Caso práctico: Almacenamiento en convertidor Boost

Nivel: Medio | Comprender el almacenamiento de energía magnética para elevar el voltaje.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un convertidor Boost básico de lazo abierto para demostrar cómo un inductor almacena y libera energía magnética para elevar un voltaje de CC.

Por qué es útil:
* Permite que los dispositivos alimentados por batería funcionen a voltajes más altos (por ejemplo, generando 5 V a partir de una sola celda de iones de litio de 3.7 V).
* Alimenta tiras de LEDs que requieren un voltaje directo alto y constante.
* Captura y eleva el voltaje en sistemas de recolección de energía y frenado regenerativo.
* Proporciona rieles de alimentación versátiles en dispositivos electrónicos portátiles compactos sin requerir múltiples baterías.

Resultado esperado:
* Observarás que la corriente del inductor (I_inductor) aumenta cuando el interruptor está cerrado y disminuye cuando se abre.
* El voltaje de salida (V_out) será demostrablemente mayor que la fuente de voltaje de entrada.
* Registrarás la relación directa entre el ciclo de trabajo (Duty Cycle) del interruptor y la magnitud resultante de V_out.

Público objetivo y nivel:
Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que están aprendiendo los fundamentos de las fuentes de alimentación conmutadas.

Materiales

• V1: Fuente de CC de 5 V, función: entrada de alimentación principal
• V2: Fuente de voltaje de pulsos (0-5 V, 100kHz, 50% de ciclo de trabajo), función: señal PWM para el interruptor
• L1: Inductor de 100 µH, función: almacenamiento de energía magnética
• M1: MOSFET de canal N (ej. IRLZ44N), función: elemento de conmutación principal
• D1: Diodo Schottky (ej. 1N5819), función: evita la corriente inversa desde el capacitor
• C1: Capacitor de 47 µF, función: suavizado del voltaje de salida
• R1: Resistor de 100 Ω, función: carga básica para descargar el capacitor

Guía de conexionado

• V1: se conecta entre VIN y 0 (GND).
• V2: se conecta entre GATE_PWM y 0 (GND).
• L1: se conecta entre VIN y SW_NODE.
• M1: el Drenador (Drain) se conecta a SW_NODE, la Puerta (Gate) se conecta a GATE_PWM, el Surtidor (Source) se conecta a 0 (GND).
• D1: el Ánodo se conecta a SW_NODE, el Cátodo se conecta a VOUT.
• C1: se conecta entre VOUT y 0 (GND).
• R1: se conecta entre VOUT y 0 (GND).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Control Signal:
[ V2: PWM (0-5 V) ] --(GATE_PWM)--> [ M1:Gate ]

Power & Switching Path:
[ V1: 5 V DC ] --(VIN)--> [ L1: 100µH ] --(SW_NODE)--> [ M1:Drain ] --(Switch)--> [ M1:Source ] --> GND
                                             |
Boost Output & Load:                         |
                                            +--> [ D1: Schottky ] --(VOUT)--> [ R1: 100 Ω ] --> GND
                                                                       |
                                                                       +--> [ C1: 47µF ] --> GND

Diagrama eléctrico

🔒 Este diagrama eléctrico es premium. Con el pase de 7 días o la suscripción mensual podrás desbloquear el material didáctico completo y el pack PDF listo para imprimir.🔓 Ver planes de acceso premium

Mediciones y pruebas

1. Comprobación del estado inicial: Aplica V1 (5 V) con V2 apagado (0% de ciclo de trabajo). Mide VOUT. El voltaje debería ser de aproximadamente 4.7 V (la entrada de 5 V menos la caída de voltaje directo del diodo Schottky).
2. Activación de la conmutación: Activa V2 para suministrar una onda cuadrada de 100kHz con un ciclo de trabajo del 50%. Mide VOUT a través de R1. El voltaje debería subir a aproximadamente 9 V-10 V, demostrando la acción de elevación.
3. Observación de la corriente del inductor: Mide la corriente que fluye a través de L1 (I_inductor). Observarás una forma de onda triangular. La pendiente ascendente ocurre mientras M1 está ENCENDIDO (almacenamiento de energía), y la pendiente descendente ocurre mientras M1 está APAGADO (liberación de energía hacia VOUT).
4. Mapeo del ciclo de trabajo: Ajusta el ciclo de trabajo de V2 del 30% al 70% en incrementos del 10%. Registra VOUT en cada paso para verificar que un ciclo de trabajo mayor produce un voltaje de salida mayor.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Boost converter storage

* Main power input
V1 VIN 0 DC 5

* PWM signal for the switch (100kHz, 50% duty cycle)
V2 GATE_PWM 0 PULSE(0 5 0 10n 10n 5u 10u)

* Magnetic energy storage
L1 VIN SW_NODE 100u

* Main switching element (N-channel MOSFET)
* Drain: SW_NODE, Gate: GATE_PWM, Source: 0, Bulk: 0
M1 SW_NODE GATE_PWM 0 0 IRLZ44N

* Prevents reverse current from capacitor
* Anode: SW_NODE, Cathode: VOUT
D1 SW_NODE VOUT 1N5819

* Output voltage smoothing
* ... (truncated in public view) ...

Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.

🔒 Parte del contenido de esta sección es premium. Con el pase de 7 días o la suscripción mensual tendrás acceso al contenido completo (materiales, conexionado, compilación detallada, validación paso a paso, troubleshooting, mejoras/variantes y checklist) y podrás descargar el pack PDF listo para imprimir.

🔓 Ver planes de acceso premium

* Boost converter storage

* Main power input
V1 VIN 0 DC 5

* PWM signal for the switch (100kHz, 50% duty cycle)
V2 GATE_PWM 0 PULSE(0 5 0 10n 10n 5u 10u)

* Magnetic energy storage
L1 VIN SW_NODE 100u

* Main switching element (N-channel MOSFET)
* Drain: SW_NODE, Gate: GATE_PWM, Source: 0, Bulk: 0
M1 SW_NODE GATE_PWM 0 0 IRLZ44N

* Prevents reverse current from capacitor
* Anode: SW_NODE, Cathode: VOUT
D1 SW_NODE VOUT 1N5819

* Output voltage smoothing
C1 VOUT 0 47u

* Basic load to discharge capacitor
R1 VOUT 0 100

* Models
.model IRLZ44N NMOS(Level=1 VTO=2.0 KP=10.0 RS=0.05 RD=0.05)
.model 1N5819 D(IS=1e-6 RS=0.1 N=1.05 EG=0.69 XTI=2)

* Output Directives
* VOUT is the main output, GATE_PWM is the input stimulus
.print tran V(VOUT) V(GATE_PWM) V(SW_NODE) V(VIN) I(L1)

* Analysis
* Time constant is R*C = 4.7ms. Simulating for 10ms to observe steady-state boost voltage.
.op
.tran 0.1u 10m

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows the boost converter operating correctly. The output voltage (VOUT) starts near 5V and rises to a steady-state value of approximately 9.6V, with the switch node (SW_NODE) switching between ~0V and ~10V as driven by the 100kHz PWM signal.

Show raw data table (119800 rows)

Index   time            v(vout)         v(gate_pwm)     v(sw_node)      v(vin)          l1#branch
0	0.000000e+00	4.702912e+00	0.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	4.702912e-02
1	1.000000e-10	4.702912e+00	5.000000e-02	4.999798e+00	5.000000e+00	4.702912e-02
2	2.000000e-10	4.702912e+00	1.000000e-01	4.999798e+00	5.000000e+00	4.702912e-02
3	4.000000e-10	4.702912e+00	2.000000e-01	4.999797e+00	5.000000e+00	4.702912e-02
4	8.000000e-10	4.702912e+00	4.000000e-01	4.999797e+00	5.000000e+00	4.702912e-02
5	1.600000e-09	4.702912e+00	8.000000e-01	4.999797e+00	5.000000e+00	4.702912e-02
6	3.200000e-09	4.702912e+00	1.600000e+00	4.999797e+00	5.000000e+00	4.702913e-02
7	6.400000e-09	4.702910e+00	3.200000e+00	8.651034e-03	5.000000e+00	4.710899e-02
8	1.000000e-08	4.702907e+00	5.000000e+00	6.306948e-03	5.000000e+00	4.728872e-02
9	1.064000e-08	4.702906e+00	5.000000e+00	6.311218e-03	5.000000e+00	4.732068e-02
10	1.192000e-08	4.702905e+00	5.000000e+00	6.319746e-03	5.000000e+00	4.738460e-02
11	1.448000e-08	4.702902e+00	5.000000e+00	6.336800e-03	5.000000e+00	4.751244e-02
12	1.960000e-08	4.702897e+00	5.000000e+00	6.370908e-03	5.000000e+00	4.776811e-02
13	2.984000e-08	4.702887e+00	5.000000e+00	6.439123e-03	5.000000e+00	4.827946e-02
14	5.032000e-08	4.702866e+00	5.000000e+00	6.575553e-03	5.000000e+00	4.930212e-02
15	9.128000e-08	4.702825e+00	5.000000e+00	6.848406e-03	5.000000e+00	5.134738e-02
16	1.732000e-07	4.702743e+00	5.000000e+00	7.394086e-03	5.000000e+00	5.543754e-02
17	2.732000e-07	4.702643e+00	5.000000e+00	8.060152e-03	5.000000e+00	6.042981e-02
18	3.732000e-07	4.702543e+00	5.000000e+00	8.726166e-03	5.000000e+00	6.542142e-02
19	4.732000e-07	4.702443e+00	5.000000e+00	9.392128e-03	5.000000e+00	7.041236e-02
20	5.732000e-07	4.702343e+00	5.000000e+00	1.005804e-02	5.000000e+00	7.540264e-02
21	6.732000e-07	4.702243e+00	5.000000e+00	1.072390e-02	5.000000e+00	8.039225e-02
22	7.732000e-07	4.702143e+00	5.000000e+00	1.138970e-02	5.000000e+00	8.538119e-02
23	8.732000e-07	4.702043e+00	5.000000e+00	1.205546e-02	5.000000e+00	9.036947e-02
... (119776 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

• Usar un diodo rectificador estándar (ej. 1N4007): Los diodos estándar son demasiado lentos para apagarse a 100kHz, lo que provoca pérdidas de conmutación masivas y una mala conversión de voltaje. Usa siempre un diodo de recuperación rápida o Schottky como el 1N5819.
• Saturación del núcleo del inductor: Si la clasificación de corriente máxima del inductor es menor que la corriente máxima de conmutación, el núcleo magnético se saturará. El inductor actuará entonces como un cortocircuito, destruyendo potencialmente el MOSFET. Verifica siempre la clasificación de corriente de saturación del inductor.
• Operar sin carga: Hacer funcionar un convertidor boost sin una resistencia de carga (R1) puede hacer que el voltaje de salida aumente continuamente con cada ciclo de conmutación, alcanzando teóricamente el infinito y destruyendo el capacitor de salida o el MOSFET. Incluye siempre una carga mínima.

Solución de problemas

• Síntoma: El voltaje de salida es igual al voltaje de entrada (menos la caída del diodo).
• Causa: El MOSFET no está conmutando. V2 podría estar desconectado o el nivel de voltaje es demasiado bajo para superar el umbral de la puerta del MOSFET.
• Solución: Verifica la señal GATE_PWM con un osciloscopio. Usa un MOSFET de nivel lógico si tu señal PWM está limitada a 3.3 V o 5 V.
• Síntoma: El MOSFET se calienta extremadamente rápido.
• Causa: El inductor se está saturando, o el MOSFET tiene una alta resistencia de encendido (RDS(on)) y está experimentando altas pérdidas de conducción.
• Solución: Cambia el inductor por uno con una mayor clasificación de corriente. Asegúrate de que el voltaje de accionamiento de la puerta sea suficiente para encender completamente el MOSFET.
• Síntoma: Voltaje de salida inestable o con mucha ondulación (ripple).
• Causa: El capacitor de salida C1 es demasiado pequeño para la carga o tiene una alta Resistencia Serie Equivalente (ESR).
• Solución: Aumenta la capacitancia de C1 o coloca un capacitor cerámico en paralelo con el capacitor electrolítico para reducir la ESR general.

Posibles mejoras y extensiones

• Control de lazo cerrado: Agrega un divisor de voltaje en la salida conectado a un amplificador de error o a la entrada analógica de un microcontrolador. Ajusta dinámicamente el ciclo de trabajo PWM para mantener un VOUT constante independientemente de los cambios en R1 (la carga).
• Rectificación síncrona: Reemplaza el diodo Schottky D1 con un segundo MOSFET de canal P o canal N accionado. Conmutar este segundo MOSFET de forma síncrona (inversamente a M1) reduce la caída de voltaje típica de un diodo, mejorando significativamente la eficiencia general del convertidor.

Más Casos Prácticos en Prometeo.blog

Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

Sígueme:

¿Quiénes somos?