaduras.
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Como de costumbre todos los componentes son reciclados. Los condensadores provienen de la fuente conmutada de una placa base de ordenador, en concreto la zona de alimentación del procesador. Por lo tanto son ideales para esta aplicación puesto que poseen un bajo nivel de resistencia ESR. La bobina toroidal de ferrita proviene de una fuente de alimentación conmutada también de ordenador.
Diseño.
El primer paso es determinar los datos de diseño. Partimos de una tensión de 5V positiva para generar -5V. La tensión de saturación del transistor del MC33064A es de aproximadamente 1V. Se eliqe un valor de 50 kHz. El diodo elegido es un tipo Schottky de bajas pérdidas y alta velocidad de respuesta. Se ha establecido un rizado máximo en la tensión de salida de 0,025 mV. Este valor corresponde a una regulación del 0,5% de la tensión de salida, más que suficiente. En los siguientes cáculos se siguen las ecuaciones dadas en el pdf del integrado.
1) Cálculo de la relación ton/toff. ( tiempo encendido dividido tiempo apagado ).
(1)
2) Cálculo de la relación ton+toff ( periodo de la frecuencia de conmutación ).
(2)
3) Cálculo del tiempo de apagado toff.
(3)
4) Cálculo del tiempo de encendido. ton
(4)
5) Cálculo del condensador de oscilación. Ct.
(5)
6) Cálculo de la corriente de pico en el transistor de conmutación. Obtenemos el valor de 1A. El transistor puede aguantar máximo 1,5 A.
(6)
7) Cálculo de la resistencia de limitación de corriente Rsc.
(7)
8) Cálculo de la inductancia mínima.
(8)
Como es un valor mínimo elegimos un valor mayor por ej de 100 uH. Este valor no es crítico solamente indica que deberá ser como mínimo de 48 uH ( micro Henrios ). A partir del toroide ya prebobinado medimos su inductancia mediante un tester o con el medidor de inductancia sencillo. Desbobinamos hasta obtener un valor aproximado de 100 uH.
9) Cálculo de la capacidad mínima de salida.
(9)
Por lo tanto para mantener un rizado mínimo en la salida de 0.025V ( 25 mV ) es necesario como mínimo una capacidad de 864uF. Al no disponer de un valor exacto elegimos dos condensadores antes citados de 1500 uF cada uno. No hay inconveniente en aumentar el valor puesto que así disminuirá el rizado mejorando la respuesta del bucle de realimentación y eliminando más el ruido de conmutación.
10) Cálculo de las resistencias del bucle de realimentación.
(10)
De la ecuación (10) despejamos el valor de R1 y damos a R2 un valor de 6.8k. Obtenemos:
(11)
Ya tenemos todos los valores. El esquema siguiente nos indica el cableado eléctrico con sus valores:
Fig. 3. Esquema eléctrico.
Pruebas de funcionamiento.
Las pruebas se llevaron a cabo para comprobar el correcto funcionamiento del convertidor. Se pudo apreciar que el rizado de salida era mucho menor que el calculado. Se probó con distintas cargas. Para 50 mA de carga teníamos -5.08 V y para 200 mA -4.97V. Es una variación de tensión aprox. del 2% dentro de los límites normales.
Fig. 4. Montaje inicial.
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Fig. 5. Tensión de salida.
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Fig. 6. Forma de onda del oscilador.
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Fig. 7. Ruido de salida apenas imperceptible. (Escala 10 mV/div).
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