Principio de funcionamiento y análisis de métodos del convertidor de CA a CC

¿Qué es un convertidor de CA a CC?

CA es el acrónimo de Corriente Alterna. La CA es una corriente que cambia periódicamente de magnitud y polaridad (dirección) a lo largo del tiempo. El número de veces que cambia la polaridad de la corriente en 1 segundo se denomina frecuencia y se expresa en Hz.

CC es el acrónimo de Corriente Continua. La CC es una corriente cuya polaridad (dirección) no cambia con el tiempo. Una corriente que no cambia ni de polaridad (dirección) ni de magnitud con el tiempo suele denominarse CC. La polaridad del flujo no cambia con el tiempo, pero la corriente cuya magnitud cambia con el tiempo también es CC y suele denominarse corriente de rizado. Un convertidor de CA a CC es un componente que convierte la CA (tensión alterna) en CC (tensión continua).

¿Por qué necesito un convertidor de CA a CC?

La tensión que reciben las casas y los edificios es una tensión alterna de 100V o 200V. Sin embargo, la mayoría de los aparatos que utilizamos funcionan con una tensión continua de 5V o 3,3V. Es decir, el aparato no puede funcionar sin convertir la tensión alterna en tensión continua.

Entre ellos, también hay productos que pueden funcionar con tensión alterna, como motores y bombillas, pero los motores están conectados con el circuito de control del microcontrolador, y las bombillas también se convierten en LED de bajo consumo, por lo que es necesaria la conversión de CA a CC.

¿Por qué se transmite la tensión alterna?

Uno podría pensar que, puesto que los aparatos utilizan corriente continua, ¿por qué no transmitir corriente continua en primer lugar? Como todos sabemos, la electricidad procede de centrales hidroeléctricas, térmicas, nucleares, etc. Estas centrales están situadas en zonas como montañas o zonas costeras, y desde estas zonas hasta las zonas urbanas, la tensión alterna es más ventajosa.

En resumen, al transmitir tensión alterna con alto voltaje y baja corriente, se puede reducir la pérdida de transmisión (pérdida de energía). Sin embargo, en un hogar real, como la alta tensión no se puede utilizar directamente, es necesario transformarla (reducirla) a través de varias subestaciones por etapas y, finalmente, convertirla en 100 V o 200 V para luego introducirla en el hogar. Estas conversiones también son más sencillas porque se transfiere la tensión alterna.

Métodos de rectificación del convertidor de CA a CC

Los métodos de rectificación para convertir CA en CC son la rectificación de onda completa y la rectificación de media onda. En ambos casos, se utiliza la característica de flujo de corriente hacia delante del diodo para la rectificación. La rectificación de onda completa consiste en convertir la componente de tensión negativa de la tensión de entrada en una tensión positiva a través de una estructura de circuito de puente de diodos y, a continuación, rectificarla en una tensión de CC (tensión de impulso).

La rectificación de media onda utiliza un diodo para eliminar la componente de tensión negativa de entrada y rectificarla en una tensión continua (tensión de impulso). Después, la forma de onda se suaviza mediante la función de carga y descarga del condensador, que se convierte en una tensión continua pura. Por lo tanto, puede decirse que la rectificación de onda completa es un método de rectificación más eficiente que la rectificación de media onda que no utiliza componentes de tensión negativa de entrada.

Además, la tensión de ondulación suavizada varía en función de la capacidad del condensador y la carga. En la rectificación de onda completa y la rectificación de media onda, con la misma capacidad del condensador y las mismas condiciones de carga, la tensión de rizado de la rectificación de onda completa es menor. Cuanto menor sea la tensión de rizado, mayor será la estabilidad y mejor el rendimiento.

Métodos de conversión de CA a CC

Para la conversión de CA a CC existen el método del transformador y el método de conmutación.

● Método del transformador

Con el método del transformador, primero hay que reducir la tensión alterna a través de un transformador a una tensión alterna adecuada (por ejemplo, de 100 V a 10 V, etc.). Se trata de una conversión de CA a CA, y el valor de reducción viene determinado por la relación de bobinado del transformador. A continuación, la tensión alterna reducida por el transformador se rectifica en onda completa mediante un puente rectificador de diodos y se convierte en una tensión de impulsos. Por último, el condensador suaviza y da salida a una tensión continua con poca ondulación, que es el método más tradicional de conversión de CA a CC.

● Método de conmutación

El método del transformador consiste en reducir primero la tensión CA/CA mediante un transformador, mientras que el método de conmutación consiste en rectificar la tensión CA directamente con un rectificador de puente de diodos. Dado que el consumo eléctrico de los hogares corrientes es de 100 V CA o 200 V CA, el rectificador de puente de diodos debe tener unas especificaciones que puedan soportar batería de alto voltaje o altas tensiones.

A continuación, suaviza la tensión continua (tensión de impulso) con un condensador. Los condensadores también requieren condensadores resistentes a altas tensiones. A continuación, la tensión continua se corta mediante el encendido y apagado del elemento de conmutación, y la tensión se reduce mediante un transformador de alta frecuencia y se envía al secundario. En este momento, la forma de onda de corte se convierte en una onda cuadrada.

Los elementos de conmutación utilizan frecuencias más altas (por ejemplo, 100kHz) en comparación con las frecuencias domésticas (50/60Hz). Gracias al funcionamiento a alta frecuencia, es posible miniaturizar el transformador y reducir su peso. La onda cuadrada se rectifica en media onda mediante un diodo rectificador en el secundario, se suaviza mediante un condensador y se emite una tensión continua.

El método de conmutación es un método que utiliza un circuito de control para controlar el elemento de conmutación y obtener una salida de CC estable y esperada (por ejemplo, CC12V). Comparado con el método del transformador, el método de conmutación se compone de elementos de conmutación y circuitos de control, y la estructura del circuito es más complicada. Sin embargo, como se puede utilizar un transformador pequeño basado en el control de alta frecuencia, contribuye a la miniaturización del equipo, lo que supone una gran ventaja.

¿Qué es el control por realimentación?

El convertidor de CA a CC de conmutación confirma el valor real de la tensión de CC de salida y controla los elementos de conmutación basándose en la información de la tensión para garantizar la realización estable de la salida de CC especificada. Este mecanismo de confirmación del valor de la tensión de salida para controlar el elemento de conmutación se denomina control de realimentación (control FB).

El convertidor de CA a CC rectifica la tensión de CA a través de un puente de diodos y la suaviza mediante un condensador para convertir la tensión de CA en una tensión de CC. A continuación, la tensión continua se corta (ON/OFF) mediante un elemento de conmutación, se reduce mediante un transformador de alta frecuencia y se transmite al secundario, y se suaviza mediante un condensador para generar una tensión continua predeterminada. El circuito de control FB detecta si el valor real de la tensión de salida alcanza el valor de tensión objetivo especificado.

Cuando el valor real de la tensión de salida es inferior al valor de la tensión objetivo, el elemento de conmutación se controla para alargar el tiempo de conexión. De este modo, el valor de la tensión de salida aumentará. A la inversa, cuando la tensión es superior al valor de tensión objetivo, el tiempo de control ON se acorta. De este modo, el circuito de control de realimentación comprueba constantemente el valor real de la tensión de salida y ajusta el tiempo ON/OFF del elemento de conmutación en función del valor para garantizar la estabilidad del valor objetivo de la tensión de salida.

¿Qué es el modo de carga ligera?

Los convertidores de CA a CC y de CC a CC conmutados realizan el corte de tensión y el suavizado de condensadores mediante la conversión ON/OFF para proporcionar de forma estable el valor de tensión de salida objetivo. Sin embargo, esta conmutación genera una corriente de fuga momentánea (corriente de paso) durante la conexión/desconexión. Es decir, cuantas más veces ON/OFF por unidad de tiempo, mayor será la pérdida causada por la corriente de fuga y menor la eficiencia.

Cuando el periodo es constante (control PWM), aunque cambie la relación de tiempo ON/OFF, el número de veces es constante por unidad de tiempo. Como resultado, la cantidad de autodisipación también es constante, y esta pérdida de corriente de fuga de conmutación con cargas ligeras reduce la eficiencia. Por lo tanto, en el caso de utilizar menos corriente, la modulación de frecuencia (control PFM) se utiliza para alargar y ralentizar el ciclo, reduciendo así el número de transiciones ON/OFF por unidad de tiempo y reduciendo las pérdidas. Esta técnica se denomina modo de carga ligera.

El uso de PWM y PFM puede mejorar aún más la eficiencia según la situación. Por ejemplo, cuando la carga es alta (se utiliza corriente), se utiliza el control PWM de ciclo constante, y el control PFM de ciclo variable cuando la carga es ligera (no se utiliza corriente).