Mejora la Eficiencia de Automatización Industrial con Convertidores DC/DC

La electrónica de potencia es un campo de la ingeniería eléctrica que trata circuitos electrónicos para convertir y controlar energía eléctrica. Es un campo extremadamente importante con aplicaciones de amplio alcance ya que prácticamente todo dispositivo moderno está equipado con algún circuito de electrónica de potencia. Algunos de los componentes más comunes usados para conversión de potencia son diodos, rectificadores, transistores, tiristores, SCRs (rectificadores controlados de silicio) y MOSFETs (transistores de efecto de campo metal-óxido).

Figura 1. La electrónica de potencia son elementos cruciales presentes en casi todo equipo eléctrico moderno. Imagen cortesía de Skyfi Labs.

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

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

¿Qué es un Convertidor DC/DC?

Un convertidor DC/DC toma energía en forma CC y entrega un nivel de voltaje modificado manteniéndose en forma CC. El voltaje de salida puede ser mayor o menor que el de entrada. También se les conoce comúnmente como reguladores de voltaje. Estos dispositivos regulan la salida de una fuente de energía que puede no ser estable o constante, como las encontradas en sistemas alimentados por batería.

Los convertidores DC/DC normalmente se califican basándose en voltaje y corriente de entrada y salida. Aunque muchos tienen una calificación de salida fija, algunos permiten ajuste del salida dentro de un rango. La mayoría cuentan con una sola salida, pero también hay opciones con salidas duales y múltiples. Basado en la función principal, pueden consistir de inductores, diodos, rectificadores y filtros.

Figura 2. Convertidores DC/DC de alta potencia usados ampliamente en sistemas de transporte masivo. Imagen cortesía de Absopulse.

Para un proceso eficiente, los circuitos reguladores de voltaje emplean electrónica de potencia para reducir ruido y mantener salida constante. Reguladores bien diseñados tienen una calificación de eficiencia del 90% o superior, consideración importante para reducir pérdida de potencia y disipación de calor.

Topologías de Convertidores DC/DC

Los convertidores DC/DC pueden clasificarse en dos grupos principales: lineales y conmutados (switching).

Los reguladores lineales funcionan similar a un divisor de voltaje, manteniendo un voltaje modificado constante en la salida. Una desventaja mayor es la ineficiencia, ya que casi toda la diferencia entre entrada y salida regulada se pierde como calor residual. Por otro lado, los reguladores conmutados funcionan más eficientemente encendiendo y apagando la salida según necesidad en lugar de mantenerla permanentemente encendida.

Hay dos tipos principales de convertidores DC/DC conmutados: aislados y no aislados.

Los segundos se usan principalmente cuando el cambio de voltaje entre entrada y salida es relativamente pequeño. Entrada y salida no están aisladas porque comparten tierra común. Por el contrario, los convertidores aislados están diseñados para separar físicamente la entrada de la salida, proporcionando mayor protección contra interferencias y entregando salida más fiable. Abajo algunos de los tipos más comunes en cada categoría.

No Aislados

• Convertidor elevador (Step-up / Boost): También conocido como boost converter, el voltaje de salida es igual o mayor que el de entrada manteniendo la misma polaridad. Funciona almacenando energía en un inductor (L), que se permite fluir a la salida basado en el polarizado de un diodo (D) controlado por un interruptor (S).

Figura 3. Animación de convertidor elevador. Imagen cortesía de Marino108LFS [CC BY-SA].

• Convertidor reductor (Step-down / Buck): También conocido como buck converter, el voltaje de salida es igual o menor que el de entrada. La diferencia principal con el boost es la colocación del diodo e inductor. En este caso, cuando el interruptor (S) está apagado, el circuito equivalente formado por el diodo (D) e inductor (L) permite que la energía almacenada fluya a la salida.
• Convertidor Buck-Boost: Estos generan voltaje de salida que puede ser menor, igual o mayor que el de entrada. Ofrecen capacidad de invertir polaridades, una aplicación común. El circuito es combinación de convertidores buck y boost.

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

Aislados

• Convertidor Flyback: Opera similar a un buck-boost, pero un transformador almacena energía en su lugar. El transformador proporciona el aislamiento entre entrada y salida.
• Convertidor Forward: Similar al flyback, pero el paso de transformación se coloca primero, seguido por una conversión buck-boost tradicional.

Aplicaciones en Automatización Industrial

Como se mencionó, los convertidores DC/DC tienen amplia gama de aplicaciones, incluyendo automatización industrial. Un gran número de dispositivos de campo requieren alimentación de 24V. Por ejemplo, los cuadros eléctricos están equipados con convertidores DC/DC reductores que bajan el voltaje de la alimentación principal. Algunos dispositivos no solo requieren este nivel de voltaje sino que son lo suficientemente sensibles para necesitar suministro de energía limpio y estable, otra razón para integrar un convertidor.

Figura 5. Un convertidor DC/DC aislado de Phoenix Contact. Imagen cortesía de Phoenix Contact.

Hay numerosas aplicaciones de automatización alimentadas por batería donde es crucial integrar convertidores DC/DC para mantener suministro constante a dispositivos pequeños. A medida que la batería se descarga, los niveles de voltaje caen gradualmente. El voltaje de batería también sufre caídas repentinas por demandas de energía inesperadamente altas del equipo controlado. Robots móviles automatizados, como robots móviles autónomos (AMR) y vehículos guiados por láser (LGV), son ejemplos de robots alimentados por batería que necesitan convertidores DC/DC para garantizar suministro estable al controlador lógico programable (PLC) y otros dispositivos de control.