Como se ha comentado anteriormente, la diferencia esencial entre un sistema propio de la Electrónica de Potencia y uno propio de la electrónica de tratamiento de señal es el rendimiento, independientemente de la potencia, grande o pequeña, entregada a la carga o proceso (véase la figura 1.1).
Así, todo sistema electrónico se puede caracterizar a partir de las potencias1 medidas en su entrada, PE, y en su salida, PS, de acuerdo con las tensiones y corrientes de entrada, vE, iE, y de salida, vS, iS, respectivamente, de dicho sistema.
Considerando estas potencias, un sistema electrónico puede representarse según se indica en la figura 1.3, y responde a dos escenarios distintos:
En los sistemas de tratamiento de señal, la potencia necesaria para realizar dicho tratamiento proviene de una fuente externa de energía, denominada, típicamente, fuente de alimentación. Es esta fuente de alimentación la que suministra la potencia de salida al sistema, PS, dado que, en sistemas ideales, o bien iE = 0 (sistemas de procesamiento en modo de tensión, con una impedancia de entrada idealmente infinita), o bien vE = 0 (sistemas de procesamiento en modo de corriente, con una impedancia de entrada idealmente nula).
En los sistemas de procesado de energía, existe una fuente de potencia, PE, en la misma entrada del convertidor estático. Las señales de control gobiernan el sistema para cambiar alguna característica de la tensión o de la corriente de entrada.
En todo caso, para cualquier sistema real es de prever PS < PE, es decir que la potencia de salida, o la potencia que se entrega a la carga del sistema, es menor que la potencia entregada a la entrada, lo que implica que durante el proceso de conversión o tratamiento se pierde una potencia, PP, en forma de calor, cumpliéndose PE = PS + PP de donde el rendimiento, η = PS / PE será siempre menor que la unidad.
Figura 1.3. Potencias en un sistema electrónico.
Estas consideraciones sobre las potencias en un sistema electrónico invitan a reflexionar sobre dos aspectos cruciales que deberán considerarse en el ámbito de la Electrónica de Potencia:
En primer lugar, el rendimiento. Ya que si este debe ser máximo (idealmente unitario, es decir η = PS / PE = 1), es necesario minimizar la potencia perdida (idealmente hacer que PP = 0).
En segundo lugar, el origen de la potencia perdida, PP. Dado que, si se conocen las causas que provocan la pérdida de potencia PP, será posible anularla o, cuanto menos, minimizarla.
Concretando, se puede concluir que entre dos puntos de un sistema, tales como la entrada y la salida del mismo, se producirá una pérdida de potencia en forma de calor, PP, si entre dichos dos puntos existen una diferencia de potencial y una circulación de corriente no nulas. En estas condiciones se dice que entre dichos puntos existe un camino de potencia.
Veamos, a continuación, un ejemplo detallado en relación al concepto de camino de potencia.
Ejercicio 1.1
Se desea variar la temperatura de un horno eléctrico, provisto de un resistor de resistencia R, variando el valor de la corriente suministrada. Para ello, se sugiere el circuito de la figura E1.1.1, en la que E representa una fuente de tensión constante, R la resistencia del horno y RC la resistencia de control, que constituirá un sistema electrónico elemental. Se elegirán valores unitarios para E y R.
Figura E1.1.1
Representar, en función de la corriente, las potencias disipadas en las resistencias R y RC, así como el rendimiento de esta transferencia de energía. (Adaptado de [6]).
Solución
En función de la corriente I que circula por la malla que constituye el circuito de la figura E1.1.1, la potencia suministrada por la fuente E es PE = E I, mientras que las potencias disipadas por los resistores R y RC son, respectivamente PR = RI I = R I2 y PRC = (E – R I) I.
Siendo el rendimiento el cociente entre la potencia disipada por la resistencia R (potencia de salida) y la suministrada por la fuente E (potencia de entrada), resulta:
En la figura E1.1.2 se han representado los parámetros solicitados, para valores unitarios de E y R: la potencia disipada por R, PR, la potencia disipada por Rc, PRC, y η.
Figura E1.1.2
El ejercicio 1.1 permite llegar a una importante conclusión relativa a la Electrónica de Potencia. En efecto, la figura E1.1.2 muestra claramente como, para cualquier valor de I, la resistencia de control siempre disipa energía, provocando que el rendimiento de esta transferencia de energía siempre sea inferior a la unidad. Esto significa que existe un camino de potencia entre la entrada del sistema (fuente E) y la carga, R, del mismo. Dicho camino de potencia se forma entre los extremos de la resistencia RC, dado que la caída de tensión y la corriente circulante en este componente son magnitudes no nulas. El camino de potencia recorrido por el flujo de energía es un camino disipativo, perdiéndose una parte de la energía aportada por la fuente en forma de calor. Esta provoca que la solución adoptada en el enunciado no sea la adecuada desde una óptica de rendimiento.
1.1.3. Interruptores
Observando la figura E1.1.2, se constata que el órgano de control (la resistencia RC) siempre disipa energía, excepto en dos puntos:
Dicho de otra forma, se observa que se produce una ruptura en el camino de potencia si el órgano de control se comporta como un circuito abierto (RC = ∞) anulando la circulación de corriente, o dicho órgano de control se comporta como un cortocircuito (RC = 0) anulando la caída de tensión entre sus terminales.
En consecuencia, si se procura que el órgano de control trabaje, en todo momento, en uno de estos dos puntos, se conseguirá que el rendimiento sea óptimo. Dicho de otra manera, si como órgano de control se utiliza un interruptor ideal en lugar de una resistencia, el camino de potencia será no disipativo y, por tanto, la transferencia de energía de la fuente a la carga se realizará con mayor eficiencia. Véase el ejercicio 1.7.6.
Se entiende por interruptor ideal (figura 1.6) un componente que permite dos estados de funcionamiento tipo cortocircuito y tipo circuito abierto, funcionando, alternativamente,
