Fuente de alimentación conmutada.
Cómo funciona una fuente de alimentación conmutada
Conceptualmente, los reguladores conmutados no son difíciles de entender. Si se consideran como una caja negra con terminales de entrada y salida, su comportamiento es muy similar al de un regulador lineal.
La diferencia fundamental consiste en que un regulador lineal controla un flujo continuo de corriente desde la entrada hacia la carga con el fin de mantener constante la tensión de salida.
En cambio, un regulador conmutado controla ese mismo flujo de corriente mediante la conmutación o interrupción rápida de la tensión de entrada, regulando la corriente promedio por medio del ciclo de trabajo (duty cycle). Cuando la carga requiere una corriente mayor, aumenta el porcentaje de tiempo durante el cual el interruptor permanece encendido.
Existen dos tipos fundamentales de reguladores conmutados que constituyen la base de los reguladores de modulación por ancho de pulso (PWM, Pulse Width Modulation):
- Reguladores de modo directo (Forward Mode).
- Reguladores de modo Flyback (Flyback Mode).
El nombre de cada uno proviene de la forma en que se utilizan los elementos magnéticos dentro del regulador. Aunque ambos circuitos pueden parecer muy similares desde el punto de vista esquemático, su funcionamiento interno es bastante diferente.
Reguladores conmutados de modo directo (Forward Mode)
Los reguladores de modo directo poseen cuatro elementos funcionales principales:
- Un interruptor de potencia encargado de generar la forma de onda PWM.
- Un diodo rectificador o diodo de rueda libre (Catch Diode).
- Un inductor conectado en serie.
- Un capacitor de filtrado.
El interruptor de potencia puede implementarse mediante un transistor de potencia o un MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), conectado directamente entre la tensión de entrada y la etapa de filtrado.
En algunas configuraciones puede incorporarse un transformador entre el interruptor y el filtro para elevar o reducir la tensión de entrada, como ocurre en los reguladores Forward con aislamiento.
El diodo, el inductor y el capacitor forman un sistema de almacenamiento de energía cuya finalidad es mantener la tensión y la corriente sobre la carga durante el tiempo en que el interruptor permanece apagado.
El interruptor solamente repone la energía consumida por la carga durante el período en que permanece encendido.
Su funcionamiento puede compararse con un sistema mecánico formado por un pistón y un volante de inercia. El pistón suministra impulsos de energía, mientras que el volante almacena esa energía mecánica y la entrega de manera continua a la carga.
Funcionamiento
El funcionamiento del interruptor de potencia puede dividirse en dos intervalos.
Interruptor encendido (ON):
Durante este período, la corriente circula desde la fuente de alimentación, atraviesa el inductor, alimenta la carga y regresa a la fuente por el conductor de retorno. En esta condición, el diodo permanece polarizado en inversa y no conduce corriente.
Figura : Regulador conmutado de modo directo y flujo de corriente.
Interruptor apagado (OFF):
Cuando el interruptor se abre, el inductor intenta mantener constante la corriente que circula por él. Como el camino hacia la fuente queda interrumpido, el diodo comienza a conducir, estableciendo un nuevo lazo de corriente que mantiene alimentada la carga.
Cuando el interruptor vuelve a cerrarse, la tensión aplicada al filtro hace que el diodo deje nuevamente de conducir.
En un regulador de modo directo, la corriente siempre circula a través del inductor, razón por la cual recibe el nombre de Forward Converter.
Control mediante ciclo de trabajo
La cantidad de energía suministrada a la carga depende del ciclo de trabajo (Duty Cycle) del interruptor de potencia.
Este ciclo puede variar entre 0 % y 100 %, aunque en la práctica normalmente se encuentra comprendido entre 5 % y 95 %.
Una aproximación sencilla de la relación entre la tensión de entrada, el ciclo de trabajo y la tensión de salida es:
Vout ≅ Vin × Duty Cycle
donde:
- Vout: tensión de salida.
- Vin: tensión de entrada.
- Duty Cycle: ciclo de trabajo del interruptor.
Esta relación resulta especialmente válida cuando la carga es ligera, aunque constituye una aproximación razonable para la mayoría de los casos prácticos.
Términos relacionados :
Reguladores conmutados de modo Flyback
Los reguladores conmutados de modo flyback poseen los mismos cuatro elementos básicos que los reguladores de modo directo o forward, aunque dispuestos de forma diferente.
En esta configuración, el inductor se coloca directamente entre la fuente de alimentación y el interruptor de potencia. El ánodo del diodo rectificador se conecta al nodo donde se unen el interruptor y el inductor, mientras que el capacitor de salida se conecta entre el cátodo del rectificador y el retorno o masa.
El funcionamiento del regulador flyback puede dividirse en dos períodos.
Cuando el interruptor de potencia está cerrado, la corriente circula a través del inductor y almacena energía en su núcleo magnético. Durante este intervalo, el diodo permanece bloqueado y el capacitor alimenta la carga.
Figura . Regulador conmutado de modo de retorno (Flyback) y flujo de corriente.
Cuando el interruptor se abre, la corriente del inductor no puede desaparecer instantáneamente. Como consecuencia, la polaridad de la tensión en el inductor se invierte. Este fenómeno se conoce como flyback o retorno de energía. Entonces el diodo entra en conducción y transfiere la energía almacenada en el inductor hacia el capacitor y la carga.
Este proceso continúa hasta que toda la energía acumulada durante el período anterior se ha descargado del inductor.
Como la tensión inducida por el inductor se suma a la tensión de entrada, el voltaje presente en el capacitor de salida puede ser mayor que el voltaje de entrada. Por esta razón, este tipo de convertidor también recibe el nombre de convertidor elevador o boost cuando no utiliza transformador.
Debe observarse que el único elemento que almacena energía para alimentar la carga es el capacitor de salida. Debido a ello, el rizado de tensión, o ripple, suele ser mayor que en los reguladores de modo directo.
El ciclo de trabajo de una fuente flyback elemental varía normalmente entre 0 % y 50 %. Esta limitación se debe al tiempo necesario para que el inductor descargue completamente la energía almacenada hacia el capacitor de salida.
En los reguladores flyback con aislamiento mediante transformador, el ciclo de trabajo puede ser superior al 50 %, debido a la relación de transformación y a las inductancias del devanado primario y secundario.
La relación entre la tensión de salida y la tensión de entrada es algo más compleja que en el regulador forward.
Durante el tiempo en que el interruptor permanece apagado, el inductor termina de descargar toda la energía almacenada antes del siguiente ciclo de conducción.
Como el producto voltaje × tiempo durante la carga y descarga del inductor debe ser el mismo, y dado que la tensión de salida de un convertidor boost no aislado es superior a la tensión de entrada, se obtiene aproximadamente la siguiente relación:
Vout ≅ Vin + Vfbk ≅ Vin (1 + Ton / Tfbk)
donde:
- Vout: tensión de salida.
- Vin: tensión de entrada.
- Vfbk: tensión generada durante el período de retorno o flyback.
- Ton: tiempo durante el cual el interruptor permanece encendido.
- Tfbk: tiempo de descarga o retorno de energía del inductor.
Al voltaje mínimo de funcionamiento, el ciclo de trabajo alcanza aproximadamente el 50 %, y el tiempo de descarga Tfbk es igual al período total de conmutación menos el tiempo en que el interruptor permanece encendido, es decir, Ton. |
