¿Qué es un regulador de voltaje de conmutación?

Los reguladores de conmutación son un circuito esencial para generar de manera eficiente voltajes de suministro estables y para traducir voltajes hacia arriba o hacia abajo.

Generar voltajes estables capaces de conducir cantidades significativas de corriente es una de las tareas fundamentales del diseño electrónico. Un modelo básico para un circuito electrónico de bajo voltaje es más o menos así:

1. Se proporciona un voltaje con amplia capacidad de conducción de corriente como una de las entradas principales al sistema.
2. Este voltaje de entrada, que puede ser demasiado alto o demasiado variable para su uso directo en el circuito, se convierte en uno o más voltajes de suministro regulados cuyas magnitudes corresponden a las especificaciones de los componentes alimentados.
3. Estos componentes (microcontroladores, amplificadores operacionales, etc.) utilizan los voltajes de suministro regulados para realizar la funcionalidad requerida del circuito.

Hay varias maneras de lograr esto. Cuando comencé a diseñar circuitos, utilizaba reguladores de voltaje lineales, como el venerable 7805, siempre que era posible. Hoy en día, sin embargo, es imposible negar que los reguladores de conmutación suelen ser el método superior y, en mi experiencia, son generalmente el método superior.

En este artículo, analizaremos la nomenclatura y luego exploraremos los principios básicos de la regulación de cambio.

Terminología del regulador de conmutación

“Regulador de conmutación (voltaje)” es quizás el término más común y reconocible para denotar esta clase de circuito. Sin embargo, también verá varias combinaciones de los siguientes términos:

• Fuente de alimentación conmutada (SMPS)
• Conmutador o interruptor
• Convertidor o regulador
• DC / DC

De hecho, prefiero el “regulador de modo conmutado” o la “fuente de alimentación de modo conmutado”, porque el “modo conmutado” transmite mejor la naturaleza de estos circuitos: la conmutación es el modo mediante el cual cumplen su tarea de regular o convertir voltaje.

Todos estos términos adolecen de una ambigüedad que rara vez causa problemas pero que, no obstante, vale la pena señalar: "regulador de conmutación" o "fuente de alimentación de modo conmutado" podrían, en teoría, referirse a un circuito que genera un riel de energía utilizando interruptores junto con un inductor o un condensador.

Fuentes de alimentación de modo conmutado basadas en inductores y condensadores

Sin embargo, en la práctica, los términos mencionados anteriormente están reservados para conmutadores basados ​​en inductores. La Figura 1 es un ejemplo de un regulador de modo de conmutación basado en inductor. La gran mayoría de las fuentes de alimentación conmutadas se basan en inductores. Estos serán el enfoque principal de este artículo.

Figura 1. Topología básica de una fuente de alimentación conmutada basada en inductores. Imagen (modificada) utilizada por cortesía de Wikimedia Commons

Los conmutadores basados ​​en condensadores, como el circuito de ejemplo de la Figura 2, normalmente se denominan fuentes de alimentación de “bomba de carga” o fuentes de alimentación de “condensador conmutado”. Las Figuras 1 y 2 son ejemplos de circuitos que producen un voltaje de salida mayor que el voltaje de entrada.

Figura 2. Topología básica de una fuente de alimentación conmutada basada en condensadores. 

Regulación de voltaje lineal

Pensemos ahora en un regulador lineal, como se ilustra en la Figura 3. Los reguladores lineales solo pueden reducir el voltaje, por lo que sabemos que el voltaje de entrada es mayor que el voltaje de salida.

Figura 3. Diagrama de bloques de regulación de voltaje lineal. imagen del autor

Un regulador lineal requiere una pequeña cantidad de corriente para funcionar; esto se llama corriente de tierra. La corriente de tierra es a menudo insignificante, así que ignorémosla y supongamos que la corriente que fluye hacia el regulador es igual a la corriente que fluye desde el regulador hacia el circuito de carga alimentado.

Ahora pensemos en el poder. Calculamos la potencia eléctrica como voltaje por corriente, y dado que la salida tiene igual corriente pero voltaje más bajo En relación con la entrada, la energía debe perderse en alguna parte. También puedes imaginar que el regulador lineal es un elemento resistivo simple con una caída de voltaje:

$$V_{DROP} = V_{IN} - V_{OUT}$$

En este caso, la disipación de potencia del regulador lineal, P_REG :

$$ p_ {reg} = v_ {drop} CDOT i_ {load} $$

Uno de los componentes de un regulador lineal es, de hecho, un interruptor; no un interruptor electromecánico, sino un transistor que es capaz de funcionar como un interruptor puramente eléctrico. Sin embargo, no llamamos regulador de conmutación a un regulador lineal porque el interruptor no se enciende ni apaga; en cambio, el interruptor funciona en un estado intermedio en el que tiene una resistencia significativa, y esta resistencia disipa la energía y permite una reducción del voltaje.

La regulación lineal es simple y muy efectiva, pero ineficiente. El interruptor funciona en un estado resistivo intermedio y disipa cantidades potencialmente grandes de energía en forma de calor. A menos que desee que su regulador funcione como regulador y un calentador eléctrico, esta energía se está desperdiciando.

Regulación de voltaje en modo conmutado

Esto nos lleva al concepto de regulador de modo conmutado. Si podemos mantener el interruptor completamente encendido o completamente apagado (en otras palabras, si podemos evitar esa región intermedia de alta disipación de potencia), podemos crear un regulador mucho más eficiente. Pero nuestra discusión sobre el regulador lineal sugiere que la energía desperdiciada es necesaria para reducir el voltaje. ¿Qué hacer?

Aquí es donde entra en juego el inductor. Un inductor almacena y libera energía de tal manera que la corriente que pasa por el inductor no puede cambiar instantáneamente. La acción de conmutación de encendido/apagado genera una corriente en el inductor que aumenta y disminuye gradualmente. Cuando un inductor se combina con un condensador, el filtro LC resultante puede suavizar una forma de onda de encendido/apagado hasta convertirla en un voltaje relativamente estable. La magnitud del voltaje suavizado está determinada por el ciclo de trabajo de la forma de onda de encendido/apagado.

Por ejemplo, echemos un vistazo a la Figura 4. Después del filtrado, diferentes ciclos de trabajo (en este ejemplo, 10%, 50% y 90%) corresponden a diferentes niveles de voltaje de CC (indicados por las curvas rojas). Estos niveles de voltaje CC no son perfectamente planos porque queda algo de ondulación después del filtrado.

Figura 4. Niveles de voltaje CC en función del ciclo de trabajo PWM. imagen del autor

Por lo tanto, podemos encender y apagar el interruptor a alta frecuencia y luego usar modulación de ancho de pulso y filtrado para crear el voltaje de salida de CC deseado. También podemos monitorear una señal de retroalimentación y ajustar el ciclo de trabajo PWM según las condiciones de carga. Este es el modo básico de operación en los circuitos reguladores de conmutación: filtrado inductivo para entregar una corriente de carga constante a pesar de la acción de conmutación de encendido/apagado; retroalimentación y PWM para regular el voltaje.

Aunque el interruptor esté funcionando a alta frecuencia, todavía pasa la mayor parte del tiempo en los estados de baja disipación de energía (es decir, los estados completamente encendido y completamente apagado). Esta es la razón por la que los reguladores conmutados pueden ser mucho más eficientes que los reguladores lineales.

Por supuesto, hay muchos detalles y variaciones que no he mencionado, pero si entiendes todo esto, tienes una base sólida para seguir estudiando.

Ejemplo de un circuito regulador de voltaje de conmutación: el convertidor reductor

La Figura 5 muestra la topología básica de un convertidor reductor, también conocido como convertidor reductor. Utiliza operación en modo de conmutación para reducir la magnitud de un voltaje de entrada de CC. (Tenga en cuenta que, estrictamente hablando, este no es un regulador de voltaje ya que no incluye el subsistema de retroalimentación necesario para mantener un voltaje estable a pesar de las condiciones de carga variables).

Figura 5. Ejemplo de un tipo de circuito regulador de voltaje de conmutación: el convertidor reductor.