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Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada V. Inverter
Qué es un inverter
Seguro que la palabra inverter te recuerda a algo. Quizás a las máquinas de soldadura por arco, o al aire acondicionado de última generación.
Pues bien, se trata de lo mismo.
Un inverter es un convertidor de corriente continua a corriente alterna. Justo lo contrario que el diodo.
A diferencia de un rectificador de diodos, un circuito para convertir la corriente continua en alterna es algo más complicado.
Necesitamos generar impulsos de corriente con un oscilador. Para ello nos podría bastar con un transistor y un condensador.
En una fuente de alimentación necesitamos controlar la corriente, cualquier factor externo podría hacer que la tensión o la intensidad variasen de forma no deseada. Esto podría provocar averías, incluso daños graves.
Para conseguir controlar la corriente se utilizan circuitos integrados que hacen todo el trabajo difícil.
El objetivo es que la tensión de salida de la fuente sea muy estable, y no se descontrole aunque haya cambios de carga muy bruscos.
El transistor de conmutación
Para generar la corriente alterna, lo que hacemos es cortar y dejar pasar corriente muchas veces por segundo.
Podemos imaginar un interruptor que se conecta y desconecta constantemente.
El resultado es una forma de onda rectangular.
En lugar de un interruptor, usamos un transistor, que permite trabajar a grandes velocidades, pudiendo cambiar su estado en pocos nanosegundos.
En la práctica, los transistores utilizados suelen ser MOSFET e IGBT, porque sus características son más apropiadas que los transistores bipolares.
Para variar las características de la corriente, podemos controlar el transistor de varias formas.
Regulación por variación de frecuencia
Una opción es variar la frecuencia del oscilador. Si el transistor conmuta a mayor velocidad, la frecuencia de la corriente resultante es más alta.
Este sistema se utiliza en los variadores de velocidad de motores de corriente alterna.
La velocidad del motor es proporcional a la frecuencia de la corriente aplicada.
Precisamente, los equipos de refrigeración inverter se denominan así porque tienen un circuito variador de velocidad, regulando la velocidad del compresor.
En los equipos sencillos (no inverter) el compresor tiene dos velocidades fijas, una de arranque y otra de trabajo. Cuando se activa el compresor, el consumo eléctrico es muy elevado, hasta que alcanza su velocidad de trabajo.
Las máquinas inverter mantienen el compresor girando a baja velocidad para no detenerse, y evitar el arranque. Por eso son equipos eléctricamente más eficientes.
Regulación por ancho de pulso (PWM)
En las fuentes conmutadas no es viable el sistema anterior, porque el transformador debe trabajar a una frecuencia fija.
Para regular la tensión y la corriente de salida se utiliza un generador PWM.
PWM son las siglas de Pulse Width Modulation, que traducido significa Modulación por Ancho de Pulsos.
El concepto es muy simple: si el interruptor está conectado durante más tiempo, dejará pasar más corriente, y si está menos tiempo ocurre lo contrario.
Para entenderlo mejor, te lo mostraré de forma gráfica.
Fig. 1 – Ondas moduladas por PWM
En la figura 1 puedes ver dos ondas con la misma frecuencia y distinto PWM.
La línea roja representa el valor eficaz de la tensión, una vez rectificada y filtrada.
El regulador PWM
Las fuentes de alimentación conmutadas incorporan generalmente un circuito integrado que realiza la regulación PWM, además de muchas otras funciones, como la protección contra cortocircuito, contra sobretensiones, corrección de errores, arranque suave, etc.
Vamos a centrarnos en su función como controlador del transistor, porque el resto de añadidos varía enormemente según el fabricante y modelo.
Básicamente, el regulador genera una señal PWM en función de la tensión de salida de la fuente.
Cuando la tensión de salida supera el valor deseado, estrecha los pulsos de corriente, y así el transformador recibe menos energía. Al caer la tensión de salida realiza la función contraria.
De este modo, la tensión de salida se mantiene constante, aunque varíe la carga aplicada. Para ciertas aplicaciones, donde la carga varía muy rápidamente, el circuito debe tener una respuesta inmediata para prevenir altibajos en la salida.
El regulador también puede incorporar una entrada que se conecta a una resistencia shunt, para medir la corriente que consume el equipo.
Fig. 2 – Esquema de la sección de conmutación
En el esquema de la figura 2 puedes ver cómo se conectan los distintos elementos.
El circuito integrado puede alimentarse directamente a través de una resistencia (de un valor bastante alto), ya que interiormente incorpora un circuito estabilizador de tensión.
En otros casos se alimenta desde un bobinado auxiliar del transformador, o a través de una pequeña fuente de alimentación lineal.
La resistencia shunt, que une el transistor con la masa, suele tener un valor menor a un ohmio, para no afectar al resto de componentes. También suele ser bastante gruesa (en muchos casos se conectan varias resistencias en paralelo), porque toda la corriente del circuito pasa a través suyo.
El optoacoplador entrega una señal proporcional a la tensión de salida. Veremos este componente con más detalle en un próximo artículo.
Fig. 3 – Señales en el transistor de conmutación
Cuando el transistor no está conduciendo, la tensión que le llega a través del bobinado del transformador es igual a la de entrada, porque las bobinas en corriente continua se comportan como un conductor. Esta tensión tiene la forma de la figura 3A.
Si aplicamos a la base o puerta (dependiendo del tipo utilizado) del transistor una señal PWM, éste conducirá de forma sincronizada con esta señal.
Cuando el transistor está conduciendo, la tensión en sus patillas es cero, porque quedan conectadas al negativo.
En este momento, la bobina del transformador recibe toda la tensión de entrada, al quedar conectada entre DC+ y DC-. Por lo tanto, absorbe toda la corriente que necesita.
Cuando el transistor deja de conducir, la bobina se descarga.
De este modo, la bobina se carga y descarga cíclicamente, por lo que la forma de la corriente sería una especie de onda triangular.
En definitiva, hemos conseguido entregar corriente alterna al transformador, con la que ya puede funcionar.
El regulador PWM en la práctica
Como he dicho antes, hay muchos modelos distintos de reguladores, cada uno con unas características distintas.
Es importante consultar los datasheet para ver sus particularidades.
En estos mismos datasheet podemos ver cómo funciona el circuito integrado, la función de cada pin, las tensiones, intensidades y frecuencias de trabajo, algún esquema sencillo, y las formas de onda más importantes.
Con toda esta información, y entendiendo el comportamiento de la corriente, podemos medir y diagnosticar cualquier avería.
En este caso, como ocurría con el PFC, es interesante poder contar con un osciloscopio para ver las señales, aunque existen trucos para poder realizar la mayor parte de mediciones sin él.
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