Qué es una bomba de carga: funcionamiento y aplicaciones

Una bomba de carga es una fuente de alimentación conmutada que crea múltiplos discretos de la tensión de entrada mediante un condensador. En la electrónica de bajo consumo, en determinadas condiciones, tenemos una tensión baja, por ejemplo 3,3V, pero necesitamos 5V. Para remediar esta situación, utilizamos un convertidor de refuerzo. Estos convertidores son ineficientes a baja potencia porque consumen mucha energía durante su funcionamiento, son dispositivos ruidosos y no funcionan en sentido inverso. Por tanto, para superar este problema, utilizamos una fuente de alimentación conmutada llamada bomba de carga.

¿Qué es una bomba de carga?

Definición: Una bomba de carga es un convertidor de CC a CC que produce una salida de alta eficiencia. Suele funcionar a una frecuencia más alta. También se llama convertidor de condensador volante.

Características

Las características generales de la bomba de carga son las siguientes

• Cero uso de inductores en el circuito
• La EMI (Inducción Electromagnética) radiada es mínima
• De construcción sencilla (un condensador de entrada y dos de salida).

Esquema del circuito de la bomba de carga

El siguiente circuito suele estar formado por un interruptor "S" o un diodo "D" y un condensador de salida "C", como se muestra a continuación,

El siguiente circuito muestra la construcción de una bomba de carga de dos etapas en la que la salida de la primera etapa se introduce en la segunda y la salida de la segunda etapa se conecta en cascada con la etapa de carga de salida. Esta estructura permite a la bomba generar una alta tensión de salida a partir de una tensión de entrada más baja.

Trabajando

El funcionamiento de una bomba de carga puede explicarse mediante un condensador. La función básica de un condensador es almacenar o cargar y descargar cuando sea necesario. Por ejemplo, tenemos un condensador con una capacidad de 9V: lo cargamos a 9V y lo medimos con un multímetro, donde la lectura del multímetro da 9V. Del mismo modo, al conectar en cascada otro condensador de 9V con el anterior, obtenemos una tensión superior a 18V; no sólo se conectan dos condensadores en cascada, sino que se pueden conectar varios condensadores en cascada para obtener una tensión de salida superior. Así es como suele funcionar la bomba.

La construcción del circuito práctico

Una bomba de carga de 3 etapas está formada por 3 etapas de bomba de carga conectadas en cascada una tras otra y un temporizador IC 555. Esta estructura aumenta la tensión de salida.

Componentes utilizados

Los dos componentes principales utilizados son el CI temporizador 555 y el circuito de la bomba

temporizador 555

Un circuito integrado 555 consta de 8 pines, GND, Disparo, Salida, Reset, Fuente de alimentación, Condensador de descarga, Umbral, Tensión de control, como se muestra a continuación.

Componentes utilizados en un circuito integrado 555: Temporizador bipolar 555, condensador electrolítico de 10µF (desacoplamiento), 2 condensadores cerámicos de desacoplamiento de 100 nF, condensador cerámico de temporización de 100pF, resistencia de temporización de 1K, resistencia de 10K.

Función: El temporizador utilizado genera una frecuencia de hasta 500KHz, que ayuda a que el condensador de la bomba se actualice periódicamente para que la tensión de salida no se ondule.

Circuito de la bomba de carga

Los componentes utilizados en este circuito son 6 diodos IN4148 (o UF4007), 5 condensadores electrolíticos de 10 µF y 100 µF. El esquema del circuito se muestra a continuación; la entrada de este circuito se toma del pin de salida 3 del CI 555. La entrada permite que el condensador sea cargado por el diodo. En el circuito podemos ver que el extremo negativo del condensador está conectado a tierra; cuando la salida del circuito se vuelve alta, el pin negativo del condensador también se vuelve alto. Pero como sabemos que el condensador ya almacena carga en su interior, la tensión medida a través de él muestra el doble de la tensión de entrada.

Pero la tensión de salida obtenida tiene un 50% de ondulación, así que para superar este efecto de ondulación en la salida, añadimos un circuito de adición llamado detector de sobretensión, como se muestra a continuación.

Bomba de carga como inversor de tensión

Una bomba de carga no sólo produce una alta tensión de salida, sino que también puede invertir la tensión de salida. El esquema del circuito es similar al de un duplicador de tensión en el que el diodo del circuito está conectado en sentido inverso, como se muestra a continuación,

Trabajando

Cuando la salida del CI 555 es alta, el condensador se carga y cuando la salida del CI es baja, el condensador se descarga a través del segundo condensador en sentido contrario. Generando así una tensión negativa a la salida del circuito.

Ventajas de la bomba de carga

Las ventajas son las siguientes

• Bajo coste
• Ocupa menos espacio
• Compacto
• Puede utilizarse para invertir la polaridad de la tensión
• Genera una tensión de salida alta a partir de una tensión de entrada baja.

Límites de la bomba de carga

Las limitaciones son las siguientes

• La corriente de salida que se obtiene es muy baja, pero en algunos casos, si se utiliza un circuito integrado compatible, es posible obtener una corriente de salida de 100 mA, pero con menor eficiencia.
• La salida es indirectamente proporcional a las etapas de entrada, es decir, si estas bombas se suman en cada etapa de principio a fin para obtener una alta tensión de salida. Esta condición sólo aumenta la complejidad del sistema y no genera una tensión de salida elevada.
• El rendimiento depende de la tensión de salida.

Aplicaciones

El aplicaciones de la bomba de carga incluyen lo siguiente.

Las bombas de carga son una aplicación de la electrónica de bajo consumo que genera una alta tensión de salida a partir de una baja tensión de entrada. También se le llama convertidor de condensador volante. Un convertidor de una etapa consiste en un circuito de bomba de carga mediante un condensador, un interruptor o un diodo conectado a una fuente de tensión. En determinadas condiciones, la tensión de salida generada puede presentar ondulaciones, que pueden eliminarse utilizando un detector de sobretensión en la etapa de salida. Estos circuitos también pueden generar una tensión de salida invertida conectando el diodo a la polaridad inversa. La principal ventaja de las bombas de carga es que son muy eficaces y sencillas de construir.