Laboratorio LTspice: Dinámica de voltaje y corriente del convertidor reductor

En el artículo anterior, Comprensión de la regulación del modo de conmutación: el convertidor reductor, presenté y expliqué la implementación de LTspice de la etapa de potencia de un regulador de conmutación reductor ilustrada en la Figura 1.

Este artículo investigará la actividad eléctrica del circuito en relación con los dos estados del interruptor: encendido y apagado.

Cuando la forma de onda de control del interruptor (VSWITCH en el esquema) tiene una lógica alta, el interruptor se enciende. Esto permite que la corriente fluya libremente desde el suministro de entrada a la parte derecha del circuito (Figura 2).

Como se ve en la Figura 2, la corriente de suministro fluye a través del interruptor, S1, y el inductor, L1, en su camino hacia el capacitor, C1, y la resistencia de carga. La corriente que pasa por el inductor aumenta y el inductor se “carga”, es decir, la cantidad de energía almacenada en su campo magnético aumenta. La corriente del inductor se distribuye al condensador y a la carga.

Tenga en cuenta que el diagrama no muestra ninguna corriente que fluya hacia el diodo. Durante el estado encendido, la caída de voltaje en el interruptor es casi cero y, en consecuencia, el voltaje en el diodo es aproximadamente igual a VIN. Por tanto, el diodo tiene polarización inversa y actúa como un circuito abierto.

Consideremos cuidadosamente la información contenida en el gráfico de múltiples paneles de la Figura 3 mientras se enciende el interruptor. Discutiremos cada subtrama comenzando desde abajo y avanzando hasta arriba.

Comenzando desde abajo, sabemos que estamos en el estado encendido porque el voltaje (12 V) a través del diodo, V(d1), es igual al voltaje de entrada.

La corriente del inductor, I(L1), está aumentando y el inductor se está cargando. Tenga en cuenta que el valor mínimo del eje vertical en este gráfico es 80 mA, no 0 mA. Aunque el interruptor bloquea completamente la corriente de entrada en el estado apagado, el inductor garantiza que cantidades significativas de corriente continúen fluyendo en la parte derecha del circuito.

La corriente que fluye hacia el capacitor, I(C1), también aumenta. El capacitor comienza a cargarse (y su voltaje aumenta) cuando I(C1) cruza 0 mA y se vuelve positivo.

La corriente de carga, I (carga), es estable en el valor promedio de la corriente del inductor. ¿Cómo se mantiene tan estable la corriente de carga cuando la corriente del inductor sube y baja con 140 mA de ondulación? Las únicas dos vías para la corriente del inductor son la resistencia de carga y el capacitor C1, por lo que la respuesta debe involucrar a C1.

Si reflexiona sobre el gráfico I(C1), verá que el condensador compensa continuamente las desviaciones de la corriente del inductor. Por ejemplo, cuando I(L1) es 80 mA, I(C1) es –70 mA, donde el signo negativo significa que el capacitor está suministrando 70 mA. La carga recibe 80 mA del inductor más 70 mA del condensador, lo que da como resultado una corriente total de 150 mA.

Sin embargo, cuando I(L1) es 220 mA, I(C1) es +70 mA, donde el signo positivo significa que el capacitor está absorbiendo 70 mA. Por tanto, la carga obtiene 220 mA – 70 mA = 150 mA.

El voltaje de salida, V(vout), que también es el voltaje a través del capacitor, exhibe una ondulación de baja amplitud alrededor de su voltaje promedio. En el gráfico del voltaje de salida, amplié el eje y para resaltar la ondulación del voltaje.

Tenga en cuenta que el voltaje comienza a aumentar cuando la corriente del capacitor cruza 0 mA. Esto tiene sentido: en esta simulación, la corriente positiva del capacitor es la corriente que fluye hacia el capacitor y, por lo tanto, hace que su voltaje aumente.

Los aproximadamente 6 V en la salida son aproximadamente la mitad de los 12 V de entrada. De hecho, el convertidor reductor ha reducido el voltaje, como se deseaba.

Cuando el interruptor, S1, está apagado, la corriente continúa fluyendo en la parte derecha del circuito, como se ilustra en la Figura 4. Sin embargo, esta corriente no puede provenir del suministro de entrada y tampoco puede provenir de en ningún lugar. En cambio, circula, con la ayuda del diodo D1.

Cuando el interruptor se apaga, el inductor L1 funciona como una fuente en lugar de una carga. El inductor mantiene el flujo de corriente a pesar de la pérdida del suministro de entrada, pero su corriente está disminuyendo.

Cuando la corriente del inductor disminuye, la polaridad de su caída de voltaje se invierte en relación con la polaridad cuando la corriente aumenta. En el esquema de la Figura 4, esto significa que el terminal del inductor izquierdo se vuelve negativo con respecto al terminal derecho y, de hecho, este voltaje incluso se vuelve negativo con respecto a tierra.

Cuando el voltaje del terminal izquierdo del inductor se vuelve lo suficientemente negativo como para polarizar directamente el diodo, D1, la corriente puede circular como se muestra en el diagrama. El diodo juega un papel crucial en un regulador de modo conmutado. No interfiere con el funcionamiento del circuito durante el estado encendido y crea una ruta de baja impedancia para la corriente del inductor durante el estado apagado.

Veamos la versión fuera del estado del gráfico de paneles múltiples que se muestra en la Figura 5, nuevamente desde abajo hacia arriba.

Observe que V(d1), el voltaje del cátodo del diodo y también el voltaje del terminal izquierdo del inductor, no cae a cero sino por debajo de cero. Está lo suficientemente por debajo de cero como para polarizar directamente el diodo. El ánodo del diodo está conectado directamente a tierra y, por lo tanto, la polarización directa requiere un voltaje negativo en el cátodo.

La corriente del inductor, I(L1), está disminuyendo, lo que indica que el inductor se está descargando, es decir, perdiendo energía en su campo magnético. La caída de voltaje del inductor es tal que puede extraer corriente del nodo de tierra a través del diodo.

La corriente del capacitor, I(C1), está disminuyendo y cruza de la región positiva a la región negativa en un momento correspondiente a la transición del aumento del voltaje del capacitor a la disminución del voltaje del capacitor en el gráfico V(vout).

Al igual que en el estado encendido, la corriente de carga permanece esencialmente constante durante el estado apagado.

El voltaje de salida aumenta a medida que el capacitor suministra carga a la carga y luego comienza a disminuir a medida que la corriente del capacitor se vuelve negativa. Observe que la escala del voltaje nuevamente se exagera para resaltar la variación relativamente baja del voltaje de salida.

Hemos examinado el comportamiento eléctrico de una etapa de potencia de un regulador de conmutación reductor durante el estado de encendido y el estado de apagado. Espero que esta discusión le haya ayudado a comprender cómo estos circuitos mantienen un voltaje estable y una corriente de carga constante y al mismo tiempo logran una alta eficiencia. Esto es posible con el control del interruptor de encendido/apagado.

En el próximo artículo, consideraremos el tamaño y la selección de los componentes.