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Un convertidor de CC a CC es un circuito electrónico o dispositivo electromecánico que convierte una fuente de corriente continua (CC) de un nivel de voltaje a otro. Es un tipo de convertidor de energía eléctrica . Los niveles de energía van desde muy bajos (baterías pequeñas) hasta muy altos (transmisión de energía de alto voltaje).
Antes del desarrollo de los semiconductores de potencia, una forma de convertir el voltaje de una fuente de CC a un voltaje más alto, para aplicaciones de baja potencia, era convertirlo a CA utilizando un vibrador , luego un transformador elevador y finalmente un rectificador . [1] [2] Donde se necesitaba mayor potencia, un motor-generadorSe usaba a menudo una unidad en la que un motor eléctrico accionaba un generador que producía el voltaje deseado. (El motor y el generador podrían ser dispositivos separados, o podrían combinarse en una sola unidad de "dinamotor" sin eje de potencia externo). Estos diseños relativamente ineficientes y costosos se usaban solo cuando no había otra alternativa, como para alimentar una radio de automóvil. (que luego utilizó válvulas termoiónicas (tubos) que requieren voltajes mucho más altos que los disponibles en una batería de automóvil de 6 o 12 V). [1]La introducción de semiconductores de potencia y circuitos integrados lo hizo económicamente viable mediante el uso de las técnicas que se describen a continuación. Por ejemplo, primero es convertir la fuente de alimentación de CC a CA de alta frecuencia como entrada de un transformador (es pequeño, liviano y barato debido a la alta frecuencia) que cambia el voltaje que se rectifica nuevamente a CC. [3] Aunque en 1976 los receptores de radio de transistores para automóviles no requerían altos voltajes, algunos operadores de radioaficionados continuaron usando vibradores y dinamotores para transceptores móviles que requerían altos voltajes, aunque se disponía de fuentes de alimentación transistorizadas. [4]
Si bien era posible derivar un voltaje más bajo de uno más alto con un regulador lineal o incluso una resistencia, estos métodos disiparon el exceso en forma de calor; La conversión energéticamente eficiente solo fue posible con circuitos conmutados de estado sólido.
Los convertidores de CC a CC se utilizan en dispositivos electrónicos portátiles, como teléfonos celulares y computadoras portátiles , que se alimentan principalmente de baterías . Tales dispositivos electrónicos a menudo contienen varios sub- circuitos , cada uno con su propio nivel de tensión diferente requisito de la suministrada por la batería o un suministro externo (a veces más alta o más baja que la tensión de alimentación). Además, el voltaje de la batería disminuye a medida que se agota la energía almacenada. Los convertidores de CC a CC conmutados ofrecen un método para aumentar el voltaje de un voltaje de batería parcialmente reducido, lo que ahorra espacio en lugar de usar varias baterías para lograr lo mismo.
La mayoría de los circuitos convertidores de CC a CC también regulan el voltaje de salida. Algunas excepciones incluyen fuentes de energía LED de alta eficiencia , que son una especie de convertidor de CC a CC que regula la corriente a través de los LED, y bombas de carga simples que duplican o triplican el voltaje de salida.
Los convertidores de CC a CC que están diseñados para maximizar la recolección de energía para sistemas fotovoltaicos y turbinas eólicas se denominan optimizadores de potencia .
Los transformadores utilizados para la conversión de voltaje a frecuencias de red de 50 a 60 Hz deben ser grandes y pesados para potencias superiores a unos pocos vatios. Esto los encarece y están sujetos a pérdidas de energía en sus devanados y debido a corrientes parásitas en sus núcleos. Las técnicas de CC a CC que utilizan transformadores o inductores funcionan a frecuencias mucho más altas y solo requieren componentes de bobinado mucho más pequeños, más ligeros y más baratos. En consecuencia, estas técnicas se utilizan incluso cuando se podría utilizar un transformador de red; por ejemplo, para los aparatos electrónicos domésticos es preferible rectificar el voltaje de la red a CC, usar técnicas de modo de conmutación para convertirlo a CA de alta frecuencia al voltaje deseado y luego, por lo general, rectificar a CC. Todo el circuito complejo es más barato y más eficiente que un simple circuito transformador de red de la misma salida.Los convertidores de CC a CC se utilizan ampliamente para aplicaciones de microrredes de CC, en el contexto de diferentes niveles de voltaje.
Los convertidores electrónicos prácticos utilizan técnicas de conmutación. Los convertidores CC a CC de modo conmutado convierten un nivel de voltaje CC en otro, que puede ser más alto o más bajo, almacenando la energía de entrada temporalmente y luego liberando esa energía a la salida a un voltaje diferente. El almacenamiento puede estar en componentes de almacenamiento de campo magnético (inductores, transformadores) o componentes de almacenamiento de campo eléctrico (condensadores). Este método de conversión puede aumentar o disminuir el voltaje. La conversión de conmutación es a menudo más eficiente en el consumo de energía (la eficiencia típica es del 75% al 98%) que la regulación de voltaje lineal, que disipa la energía no deseada en forma de calor. Se requieren tiempos rápidos de subida y bajada de dispositivos semiconductores para la eficiencia; sin embargo, estas transiciones rápidas se combinan con efectos parásitos de diseño para hacer que el diseño de circuitos sea un desafío. [5]La mayor eficiencia de un convertidor de modo conmutado reduce el disipador de calor necesario y aumenta la duración de la batería de los equipos portátiles. La eficiencia ha mejorado desde finales de la década de 1980 debido al uso de FET de potencia , que pueden conmutar de manera más eficiente con menores pérdidas de conmutación a frecuencias más altas que los transistores bipolares de potencia , y utilizan circuitos de excitación menos complejos. Otra mejora importante en los convertidores CC-CC es la sustitución del diodo de retorno por rectificación síncrona [6]utilizando un FET de potencia, cuya "resistencia de encendido" es mucho menor, reduciendo las pérdidas de conmutación. Antes de la amplia disponibilidad de semiconductores de potencia, los convertidores síncronos de CC a CC de baja potencia consistían en un vibrador electromecánico seguido de un transformador elevador de voltaje que alimentaba un tubo de vacío o rectificador semiconductor, o contactos rectificadores síncronos en el vibrador.
La mayoría de los convertidores de CC a CC están diseñados para mover la energía en una sola dirección, desde la entrada dedicada a la salida. Sin embargo, todas las topologías de reguladores de conmutación pueden hacerse bidireccionales y pueden mover energía en cualquier dirección reemplazando todos los diodos con rectificación activa controlada independientemente . Un convertidor bidireccional es útil, por ejemplo, en aplicaciones que requieren el frenado regenerativo de vehículos, donde se suministra potencia a las ruedas durante la conducción, pero suministra por las ruedas al frenar.
Aunque requieren pocos componentes, los convertidores de conmutación son electrónicamente complejos. Como todos los circuitos de alta frecuencia, sus componentes deben especificarse cuidadosamente y disponerse físicamente para lograr un funcionamiento estable y mantener el ruido de conmutación ( EMI / RFI ) en niveles aceptables. [7] Su costo es más alto que el de los reguladores lineales en aplicaciones de caída de voltaje, pero su costo ha ido disminuyendo con los avances en el diseño de chips.
Los convertidores de CC a CC están disponibles como circuitos integrados (IC) que requieren pocos componentes adicionales. Los convertidores también están disponibles como módulos de circuitos híbridos completos , listos para usar dentro de un conjunto electrónico.
Los reguladores lineales que se utilizan para generar una CC estable independiente del voltaje de entrada y la carga de salida de una entrada más alta pero menos estable al disipar el exceso de voltios-amperios como calor , podrían describirse literalmente como convertidores de CC a CC, pero esto no es habitual. uso. (Lo mismo podría decirse de una simple resistencia de caída de voltaje , estabilizada o no por un siguiente regulador de voltaje o diodo Zener ).
También hay circuitos duplicadores de voltaje capacitivos simples y circuitos multiplicadores de Dickson que usan diodos y capacitores para multiplicar un voltaje de CC por un valor entero, que generalmente entregan solo una pequeña corriente.
En estos convertidores de CC a CC, la energía se almacena periódicamente dentro y se libera de un campo magnético en un inductor o un transformador , típicamente dentro de un rango de frecuencia de 300 kHz a 10 MHz. Al ajustar el ciclo de trabajo del voltaje de carga (es decir, la relación de los tiempos de encendido / apagado), la cantidad de energía transferida a una carga se puede controlar más fácilmente, aunque este control también se puede aplicar a la corriente de entrada, el corriente de salida, o para mantener una potencia constante. Los convertidores basados en transformadores pueden proporcionar aislamiento entre la entrada y la salida. En general, el término convertidor de CC a CC se refiere a uno de estos convertidores de conmutación. Estos circuitos son el corazón de una fuente de alimentación conmutada.. Existen muchas topologías. Esta tabla muestra los más comunes.
Adelante (transferencia de energía a través del campo magnético) | Flyback (la energía se almacena en el campo magnético) | |
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Sin transformador (no aislado) |
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Con transformador (aislable) |
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Además, cada topología puede ser:
Los convertidores magnéticos de CC a CC pueden funcionar en dos modos, de acuerdo con la corriente en su componente magnético principal (inductor o transformador):
Un convertidor puede diseñarse para funcionar en modo continuo a alta potencia y en modo discontinuo a baja potencia.
Las topologías de medio puente y retorno son similares en que la energía almacenada en el núcleo magnético debe disiparse para que el núcleo no se sature. La transmisión de potencia en un circuito de retorno está limitada por la cantidad de energía que se puede almacenar en el núcleo, mientras que los circuitos de avance suelen estar limitados por las características de I / V de los interruptores.
Aunque los interruptores MOSFET pueden tolerar corriente y voltaje completos simultáneamente (aunque el estrés térmico y la electromigración pueden acortar el MTBF ), los interruptores bipolares generalmente no pueden requerir el uso de un amortiguador (o dos).
Los sistemas de alta corriente a menudo usan convertidores multifásicos, también llamados convertidores intercalados. [9] [10] [11] Los reguladores multifase pueden tener una mejor ondulación y mejores tiempos de respuesta que los reguladores monofásicos. [12]
Muchas placas base para computadoras portátiles y de escritorio incluyen reguladores reductores intercalados, a veces como un módulo regulador de voltaje . [13]
Específico de estos convertidores es que la energía fluye en ambas direcciones del convertidor. Estos convertidores se utilizan comúnmente en varias aplicaciones y están conectados entre dos niveles de voltaje de CC, donde la energía se transfiere de un nivel a otro. [14]
También se utilizan habitualmente varios convertidores de CC a CC bidireccionales aislados en los casos en que se necesita aislamiento galvánico . [15]
Los convertidores de condensadores conmutados se basan en la conexión alterna de condensadores a la entrada y salida en diferentes topologías. Por ejemplo, un convertidor reductor de condensador conmutado puede cargar dos condensadores en serie y luego descargarlos en paralelo. Esto produciría la misma potencia de salida (menos la que se pierde con una eficiencia inferior al 100%) a, idealmente, la mitad del voltaje de entrada y el doble de la corriente. Debido a que operan con cantidades discretas de carga, a veces también se les conoce como convertidores de bomba de carga . Por lo general, se utilizan en aplicaciones que requieren corrientes relativamente pequeñas, ya que a corrientes más altas, la mayor eficiencia y el tamaño más pequeño de los convertidores de modo de conmutación los convierten en una mejor opción. [dieciséis] También se utilizan a voltajes extremadamente altos, ya que el magnetismo se rompería con tales voltajes.
Un grupo motor-generador, principalmente de interés histórico, consta de un motor eléctrico y un generador acoplados entre sí. Un dinamotor combina ambas funciones en una sola unidad con bobinas para las funciones del motor y del generador enrolladas alrededor de un solo rotor; ambas bobinas comparten las mismas bobinas de campo exterior o imanes. [4] Normalmente, las bobinas del motor son impulsadas desde un conmutador en un extremo del eje, cuando las bobinas del generador salen a otro conmutador en el otro extremo del eje. Todo el conjunto de rotor y eje es más pequeño que un par de máquinas y es posible que no tenga ejes de transmisión expuestos.
Los motores-generadores pueden convertir entre cualquier combinación de estándares de fase y voltaje CC y CA. Los grandes grupos electrógenos de motores y generadores se utilizaron ampliamente para convertir cantidades industriales de energía, mientras que las unidades más pequeñas se utilizaron para convertir la energía de la batería (6, 12 o 24 V CC) en un alto voltaje de CC, que se requería para operar equipos de tubo de vacío (válvula termoiónica) .
Para requisitos de menor potencia a voltajes más altos que los suministrados por la batería de un vehículo, se utilizaron fuentes de alimentación de vibrador o "zumbador". El vibrador oscilaba mecánicamente, con contactos que cambiaban la polaridad de la batería muchas veces por segundo, convirtiendo efectivamente CC en CA de onda cuadrada , que luego podía ser alimentada a un transformador de los voltajes de salida requeridos. [1] Hizo un zumbido característico.
Otro medio de conversión de CC a CC en el rango de kilovatios a megavatios se presenta mediante el uso de baterías de flujo redox como la batería redox de vanadio .
Los convertidores de CC a CC están sujetos a diferentes tipos de dinámicas caóticas , como bifurcación , [17] crisis e intermitencia . [18] [19]
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