Introducción
En este artículo introductorio, hablaremos sobre el funcionamiento de un inductor en una fuente de alimentación conmutada. Si eres nuevo en el diseño de fuentes de alimentación y te preguntas por qué un diodo parece estar polarizado directamente cuando parece que no debería estarlo, lo más probable es que se deba al inductor. Este artículo es para ti.
Comprensión de los inductores
Inicialmente, estudiamos inductores en la universidad, tanto en circuitos de CA como de CC. En un circuito de CA, aplicamos al inductor una entrada sinusoidal y observamos los cambios de amplitud y fase. En un circuito de CC, aplicamos una entrada de escalón unitario y estudiamos los cambios resultantes en la corriente o el voltaje a través del inductor.
Sin embargo, el comportamiento de un inductor en una fuente de alimentación de modo conmutado difiere significativamente de los circuitos simples de CA o CC que se estudian en la universidad.
Principios básicos de los inductores
Un inductor siempre intenta mantener la corriente que fluye a través de él. Se opone a cualquier cambio de corriente creando una fuerza contraelectromotriz. Por ejemplo, si fluye 1 A a través de un inductor y se intenta un cambio, el inductor genera una fuerza contraelectromotriz para oponerse a este cambio. Este principio se puede comparar con empujar un coche pesado desde el reposo: inicialmente se resiste al movimiento y, una vez en movimiento, se resiste a detenerse.
Inductor en un circuito de CC
Considere un circuito de CC simple con una batería de 1 V, un interruptor, una resistencia de 1 ohmio y un inductor. Inicialmente, no circula corriente por el inductor. Al cerrar el interruptor, se aplica 1 V y la corriente comienza a circular. El inductor se opone al cambio de 0 A a 1 A generando una fuerza contraelectromotriz igual al voltaje aplicado (1 V). Esto crea un aumento logarítmico de la corriente que circula por el inductor con el tiempo.
Un inductor en una fuente de alimentación conmutada
En una fuente de alimentación, la resistencia es cercana a cero ohmios, y la corriente no sigue la misma curva logarítmica. En cambio, asciende en línea recta, formando una onda de corriente triangular. La activación y desactivación de la corriente da como resultado esta forma triangular, lo que simplifica el análisis mediante la ecuación de una línea recta (y = mx + c).
Ejemplo de análisis de circuito
Consideremos un circuito con una fuente de 1 V, un interruptor, una resistencia de 1 ohmio, un inductor y una resistencia adicional de 2 ohmios controlada por otro interruptor. Al cerrar el interruptor inicial, la corriente aumenta a 1 A. Si se abre este interruptor y se cierra el segundo simultáneamente, el inductor fuerza el flujo de corriente por la nueva ruta con 3 ohmios de resistencia, creando una fuerza contraelectromotriz de 3 V para mantener el flujo de corriente de 1 A.
Interruptores mecánicos vs. semiconductores
Los interruptores mecánicos pueden abrirse instantáneamente, creando una fuerza contraelectromotriz (FEM) alta que puede ionizar el aire y provocar chispas. Por eso, la tensión nominal de CA de un interruptor es mayor que la de CC. Sin embargo, los interruptores semiconductores tardan un tiempo finito en abrirse y cerrarse, lo que afecta el comportamiento del inductor. La ecuación estándar para la FEM contraelectromotriz del inductor es E = -L (di/dt), derivada de las leyes de Faraday y Lenz.
Comportamiento del inductor en fuentes de alimentación prácticas
En fuentes de alimentación prácticas, la conmutación rápida de los MOSFET puede generar picos de tensión elevados debido a los altos valores de di/dt. Por ejemplo, pasar de 10 A a 0 A en 10 nanosegundos genera una fuerza contraelectromotriz masiva, que se manifiesta en ruido y picos.
Conclusión
En este artículo, analizamos el comportamiento de los inductores en fuentes de alimentación de modo conmutado CC-CC, la forma de corriente triangular, la dirección de la FEM posterior y el impacto de un di/dt alto en los picos de voltaje.
