Reguladores por Conmutación
Principio y Ventajas
Los reguladores por conmutación surgieron como una alternativa razonable para sustituir al regulador lineal y contrarrestar sus desventajas. Existen aproximadamente 14 configuraciones básicas comúnmente usadas para implementar una fuente de poder por conmutación (switching power supply). Cada configuración tiene propiedades únicas que la hacen más apropiada para ciertas aplicaciones: algunas se usan más en convertidores de AC/DC de baja potencia (< 200 W) y otras en convertidores de mayor potencia; algunas son mejores para voltajes de entrada altos (≥ 220 VAC) y otras para entradas de 120 VAC o menos, en aplicaciones con más de cuatro o cinco salidas de DC.
La razón de su alta eficiencia es que el transistor ya no trabaja en la región activa: funciona como un interruptor. Cuando está cerrado (saturado), su voltaje es casi cero; cuando está abierto (en corte), su corriente es cero. En ambos casos la potencia V · I que disipa es casi nula. Idealmente la eficiencia sería del 100 %; en la práctica, las pérdidas de conducción y de conmutación la dejan entre 75 y 95 %.
Algunas ventajas de los reguladores conmutados son que no tienen elementos disipativos, lo cual incrementa la eficiencia; que tienen bastante flexibilidad en el voltaje de salida (pueden reducirlo, elevarlo o invertirlo); que las topologías con transformador, que se estudiarán en el tema de reguladores aislados, ofrecen aislamiento galvánico; y que, aunque el análisis y el control son más complejos, se logra una mayor densidad de potencia (W/in3).
Del Regulador Lineal al Regulador Conmutado
La figura 1 muestra la idea básica de operación de los convertidores o reguladores conmutados: la resistencia variable del regulador lineal se reemplaza por un interruptor que controla un modulador de ancho de pulso (PWM).
En la figura 1 podemos observar que el voltaje de salida es una señal pulsante, que no es útil de esa manera. Esto trae como consecuencia la necesidad de un filtro pasa-bajos, como se muestra en la figura 2.
¿Qué tipo de filtro debemos utilizar? Si se utiliza como filtro pasa-bajos un capacitor, el resultado es el de la figura 3: cada vez que el interruptor se cierra, conecta la fuente directamente al capacitor, lo que produce picos de corriente limitados solo por las resistencias parásitas, y la salida sigue al voltaje de entrada en lugar de quedarse en un valor intermedio.
Tampoco es posible utilizar solo un filtro LC, porque al abrirse el interruptor se interrumpe bruscamente la corriente de la bobina. Como vL = L · di/dt, una interrupción brusca genera un pico de voltaje muy alto que destruiría al interruptor (figura 4).
Este problema se soluciona con un diodo que le da un camino a la corriente de la bobina en el momento en que el interruptor se abre, como se muestra en la figura 5. El circuito resultante es el convertidor reductor (Buck), que se estudia en su propio tema.
Ciclo de Trabajo y Balance de Volt-segundo
El interruptor se enciende y se apaga a una frecuencia de conmutación fs = 1/Ts. La fracción del periodo en que está encendido es el ciclo de trabajo:
En estado estable, la corriente del inductor regresa al mismo valor al final de cada periodo. Como vL = L · di/dt, esto exige que el voltaje promedio en el inductor sea cero, es decir, que el área de volt-segundo positiva sea igual a la negativa:
Este balance de volt-segundo es la herramienta con la que se obtiene la relación de conversión de cada convertidor. De la misma manera, la corriente promedio en el capacitor de salida debe ser cero (balance de carga), lo que permite calcular las corrientes del circuito.
Métodos de Control
Una parte integral y muy importante de un regulador por conmutación es el sistema que controla el elemento conmutador para mantener constante el voltaje de salida:
| Método | Frecuencia | Principio |
|---|---|---|
| Auto-oscilante (self-oscillating) | Variable | El circuito oscila por sí mismo y la frecuencia cambia con la carga y la línea. Es el más antiguo; lo usaban, por ejemplo, la serie SPL de Power-One. |
| Modo voltaje (voltage mode) | Fija | Compara el voltaje del amplificador de error con una rampa de frecuencia fija para determinar el ancho del pulso que activa al conmutador. |
| Modo corriente (current mode) | Fija | Compara una muestra de la corriente del conmutador con el voltaje de error para determinar el ancho del pulso. Responde más rápido a los cambios de la línea y limita la corriente ciclo a ciclo. |
Modo Continuo y Modo Discontinuo
Las relaciones de conversión de los convertidores suponen modo de conducción continuo (CCM): la corriente del inductor nunca llega a cero. Al disminuir la carga, el valor promedio de iL baja mientras el rizado ΔIL se mantiene; cuando el valle toca cero se llega al modo crítico y, con menos carga, la corriente permanece en cero durante parte del ciclo: es el modo discontinuo (DCM), que se muestra en la figura 6.
En DCM la relación de conversión ya no es solo función de D, sino que depende también de la carga; el lazo de retroalimentación lo compensa ajustando Ton. El DCM se usa a propósito en convertidores de baja potencia porque evita la recuperación inversa del diodo, pero produce corrientes pico más altas.
Topologías Básicas sin Transformador
Las tres configuraciones básicas sin transformador se desarrollan en temas separados: el convertidor reductor (Buck), que entrega un voltaje menor que el de entrada; el convertidor elevador (Boost), que entrega uno mayor; y el convertidor reductor-elevador (Buck-Boost), que invierte la polaridad y puede entregar una magnitud menor o mayor. La tabla resume sus diferencias.
| Característica | Buck | Boost | Buck-Boost |
|---|---|---|---|
| Vo / Vin (CCM) | D | 1 / (1 − D) | − D / (1 − D) |
| Rango de salida | Menor que Vin | Mayor que Vin | Menor o mayor, invertida |
| Interruptor referenciado a tierra | No | Sí | No |
| Corriente de entrada | Pulsante | Continua | Pulsante |
| Corriente de salida (al capacitor) | Continua | Pulsante | Pulsante |
| Voltaje máximo en Q y D | Vin | Vo | Vin + |Vo| |
| Puede desconectar la entrada | Sí | No | Sí |
- La corriente de saturación del inductor debe superar con margen la corriente pico del inductor.
- Usa diodos Schottky (rápidos y de baja caída) o rectificación síncrona con un segundo MOSFET para reducir las pérdidas del diodo.
- Los capacitores deben soportar la corriente de rizado RMS; en los cerámicos, considera la pérdida de capacitancia con el voltaje de DC aplicado.
- Minimiza el área de los lazos con di/dt alto. El trazado de la tarjeta es tan importante como el diseño eléctrico para controlar la interferencia electromagnética (EMI).
Resumen
- En un regulador conmutado el transistor trabaja como interruptor, por lo que disipa muy poca potencia.
- Un capacitor solo o un filtro LC sin diodo no funcionan; el diodo volante le da camino a la corriente de la bobina y completa el convertidor.
- El control ajusta el ciclo de trabajo D = Ton/Ts; los métodos son auto-oscilante, modo voltaje y modo corriente.
- El balance de volt-segundo en el inductor permite obtener la relación de conversión de cada topología.
- Con poca carga el convertidor puede pasar de modo continuo a discontinuo.
Referencias
- Pressman, A. I., Billings, K., y Morey, T. Switching Power Supply Design, 3.ª ed. McGraw-Hill, 2009. Cap. 1.
- Erickson, R. W., y Maksimović, D. Fundamentals of Power Electronics, 3.ª ed. Springer, 2020. Cap. 2 (balance de volt-segundo) y cap. 5 (modo de conducción discontinuo).
- Mohan, N., Undeland, T. M., y Robbins, W. P. Power Electronics: Converters, Applications, and Design, 3.ª ed. Wiley, 2003. Cap. 7.
- Hart, D. W. Electrónica de potencia. Prentice Hall, 2001. Cap. 6.
Figuras 1 a 5: originales del autor (2004). Figura 6: elaborada para esta edición.
Contenido original de David Topete (2004). Revisión y ampliación asistidas con IA (2026).