Fuentes conmutadas
Un reductor que entrega 12 V con 2,4 A sube a 15,4 V cuando la carga baja a 0,77 A, sin tocar el ciclo de trabajo: entró en conducción discontinua. Por eso toda fuente conmutada necesita realimentación.
01El principio
Una fuente lineal regula disipando la diferencia entre la entrada y la salida, como se vio en fuentes reguladas lineales. Una fuente conmutada, en cambio, trocea la tensión con una llave que abre y cierra a frecuencia fija, y filtra el resultado con un inductor y un capacitor, que idealmente no disipan. Con el ciclo de trabajo \( D \), la fracción del período en que la llave conduce, se fija la relación entre salida y entrada. El rendimiento llega al 85 a 97 %, y el tamaño de los componentes magnéticos baja al subir la frecuencia. Una introducción más práctica está en la página de fuentes conmutadas de la tecnicatura.
02Las topologías
En régimen permanente, la tensión media sobre el inductor es cero: de ese balance salen las relaciones de conducción continua.
| Topología | Vo/Vi en conducción continua | Uso |
|---|---|---|
| Reductor (buck) | \( D \) | Puntos de carga, reguladores de procesadores |
| Elevador (boost) | \( 1/(1-D) \) | Baterías a tensiones mayores, corrección del factor de potencia |
| Reductor-elevador | \( -D/(1-D) \) | Salidas invertidas o mayores y menores que la entrada |
| Flyback | \( \frac{N_s}{N_p}\,\frac{D}{1-D} \) | Fuentes aisladas de hasta unos 100 W: cargadores |
| Forward | \( \frac{N_s}{N_p}\,D \) | Fuentes aisladas de cientos de W |
| Medio puente, puente, LLC | según la topología | Potencias altas, alto rendimiento |
Las fuentes aisladas usan un transformador de alta frecuencia; en el flyback ese transformador es en realidad un inductor acoplado que almacena la energía en su entrehierro, como se vio en materiales magnéticos.
03Conducción continua y discontinua
Si la carga es liviana, la corriente del inductor llega a cero antes de que termine el período: es la conducción discontinua. Ahí la relación de tensiones deja de ser \( D \) y pasa a depender de la carga. En el reductor, con \( K = 2L/(R\,T) \):
Un reductor de 24 V a 100 kHz con capacitor de salida de 100 μF, trabajando a lazo abierto. La curva es la corriente del inductor durante tres períodos; la línea de trazos, la corriente de carga.
04Control, rectificación y ruido
La salida se regula con un lazo que ajusta \( D \). En el control por tensión, un amplificador de error compara la salida con una referencia y un modulador de ancho de pulso genera \( D \); el filtro LC agrega dos polos y el lazo se compensa como se vio en estabilidad y compensación. En el control por corriente, un lazo interno limita la corriente de pico de la llave en cada ciclo: la planta queda de primer orden y la protección contra sobrecorriente es automática.
A baja tensión de salida, la caída del diodo de rueda libre se come buena parte del rendimiento; se lo reemplaza por un MOSFET que conduce en sincronismo, la rectificación sincrónica. Las fuentes que toman más de unos 75 W de la red incluyen una etapa elevadora de corrección del factor de potencia, que obliga a la corriente de entrada a seguir la forma senoidal de la tensión. Los flancos rápidos generan interferencia conducida y radiada, que se controla con filtros de entrada, disposición cuidadosa de la placa y blindajes.
05En el laboratorio
Con un reductor de laboratorio y ciclo de trabajo fijo, variar la carga y medir la tensión de salida y la corriente del inductor con una punta de corriente; identificar el paso a conducción discontinua.
Medir el rendimiento de una fuente comercial en función de la carga, con diodo y con rectificación sincrónica.
Aplicar un escalón de carga a una fuente realimentada y medir el sobrepico y el tiempo de establecimiento de la salida.
06Errores frecuentes
- Usar Vo = D Vi con carga liviana. En conducción discontinua la salida sube.
- Elegir el inductor sin mirar su corriente de saturación. El pico, no el promedio, es el que satura el núcleo.
- Calcular la ondulación solo con la capacidad. La resistencia serie del capacitor suele dominar.
- Hacer lazos grandes con la corriente conmutada. Son antenas; el lazo de entrada debe ser lo más chico posible.
07Autoevaluación
¿Qué ciclo de trabajo necesita un elevador para pasar de 12 a 48 V?
D = 0,75.
En el laboratorio, con D = 0,5 y 22 μH, ¿qué ondulación de corriente hay en conducción continua?
\( \Delta I = 12 \cdot 0{,}5 \cdot 10\ \mu s / 22\ \mu H \approx 2{,}73 \) A.
¿Con qué resistencia de carga entra en conducción discontinua?
Cuando \( 2L/(RT) < 1 - D \): con R mayor que 8,8 Ω.
¿Qué ventaja tiene el control por corriente?
Simplifica la compensación del lazo de tensión y limita la corriente de la llave en cada ciclo.
08Para ampliar
- Robert W. Erickson y Dragan Maksimović. Fundamentals of Power Electronics. 3.ª ed., Springer, 2020. El análisis de los convertidores continua-continua, su modelado y su control.
- Abraham I. Pressman, Keith Billings y Taylor Morey. Switching Power Supply Design. 3.ª ed., McGraw-Hill, 2009. El diseño práctico de fuentes conmutadas, con sus transformadores.
- Sanjaya Maniktala. Switching Power Supplies A–Z. 2.ª ed., Newnes, 2012. Los detalles de diseño que las fórmulas no cuentan.