Fuentes de energía
La fuente lineal regula quemando lo que sobra. La conmutada no regula: recorta y promedia, y por eso alcanza rendimientos del 90 % en la décima parte del tamaño. Todo el equipamiento moderno vive de esa diferencia.
01Lineal contra conmutada
La fuente lineal ya se estudió con el regulador LM317: transformador de red, rectificador, filtro y un regulador que disipa la diferencia entre la entrada y la salida.
Regulador que entrega 5 V y 2 A a partir de 12 V de entrada:
- Salida útil: 5 × 2 = 10 W.
- El regulador tiene 12 − 5 = 7 V encima, con 2 A: disipa 7 × 2 = 14 W.
- Rendimiento = 10/24 = 42 %, y hace falta un disipador para 14 W.
La misma salida con una conmutada al 90 % consume 11 W de la entrada y disipa 1 W. La diferencia no es una mejora: es otro orden de magnitud.
| Lineal | Conmutada | |
|---|---|---|
| Rendimiento | 30 a 60 % | 80 a 95 % |
| Tamaño y peso | Grande: transformador de 50 Hz | Chico: núcleo de ferrita a decenas de kHz (transformadores) |
| Ruido eléctrico | Muy bajo | Alto: conmuta miles de veces por segundo |
| Respuesta a cambios de carga | Muy rápida | Depende del lazo de control |
| Complejidad | Baja | Alta: lazo de realimentación, protecciones, filtros |
| Dónde sigue usándose la lineal | Etapas analógicas de mucha exactitud, audio de referencia, alimentación de sensores sensibles al ruido | |
02Las topologías básicas
Todas hacen lo mismo: conmutan una llave a alta frecuencia y usan una inductancia para almacenar energía y entregarla en el momento conveniente. Lo que cambia es la disposición.
| Topología | Salida | Aísla | Se usa en |
|---|---|---|---|
| Reductor (buck) | Vo = D · Vi | No | Bajar tensión con buen rendimiento: reguladores de placa, cargadores |
| Elevador (boost) | Vo = Vi/(1 − D) | No | Subir tensión: LED de retroiluminación, corrección del factor de potencia |
| Reductor-elevador | Invierte la polaridad | No | Cuando la entrada puede estar por arriba o por abajo de la salida |
| Flyback | Con relación de vueltas | Sí | Cargadores de celular, fuentes de hasta ~100 W. La más difundida |
| Forward / medio puente / puente completo | Con relación de vueltas | Sí | Fuentes de PC, soldadoras, cargadores industriales de cientos de watt |
Entrada de 24 V, salida de 12 V a 3 A, conmutando a 100 kHz.
- Ciclo de trabajo: D = 12/24 = 0,5.
- Corriente por la inductancia: su valor medio es la de salida, 3 A, con un rizado típico del 30 %: 0,9 A pico a pico.
- Inductancia: L = (Vi − Vo)·D/(Δi·f) = 12 × 0,5/(0,9 × 100 000) = 66,7 µH. Se elige la comercial de 68 µH, verificando que soporte 3,5 A sin saturar.
- Diodo: conduce el 50 % del tiempo; se elige Schottky por su caída baja.
- Capacitor de salida: se elige por el rizado admitido y, sobre todo, por su ESR (mediciones de impedancia): la ESR multiplicada por el rizado de corriente es la mayor parte del rizado de tensión.
Si la corriente por la inductancia supera el valor al que su núcleo satura, la inductancia desaparece: la corriente se dispara casi como un cortocircuito y destruye la llave en un ciclo. Por eso se elige la bobina por su corriente de saturación, no por la nominal, y por eso una fuente que arranca bien y muere al primer pico de carga suele tener ese problema.
03Rectificadores controlados
Cuando la potencia se toma directamente de la red y hay que regularla, se usan tiristores en lugar de diodos. El ángulo de disparo decide la tensión continua de salida.
- Puente monofásico sobre 220 V con α = 0: Vcc = 0,9 × 220 = 198 V. Con α = 60°: 198 × 0,5 = 99 V.
- Puente trifásico sobre 380 V con α = 0: 1,35 × 380 = 513 V. Con α = 45°: 513 × 0,707 = 363 V.
- El trifásico entrega además una continua mucho más limpia: seis pulsos por ciclo en vez de dos, así que el rizado es menor y de mayor frecuencia, y el filtro resulta más chico.
Con ángulos mayores que 90°, el coseno se hace negativo y la tensión media también: si la carga puede entregar energía —un motor de continua frenando, por ejemplo— el circuito la devuelve a la red. Ese modo se llama inversión y es la base del frenado regenerativo en tracción. La energía del tren que frena vuelve a la línea en vez de convertirse en calor.
04Inversores
Hacen el camino inverso: de continua a alterna. Cuatro llaves en puente conmutan la tensión continua y, modulando el ancho de los pulsos, arman una senoidal.
| Tipo de salida | Cómo es | Dónde se usa |
|---|---|---|
| Onda cuadrada | Dos niveles. Muchos armónicos. | Equipos muy simples. Daña motores y fuentes conmutadas. |
| Cuadrada modificada | Tres niveles, con un escalón en cero. | UPS económicas. Aceptable para cargas resistivas. |
| PWM senoidal | Pulsos de ancho variable más filtro. | UPS de calidad, inversores solares, variadores de velocidad. |
- Índice de modulación: la amplitud de la senoidal de referencia frente a la de la portadora. Controla la tensión de salida.
- Frecuencia de la portadora: típicamente de 2 a 16 kHz. Cuanto más alta, más fácil de filtrar y más silencioso el motor, pero más pérdidas de conmutación.
- La frecuencia de la referencia es la frecuencia de salida: eso es lo que permite variar la velocidad de un motor.
En cada rama del puente hay dos llaves en serie entre el positivo y el negativo. Si por un instante conducen las dos, se produce un cortocircuito de la fuente continua que las destruye de inmediato. Por eso el mando introduce un tiempo muerto —de microsegundos— entre apagar una y encender la otra. Todo circuito integrado de mando de puente lo incorpora, y en un diseño propio es lo primero que hay que verificar en el osciloscopio.
05Circuitos de disparo y de mando
Sincronismo con la red, aislación por transformador de pulsos u optoacoplador, y energía suficiente en el pulso. En cargas inductivas, tren de pulsos (sistemas automáticos de control).
Necesitan un driver: la compuerta es capacitiva y hay que cargarla y descargarla con picos de amperes para que la conmutación sea rápida. Las llaves superiores del puente están flotando, así que su mando se resuelve con bootstrap o con fuente aislada.
Si el driver es débil, la transición se alarga: durante ese tiempo el dispositivo tiene tensión y corriente al mismo tiempo, y las pérdidas de conmutación se disparan. Un IGBT que debería conmutar en 200 ns y tarda 2 µs disipa diez veces más. Muchas fuentes «que se calientan sin motivo» tienen ese problema, no un componente fallado.
06En el laboratorio
Alimentar la misma carga (12 V, 1 A) con un regulador lineal 7812 desde 20 V y con un módulo reductor conmutado. Medir tensión y corriente de entrada en los dos casos y calcular el rendimiento. Tocar los dos: el lineal quema, el conmutado está tibio. Anotar la potencia disipada en cada uno.
Sobre un módulo reductor, medir con el osciloscopio la tensión en el nodo de conmutación —se ve la onda cuadrada—, la corriente por la inductancia con una sonda de corriente o una resistencia patrón, y el rizado de salida en acoplamiento alterna. Verificar que D coincide con Vo/Vi y variar la carga para ver cómo el lazo ajusta D.
Con transformador de aislación y tensión reducida, armar un puente monofásico controlado y medir la tensión media para α = 0°, 45°, 90° y 135°. Comparar con la fórmula. Repetir con carga inductiva y observar la diferencia en la forma de onda de la corriente.
Sobre un puente en H de baja tensión, medir con dos canales las señales de mando de la rama superior e inferior y verificar el tiempo muerto. Reducirlo progresivamente y observar el pico de corriente de la fuente: es la demostración de por qué existe, hecha sin llegar a destruir nada.
07Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| La fuente conmutada silba | Trabaja en modo intermitente por poca carga, o el núcleo vibra por magnetostricción. Suele ser normal en vacío. |
| Muere apenas se le exige corriente | Inductancia saturando, o llave subdimensionada. |
| Mucho rizado de salida | Capacitor con ESR alta, o el capacitor está lejos del punto de conmutación. |
| Interfiere con la radio y con otros equipos | Filtro de entrada ausente o mal puesto, y lazos de masa grandes en la placa (PCB). |
| Se calienta mucho sin razón aparente | Driver débil: transiciones lentas y pérdidas de conmutación altas. |
| El puente se destruye al arrancar | Tiempo muerto insuficiente o nulo: las dos llaves de una rama conducen a la vez. |
| La tensión del rectificador controlado no coincide con la fórmula | La carga es inductiva y hay conducción durante parte del semiciclo negativo, o falta el diodo de rueda libre. |
| El inversor mueve el motor con ruido y vibración | Portadora demasiado baja, o salida cuadrada en vez de PWM senoidal. |
08Autoevaluación
Un regulador lineal entrega 5 V y 1,5 A desde 15 V. ¿Cuánto disipa y qué rendimiento tiene?
Disipa (15 − 5) × 1,5 = 15 W y entrega 7,5 W: rendimiento 7,5/22,5 = 33 %.
¿Por qué una fuente conmutada puede ser tan chica?
Porque trabaja a decenas o cientos de kHz en vez de 50 Hz: el núcleo del transformador y los filtros necesarios son mucho más chicos, ya que la energía por ciclo es muchísimo menor.
En un convertidor reductor con 24 V de entrada y D = 0,25, ¿cuál es la salida?
Vo = D · Vi = 0,25 × 24 = 6 V.
¿Qué pasa si la inductancia de un convertidor satura?
Deja de comportarse como inductancia: la corriente crece casi sin límite en cada ciclo y destruye la llave. Por eso se elige la bobina por su corriente de saturación.
Puente trifásico sobre 380 V con α = 30°: ¿tensión continua?
V = 1,35 × 380 × cos 30° = 513 × 0,866 = 444 V.
¿Qué significa que un rectificador controlado trabaje con α mayor que 90°?
Que su tensión media se hace negativa y el circuito devuelve energía a la red: funciona como inversor. Es lo que permite el frenado regenerativo, si la carga puede entregar energía.
¿Cómo se arma una senoidal con PWM?
Comparando una senoidal de referencia con una portadora triangular de frecuencia mucho mayor. La salida conmuta a la frecuencia de la portadora con ancho variable, y su valor medio sigue a la senoidal. Un filtro deja pasar sólo esa componente.
¿Para qué sirve el tiempo muerto en un puente?
Para asegurar que las dos llaves de una misma rama nunca conduzcan a la vez. Sin él se produce un cortocircuito de la fuente continua a través de las dos llaves, que se destruyen de inmediato.
¿Por qué un IGBT necesita un driver y no se lo maneja directo desde un micro?
Porque su compuerta es capacitiva —nanofaradios— y para conmutar rápido hay que cargarla y descargarla con picos de varios amperes. Un pin de micro entrega 20 mA: la transición sería lentísima y las pérdidas, enormes.
¿Por qué el puente trifásico da una continua más limpia que el monofásico?
Porque entrega seis pulsos por ciclo en vez de dos: el rizado es menor y de frecuencia más alta (300 Hz), así que el filtro necesario es mucho más chico.