Estrategia de Inversión

Comparativa de Circuitos Elevadores de Voltaje: Eficiencia y Aplicaciones en Electrónica

Estrategia de Inversión
Comparing Voltage Boosting Circuits

Un análisis detallado sobre la eficiencia y características de diferentes circuitos elevadores de voltaje, ideales para optimizar dispositivos electrónicos que requieren una fuente de energía estable y superior al voltaje de entrada.

En el ámbito de la electrónica, uno de los desafíos recurrentes es cómo elevar un voltaje de entrada bajo a un nivel más alto necesario para alimentar determinados dispositivos. Los circuitos elevadores de voltaje son esenciales para lograr esta conversión de manera eficiente y con la menor pérdida posible de energía. Por esta razón, realizar una comparativa de diferentes topologías y configuraciones es fundamental para entender cuál es la mejor opción según las necesidades específicas de cada proyecto o aplicación. Uno de los circuitos más conocidos y utilizados es el convertidor boost o elevador clásico. Su funcionamiento se basa en la acumulación de energía en una bobina durante la fase de conducción del transistor, y su posterior transferencia hacia un condensador a través de un diodo cuando el transistor se apaga.

Esta acción genera un aumento en la tensión, logrando que el voltaje de salida sea mayor que el de entrada. En simulaciones controladas, este circuito ha demostrado alcanzar una eficiencia cercana al 88%, lo que es notable considerando la simplicidad de su diseño. Siguiendo esta línea, existe la variación del convertidor boost en configuración paralela. La idea principal es duplicar el sistema, utilizando dos circuitos de boost que operan de forma complementaria, uno en cada mitad del ciclo del reloj. Esto permite que mientras un circuito se encuentra acumulando energía, el otro está liberándola, produciendo una salida más constante y, en el análisis técnico, una eficiencia mejorada, que en simulaciones puede llegar hasta un 92%.

Sin embargo, debido a que su salida tiende a superar ligeramente el voltaje objetivo, se deben ajustar parámetros como la inductancia para mantener la comparación justa. Un diseño menos común pero interesante es el convertidor boost en serie. Aunque no se encuentra descrito ampliamente en la bibliografía tradicional, su funcionamiento aprovecha la señal de pulsos del primer convertidor para alimentar un segundo, incrementando aún más el voltaje alcanzado. Este esquema puede alcanzar eficiencias superiores al 90%, pero su potencial real radica en la capacidad de generar voltajes significativamente mayores usando la misma carga, siempre con la necesidad de ajustar inductancias para mantener la tensión de salida en valores seguros y estables. En contraste, los transformadores impulsados por pulsos ofrecen otro método para elevar la tensión.

Estos dispositivos emplean un transformador con una relación de vueltas definida para incrementar el voltaje de entrada, que se rectifica posteriormente mediante un diodo de media onda o un puente completo. La eficiencia en estos casos suele ser menor que en los convertidores boost, oscilando alrededor del 74% en configuraciones típicas, lo que se debe en parte a las pérdidas inherentes en el núcleo del transformador y la caída de tensión en los diodos rectificadores. Otra opción curiosa y popular en proyectos de electrónica básica y reciclaje energético es el circuito denominado juol thief. Este circuito destaca por su simplicidad y capacidad para funcionar con tensiones de entrada muy bajas, incluso por debajo del voltaje nominal de activación de muchos transistores. Sin embargo, esta ventaja viene acompañada de una eficiencia bastante limitada, llegando apenas al 22% en valores simulados bajo condiciones estándar.

Cabe destacar que, a pesar de la eficiencia relativamente baja, el juol thief sigue siendo útil en aplicaciones donde la prioridad es aprovechar cualquier cantidad de energía residual, como en baterías agotadas o fuentes de alimentación muy débiles. Su característica de autooscilación elimina la necesidad de un reloj externo, lo que simplifica aún más su implementación. Otros circuitos como las bombas de carga o charge pumps son reconocidos por su capacidad para elevar voltajes sin elementos inductivos, utilizando únicamente capacitores y switches electrónicos. No obstante, en el contexto de un voltaje de entrada de 5V y la necesidad de obtener 10V con una carga estable, estas bombas resultan poco adecuadas, ya que requieren un controlador con un rango de voltaje amplio y una señal de excitación fuerte. Es importante mencionar que la elección del transistor tiene un impacto en el rendimiento del circuito.

El uso de MOSFETs con un umbral de tensión de aproximadamente 1,5V facilita la reducción de corriente de puerta, evitando mediciones complejas y pérdidas adicionales, pero limita la capacidad de operación en voltajes de entrada muy bajos, lo que excluye algunas configuraciones. Los diodos también juegan un rol significativo en la eficiencia general. En las simulaciones realizadas, se consideró una caída de tensión de alrededor de 1,5V por diodo, un valor típico de diodos de silicio generales. Esta caída afecta directamente la potencia transferida al capacitor o al resistor de carga, por lo que la selección de diodos de baja caída, como los Schottky, podría mejorar los resultados en aplicaciones reales. Un aspecto interesante de los convertidores es la frecuencia de operación del reloj que controla la conmutación.

La simulación estándar utilizó una frecuencia de 1 kHz con un ciclo de trabajo del 50%. Cambiar esta frecuencia o el ciclo puede alterar la eficiencia y la estabilidad del voltaje de salida, especialmente en circuitos que dependen de su sincronización para el almacenamiento y transferencia correcta de energía. Cuando se evalúan las pérdidas y la eficiencia global del circuito, es vital considerar también las resistencias internas del sistema, como portadoras, bobinas y resistencias del cableado o fuentes de alimentación. En las simulaciones mencionadas, se añadió una resistencia ficticia de 1 ohmio para modelar estas pérdidas, brindando una imagen más realista de las condiciones de uso comunes. Un filtro capacitivo de aproximadamente 470 μF fue incluido en cada diseño para suavizar la corriente de entrada y evitar picos que podrían afectar la lectura de potencia y la estabilidad del sistema.

Esto asegura que las mediciones de eficiencia reflejen un comportamiento más constante y representativo del mundo real. La comparación entre las distintas configuraciones de convertidores elevadores resalta la importancia de seleccionar un diseño acorde al requerimiento específico de voltaje, corriente y eficiencia energética. Mientras que los convertidores boost paralelos ofrecen mejor rendimiento para cargas moderadas y voltajes estables, los convertidores en serie pueden ser preferibles cuando se necesita alcanzar tensiones más elevadas con una mayor complejidad. El uso de transformadores pulsados sigue siendo una alternativa válida en ciertos contextos, especialmente cuando se dispone de núcleos y bobinas optimizados, aunque su eficiencia limitada y tamaño hacen que no siempre sean prácticos para circuitos compactos y portátiles. Por último, la elección del circuito debe también considerar el nivel de complejidad, costos de componentes y facilidad de mantenimiento o ajuste.

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