Es un reto muy común en los circuitos la necesidad de convertir una fuente de CC disponible a un voltaje más bajo o más alto. Para la conversión de alta a baja, una opción es utilizar un regulador de baja caída (LDO), pero ¿cómo transformar fácilmente una tensión más baja en una más alta?
Para las tensiones de CA, la respuesta es bien conocida: utilizar un transformador, como se ha hecho durante más de 100 años. Sin embargo, como sabe cualquier estudiante de primer año de ingeniería eléctrica, no se puede utilizar un transformador con la corriente continua. El enfoque obvio, entonces, es «cortar» la CC de bajo voltaje usando un oscilador de algún tipo, pasar la forma de onda cortada, similar a la CA, a través de un transformador elevador, y luego rectificarla y filtrarla en la salida del lado secundario. Este enfoque puede tener mucho éxito, y las versiones mejoradas del mismo son la base de las fuentes de alimentación conmutadas, que se utilizan tanto para aumentar (boost) como para disminuir (buck) la tensión entre una fuente de CC y un carril de alimentación.
¿Cuáles son los inconvenientes de este enfoque?
La cuestión clave es la necesidad del transformador, un componente inductivo que es un componente relativamente grande y costoso en comparación con el resto de los circuitos de conversión de potencia que soporta. Aunque algunos convertidores de potencia prefieren o incluso exigen un transformador debido al aislamiento galvánico inherente que proporciona, esa ventaja no suele ser necesaria en los circuitos de baja tensión o en los subcircuitos localizados. El rendimiento y el coste de un diseño basado en un transformador son más adecuados para los convertidores CC/CC de más de 1 a 5 A de salida, pero en general no es una solución atractiva en el extremo inferior, por debajo de unos pocos cientos de mA.
¿Cuál es la mejor alternativa?
Los diseñadores de circuitos han desarrollado una topología llamada bomba de carga, que en realidad es difícil de implementar con componentes discretos, pero es muy amigable con los CI. La bomba de carga utiliza condensadores como elemento de almacenamiento de energía.
En la ejecución básica de esta técnica de conversión de energía, la corriente (carga) se conmuta y dirige alternativamente entre dos condensadores dispuestos de forma que la salida del circuito sea el doble de la entrada, y funcionando así como un convertidor de refuerzo de duplicación de tensión. Por estas razones, el convertidor de bomba de carga también se conoce como un diseño de condensador conmutado.
¿Cómo funciona el duplicador de tensión de bomba de carga?
¿Cómo se logra este aumento de duplicación de tensión? Todo comienza con un principio fundamental de la física: la carga que fluye de un lado a otro en un circuito cerrado no se «pierde», sino que puede transferirse a través de la conmutación entre los elementos de almacenamiento de carga. En un concepto de bomba de carga, se pueden utilizar diodos para controlar el flujo de corriente; en la práctica, los interruptores suelen ser MOSFET conmutados, y los condensadores son dispositivos cerámicos o electrolíticos externos, dependiendo de la cantidad de capacitancia necesaria.
El funcionamiento, en la Figura 1, es un ciclo de carga-descarga en dos pasos en el que el condensador C1 se carga y luego se descarga en C2. En primer lugar, el reloj conduce la salida del inversor 1 a nivel bajo, por lo que D1 se polariza hacia delante, cargando así el condensador C1 a la tensión de alimentación +Vdc; además, D2 está apagado.
A continuación, el reloj conduce la salida del inversor 1 a nivel alto, y la carga de C1 está ahora en serie con +Vdc del inversor 1. Como la salida del inversor 2 es baja, D2 se pone en polarización directa y C2 se carga al doble de Vdc. El voltaje que se ve a través de la carga es 2 × Vdc, menos las caídas de tensión hacia delante del diodo y cualquier pérdida en los inversores.
En los diseños prácticos que utilizan componentes discretos, se suelen utilizar diodos Schottky en lugar de diodos convencionales debido a su menor caída de tensión hacia delante. Sin embargo, las bombas de carga basadas en CI no utilizan diodos; en su lugar, utilizan interruptores MOSFET con una baja resistencia de encendido RDS(ON). La eficiencia de la bomba de carga es bastante alta, en el rango del 90 al 95%.
La Parte 2 examina algunos aspectos adicionales de las bombas de carga, incluyendo sus condensadores, las variaciones de no duplicación, los relojes internos y externos, el filtrado y la regulación, y las bombas de carga integradas.
