Convertidores AC/DC

Los circuitos a menudo requieren una fuente de alimentación AC integrada como estrategia óptima para reducir el tamaño, el coste o debido a necesidades específicas de la aplicación. Entender los conceptos clave asociados a la conversión y las alternativas prácticas disponibles es un buen comienzo hacia un diseño exitoso.

¡La seguridad es lo primero!
Cuando la fuente de CA es una toma de corriente de la red eléctrica, hay que tener mucho cuidado para garantizar una implementación segura. Sin excepción, este subsistema debe ser diseñado e implementado por un experto cualificado. Si es posible, utilice un paquete de enchufes preaprobados.

¡El cumplimiento es obligatorio!
Cuando se conecta algo a una toma de corriente, debe cumplir con las normas de certificación legales del país en el que se va a utilizar. Además, debe haber sido probado y certificado para ello, un proceso costoso. Esto es para garantizar que es seguro, que no interfiere con otras personas o que contribuye con el ruido a las líneas de alimentación principal de CA.

¿Qué es un convertidor de CA/CC?
La energía eléctrica se transporta en los cables ya sea como una corriente continua (CC) que fluye en una dirección a un voltaje constante no oscilante, o como una corriente alterna (CA) que fluye hacia adelante y hacia atrás debido a un voltaje oscilante. La CA es el método dominante de transporte de energía porque ofrece varias ventajas sobre la CC, entre ellas unos costes de distribución más bajos y una forma sencilla de convertir entre niveles de tensión gracias a la invención del transformador. La corriente alterna que se envía a alta tensión a través de largas distancias y luego se convierte a una tensión más baja es una fuente de energía más eficiente y segura en los hogares. Dependiendo de la ubicación, la alta tensión puede oscilar entre 4kV (kilovoltios) y 765kV. Como recordatorio, la red eléctrica de los hogares oscila entre 110V y 250V, dependiendo de la parte del mundo en la que vivas. En EE.UU., la línea principal de CA típica es de 120V.

Los convertidores dirigen una corriente alterna, ya que su tensión también se alterna, hacia elementos de impedancia reactiva, como inductores (L) y condensadores (C), donde se almacena e integra. Este proceso separa la energía asociada a los potenciales positivo y negativo. Los filtros se utilizan para suavizar la energía almacenada, con lo que se crea una fuente de corriente continua para otros circuitos. Este circuito puede adoptar muchas formas, pero siempre consta de los mismos elementos esenciales, y puede tener una o varias etapas de conversión. El convertidor representado en la figura 1 se denomina «convertidor hacia delante», lo que supone un mayor rendimiento que una arquitectura algo más sencilla: un «convertidor flyback». Aunque no se discute en detalle, un convertidor flyback se diferencia de un convertidor forward en que su funcionamiento depende de la energía almacenada en el entrehierro del transformador en el circuito. Aparte de esta diferencia, pueden utilizar los mismos bloques esenciales.

Figura 1: Diagrama de bloques funcional de una fuente de alimentación AC/DC con convertidor hacia delante

Bloque de filtrado de entrada
Un filtro de entrada es importante porque evita que el ruido producido en los elementos de conmutación de la fuente de alimentación vuelva a la red eléctrica. También evita que el ruido que pueda haber en la fuente de alimentación de red llegue a los circuitos posteriores. El filtro pasa a través de la frecuencia de la red de 50/60Hz, y atenúa el ruido de mayor frecuencia y los armónicos que puedan estar presentes. Al igual que con otras partes de un convertidor de CA a CC, los elementos reactivos como los condensadores y los inductores desempeñan la importante función de supresión selectiva de la frecuencia. Los condensadores no pasan la CC, y pueden utilizarse en serie (como elementos de bloqueo de CC «filtro de paso alto»), o en paralelo (para derivar las altas frecuencias a tierra evitando que lleguen al convertidor).

El bloque de filtrado de entrada también suele incluir una resistencia dependiente de la tensión, o varistor para evitar que los picos de alta tensión en la red eléctrica dañen la fuente de alimentación. Esta es la caja rectangular con la línea diagonal que la atraviesa en la entrada en la Figura 1. El tipo más común de varistor es un varistor de óxido metálico (MOV). Cualquier tensión que supere la «tensión de sujeción» de los dispositivos hace que el MOV se convierta en conductor, derivando el pico de alta tensión y suprimiendo la sobretensión.

Rectificación
Los convertidores CA/CC más sencillos constan de un transformador que sigue el filtrado de entrada, que luego pasa a un rectificador para producir CC. En este caso, la rectificación se produce después del transformador porque los transformadores no pasan la CC. Sin embargo, muchos convertidores de CA/CC utilizan topologías de conversión más sofisticadas y de varias etapas, como se muestra en la figura 1, debido a las ventajas que suponen los menores requisitos del transformador y el menor ruido referido a la fuente de alimentación de la red.

Los rectificadores se implementan utilizando dispositivos semiconductores que conducen condicionalmente la corriente en una sola dirección, como los diodos. Entre los rectificadores semiconductores más sofisticados se encuentran los tiristores. Los rectificadores controlados por silicio (SCR) y los triodos para corriente alterna (TRIAC) son análogos a un relé en el sentido de que una pequeña cantidad de tensión puede controlar el flujo de una tensión y corriente mayores. Su funcionamiento consiste en que sólo actúan cuando una «puerta» de control es activada por una señal de entrada. Encendiendo o apagando el dispositivo en el momento justo en que fluye la forma de onda de CA, se dirige la corriente para crear una separación de CC. Hay muchos circuitos para hacer esto, con señales extraídas de la forma de onda de CA utilizadas como señales de control que establecen los cuadrantes de fase en los que los tiristores están encendidos o apagados. Esto es la conmutación, y puede ser natural (en el caso de un simple diodo) o forzada, como en el caso de los dispositivos que son más sofisticados.

Las fuentes de alimentación de alta eficiencia pueden utilizar dispositivos activos como los MOSFET como interruptores en tales circuitos. El motivo de utilizar topologías más complejas suele ser la mejora de la eficiencia, para reducir el ruido o para actuar como control de potencia. Los diodos tienen una caída de tensión intrínseca cuando conducen. Esto hace que se disipe energía en ellos, pero otros elementos activos pueden tener una caída mucho menor y, por tanto, una menor pérdida de energía. Los circuitos SCR y TRIAC son particularmente comunes en los circuitos de control de potencia de bajo coste, como el ejemplo del atenuador de luz que se muestra a continuación, que se utiliza para dirigir y controlar directamente la corriente suministrada a la carga a medida que se alterna la red eléctrica de entrada. Nótese que estas implementaciones no son galvánicas cuando no tienen un transformador en el circuito – sólo son útiles en circuitos que son apropiados como el control de luz conectado directamente a la red. También se utilizan en fuentes de alimentación industriales y militares de alta potencia donde la simplicidad y la robustez son esenciales

Figura 2: Conversión basada en SCR

Corrección del factor de potencia (PFC)
Este es el aspecto más complicado de entender de un convertidor. El PFC es un elemento esencial para mejorar la eficiencia de un convertidor mediante la corrección de la fase relativa de la corriente que se extrae a la forma de onda de la tensión para mantener el factor de potencia óptimo. De este modo, se reducen las características de «carga reactiva» que el convertidor puede presentar a la red eléctrica. Esto es esencial para mantener unas redes eléctricas eficientes y de alta calidad, y las empresas de suministro eléctrico pueden incluso imponer tarifas especiales por corriente reactiva a los clientes que tengan factores de potencia deficientes. El PFC pasivo o activo se refiere a si se utilizan elementos activos o pasivos para corregir las relaciones de fase. Los semiconductores PFC pueden referirse a CI de propósito especial con controladores integrados diseñados para supervisar y ajustar activamente el circuito PFC, reduciendo el número de componentes y simplificando el diseño general al tiempo que se obtiene un mayor rendimiento. Pueden incorporar otras funciones como la protección contra sobretensión/subtensión, la protección contra sobrecorriente, el arranque suave y la detección/respuesta a fallos.

El convertidor representado en la figura 1 es un convertidor PFC de una sola etapa. El condensador de esta sección se utiliza para almacenar la energía desequilibrada entre la potencia de entrada pulsante y la potencia de salida relativamente constante de la etapa. Consulte la sección «Almacenamiento de energía reactiva» para obtener más detalles al respecto. Los convertidores PFC de dos etapas se utilizan comúnmente ya que no tienen que manejar un rango de tensión tan amplio a través del condensador de almacenamiento que se obtiene en las fuentes de alimentación universales, lo que tiene un efecto perjudicial en la eficiencia de la conversión. También pueden ofrecer mejores compensaciones en el tamaño del condensador, y esto puede ayudar a reducir el coste.

Etapa de potencia
La etapa de potencia controla la potencia entregada desde el primario al secundario a través del transformador. Consta de un dispositivo de conmutación activo que conmuta a una alta frecuencia que puede ser de cientos de kHz. El estado ON/OFF del conmutador está controlado por una entrada de modulación de anchura de pulso (PWM) que cambia en función de la cantidad de potencia que debe suministrarse dinámicamente a la carga. Esta información se obtiene mediante una ruta de retroalimentación desde el lado secundario que puede comunicarse mediante una serie de técnicas que se adaptan a los requisitos de aislamiento del convertidor. La conmutación de mayor frecuencia da lugar a un requisito de transformador más pequeño, lo que reduce el tamaño y el coste.

Transformador
Un transformador está compuesto por cables enrollados en un núcleo común que se acoplan entre sí por inducción electromagnética. Esto es importante a la hora de conectarse a fuentes de alta tensión (red eléctrica), lo que se conoce como conversión «off-line», ya que el acoplamiento inductivo desconecta la red eléctrica del circuito posterior, una situación mucho más segura que la conexión directa. Este acoplamiento mediante un campo electromagnético, en lugar de un circuito de cobre directo, denominado «aislamiento galvánico», restringe la energía máxima que puede provocar una descarga eléctrica o un chispazo peligroso a la energía almacenada en las líneas de flujo del campo magnético de los transformadores. La capacidad (relacionada con el tamaño y los materiales) del transformador para almacenar energía es una consideración importante en el diseño de los convertidores, ya que dicta lo bien que el transformador puede proporcionar la energía para mantener el potencial de tensión deseado bajo condiciones de carga cambiantes.

Los detalles de la teoría y el funcionamiento del transformador se pueden encontrar aquí.

La figura 1 tiene un bloque llamado ‘Mag Amp Reset’ asociado con la desmagnetización del transformador debido a una corriente de magnetización inherente a la arquitectura. Sin esto, la remanencia del material del núcleo lo saturaría en unos pocos ciclos del PWM de la etapa de potencia. Aunque es demasiado complejo para cubrirlo en este tutorial, este circuito adicional puede ser muy confuso cuando se revisan los diagramas de los circuitos del convertidor, y es útil saber por qué es necesario. Hay una serie de técnicas para realizar la desmagnetización, la más simple es cuando el interruptor de la etapa de potencia está apagado, una corriente de desmagnetización se alimenta de nuevo diodo a través de un devanado auxiliar separado. Este circuito restringe el ciclo de trabajo PWM máximo al 50%, pero se pueden utilizar métodos más complejos para permitir ciclos de trabajo más altos.

Los transformadores u otros métodos de aislamiento galvánico (como los optoacopladores) se utilizan con frecuencia para comunicar señales de información entre los lados primario y secundario. Esto es necesario para facilitar un control más intrincado del proceso de conversión, permitiendo que un circuito de control situado en el lado primario responda al estado de la carga del lado secundario y cambie dinámicamente la forma de dirigir la corriente para obtener un menor ruido y una mayor eficiencia.

Circuitos de salida
Como se mencionó en la sección de filtrado, los campos eléctricos en los elementos reactivos pasivos (de almacenamiento) como condensadores e inductores almacenan energía. Cuando se utilizan después de la rectificación de la dirección de la carga, actúan como una reserva de energía durante el ciclo de potencia de entrada alterna. Se trata de un elemento vital en un convertidor, ya que este almacenamiento de energía actúa como una fuente, permitiendo una tensión de salida constante en condiciones de carga variables. Los elementos activos detectan la tensión presentada a la carga y/o la corriente que fluye hacia la carga, y en un bucle de control de retroalimentación negativa, utilizan esta información para ajustar la energía bombeada a estos elementos de almacenamiento para mantener un nivel de tensión de salida constante. Este proceso de bombeo utiliza elementos activos para conectar y desconectar la corriente que fluye hacia los elementos de almacenamiento, lo que se conoce como el concepto amplio de regulación.

Regulación
Necesitamos una tensión constante presentada a un circuito de carga, independientemente de la impedancia dinámica de la carga. Sin esto, pueden producirse condiciones de sobretensión o subtensión, lo que puede dar lugar a un comportamiento espurio del circuito o incluso a daños en el mismo. Esto es especialmente cierto en el caso de la electrónica digital de baja tensión, en la que las tensiones de alimentación deben estar estrictamente limitadas dentro de un margen de unos pocos porcentajes del valor nominal. Los elementos reactivos no tienen ningún control incorporado de esto. La forma en que un convertidor AC/DC consigue una ventana de tensión de salida estrechamente controlada es mediante el control condicional de la energía almacenada en la fuente de almacenamiento reactiva de baja impedancia.

La tensión de salida cambiará con el tiempo a medida que se agote la energía de estos elementos y también puede tener variaciones causadas por las características no ideales de los dispositivos, como la resistencia en serie o la capacitancia parásita. Se requiere algún tipo de control dinámico para recargar esta fuente. Esto se llama regulación. Las cargas como los microprocesadores cambian la potencia que demandan a medida que realizan diferentes operaciones, y esto exacerba la necesidad de tener una regulación dinámica activa.

El control de la regulación es un circuito de retroalimentación que controla los elementos de conmutación. En este caso el elemento de conmutación está en el lado primario del convertidor. Para que un conmutador sea eficiente tiene que estar fuertemente encendido (la menor impedancia posible) o fuertemente apagado (la mayor impedancia posible), ya que los estados intermedios hacen que la energía que viaja a través del conmutador se disipe y se desperdicie. Los interruptores semiconductores, como los MOSFETS, no son ideales y presentan cierta impedancia, por lo que disipan energía y esto reduce la eficiencia de la conversión.

En realidad, sólo hay dos formas de controlar un interruptor, variando el ciclo de trabajo en el que está encendido o apagado, lo que se denomina modulación de anchura de pulso (PWM) o controlando la frecuencia de encendido o apagado. Los convertidores de modo no resonante emplean técnicas de conmutación dura, pero los de modo resonante emplean una técnica de conmutación suave más inteligente. La conmutación suave consiste en activar o desactivar las formas de onda de la corriente alterna en puntos de tensión o corriente cero, lo que elimina las pérdidas de conmutación y da lugar a arquitecturas de muy alto rendimiento. Técnicas como la rectificación sincrónica sustituyen los diodos de rectificación por elementos de conmutación activos como los MOSFETS. El control de la conmutación sincronizada con la forma de onda de CA de entrada permite que el MOSFET conduzca con una resistencia de encendido muy baja y una menor caída de tensión en el momento adecuado, lo que conduce a una mayor eficiencia en comparación con la rectificación de diodos.

¿Cómo sabe el circuito de regulación cuándo debe conmutar? Hay dos métodos principales de modo de control: control de tensión y control de corriente. Los reguladores utilizan uno o una combinación de ambos métodos para regular la tensión presentada al circuito de carga.

Modo de control de tensión

El circuito de regulación detecta la tensión de salida, la compara con una tensión de referencia para crear una función de error. La señal de error modifica la relación de conmutación para acercar la salida al nivel deseado. Este es el método de control más sencillo.

Modo de control de corriente

Se detectan tanto la tensión de salida como la corriente del inductor y la combinación se utiliza para controlar el ciclo de trabajo. Este «bucle de detección de corriente» interno permite un tiempo de respuesta más rápido a los cambios de carga, pero es más complejo que el modo de control de tensión.

Para complicar aún más el elemento de regulación, además del método de control, la forma en que un convertidor actúa como ciclo de conmutación se denomina modo de funcionamiento continuo o discontinuo. Un modo de funcionamiento continuo es aquel en el que la corriente del inductor nunca cae a cero (si la topología del convertidor lo tiene). Se trata de un modo de funcionamiento con menor ondulación de salida y, por tanto, menor ruido, pero como el inductor siempre está conduciendo, siempre está disipando algo de energía en sus pérdidas de conducción en serie no ideales. En el modo discontinuo, se permite que la corriente del inductor llegue a cero, haciendo que la carga obtenga energía de los condensadores de almacenamiento. Este es un modo de funcionamiento de mayor eficiencia, pero tiene potencialmente más ondulación y un control de regulación más pobre.

Tipos de convertidores
Como se ha mencionado brevemente, hay varios tipos de convertidores relacionados con su topología, incluyendo las arquitecturas flyback y buck- flyback. Estas topologías son comunes, ya que incorporan transformadores, tienen un bajo número de componentes y pueden ser de bajo coste en comparación con otras opciones. Los convertidores flyback son un convertidor buck-boost (step-up/step down) con el inductor sustituido por un transformador. La energía almacenada en el transformador se utiliza para conmutar el secundario mediante un circuito de rectificación activo o pasivo. El tipo más común de convertidor flyback utiliza el modo discontinuo (DCM) – con la corriente que fluye en el transformador llegando a cero – ya que suele tener el lazo de control más sencillo y el coste más bajo. Los convertidores flyback de modo de corriente continua (CCM) son necesarios para niveles de potencia más altos, pero dan lugar a mayores pérdidas en el bobinado del transformador debido a la conducción continua. Muchas fuentes de alimentación cambian de modo en función del nivel de carga. Las variaciones de conmutación cuasirresonante (QR) y de frecuencia variable en la topología flyback son circuitos más complejos que optimizan cuándo y cómo se produce la conmutación para mejorar la eficiencia. El flyback QR lo consigue reciclando la energía de las inductancias de fuga no ideales, y la conmutación en valle reduce los picos causados por el sobreimpulso. Suelen utilizarse en aplicaciones de baja potencia.