Fuente conmutada: cambiar el voltaje sin desperdiciar calor
Cambia la razón de conversión y compara el calor que desperdician los dos métodos
Cada barra reparte la potencia que usa un método al convertir la misma tensión de entrada en la misma tensión de salida. El dorado es la potencia útil que va a la salida, y el rojo es la pérdida que se tira como calor. Al recorrer la razón de conversión, es decir, la tensión de salida dividida entre la de entrada, la franja roja de la barra lineal crece a medida que la razón se hace pequeña, mientras que la barra conmutada sigue casi toda dorada sea cual sea la razón. Junto al deslizador se lee a qué tensión se convierte la entrada.
El enfoque lineal quema la diferencia como calor
Un regulador lineal usa un transistor como resistencia variable para hacer caer la tensión sobrante. La misma corriente I va de la entrada a la salida, así que el transistor soporta la diferencia entre entrada y salida (Vin - Vout), y la potencia (Vin - Vout)·I se convierte íntegramente en calor. La potencia útil que va a la salida es Vout·I, así que la eficiencia es η = Vout / Vin, la propia razón de conversión. Al bajar 12 V a 5 V se pierde más de la mitad como calor, y al bajarlos a 3,3 V se pierden casi 3/4. Cuanto mayor es la reducción, más se calienta el dispositivo y más se desperdicia.
Un interruptor ideal no tiene pérdidas: trocea y promedia
Un interruptor solo tiene dos estados. Encendido, la tensión entre sus extremos es 0, así que V·I = 0; apagado, la corriente es 0, así que de nuevo V·I = 0. En cualquier caso, un interruptor ideal casi no consume potencia. Por eso, en lugar de hacer caer la tensión en una resistencia variable, se enciende y apaga el interruptor muy deprisa para trocear la entrada. Si la fracción de cada período en que el interruptor está encendido se llama ciclo de trabajo D, el promedio de la tensión troceada es D·Vin. Cuando un filtro LC, formado por una bobina y un condensador, suaviza y promedia esos trozos, la salida pasa a ser Vout = D·Vin. Mientras el interruptor está apagado, la corriente de la bobina sigue circulando por un diodo o por un segundo interruptor, así que un elemento rectificador también cumple su papel aquí. Basta con cambiar el ciclo de trabajo para fijar la tensión de salida, y en ningún punto del camino se quema potencia.
La eficiencia no depende de la razón
La eficiencia del método lineal era la propia razón de conversión. Por eso, al obtener 1,2 V a partir de 12 V, la eficiencia se hunde hasta el 10 por ciento. La conmutación es distinta. Sus pérdidas no vienen de la diferencia entre entrada y salida, sino solo de que el interruptor y la bobina no son ideales, así que aunque la razón de conversión sea grande la eficiencia apenas se mueve y a menudo supera el 90 por ciento. Con una reducción muy grande o una carga muy ligera, eso sí, crece la parte de las pérdidas debidas a encender y apagar, y la eficiencia baja un poco. Por eso casi todas las fuentes de alimentación, desde los cargadores de teléfono hasta los adaptadores de computadoras portátiles y las fuentes de los centros de datos, son conmutadas. El precio de conmutar deprisa es el ruido de conmutación y la necesidad de bobinas y condensadores, que hacen el circuito más complejo que uno lineal, pero cuanto mayor es la reducción, más aplastante es la ventaja de la conmutación.
De vuelta a la primera pantalla
Con la razón de conversión pequeña, el calor rojo ocupaba la mayor parte de la barra lineal, y al subir la razón hacia 1 la potencia útil dorada llenó la barra. Eso es porque la eficiencia lineal es la propia razón de conversión, η = Vout / Vin. La barra conmutada se mantuvo casi toda dorada todo el tiempo. Un interruptor ideal, con tensión 0 encendido y corriente 0 apagado, no quema potencia, y el filtro LC promedia la entrada troceada para producir Vout = D·Vin. Un paso más allá de la rectificación con el diodo, una válvula de un solo sentido, estás ahora en la puerta de la electrónica de potencia, que convierte tensión con eficiencia solo encendiendo y apagando dispositivos.
Lo que sigue
Aquí tratamos el interruptor como ideal. La última unidad abre ese interruptor por dentro. El MOSFET de potencia es precisamente ese interruptor, y un interruptor real pierde potencia en su pequeña resistencia de encendido mientras conduce, y en el breve solapamiento de tensión y corriente en cada encendido y apagado. Estas pérdidas por conducción y por conmutación fijan el techo de la eficiencia, y explican por qué se buscan dispositivos más rápidos y de menor resistencia.