Un convertidor DC-DC conmutado es un circuito que transforma tensión usando conmutación rápida, bobinas y condensadores para hacerlo con mucha más eficiencia que un regulador lineal. Son la base de casi toda la alimentación moderna.
En la entrada anterior vimos que los reguladores lineales tienen un problema grave: la ineficiencia. Para bajar de 12V a 5V, tiran el sobrante como calor.
Pero, ¿y si en lugar de frenar la energía simplemente la encendemos y apagamos muy rápido?
Bienvenidos al mundo de los convertidores DC-DC conmutados (switching regulators). Aquí no gastamos el voltaje sobrante, sino que usamos interruptores, bobinas y condensadores para trocear la energía y volver a montarla a nuestro antojo. Esta es la verdadera base de la eficiencia moderna.
El concepto: PWM de potencia
Imagina que quieres que una bombilla luzca a la mitad de intensidad.
- Método lineal: Pones una resistencia. La resistencia se calienta.
- Método conmutado: Enciendes y apagas el interruptor rapidísimo (50% del tiempo ON, 50% OFF). La bombilla recibe energía la mitad del tiempo, por lo que brilla la mitad. Además el interruptor no se calienta, porque cuando está abierto no pasa corriente, y cuando está cerrado no tiene resistencia.
Los convertidores DC-DC usan un transistor (MOSFET) que se abre y cierra miles de veces por segundo (kHz o MHz).
Convertidor buck (step-down)
El convertidor buck es el equivalente eficiente del 7805. Sirve para bajar el voltaje (
Su funcionamiento se basa en llenar un cubo (el inductor) a sorbos.
Interruptor cerrado (ON): La corriente fluye desde la entrada hacia el inductor y la carga. El inductor se carga de energía magnética y se opone a que la corriente suba de golpe.
Interruptor abierto (OFF): Cortamos la entrada. Pero el inductor no quiere que la corriente pare. Así que libera su energía magnética para seguir empujando electrones hacia la carga a través del diodo.
Resultado: A la salida tenemos un voltaje medio menor, pero con más capacidad de corriente.
Conservación de la potencia: En un regulador lineal, si entran 1A a 12V, salen 1A a 5V (y pierdes 7W). En un buck, si entran 12V y salen 5V, ¡la corriente de salida aumenta!
Este cálculo supone un 100 % de eficiencia. No hemos creado energía: cambiamos tensión por capacidad de corriente, siempre dentro de los límites del convertidor y de la carga.
El módulo más famoso para esto es el basado en el chip LM2596.
Convertidor boost (step-up)
Aquí viene lo que parece brujería para los novatos. ¿Cómo podemos obtener 12V a partir de una batería de 3.7V? ¿Creamos energía de la nada?
No, usamos el convertidor boost. Lo que hacemos es cambiar voltaje por corriente. Subimos el voltaje, pero reduciremos la corriente disponible.
El truco es usar la patada inductiva de la bobina:
Interruptor cerrado (ON): Conectamos el inductor directamente a tierra (cortocircuito controlado). La corriente sube mucho y el inductor almacena mucha energía magnética. El diodo impide que el condensador de salida se descargue hacia atrás.
Interruptor abierto (OFF): Abrimos el circuito de golpe. El inductor, al que le han cortado el flujo, lanza un pico de voltaje alto (su energía almacenada más el voltaje de la fuente) hacia adelante, atravesando el diodo y cargando el condensador a un voltaje superior al de entrada.
La idea importante es que (por supuesto) no estamos creando energía. Lo que hacemos es transformarla: subimos la tensión a costa de tener menos corriente útil en la salida y de asumir unas pequeñas pérdidas en el proceso.
El módulo típico para esto es el XL6009 o MT3608.
Buck-Boost (subir y bajar)
Existen convertidores híbridos que pueden mantener, por ejemplo, 12V estables en la salida tanto si la entrada está a 9V (suben) como si está a 14V (bajan). Son ideales para baterías de coche, cuyo voltaje oscila mucho.
Eficiencia vs ruido
Si son tan maravillosos, ¿por qué no los usamos siempre?
- Alta eficiencia: Típicamente entre el 80% y el 95%. Apenas se calientan comparados con los lineales.
- Versatilidad: Pueden subir voltaje (boost), cosa que los lineales no pueden hacer.
- Tamaño: Para corrientes altas, son mucho más pequeños porque no necesitan disipadores gigantes.
- Ruido eléctrico (ripple y EMI): Al estar conmutando a alta frecuencia, generan ruido en la línea de alimentación.
- Un motor o un LED pueden tolerar cierto rizado, según la aplicación.
- En audio o medida de precisión debemos comprobar el espectro de ruido y añadir filtrado o una posregulación cuando sea necesario.
- Complejidad: Diseñarlos desde cero es difícil (cálculos de bobinas, condensadores de ESR bajo, etc). Por suerte, compramos módulos hechos.
¿Cuál elegir?
| Necesidad | Componente recomendado | ¿Por qué? |
|---|---|---|
| Bajar tensión con poca potencia disipada | Lineal (7805 / LDO) | Sencillo y con poco ruido de conmutación. |
| Bajar tensión con pérdidas lineales altas | Buck | Mejora la eficiencia y reduce el calor. |
| Subir tensión (de 3,7 V a 5 V o 12 V) | Boost (MT3608) | Eleva una tensión DC por encima de la entrada. |
| Alimentar audio, radio o precisión | Según requisitos de ruido | Puede combinarse un convertidor, filtrado y un regulador lineal. |
