Fuente de Alimentación Conmutada (SMPS)

¿Qué tal amigos de ingtelecto?, el día de hoy hablaremos sobre la fuente de alimentación conmutada (SMPS) por sus siglas en inglés. Y hablaremos sobre todo lo que conlleva utilizar este tipo de fuentes para darle solución a grandes inquietudes dentro del mundo de la electrónica de potencia.
Para una fuente de alimentación conmutada dedicada, los reguladores de voltaje lineales son generalmente mucho más eficientes y fáciles de usar que los circuitos equivalentes de regulación de voltaje hechos con componentes discretos, como un diodo Zener y una resistencia, o transistores e incluso amplificadores operacionales.
Los tipos más populares de reguladores de voltaje lineales y de salida fija son, por mucho, la serie 78, para salida de voltaje positivo y la serie 79, para salida de voltaje negativo. Estos dos tipos de reguladores de voltaje complementarios producen una salida de voltaje precisa y estable que va desde aproximadamente 5 voltios hasta 24 voltios, utilizada en muchos circuitos electrónicos.
Existe una amplia gama de estos reguladores de voltaje de tres terminales disponibles, cada uno con sus propios circuitos integrados de regulación de voltaje y limitación de corriente. Esto nos permite crear una variedad de diferentes rieles de suministro de energía y salidas, ya sea de fuente simple o dual, adecuados para la mayoría de circuitos y aplicaciones electrónicas.
Incluso hay reguladores de voltaje lineales variables disponibles que proporcionan una salida de voltaje continuamente variable, desde poco más de cero hasta unos pocos voltios por debajo de su salida máxima.
La mayoría de las fuentes de alimentación de corriente continua (DC) están compuestas por un transformador de red reductor grande y pesado, rectificación con diodos, ya sea de onda completa o media onda, y un circuito de filtro para eliminar cualquier contenido de rizado del DC rectificado y producir un voltaje de salida DC adecuadamente suave.
Además, se puede utilizar algún tipo de circuito regulador o estabilizador de voltaje, ya sea lineal o conmutado, para asegurar la correcta regulación del voltaje de salida de la fuente de alimentación bajo condiciones de carga variables. Así, una fuente de alimentación típica de DC se vería algo como esto:
Fuente de alimentación de CC típica
Estos diseños típicos de fuentes de alimentación contienen un gran transformador de red (que también proporciona aislamiento entre la entrada y la salida) y un circuito regulador en serie. El circuito regulador podría constar de un solo diodo Zener o de un regulador lineal en serie de tres terminales para producir el voltaje de salida requerido. La ventaja de un regulador lineal es que el circuito de la fuente de alimentación solo necesita un condensador de entrada, un condensador de salida y algunas resistencias de retroalimentación para establecer el voltaje de salida.
Los reguladores de voltaje lineal producen una salida de CC regulada colocando un transistor de conducción continua en serie entre la entrada y la salida, operándolo en su región lineal (de ahí el nombre) de sus características de corriente-voltaje (I-V).
De este modo, el transistor actúa más como una resistencia variable que se ajusta continuamente al valor que se necesita para mantener el voltaje de salida correcto. Considere este sencillo circuito regulador de transistor de paso en serie a continuación:
Circuito regulador de Transistores en Serie
Este sencillo circuito regulador seguidor de emisor consta de un único transistor NPN y una tensión de polarización de CC para establecer la tensión de salida requerida. Como un circuito seguidor de emisor tiene una ganancia de tensión unitaria, al aplicar una tensión de polarización adecuada a la base del transistor, se obtiene una salida estabilizada desde el terminal del emisor.
Dado que un transistor proporciona ganancia de corriente, la corriente de carga de salida será mucho más alta que la corriente base y más alta aún si se utiliza una disposición de transistor Darlington.
Además, siempre que el voltaje de entrada sea lo suficientemente alto como para obtener el voltaje de salida deseado, el voltaje de salida está controlado por el voltaje de base del transistor y en este ejemplo se da como 5.7 volts para producir una salida de 5 voltios a la carga, ya que se dejan caer aproximadamente 0.7 volts a través del transistor entre los terminales de la base y el emisor. Luego, dependiendo del valor del voltaje de base, se puede obtener cualquier valor de voltaje de salida del emisor.
Si bien este sencillo circuito regulador en serie funciona, la desventaja es que el transistor en serie está continuamente polarizado en su región lineal, lo que disipa potencia en forma de calor. Dado que toda la corriente de carga debe pasar por el transistor en serie, esto da como resultado una eficiencia deficiente, un desperdicio de potencia, dada por $\displaystyle P=IV$ y una generación continua de calor alrededor del transistor.
Además, una de las desventajas que tienen los reguladores de voltaje en serie es que su corriente de salida continua máxima está limitada a unos pocos amperios aproximadamente, por lo que generalmente se utilizan en aplicaciones donde se requieren salidas de baja potencia.
Cuando se requieren mayores demandas de potencia de corriente o voltaje de salida, la práctica normal es utilizar un regulador de conmutación comúnmente conocido como fuente de alimentación de modo conmutado para convertir el voltaje de la red en cualquier potencia de salida mayor que se requiera.
Las fuentes de alimentación de modo conmutado o SMPS , se están volviendo comunes y han reemplazado en la mayoría de los casos a las fuentes de alimentación CA a CC lineales tradicionales como una forma de reducir el consumo de energía, reducir la disipación de calor, así como el tamaño y el peso.
Las fuentes de alimentación de modo conmutado ahora se pueden encontrar en la mayoría de las PC, amplificadores de potencia, televisores, controladores de motores de CC, etc., y prácticamente cualquier cosa que requiera un suministro altamente eficiente, ya que las fuentes de alimentación de modo conmutado se están convirtiendo cada vez más en una tecnología mucho más madura.
Por definición, una fuente de alimentación conmutada (SMPS) es un tipo de fuente de alimentación que utiliza técnicas de conmutación de semiconductores, en lugar de métodos lineales estándar para proporcionar el voltaje de salida requerido. El convertidor de conmutación básico consta de una etapa de conmutación de potencia y un circuito de control.
La etapa de conmutación de potencia realiza la conversión de potencia desde el voltaje de entrada de los circuitos, $\displaystyle {{V}_{{EN}}}$ a su voltaje de salida, $\displaystyle {{V}_{{OUT}}}$ que incluye el filtrado de salida.
La principal ventaja de la fuente de alimentación conmutada es su mayor eficiencia, en comparación con los reguladores lineales estándar, y esto se logra conmutando internamente un transistor (o MOSFET de potencia) entre su estado “ON” (saturado) y su estado “OFF” (corte), los cuales producen una menor disipación de potencia.
Esto significa que cuando el transistor de conmutación está completamente encendido y conduce corriente, la caída de voltaje a través de él está en su valor mínimo, y cuando el transistor está completamente apagado, no fluye corriente a través de él. Por lo tanto, el transistor actúa como un interruptor de encendido/apagado ideal.
A diferencia de los reguladores lineales que solo ofrecen regulación de voltaje en modo reductor, una fuente de alimentación conmutada puede proporcionar reducción, aumento y negación del voltaje de entrada utilizando una o más de las tres topologías básicas de circuitos conmutados: Buck , Boost y Buck-Boost . Estos nombres se refieren a cómo se conectan entre sí el interruptor del transistor, el inductor y el capacitor de suavizado dentro del circuito SMPS básico.
Fuente de alimentación conmutada Buck
El Regulador de conmutación Buck es un tipo de circuito de fuente de alimentación conmutada que está diseñado para reducir de manera eficiente el voltaje de CC de un voltaje más alto a uno más bajo, es decir, resta o "reduce" el voltaje de suministro, reduciendo así el voltaje disponible en los terminales de salida sin cambiar la polaridad. En otras palabras, el regulador de conmutación Buck es un circuito regulador reductor, por lo que, por ejemplo, un convertidor Buck puede convertir, por ejemplo, +12 volts a +5 volts.
El regulador de conmutación reductor es un convertidor de CC a CC y uno de los tipos de regulador de conmutación más simples y populares. Cuando se utiliza dentro de una configuración de fuente de alimentación conmutada, el regulador de conmutación reductor utiliza un transistor en serie o un MOSFET de potencia (idealmente un transistor bipolar de puerta aislada o IGBT) como su dispositivo de conmutación principal, como se muestra en la siguiente imagen.
Circuito de Conmutación Buck
lectores aquí podemos ver que la configuración básica del circuito para un convertidor buck es un interruptor de transistor en serie, TR1, con un circuito de control asociado que mantiene el voltaje de salida lo más cerca posible del nivel deseado, un diodo $\displaystyle {{D}_{1}}$, un inductor $\displaystyle {{L}_{1}}$, y un condensador de suavizado $\displaystyle {{C}_{1}}$. El convertidor buck tiene dos modos de operación, dependiendo de si el transistor de conmutación $\displaystyle T{{R}_{1}}$ está encendido (“ON”) o apagado (“OFF”).
Cuando el transistor está polarizado en “ON” (interruptor cerrado), el diodo $\displaystyle {{D}_{1}}$ se polariza en inversa y el voltaje de entrada $\displaystyle {{V}_{{IN}}}$ provoca que una corriente fluya a través del inductor hacia la carga conectada en la salida, cargando el condensador $\displaystyle {{C}_{1}}$.
A medida que una corriente cambiante fluye a través de la bobina del inductor, produce una fuerza electromotriz contraria que se opone al flujo de corriente, de acuerdo con la ley de Faraday, hasta que alcanza un estado estable, creando un campo magnético alrededor del inductor $\displaystyle {{L}_{1}}$. Esta situación continúa indefinidamente mientras $\displaystyle T{{R}_{1}}$ esté cerrado.
Cuando el transistor $\displaystyle T{{R}_{1}}$ se apaga (“OFF”) (interruptor abierto) por el circuito de control, el voltaje de entrada se desconecta instantáneamente del circuito del emisor, lo que provoca que el campo magnético alrededor del inductor colapse, induciendo un voltaje inverso a través del inductor.
Este voltaje inverso hace que el diodo se polarice en directa, por lo que la energía almacenada en el campo magnético del inductor fuerza que la corriente continúe fluyendo a través de la carga en la misma dirección, y regrese a través del diodo.
Entonces, el inductor $\displaystyle {{L}_{1}}$ devuelve su energía almacenada a la carga, actuando como una fuente y suministrando corriente hasta que toda la energía del inductor se devuelva al circuito o hasta que el interruptor del transistor se cierre nuevamente, lo que ocurra primero. Al mismo tiempo, el condensador también se descarga, suministrando corriente a la carga. La combinación del inductor y el condensador forma un filtro LC que suaviza cualquier rizado creado por la acción de conmutación del transistor.
Por lo tanto, cuando el interruptor de estado sólido del transistor está cerrado, la corriente es suministrada desde la fuente, y cuando el interruptor del transistor está abierto, la corriente es suministrada por el inductor. Nota que la corriente que fluye a través del inductor siempre va en la misma dirección, ya sea directamente desde la fuente o a través del diodo, pero obviamente en diferentes momentos dentro del ciclo de conmutación.
Dado que el interruptor del transistor se está cerrando y abriendo continuamente, el valor promedio del voltaje de salida estará relacionado con el ciclo de trabajo, D, que se define como el tiempo de conducción del interruptor del transistor durante un ciclo completo de conmutación.
Si $\displaystyle {{V}_{{IN}}}$ es el voltaje de suministro, y los tiempos de encendido y apagado del interruptor del transistor se definen como: $\displaystyle {{t}_{{ON}}}$ y $\displaystyle {{t}_{{OFF}}}$, entonces el voltaje de salida $\displaystyle {{V}_{{OUT}}}$ se da como:
Ciclo de trabajo del convertidor Buck
El ciclo de trabajo de un convertidor buck también se puede definir como:
$\displaystyle D=\frac{{{{t}_{{ON}}}}}{{\left( {{{t}_{{ON}}}+{{t}_{{OFF}}}} \right)}}=\frac{{{{t}_{{ON}}}}}{{Tiempo}}=\frac{{{{t}_{{ON}}}}}{T}$
y esto a su vez:
$\displaystyle D\approx \frac{{{{V}_{{OUT}}}}}{{{{V}_{{IN}}}}}$
o también
$\displaystyle {{V}_{{OUT}}}=D{{V}_{{IN}}}$
Entonces, cuanto mayor sea el ciclo de trabajo, mayor será el voltaje de salida promedio de corriente continua (DC) de la fuente de alimentación conmutada. De esto también se deduce que el voltaje de salida siempre será más bajo que el voltaje de entrada, ya que el ciclo de trabajo, D, nunca puede alcanzar uno (unidad), lo que da como resultado un regulador de voltaje reductor.
La regulación de voltaje se obtiene variando el ciclo de trabajo, y con velocidades de conmutación altas, de hasta 200 kHz, se pueden usar componentes más pequeños, lo que reduce significativamente el tamaño y el peso de una fuente de alimentación conmutada.
Otra ventaja del convertidor buck es que el arreglo inductor-condensador (LC) proporciona un filtrado muy eficiente de la corriente del inductor. Idealmente, el convertidor buck debe operar en un modo de conmutación continua para que la corriente en el inductor nunca caiga a cero. Con componentes ideales, es decir, sin caídas de voltaje ni pérdidas de conmutación en el estado “ON”, el convertidor buck ideal podría alcanzar eficiencias de hasta un 100%.
Además del regulador conmutado reductor (buck) para el diseño básico de una fuente de alimentación conmutada, existe otra operación fundamental que actúa como un regulador de voltaje elevador llamado convertidor Boost.
Fuente de alimentación conmutada Boost
El regulador de conmutación Boost es otro tipo de circuito de fuente de alimentación conmutada. Tiene los mismos tipos de componentes que el convertidor reductor anterior, pero esta vez en diferentes posiciones. El convertidor elevador está diseñado para aumentar un voltaje de CC de un voltaje más bajo a uno más alto, es decir, agrega o "aumenta" el voltaje de suministro, aumentando así el voltaje disponible en los terminales de salida sin cambiar la polaridad. En otras palabras, el regulador de conmutación Boost es un circuito regulador elevador, por lo que, por ejemplo, un convertidor elevador puede convertir, digamos, +5 voltios a +12 voltios.
Vimos anteriormente que el regulador de conmutación Buck utiliza un transistor de conmutación en serie dentro de su diseño básico. La diferencia con el diseño del regulador de conmutación Boost es que utiliza un transistor de conmutación conectado en paralelo para controlar el voltaje de salida de la fuente de alimentación conmutada.
Como el interruptor del transistor está efectivamente conectado en paralelo con la salida, la energía eléctrica solo pasa a través del inductor a la carga cuando el transistor está polarizado en “APAGADO” (interruptor abierto) tal como se muestra en la siguiente imagen.
Circuito de Conmutación Boost
n el circuito del convertidor elevador , cuando el interruptor del transistor está completamente activado, la energía eléctrica de la fuente de alimentación, $\displaystyle {{V}_{{IN}}}$, pasa a través del inductor y el interruptor del transistor y regresa a la fuente de alimentación. Como resultado, nada de esta energía pasa a la salida, ya que el interruptor del transistor saturado crea efectivamente un cortocircuito en la salida.
Esto aumenta la corriente que fluye a través del inductor, ya que tiene un camino interno más corto para volver a la fuente de alimentación. Mientras tanto, el diodo $\displaystyle {{D}_{1}}$ se polariza de forma inversa, ya que su ánodo está conectado a tierra a través del interruptor del transistor y el nivel de voltaje en la salida permanece bastante constante a medida que el capacitor comienza a descargarse a través de la carga.
Cuando el transistor está completamente apagado, la fuente de alimentación de entrada está conectada a la salida a través del inductor y el diodo conectados en serie. A medida que el campo del inductor disminuye, la energía inducida almacenada en el inductor se envía a la salida mediante $\displaystyle {{V}_{{IN}}}$ a través del diodo, ahora con polarización directa.
El resultado de todo esto es que el voltaje inducido a través del inductor L 1 se invierte y se suma al voltaje de la fuente de entrada, aumentando el voltaje de salida total, que ahora es $\displaystyle {{V}_{{IN}}}+{{V}_{L}}$ .
La corriente del condensador de suavizado, $\displaystyle {{C}_{1}}$ , que se utilizó para alimentar la carga cuando el interruptor del transistor estaba cerrado, ahora se devuelve al condensador mediante la fuente de entrada a través del diodo. Entonces, la corriente suministrada al condensador es la corriente del diodo, que siempre estará "ENCENDIDA" o "APAGADA" ya que el diodo cambia continuamente entre su estado directo e inverso por la acción de conmutación del transistor. Entonces, el condensador de suavizado debe ser lo suficientemente grande como para producir una salida uniforme y constante.
Como el voltaje inducido a través del inductor $\displaystyle {{L}_{1}}$ es negativo, se suma al voltaje de la fuente, $\displaystyle {{V}_{{IN}}}$, lo que fuerza la corriente del inductor hacia la carga. El voltaje de salida en estado estable de los convertidores elevadores se obtiene de la siguiente manera:
$\displaystyle {{V}_{{OUT}}}={{V}_{{IN}}}\left( {\frac{1}{{1-D}}} \right)$
Al igual que con el convertidor reductor anterior, la tensión de salida del convertidor elevador depende de la tensión de entrada y del ciclo de trabajo. Por lo tanto, al controlar el ciclo de trabajo, se logra la regulación de la salida. No obstante, esta ecuación es independiente del valor del inductor, la corriente de carga y el capacitor de salida.
Hemos visto anteriormente que el funcionamiento básico de un circuito de fuente de alimentación conmutada no aislada puede utilizar una configuración de convertidor reductor o elevador, dependiendo de si necesitamos una tensión de salida reductora (buck) o elevadora (boost). Si bien los convertidores reductores pueden ser la configuración de conmutación de SMPS más común, los convertidores elevadores se utilizan comúnmente en aplicaciones de circuitos capacitivos, como cargadores de baterías, flashes fotográficos, flashes estroboscópicos, etc., porque el capacitor suministra toda la corriente de carga mientras el interruptor está cerrado.
Pero también podemos combinar estas dos topologías de conmutación básicas en un único circuito regulador de conmutación no aislante llamado, como era de esperar, convertidor Buck-Boost.
Fuente de alimentación conmutada Buck-Boost
La fuente de alimentación conmutada Buck-Boost es una combinación del convertidor Buck y el convertidor Boost que produce un voltaje de salida invertido (negativo) que puede ser mayor o menor que el voltaje de entrada según el ciclo de trabajo. El convertidor Buck-Boost es una variación del circuito del convertidor Boost en el que el convertidor inversor solo entrega la energía almacenada por el inductor, $\displaystyle {{L}_{1}}$ , a la carga. El circuito básico de fuente de alimentación conmutada Buck-Boost se muestra a continuación.
Circuito de Conmutación Buck-Boost
Cuando el interruptor del transistor,$\displaystyle T{{R}_{1}}$, está completamente encendido (cerrado), el voltaje a través del inductor es igual al voltaje de suministro, por lo que el inductor almacena energía del suministro de entrada. No se entrega corriente a la carga conectada en la salida porque el diodo, $\displaystyle {{D}_{1}}$, está polarizado en forma inversa. Cuando el interruptor del transistor está completamente apagado (abierto), el diodo se polariza en forma directa y la energía previamente almacenada en el inductor se transfiere a la carga.
En otras palabras, cuando el interruptor está en “ON”, la energía se entrega al inductor por la fuente de CC (a través del interruptor), y no a la salida, y cuando el interruptor está en “OFF”, el voltaje a través del inductor se invierte ya que el inductor ahora se convierte en una fuente de energía, por lo que la energía almacenada previamente en el inductor se conmuta a la salida (a través del diodo), y no llega directamente de la fuente de CC de entrada. Por lo tanto, el voltaje que cae a través de la carga cuando el transistor de conmutación está en “OFF” es igual al voltaje del inductor.
El resultado es que la magnitud del voltaje de salida invertido puede ser mayor o menor (o igual a) la magnitud del voltaje de entrada en función del ciclo de trabajo. Por ejemplo, un convertidor reductor-elevador positivo a negativo puede convertir 5 voltios en 12 voltios (convertidor elevador) o 12 voltios en 5 voltios (convertidor reductor).
El voltaje de salida en estado estable de los reguladores de conmutación reductores-elevadores, $\displaystyle {{V}_{{OUT}}}$, se expresa como:
$\displaystyle {{V}_{{OUT}}}={{V}_{{IN}}}\left( {\frac{D}{{1-D}}} \right)$
El regulador reductor-elevador recibe su nombre porque produce un voltaje de salida que puede ser mayor (como una etapa de potencia elevadora) o menor (como una etapa de potencia reductora) en magnitud que el voltaje de entrada. Sin embargo, el voltaje de salida tiene polaridad opuesta al voltaje de entrada.
Resumen de Fuente de Alimentación Conmutada
1. Convertidor Buck (Reductor):
- Función: Reduce el voltaje de entrada a un nivel más bajo de salida. Es un regulador reductor de voltaje.
- Principio de Operación: En el modo "ON", el transistor permite el flujo de corriente a través del inductor hacia la carga, mientras que en el modo "OFF", el diodo permite que el inductor continúe alimentando la carga. El ciclo de trabajo (D) determina la proporción de tiempo en que el transistor está "ON", lo que regula el voltaje de salida.
- Aplicaciones: Se usa cuando se necesita reducir el voltaje de una fuente de alimentación, por ejemplo, de 12V a 5V.
- Características:
- Voltaje de salida siempre más bajo que el de entrada.
- Altas eficiencias (hasta 95% o más) en condiciones óptimas.
2. Convertidor Boost (Elevador):
- Función: Eleva el voltaje de entrada a un nivel más alto de salida. Es un regulador elevador de voltaje.
- Principio de Operación: Cuando el transistor está "ON", el inductor se carga con energía. Al apagarse ("OFF"), la energía almacenada en el inductor se transfiere a la salida a través del diodo, elevando el voltaje.
- Aplicaciones: Usado cuando se necesita aumentar el voltaje, por ejemplo, para alimentar dispositivos de mayor voltaje desde una fuente de bajo voltaje, como elevar 5V a 12V.
- Características:
- Voltaje de salida siempre más alto que el de entrada.
- Requiere componentes de mayor voltaje.
3. Convertidor Buck-Boost (Reductor-Elevador):
- Función: Puede reducir o aumentar el voltaje de entrada, dependiendo de la relación de trabajo del ciclo (duty cycle). Funciona como un regulador reductor o elevador de voltaje.
- Principio de Operación: Combina las operaciones del convertidor Buck y Boost. En el modo "ON", el inductor se carga, y cuando el transistor se apaga, el inductor transfiere su energía a la salida, ya sea reduciendo o elevando el voltaje según la necesidad.
- Aplicaciones: Útil cuando el voltaje de entrada puede ser mayor o menor que el voltaje de salida deseado, como en sistemas alimentados por baterías que fluctúan en voltaje.
- Características:
- Puede generar un voltaje de salida mayor, igual o menor que el voltaje de entrada.
- Proporciona gran flexibilidad en diseños de fuentes de alimentación donde la entrada varía.
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