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Sistemas de Alimentación
Convertidores DC - DC
SASA31
Los convertidores DC/DC reductores o step-down son los más usados, pero además hay convertidores que elevan el voltaje de entrada llamados convertidores DC/DC elevadores o step-up o bost converters y algunos más.
¿Qué es un convertidor DC/DC?
Un convertidor DC/DC es un dispositivo electrónico que se utiliza para convertir una corriente continua (DC) de un nivel de voltaje a otro nivel de voltaje diferente. Estos convertidores son comúnmente utilizados en una variedad de aplicaciones, desde electrónica de consumo hasta sistemas de energía industriales.
Los convertidores DC/DC pueden aumentar (convertidor elevador o step-up DC/DC converter o bost), disminuir (convertidor reductor o step-down o buck converter) o invertir (convertidor inversor) el nivel de voltaje de una fuente de energía continua. Además, pueden ser diseñados para proporcionar un voltaje constante, un voltaje variable o incluso una salida regulada.
Estos dispositivos son esenciales en sistemas donde es necesario un suministro de energía eficiente y controlado, como en la electrónica portátil, sistemas de alimentación de vehículos, sistemas solares, y muchas otras aplicaciones.
En esta sección le ofrecemos estos convertidores para emplearlos de forma genérica en sus proyectos, aunque si los busca para su auto, los puede encontrar aquí
Al elegir un convertidor hay varios parámetros a tener en cuenta. Aquí detallamos las características fundamentales que definene a un convertidor DC/DC:
Característicias de un convertidor DC/DC
Tipo de conversión: Los convertidores pueden ser de tipo elevador (boost), reductor (buck), inversor (inverter) o combinaciones de estos. Es importante seleccionar el tipo adecuado según las necesidades de voltaje de entrada y salida.
Voltaje de entrada y salida: El rango de voltaje de entrada y salida debe coincidir con los requisitos de la aplicación. Es fundamental para garantizar la compatibilidad y el rendimiento del sistema.
Corriente de salida: La corriente máxima que puede proporcionar el convertidor debe ser suficiente para alimentar los dispositivos conectados o cargar las baterías según sea necesario.
Eficiencia energética: La eficiencia del convertidor es crucial para minimizar las pérdidas de energía y optimizar el rendimiento del sistema. Específicamente, se debe buscar un convertidor con una alta eficiencia en toda la gama de cargas.
Regulación de salida: La capacidad del convertidor para mantener un voltaje de salida estable dentro de ciertos límites, incluso cuando las condiciones de carga cambian, es esencial para un funcionamiento confiable del sistema.
Protecciones: Funciones de protección integradas, como protección contra sobretensión, sobrecorriente, cortocircuito y sobrecalentamiento, son importantes para garantizar la seguridad y la fiabilidad del sistema.
Tipo de aislamiento: Los convertidores pueden ser aislados o no aislados. La aislación es importante para garantizar la seguridad y evitar problemas como cortocircuitos eléctricos, así como para cumplir con los requisitos de seguridad en diversas aplicaciones.
Tamaño y encapsulado: El tamaño físico y el tipo de encapsulado del convertidor deben ser adecuados para la aplicación y el entorno en el que se utilizará.
Temperatura de funcionamiento: La temperatura ambiente y la capacidad del convertidor para funcionar dentro de ciertos límites de temperatura son críticos para aplicaciones en entornos hostiles o con condiciones ambientales extremas.
Ondulación y rizado de salida: La cantidad de rizado y ondulación en la salida del convertidor puede afectar el rendimiento de los dispositivos alimentados. Es importante seleccionar un convertidor con niveles aceptables de rizado y ondulación para la aplicación específica.
Compatibilidad electromagnética (EMC): La capacidad del convertidor para cumplir con los estándares de EMC y minimizar las interferencias electromagnéticas es crucial, especialmente en aplicaciones sensibles a la interferencia.
Considerar estas características fundamentales, incluida la aislación, ayudará a seleccionar el convertidor DC/DC adecuado para una aplicación particular, garantizando un rendimiento óptimo y confiable del sistema.
¿Cómo funciona un convertidor DC/DC?
El funcionamiento de un convertidor DC/DC depende del tipo específico de convertidor, ya sea un convertidor elevador (boost), reductor (buck), inversor (inverter) o una combinación de estos. Sin embargo, en términos generales, todos los convertidores DC/DC operan según principios básicos de electrónica de potencia. Aquí hay una explicación simplificada del funcionamiento de un convertidor DC/DC típico:
Conmutación de dispositivos semiconductores: En la etapa de conmutación, los dispositivos semiconductores, como transistores MOSFET, son activados y desactivados de forma controlada. Por ejemplo, en un convertidor buck, el transistor es encendido y apagado a una frecuencia determinada. Cuando el transistor está encendido, la corriente fluye a través del inductor y carga el inductor con energía magnética. Cuando el transistor se apaga, la energía almacenada en el inductor se libera al circuito de salida.
Ciclo de trabajo: El ciclo de trabajo del convertidor, representado por el porcentaje del tiempo que el transistor de conmutación está encendido durante un ciclo de conmutación, determina la relación entre el voltaje de entrada y salida. Por ejemplo, en un convertidor buck, si el transistor está encendido durante la mitad del tiempo y apagado durante la otra mitad, la relación de voltaje de salida a voltaje de entrada será aproximadamente 1/2.
Almacenamiento de energía en el inductor: En los convertidores DC/DC, se utiliza un componente de almacenamiento de energía, como un inductor, para almacenar y liberar energía durante el ciclo de conmutación. Cuando el transistor está encendido, la corriente fluye a través del inductor, creando un campo magnético y almacenando energía en el inductor en forma de energía magnética. Cuando el transistor se apaga, el campo magnético colapsa y la energía almacenada se libera, suministrando energía al circuito de salida.
Almacenamiento de energía en el capacitor: Además del inductor, algunos convertidores DC/DC también utilizan capacitores para almacenar energía y suavizar la salida de voltaje. El capacitor se carga y se descarga durante el ciclo de conmutación para mantener una salida de voltaje más estable.
Regulación del ciclo de trabajo y control de la salida: Un circuito de control, ya sea analógico o digital, supervisa el voltaje de salida y ajusta el ciclo de trabajo del transistor de conmutación según sea necesario para mantener el voltaje de salida dentro de los límites deseados. Esto implica la monitorización constante de la salida y la retroalimentación al circuito de control para realizar los ajustes necesarios en el ciclo de trabajo.
En resumen, el almacenamiento de energía en un convertidor DC/DC conmutado involucra la transferencia de energía entre componentes de almacenamiento, como inductores y capacitores, durante el ciclo de conmutación controlado por dispositivos semiconductores, para mantener un voltaje de salida estable y regulado.
Diferencias entre convertidores DC/DC lineales y conmutados
Convertidores DC/DC Conmutados:
Eficiencia energética: Los convertidores conmutados tienden a ser más eficientes que los lineales, especialmente en aplicaciones de alta corriente, ya que minimizan las pérdidas de energía.
Reducción de calor: Debido a su diseño, los convertidores conmutados generan menos calor que los lineales, lo que los hace ideales para aplicaciones donde se requiere una disipación de calor mínima.
Regulación de voltaje: Los convertidores conmutados suelen ofrecer una mejor regulación de voltaje, manteniendo un voltaje de salida estable incluso cuando las condiciones de carga varían.
Tamaño y peso: Los convertidores conmutados tienden a ser más pequeños y livianos en comparación con los lineales, lo que los hace ideales para aplicaciones donde el espacio es limitado.
Costo: Los convertidores conmutados pueden ser más costosos de implementar que los lineales debido a su mayor complejidad de diseño y componentes adicionales necesarios.
Interferencia electromagnética (EMI): Los convertidores conmutados pueden generar más interferencia electromagnética que los lineales, lo que puede ser un problema en aplicaciones sensibles a las interferencias.
Convertidores DC/DC Lineales:
Simplicidad: Los convertidores lineales tienen un diseño más simple en comparación con los conmutados, lo que los hace más fáciles de diseñar e implementar.
Menor ruido eléctrico: Los convertidores lineales tienden a generar menos ruido eléctrico que los conmutados, lo que los hace adecuados para aplicaciones sensibles al ruido.
Menor costo inicial: Los convertidores lineales suelen ser más económicos en términos de costo inicial que los conmutados, ya que requieren menos componentes y son menos complejos.
Compatibilidad electromagnética (EMC): Los convertidores lineales son menos propensos a generar interferencias electromagnéticas, lo que los hace más adecuados para aplicaciones donde la EMC es crítica.
Eficiencia a baja carga: Los convertidores lineales son más eficientes a bajas corrientes de carga en comparación con los conmutados, lo que los hace adecuados para aplicaciones de baja potencia.
En resumen, los convertidores DC/DC conmutados son ideales cuando se requiere alta eficiencia, tamaño compacto y regulación de voltaje precisa, mientras que los convertidores lineales son más adecuados para aplicaciones donde la simplicidad, el bajo ruido eléctrico y la compatibilidad electromagnética son prioritarios, a pesar de su menor eficiencia energética. La elección entre uno u otro depende de las necesidades específicas de la aplicación y los requisitos de rendimiento.