Introducción al convertidor Buck

1. Resumen
3. El convertidor Buck
4. El inductor
5. El capacitor
6. El diodo
7. El dispositivo de conmutación
8. Ejemplo y simulación del convertidor
9. Conclusiones
10. Bibliografía y notas utilizadas

RESUMEN.

El presente artículo describe e intenta mostrar la metodología básica para realizar el diseño de un convertidor Buck basado en un conjunto de ecuaciones que permiten realizar dicha labor, logrando de esta forma que el lector disponga de una herramienta útil para el diseño de fuentes DC reguladas. De modo a comprobar el funcionamiento teórico del convertidor, se hace empleo del programa de simulación PSIM. El alcance del presente llega solo hasta la simulación.

Palabras Clave: Convertidor DC/DC, Convertidor Buck, Electrónica de Potencia.

1. INTRODUCCIÓN.

Los convertidores reductores (Buck o step down) son parte integral de muchos equipos electrónicos actuales. Estos permiten reducir un voltaje continuo (generalmente no regulado) a otro de menor magnitud (regulado). Básicamente están formados por una fuente DC, un dispositivo de conmutación y un filtro pasabajos que alimentan a una determinada carga.

Hay dos diseños básicos para los reguladores: regulador lineal y regulador conmutado. El funcionamiento del primero es similar a una resistencia variable que mantiene el voltaje de carga constante gracias a la realimentación proveniente de carga. En un regulador conmutado se emplean principalmente elementos de conmutación e inductores para lograr obtener el voltaje de carga deseado. Los convertidores tipo Buck a diferencia de los lineales tienen problemas de generación de Interferencia Electromagnética pero ofrecen una elevada eficiencia en la mayoría de los casos.

Si bien hoy en día es posible encontrar diversas variantes y topologías, se pretende cubrir la poca información inherente al tema a través de la descripción breve del funcionamiento y los parámetros de diseño de un convertidor Buck con una frecuencia de conmutación fija, modulación por ancho de pulso y la operación en modo continuo.

2. EL CONVERTIDOR BUCK.

El circuito que define a este convertidor se muestra en la fig.1, en el cual se puede ver la presencia del dispositivo de conmutación S, un diodo D, un inductor L, un capacitor C y la carga a alimentar R. El circuito de la fig. 2 muestra la forma como se producen los pulsos que se aplican a la base o gate del dispositivo de conmutación; esta claro que se comparan dos señales una señal triangular (portadora) y una señal de referencia que representa el voltaje deseado en la salida del convertidor. Ambas señales se introducen a un comparador, el cual emitirá un voltaje en la salida toda vez que la señal de la portadora sea de menor magnitud al de la señal de referencia.

Fig.1. El convertidor Back

Fig. 2. Generación de pulsos de disparo

Se dice que el convertidor Buck trabaja en modo continuo, si la corriente que atraviesa el inductor nunca llega a cero; de otro modo se dice que trabaja en modo discontinuo.

El periodo de conmutación T consta de un subperiodo de encendido ton y uno de apagado toff (fig.4). El ciclo de servicio D se define como la relación entre el periodo de encendido y el periodo de conmutación.

El funcionamiento del convertidor implica dos estados: un estado ON en el cual el dispositivo de conmutación permite la circulación de corriente, transmitiendo la tensión de entrada a un extremo del inductor y un estado OFF en el cual dicho dispositivo se comporta como un circuito abierto aislando la tensión de entrada. La fig. 3 muestra dichos estados.

De modo a simplificar el análisis se asumirá que todos los dispositivos semiconductores son ideales y que el convertidor esta trabajando en modo continuo.