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Fuentes de alimentación conmutadas

Una fuente conmutada es un dispositivo electrónico que transforma energía eléctrica mediante transistores en conmutación. Mientras que un regulador de tensión utiliza transistores polarizados en su región activa de amplificación, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutándolos activamente a altas frecuencias (20-100 Kilociclos típicamente) entrecorte (abiertos) y saturación (Cerrados). La forma de onda cuadrada resultante es aplicada a transformadores con núcleo de ferrita (Los núcleos de hierro no son adecuados para estas altas frecuencias porque tienen pocas pérdidas debido a corrientes de Foucault y alta densidad de flujo) para obtener uno o varios voltajes de salida de corriente alterna (CA) que luego son rectificados (Con diodosrápidos)y filtrados (Inductores y condensadores)para obtener los voltajes de salida de corriente continua (CC). Las ventajas de este método incluyen menor tamaño y peso del núcleo, mayor eficiencia por lo tanto menor calentamiento. Las desventajas comparándolas con fuentes lineales es que son más complejas y generan ruido eléctrico de alta frecuencia que debe ser cuidadosamente minimizado para no causarinterferencias a equipos próximos a estas fuentes.
Las fuentes conmutadas fueron desarrolladas inicialmente para aplicaciones militares y aeroespaciales en los años 60, por ser inaceptable el peso y volumen de las lineales, se han desarrollado desde entonces diversas topologías y circuitos de control, algunas de ellas exponemos ya que son de uso común en fuentes conmutadas para aplicacionesindustriales y comerciales.


Topologías

Las topologías de conexión Buck, Boost, Buck-Boost conforman la principal división en caracterización de fuentes de alimentación. Adicionalmente a estas topologías existen otras de menor utilización a nivel comercial como son:

Feed forward
Chopper
Cuk
Flyback






Métodos de control

La red de realimentación del convertidor y surespectivo controlador es de vital importancia para el funcionamiento de los convertidores DC/DC. Entre los medios de control más utilizados se encuentran los siguientes:

Modulación de Ancho de Pulso (PWM, Pulse Wide Modulation)
Frecuencia variable





Componentes del convertidor conmutado de alta frecuencia

Tal como ya se ha comentado, existen dos componentes dentro del convertidorconmutado de alta frecuencia que cumplen la función de interruptores, estos componentes corresponden a un transistor y un diodo. De la misma manera se ha acotado la existencia de un elemento almacenador de energía, el cual corresponde a un inductor. Una descripción de la importancia, función y tipo de estos componentes se muestra a continuación:

Transistor
El transistor utilizado normalmentecorresponde a un transistor MOSFET de potencia. Estos dispositivos aparecieron en el mercado a mediados de la década de los ochenta y rápidamente han sustituido componentes anteriormente utilizados en aplicaciones de altas frecuencias de trabajo, tales como los transistores bipolares (BJT). Un diagrama esquemático de un transistor MOSFET de potencia se muestra en la siguiente figura:



Como seobserva en la figura, el transistor de efecto de campo es un dispositivo de tres terminales, con uno de ellos conocido como puerta (gate) que realiza el control de corriente por el dispositivo, esto entre los restantes dos terminales, el terminal de drenaje (drain) y el terminal de fuente (source). El transistor de canal N está compuesto a partir de un sustrato fuertemente dopado tipo N (lo cualasegura una gran cantidad de electrones de conducción) conectado exactamente al terminal de drenaje (D), se construye también una región tipo N de bajo dopado y sobre esta se aplican dos procesos de difusión de impurezas aceptarlas y donadoras conectadas externamente al terminal de fuente (S). La puerta (G) se construye a partir de procesos de oxidación de silicio (SiO2) y el depósito de poli...