Convertidor Flyback
Características
Las principales características del convertidor Flyback son que tiene un transistor referenciado a tierra y que es una versión aislada del convertidor Buck-Boost, como se puede apreciar en la figura 1. Su “transformador” es en realidad un par de inductores acoplados: almacena energía durante el encendido y la entrega durante el apagado. Por su sencillez y bajo número de componentes, es la topología más usada en fuentes fuera de línea de baja potencia (hasta unos 150 W) y en fuentes de alto voltaje de salida.
Para entender este circuito, considere el caso en que Q está encendido y el diodo está polarizado inversamente, y el caso en que Q está apagado y el diodo está polarizado directamente, como se muestra en la figura 2. Observe que los puntos de fase del primario y del secundario están en extremos opuestos: por eso el diodo no conduce mientras Q está encendido.
Flyback con Control PWM
La figura 3 muestra un convertidor Flyback con una salida principal y una secundaria. El lazo de retroalimentación negativa se cierra alrededor de la salida principal, VoM. Una fracción de VoM se compara con una referencia, y la señal de error controla el ancho del pulso de encendido de Q de manera que el voltaje muestreado sea igual al voltaje de referencia ante cambios del voltaje de línea y de la corriente de carga. Las salidas secundarias quedan reguladas contra cambios del voltaje de línea y, en menor medida, contra cambios de la corriente de carga. Los cambios de línea y de carga se controlan mejor en la topología Forward.
En la figura 3, el funcionamiento del Flyback se reconoce de inmediato al examinar los puntos de fase en el primario y en los secundarios del transformador. Cuando Q se enciende, el extremo con punto de cada devanado es negativo respecto al extremo sin punto. Los diodos rectificadores D1 y D2 quedan polarizados inversamente, y todas las corrientes de carga las suministran los capacitores C1 y C2.
Durante el tiempo de encendido de Q hay un voltaje fijo a través de NP y la corriente del primario aumenta linealmente hasta un nivel Ip = (Vin − 1) · Ton / Lp, donde Lp es la inductancia de magnetización y 1 V es la caída aproximada del transistor en saturación (la expresión supone que la corriente parte de cero, es decir, modo discontinuo). Esta corriente representa una energía almacenada E = ½ · Lp · Ip2, donde E está en joules, Lp en henrios e Ip en amperes.
Cuando Q se apaga, la corriente en la inductancia de magnetización obliga a todos los devanados a invertir su polaridad. Supongamos por el momento que solo existe el devanado secundario principal, NSM. Como la corriente en el inductor no puede cambiar instantáneamente, en el instante en que Q se apaga la corriente del primario se transfiere al secundario con una amplitud Is = Ip · (NP/NSM).
Después de varios ciclos, el voltaje del secundario ha subido a la magnitud VoM. Ahora, con Q apagado, el extremo con punto de NSM es positivo con respecto a su extremo sin punto y la corriente sale de él, disminuyendo linealmente. Si la corriente del secundario llega a cero antes de que Q vuelva a encenderse, toda la energía almacenada en el primario se transfirió a la carga y se dice que el circuito trabaja en modo discontinuo.
Las formas de onda del Flyback se muestran en la figura 4. Una desventaja importante de este convertidor es que la corriente de salida es pulsante, con picos altos (el diodo solo conduce durante el apagado), por lo que requiere un capacitor de filtro de salida grande y con alta capacidad de corriente de rizado.
Ecuaciones de Diseño
En modo continuo, el balance de volt-segundo sobre la inductancia de magnetización (vista desde el primario) da la misma relación del Buck-Boost, multiplicada por la relación de vueltas:
El término Vo · (Np/Ns) es el voltaje reflejado al primario. En modo discontinuo, toda la energía almacenada se entrega en cada ciclo, de modo que la potencia de salida es:
Entrada universal de 85 a 265 VAC, con un voltaje rectificado mínimo de 100 VDC (valle del rizado con la línea baja) y máximo de 265 · √2 = 375 VDC. Salida de 12 V con un diodo de 0.7 V, y Dmáx = 0.45 con la entrada mínima.
- El entrehierro del núcleo es el que almacena la energía; sin él, el núcleo se saturaría con muy poca corriente.
- La energía de la inductancia de dispersión no pasa al secundario: se disipa en la red de sujeción (snubber) RCD del primario, que limita el pico de VDS.
- Para la retroalimentación aislada se usa normalmente un TL431 en el secundario y un optoacoplador hacia el controlador del primario.
Resumen
- El Flyback es un Buck-Boost aislado: Vo = Vin · (Ns/Np) · D/(1 − D) en modo continuo.
- El primario almacena energía durante el encendido y la entrega al secundario durante el apagado.
- No necesita inductor de salida, pero su corriente de salida es pulsante.
- El transistor soporta Vin más el voltaje reflejado y el pico de dispersión.
Referencias
- Pressman, A. I., Billings, K., y Morey, T. Switching Power Supply Design, 3.ª ed. McGraw-Hill, 2009. Cap. 4 (Flyback).
- Erickson, R. W., y Maksimović, D. Fundamentals of Power Electronics, 3.ª ed. Springer, 2020. Cap. 6.
- Billings, K., y Morey, T. Switchmode Power Supply Handbook, 3.ª ed. McGraw-Hill, 2011.
La explicación del funcionamiento con control PWM sigue la presentación de Pressman et al. [1], cap. 4. Figuras 1 a 4: originales del autor (2004).
Contenido original de David Topete (2004). Revisión y ampliación asistidas con IA (2026).