Sistemas de fuentes reguladas por conmutación, para elevar o invertir el voltaje de salida con respecto del voltaje de entrada.

1. Fuentes DC conmutadas
elevadoras e inversoras
Son fuentes DC reguladas conmutadas
que por su topología elevan el voltaje
de entrada o invierten su polaridad de
salida.

2. Las fuentes reguladas DC conmutada elevadoras e inversoras, son dos de
las tres topologías más comunes, que se tienen al usar la conmutación
como sistema de regulación y de control del elemento regulador.
Como se estudió en la clase anterior, al variar la disposición de los
dispositivos básicos (L, D, C y QD) la fuente puede cambiar su
funcionamiento y entregar un voltaje regulado DC menor, mayor o de
polaridad inversa al voltaje de entrada.
Veamos en esta clase los dos último tipos de fuente, su configuración y
salida.
Configuración elevadora o de ascenso:
En la figura 1 se muestra un regulador elevador, otro regulador conmutado
de topología básica. Ete tipo de reguladores siempre aumentan el voltaje.
La teoría de su funcionamiento es similar a la del regulador reductor en
algunos aspectos, pero muy diferentes en otros. Por ejemplo, el pulso está
en nivel alto, el conmutador está cerrado (Q1 encendido). El voltaje en L
crece de manera instantánea hasta Vent – VCE(sat) y el campo magnético del
inductor se extiende rápidamente como se ve en la figura. Almacenando
energía como se vio anteriormente (E = 0,5Li2).

3. V e n t -V c e
0
1
L 2
Vent
R 1
V re f
Vz
M o d u la d o r
por ancho
d e p u ls o
Q
D
C
+
R 2
+ Vsal
R L
+
1
( a)
2
+ V g o lp e
+
Vp
( b)
D
t enct apg
-
+ Vent
-
+ Vp
R 3
F ig 1
Vsal
C
( c)
Durante el tiempo de encendido (tenc) de Q, VL decrece desde un máximo
inicial como se indica. Mientras más dure encendido Q, menor será VL.
Cuando Q se apaga, el pulso pasa a un nivel bajo, se abre el conmutador.
El campo magnético del inductor cae rápidamente y su polaridad se invierte.
O sea el campo magnético inducido en la bobina comienza a disminuir y
provoca un voltaje inverso en la bovina como se ve en la figura 1(b).

4. De modo que su voltaje se suma al Vent . Este voltaje producido por la
inductancia se lo llama algunas veces “golpe inductivo” o “fuerza contra
electromotriz inducida”. Esto significa que el pico de voltaje en el extremo
derecho de la inductancia es:
V p =Vin + golpe
V
El golpe inductivo depende de la cantidad de energía que se halla
almacenado en el campo magnético. Dicho de otra manera, el Vgolpe es
proporcional al ciclo de trabajo. Con un voltaje fijo de entrada, llegará un
V = V +V
voltaje de forma rectangular a la entrada del filtro con condensador de la
figura 1(c). Durante el tiempo de apagado de Q el diodo se polariza en
directo permitiendo que el capacitor se cargue. Entonces las variaciones en
el voltaje de salida debidas a la acción de carga y descarga se aplanan lo
suficiente por la acción de filtrado L y C.
De esta forma, el voltaje de salida regulado es aproximadamente igual al
pico de voltaje dado por la ecuación anterior. Al reducir el tiempo de
encendido de Q se incrementa el voltaje del inductor, por lo que crece el
voltaje de salida (un VL mayor se suma al Vent). Al crecer el tiempo de
encendido de Q menor será el voltaje del inductor y el voltaje de salida.
p
in
golpe

5. (un VL pequeño se suma a Vent). Como Vgolpe es siempre mayor que cero, VP
es siempre mayor que Vent. Es por esto que un regulador elevador siempre
aumenta el voltaje.
Aparte de usar un filtro con capacitor en vez de un filtro de choque
(inductivo), la regulación con topología elevadora es similar a al topología
reductora. Debido a la alta ganancia del comparador, la realimentación es
casi igual al voltaje de referencia. De forma, el voltaje de salida regulada
también viene dado por la ecuación:
V sal
R2 +R3
=
Vref
R3
Si el voltaje de salida trata de aumentar, hay menor realimentación, menor
salida del comparador, un ciclo de trabajo menor y un menor golpe
inductivo. Esto disminuye el pico de voltaje, lo que compensa el intento de
aumento del voltaje de salida.
Si el voltaje de salida trata de disminuir, el aumento del voltaje de
realimentación aumentará el pico de voltaje, lo que compensa este intento
de disminución. El voltaje de salida se relaciona inversamente con el ciclo
de trabajo de Q y puede expresarse como:

6. V Sal
T
=
t
 enc

 ent
V


Configuración del inversor de Voltaje
Un tercer tipo de regulador conmutado produce un voltaje de salida
opuesto en polaridad con respecto a la entrada. Es la tercer topología
básica de los reguladores conmutados. Un regulador inversor siempre
produce un voltaje negativo de salida cuando es alimentado con un voltaje
positivo. En la figura 2(a) se ve el diagrama básico.
1
2
R 1
V re f
Z
+
+
Q
M o d u la d o r
p o r a n c h o
d e p u ls o
L
<
+ V e n t
-
D
+
-
- V s a l
C
-
R 2
+
R L
V g o lp e
-
2
-
V in
1
(
R 3
-
+
+
b ) (
c )
- V s a l
0
+
D
- V p
(
F ig 2
d )
+
C

7. Cuando el modulador por ancho de pulso tiene su salida en nivel alto, Q
está encendido y el voltaje en el inductor sube a Vent – VCE(sat). El campo
magnético almacena energía en el campo magnético que crece
rápidamente, y VL tiene la polaridad que aparece en la figura 2(b), el diodo D
está polarizado en inverso, y el voltaje en el inductor decrece desde el valor
inicial.
Cuando el pulso del modulador por ancho de pulso pasa a nivel bajo, Q se
apaga. El campo magnético de la bobina comienza a disminuir y esto
induce un voltaje de golpe en la bobina de polaridad inversa proporcional a
la energía almacenada en el campo magnético, como se ve en la figura
2(c). Esto polariza en directo el diodo cargando a C con un voltaje negativo
y cuyo valor es proporcional a la energía almacenada en el campo
magnético y controlada por el ciclo útil de trabajo. La acción repetitiva
encendido apagado de Q origina un cargado y descargado que se aplana
debido a la acción de filtrado de LC.
Si el ciclo útil de trabajo es alto, el voltaje del golpe inductivo puede
inclusive ser mayor que Vent dependiendo de la energía almacenada. En la
figura 2(d) el valor absoluto del pico de voltaje puede ser mayor o menor
que el voltaje de entrada. El diodo y el filtro por condensador producirá
entonces un voltaje de salida de – VP.

8. Como el valor absoluto del voltaje de salida puede ser mayor o menor que
el voltaje de entrada, se puede llamar una topología reductora-elevadora.