Sin duda alguna, los tiempos modernos en los cuales vivimos y nos desarrollamos demandan cada vez mas eficiencia de nuestros sistemas electrónicos, es por ello que creo pertinente compartir el ámbito del conocimiento de las FUENTES DE PODER CONMUTADAS. Si bien ellas existen en variados rangos de prestaciones, para el Aficionados a las Radiocomunicaciones es de gran importancia conocer su funcionamiento para de esta forma lograr aplicar éste tipo de fuentes de poder a diversos proyectos propios del hobby de la radioafición.
Una de las utilizaciones prácticas del sistema conmutado, se refiere a un regulador de tensión mediante la técnica PWM. Con ésta técnica se logrará una eficiencia mayor a la que se obtiene con sistemas lineales y de un reducido numero de componentes respecto de su símil.
Nuevamente buscando en la web he encontrado un articulo muy interesante y de un lenguaje muy entendible respecto de las explicaciones técnicas del funcionamiento del sistema, es por ello que concidero que es importante transcribir el contenido de dicha publicación.
Convertidor Buck
Los convertidores reductores (Buck o step down) son parte integral de muchos equipos electrónicos actuales. Estos permiten reducir un voltaje continuo (generalmente no regulado) a otro de menor magnitud (regulado). Básicamente están formados por una fuente DC, un dispositivo de conmutación y un filtro pasabajos que alimentan a una determinada carga.
Hay dos diseños básicos para los reguladores: regulador lineal y regulador conmutado. El funcionamiento del primero es similar a una resistencia variable que mantiene el voltaje de carga constante gracias a la realimentación proveniente de carga. En un regulador conmutado se emplean principalmente elementos de conmutación e inductores para lograr obtener el voltaje de carga deseado. Los convertidores tipo Buck a diferencia de los lineales tienen problemas de generación de Interferencia Electromagnética pero ofrecen una elevada eficiencia en la mayoría de los casos.
Si bien hoy en día es posible encontrar diversas variantes y topologías, se pretende cubrir la poca información inherente al tema a través de la descripción breve del funcionamiento y los parámetros de diseño de un convertidor Buck con una frecuencia de conmutación fija, modulación por ancho de pulso y la operación en modo continuo.
El circuito que define a este convertidor se muestra en la fig.1, en el cual se puede ver la presencia del dispositivo de conmutación S, un diodo D, un inductor L, un capacitor C y la carga a alimentar R. El circuito de la fig. 2 muestra la forma como se producen los pulsos que se aplican a la base o gate del dispositivo de conmutación; esta claro que se comparan dos señales una señal triangular (portadora) y una señal de referencia que representa el voltaje deseado en la salida del convertidor. Ambas señales se introducen a un comparador, el cual emitirá un voltaje en la salida toda vez que la señal de la portadora sea de menor magnitud al de la señal de referencia.
Fig 1
Fig.2
Se dice que el convertidor Buck trabaja en modo continuo, si la corriente que atraviesa el inductor nunca llega a cero; de otro modo se dice que trabaja en modo discontinuo.
El periodo de conmutación T consta de un subperiodo de encendido ton y uno de apagado toff (fig.4). El ciclo de servicio D se define como la relación entre el periodo de encendido y el periodo de conmutación.
D=ton/T
El funcionamiento del convertidor implica dos estados: un estado ON en el cual el dispositivo de conmutación permite la circulación de corriente, transmitiendo la tensión de entrada a un extremo del inductor y un estado OFF en el cual dicho dispositivo se comporta como un circuito abierto aislando la tensión de entrada. La fig. 3 muestra dichos estados.
De modo a simplificar el análisis se asumirá que todos los dispositivos semiconductores son ideales y que el convertidor esta trabajando en modo continuo.
Fig. 3
Para un modo de conducción continuo, la corriente ideal que circularía por el inductor se muestra en la fig. 4.
Fig. 4 Corriente en el Inductor
En estado ON, la tensión de la fuente es aplicada directamente al diodo en polarización inversa, la corriente que atraviesa el inductor crece linealmente y puede calcularse mediante:
para un estado OFF, la tensión de la fuente es desconectada y la carga es alimentada desde la inductancia quien cambia de polaridad permitiendo que el diodo quede polarizado directamente y la variación de corriente para el circuito en OFF será:
Si el convertidor opera en régimen estable y considerando un ciclo completo de conmutación, la energía almacenada al principio y al final de dicho ciclo es la misma; por lo tanto la corriente al principio y final del ciclo también es la misma, con lo cual:
es decir:
que simplificador queda:
Puesto que 0<1, podemos concluir que la tensión de salida es siempre menor a la tensión de entrada y que varia linealmente con el ciclo de trabajo.
El modo de continuo implica que el inductor no se descarga completamente durante el periodo en que el dispositivo de conmutación esta en OFF. Asumiendo que el convertidor trabaja en modo continuo y que tanto el dispositivo de conmutación y el diodo son ideales, la siguiente ecuación nos permitirá calcular la inductancia:
donde:
Un inductor real posee una resistencia asociada serie que provoca una caída de tensión continua en bornes de la bobina proporcional a la corriente media que la atraviesa. Por un lado se debe elegir una bobina con la menor resistencia posible y al mismo tiempo que soporte la corriente que circulará por ella.
El capacitor de salida es necesario para mantener la tensión y minimizar el rizado presente en la salida de un convertidor reductor, estos parámetros son usualmente especificados en el momento de realizar el diseño. Un elevado voltaje de rizado se debe a una capacitancia insuficiente y una alta resistencia equivalente serie del capacitor. Cuando una carga es súbitamente removida, se genera un problema de sobrevoltajes transitorios por lo que se requiere que el capacitor de salida sea lo bastante grande de modo a prevenir que la energía almacenada en el inductor sea lanzada por encima del máximo voltaje de salida. El valor de la capacidad puede ser obtenido mediante:
donde epsilon es la relación entre el rizado de la tensión de salida DVo y dicha tensión Vo.
Un capacitor real tiene una resistencia y una inductancia equivalente serie. El efecto de la inductancia parásita suele hacerse patente a frecuencias elevadas mientras que la resistencia disminuye. Los capacitores electrolíticos poseen una resistencia equivalente serie elevada a medida que los valores de capacitancia baja. De modo a fijar dicha resistencia parásita, la misma deberá ser menor a:
EL DIODO
Para seleccionar el diodo, el factor limitante es la disipación de potencia, la cual puede ser calculada con:
donde VD es la caída de tensión cuando está polarizado directamente y circulando la corriente Io. Además de lo anterior, se debe asegurar que el voltaje máximo inverso repetitivo sea mayor que el voltaje de entrada. La corriente directa del diodo debe satisfacer la máxima corriente de salida.
EL DISPOSITIVO DE CONMUTACIÓN
El dispositivo de conmutación puede ser un BJT, IGBT, o bien un MOSFET; sin embargo, debido a la elevada velocidad de conmutación en muchos casos es preferible emplear este último. La máxima corriente que atraviesa el dispositivo de conmutación puede ser determinado en función a la potencia requerida y la tensión de entrada: P/Vi ; el MOSFET minimamente debería soportar el doble de esta corriente. El dispositivo de conmutación soporta una tensión de Vi + VD donde VD es la caída de tensión en el diodo; similarmente el MOSFET debe poder soportar el doble.
Las pérdidas en conmutación pueden ser obtenidas mediante:
Donde TON y TOFF son los tiempos de encendido y apagado en la conmutación. Las pérdidas durante el estado de conducción se las puede obtener mediante:
Donde ID es la corriente del drenador en régimen continuo, rDS(ON) es la resistencia entre drenador y surtidor cuando el MOSFET esta en estado de conducción, tON como se sabe es el tiempo en el que el MOSFET esta en estado de conducción y T el periodo de conmutación (1/f). La potencia de pérdida total PPERDIDA TOTAL será la suma de ambas pérdidas. La diferencia de temperatura entre la unión y el case del encapsulado será:
EJEMPLO DE DISEÑO
Se desea diseñar un convertidor cuya tensión de entrada es Vi = 24 V, tensión de salida Vo = 9 V, potencia de la carga (resistiva) Pcarga = 100 W, f = 20 kHz, rizado en la tensión lambda = 1%, rizado de la corriente epsilon = 15%.
- El ciclo de servicio está dado por: D = 9/24 = 0.375.
- La corriente promedio en la carga será: Io = 100/9 = 11.11 A.
- El valor de la inductancia es:
- La capacidad de salida tendrá un valor de:
- Con los anteriores valores de L y C, podemos esperar un rizado en el voltaje de DVo = 0.01*9 = 0.09 V (ver figs. 6 y 7). Por otro lado el rizado en la corriente es DIo = 0.15*11.11 = 1.67 A (ver figs. 6 y 7).
- El circuito se puede ver en la siguiente figura.
@Rogelio José Choque Castro
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