Potencia 2: Fuentes Conmutadas

Ahora nos vamos a centrar en conversores DC/DC que se encargan de elevar o bajar la tensión basándose en la conmutación de un semiconductor controlado. El circuito de control no es importante (aunque se verá un integrado y su funcionamiento para hacerse una idea).

La conmutación de dicho semiconductor es a una frecuencia alta, aunque no demasiado, todo tiene su punto. La frecuencia será fija y se podrá variar la tensión mediante PWM, es decir, regulando el ancho de pulso. Con ésto logramos un alto rendimiento (mayor a un 80%) y un filtro más pequeño.

Entre las fuentes conmutadas hay que distinguir entre las que tienen aislamiento y las que no.

Las aisladas tienen un transformador de impulsos cuyo secundario está aislado del primario, lo que da protección, menores ruidos y más dolores de cabeza. Empezamos por las no aisladas.

Fuentes conmutadas no aisladas

Convertidor Buck

Ésta fuente sólo es capaz de disminuir la tensión. Durante un instante de tiempo entre 0 y Delta*T, el semiconductor está en ON, y la corriente que pasa por la bobina es la misma que pasa por la carga. En el siguiente tramo de tiempo, hasta T, el semiconductor está en OFF, pero un diodo de libre circulación deja pasar la corriente que ha quedado cargada en la bobina hasta que ésta se descarga.

buck

Si la bobina es lo suficientemente "grande", podemos decir que la corriente que pasa por la carga es constante.

El condensador se encarga de eliminar el rizado de tensión. En un principio se considera que su capacidad es infinita, así que tendremos una tensión de salida Vo constante.

El análisis de éste circuito es bastante simple una vez te acostumbras. Nos fijamos en la bobina: entre 0 y delta*T tendremos que la tensión en ella (considerando ideal al semiconductor) es VL = Vi - Vo. Y entre delta*T y T, considerando que el diodo es ideal también, VL = -Vo.

\displaystyle V_{L}(t) = \left\lbrace\begin{array}{cc}V_{i}-V_{o}&\textup{si }0<t\leq\delta T\\ -V_{o}&\textup{si }\delta T<t\leq T\end{array}\right.

Sabemos de la introducción que la tensión media en la bobina es 0. Y la definición de la tensión media es 1/T por la integral de la tensión respecto del tiempo. Dicha tensión se divide en 2 tramos, y podemos hacer una integral por partes.

buck2

Sacamos la conclusión de que la salida depende de delta, que es siempre menor que 1, por lo tanto la tensión de salida siempre es menor a la de entrada. Delta es en % el ciclo de trabajo del semiconductor, que se puede controlar para obtener a la salida la tensión deseada. Además, muy eficientemente.

Y no digo que éste circuito no vaya a funcionar, pero no lo he probado y creo que es recomendable no hacerlo.

Ahora nos vamos a poner algo más "exquisitos": vamos a suponer que la bobina no es grande y por lo tanto la corriente que pasa por ella no es constante. Cuando el semiconductor esté en ON, la corriente irá subiendo, y cuando esté en OFF, irá bajando, lo que da lugar a un rizado de corriente.

Dicho rizado lo calculamos, irónicamente, mirando cuál es la tensión en la bobina.

buck3

buck4

Además, la corriente de rizado en la bobina tiene la gracia de ser simétrica, por lo que podemos sacar fácilmente un valor de tensión máxima para que no se nos funda el transistor:

buck5

Ahora vamos a rizar el rizo, y vamos a considerar que el condensador tampoco es ideal, de forma que, muy a nuestro pesar, la tensión de salida no va a ser continua, sino que va a tener un pequeño rizado de tensión.

Dicho rizado de tensión viene del rizado de corriente de la bobina, me explico: el condensador se traga el rizado de corriente de la bobina. Y aplicando otra vez los conocimientos de la introducción:

buck6

Y todavía podemos ponerlo un poquito más complicado, porque los condensadores reales tienen una propiedad denominada ESR que es una resistencia interna, lo que provocaría también un aumento en la tensión de rizado:

buck7

Por ello es conveniente mirar en las hojas del fabricante si la ESR es lo suficientemente baja como para que no nos haga un rizado enorme. En dichas hojas nos encontramos la tensión nominal, la capacidad, y distintas ESR a distintas frecuencias, de las que hay que seleccionar la más cercana a la frecuencia de conmutación de nuestro circuito.

ESR

Por suerte todo ésto no lo voy a repetir para cada fuente. Respirad tranquilos.

Fuente boost

Es la misma que la Buck pero girando los componentes a la izquierda. El funcionamiento de ésta fuente se basa en cargar la bobina mientras el semiconductor está ON, y luego descargarla de golpe sobre la carga cuando el semiconductor está en OFF.

boost

En éste caso tenemos que tener en cuenta que los potenciales en la inductancia son:

\displaystyle V_{L}(t) = \left\lbrace\begin{array}{cc}V_{i}&\textup{si }0<t\leq\delta T\\ V_{i}-V_{o}&\textup{si }\delta T<t\leq T\end{array}\right.

La tensión de salida se define por la expresión:

boost2

Como delta es menor que 1, la tensión de salida siempre es mayor que la de entrada. La corriente de rizado cambia:

boost3 boost4

Y también la tensión de rizado en el condensador:

boost5

Fuente buck-boost

Volvemos a girar los componentes hacia la izquierda, y en éste caso tenemos una combinación de las dos fuentes vistas anteriormente: con un delta menor a 0.5 disminuye la tensión y mayor a 0.5 la aumenta. Pero la tensión de salida es negativa (lo único que tenemos que hacer es cambiar la referencia)

bb

Cuando el semiconductor está ON, la corriente circula a través de la bobina, cargándola, y el condensador mantiene tensión y corriente. Cuando el semiconductor está en OFF, la bobina se descarga, se cierra el circuito por el diodo y se suman las corrientes.

Los potenciales en la bobina son:

\displaystyle V_{L}(t) = \left\lbrace\begin{array}{cc}V_{i}&\textup{si }0<t\leq\delta T\\-V_{o}&\textup{si }\delta T<t\leq T\end{array}\right.

Dando una tensión de salida:

bb2

En el próximo capítulo, las fuente conmutadas con aislamiento. Son transformadores sanos.

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