Convertidor reductor
El convertidor reductor[1][2] o convertidor buck (del inglés buck converter) es un convertidor de potencia, DC-DC sin aislamiento galvánico, que obtiene a su salida una tensión menor que a su entrada.
El diseño es similar a un convertidor elevador o Boost, también es una fuente conmutada con dos dispositivos semiconductores (transistor S y diodo D), un inductor L y opcionalmente un condensador C a la salida.
La forma más simple de reducir una tensión continua (DC) es usar un circuito divisor de tensión, pero los divisores gastan mucha energía en forma de calor.
Por otra parte, un convertidor Buck puede tener una alta eficiencia (superior al 95 % con circuitos integrados) y autorregulación.
El funcionamiento del conversor reductor es sencillo, consta de un inductor controlado por dos dispositivos semiconductores los cuales alternan la conexión del inductor bien a la fuente de alimentación o bien a la carga.
El convertidor se dice que está modo continuo si la corriente que pasa a través del inductor (IL) nunca baja a cero durante el ciclo de conmutación.
Como puede verse la energía almacenada en la bobina se incrementa en estado ON (interruptor cerrado) y se decrementa durante el estado OFF (interruptor abierto).
La bobina se usa para transferir energía desde la entrada a la salida.
La variación de IL viene dada por:
Si se asume que el convertidor opera en un estado estable, la energía almacenada en cada componente al final del ciclo de conmutación T es igual a la que había al principio del ciclo.
Esto significa que la corriente IL es igual en t=0 y en t=T (ver figura 3).
De las ecuaciones anteriores se obtiene:
es un escalar llamado ciclo de trabajo (duty cycle) cuyo valor está comprendido entre 0 y 1:
Como el ciclo de trabajo D es igual al cociente entre tOn y el periodo T no puede ser mayor a 1.
Por ejemplo para regular una tensión de 12 V a 3 V el ciclo de trabajo en un circuito ideal debe ser del 25%.
En algunos casos la cantidad de energía requerida por la carga es tan pequeña que puede ser transferida en un tiempo menor que el periodo de conmutación; en este caso la corriente a través de la bobina cae a cero durante una parte del periodo.
La única diferencia con el funcionamiento descrito antes es que el inductor está completamente descargado al final del ciclo de conmutación (ver figura 4).
La energía en el inductor sigue siendo la misma al principio y al final del ciclo (esta vez de valor cero).
Esto significa que el valor medio de la tensión del inductor (VL) es cero (el área de los recuadros amarillos y naranjas de la figura 4 es igual)
La corriente de salida entregada a la carga (
También se supone que la capacidad del condensador de salida es suficientemente alta para mantener constante el nivel de tensión en sus terminales durante un ciclo de conmutación.
Esto implica que la corriente que pasa a través del condensador tiene como valor medio cero, así que la corriente media en la bobina será igual a la corriente de salida:
La corriente en el inductor es cero al principio y aumenta durante tOn hasta llegar a ILmax.
Esto significa que ILmax es igual a:
{\displaystyle I_{L_{Max}}={\frac {V_{i}-V_{o}}{L}}D\cdot T}
sustituyendo el valor de ILmax en las ecuación anterior:
Y sustituyendo δ por la expresión dada:
Como se puede ver la tensión de salida de un convertidor reductor en modo discontinuo es más complicada que su contraparte en modo continuo.
Un convertidor reductor síncrono es una versión modificada de la topología básica en la que el diodo D es reemplazado por un segundo interruptor S2.
El convertidor reductor multifase es una topología de circuito donde la estructura básica del convertidor reductor se repite varias veces en paralelo entre la entrada y la carga.
