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DISEÑO DE FUENTES CONMUTADAS
Alfonso Darío López Camero, Elianny Treto Portal, Alberto Taboada Crispí
Centro de Estudios de Electrónica y Tecnologías de la Información, Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Carretera a Camajuaní, km 5 ½ , Santa Clara, VC. alcamero@uclv.edu.cu
RESUMEN
En este trabajo se realizan diseños de algunos ejemplos de
fuentes conmutadas, muy usadas en equipos médicos
portátiles, con ayuda del programa de simulación LTSPICE IV. Las corrientes y voltajes de entrada y salida
usados son típicos para el funcionamiento de equipos
portátiles alimentados con baterías. Todos los circuitos se
simularon para comprobar el funcionamiento de los mismos
en diferentes condiciones, mostrando las bondades del LTSPICE IV para dichos fines.
Palabras clave: fuentes conmutadas, diseño, simulaciones.
1. INTRODUCCIÓN
Todo dispositivo electrónico que requiera para su
funcionamiento de energía, necesita de una fuente de
alimentación. Algunos de estos equipos de bajo consumo
pueden ser alimentados por baterías, siendo el principal
objetivo en esta investigación el diseño de fuentes
conmutadas que permitan el suministro de energía desde
valores relativamente pequeños (pilas o baterías AA/AAA),
obtener voltajes y corrientes que sean capaces de hacer
funcionar equipos portátiles, fundamentalmente dentro del
campo de la biomedicina.
En este tipo de reguladores, la transferencia de energía
desde la entrada a la salida no se realiza en forma continua,
sino en forma de paquetes, mediante la inclusión de
elementos reactivos que actúan como acumuladores de
energía. Ahí se centra la diferencia entre fuentes lineales [1]
y conmutadas [2], [4], con una mayor eficiencia y densidad
de potencia en el caso de las últimas [3]. El diseño de ese
tipo de fuentes se realiza con circuitos modernos que
pueden trabajar a una alta frecuencia y los cuales tienen
precios asequibles en el mercado internacional. Este trabajo
aborda el diseño y simulación de algunos ejemplos de
fuentes conmutadas empleando componentes de la Linear
Technology [5], [6], [7], [8].
2. METODOLOGÍA
Para el diseño de todos los circuitos a simular y analizar
en este trabajo empleamos la herramienta de software LTSPICE IV, ya que dicho programa está especializado
principalmente para el diseño de fuentes. Además, las
simulaciones con este permiten las mediciones de las
corrientes y voltajes que son prácticamente imposibles de
hacer con programas como el OrCAD o el Multisim, ya que
los mismos no están concebidos para trabajar con modelos
de reguladores de conmutación como los que nos ocupan,
pudiendo introducir errores.
Las fuentes de conmutación tienen rápidas ondas
cuadradas de alta frecuencia, junto con lentas respuestas
globales de lazo. En ese entorno, las simulaciones
convencionales (con OrCAD, Multisim, etc.) toman tiempos
prohibitivos, o tienen que introducir simplificaciones no
aceptables, que no pueden reflejar realistamente todo el
funcionamiento de los circuitos. SwitcherCAD III y su
versión más avanzada (de noviembre de 2008), LT-SPICE
IV, modelan capacitores e inductores con resistencias series
y otros aspectos parásitos de su comportamiento, sin
necesidad de subcircuitos o nodos internos. También se da
atención especial a los MOSFET’s para reducir los nodos y
reducir, por tanto, el tiempo de simulación. Además, se
evitan problemas de convergencia.
En cuanto a los componentes usados en los diseños,
debemos decir que todos son de la reconocida firma Linear
Technology (LT), una de las líderes mundiales en la
fabricación de circuitos integrados (CI) para fuentes
conmutadas. Entre los mismos encontramos el LT1026, con
capacitores conmutados de tensión y duplicador inversor,
capaz de funcionar de 4V a 10V de entrada, y ofrecer de
±7V a ± 18V de salida, con corrientes disponibles de más
de 10mA [5]. Otro componente empleado en los diseños fue
el LT1070HV, el cual presenta una amplia gama de voltajes
de entrada (de 3V a 60V), funciona en casi todas las
topologías de conmutación y puede dar una potencia a la
carga de hasta 100W [6]. El LT1173 se empleó también en
este proyecto, ya que opera a voltajes de suministro de 2V a
30V [7]. El último CI usado fue el LT1371, que es un
regulador monolítico capaz de operar a altas frecuencias y
permite una fácil sincronización externa [8].
Fig. 1. Configuración estándar doblador de voltaje invertido con
LT1026.
Entre los circuitos montados y simulados, a modo de
ejemplo, encontramos un duplicador de voltaje de
configuración estándar positivo – negativo, empleando el
LT1026 (Fig. 1). Otro diseño fue el convertidor de 5V a
12V de salida, empleando el LT1070HV (Fig. 2). También
se realizó el montaje de un convertidor de 3V a 5V, con el
LT1173-5 (Fig. 3). Por último, diseñamos otro convertidor
de 5V a 12V de salida, con el LT1371 (Fig. 4).
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Fig. 2. Convertidor de 3V a 5V con LT1173-5.
Fig. 5. Simulaciones del doblador de voltaje invertido (Fig. 1).
En la Fig. 6 se observa cómo a partir de 3V de entrada,
proporcionados por 2 baterías de 1,5V cada una, se puede
obtener un voltaje de salida de 5V, con una corriente de
salida de aproximadamente 200mA.
Fig. 3. Convertidor de 5V a 12V con LT1070HV.
Fig. 4. Convertidor de 5V a 12V con LT1371.
3. RESULTADOS
En cuanto a las simulaciones de los circuitos ya antes
expuestos, se podrán ver las gráficas de diferentes variables
de los mismos como es la salida de voltaje (VOUT), la
corriente de carga (IL), y como pueden o no variar sus
valores, principalmente en dependencia de la entrada de
voltaje (VIN) del circuito y el cambio de la resistencia de
carga (RL). Siempre se trata que con la variación de los
valores ya mencionados, se mantengan lo más estables
posible VOUT y IL, aparentando la situación en que el
equipo este trabajando cuando las baterías estén a máxima
potencia, o en el peor de los casos cuando estén
descargadas casi por completo.
Analizando el circuito de la Fig. 1, que es el Doblador
de Voltaje de entrada y la obtención de voltajes de salida
positivo y negativo, se puede observar que con una fuente
de 4V se puede obtener un voltaje de salida de
aproximadamente 7V.
Fig. 6. Simulaciones del convertidor de 3V a 5V (Fig. 2).
En la Fig. 7 se puede ver como con una entrada mínima
de 2V, por descarga de las pilas, manteniendo la misma
resistencia de carga de 25, se obtienen valores de salida
afectados (VOUT = 3,5V; IL = 130mA). Aunque pudieran
hacer funcionar circuitos internos del equipo alimentado, no
se recomienda el circuito de la Fig. 3 para voltajes de
entrada tan bajos.
Fig. 6. Simulaciones del convertidor de
entrada.
Fig. 2, pero con 2V de
El siguiente circuito diseñado y simulado (Convertidor
de 5V a 12V) lo emplearemos para demostrar como con la
variación de la carga se obtienen valores de voltaje y
corriente asequibles para el funcionamiento de cualquier
equipo que presente este tipo de fuente conmutada.
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Fig. 9. Simulaciones del convertidor de 5V a 12V de Fig. 4.
Fig. 8. Simulaciones del convertidor de 5V a 12V de Fig. 3.
Como se puede ver en la Fig. 8, el voltaje de salida del
circuito es de 12V y la corriente de carga es considerable,
ya que alcanza el valor de 1A. Luego, se simula el circuito
cuando la carga aumenta de 12 a 50, para verificar su
comportamiento. En la Fig. 9 se observa que con la carga de
50 trabaja más cómodo, manteniendo el voltaje de salida
de 12V y, por la ley de Ohm, la corriente de salida es de
solo 240mA aproximadamente.
El diseño de todos estos circuitos de fuentes
conmutadas, debido a sus valores de voltaje y de corriente
de salidas, a partir de una simple alimentación de baterías,
tiene una infinidad de usos, incluyendo equipos médicos
portátiles. Entre otras varias aplicaciones podemos
mencionar:
 Suministro de los amplificadores operacionales
presentes en los equipos.
 Obtención de múltiples salidas mediante una sola
entrada.

Inversores del voltaje de entrada.
 Duplicadores y cuadruplicadores de voltaje de entrada
mediante conexión en paralelo.
 En laptops, teléfonos celulares, etc.
4. DISCUSIÓN
Se pudo observar, mediante la simulación de los
circuitos diseñados, como se obtenían valores de voltaje y
corriente de salida para diferentes entradas de alimentación
del circuito, así como la variación de estos parámetros a
causa del cambio de la carga a la que deben alimentar estos
circuitos. Tienen como estructura principal los integrados
de LT, que pueden trabajar a altas frecuencias, y que tienen
Low Dropout (LDO) y por consiguiente un alta eficiencia.
Es importante destacar que todos estos componentes en
estado inactivo consumen solo una pequeña corriente y en
el caso del LT1371 se tiene incluso la posibilidad de
desconexión cuando se desea, mediante el terminal de
shutdown (SHDN), lo que aumenta la duración de la
batería.
5. CONCLUSIONES
Fig. 9. Simulaciones del convertidor de 5V a 12V de Fig. 3, con RL=50.
El siguiente circuito es otro Convertidor de 5V a 12V,
con RL=50, pero con el CI LT1371 como en la Fig. 4. En
la Fig. 10 se muestran las curvas del VOUT y el VIN, así
como la corriente de carga de dicho circuito. En este, la
corriente de carga alcanza también, por supuesto, el valor
aproximado de 240mA. Este es satisfactorio ya que es una
corriente suficientemente alta que permite hacer funcionar
los circuitos de equipos de mediana complejidad. El
LT1371 tiene la ventaja de poderse desconectar mediante su
terminal SHDN, para ahorrar baterías cuando no se usa.
Este trabajo proporcionó las características de las
fuentes conmutadas, su funcionamiento a través de las
simulaciones, diseño y algunas aplicaciones. Indicó la
utilidad y eficacia de una fuente conmutada.
A pesar de que se ilustra con solo unos pocos ejemplos,
también se realizaron otras decenas de simulaciones de
fuentes conmutadas para corroborar la idoneidad de LTSPICE IV para efectuar las mismas. Este programa muestra
detalles del complejo funcionamiento de los circuitos en un
tiempo relativamente breve, aspectos en los que supera con
creces lo que pueden hacer OrCAD 10.5 y Multisim 10.1,
según se comprobó experimentalmente.
REFERENCIAS
[1] C. Simpson, “Linear Regulators: Theory of Operation and
Compensation”, National Semiconductor, Application Note
1148, May 2000.
[2] National Semiconductor, “Introduction to Power Supplies”,
Application Note 556, September 2002.
[3] A. Nachez, “Aplicaciones de la Conversión CC-CC. Fuentes
Conmutadas”, Electrónica de Potencia, Capítulo 1, pp. 3-8,
2003.
[4] C. Simpson, “Linear and Switching Voltaje Regulator
Fundamentals”, National Semiconductor.
[5] Linear Technology, “LT1026 Voltage Converter”.
[6] Linear Technology, “LT1070HV 5A and 2.5A High
Efficiency Switching Regulators”.
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[7] Linear Technology, “LT1173 Micropower DC-DC Converter
Adjustable and Fixed 5V, 12V”.
[8] Linear Technology, “LT1371 500 kHz High Efficiency 3 A
Switching Regulator”.
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