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Introducción práctica a convertidores y fuentes conmutadas. Primera parte

Introducción

Para los adolescentes y jóvenes cuya afición es la electrónica reflexionamos para hacer este artículo lo más sencillo posible, utilizando un lenguaje llano y básico, pero también está dirigido a los profesionales en electrónica para la tecnología en la TV digital LCD.

He aquí la génesis.
En noviembre del 1999 se publicó un artículo en la revista “Everyday Practical Electronics” a nombre de Z. Kaparnik, que luego fue renombrado con el título de Joule Thief, que en español podría traducirse como: el “Ladrón de energía”. Este circuito electrónico despertó la curiosidad y ha motivado a miles de jóvenes a su construcción aun después de muchos años.
En realidad, el prólogo se comenzó a escribir en el 1960 con la creación de los semiconductores ideales y luego que en el 1977, veintidós años antes, su verdadero artífice: el profesor R.D. Middlebrook de CALTEC hiciera público los estudios de los convertidores “DC a DC” utilizando el modelo del espacio de estados y cimentara las bases de la Electrónica de Potencia para los convertidores electrónicos.

La publicación

La expectativa que indujo la publicación del 1999 creo el asombro en los lectores, porque no es posible encender un diodo LED blanco de (3.6V) con una pila de 1.5V, y menos gastada. Pero utilizando un transistor, una resistencia y una bobina bifilar arrolladas sobre un núcleo de ferrita, se consigue hacer lo que en teoría es imposible, encender el LED aun gastada la pila. Quedó evidenciada la posibilidad además de reutilizar las baterías agotadas para absorber toda la energía en ellas (min. 0.45V) y encender un diodo LED por espacio incluso de una semana. El articulo enseña hacer uno al construir una linterna, explicando la forma y los pasos a seguir para hacer el curioso circuito.

El modelo rápidamente captó la atención de los curiosos y desbordó la imaginación de los jóvenes que empezaron a cuestionar otras formas de aprovechar la energía, e incluso algunos soñaron con realizar generadores de energía de movimiento perpetuo.

En el 2010, la fabricación masiva de los diodos emisores de luz (LEDs) promovió la iluminación de gran calidad con un consumo mínimo.
Este es el circuito (Fig. 1), el “Joule Thief”, un oscilador capaz de producir una corriente eléctrica para crear una tensión mayor a la de la batería y encender el diodo, puede generar a su salida una corriente continua pulsante. Es concretamente una fuente conmutada de un transistor con realimentación por transformador.

Electrónica de Potencia

Un diseño electrónico no puede ser más minimalista e interesante para describir la génesis en la especialidad de Electrónica de Potencia, una rama de la ingeniería que es hoy el primer fundamento para el desarrollo de todos aparatos electrónicos modernos. Una especialidad pensada para adaptar y transformar la electricidad con la finalidad de desarrollar tecnologías superiores con el uso de dispositivos semiconductores e inductores, aprovechando la transformación de la potencia eléctrica: obligados por las regulaciones internacionales a la eficiencia como la única solución con vista a la sostenibilidad ambiental, el futuro y contra la contaminación en aras de reducir el consumo de combustible fósil y potenciar las fuentes de energía sustentable.

Ecuaciones

Las igualdades presentadas son simples, tienen el objetivo de sintonizar a lectores agudos o de razonamiento concreto, se puede prescindir de ellas en la mayoría de los casos: sin embargo un secreto esconde y otros se demuestran.

El oscilador

El termino oscilador define un bloque electrónico capaz de producir una corriente alterna o una corriente directa sin el uso de un generador electromecánico. Debiéndose cumplir el criterio de Barkhausen donde existe un amplificador de retroalimentación positiva con el factor BA=1 con ganancia teóricamente infinita. En la práctica se cumple si la retroalimentación es mayor al 5%. Osciladores electrónicos hay cientos: osciladores de portadora, de servo, de cristal, armónico, auto excitado, de audio, de radio; mencionarlos todos es imposible, cada uno tiene una utilidad particular. Este que exponemos es un oscilador de bloqueo, tiene muchas aplicaciones y uno de sus primeros usos fue en el inicio de la televisión en blanco y negro del siglo pasado, utilizado como oscilador del sincronismo horizontal, un diseño sobrio y curioso. Hoy este modelo se le puede ver en disimiles aparatos, incluso con alguna modificación como cargador de baterías o electro estimulador terapéutico para ejercicios físicos, pero más que todo, en la electrónica moderna.

El circuito

Un oscilador de bloqueo por inducción magnética, es un circuito construido con un transistor amplificador de baja señal similar al 2N3904 o el 2N2222, incluye una resistencia de 1K a ¼ de watt, un diodo LED blanco y un transformador construido sobre un pequeño toroide de ferrita de 20 vueltas en arrollamiento bifilar (dos alambres adyacentes) de alambre fino de cobre con inversión de fase.

El transistor

El transistor es un término que nació del acrónimo de “resistencia de transferencia”, por lo que es en esencia una resistencia que transporta a otra un valor y como tal se puede interpretar en momentos de incertidumbre.

El Joule Thief

Una corriente procedente de la batería “B+” alimenta (Fig.1) la bobina “L1” desde donde va a la base del transistor NPN limitada por la resistencia R1. El transistor es en definitiva un amplificador, pero está en la condición de conmutador (switcher) por la alta ganancia del mismo en el circuito. Si el transistor posee una ganancia 75 veces superior a la señal de entrada, habrá una corriente en el colector de 20mA aprox. dada por la corriente aplicada a la base.

Ic = Pc/Vce = Ic 20mA. Siendo la corriente de base Ib = Ic/hfe = Ic/Beta

El transistor del circuito es de silicio y necesita una tensión de polarización en la base de: Vbe = 0.6V, que condiciona la reacción de L1. Cuando el transistor está encendido (saturado) el voltaje entre el colector y el emisor será de 0V, Vce = 0V.

Al encender el transistor circulará una corriente lo suficiente fuerte desde la batería hacia la bobina excitadora L2 y llegará desde el colector al emisor por el puente electrónico que sucede dentro del transistor saturado. El detalle de este simple momento tiene una curiosidad, las bobinas L1 y L2 están arrolladas entre sí acopladas por un núcleo magnético, pero con inversión de sus polos eléctricos o de fase, la relación mutua y como resultado del fuerte campo magnético que sucede en la bobina L2 incidirá en la bobina L1, invirtiendo la fase de los polos eléctricos. Por tanto, se despolariza la base del transistor y “bloqueará” la corriente inicial de encendido que se movía a través de L1 que cesa; apagando el transistor (corte) y como resultado se desconecta la unión entre el colector y el emisor, entonces la corriente en el colector será igual a 0, Ic = 0mA. Por lo sugestivo de esa acción es que se le llama "oscilador de bloqueo".

Se debe relacionar finalmente que: cuando está apagado el transistor, el electromagnetismo inducido y acumulado en su núcleo, inducirá en la bobina excitadora L2 una tensión que multiplicará la inicial de la batería de unos 0.45V por 20 vueltas del bobinado, elevándola a unos 9.0V, tensión suficiente para polarizar y encender el diodo LED, que luego de desmagnetizado el núcleo y desaparecido el bloqueo de L1, volverá a iniciar el proceso de forma periódica y moverá nuevamente una corriente a la base del transistor desde la batería para encender el transistor y repetirse el ciclo. Si no se desconecta el circuito en algún momento, podría estar funcionando ininterrumpidamente cerca de siete días emitiendo luz a través del diodo LED.

La carga del circuito

La tensión límite del diodo LED fijará la tensión eléctrica a solo 3.6V en la salida por ser la barrera límite del diodo, forzando a las reactancias de las bobinas a un cambio en la frecuencia del oscilador que se moverá a otra, ahora sobre los 50Khz, para poder ajustar la tensión de salida a 3.6V. Se ha de recordar que los campos eléctricos y los campos magnéticos son manifestaciones de un solo campo electromagnético demostradas por las ecuaciones de Maxwell, y estarán en cuadratura de fase el campo magnético con respecto a la corriente eléctrica, o sea a una diferencia angular de 90 grados.

Se ha de recordar que el electromagnetismo es considerado como una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo actualmente conocido.

Esto es importante porque el defecto del oscilador de bloqueo es que no puede mover una gran potencia eléctrica a la salida por la relación mutua de L1 y L2 y modificará la frecuencia del oscilador influenciada por la carga del circuito.

Pero se pueden hacer algunas modificaciones (Fig.2) para mejorar la potencia de salida, moviendo R1 a la entrada de la alimentación y situando un condensador de desacoplo de 10nF, de esta forma el circuito puede servir para alimentar en paralelo a varios diodos LEDs.

O ser utilizado para otras aplicaciones si se interconecta un diodo rectificador como el 1N5829 de barrera para rectificar la tensión de salida junto a un diodo zener de 5.1V para ajustar la tensión en la batería y cargar un teléfono móvil. Pero aun estas modificaciones al circuito electrónico, habrá un límite de mejoras por la interdependencia en la inductancia L1 y L2.

El Convertidor

Cuando se plantea una forma ideal de convertidor a partir de la experiencia acumulada, una solución para una mayor potencia (Fig. 3) será eliminar L1 e introducir un oscilador o controlador y fijar la frecuencia del transistor conmutador sin la influencia de la carga y con ello aumentar la potencia eléctrica a la salida.

Este es un elemento sustancial, un oscilador, un chip de control al que se llama ocasionalmente drive, con esto se resolvería el problema. Hoy los convertidores electrónicos pueden aportar una corriente de varios amperes si así lo permite la batería con la máxima eficiencia.

P = E x I

Convertidor Forward

Pensando en hacer mas eficiente el circuito anterior, se podrían introducir algunas mejoras insertando algunos componentes.

Primero para limpiar el rizado (Fig.4) en la rectificación del oscilador de bloqueo, y segundo simulando un seudo convertidor forward para mejorar la energía en la carga.

Nota: seudo convertidor forward porque solo aprovechamos la capacidad parasita de D1 en apagado hacia el Vo.

Para minimizar los problemas del transformador ante el magnetismo remanente que se presenta en el núcleo y que reduce la respuesta del transformador, se podría introducir una inductancia de recuperación “Lr” junto al diodo D1 y hacer que la bobina Lr desmagnetice el núcleo de la bobina de la energía acumulada y regresarla a la batería utilizando el diodo de sujeción D1 con el que restablecer al núcleo de ferrita y evitar se sature, por lo que el rizado a la salida del convertidor es pequeño y por tanto la capacidad de C1 será menor.

En la practica el circuito forward tendría el siguiente diseño.

El defecto para este modelo forward (Fig.5) es que la cantidad de inductancias es mayor y la de componentes, por lo que es más costoso. Algo que resuelve de forma sencilla el “convertidor flyback” que prescinde de todos esos elementos con solo aumentar la capacidad del condensador de filtro C1, esto hace que el convertidor flyback sea más práctico y eficiente que el convertidor forward.

El regulador lineal

Hay dos tipos fundamentales de fuentes de alimentación reguladas, las conmutadas y las lineales.
Un regulador lineal como fuente de alimentación (Fig.6) utiliza el transistor polarizado en la región activa de amplificación, aplicando un voltaje alto en la entrada del mismo para lograr un voltaje más bajo en la salida, usando el transistor como una resistencia variable y disipando la energía en forma de calor con pérdidas comprendidas entre el 40% al 60%, por eso es ineficiente, más si pensamos utilizar baterías como fuente de suministro para un circuito.

Esta ineficiencia se traduce en pérdidas que guarda una relación directa con el consumo eléctrico.

La eficiencia Ɛ

Hoy las regulaciones internacionales en la producción de equipos electrónicos obligan a la máxima eficiencia (Ɛ) en los aparatos electrónicos en más del 95%, por tanto, de no cumplir con esta optimización y normativa no podrán ser comercializados.

Ɛ = Ɛi/Ɛo

Green Mode Power

La eficiencia energética es la realización de un servicio útil, pero reduciendo el consumo de combustible y potenciando todas las acciones que tienden a optimizar las fuentes de energías sustentables. Hemos tomado como ejemplo práctico del siglo pasado el bombillo incandescente, un dispositivo que produce la luz mediante el calentamiento por el efecto Joule. El bombillo incandescente es el de más bajo rendimiento luminoso de todas las lámparas utilizadas: de 12 a 18 lúmenes por vatio de potencia y de menor vida útil con solo 1000 horas de trabajo: No ofrece una buena reproducción de los colores, su eficiencia es muy mala, solo convierte en luz visible el 15% de la energía consumida, un 25% se transforma en calor y el 60% en radiación no visible de luz ultravioleta e infrarroja.

Por eso con el fin del ahorro aparecen a principios de este siglo las lámparas de bajo consumo: el “bombillo ahorrador”, lámparas compactas fluorescentes que utilizan un 80% menos de energía, porque producen mucho menos calor y pueden durar 12 veces más que el anterior. Sin embargo, muchos aseguran que la potencia y tiempo de explotación referida de las lámparas o tubos CFL no es real e iluminan menos de lo que dicen sus etiquetas.

En la última década aparecen los bombillos “LED”. Estos producen más luminosidad que las lámparas fluorescentes, menor consumo que aquellas, con más eficiencia que el bombillo ahorrador y tienen mayor tiempo de vida útil. Por tanto, en la práctica el LED es muy superior y fundamental en la iluminación general por el ahorro y eficiencia con respecto a todos los demás. Este aspecto fue lo que hizo se sustituyera en los televisores LCD la iluminación a tubos CCFL del "back light" por los diodos LED.

Para la televisión sucede lo mismo en la TV LCD, un híbrido analógico digital que, como lo es el aire para el hombre, le son imprescindibles los “convertidores electrónicos” para la alimentación de las etapas del control digital y su núcleo, las etapas del procesador de video para la alta resolución HD, el bloque TCON, la memoria DDR, el chisep USB y el HDMI, también para los amplificadores clase D. Estos convertidores son imprescindibles para la alimentación por el ahorro y la eficiencia: pues los chips manejan tensiones especiales concertadas para potenciar el modelo no solo en calidad, sino también en el mejor sentido económico y ambiental.
Por eso a los receptores de televisión analógicos también le llegó la hora de la actualización; llegó el final a los antiguos TV de TRC (tubo de rayos catódicos) por el TV LCD, de mayor calidad, mayor resolución, mucha más eficiencia, inteligentes y mayores prestaciones, con acceso a Internet y pantallas LCD inmensamente grandes. Es todo esto lo que justifica la actualización de los aparatos electrónicos.

Los convertidores y las fuentes conmutadas

Una fuente conmutada utiliza un rápido interruptor para controlar la tensión de salida variando el ancho de pulso del interruptor, tomando solo la energía requerida por la carga. Las fuentes conmutadas son casi 100% eficientes. El único calor generado se produce por las características no ideales de los componentes: las pérdidas en la conmutación en los transistores, las resistencias parásitas de los transistores, la resistencia serie equivalente en el inductor, los condensadores y la caída de voltaje en el diodo rectificador. Estas son las cosas que reducen la eficiencia en las fuentes conmutadas. Pero, aun así, la cantidad de energía desperdiciada o disipada por el calor son reducidas, la eficiencia actual de los convertidores conmutados es del 95 % y más, cuando implementan circuitos integrados y la autorregulación, evidentemente por mucho, más eficientes en potencia que los reguladores lineales.

Convertidores

Los convertidores son circuitos de potencia confeccionados con semiconductores. Imprescindible para el proceso la conmutación, que se realiza por lo común con un transistor (MOSFET) y un diodo de rectificación ultra rápido, con características para mover un alto amperaje con pérdidas mínimas.

Es sinónimo de “convertidor” cuando puede producir voltajes de salida (+Vo) más bajos o más altos que el voltaje de entrada, incluso inverso (-Vo) al voltaje de entrada, permitiendo circuitos muy versátiles y mejor adaptados a los voltajes de entrada. Por eso los convertidores pueden ser reductores, elevadores o inversores, hemos omitido el “Cuk” por su exclusividad, pero los más conocidos son el:
 Convertidor Buck
 Convertidor Boost
 Convertidor Inverting
 Convertidor Flyback
Te recomendamos analizarlos porque es la única forma posible en los módulos electrónicos de los de TV LCD y las nuevas tecnologías, reflejando un cambio histórico en todos los aparatos, y cuando decimos todos, nos referimos al universo de circuitos electrónicos de este siglo.

El transistor conmutador

El secreto.
En todos los tipos de topologías de convertidores y fuentes conmutadas se apagan y encienden los transistores completamente. El transistor estaría (fig.7) funcionando como un interruptor, pues en un instante está encendido “Vce = 0V” y en otro instante apagado “Ic = 0 mA” por eso la potencia disipada en el transistor sería igual a cero.

Si razonamos que: P = E x I tendremos para un transistor una potencia de 0 Watt.

P = Vce x Ic = 0V x Ic = 0 watts

En realidad, sería casi igual a cero porque como antes se señaló, se han despreciado las capacidades parásitas del transistor y los tiempos de subida y bajada en la zona lineal activa o prohibida para la conmutación del transistor, en realidad el valor promedio reflejado en un transistor conmutador es menos de 1 mW (0.001 Watt) en apagado y menos de 1 W en encendido.

Se comprenderá entonces que no habrá temperatura disipada en el dispositivo, pues si existe algo que la “Ley de Joule” define es que: el paso de una corriente eléctrica en un circuito será proporcional al producto de la resistencia del conductor por el cuadrado de la intensidad de la corriente. Recordando que el transistor es una resistencia de transferencia: queda establecida la relación entre el calor y el trabajo en el dispositivo electrónico.
Una pérdida de energía en forma de calor no puede ser tolerada, los transistores de potencia no pueden funcionar en la zona lineal activa porque es energía desperdiciada, por eso esta relación de ecuaciones son hoy metafóricamente dichas “ecuaciones prohibidas”.

P = R x I² = E²/R

Aplicación de los transistores conmutadores

Del análisis se comprende porque un transistor de pequeña potencia puede funcionar en la condición de conmutador y manejar grandes cargas con máxima eficiencia, se comprende porque un transistor puede ser utilizado como regulador sin la necesidad de un disipador de calor o usando uno pequeño; por eso es ideal, ocupa menos espacio y más barato.
Hoy las fuentes conmutadas utilizan como interruptores diversos tipos de transistores, los MOSFET, IGBT, BJT, GTO o dispositivos más recientes como el MCT.

Por eso un pequeño transistor puede ser utilizado para mover vehículos terrestres y naves aéreas: igualmente como conmutador para los motores de fase partida, trifásicos, síncronos, de paso a paso, en ciclo conversores, convertidores de potencia y una amplia gama de proyectos no descritos, como para mover: rover y naves no tripuladas, drones y aparatos robóticos, como también ser utilizados para los equipos de sonido en los amplificadores clase D de los home theater 5.1. Imprescindibles en las mother board de los ordenadores (PC) y las main board en la televisión de alta definición LCD.

Segunda Parte »

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