8.4: Reguladores de conmutación

La causa principal de la ineficiencia de un regulador lineal es que su transistor de paso opera en la región lineal. Esto significa que constantemente ve tanto una corriente alta como una tensión alta (o al menos moderada). El resultado es una disipación de potencia considerable. Por el contrario, los reguladores de conmutación dependen de la eficiencia del interruptor del transistor. Cuando el transistor está apagado, no fluye corriente y, por lo tanto, no se disipa energía. Cuando el transistor está encendido (en saturación), fluye una corriente alta, pero el voltaje a través del transistor (\(V_{ce(sat)}\)) es muy pequeño. Esto da como resultado una modesta disipación de potencia. La única vez que tanto la corriente como la tensión son relativamente grandes al mismo tiempo es durante el intervalo de conmutación. Este periodo de tiempo es relativamente corto en comparación con el tiempo del ciclo, por lo que nuevamente, la disipación de potencia es bastante pequeña.

Encender y apagar el transistor de paso puede ser muy eficiente, pero desafortunadamente, los pulsos de corriente resultantes no son apropiados para la mayoría de las cargas. Se necesita alguna forma de suavizar los pulsos en un nivel de CC constante. Una forma de hacerlo es a través de una disposición de inductor/condensador. Este concepto es esencial para el regulador de conmutación.

Aunque el regulador de conmutación ofrece una mayor eficiencia sobre el regulador lineal, no está exento de detracciones. En primer lugar, los reguladores de conmutación tienden a ser más complejos que los tipos lineales. Esta complejidad puede superar la ventaja de eficiencia, particularmente para diseños de baja potencia. Algunos de los reguladores de conmutación de “chip único” más nuevos hacen que el diseño de la fuente de alimentación conmutada sea casi tan sencillo como el diseño lineal, por lo que este problema no es tan grande como antes. El otro problema importante es que el proceso de conmutación puede crear una gran cantidad de ruido eléctrico irradiado. Sin un blindaje adecuado y precauciones similares, las señales de ruido inducidas pueden producir graves interferencias en circuitos analógicos o digitales cercanos. A pesar de estos obstáculos, las fuentes de alimentación conmutadas han tenido una gran aceptación en una variedad de áreas, incluida la alimentación de computadoras personales.

Figura\(\PageIndex{1}\): Regulador básico de conmutación.

Un esquema básico del regulador de conmutación se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). Una vez más, se utiliza un dispositivo de control para ajustar la señal entrante. A diferencia del regulador lineal, la señal que sale del elemento de control es un tren de pulsos. Para producir una salida de CC suave, el tren de pulsos pasa a través de una red de capacitador/inductor. El corazón del circuito es el modulador de ancho de pulso. Este circuito crea una forma de onda de pulso de ciclo de trabajo variable, que alternativamente enciende y apaga el elemento de control. El ciclo de trabajo del pulso es proporcional a la demanda de corriente de carga. Las impedancias de carga baja requieren grandes corrientes y, por lo tanto, crearán trenes de pulsos con tiempos largos de “encendido”. El valor pico de los pulsos tenderá a ser mucho mayor que la demanda de corriente de carga promedio, sin embargo, si este pulso de corriente se promedia a lo largo de un ciclo, el resultado será igual a la demanda de corriente de carga. Efectivamente, la\(LC\) red sirve para integrar los pulsos de corriente. Esto se muestra gráficamente en la Figura\(\PageIndex{2}\). Debido a que la impedancia de carga más baja recibe una corriente proporcionalmente mayor, el voltaje de carga permanece constante. Esto se muestra gráficamente en la Figura\(\PageIndex{3}\).

Figura\(\PageIndex{2}\): Formas de onda de corriente.

Figura\(\PageIndex{3}\): Formas de onda de voltaje.

Debido a la carga y descarga constantes de los\(C\) componentes\(L\) y, los reguladores de conmutación tienden a responder a los cambios de carga algo más lentos que los reguladores lineales. Además, si la frecuencia del pulso de conmutación es alta, los tamaños requeridos para\(L\) y\(C\) pueden reducirse, lo que resulta en un circuito más pequeño y posibles reducciones de costos. Muchos reguladores de conmutación funcionan en la región de 20 kHz a 100 kHz. El límite superior práctico para la velocidad de conmutación está determinado por la velocidad del elemento de control. Los dispositivos con tiempos de conmutación rápidos demostrarán ser más eficientes. Los FET de potencia son muy atractivos para esta aplicación debido a su velocidad inherente y bajos requisitos de accionamiento. Su coeficiente negativo de temperatura de transconductancia también ayuda a reducir los problemas de fuga térmica. Para las potencias más altas, los dispositivos bipolares suelen ser la única opción. Por último, es posible configurar muchos conmutadores para el funcionamiento de reductor, escalonado o inversor. Como ejemplo, investigaremos la configuración del paso hacia abajo, o buck.

Figura\(\PageIndex{4a}\): Regulador de conmutación reductor básico. a.\(Q\) on: Fuente suministra corriente y carga inductor.

Un diagrama de bloques de un regulador de conmutación reductor se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\). Así es como funciona: Cuando el transistor,\(Q\), está encendido, la corriente fluye a través\(Q\),\(L\), y la carga. La corriente del inductor se eleva a una velocidad igual al voltaje del inductor dividido por la inductancia. El voltaje del inductor es igual al voltaje de entrada menos el voltaje de carga y el potencial de saturación del transistor. Mientras\(L\) se está cargando (es decir,\(I_L < I_{load}\)),\(C\) proporciona corriente de carga. Cuando\(Q\) se apaga, el campo magnético del inductor comienza a colapsar provocando una inversión efectiva de polaridad. En otras palabras, el inductor está actuando ahora como fuente de corriente de carga. En este punto, el diodo\(D\) está polarizado hacia delante, eliminando efectivamente la porción izquierda del circuito. \(L\)también suministra corriente al condensador\(C\) durante este período de tiempo. Eventualmente, la corriente del inductor caerá por debajo del valor requerido por la carga, y\(C\) comenzará a descargarse, compensando la diferencia. Antes de que se descargue por\(L\) completo, el interruptor del transistor se volverá a encender, repitiendo el ciclo. Debido a que el inductor nunca se descarga completamente, esto se llama operación continua. También es posible el funcionamiento discontinuo, aunque aquí no lo perseguiremos. Un punto que vale la pena señalar es que para una correcta continuación de este ciclo, siempre debe estar presente algún consumo de corriente de carga. Este nivel mínimo se puede lograr mediante el uso de una resistencia de sangrado en paralelo con la carga.

Figura\(\PageIndex{4b}\): Regulador básico de conmutación descendente (continuación). b.\(Q\) apagado: Inductor suministra corriente

Los valores para\(C\) y\(L\) dependen de los voltajes de entrada y salida, la corriente de salida deseada, la frecuencia de conmutación y los detalles del circuito de conmutación utilizado. Los fabricantes generalmente dan tablas de consulta y gráficos para valores y/o fórmulas apropiados. Los CI de conmutación anteriores contenían los componentes de base necesarios y solo requerían una cantidad moderada de circuitos externos. Los CI más nuevos se pueden configurar con no más de tres o cuatro partes pasivas externas.

Un ejemplo de un regulador de modo de conmutación es el LM3578A. En la Figura se muestra un diagrama funcional del funcionamiento interno de este CI\(\PageIndex{5}\). Las puertas AND, el comparador, el oscilador y los pestillos asociados se combinan para formar el modulador de ancho de pulso. Observe que este circuito incluye una referencia interna y un transistor de conmutación de potencia media. El apagado térmico y la limitación de corriente están disponibles. El circuito funcionará en entradas de hasta 40 V y puede producir corrientes de salida de hasta 750 mA. La frecuencia máxima de conmutación es de 100 kHz. Las configuraciones de escalón, descenso e inversor son posibles con este dispositivo. Para que la secuencia de diseño sea lo más rápida posible, el fabricante ha incluido una tabla de diseño. Esto se muestra en la Figura\(\PageIndex{6}\). Al igual que con prácticamente todos los CI altamente especializados, las ecuaciones de diseño específicas solo se aplican a dispositivos particulares, y probablemente no se pueden usar con CI que producen funciones similares. En consecuencia, ¡se recomienda no memorizar estas fórmulas!

Figura\(\PageIndex{5}\): Circuito equivalente LM3578. Reimpreso cortesía de Texas Instrutments

Figura\(\PageIndex{6}\): Gráfica de diseño LM3578. Reimpreso cortesía de Texas Instrutments

En la Figura se muestra un regulador reductor que utiliza el LM3578A\(\PageIndex{7}\). \(C_1\)es el condensador de selección de frecuencia y se puede encontrar en la tabla del fabricante. \(C_3\)es necesario para el funcionamiento continuo y generalmente se encuentra en las proximidades de 10 a 30 pF. \(D_1\)debe ser un rectificador tipo Schottky. \(R_1\)y\(R_2\) establecer el ratio de reducción (son funcionalmente los mismos que\(R_f\) y\(R_i\) en el trabajo anterior). \(R_3\)establece el límite actual. Finalmente,\(L_1\) y\(C_2\) se utilizan para el filtrado de salida final.

Figura\(\PageIndex{7}\): Regulador reductor usando un LM3578.

Las ecuaciones relevantes de las hojas de datos del fabricante son:

\[ V_{out} = \frac{R_1}{R_2} +1 \ (in \ volts) \nonumber \]

\[ R_3 = \frac{0.11V}{I_{sw(max)}} \nonumber \]

\[ C_2 \geq V_{out} \frac{V_{in} − V_{out}}{8 f^2 V_{in} V_{ripple} L_1} \nonumber \]

\[ L_1 = V_{out} \frac{V_{in} − V_{out}}{\Delta I_{out} V_{in} f} \nonumber \]

\[ \Delta I_{out} = 2 I_{out} \ Discontinuity \ Factor \text{ (typically 0.2)} \nonumber \]

Dónde\(I_{sw(max)}\) está la corriente máxima a través del elemento de conmutación, y\(V_{ripple}\) está en voltios pico a pico. Algunos valores se pueden encontrar utilizando el método de gráfico de búsqueda que se muestra en la Figura\(\PageIndex{6}\).

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Usando el LM3578A, diseñe un regulador reductor que entregue 12 V desde una fuente de 20 V, con 200 mA de corriente de carga. Utilice una frecuencia de oscilador de 50 kHz y un factor de discontinuidad de 0.2 (20%). La ondulación no debe ser superior a 40 mV.

Primero determinar los\(R_2\) valores\(R_1\) y. \(R_2\)se elige arbitrariamente a 10 k\(\Omega\).

\[ V_{out} = \frac{R_1}{R_2} +1 \text{ (in volts)} \nonumber \]

\[ R_1 = R_2 (V_{out} − 1V) \nonumber \]

\[ R_1 = 10k (12 V−1 V) \nonumber \]

\[ R_1 = 110 k \nonumber \]

\[ R_3 = \frac{0.11V}{I_{sw(max)}} \nonumber \]

\[ R_3 = \frac{0.11 V}{0.75 A} \nonumber \]

\[ R_3 = 0.15 \Omega \nonumber \]

Tenga en cuenta que siempre\(R_3\) será 0.15\(\Omega\) para esta forma de circuito

A partir del gráfico del oscilador,\(C_1\) se estima en 1700 pF, y\(C_3\) se establece en 20 pF, según lo sugerido por el fabricante.

\[ \Delta I_{out} = 2 I_{out} \ Discontinuity \ Factor \nonumber \]

\[\Delta I_{out} = 2\times 200 mA\times 0.2 \nonumber \]

\[ \Delta I_{out} = 80mA \nonumber \]

\[ L_1 = V_{out} \frac{V_{in}−V_{out}}{\Delta I_{out} V_{in} f} \nonumber \]

\[ L_1 = 12 V \times \frac{20 V−12 V }{ 80mA \times 20 V \times 50kHz} \nonumber \]

\[ L_1 = 1.2mH \nonumber \]

\[ C_2 \geq V_{out} \times \frac{V_{in}−V_{out}}{8 f^2 V_{in} V_{ripple} L_1} \nonumber \]

\[ C_2 \geq 12 V \times \frac{20 V−12 V}{8\times 50 kHz^2 \times 20 V\times 40 mV\times 1.2 mH} \nonumber \]

\[ C_2 \geq 5 \mu F \nonumber \]

Para estar en el lado conservador, generalmente\(C_2\) se establece un poco más alto, por lo que podría usarse un estándar 33\(\mu\)\(\mu\) F o 47 F.

Un conmutador de inversión básico se muestra en la Figura\(\PageIndex{8}\). Este circuito produce un potencial de salida negativo a partir de una entrada positiva. Funciona de la siguiente manera: Cuando el interruptor del transistor está cerrado, se carga el inductor L. \(D\)El diodo está en polarización inversa, ya que su ánodo es negativo. Cuando se abre el interruptor, el campo colapsado del inductor hace que aparezca como una fuente de polaridad opuesta. El diodo está polarizado hacia adelante porque su cátodo ahora se ve obligado a estar más bajo que su ánodo. El inductor ahora es libre para entregar corriente a la carga. Eventualmente, el inductor se descargará hasta el punto donde el interruptor del transistor se volverá a encender. Mientras el inductor se está cargando, el condensador\(C\) suministrará la corriente de carga. El proceso se repite, manteniendo así un potencial de salida constante.

Figura\(\PageIndex{8}\): Conmutador inversor básico. a.\(Q\) on: El inductor es cargado por la fuente (arriba). b.\(Q\) apagado: El inductor suministra corriente (abajo).

Un conmutador básico escalonado se muestra en la Figura\(\PageIndex{9}\). Esta variación se utiliza cuando se desea un potencial mayor que la entrada, como derivar un suministro de 15 V a partir de una fuente existente de 5 V. Así es como funciona el circuito: Cuando el interruptor del transistor está cerrado, el inductor se\(L\) carga. Durante este periodo de tiempo, el condensador\(C\) está suministrando corriente de carga. Debido a que el potencial de salida será mucho mayor que el voltaje de saturación del interruptor del transistor, el diodo\(D\) estará en polarización inversa. Cuando el transistor se apaga, el campo magnético del inductor colapsa, haciendo que el inductor aparezca como fuente. Este potencial se suma al potencial de fuente impulsora, ya que estos dos elementos están en serie. Este voltaje combinado es lo que ve la carga; por lo tanto, el voltaje de carga es mayor que la fuente de accionamiento. Eventualmente, el inductor se descargará hasta el punto donde el transistor vuelve a encenderse, polarizando así el diodo y recargando\(L\). El condensador continuará suministrando corriente de carga durante este tiempo. Este proceso continuará de esta manera, produciendo el voltaje de salida deseado.

Figura\(\PageIndex{9a}\): Regulador básico de conmutación elevador. \(Q\)on: Fuente carga inductor.

Figura\(\PageIndex{9b}\): Regulador básico de conmutación elevador. \(Q\)off: Inductor suministra corriente.

Para las formas step up e inverter, se utilizan otros conjuntos de ecuaciones para el LM3578A. Aunque la secuencia de diseño ciertamente no es tan sencilla como en los circuitos reguladores lineales, definitivamente tampoco es una empresa importante. Si 750 mA no es suficiente, se puede agregar un transistor de paso externo al LM3578A. Otros CI reguladores de conmutación están disponibles de diferentes fabricantes. Cada unidad opera bajo el mismo principio básico, pero la realización del diseño puede tomar rutas considerablemente diferentes. Se deben consultar fichas específicas del dispositivo para cada modelo.

Para aplicaciones específicas, algunos fabricantes ofrecen reguladores de conmutación que son casi reemplazos directos para reguladores lineales básicos de 3 pines. Sin embargo, estos dispositivos no son tan flexibles como los CI genéricos del regulador de conmutación. Un buen ejemplo es el regulador LM2576. Este es un regulador reductor de salida de 3 A (es decir, solo en modo buck-mode). Está disponible en una variedad de potenciales de salida que van desde 3.3 V a 15 V. También está disponible una versión ajustable. Un diagrama de bloques y un circuito típico se muestran en la Figura\(\PageIndex{10}\). Como puede ver, un diseño típico de salida fija requiere un mínimo de componentes externos: 2 capacitores, un inductor y un diodo. Otros miembros de esta familia incluyen el regulador reductor LM2574 0.5 A y el regulador elevador LM2577.

Figura\(\PageIndex{10}\): Regulador de conmutación LM2576. Reimpreso cortesía de Texas Instrutments