Fuentes Switcheadas

3.5 Fuentes Switcheadas

"Lo mucho se vuelve poco con desear un poco más"

Todos los circuitos estudiados anteriormente son simples reguladores de voltaje; - esto es, etapas que se le pueden agregar a una fuente primaria cuando se desea obtener una fuente regulada, pero la fuente resultante no es propiamente una fuente switcheada.

Al combinar una fuente primaria clásica con un regulador switcheado se obtiene un híbrido que posee todas las ventajas de los reguladores switcheados, pero también hereda el principal defecto de las fuentes primarias clásicas, que es el empleo de un voluminoso y pesado transformador de potencia que opera a la frecuencia de la red.

Como se recuerda, una de las principales funciones del transformador de una fuente primaria es reducir el voltaje de la red a niveles cercanos al voltaje de salida que se desea producir con el fin de reducir el desperdicio; sinembargo, cuando se emplea un regulador switcheado, más concretamente, un conversor directo, se puede hacer algo que sería totalmente impensable y descabellado si se empleara un regulador análogo: se puede suprimir del todo el transformador y realizar la reducción de voltaje en el regulador mismo.

Figura 3.5.1 Fuente primaria sin transformador.

Al suprimir el transformador de potencia y rectificar directamente el voltaje de la red (115 VRMS), se obtiene una fuente primaria muy económica, liviana y compacta que entrega una tensión directa de aproximadamente 150 - 170V.

Suponiendo que VI = 150V y se desea, por ejemplo, un voltaje de salida de 5V, con un regulador análogo habría literalmente que "quemar" la diferencia, lo que implicaría una eficiencia peor que pésima, aparte de las dificultades prácticas para disipar las enormes cantidades de calor generadas en el regulador, incluso con corrientes de salida modestas; por ejemplo, con IO = 1A sería necesario disipar más de 150W (!) para obtener apenas 5W de salida, pero si en vez de un regulador análogo se emplea un conversor directo, idealmente se podría obtener el voltaje deseado con una eficiencia del 100%; para lograrlo bastaría con realizar la conmutación con un ciclo útil pequeño, idealmente: D = 5 / 150.

En el circuito real, debido a las pérdidas habrá que usar D levemente mayor y la eficiencia no será del 100%, pero es el primer paso hacia la obtención de una fuente switcheada propiamente dicha.

El condensador de la fuente primaria desde luego debe ser capaz de soportar la tensión aplicada y por lo general se emplean condensadores de 200V, un voltaje 10 veces mayor que el usual, pero en compensación, no es necesario usar condensadores de capacitancias tan elevadas como las que típicamente se emplean en una fuente primaria clásica, sino que usualmente son condensadores de unos pocos 100's de F, un valor 10 veces menor que el usual, de modo que su costo y su tamaño son similares a los de una fuente común.

La razón por la cual es posible utilizar capacitancias tan bajas es por una parte, que con un voltaje DC tan alto no hay problema en tolerar rizados de varias 10's de Vpp, mientras que en una fuente primaria de bajo voltaje hay que mantener el rizado proporcionalmente menor, lo que exige el empleo de un condensador proporcionalmente mayor.

De otra parte, la corriente que consume un conversor directo es menor que la corriente suministrada a la carga, ya que la corriente de entrada se reduce aproximadamente en el mismo factor en el que se reduce el voltaje y en consecuencia se puede reducir el valor de la capacitancia en el mismo factor.

Los efectos benéficos de esta reducción en la corriente son extensivos también a los diodos del rectificador, los cuales deben manejar corrientes relativamente suaves, aunque deben soportar tensiones bastante altas. - En caso de usar rectificación de onda completa con puente, la máxima tensión inversa que deben soportar los diodos es de 170V, pero si se emplea algún otro tipo de rectificación, la tensión inversa se duplica, de donde se ve la conveniencia de usar puente.

En vez de un conversor directo, para reducir el voltaje también sería posible utilizar un conversor indirecto inversor, pero tal y como ya se analizó de manera bastante exhaustiva, cuando se trata de reducir voltaje, el conversor directo no tiene rival. - Desde luego, para ciertas aplicaciones especiales, si en vez de reducir el voltaje fuese necesario elevarlo, lo indicado sería usar un elevador.

A pesar de que en principio la solución parece muy simple, en la práctica aparecen algunos inconvenientes que pueden llegar a ser muy difíciles e incluso imposibles de superar:

Primero que todo, al suprimir el transformador de la fuente primaria se suprime también el aislamiento galvánico, de modo que cualquiera que sea el regulador empleado, el voltaje de salida queda irremediablemente ligado al de la red, lo que es causal suficiente para rechazar de plano esta solución para muchas aplicaciones.

De otra parte, para obtener voltajes de salida bajos es necesario realizar la conmutación con D<< y electrónicamente no es sencillo lograr valores muy bajos de D debido al tiempo finito de respuesta de los semiconductores:

En el caso del ejemplo, usando un conversor directo operando con D = 1 / 30, incluso realizando la conmutación a una frecuencia relativamente baja, como 33kHz, la duración de T1 sería de apenas 1s, de modo que habría que usar dispositivos capaces de encenderse, conducir y apagarse, todo en menos de 1s, siendo que los semiconductores de potencia comunes necesitan de tiempos de esa magnitud nada más para encenderse o apagarse. - Para realizar una conmutación satisfactoria, tanto el transistor como el diodo y el circuito de control tendrían que tener tiempos de conmutación del orden de 10's de ns, que desde luego que los hay, pero son relativamente costosos y difíciles de conseguir en el mercado.

En resumen, el empleo de reguladores switcheados alimentados directamente por la red sólo sirve para aplicaciones en las que no se requiere de aislamiento galvánico y preferiblemente para voltajes de salida de unos 25V o más.

El Conversor Indirecto.

Ambos problemas, tanto la falta de aislamiento galvánico como la necesidad de usar D<< se resuelven mediante el empleo del siguiente circuito:

Figura 3.5.2 Conversor Indirecto ("Flyback")

VI es una fuente primaria sin transformador, que trabaja rectificando y filtrando directamente la tensión de la red.

L1 y L2 son dos bobinas aisladas, enrolladas alrededor del mismo núcleo; el conjunto da origen a un diagrama eléctrico idéntico al símbolo gráfico de un transformador, su fabricación es idéntica a la de un transformador y su apariencia física, tanto interna como externa es idéntica a la de un transformador, pero al examinar su funcionamiento se comprueba que estrictamente hablando, no es un transformador. Los puristas suelen darle el nombre de "cuasi-transformador", aunque es muy común llamarlo simplemente "transformador" sin mayores contemplaciones.

Los puntos negros en las bobinas denotan su polaridad relativa; obsérvese que v1 y v2 son de polaridades opuestas.

Para efectos de la explicación, supóngase que VI = 150V, que todos los elementos son ideales y que la relación de espiras de las dos bobinas es N = N1 / N2 = 10.

Durante el intervalo T1 el transistor conduce y aplica la totalidad del voltaje de la fuente primaria a la bobina L1 de modo que v1 = +150V; debido a la relación de espiras se induce en L2 una tensión de 15V, pero de polaridad opuesta, o sea que v2 = 15V.

En estas condiciones el diodo queda en bloqueo y no hay corriente en L2 a pesar de que sí hay corriente en L1 - aquí se aprecia que el conjunto no trabaja como un transformador; también se aprecia que en estas circunstancias carece de importancia la relación de espiras de las dos bobinas, ya que de todos modos el diodo queda en inverso.

A medida que va transcurriendo el intervalo T1, la corriente en L1 va creciendo linealmente, con lo cual va aumentando la energía almacenada en la bobina; mientras tanto, el condensador de salida mantiene el voltaje de salida en cierto valor vO (se supone que el condensador se ha cargado en ciclos anteriores y mantiene un voltaje de salida constante).

Al finalizar el intervalo T1 el transistor se corta y la corriente en L1 desaparece; - en otras circunstancias también desaparecería la energía acumulada durante el intervalo T1 en forma de lo que técnicamente se denomina "patada inductiva" ("inductive kick"), pero aquí entra en acción la bobina L2: tan pronto se corta el transistor la polaridad de ambas bobinas se invierte, con lo cual queda el diodo en directo y la energía almacenada encuentra una vía de escape fluyendo hacia el nodo de salida, alimentando la carga y reponiendo la carga que perdió el condensador durante T1.

Suponiendo que vO = 5V, y dado que se considera que el diodo es ideal, durante T2 el voltaje en la bobina

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