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Introducción práctica a convertidores y fuentes conmutadas. Segunda parte

Como no sabían que era imposible, lo hicieron.
La función de la juventud en cualquier época es representar el siguiente paso de la civilización.

Modulación por el ancho del pulso PWM
También llamada modulación por la duración del pulso o "pulse width modulation" PWM. Es una forma de control que manipula el ancho de una señal para accionar un medio, una técnica que utiliza un comparador, una onda triangular y una tensión de referencia para con ellas, obtener una onda cuadrada a la salida, cuyo ancho determina la tensión resultante.
Por la alta frecuencia en la que trabajan los convertidores, los componentes y el filtro son relativamente pequeños, sin evitar con esto que exista un excelente filtrado de la tensión con una adecuada reducción del rizado a la salida del convertidor.

Feedback o Retorno
En un convertidor o también en una fuente conmutada existirá una tensión de realimentación o retorno al drive para ajustar de forma precisa el voltaje de salida "Vo", algunas veces a esta línea de ajuste solo se le nombra "FB".

Para un convertidor (Fig.1) la tensión de retorno se toma de un divisor resistivo formado por Ra y Rb la cual se calcula para obtener un voltaje fijo de salida por un factor que se calcula para cada diseño.

Programando el voltaje de salida
En los convertidores se programa la tensión de salida "Vo" según los términos aportados en la hoja de datos (datasheet) o el manual de servicio del televisor, por lo general se resumen como en este ejemplo.
  Vo= 0.8 x (1+Ra/Rb)
Para un voltaje de entrada indeterminado de entrada, siendo 0.8 la mínima tensión de salida a ajustar en el modelo.

El diodo y el transistor rectificador
El secreto.
El diodo rectificador es en esencia un "interruptor" que necesita una tensión de polarización en directa para "encender" y conducir libremente una corriente, o una tensión inversa para estar "apagado". En polarización inversa, una corriente de fuga insignificante fluye a través del dispositivo y si llega alcanzar la tensión de ruptura lo dañaría de forma irreversible. Cuando el diodo se apaga, la corriente del dispositivo se invierte para un tiempo de recuperación inversa antes de caer a cero. Esta corriente de recuperación inversa es necesaria para barrer los portadores de exceso en el diodo y poder bloquear un voltaje de polaridad negativa que puede dar lugar a un exceso de voltaje en los circuitos inductivos. Muchas de las perdidas en las fuentes conmutadas se concentran en el diodo rectificador, el tiempo de conmutación y la polarización.

Modulación por el ancho del pulso PWM

El chip en la TV LCD
En los equipos receptores de televisión de tecnología LCD el voltaje para el chisep digital, su núcleo, y para el procesamiento ADC de la señal de video, las memorias DDR, la TCON, el DCP o el TUNER, entre otros, funcionan con voltajes particulares de 2.3V, 1.8V, 1.2V, 1.1V 1.0V y hasta 0.92V. En algunos equipos Sony LCD son peculiares tensiones especiales de 2.5V, 1.8V y 1.17V. Estos voltajes se utilizan con la finalidad de reducir la energía disipada por el alto nivel de integración de los chiseps y mantener una mínima potencia disipada.

  P = E x I siendo en Watt = P x T

Convertidor y diodos
Los diodos de silicio de 0.6V no pueden ser instalados en los convertidores electrónicos porque trabajan a frecuencias muy altas y tensiones muy bajas y crearían grandes pérdidas de potencia: han de ser sustituidos por los "diodos de barrera", los llamados "diodos schottky". Los diodos de barrera se implementan donde se requiere una baja caída de tensión directa normalmente de 0.3 V, con una limitada capacidad de tensión de bloqueo de 50V o 100 V y una recuperación rápida. Son diseñados para alta frecuencia donde se necesita un tiempo corto de recuperación inversa, por eso en los convertidores solo es posible utilizar estos rectificadores.

Convertidor síncrono
Cuando las tensiones a rectificación son menores de 2.5V en los convertidores electrónicos ya los diodos de barrera no son útiles para la etapa del rectificador, porque sería la causa de una mayor pérdida. En definitiva, el diodo es un conmutador que puede de ser sustituido por otro conmutador. Para estos casos el diodo rectificador será sustituido por un transistor sincronizado que es también un conmutador (Fig.2).

Como solución hoy se utilizan transistores FETs de bajo voltaje y resistencia baja en estado activo o bipolares (BJT) de bajo voltaje, con un estado activo muy bajo "Vce(sat)" con los que remplazar los diodos en la etapa de rectificación: conmutando ellos los transistores Q2 y Q3 a la misma frecuencia en que lo harían los diodos.
Los transistores para esta aplicación suelen conocerse como síncronos, porque las pérdidas de potencia son muy inferiores al diodo de barrera, trabajando con voltajes a rectificar de 1.8V, 1.2V, 1.1V, 1.0V, 0.92V o 50mV. En el ejemplo el transistor Q3 conmuta con los pulsos de disparo del controlador, pero Q2 lo realiza por el pulso que recibe en la puerta del propio transformador, así como el controlador manipula al transistor Q1 conmutador del bloque.

Reguladores y convertidores
En las placas electrónicas de diversos aparatos, en las computadoras y en las main board de los modernos TV LCD están incluidos por igual, reguladores y convertidores. Para circuitos y señales de bajo nivel o amplificadores de pequeña señal se utilizan reguladores lineales para manipular corrientes inferiores entre 1.8mA a 400mA en general: es lo más práctico por el bajo costo y porque los convertidores conmutados son muy ruidosos en comparación a los primeros.
Mientras que para cualquier aplicación de potencia en más de 500mA aproximadamente, lo mejor es utilizar convertidores porque son más eficientes que los reguladores lineales y pueden manejar una corriente superior sin perdidas. Es por eso que en un mismo bloque electrónico pueden convivir reguladores lineales y convertidores, pues el factor de potencia y la eficiencia es lo que determina su aplicación en consecuencia.

Convertidor directo en línea
Los convertidores cuando requieren cargas elevadas en más de unos 10.0A se pueden conectar directamente a la tensión de la línea rectificada y el filtro, sin que sea necesario un transformador. También cuando es más práctico para fuentes de standby, estas son fuentes conmutadas conectadas directo a red eléctrica llamadas "line powered switching supplies" y el transistor que funciona como conmutador aplica periódicamente toda la tensión no regulada a la inductancia del convertidor durante pequeños intervalos.
La corriente auto inducida en la bobina crece durante cada pulso, almacenando la energía en la inductancia, y luego de absorbida, se transfiere al filtro capacitivo de salida resultando en la tensión Vo.

Convertidor buck serie 78xxLas series 78 buck converters
Existe la familia de reguladores lineales clásicos, la serie "78xx" que ajustan con precisión las tensiones de: 5V, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18 y 24V, y corriente límite de 1.0A son auto protegidos en temperatura y en cortocircuito.
Por ejemplo: un regulador 7805 alimentado con 12V para ajustar una tensión de salida de 5.0V su rendimiento será del 41.6% y solo del 20.8% si la tensión de alimentación fuera de 24V a 5.0V, reduciendo toda esa energía en calor. Esto hace reflexionar que estas familias de dispositivos también deberán ser sustituidos por ineficientes por otros mejor desarrollados y versátiles.

Los reguladores conmutados "step down" o también nombrados "buck converters" de productos RECOM modelos "R-78xx-1.0" (Fig.3) son ideales para reemplazar los antiguos reguladores lineales serie 78xx, y para adaptaciones y modificaciones prácticas en los equipos de TV LCD, son pin a pin compatibles, por eso perfectamente intercambiables, con una eficiencia de hasta el 97%, lo que significa que no se desperdicia energía, no son necesarios disipadores ni espacios adicionales para el montaje. Son reguladores de conmutación de bajo costo y alta capacidad de corriente de arranque con protección en cortocircuito. Pero algo más, se pueden convertir a multitensión a la salida o aplicar como inversores (Fig.4).

La serie R-78xx es un módulo que ha sido diseñado para ofrecer todas las ventajas del regulador de conmutación de alta eficiencia con un amplio rango de tensión a la entrada de 4.75V a 18V, con regulación precisa del voltaje de salida entre 1.5V a 5.0 a 1.0A a una frecuencia de conmutación promedio de 350Khz, de muy bajo costo por cantidad de producción y tres años de garantía según el distribuidor.

Convertidores en la práctica
Aquí una muestra de variantes de los miles de convertidores electrónicos, sus características y sus múltiples aplicaciones en la electrónica ajustados a la norma ISO 50001 para la eficiencia energética.

Step-Up, Step-Down o Inverting
Convertidor DC a DC "H34063A" (Fig.5) regulador conmutado no sincrono por lo que utiliza un diodo rectificador externo. Compensado en temperatura que opera con tensiones de entrada de 3V a 40V, para una corriente pico de 1.6A y frecuencia programable entre 100Hz a 100Khz, de voltaje de salida ajustable y una corriente activa límite. Puede operar como convertidor elevador, reductor o inversor: Step-Up, Step-Down o Inverting. La programación de la tensión de salida se ajusta a través de la ecuación:

  Vo = 1.25 x (1+RB/RA)

Posee una eficiencia del 95% y es un convertidor que a la salida Vo tiene una corriente continua de hasta 1.5A sin transistores externos. Con apoyo transistorizado en la salida puede manejar 6.0A como convertidor buck, en este ejemplo, está diseñado como elevador para una tensión de salida de 28V a 200mA.

Aplicaciones:
En la TV LCD y la TCON para todas las versiones de convertidores, equipos industriales, así como tablet, laptop, reguladores de línea y la electrónica industrial.

Step-Up, Step-Down o Inverting

High Efficiency Boost Converter
El circuito convertidor boost con el circuito integrado RT4813A (Fig.6) está diseñado para tecnología a baterías de Li-ion, por eso es de una alta eficiencia al 96%, la rectificación por transistor síncrono (synchronous) para una máxima corriente de salida en la carga de 3.25A.

Puede operar una corriente en apagado o espera de menos de 1uA, lo que maximiza la vida de la batería. La tensión de entrada Vi se sitúa entre los 1.8V y los 5.5V y el voltaje programable de salida Vo de 1.8V a 5.5V. La corriente de entrada y salida es auto protegida y la corriente máxima de salida se sitúa entre 2500mA a 3250mA, con protección en cortocircuito y compensación térmica.
Posee interface I2C que soporta el modo rápido de comunicación a 400kbs a través del cual controla la frecuencia de conmutación y la programación del voltaje de salida Vo además, el ajuste de la protección previa consulta en la hoja de datos del circuito integrado.

Aplicaciones:
Diseñado para equipos a batería, teléfonos móviles, laptop, mini audio USB y portátiles de todo tipo.

Step-Down Converter
El circuito integrado RT6257A (Fig.7) es un convertidor buck sincrono, para una corriente de salida de 6.0A y una tensión de entrada de 4.5V a 18V de fuente. Con protección contra cortocircuito y temperatura, opera a frecuencias de 500Khz, de alta eficiencia con un transistor MOSFET y voltaje programable de salida "Vo" entre 0.6V a 5V. Con extrucctura monolítica de 6 pines modelo TSOT-23-6. La programación del voltaje de salida se ajusta a través de la ecuación: Vo = 0.6Vx (1 + R1/R2)

Step-Down Converter

Aplicaciones:
Para cajas decodificadoras TDT, TV portátil, Access point router, ADSL modem y la TV LCD.

Convertidor Buck-Boost y Flyback
El circuito integrado RT7302 (Fig.8) es un controlador drive con ajuste del control del nivel de luces, es un convertidor que puede según el circuito escogido por la hoja de datos, implementarse como convertidor elevador, reductor o flyback, diseñado básicamente para manejar la corriente de iluminación de un panel LED. Permite habilitar un circuito PFC con un convertidor cuasi resonante. En el datasheet aparecen varios modelos para el cálculo y modelado del circuito electrónico.

Posee corrección del nivel de luces (dimmer) por modulación PWM y frecuencia de conmutación ajustable con múltiples protecciones para LEDs abiertos, LEDs en cortocircuito, protección por sobre voltaje y bajo voltaje, además de protección por sobre temperatura. El rango máximo de la tensión de salida para alto voltaje HV tiene un valor absoluto de: -0.3V a 500V. Los valores recomendados para la tensión de entrada Vdd es de 12V a 25V.

Aplicación: AC DC iluminación a LED

Green Mode Buck Converter
El circuito integrado RT8409 (Fig.9) es un controlador de potencia a MOSFET utilizado como convertidor reductor o step down converters, es un diseño simple de alta eficiencia a transistor de tensión de entrada hasta 600V para "line powered switching supplies".

Con tensión de salida programable y consumo inactivo sumamente bajo a 1uA en apagado. Posee protección por sobre temperatura, sobretensión, protección en cortocircuito. Los datos de programación y diseño se solucionan a través de la hoja de datos. La tensión mínima de entrada es 90V y el rango de la frecuencia de conmutación es de 30Khz a 55Khz.

Aplicación: Equipos del hogar en fuentes de standby o espera.

Topología buck y boost para LEDs
El circuito integrado RT8494 (Fig.10) es un convertidor pwm para un voltaje máximo de entrada de 36V programado para una tensión de salida de alto voltaje y corriente a 90V donde conectar 25 diodos LEDs high voltage high current LED y frecuencia de conmutación programable de 100Khz a 1Mhz. Puede configurarse como convertidor Buck, Boost y Buck-Boost.

Convertidor Buck

Convertidor Flyback
De los sistemas conocidos como convertidores, el de retorno, es una evolución de todos los antes mencionados. Existen varios tipos y cuando es de transformador y potencia el más común es el "convertidor flyback" de retorno o retroceso "DC a DC" con aislamiento eléctrico entre la entrada y salida, permite múltiples salidas de tensión Vo. La fuente de alimentación conmutada flyback almacena toda la energía en el núcleo magnético.

En estos convertidores (Fig.11) el transistor conmutador puede estar dentro o fuera del encapsulado del chip por su sencillez, cuando el transistor está encendido (Sw), la bobina primaria L1 está conectada directamente a la fuente de alimentación. Esto provoca un fuerte incremento del flujo magnético en el núcleo, la tensión en el secundario L2 es en ese instante negativa, por lo que el diodo D3 está apagado por la tensión inversa. El condensador de salida C2 es el único que proporciona su energía acumulada Vo a la carga. Cuando el transistor conmutador o de switcheo (Sw) está apagado, es cuando la energía almacenada en el núcleo magnético es transferida a través de L2 al condensador C2 para la carga.

La fuente flyback en la práctica
Al encender el equipo electrónico (Fig.12) una tensión inicial de arranque o cebado llega a través de R1 al pin de alimentación "Vcc" del circuito integrado. Note que R1 toma la tensión del punto medio del puente de diodos de la fuente de alimentación estando ellos en equilibrio de fase, por eso la tensión de suministro a R1 será del 50% de la tensión de entrada de la red (110 Vac).
  Vac =0.5 x 110V = 55V

R1 se calcula para que disipe la corriente para un valor aproximado de 12V y abastecer el Vcc del chip después de ser rectificada y filtrada por C3.

La ráfaga
Cuando la tensión inicial del puente de diodos "Vcc" se suministra al chip, se generan varios disparos en ráfaga (PWM) de un ancho reducido en ciclos de 6 a 8 períodos, por un oscilador (20Khz aprox.) para iniciar un arranque suave del equipo, esto permite cargar los filtros de la fuente que están inicialmente descargados, por tanto, en régimen de corto circuito. Con esto se evita el sobreconsumo y sobreesfuerzo de los semiconductores y el estrés del transistor de arranque para el transformador chopper.
Será en ese inicio cuando la pequeña energía almacenada en el núcleo del transformador induce una tensión en L3 que polariza el diodo D1, la cual es rectifica y filtra por C2 para llegar a través de R2 hasta C3 para el pin "Vcc" de alimentación del circuito integrado, estableciéndose el arranque pleno de la fuente conmutada. En ese instante y después del encendido queda inactiva la línea R1 de cebado.

El sincronismo
También desde L3 se suministra una señal de sincronismo al chip. El objetivo es sincronizar el transistor para que conmute después de la remanencia magnética del trasformador y mejorar la eficiencia del transistor para evitar el ruido y los armónicos de radio frecuencia radiados e indeseados por la conmutación a la red eléctrica

Control de la tensión de salida
La estabilidad de tensión de la fuente se logra a través de la muestra de la salida tomada por el puente R3, D3 y D4. Cuando la tensión de salida Vo sobrepasa el valor estimado, el diodo zener D3 rompe la barrera y conduce, aplicando una corriente de polarización y encendido para el diodo emisor en el optoacoplador. El dispositivo y transistor Q1 permite un acoplamiento entre la entrada y la salida del convertidor por la emisión de luz: encendido el diodo, enciende el transistor del dispositivo y drena a tierra el pin de control "FB" del chip logrando que el oscilador del circuito se apague (Toff) o reduzca el ancho (Ton) de la señal PWM del oscilador, al apagarse el oscilador limita y reduce la tensión de salida al valor ajustado, repitiéndose ciclo a ciclo el control de la tensión de salida.

Frecuencia de conmutación
El secreto.
La frecuencia a la cual operan las "switch mode power supply" depende del diseño, la eficiencia y calidad del chip.
A mayor frecuencia de conmutación se reducirá el tamaño de los componentes en la fuente conmutada, los condensadores de filtro serán más pequeños y el filtrado será más limpio, así como el tamaño de las inductancias y peso del transformador será ligero. Reduciendo ostensiblemente el tamaño de la fuente conmutada se reducirá la cantidad de componentes electrónicos, abaratando el costo en la construcción de la misma. Hoy las frecuencias típicas de los convertidores se sitúan aproximadamente entre los 20KHz a 10MHz, pero la tendencia en los diseños actuales es utilizar frecuencias cada vez más altas mientras los transistores y diodos así lo permitan, para reducir el tamaño hacia la miniaturización para la nanotecnología.

Control de la tensión de salida

Las fuentes conmutadas flyback (Fig.13) al ser un resumen de todos los tipos de convertidores posee además de los elementos descritos un bloque adicional, el circuito PFC.

Corrección del factor de potencia (PFC)
El secreto. El bloque corrector del factor de potencia es de obligatoriedad para las fuentes de alimentación en los equipos electrónicos con el fin de evitar el desfase, los ruidos y armónicos de baja frecuencia que inducen a la red eléctrica los diodos, inductancias y condensadores. Las pérdidas de energía de las líneas eléctrica de a.c. con desarreglo de fase (φ) entre la corriente I y la tensión E y los armonicos indeseables de los equipos electrónicos y las fuentes conmutadas, aumentará el consumo, requieren más corriente para conseguir la misma cantidad de potencia útil siendo mayor el gasto de energía.

 P = E x I

Es conocido que si en un circuito de corriente alterna se introduce una capacidad, se adelanta la corriente con respecto a la tensión, y si se introduce un inductor la corriente se retrasa con respecto a la tensión. Las cargas inductivas de transformadores, motores de inducción, cocinas electromagnéticas y cualquier tipo de inductancias como las de las lámparas fluorescentes, lavadoras, fregadoras y equipos de potencia de sonido, generan potencia inductiva y armónicos a la red.
Los motores y bobinas almacenan la corriente en forma de un campo magnético y provoca que tarde un tiempo en cargarse y descargarse, por lo tanto absorben corriente eléctrica en función de la diferencia entre la tensión aplicada y la carga de la bobina, por eso la tensión estará en cuadratura de fase, (φ=90º) atrasada I a una diferencia de 90 grados de E que es el caso más común, creando sobreconsumo en la corriente eléctrica.

Las cargas capacitivas y la reactancia capacitiva de los cables, su envoltura, los cables arrollados y paralelos, las tendederas eléctricas, generan potencia capacitiva con la intensidad adelantada respecto a la tensión.

En una fuente ideal si la intensidad y la tensión están en fase (φ = 0) y si ambas la corriente I y tensión E cambian de polaridad en el mismo instante en cada ciclo de 60Hz, el factor de potencia será igual a 1. Una fuente de un equipo no actualizado, cuya potencia es superior a los 75W creará interferencias y un defasaje importante a la red eléctrica. Para hallar la potencia en defase (φ) se debe de unir a la ecuación de potencia el "cosφ".

  P = E x I x cosφ

Al ser miles los equipos conectados a una red, se ha regulado por la norma "IEC 61000-3-2" los límites del defasaje y los límites de emisión de armónicos indeseados de baja frecuencia que los equipos electrónicos pueden generar a la red eléctrica para cumplir con el estándar (EEUU). Todas las fuentes conmutadas con potencia de salida mayor de 75W tienen que incluir un circuito "PFC"activo, porque el defecto de las fuentes conmutadas es la cantidad de ruidos y armónicos indeseados que introducen en la red eléctrica. Los armónicos por defecto son corrientes parásitas que circulan en los conductores provocando recalentamientos e interferencias, por igual los diodos y los condensadores en las fuentes de alimentación convencionales distorsionan la corriente, y aunque la distorsión no tiene que ver con el desfase, también influye en el factor de potencia y la eficiencia "Ɛ".

Corrección del factor de potencia

Para corregir el factor de potencia y mejorar la eficiencia energética en las fuentes de alimentación se deben de aplicar 5 soluciones en los circuitos electrónicos.

  1. En las fuentes de rectificadores monofásicos se utiliza una bobina y un condensador de corrección, un circuito pasivo PFC que se aplica a los equipos de pequeña y mediana potencia.
  2. En los equipos electrónicos que sobrepasan la potencia de 75Watt se aplica un corrector PFC activo para ajustar el factor de potencia.
  3. Que las fuentes conmutadas de más de 75Watt (Fig.14) entre la bobina L y el condensador C haya un diodo D para que el condensador no devuelva la corriente reactiva hacia la bobina y el transistor.
  4. Que la tensión de salida del corrector activo será superior a los 390V supliendo de esta forma las posible caída de tensión habitual de las redes eléctricas ineficientes.
  5. Que la forma de onda en la pendiente de la bobina L, tenga una forma triangular generada a partir de la corriente en la bobina y el transistor conmutador para que se corresponda en similitud con el valor medio eficaz de una onda sinusoidal.

Es por eso que mediante los circuitos correctores del factor de potencia (Fig.14) presentes en todo el universo de aparatos electrónicos se consigue una onda senoidal con una distorsión mínima y sin desfase, es decir con un factor de potencia y eficiencia cercano a 1.

Resumen
Los convertidores es la clave en la electrónica de potencia de este siglo para la sociedad global y el sostenimiento del medio ambiente. Se ha de evitar se alcance el "peak oil" que es la tasa máxima de extracción de petróleo en el planeta, porque después de esto la producción global de combustible colapsará hasta agotarse. Por eso tan importante… para que nuestra historia no se convierta en el futuro de nuestros hijos de "Mad Max".

Colaboración: Emmanuel Gómez Ramírez
Autor: José Enrique Chávez Rodríguez


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