¿Cómo funciona un regulador de voltaje de conmutación?

Imagina que deseas reducir un voltaje a un valor más útil para ti. Digamos que el valor del voltaje de entrada sea 12V pero necesitas obtener 5V a partir de éste.

Hay varias opciones para conseguirlo pero unas son más eficientes que otras:

• Usar un divisor de voltaje: Si solo necesitas el voltaje para que sirva de ‘referencia’ y no necesitas suministrar una considerable cantidad de corriente, pues ésta es una simple opción, ya que el voltaje se mantedría aproximadamente constante. Como la pregunta se refiere a ‘regulador’ de voltaje, un divisor de voltaje no es una opción factible porque en la mayoría de las veces queremos un regulador capaz de proveer una corriente ‘considerable’.
• Usar un diodo Zener: Igual que el punto anterior—para referencia, sería una opción simple y confiable. Aun como regulador pudiera funcionar apropiadamente, pero no es tan eficiente porque necesitas una resistencia para limitar la corriente máxima hacia el Zener, y las resistencias inducen pérdidas de potencia (y por ende reducen la eficiencia). También el Zener requiere una corriente mínima para poder regular el voltaje pero a la vez hay una corriente máxima (no my alta en general) con la cual debemos mantener un margen.
• Usar un regulador lineal: Algo parecido al un divisor de voltaje, en el sentido de que se basa en resistencias para crear un voltaje constante. La diferencia es que la resistencia en este caso es variable, de tal modo que se ajusta para crear una caída de voltaje que resulte en el voltaje apropiado en la salida. La resistencia variable se implementa en práctica con un transistor al cual se polariza en región correcta para provocar la caída de voltaje necesaria para obtener el voltaje de salida deseado. La eficiencia de éste se reduce a medida que la diferencia entre el voltaje de entrada y salida crece—después de todo es una ‘resistencia’ que tiene que disipar potencia para poder regular el voltaje.
• Usar un regulador conmutado (Switch-Mode Power Supply): Este tipo de regulador ofrece la mayor eficiencia. Al igual que el regulador lineal, éste utiliza transistor(es) pero en lugar de usarlos en la región ‘activa’ (como una resistencia variable), se utiliza en las regiones de corte (un interruptor abierto) y en la de saturación (un interruptor cerrado). El detalle es en abrir y cerrar el ‘switch’ usando PWM, de tal modo que generes una onda cuadrada. Una vez obtienes la onda cuadrada, la filtras y te quedas con la parte ‘dc’ de la señal (el promedio).

Como la pregunta es con relación a los reguladores conmutados, voy a expandir un poco más el último punto. Un regulador conmutado se basa en el uso de PWM (Pulse-Width Modulation), que no es más que abrir y cerrar el interruptor (transistor) por cierto tiempo (‘x’ tiempo encendido, ‘y’ tiempo apagado). Al final, la señal generada, se filtra para solo quedarse con el valor promedio de la onda cuadrada. Ejemplo:

La imagen anterior muestra el concepto. El ‘duty cycle’ es el porcentaje del periodo que el transistor está encendido. Para el caso de 90%, si el voltaje de entrada es 12V, después del filtrado, el voltaje es 10.8V. Hay diferentes tipos de reguladores conmutados (Buck, Boost, Buck-Boost, etc), este ejemplo se refiere a un Buck—un regulador donde el objetivo es reducir el nivel del voltaje de entrada.

El circuito más básico de un Buck converter se ve de la siguiente manera:

Donde VinVin es el voltaje de entrada, LL y CC forman el filtro que solo deja pasar el promedio de la onda cuadrada, y RR es la carga o lo que se alimenta del regulador. El interruptor se implementa en práctica con un transistor y un diodo (o dos transistores),

El diodo es muy importante ya que su ausencia provocaría picos grandes de voltaje cuando se abra el switch (la frase aquella—la corriente no puede cambiar instantáneamente en un inductor…)

Esto es simplemente un explicación sin entrar en muchos detalles. Es un campo bastante extenso. Pero en general su uso se debe a mayor eficiencia con respecto a un regulador lineal—idealmente los reguladores conmutados no disipan potencia—y la habilidad de no solo reducir el voltaje de entrada, sino también subirlo (Boost converter). Claro, en realidad, no existe un convertidor ideal y sí disipan potencia debido a las características no-ideales de los transistores, inductores, y las pérdidas por conmutación, pero aun así presentan mejor eficiencia, especialmente con corrientes de salida considerables.