Fuente conmutada: cambiar el voltaje sin desperdiciar calor
Cambia la razón de conversión y compara el calor que tira cada enfoque
Las dos barras dividen la potencia que usa cada enfoque para convertir el mismo voltaje de entrada en el mismo voltaje de salida. El dorado es la potencia útil que llega a la salida; el rojo es la pérdida tirada como calor. Barre la razón de conversión, la razón de salida a entrada. Al encoger la razón, el enfoque lineal agranda su banda roja, pero la conmutación mantiene su dorado casi igual sin importar la razón.
El enfoque lineal quema la diferencia como calor
Un regulador lineal usa el transistor como un resistor variable para dejar caer el voltaje sobrante. La misma corriente I fluye de la entrada a la salida, así que el transistor ve la diferencia entrada-salida (Vin - Vout), y la potencia (Vin - Vout)·I se vuelve calor sin más. La potencia útil que llega a la salida es Vout·I, así que la eficiencia es η = Vout / Vin, la razón de conversión misma. Baja 12 V a 5 V y más de la mitad se esfuma como calor; bájalo a 3.3 V y tres cuartos se esfuman. Cuanto mayor la reducción, más caliente y derrochador.
Un interruptor ideal no tiene pérdidas: trocea y promedia
Un interruptor tiene solo dos estados. Encendido, el voltaje en él es cero, así que V·I = 0; apagado, la corriente es cero, otra vez V·I = 0. En cualquier caso un interruptor ideal casi no disipa potencia. Así que en vez de dejar caer voltaje en un resistor variable, conmutas el interruptor rápidamente, troceando la entrada en rebanadas. Llama D a la fracción de cada período que el interruptor está encendido, la razón de trabajo; el promedio del voltaje troceado es D·Vin. Cuando un filtro LC de un inductor y un capacitor suaviza y promedia estas rebanadas, la salida se vuelve Vout = D·Vin. Cambia solo la razón de trabajo y el voltaje de salida queda fijado, sin quemar potencia en ningún punto del camino.
La eficiencia no depende de la razón
La eficiencia lineal era la razón de conversión misma, así que hacer 1.2 V desde 12 V la desploma al diez por ciento. La conmutación es distinta. Su pérdida no viene de la diferencia entrada-salida sino solo de las no idealidades del interruptor y el inductor, así que por grande que sea la razón que pidas, la eficiencia se mantiene firme y a menudo supera el noventa por ciento. Por esto justamente casi toda fuente de alimentación, desde un cargador de teléfono hasta un adaptador de portátil o un riel de centro de datos, es de conmutación. El precio de conmutar rápido es el ruido de conmutación y la necesidad de un inductor y un capacitor, así que el circuito es más complejo que uno lineal. Aun así, cuanto mayor la reducción, más abrumadora la ventaja de la conmutación.
De vuelta a la primera pantalla
Cuando la razón era pequeña, la barra lineal era casi todo calor rojo; subirla cerca de 1 llenó la barra de potencia útil dorada. Eso es porque la eficiencia lineal era la razón de conversión misma, η = Vout / Vin. La barra de conmutación se mantuvo casi toda dorada en todo momento. Un interruptor ideal, voltaje cero al encender y corriente cero al apagar, no quema potencia, y un LC promedia la entrada troceada para hacer Vout = D·Vin. Dando un paso más allá de la rectificación de la válvula de un sentido que es un diodo, estamos en el umbral de la electrónica de potencia, donde con solo encender y apagar un dispositivo se cambia el voltaje con eficiencia.
Lo que sigue
Aquí tratamos el interruptor como ideal. La unidad final abre lo que ese interruptor realmente es. Un MOSFET de potencia es ese interruptor, y un interruptor real pierde un poco por su resistencia en conducción mientras está encendido, y por el solapamiento de voltaje y corriente en el instante de encender y apagar. Estas pérdidas de conducción y de conmutación fijan el techo de la eficiencia, y vemos por qué se persiguen dispositivos más rápidos y de menor resistencia.