FUENTES DE ENERGÍA

Aunque cueste creerlo, la fuente de alimentación es uno de los componentes que menos se tienen en cuenta a la hora de adquirir una nueva computadora, y se trata de uno de los elementos más importantes de toda PC (a tal punto, que en casa siempre tengo una fuente extra, por las dudas), ya que sin él, directamente no funcionaría nada.
Otra razón por la cual fue tomando aún más relevancia
es el hecho de que el consumo de energía por parte de las computadoras fue incrementándose.
Esto, a su vez, se debe a diversas tecnologías que fueron desarrollándose y evolucionando, como, por ejemplo, la mayor cantidad de ventiladores necesarios, el overclockíng, el modding, un mayor número posible de discos duros... y hay todavía más, si pensamos en las tecnologías más recientes: procesadores dual-core y multi-core, tecnologías NVIDIA
SU y ATI Crossfire...

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º FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS º
º Por Osvaldo LW1DSE º
ÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ

En esta serie de articulos tratare de difundir someramente el principio basico de las fuentes de alimentacion conmutadas. Tratare en lo posible de reducir la cantidad de matematicas necesarias para entender los textos, y los graficos seran aproximados, teniendo en cuenta la limitacion inherente del codigo ASCII correspondiente al codigo de pagina CP 437. Apelo, por lo tanto a la imaginacion del lector para interpretar los mismos. Obviamente, seran bienvenidas las sugerencias y correcciones hechas por los colegas radioaficionados.

1) Introduccion.

La fuente de alimentacion conmutada, (SMPS por sus siglas del ingles Switch Mode Power Supply) nacen como consecuencia de dos necesidades: reducir los tamaños requeridos para la fuente en los distintos tipos de equipos electronicos, y por otro lado aumentar la eficiencia de las mismas, teniendo en cuenta prioritariamente los equipos moviles y port tiles, alimentados a pilas o baterias recargables, donde los recursos son limitados en duracion y tamaño.
Por sobre estas dos premisas, sobrevuela, como siempre, el problema de los costos de fabricacion.

Los reguladores lineales tradicionales, solo pueden entregar tensiones inferiores a las de entrada, mientras que los conmutados pueden entregar voltages menores o mayores que los de entrada e incluso de polaridad reversa con respecto a esta, con la sola diferencia de realinear los mismos componentes.

Mientras que los reguladores lineales hacen uso de una resistencia variable (transistor de paso), transformando la diferencia de energia entre la entrada y la salida en calor; los reguladores SMPS simplemente no utilizan la energia excedente, por lo cual la temperatura de funcionamiento es siempre menor y por lo tanto los discipadores son de menor tamaoño que las lineales, entonces los costos y los tamaños de los equipos son siempre menores. Por otro lado, menor temperatura casi siempre implica mayor confiabilidad, y menor envejecimiento de los materiales.

En las fuentes lineales, en la mayoria de los casos, se necesita reducir la tension de entrada al regulador, mediante un transformador operado desde los 50 Hz de la linea de canalizacion. En el caso de necesitar mas de una tension de salida, se necesita imperiosamente un regulador por cada una de ellas o, en todo caso, un devanado independiente para cada salida.
Algunos circuitos antiguos, inclusive utilizaban 2 bobinados para entregar una unica tension de salida, uno de ellos exclusivamente para alimentar al propio regulador. Dado que el volumen de nucleo de hierro en un transformador es inversamente proporcional a la frecuencia, si se aumenta la frecuencia de trabajo, cae el tamaño de nucleo necesario para hacer pasar la potencia necesaria para la carga. Al reducir la seccion de hierro, simultaneamente se reduce la cantidad de espiras que se tienen que colocar dentro de el, con lo cual la cantidad de cobre, el peso, y el costo se ven severamente reducidos.
En las SMPS, no siempre es necesario utilizar bobinados independientes, mas bien son derivaciones en el bobinado; y por otro lado basta un solo regulador conmutado para generar 4, 5, o mas tensiones bien regualadas por linea y por carga, como es el caso de las PC y los monitores.

Por otro lado, es bien sabido que para usos de audio, en general se toman para las capacidades una aproximacion de unos 2000æF por cada amper de carga, y para usos normales, de unos 1000æF por amper. A medida que los consumos se elevan para mantener una buena tension de salida, se hacen imperiosos enormes capacitores de filtrado. Eventualmente, y en casos especiales, se recurre al uso de filtros con inductores de entrada, con lo cual el tamaño, los costos y el peso son aun mayores.

Todos estos factores hicieron que se dejen completamente de lado los reguladores lineales, salvo en casos de regulacion local, en donde las potencias puestas en juego son de alrededor del watt. Donde las potencias ya superan los 5 o 10 watt, los costos y los tamaños hacen injustificable una regulacion lineal.

Fin de la parte #1.

Por Osvaldo LW1DSE

En esta segunda entrega, vamos a ver como opera una fuente conmutada, pero sin aun meternos de lleno en el tema. Es decir, una analogia.

Supongase que se dispone de una fuente de corriente continua de valor fijo alimentando una carga resistiva, por ejemplo una lampara incandescente o una estufa (Rc). (fig. 1)

Pero por alguna razon que no viene al caso, deseamos reducir la potencia entregada a esa carga, sin poder alterar el valor de la tension porque como ya dijimos es fija (Por ejemplo, una bater¡a de 12 o 24V), ni tampoco la carga misma.

Queda solamente como variable la corriente. Entonces, para variar la corriente, el unico medio al que podemos apelar es a aumentar la resistencia en el circuito para reducir la corriente sin alterar ni la tension de fuente ni las caracteristicas de la carga. Como ya se habra  dado cuenta el lector, lo obvio es conectar un reostato en serie (RR) con la carga, y de esta manera variar la resistencia, y por ende la corriente que circula por la carga.

La idea, por el simple hecho de lograr el resultado deseado, adolece de un grave inconveniente. La energia que no se utiliza en la carga, se discipa en forma de calor en el reostato. Veamos un poco en detalle este punto.

donde podemos observar que a para un valor de reostato nulo, el rendimiento es del 100%. Pero a medida que es incorporado al circuito, el rendimiento cae cada vez mas cuanto mas alto es el valor de este comparado con la carga. Por ejemplo, si carga y regulador tienen el mismo valor es de 50%, y asi.

Analicemos ahora, otra solucion. No es tan obvia como la anterior, pero muy utilizada en dispositivos comunes en el hogar. Conectemos en serie entre la carga y el generador un simple interruptor. Asi la carga va a poder ser conectada o desconectada del generador a voluntad.

Si cerramos el interruptor, se establece el flujo de corriente hacia la carga. Si lo abrimos, la corriente cesa. Si ahora se acciona el interruptor abriendo y cerrando el circuito con una frecuencia lo suficientemente grande como para que en los periodos de tiempo en que no hay flujo de corriente la lampara no se alcance a apagar del todo, y en los de circulacion de corriente no alcance a encender del todo (en otras palabras, la conmutacion se hace con
una velocidad mucho mas grande que la inercia termica del filamento), podremos observar que la lampara queda a medio encender. La ventaja de este accionar, es que el interruptor cerrado equivale a una resistencia muy baja, por lo tanto es muy baja la perdida de potencia en el, y con el interruptor abierto, no hay circulacion de corriente, ergo la potencia en todo el circuito es nula. De este modo, el rendimiento se mantiene siempre alto.

En caso de necesitar reducir la temperatura de la carga, dejamos mas tiempo el interruptor abierto, y/o menos tiempo cerrado, con lo cual la temperatura promedio del filamento baja, y en caso contrario, si dejamos mas tiempo el conmutador cerrado, la temperatura media se eleva.

Si pensamos un poco, la heladera, la plancha, la cafetera electrica, todos estos dispositivos operan de esa manera. Por ejemplo, la heladera, enciende el compresor cuando la temperatura sube de cierto nivel prefijado, y se apaga al acanzar una temperaura menor determinada. Si se necesita generar mas frio, el compresor trabaja mas tiempo, y a la inversa. Para que este sistema funcione correctamente, necesitamos de una inercia termica, que es el volumen de aire y alimentos contenidos dentro del recinto de la heladera.
Si por ejemplo, fijamos el valor de encendido del compresor a digamos -2 øC, y el corte a -12 øC, la temperatura media dentro del congelador se va a mantener en alrededor de -6 øC. En la realidad, la temperatura a lo largo del tiempo va hacer una serie de "dientes de sierra" con trozos de exponenciales similares a la carga y descarga de un capacitor sobre una resistencia; con extremos en -2 y -12 øC. Pero el valor medio de esa temperatura va a ser de -6 øC. Algo similar sucede con las planchas.

Dado el efecto de encender y apagar el interruptor, de ahi se derivo el nombre: conmutadas.

Fin de la parte #2

Por Osvaldo LW1DSE

Las fuentes conmutadas, de acuerdo a como hacen el pasaje de la energia primaria en la secundaria, se las clasifica en dos grandes grupos.

1) No aisladas:
1.1) Convertidores Buck,
1.2) Convertidores Boost,
1.3) Convertidores Inverters.

2) Aisladas:
2.1) Convertidores Forward,
2.2) Convertidores Push-Pull,
2.3) Convertidores Single Ended o Half Bridge,
2.4) Convertidores Full Bridge o en "H",
2.5) Convertidores Fly Back.

A su vez, cada una de ellas, dependiendo de como funcionen, se dividen en otra serie:

3) Voltage Mode,
4) Current Mode.

Otra categoria involucra una tecnologia mucho mas reciente:

5) Convertidores Cuasi-Resonantes.
6) SEPIC's.

Una clase especial que se esta  lentamente dejando de usar:

7) Osciladores de bloqueo.

Para explicar el funcionamiento basico, y para seguir la hilacion con el articulo #2, voy a describir el funcionamiento de la topologia Buck.

La Topologia Buck.

Los elementos basicos de las tres topologias no aisladas, estan expuestas en la figura 1. Ellos son:

Ei: ac  se expresa como una bateria, pero puede no ser asi. Representa a la tension de entrada sin regular. Puede ser un rectificador partiendo directamente desde la red de canalizacion, la salida rectificada de un transformador, de un panel solar, o, una bateria (por ejemplo, una laptop)

Switch: en la mayoria de los casos se trata de un MOSFET, si bien puede ser un transistor bipolar, un IGBT, un tiristor, etc. Es importante que tenga bajas perdidas durante la conduccion.

Diodo: tiene que ser de alta velocidad, y debe ir a la par con el conmutador principal, al igual que este debe ser ultrafast, o en algunos casos de bajas tensiones, diodos de juntura Schotky. En algunos casos es sustituido por otro MOSFET si se requieren extremadamente bajas perdidas (se lo conoce como rectificacion sincronica). Se lo nombra en la jerga, como diodo freeweeling (rueda libre).

L: es un inductor con nucleo de ferrite, con espacio de aire en el recorrido del flujo magnetico, o bien nucleos especiales con una mezcla de polvo magnetico y particulas no-magneticas a fin de no tener el nucleo completamente cerrado. En bajas frecuencias, se hace de alambre Litz (muchos hilitos finos), pero en altas corrientes se usan cintas o chapas de cobre .

C: por lo general, electrolitico, con unas especificaciones especiales, debido a las caracteristicas de la funcion que ha de desempeñar.

En la practica, el inductor y el capacitor ubicados a la salida, hacen una tarea de filtro pasabajos, o integrador, o constante de tiempo similar a la descripcion que hicimos en el articulo #2 referente a la inercia presente en la heladera.

¨Como funciona esto?

Supongamos que el circuito esta  recien armado, y por lo tanto todos los elementos son nuevos. Conectamos una resistencia de carga, y una tension de alimentacion. Entonces, cerramos el switch. En ese momento suceden 2 cosas:
a traves de la inductancia de la bobina L se empieza a cargar el capacitor C y se entrega energ¡a a la resistencia de carga, circulando por lo tanto una corriente por la serie Ei; L; Rc; retornando a traves del polo comun a Ei.
La aplicaci¢n de un frente de tension bien brusco a dicha serie, induce en la inductancia una corriente que sube linealmente al ritmo impuesto por la la autoinduccion de la bobina L, la tension impuesta por la fuente, y el tiempo que dure el switch en la condicion de estar cerrado. Eso se expresa

e es la tension en bornes de la inductancia, L la autoinduccion de la misma, I es la variacion de corriente y t es el tiempo que esta  cerrado el interruptor. El signo - (menos) implica que la caida de tension en la inductancia tiende a oponerse a la causa que produce la variacion de la corriente.
Es por eso que la tension en la inductancia tiene la polaridad indicada con los signos + y - sin parentesis. El diodo esta  en inversa, por lo tanto esta inactivo.

En un deterninado momento, abrimos el conmutador. A partir de ese momento desaparece muy rapidamente la tension E a la entrada del inductor. La corriente, por lo tanto ya no puede seguir circulando. Nuevamente suceden 2 cosas: el nucleo del inductor que se halla "cargado" con energia magnetica que se puede escribir como:

donde El es la energia magnetica "guardada" en el espacio de aire del nucleo, e Imax es la corriente maxima alcanzada durante el tiempo que estuvo cerrado el switch. Como esa energia no puede "evaporarse", va a retornar al bobinado como una tension. Si antes la tension en bornes de la inductancia era tal que tendia a oponerse a la variacion de la corriente (en ese caso a subir), ahora esa tension tiende a oponerse a que la corriente desparezca. Por lo tanto, esa FEM inducida en la bobina, tiene la polaridad expresada en la figura 1 con los signos entre parentesis. Ahora, la polaridad es tal que hace conducir al
diodo, por lo tanto la inductancia se descarga sobre la carga, y sobre el capacitor C, entregando ambos energia al consumo Rc (segundo fenomeno que ocurre en el circuito).

En algun momento volvemos a cerrar el switch, con lo cual el ciclo se reitera. La diferencia de tension entre la entrada y la salida fue guardada en la inductancia, para ser utilizada cuando no entrega energia la fuente principal por estar abierto el conmutador. Esa energia almacenada se recupera, en lugar de convertirla en calor en un transistor de paso lineal. Dependiendo de cuando volvamos a cerrar el switch, pueden darse 2 situaciones:

- que al momento de volver a cerrar el switch la inductancia se halla descargada por completo, con lo cual el circuito arranca un nuevo ciclo igual al anterior, excepto que el capacitor de salida ya no est  vac¡o, pero se est  vaciando para mantener alimentada a Rc, o
- que todavia la inductancia tenga un remanente de energia, con lo cual aun los dos componentes reactivos estan entregando potencia a Rc.

Si bien el resultado es casi el mismo, desde el punto de vista de la regulacion de la fuente, se prefiere la segunda opcion, por una razon casi obvia: el ripple a la salida es menor, y se requieren menores valores de L y de C que si se deja que se vacie la inductancia.

Siendo ton el tiempo en que el switch esta  cerrado, y toff el tiempo en estado abierto, se sabe que

con f, la frecuencia de conmutacion de la fuente. Entonces, podemos decir quela tension de salida depende unicamente del tiempo en que permanece el interruptor cerrado, y de la tension de entrada. Es decir

La relaci¢n ton / T, o tambien ton / (ton + toff), es siempre menor que 1, asi es que la tension de salida siempre es menor que la de entrada. Se la denomina con la letra griega delta ë, y en la jerga se la llama Duty Cicle, o ciclo de trabajo.

Volviendo a la analogia con la heladera, cuando el compresor funciona, se genera hielo en el evaporador, con lo cual se "almacena" frio en el agua congelada, y en los elementos colocados en el interior del gabinete. El hielo absorve calor, por lo tanto "cede" frio cuando el motor no esta  funcionando. Es decir, al igual que en nuestra inductancia, a pesar que el sentido del flujo calorico en el hielo se invierte, el resultado es el mismo en ambos casos: tiende a mantener el frio en el interior del recinto del congelador.
Nuestro inductor mantiene alimentada a la carga (en este caso junto al capa- citor) aunque el switch no esta dejando pasar corriente desde la fuente primaria de energia.

La tension, entonces, a la entrada del inductor es un onda rectangular con flancos de subida y caida tan bruscos como sea posible, mientras que la forma de onda de corriente en el inductor, es una onda diente de sierra con pendiente ascendente cuando el switch est  cerrado, y descendiente cuando esta abierto. El valor medio de la corriente del inductor, despues de unos cuantos ciclos de estar el circuito funcionando, se hace igual a la corriente de carga:

La corriente en la bobina nunca se extingue, y por lo tanto tampoco lo hace el campo magnetico en ‚l; de ahi la justificacion de porque debe colocarse un nucleo con espacio de aire (Gap en ingles): un nucleo cerrado completamente se saturaria al 4§ o 5§ ciclo, desapareciendo el efecto inductivo, en esas condiciones el inductor es un corto. Ergo, el switch estaria impulsando una corriente sobre un circuito puramente capacitivo (C de salida) con lo cual seria rapidamente destruido. Al fallar el switch, toda la tension de entrada se hace presente a la salida, con consecuencias probablemente catastroficas.
De ahi, que en general, las topologias no aisladas se usan en contadas excepciones, y con circuitos de proteccion contra la puesta en cortocircuito del conmutador, por ejemplo, un "crowbar", que es un tiristor puesto en paralelo con la salida, y gatillado por un zener de digamos un 10% mas que la tension de salida. Al fallar el switch se dispara el tiristor poniendo en cortocircuito a la salida del regulador, protegiendo la carga, y haciendo fundir algun fusible conectado a la entrada de nuestro circuito. Este tipo de fallas, no es exclusiva de los reguladores switching, tambien ocurre en lineales cuando entra en fault el o los transistores de paso serie (Ususalmente 2N3055).

Otras palabras merece el capacitor C. Ac , por razones de claridad, y por un problema de didactica, se lo represento como una sola unidad, pero no es real esta situacion. Este elemento, tiene que entregar corriente a la carga, con el switch abierto, y ser capaz de recibirla cuando esta  cerrado. Esto genera un ripple en sus terminales. Dado que el condensador esta  hecho de conductores que no son perfectos, tienen resistencias. La corriente de ripple al circular por esas resistencias, genera calor (perdidas por IýR), elevando la temperatura del capacitor, lo cual a su vez elevan las resistencias, y asi, entrando en un circulo vicioso que termina con la destruccion del capacitor, y otro motivo de falla para nuestro regulador conmutado.
Por lo tanto, salta a la vista que ese capacitor debe tener tambien caracteristicas especiales. Se los denomina de "Low ESR" o de baja resistencia serie (Equivalent Series Resistance, en ingles), y por lo tanto no son aptos los capacitores normales de usos generales en audio, y no deben ser reemplazados por estos ultimos. En la practica de toda fuente buena, bien concebida, se disponen de varias unidades en paralelo (para distribuir los ripples), y de valores y tipos distintos: uno o dos electroliticos para acumular la energia en bruto, y varios de tantalio, poliester o ceramicos para disponer de bajas resistencias.

Ahora, vamos a dedicarle un par de lineas al switch. Normalmente un MOSFET, debe ser correctamente exitado, desde la conduccion nula hasta la plena. Para ello, se debe disponer de un circuito de exitacion adecuadamente diseñado. Ademas, debe garantizar bajas perdidas en su interior. Esto se logra con MOSFET de baja RDSon, y un buen exitador. Una mala conmutacion, debido a una mala eleccion de la unidad o una incorrecta exitacion, hacen que el transistor presente mucha resistencia, con lo cual se desvanecen las ventajas del sistema. Por otro lado, un exitador mal diseñado, que no lleve al MOSFET bien del corte a la saturacion, y rapidamente, posiciona al dispositivo en causal de fallas. Si, por ejemplo, no se cierra correctamente durante la conduccion, el transistor queda polarizado en la region lineal. La corriente de carga debe circular a traves del dispositivo mal cerrado, con lo cual tiene diferencia de potenciales entre sus extremos. Esto genera perdidas de potencia en su pastilla de silicio. Esta potencia se tranforma en calor. Dado que los MOSFET's tienen coeficiente de resistencia interna en funcion de la temperatura positivo, mas calor implica mas resistencia, y asi nuevamente hasta la destruccion por sobreelevacion de la temperatura de juntura.

Queda dedicarle un pArrafo al diodo. Debe ser de caracteristicas tambiEn especiales. Principalmente, debe soportar las tensiones y corrientes de trabajo, pero adem s debe ser muy r pido para entrar y salir de la conduccion. Un diodo demasiado lento, implica que cuando se cierra el switch, todavIa va a estar llevando corriente de recuperaci¢n del inductor. Como se puede observar, diodo y MOSFET conduciendo simult neamente, significan un cortocircuito sobre la entrada de tension primaria, Ei. Lamentablemente, los diodos todos tienen un tiempo para salir de la conduccion denominado `de recuperacion inversa' (trr) que en un diodo ultrafast, debe andar en menos de 50 ns (nanosegundos, la mil millon‚sima parte de un segundo) y lo usual es de 35 ns. En fuentes de bajas tensiones, se prefieren los de juntura Shotky, que a diferencia de los de juntura PN, ac  son de Metal-Semiconductor N. Esto trae 2 ventajas: al haber un tipo solo de portadores, demoran mucho menos en salir y/o entrar en conduccion, y su caida interna es de .2 o .3 de Volt en lugar de los .6 a .8 de los diodos PN. Pero lamentablemente no se pueden fabricar diodos Shotky de mas de 100V de pico inverso. De mas esta  decir que jamas se debe reemplazar un diodo switching por uno destinado al trabajo en 50 c/s, pues seria rapidamete destuido, y con ‚l, el conmutador principal. Tampoco un diodo rapido normal sustituye a uno Shotky por las razones arriba expuestas.

Fin del capitulo #3

Por Osvaldo LW1DSE

Ya vimos en el cap¡tulo #3, que era posible reducir una tension "grande" a una mas chica, sin necesidad de desperdiciar potencia en un resistor, o en un transistor de paso serie, que en definitiva, no es mas que una resistencia controlada por una corriente. En efecto, la tension colector-emisor de un transistor en su region lineal, dividida la corriente de carga da un valor de resistencia equivalente, y que de hecho es controlada por la corriente de base del transistor, hFE o á mediante.

Tambien dije, que reordenando los materiales de la misma fuente basica y cambiando la topologia de la misma, se la podria utilizar para elevar una tension o incluso transformarla en una de otra polaridad, cosa que es total y absolutamente imposible con elementos lineales. Por comodidad, se redibuja la figura 1 del cap. #3, para ver con claridad las alteraciones que vamos a producirle para cambiarla en topolog¡a "boost", es decir elevador, de su traduccion desde la lengua de Shakespeare. Ac , tambien ya he reemplazado la forma de switch generico por un MOSFET canal N para hacer la figura esquematica pero mas cercana a la realidad.

Observando la figura 2, pueden verse los cambios realizados. Reposicionamos 3 de los cuatro elementos: MOSFET, inductor y diodo fast recovery.

La idea es la siguiente. Nuevamente tenemos todos los elementos nuevitos, recien soldados. Pondremos una señal de PWM excitando la compuerta del MOSFET. Ac  siguen siendo validos todos los conceptos expuestos en el cap. #3 en cuanto a las caracteristicas del MOSFET, diodo, inductor, y capacitor. Ni bien apliquemos tension a la entrada del circuito, puede observarse que a traves del inductor y el diodo, se va a tener a la salida la tension de entrada, cargando al capacitor C. El transistor, se va a cerrar con la primera señal del PWM aplicada de valor posistivo. Esto pone a toda la tension de fuente en paralelo con el inductor. Otra vez, si el transistor es adecuadamente exitado, la caida interna del MOSFET es despreciable, y el voltaje entre terminales de potencia del MOSFET cae tan rapidamente como sea posible. Entonces, por el inductor comienza a circular una corriente que crece linealmente con el tiempo, es decir una rampa de corriente. El bobinado responde con una tension tal que tiende a impedir esa elevacion de la corriente, de ahi que la FEM en sus bornes tiene la polaridad indicada sin parentesis, cosa que tambien surge intuitivamente, pues el polo + de Ei va al terminal izquierdo del choque, y a traves del MOSFET el derecho va a masa. El diodito fast recovery esta  bloqueado por ser su catodo positivo respecto al  nodo porque estaba C cargado al valor de Ei y su  nodo a masa a traves del MOSFET.

Una vez que tenemos al inductor con el GAP bien lleno de campo magnetico, el MOSFET es llevado por el exitador PWM al bloqueo. Esto implica, que la corriente no puede ya seguir circulando. Ac  se da otra vez el caso de que la tension en bornes del inductor revierte su polaridad, en la busqueda de generar una corriente externa que se oponga a la desaparicion de la que proven¡a del MOSFET, y de Ei. Aparece entonces, una FEM en el choque indicada con signos entre parentesis. Observe el lector que esta tension aparece en serie con la de la fuente, sumandose, pues la polaridad de las mismas se lo permiten. Ahora, el diodo entra en conduccion pues su  nodo se hace mas positivo que el c todo, entonces ambas tensiones en serie aparecen sobre C, y sobre la resistencia de carga. Una vez que el inductor se vaya quedando sin energia almacenada, nuevamente se encendera  el MOSFET, repitiendo el ciclo.

De esta manera tan simple hemos generado una tension mas grande que la de entrada. Pero, las caracteristicas del circuito, imponen exigencias mas serias sobre los materiales que la componen. Primero: el inductor debe poder soportar toda la tension de entrada entre sus terminales, para ello debe estar diseñado con una aislacion adecuada. Su valor, es mucho mas chico para iguales par metros de funcionamiento, pues debe almacenar energ¡a para la carga, en tiempos comparables con los del buck. Esto se puede analizar asi.
La energia almacenada en el inductor es

Para alimentar la carga con la tension elevada, la inductancia debe ser capaz de almacenar la energia necesaria para alimentarla, pues el capacitor y el inductor no aportan simultaneamente energia a la carga como el Buck. Por otra parte, cuando el MOSFET se bloquea, la energia de la inductancia debe pasar rapidamente al capacitor para que cuando esta se vacie y se este recargando desde la fuente cuando el MOSFET conduzca; el capacitor se la entregue a la resistencia de carga para mantenerla alimentada, cuando el inductor no pueda aportar corriente a la carga. Entonces, si los tiempos de que dispone son menores, para la misma tension, en (2), la inductancia debe tener un valor menor, y para mantener la energia almacenada en (1), la corriente de recarga debe ser mayor tambien. Observese que ademas, el capacitor esta entregando corriente el solo, cuando el inductor se este cargando, ergo, su valor debe ser mayor que en la fuente buck, y le impone un ripple mucho mayor, justamente porque debe abastecer toda la corriente de carga el solo. De manera que en este caso, es aun mas importante tener en cuenta la calidad de este dispositivo. Mas aun, debe asegurarse que en ninguna ocacion el inductor se sature, pues acarrea la inmediata destruccion del regulador, al igual que en el Buck.

El diodo y el MOSFET, ademas de soportar las corrientes arriba indicadas, tienen que aguantar las tensiones elevadas sin avalancharse. Este tipo de alimentador, es la base de la topolog¡a Fly Back que expuse en el cuadro sinoptico del cap. #3.

Al igual que en el caso anterior, la inductancia puede vaciarse por completo, o no, antes de terminar el ciclo, a lo cual se llama modo discontinuo o continuo (por la forma en que se interrumpe o no la corriente en la bobina entre ciclo y ciclo, respectivamente). A diferencia del Buck, en el Boost, en general se prefiere que se vacie por completo, por dos motivos.
Uno, porque arrancar un ciclo de encendido del MOSFET cuando el inductor no se vacio, implica encenderlo sobre una tension mas alta que la de entrada, lo cual exige mas al MOSFET. Por otro lado, en ese instante, el diodo todavia esta  descargando el inductor sobre la salida, con lo cual, y al igual que en el buck, esto implica tener MOSFET y diodo en conduccion simultanea, con lo cual se pone en cortocircuito la salida de la fuente misma.
Dos, porque, cuando cerremos un lazo de realimentacion negativa para mentener la salida de la fuente a una tension constante, bien regulada por carga y por linea, se genera una inestabilidad muy dificil de poder ser gobernada. En la realidad del diseño, toda fuente calculada para modo discontinuo, pasa al modo continuo para valores elevados de la corriente de carga, junto a valores bajos de la tension de entrada, justo al borde de perder la regulacion. En esta situacion, normalmente actua un circuito de alarma de tension de entrada baja, y se apaga el conmutador para prevenir la destruccion de la fuente por la conduccion simultanea del diodo y el MOSFET.

Debido a los elevados valores de ripple del regulador aqui expuesto, en general, se utiliza una red de filtrado adicional (fig 4) compuesto por un inductor (Lo) y un capacitor (Co) que forman junto a C, un circuito PI, que reduce drasticamente la ondulacion en la tension de salida. Pero esto crea nuevos inconvenientes, que deben ser tenidos en cuenta por el Ingeniero que desarrolla el sistema.
Uno, no debe haber acoplamiento magnetico entre los dos inductores, pues esto agravaria el inconveniente, mas que solucionarlo.
Dos, ese filtro, debe tener una frecuencia de corte que debe ser por lo menos, de una quinta parte de la frecuencia de conmutacion de la fuente, para ser efectivo. Esto implica forzozamente lentitud de respuesta de la fuente, por tanto no va a poder responder a variaciones grandes y/o rapidas en la carga, por ejemplo, el arranque de un motorcito, o el encendido de una lampara, que demandan cantidades de corriente mucho mayores durante el encendido, que durante su funcionamiento normal.
Tres, no debe resonar a la la frecuencia de conmutacion de la fuente, en el caso de acoplarsele una carga de caracteristicas reactivas.
Y cuatro, el cierre del lazo de realimentaci¢n negativa se hace complicado, pues cerrarlo antes del filtro, implica que el circuito de PWM no "sabe" fehacientemente lo que pasa del otro lado del filtro, es decir, la carga; y conectarlo despues implica hacer aun mas lenta la respuesta, pues la variacion que se tendria que compensar est  pasando por un circuito lentificador como es el filtro pasabajos asi formado. Incluso, las variaciones de fase dentro del filtro, pueden hacer que a determinda frecuencia haya una rotacion de fase en el filtro de 180ø, con lo cual la realimentacion negativa se torna positiva, y la salida de la fuente es una oscilacion de tension totalmente fuera de control.

Ademas, en la figura 4 se ha adicionado un capacitor Ci a la entrada del circuito, por si la fuente Ei se debe hallar fisicamente alejada de nuestro regulador. Los cables que los interconectan, deben llevar las corrientes requeridas por el inductor, y pasan a formar parte del mismo; puesto que dichos cables poseen inductancia. Encima de no poder saber la longitud de ese conexionado, y por lo tanto, de la inductancia adicionada a la L del circuito de la figura 2; pasan a formar parte tal vez importante de L, que lleva la corriente pulsante del MOSFET, cre ndose un campo magnetico variable alrededor de ese cableado, y al igual que en L, un almacenamiento de energia, que al no estar confinado en un nucleo magnetico, se desparrama por el aire, generando toda clase de interferencias a su derredor y actuando como una antena. Entonces, Ci, que tambien debe ser del tipo "Low ESR", pone un circuito de baja impedancia a masa para las corrientes variables, y de esa manera se atenua la irradiacion de energia por parte del conexionado externo a la fuente. En el caso de Co, no necesariamente debe de ser "Low ESR", pero es recomendable. Estos elementos adicionales a nuestra fuentecita Boost, usualmente son componentes que se incorporan a todo tipo de fuente conmutada.

En caso de tener dificultades, o de presentarse la situacion de tener que reparar una de ellas, es necesario tener en mente todos estos detalles, puesto que una reparacion hecha con materiales de dudosa calidad, o de valores o tipos inadecuados, puede resultar en comportamientos impredecibles del regulador con resultados poco imaginables.

Fin capitulo #4

Por Osvaldo LW1DSE
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