Fuentes de voltaje Switcheadas o  conmutadas

            Introducción

            Actualmente la única forma de distribuir la energía eléctrica, es en forma de voltaje y corriente alterna, sin embargo muchos aparatos electrónicos operan con energía eléctrica en forma de corriente y voltaje directo. Lo que implica la necesidad de convertir el voltaje y corriente alterno en voltaje y corriente directo.

             A este tipo de convertidores de V_CA a V_CC se les conoce generalmente como fuentes de alimentación y de las cuales destacan actualmente las llamadas fuentes lineales o reguladas serie y las fuentes de conmutación o de switcheo. Ambos tipos de fuentes cumplen perfectamente con el propósito básico de conversión de V_CA a V_CC, con ciertas ventajas y desventajas características de cada una de ellas.

            Fuentes Lineales

            Las fuentes lineales se caracterizan por implementar un mecanismo de regulación basad en un elemento de paso serie, que consiste generalmente de uno o varios transistores, que trabajan como resistencias variables que disipan el exceso de energía en forma de calor, por lo que se dice que tienen un regulador disipativo y que a su vez implica una baja eficiencia, para ilustrar esto supongamos que tenemos una fuente lineal regulada serie como la mostrada en la figura 4.1, donde el transformador de entrada se encarga de aislar la carga y de adecuar el voltaje de entrada, al elemento de paso o regulador el cual consumirá potencia de forma proporcional al producto de la corriente de carga I_C por la diferencia de voltaje de entrada y el de salida V_O del regulador, es decir que esta potencia representa perdidas para el sistema, litando la cantidad de potencia disponible para la carga o de la diferencia de voltaje, por lo que la eficiencia del regulador esta dado por la siguiente ecuación:

            De la relación anterior se ve que para obtener la máxima eficiencia, el voltaje de salida deberá ser lo más cercano posible al voltaje de entrada. Como se menciono anteriormente la perdida de potencia en el regulador (V_I-V_O)I totalmente se disipa en forma de calor, lo que implica una cuidadosa sección de un enfriador adecuado del elemento de paso, además de ubicar en las fuentes lineales en aplicaciones de ½ y baja potencia por lo general menos de 100 Watts.

Por otro lado del punto de vista de regulación estabilidad, bajo nivel de rizo, baja impedancia de salida en las fuentes lineales es excelente, además de poseer una baja susceptibilidad electromagnética en un factor de 10 a 20 son mejores que las conmutadas.

Figura 4.1

Fuentes conmutadas

            Las fuentes lineales proporcionan una salida de voltaje constante para una entrada variable, pero lo hace ineficientemente. El medio más eficiente de regulación de voltaje es el implementado en las fuentes de conmutación, de hecho se trata de los mismos elementos de paso (transistores), pero en lugar de utilizarlos como una resistencia variable, ahora es encendido y apagado dependiendo de que tanto voltaje de salida se desea, es decir, ahora el elemento de paso se comporta como un switch, que se abre y se cierra a una frecuencia relativamente alta, generando así una forma de onda cuadrada o casi cuadrada que a su vez es alimentada por un filtro pasa bajas, resultando así una corriente continua controlable en amplitud, la eficiencia de este método de regulación es usualmente alta entre un 70% y 95%.

            De hecho las fuentes, son sobre todo por el funcionamiento del elemento de paso convertidores CD a CD de un solo cuadrante, esto recuerda mucho la forma de operación de un troceador o un inversor, dependiendo así si están o no acoplados del trasformador o la carga.

            Este tipo de fuente se les puede llamar configuraciones tipo T debido a que están formadas por tres elementos principalmente que son:

o        Un transistor (interruptor)

o        Un Inductor

o        Un diodo de carga

El voltaje de salida puede ser variado por medio de una relación que se llama ciclo de trabajo (ciclo de servicio).

Donde pueden ser variados los tiempos de encendido o bien los tiempos de frecuencia.

            El V_O puede ser variado por el ciclo de trabajo.

Modulaciones para obtener el voltaje de salida.

PWM (t_on variable y T constante)

Frecuencia (t_on constante y T variable)

Tipo Buck (Step - Down)

Tipo Boost  (Step – Up)

            Tipo Buck Boost ( Fly – Back )

            D.D. = Diodo de descarga

            DV_o = Voltaje de rizo de salida de pico a pico (valor pequeño)

            I_o = Corriente de salida

            Otra variación de este tipo de fuentes es la del circuito conectado en configuración push-pull que trabaja en base a dos transistores conectados a un devanado de un primario de un trasformador, generando así un voltaje de corriente alterno en el secundario del transformador. Pero a una frecuencia relativamente alta; cabe mencionar que neutro del transformador es alimentado por un voltaje de DC y que los colectores de los transistores van conectados a cada uno de las partes del primario del transformador. Los transistores trabajan defasados 180° uno del otro y a continuación se muestra el circuito:

            Frecuencia de operación entre 10 y 20 Khz, necesariamente transformador de ferrita

            Calculo del trasformador de ferrita:

Tabla comparativa entre una fuente lineal y una conmutada

            Calcular L y L_o, el ciclo de trabajo de una fuente tipo Buck, una tipo Boost y una tipo Buck-Boost, donde la frecuencia de operación es de 20 kHz, el V_in a 32v, en la fuente Buck se pretende que el voltaje sea 5v, en la Boost 64v y en la Buck-Boost de –5v. El DV_o es de 0.1 volts, la corriente de 2 Amperes; para estos valores de voltaje de salida determine en donde esta el ciclo de trabajo t_on y t_off.