Convertidores CC-CC conmutados: Reductor o “Buck converter”

Después de varios artículos dedicados sobre todo al reciclaje de material electrónico, esta vez toca teoría. Os voy a contar los principios de funcionamiento de la técnica de conmutación en electrónica de potencia, cada vez más utilizada por sus buenas cualidades de rendimiento en fuentes de alimentación y convertidores.

Como buenos aficionados a la electrónica, seguro que conocéis los reguladores lineales integrados, por ejemplo los del tipo 78XX (7805, 7812…) y 79XX (para tensiones negativas), el LM317, etc. Pero éstos tienen un problema, y es que no son demasiado eficientes; la diferencia de energía entre la entrada y la salida la disipan en forma de calor.

Por ejemplo, si hacemos un convertidor de 12 a 5 voltios con un regulador lineal que nos dé una corriente de salida de 4 amperios, el regulador tendrá que disipar esa diferencia de tensión, o sea 12V-5V = 7V, multiplicada por la corriente, 7V x 4A = 28W. Y si la potencia que va a darnos a la salida es de 5V x 4A = 20W, no parece muy eficiente que estemos desperdiciando 28W en calor. Esto quiere decir que en este circuito de ejemplo, el rendimiento que nos daría a máxima potencia sería de 20/(20+28) = 0,417, o sea, el 41,7%. Esto quiere decir que más de la mitad de la energía invertida se estará perdiendo en forma de calor.

Además, si no queremos que el regulador se queme por el calor disipado, deberemos montar un radiador para que disipe ese calor al ambiente. Incluso, si el circuito está metido en una caja, nos obliga a hacer ranuras de ventilación y, en algunos casos, hasta montar un ventilador para evacuar el calor de dentro de la caja.

Para evitar todos estos problemas, se utiliza la técnica de la conmutación, la cual nos hará posible construir convertidores y fuentes de alimentación con un rendimiento cercano al 80-90%, y por lo tanto casi no se calentarán, pudiendo estar encerradas en una caja sin necesitar ventilación.

Esta técnica, además, nos permitirá hacer convertidores que reduzcan la tensión (buck o step-down), convertidores elevadores (boost o step-up) y convertidores inversores de tensión (inverting), es decir, que nos den una tensión negativa alimentándose de tensión positiva.

Esta vez vamos a empezar con la aplicación más sencilla: el convertidor reductor o “buck converter”.

El convertidor reductor o “buck converter” es el más sencillo de los convertidores CC-CC conmutados, y sirve para transformar una tensión de alimentación continua en otra de menor valor, también continua.

Tenemos una tensión de entrada al convertidor Vi, que es mayor que la tensión que queremos obtener a la salida, Vo. Para ello, mediante un interruptor electrónico S1, “troceamos” la tensión de entrada, para luego filtrar la onda resultante mediante L1 y C1. El interruptor o conmutador (de ahí lo de “conmutación”) en realidad es un transistor (ya sea bipolar, FET/MOSFET o IGBT, dependiendo de las características que necesitemos en el diseño), y hará la función de abrir y cerrar miles de veces por segundo la conexión entre la tensión de entrada y la bobina L1. El diodo D1 se encarga de cerrar el circuito mientras S1 está abierto.

TeoriaBuckDiagrama

Y ¿cuánto tiempo tiene que estar el interruptor abierto o cerrado? Depende de la tensión de entrada y de la tensión que queramos obtener a la salida. Si de cada T segundos, el interruptor está Ton segundos cerrado, y Toff segundos abierto, se llama “Duty cycle” o ciclo de trabajo D a la relación Ton/T; pues precisamente, D será también la relación entre la tensión de entrada y la de salida: D = Ton/T = Vo/Vi. Visto de otra manera, la tensión de salida Vo es igual a la tensión media de la onda cuadrada Vo = Vi x Ton/T o, lo que es lo mismo, Vo = D x Vi.

 TeoriaBuckDutyCycle

Entonces, si por ejemplo queremos diseñar un convertidor que obtenga una salida de 5 V a partir de una entrada de 12 V, tendremos que hacer un oscilador de onda cuadrada con un ciclo de trabajo D = 5/12 = 0,4167 = 41,67%.

Esto sería suficiente si la tensión de entrada fuese constante, pero en la práctica Vi no tiene por qué ser totalmente constante y puede tener bajadas o subidas, especialmente si vamos a extraer mucha energía de ella. Si la onda cuadrada que hemos generado para controlar el interruptor tiene un ciclo de trabajo constante del 41,67%, las fluctuaciones en la tensión de entrada se traducirán en fluctuaciones proporcionales en la tensión de salida.

Para ello, no basta con que la onda cuadrada que produce el oscilador trabaje con el ciclo de trabajo que hemos calculado previamente, sino que D tendrá que ir adaptándose a dichas fluctuaciones de la tensión de entrada, disminuyendo cuando Vi aumente y viceversa. La tensión de salida Vo, se introduce como realimentación en un comparador que compara esta tensión con una tensión de referencia Vref, y el resultado de este comparador determinará la anchura del pulso aplicado al interruptor. Como consecuencia, la onda cuadrada que va a controlar el interruptor S1 tendrá una frecuencia fija, pero el ancho del pulso irá variando, lo que se llama Modulación por Anchura de Pulso o PWM (Pulse Width Modulation).

La frecuencia de oscilación se suele elegir lo bastante grande como para que la bobina L1 y el condensador C1 no tengan que ser muy voluminosos ni costosos.

En cuanto al rendimiento, si los componentes fueran ideales, sería del 100%, pues la transferencia de energía sería total; pero en la realidad los transistores tienen una caída de tensión entre sus terminales que hace que el rendimiento no sea perfecto, y que se calienten ligeramente; aún así, no es difícil alcanzar rendimientos superiores al 80%. De todas formas, si se eligen bien los componentes y con un buen diseño, se pueden conseguir rendimientos bastante elevados (por encima del 90%), sobre todo comparando con los reguladores lineales.

En el siguiente artículo os enseñaré una aplicación de esta técnica, construyendo un convertidor de 12 V a 5 V.

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One response to “Convertidores CC-CC conmutados: Reductor o “Buck converter””

  1. el maquina says :

    muy bueno

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