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La conversión de potencia y las topologías más populares

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Mark Patrick, Technical Marketing Manager de Mouser Electronics EMEA, nos explica la conversión de potencia y sus diferentes posibilidades

En numerosas piezas de equipos electrónicos, necesitamos algún tipo de conversión para la alimentación, tanto en sistemas complejos de infoentretenimiento como en sensores simples para el IIdC.

Sin embargo, podemos escoger entre distintos tipos de topologías de conmutación para la conversión CC/CC y CA/CC. La elección dependerá en gran medida de los niveles de tensión que necesitemos y de la cantidad de potencia.

En este artículo, hablaremos sobre los conceptos básicos de la conversión de potencia, lo que incluye el aislamiento y la regulación de la tensión. Analizaremos también algunas de las topologías más conocidas que se pueden emplear en diseños discretos y modulares.

La conversión de potencia se utiliza prácticamente en toda la tecnología que usamos a diario.

Por ejemplo, es muy probable que nuestro móvil utilice una batería de iones de litio con una tensión nominal de 3,7 V. Sin embargo, lo más normal es que los elementos internos funcionen con niveles de tensión diferentes. Los más habituales son 1,8, 3,3 y 5 V. La conversión de potencia se utiliza para convertir la salida de tensión nominal de la batería al nivel necesario.

Esta conversión se puede encontrar, incluso, en las baterías externas por USB, que utilizan millones de personas para recargar el móvil, los auriculares u otros dispositivos portátiles cuando están fuera de casa. Estos elementos tienen una batería “pouch” con una salida nominal de 3,7 V, y la conversión se utiliza para llegar a los 5 V que son necesarios.

En el caso de los dispositivos electrónicos más grandes, como los altavoces inteligentes, los televisores u otros electrodomésticos, necesitamos rebajar la tensión de la red eléctrica hasta un nivel adecuado. En ese caso, se emplean conversores CA/CC y métodos de conversión CC/CC. Sin embargo, en el pasado, se usaba el método lineal, pero esto precisaba de componentes muy grandes y no era muy eficiente. Aunque este método aún se utiliza en algunas tareas de conversión de potencia CC/CC, la mayoría de las aplicaciones actuales se basan en un regulador de conmutación.

La conversión de potencia por conmutación consiste en almacenar la energía en un condensador o en un inductor. Gracias a esta energía, el regulador de conmutación puede suministrar una tensión de salida superior o inferior a la entrada nominal (ver imagen 1).

La conversión de potencia y las topologías más populares
Diagrama de bloques funcional de un convertidor CC/CC típico (fuente: Murata).

Se aplica una señal PWM (modulación por ancho de pulso) a un semiconductor para controlar la conmutación del convertidor. El ciclo de trabajo (la tasa trabajo/reposo) y la frecuencia de la señal PWM determinan la eficiencia, la regulación de la carga y la tensión de salida. El funcionamiento básico es el siguiente: durante el ciclo «on», la señal PWM y el dispositivo de conmutación forman una bomba de carga (multiplicador de tensión) para almacenar la energía en el inductor o el condensador. Durante el ciclo «off», esta energía se libera y se rectifica. Se le aplica una regulación de tensión de salida a la señal PWM. Para lograr el aislamiento entre la entrada y la salida, se utiliza un transformador como elemento inductivo junto con un condensador.

A lo largo de los años se han popularizado diferentes topologías de conversión CC/CC.

Las principales son las siguientes:

  • step-down (buck o reductor)
  • step-up (boost o elevador)
  • isolated flyback o retroceso

En este artículo también hablaremos de otras tres topologías de conmutación usadas frecuentemente: push-pull, half-bridge y full-bridge.

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