Uso de convertidores CC / CC para automatización industrial

La electrónica de potencia es un campo de la ingeniería eléctrica que se ocupa de los circuitos electrónicos para convertir y controlar la energía eléctrica. Es un campo extremadamente importante con aplicaciones de amplio alcance, ya que prácticamente todos los dispositivos modernos están equipados con algún tipo de circuito electrónico de potencia. Algunos de los componentes electrónicos más comunes que se utilizan para la conversión de energía son diodos, rectificadores, transistores, tiristores, SCR (rectificador controlado por silicio) y MOSFET (transistor de efecto de campo de óxido metálico).

Figura 1 . La electrónica de potencia son elementos cruciales presentes en casi todos los equipos eléctricos modernos. Imagen utilizada por cortesía de Skyfi Labs

Los convertidores de energía eléctrica están diseñados para cambiar las principales características de la energía eléctrica, como la corriente, la frecuencia y el voltaje. Naturalmente, la forma básica, ya sea corriente alterna (CA) o corriente continua (CC), es otro parámetro clave, que también se puede modificar de entrada a salida.

Estas capacidades permiten que los sistemas electrónicos de potencia regulen una amplia gama de variables no eléctricas, como la temperatura, la velocidad del motor y las frecuencias de radio. Este artículo se centra en los convertidores CC / CC, que poseen todas las características descritas anteriormente, con la principal diferencia de que la forma de energía eléctrica es siempre CC.

¿Qué es un convertidor CC / CC?

Un convertidor CC / CC toma energía en forma de CC y genera un nivel de voltaje modificado mientras permanece en forma de CC. El voltaje de salida puede ser mayor o menor que el de entrada. También se conocen comúnmente como reguladores de voltaje. Estos dispositivos regulan la salida de una fuente de alimentación que puede no ser estable o constante, como las que se encuentran en los sistemas que funcionan con baterías.

Los convertidores CC / CC normalmente se clasifican según el voltaje y la corriente de entrada y salida. Aunque muchos convertidores tienen una clasificación de salida fija, algunos permiten el ajuste de la salida dentro de un rango. La mayoría de los convertidores cuentan con una sola salida, pero también hay opciones con salidas dobles y múltiples. Según la función principal, pueden constar de inductores, diodos, rectificadores y filtros.

Figura 2. Los convertidores CC / CC de alta potencia se utilizan ampliamente en los sistemas de transporte público. Imagen utilizada por cortesía de Absopulse

Para un proceso eficiente, los circuitos reguladores de voltaje emplean electrónica de potencia para reducir el ruido y mantener una salida constante. Los reguladores bien diseñados tienen una calificación de eficiencia del 90% o más, lo cual es una consideración importante para reducir la pérdida de energía y la disipación de calor.

Topologías de convertidores CC / CC

Los convertidores CC / CC se pueden clasificar en dos grupos principales:lineales y de conmutación.

Los dispositivos reguladores lineales funcionan de manera similar a un divisor de voltaje, manteniendo un voltaje constante modificado en la salida. Una gran desventaja de estos reguladores es la ineficiencia, ya que casi toda la diferencia entre la entrada y la salida regulada se pierde como calor residual. Por otro lado, los reguladores de conmutación funcionan de manera más eficiente al encender y apagar la salida según sea necesario en lugar de estar permanentemente en la salida.

Hay dos tipos principales de convertidores de conmutación CC / CC:aislados y no aislados.

Estos últimos se utilizan principalmente cuando el cambio de voltaje entre la entrada y la salida es relativamente pequeño. La entrada y la salida no están aisladas entre sí porque comparten un terreno común. Por el contrario, los convertidores aislados están diseñados para separar físicamente la entrada de la salida, proporcionando una mayor protección contra interferencias y proporcionando una salida más fiable. A continuación, se muestran algunos de los tipos de convertidores más comunes en cada categoría.

No aislado

• Convertidor progresivo :También conocido como convertidor elevador, la salida de voltaje de este dispositivo es igual o superior a la entrada, manteniendo la misma polaridad. Este dispositivo funciona almacenando energía en un inductor (L), que se le permite fluir a la salida en función de la polarización de un diodo (D) controlado por un interruptor (S).

Figura 3. Una animación de convertidor de impulso. Imagen utilizada por cortesía de Marino108LFS [ CC BY-SA ]

• Convertidor reductor: También conocido como convertidor reductor, la salida de voltaje es igual o menor que la entrada. La principal diferencia entre este y el convertidor elevador es la ubicación del diodo y el inductor. En este caso, cuando el interruptor (S) está apagado, el circuito equivalente formado por el diodo (D) y el inductor (L) permite que la energía almacenada fluya hacia la salida.
• Convertidor Buck-boost :Estos dispositivos generan una salida de voltaje que puede ser menor, igual o mayor que el voltaje de entrada. Ofrecen la capacidad de invertir polaridades, una aplicación común. El circuito es una combinación de convertidores reductores y elevadores.

Figura 4. Comparación de convertidores buck, boost y buck-boost. Imagen utilizada por cortesía de Cyril Buttay

Aislado

• Convertidor Flyback :Funciona de manera similar a un convertidor reductor-elevador, pero un transformador almacena energía en su lugar. El transformador proporciona el aislamiento entre la entrada y la salida.
• Convertidor hacia adelante :Similar al convertidor flyback, pero el paso de transformación se coloca primero, seguido de una conversión tradicional de reducción-impulso.

Aplicaciones de automatización industrial

Como se mencionó anteriormente, los convertidores CC / CC tienen una amplia gama de aplicaciones, incluida la automatización industrial. Una gran cantidad de dispositivos de campo requieren una fuente de alimentación de 24 V. Por ejemplo, los paneles eléctricos están equipados con convertidores reductores CC / CC que reducen el voltaje de la fuente de alimentación principal. Algunos dispositivos de campo no solo requieren este nivel de voltaje, sino que también son lo suficientemente sensibles como para necesitar un suministro de energía limpio y estable, que es otra razón para integrar un convertidor.

Figura 5. Un convertidor CC / CC aislado de Phoenix Contact. Imagen utilizada por cortesía de Phoenix Contact

Existen numerosas aplicaciones de automatización alimentadas por baterías en las que es crucial integrar convertidores CC / CC para mantener un suministro de energía constante a dispositivos pequeños. A medida que la batería se descarga, los niveles de voltaje caen gradualmente. El voltaje de la batería también está sujeto a caídas repentinas debido a demandas de energía inesperadamente altas para el equipo controlado. Las máquinas automáticas móviles, como los robots móviles autónomos (AMR) y los vehículos guiados por láser (LGV), son ejemplos de robots a batería que necesitan convertidores CC / CC para garantizar un suministro de energía estable al controlador lógico programable (PLC) y otros dispositivos de control.