En esta serie de artículos haré una introducción a los convertidores DC-DC, circuitos electrónicos que aceptan en su entrada una tensión continua de un determinado valor y entregan a su salida una tensión de otro valor, pero también continua. Estudiaremos su principio de funcionamiento, analizaremos los convertidores mas comunes y veremos algunos modelos comerciales que puedes emplear para tus proyectos.
Introducción
¿Porqué el artículo no se titula “Introducción a las fuentes de alimentacion conmutadas”?
El término “Fuente de alimentación”, al menos en el sentido que le dí en la serie de artículos “Fuentes de alimentación lineales” es un circuito que convierte la tensión de CA de la red eléctrica en un valor de DC para ser empleado en un circuito electrónico.
Las fuentes conmutadas (o “switching” o SMPS -Switched Mode Power Supply) como las que incluyen las computadoras de escritorio, cumplen con esa función: toman la tensión alterna de la red, de algún valor entre 120 y 230V por ejemplo y lo convierten en una serie de tensiones de DC de 5V, 3.3V, 12V, etc para el funcionamiento de las partes internas de la PC.
El circuito de una fuente de este tipo puede ser bastante complejo porque tiene distintas etapas.
Como una fuente lineal, también tiene un rectificador, aunque es muy probable que esté conectado directamente a la tensión de red, un transformador que puede que esté después del rectificador y sea mas pequeño porque trabaja con frecuencias mas elevadas y un filtro para suavizar las variaciones de tensión.
También tiene protecciones a la entrada y a la salida y circuitos de regulación para mantener la o las tensiones de salida constantes. Y entre todos estos bloques, también tiene un conversor DC-DC para cambiar valores de tensión de corriente continua.
Pero, además de integrar las fuentes conmutadas, los convertidores DC-DC se pueden usar para otras aplicaciones, donde tenemos que adapar niveles de tensión (a veces disminuir y otras veces aumentar) con una eficiencia elevada para no desperdiciar energía, por ejemplo en aplicaciones que usan pequeñas baterías o paneles solares.
Por esa razón es que en estos artículos me enfocaré solo en los convertidores. Tal vez en el futuro pueda escribir algo sobre las fuentes conmutadas y que sea mas abarcativo.
El problema del rendimiento
En los artículos que dediqué a analizar las distintas etapas de las fuentes de alimentación lineales, desde el transformador hasta el regulador te expliqué que en general los reguladores funcionan modificando la caída de tensión entre sus bornes para ajustar el valor de la tensión de salida.
Por ejemplo, si queremos obtener 5V a la salida de la fuente y usamos para ello un regulador como el 7805 al que alimentamos con 9V, sobre el regulador tendremos una caída de tensión de 9V – 5V = 4V.
Si la carga consume 500 mA (0.5A), esta corriente también atraviesa al regulador y la potencia sobre él será de:
P = V \cdot I = 4V \cdot 0.5A = 2 Watts
No es un valor alto y es facil de manejar.
Pero que pasa si en vez de 0,5 A son 10A? (un 7805 no nos serviría, supongamos que lo cambiamos por otro que si soporte esa corriente).
La potencia ahora sería de:
P = V \cdot I = 4V \cdot 10A = 40 Watts
Para que ese regulador pueda disipar correctamente los 40 Watts sin dañarse seguramente tendremos que agregar un buen disipador que lo ayude a liberarse del calor.
¿Y si la corriente es aún mayor? ¿Si necesitamos una fuente que entregue 100 A?
La cuestión no es sólo seguir agregando disipadores o sistemas de refrigeración por aire o agua sino que este tipo de regulador es muy poco eficiente, no hace un buen uso de la energía que le entregamos y desaprovecha una cantidad importante de la misma.
La eficiencia (o rendimiento) se define como la potencia recibida por el circuito en relación a la potencia útil que entrega.
Para el ejemplo inicial de los 0,5A, la potencia entregada al circuito o potencia de entrada (Pi) es de:
P_i = I \cdot V_i = 0.5A \cdot 9V = 4,5 W
Y la potencia que estamos usando o aprovechando a su salida (Po)
P_o = I \cdot V_o = 0.5A \cdot 5V = 2,5 W
El rendimiento o eficiencia será entonces la relación entre estos dos valores de potencia:
\eta = \frac {P_o}{P_i} = \frac {2.5W}{4.5W} = 0.55Generalmente se lo multiplica por 100 y se lo expresa como un porcentaje:
\eta = 0.55 \cdot 100 = 55\%
Es decir que de la potencia que ingresa al regulador, aprovechamos un 55%, un poco mas de la mitad.
¿Y el resto? ¿Qué pasa con el otro 45%?
El resto se pierde en calor, se desaprovecha.
En una fuente lineal, no toda la culpa es del regulador. El transformador, el rectificador e incluso el filtro añaden pérdidas que disminuyen un poco mas el rendimiento integral de la fuente.
La energía eléctrica tiene un valor económico, así que al desperdiciarla también estamos perdiendo dinero. Por otro lado, la generación de electricidad de una forma u otra impacta negativamente sobre el medio ambiente, así que desperdiciarla no es una actitud amigable para con nuestro planeta.
Por supuesto, si la potencia que manejamos es de unos pocos Watts no se va a desequilibrar nuestro presupuesto ni contribuiremos significativamente al derretimiento de los casquetes polares, pero si se trata de un equipo industrial o un vehículo eléctrico que consume miles de watts la cosa cambia.
Veamoslo ahora por el otro extremo.
Supongamos que estamos alimentando un nodo de IoT que lee datos de un sensor y los reporta a un servidor remoto y para ello se alimenta de una batería de litio de 3V. Si la fuente que adapta la tensión de la batería al valor que necesita el microcontrolador (digamos 5V) es como el 7805 del ejemplo y desperdicia casi la mitad de la energía porque su rendimiento es muy bajo, el nodo no funcionará por mucho tiempo porque la batería se agotará rápidamente.
En casos como estos, situados en los dos extremos, un rendimiento muy bajo es inaceptable y se requieren circuitos que funcionen de otra manera. Es el caso de los convertidores DC-DC que veremos, que pueden lograr rendimientos entre un 80 y algo mas del 90%.
Conversores DC-DC
Un conversor DC-DC o continua-continua es un circuito que recibe tensión de DC del lado de su entrada y entrega un valor de tension distinto a su salida, pero también de DC.
La tensión de salida puede ser inferior a la de entrada, o superior, según el tipo de circuito.
Clasificación
Existen varios tipos de conversores, la primera clasificación se basa en si existe alguna separación entre la entrada y la salida.
Si no existe separación galvánica, si las masas están unidas, el conversor es NO aislado.
Si las masas están separadas y si hay aislación galvánica, el conversor es aislado. Para lograr la aislación seguramente se empleará algún tipo de transformador.
En este artículo solo haré referencia a los convertidores NO aislados.
Dentro de este tipo de convertidores, hay varios circuitos que tienen un principio de funcionamiento similar, usan mas o menos los mismos componentes, pero conectados de distintas maneras, dando lugar a los siguientes conversores:
- Buck (reductor)
- Boost (elevador)
- Buck-boost (reductor-elevador)
- Cuk
- Zeta
- SEPIC
Desarrollaré solo los tres primeros que son los tipos básicos. Los tres últimos podemos decir que son variaciones de los otros.
Componentes disipativos y conservativos
Antes de avanzar con el análisis de los distintos tipos de circuitos de convertidores, repasemos algunos conceptos funamentales sobre los componentes que se emplean en dichos circuitos.
Hay una gran diferencia entre el uso o tratamiento que hacen algunos componentes eléctricos de la energía que reciben desde alguna fuente.
Según como se comporten o que hagan con esa energía, los componentes se llaman disipativos o conservativos
Componentes disipativos
Un componente disipativo convierte la totalidad de la energía eléctrica que recibe en otra forma de energía, siendo las mas común el calor.
El caso mas representativo es un resistor o resistencia. Cuando le entregamos energía, la resistencia no puede hacer otra cosa que gastar esa energía transformandola en calor.
Una vez que la energía se transformó en calor, ya no puede ser recuperada (al menos dentro del circuito donde está la resistencia), por eso decimos que se gasta o se pierde.
A veces eso es deseable, como en el caso de una estufa o calentador, pero otras veces no, como en la fuente de alimentación del ejemplo con el que empezamos este artículo.
Otros componentes disipativos son los semiconductores, como los transistores o diodos. Si no trabajan como conmutadores eficientes, también disipan energía como el regulador 7805 del ejemplo al inicio.
Componentes conservativos
Un componente conservativo no gasta nada de energía, no la convierte a otro tipo de energía. Cuando recibe energía la almacena de alguna de forma y luego la devuelve a la fuente.
Los componentes conservativos son las bobinas y los capacitores.
En el caso de una bobina, cuando le entregamos energía, la misma se almacena en su interior como un campo magnético. Si la bobina es ideal, nada se pierde como calor. Luego, cuando se den las condiciones adecuadas, la bobina devolverá completamente esa energía, sin haber gastado ni una parte.
El otro componente conservativo es el condensador o capacitor.
Cuando entregamos energía a un condensador, se almacenan cargas eléctricas en su interior que producen un campo eléctrico que guarda esa energía. Si el capacitor es ideal, no hay pérdidas y en algún momento devolverá la totalidad de la energía recibida.
En los párrafos anteriores habrás notado que utilicé varias veces la palabra “ideal“. Los componentes ideales son los componentes que NO tienen resistencia.
Los componente reales si la tienen. Las bobinas están hechas de alambre y ese alambre tiene resistencia, aunque sea muy baja. Los condensadores reales también tienen una resistencia interna.
Esa resistencia de los componentes reales si es disipativa, por eso una bobina real o un condensador real pierden parte de la energía recibida en forma de calor, alejandose de la condición ideal.
Como podrás ir sospechando, la diferencia fundamental de los convertidores que estudiaremos es que dentro de lo posible usan componentes conservativos para disminuir el desperdicio de energía.
También podrás darte cuenta que sólo idealmente un convertidor puede tener una eficiencia del 100%. Al tener los componentes reales siempre alguna pérdida, ese ideal es inalcanzable en la práctica.
Variaciones de tensión y corriente
Otro aspecto importante a tener en cuenta al analizar el funcionamiento de los circuitos convertidores DC-DC es como se comportan los componentes utilizados frente a variaciones de la tensión o de la corriente.
Bobina
Las bobinas presentan lo que llamamos Inductancia, que se mide en Henrys (H).
La inductancia se opone a las variaciones de corriente. Si está circulando una corriente por la bobina y hacemos algo que provoque una disminución de la corriente, la bobina desarrollará entre sus bornes una tensión que “intentará” que la corriente no disminuya.
Lo opuesto también es cierto, si hacemos que la corriente por la bobina aumente, la tensión sobre la misma será tal que se opondrá a ese aumento.
Entonces el signo de la tensión en la bobina es tal que se opone a la variación de la corriente.
Por otro lado, la magnitud de la tensión dependerá de la velocidad de variación de la corriente: si la corriente varía lentamente, el voltaje en la bobina será bajo, pero si la variación es rápida la tensión será elevada.
La expresión matemática para la tensión sobre una bobina es:
V_L = L \cdot \frac{dI}{dt}donde L es su inductancia y la expresión dI/dt se llama “derivada de la corriente I con respecto al tiempo t” y no es otra cosa que un “medidor” que nos indica con que velocidad varía la corriente.
Condensador
El condensador funciona a la inversa, se opone a las variaciones de tensión.
Cuando la tensión en los bornes del condensador cambia, se origina una corriente. El valor de esa corriente dependerá de la velocidad de variación de la tensión, algo parecido a lo que sucedía con la corriente en la inductancia.
Matemáticamente:
I_C = C \cdot \frac{dV}{dt}donde C es la capacidad del condensador en Faradios y dV/dt es la “derivada de la tensión sobre el capacitor respecto al tiempo t” y nos dice cuan rápido varía la tensión.
Resumen
En esta primera parte empezamos analizando las diferencias entre los conversores DC-DC y una fuente conmutada completa. Luego vimos el problema de la eficiencia y a que se debe. Vimos una clasificación de los convertidores y repasamos algunos conceptos básicos relacionados con el comportamiento de los componentes eléctricos, sobre todo que hacen con la energía que le es suministrada y como cambia la tensión y la corriente entre sus bornes.
En la segunda parte empezaremos con el análisis del funcionamiento del convertidor buck o reductor.
Nos vemos!