Fuentes conmutadas que conmutan la corriente de carga total en cada ciclo están sujetas a picos de tensión que reducen su vida útil y también pueden generar interferencias electromagnéticas (EM). Al aumentar la frecuencia de conmutación para intentar reducir la utilización de transformadores y componentes de filtrado, las pérdidas por conmutación son más significativas. Por otro lado, si el cambio de estado de conmutación ocurre cuando la tensión o la corriente a través de ellas es cero, la conmutación se produce sin disipación de potencia, lo cual es el objetivo de este artículo sobre las "fuentes resonantes".
Nota: Artículo publicado en la revista Electrónica Total 157 de 2013. ART5550
Se puede decir que los convertidores de potencia se dividen en dos grupos principales: convertidores de conmutación forzada (Hard Switching) y convertidores de conmutación suave (Soft Switching). Los primeros y más utilizados convertidores son aquellos con modulación por ancho de pulso (PWM), comúnmente utilizados en decenas de kilohertz, donde las pérdidas de conmutación aún son tolerables. Sin embargo, con el gran auge de la microelectrónica y la electrónica, surgió la necesidad de reducir el peso y el volumen de los componentes, a la vez que se aumentaba la potencia de los convertidores.
Los convertidores de potencia consisten en circuitos con interruptores que "cortan" las formas de onda de tensión y/o corriente para variar su valor promedio y, así, entregar el valor de tensión o corriente deseado en la salida. Sin embargo, este razonamiento ignora que los componentes no son ideales y que presentan mayores pérdidas al aumentar la frecuencia.
Por lo tanto, para mantener las pérdidas constantes, es necesario utilizar componentes con mejores características, lo cual generalmente solo es posible colocando un capacitor en paralelo para reducir la resistencia equivalente en serie. En el caso de los inductores, es necesario trabajar con valores de inducción reducidos, ya que las pérdidas en el núcleo también aumentan con la frecuencia, lo que implica un mayor tamaño del núcleo utilizado. También es posible utilizar núcleos de ferrita de mayor calidad, que tienen un mayor coste. Otro factor muy importante está relacionado con las pérdidas de conmutación en el interruptor, que aumentan proporcionalmente a la frecuencia de operación; por lo tanto, para la misma potencia, aumentar la frecuencia de operación requeriría aumentar el tamaño del disipador térmico o sustituir el transistor.
Para minimizar estos problemas, se introdujeron los convertidores de conmutación suave, principalmente: los resonantes, los casi resonantes y multi resonantes. Estos hacen que la tensión y/o la corriente se cancelen de forma natural en el interruptor y aprovechan este momento para desactivarlo, reduciendo así las pérdidas por conmutación. Sin embargo, como nada es perfecto, al aumentar las pérdidas por conmutación, se produce una pérdida de conducción debido a las ondas sinusoidales de las tensiones y corrientes.
A continuación, veremos qué son las fuentes lineales, las conmutadas, el PWM y las fuentes resonantes, algunos tipos de pérdidas en las fuentes conmutadas y resonantes, así como las topologías básicas de los convertidores resonantes que permiten la conmutación sin disipación de potencia (calor).
Fuentes lineales
En una fuente lineal, la tensión alterna de la red se incrementa o disminuye mediante un transformador. Posteriormente, la tensión alterna en forma de onda sinusoidal se rectifica mediante diodos (o un puente de diodos) para que solo se puedan utilizar los ciclos positivos o negativos de la onda sinusoidal; estos se filtran para reducir la ondulación y, finalmente, se regulan mediante el circuito regulador de tensión, desde el cual se generará la tensión de corriente continua deseada.
PWM
PWM es la abreviatura de Pulse Width Modulation o Modulación por Ancho de Pulso. Para entender cómo funciona esta tecnología en el control de potencia, comenzamos con un circuito imaginario que consiste en una carga que debe ser controlada, como se muestra en la figura 1.
Cuando el interruptor está abierto, no hay corriente en la carga y la potencia aplicada es cero. En el instante en que se cierra el interruptor, la carga recibe toda la tensión de la fuente y la potencia aplicada alcanza su máximo. Para obtener una potencia intermedia del 50 % aplicada a la carga, el interruptor debe abrirse y cerrarse rápidamente, de modo que esté abierto el 50 % del tiempo y cerrado el otro 50 %. Esto significa que, en promedio, tendremos corriente la mitad del tiempo y no la tendremos la otra mitad, como se muestra en la figura 2.
Variando el ancho y el intervalo de pulso para obtener diferentes ciclos de trabajo, es posible controlar la potencia promedio aplicada a una carga. Así, cuando el ancho de pulso varía de cero al máximo, la potencia también varía proporcionalmente. Este principio se utiliza precisamente en el control PWM: el ancho de pulso se modula (varía) para controlar el ciclo de trabajo de la señal aplicada a una carga y, en consecuencia, la potencia aplicada, como se muestra en el gráfico de la figura 3.
Los circuitos integrados de esta serie incorporan un oscilador interno optimizado para un control preciso del ciclo de trabajo en condiciones de bloqueo de tensión, así como una corriente de arranque inferior a 0,5 mA. Además, incorporan una referencia de precisión para la entrada del amplificador de error, lógica para garantizar el funcionamiento enclavado, un comparador PWM que también proporciona control de limitación de corriente y una etapa de salida tótem-pole proyectada para suministrar o absorber corrientes de pico elevadas.
Fuente conmutada
Es una fuente de energía electrónica que incorpora un regulador conmutado; es decir, un circuito de control interno que conmuta la corriente, encendiéndose y apagándose rápidamente, controlando el ancho de pulso de una onda cuadrada para mantener una tensión de salida estabilizada. Los reguladores conmutados se utilizan para sustituir a los reguladores lineales más sencillos cuando se requiere mayor eficiencia, menor tamaño y ligereza. Sin embargo, son más complejos y costosos, y la conmutación de corriente puede causar problemas de ruido (tanto electromagnético como audible) si no se suprime cuidadosamente, y los proyectos sencillos pueden tener un factor de potencia bajo.
Una fuente de energía conmutada alimenta corriente alterna (CA) a una etapa de rectificación (alta o baja tensión) y se filtra mediante capacitores. La tensión resultante se conmuta (transforma en CA de alta frecuencia) mediante transistores de potencia. Esta potencia conmutada pasa a través de un transformador (para aumentar o disminuir la tensión) y finalmente se rectifica y filtra. La regulación se realiza mediante un circuito de control de retroalimentación que, en función de la tensión de salida, altera el ciclo de conducción de la señal de conmutación, configurando la tensión de salida a un valor deseado y predefinido.
La ventaja es que la eficiencia energética es mayor y la pérdida de calor es mucho menor que en las fuentes lineales. Además, requiere transformadores más pequeños y ligeros. La desventaja es la emisión de ruido y radiación debido a la alta frecuencia de conmutación.
Pérdidas en fuentes conmutadas
Las fuentes conmutadas que no cuentan con un convertidor resonante experimentan pérdidas significativas durante la conmutación. Vea la figura 4.
Convertidores resonantes
Las fuentes resonantes se desarrollaron para satisfacer las necesidades de la microelectrónica y también para lograr un mejor rendimiento.
Estas fuentes realizan la conmutación cuando la tensión o la corriente se cancelan mediante el capacitor y el inductor. Cuando la conmutación ocurre en los puntos de cancelación de tensión ZVS (Zero Voltage Switching), se indica como se ilustra en la figura 5. El capacitor está conectado en paralelo con el dispositivo.
Cuando la conmutación se produce en los puntos de anulación de la corriente ZCS (Zero Current Switching), se indica como se muestra en la figura 6. El inductor está en serie con el dispositivo.
Las principales ventajas de los convertidores resonantes son las siguientes: operación a alta frecuencia; pérdidas de conmutación reducidas (debido a la existencia de ZVS o de ZCS); conmutación suave con generación de EMI reducida, a diferencia de lo que sucede en topologías conmutadas (debido a los altos valores de di/dt y de dv/dt); dimensiones reducidas (volumen y peso); y alta densidad de potencia.
| ZCS | ZVS | |
| Control | Tiempo de conducción constante | Tiempo de corte constante |
| Tensión en el dispositivo | Aproximadamente rectangular | Casi sinusoidal |
| Corriente en el dispositivo | Casi sinusoidal | Aproximadamente rectangular |
| Variación en la carga | R mín. a 0 0 a R máx. | |
| La ganancia de tensión aumenta cuando | La frecuencia aumenta | La frecuencia diminui |
| La ganancia de tensión diminui cuando | R aumenta | R disminuí |
| Onda completa | Diodo en paralelo con la carga | Diodo en serie con la carga |
| Media onda | Diodo en serie con la carga | Diodo en paralelo con la carga |
| T1. Comparación ZCS x ZVS (IST-DEEC 2007). |
Desventajas: Dificultad para dimensionar magnitudes eléctricas; control más complejo; y pérdidas de conducción significativas. La figura 6 representa el ZCS. La figura 7 muestra un ejemplo de circuito resonante en serie.
Las fórmulas para calcular circuitos en serie son:
• Resistor e inductor: Z = V (XI² + R²)
• Resistor y capacitor: Z = V (Xc² + R²)
• Resistor, inductor y capacitor: Z = V (XI - Xc)² + R2
• Corriente: Ic = Vr / Z
Dónde:
• Z = impedancia
• R = resistor
• C = capacitor
• XI = reactancias inductivas
• Xc = reactancias capacitivas
• L = inductor
• V = tensión
• Ic = Corriente en el capacitor
En la figura 8 se muestra un ejemplo de un circuito resonante paralelo.
Las fórmulas para calcular circuitos en paralelo son:
• Corriente en el capacitor: Ic = Vt / Xc
• Corriente en el inductor: II = Vt / XI
• Corriente total: It = V Ir2 + (II – Ic)²
• Impedancia en el circuito paralelo: Z = Vt / It
Convertidores casi resonantes
Los convertidores casi-resonantes se parecen a las topologías de PWM con el mismo principio de transferencia de energía, que incluye un interruptor resonante; este interruptor abarca una bobina (L1) y un capacitor (C1).
Materiales y Métodos
En este capítulo mostraremos cómo se implementó el software y hardware utilizados en las pruebas e investigaciones.
Los esquemas eléctricos se crearon con el entorno de programación PROTEUS. Este software se utiliza en el desarrollo de proyectos electrónicos y cuenta con diversos componentes que permiten simular los circuitos ensamblados, así como osciloscopios y multímetros para realizar mediciones.
El método utilizado es bibliográfico. Se investigaron diversas fuentes bibliográficas, comparando diversos autores. Los circuitos se probaron con el software de programación PROTEUS. La Tabla 1 compara los resultados de "tensión cero" al conmutar ZVS con los de "corriente cero" al conmutar ZCS.
Aplicaciones de circuitos resonantes RLC en Serie y en Paralelo
Además de proporcionar un mejor rendimiento y funcionalidad en las fuentes, los circuitos resonantes también cumplen otras funciones, como por ejemplo, en una radio, que recibe señales (frecuencias) transmitidas por todas las estaciones, pero solo reproduce las señales de una de ellas, lo que requiere aislar una sola frecuencia del conjunto. Para ello, se utilizan circuitos RLC o LC en paralelo.
Una aplicación de un circuito RLC en serie es eliminar una frecuencia de un televisor, como en un televisor que recibe señales (frecuencias) de todos los canales, y mediante un circuito LC en paralelo, solo se selecciona un canal. Sin embargo, la señal del canal consta de vídeo y audio, que deben encaminarse a circuitos diferentes. Para evitar que la señal de sonido interfiera con la imagen, es necesario añadir (antes del circuito de vídeo) un circuito que elimine la frecuencia del sonido. Para esta función, se utiliza un circuito RLC en serie.
Conclusión
Los circuitos resonantes son nuevos en el mercado y, por lo tanto, deben estudiarse y analizarse, ya que pueden constituir el futuro de las fuentes conmutadas.
Se puede observar que la utilización de convertidores resonantes garantiza un mejor rendimiento y eficiencia, además de trabajar con componentes más pequeños en el filtrado de la fuente. Estos convertidores buscan aumentar el control de conmutación para obtener el valor de tensión deseado. Empresas que invirtieron sus capitales se están apalancando en esta ventaja competitiva, en estos convertidores; están invirtiendo en tecnología y ganando una ventaja competitiva.
