Generalmente, los "vampiros de la energía" evocan imágenes de cargadores que se dejan enchufados en las paredes sin nada que cargar o aparatos que simplemente quedan inactivos en lugar de quedar realmente apagados. Ambos gastan energía en su hogar, pero un vampiro mucho más sutil merodea en las funciones internas de estos dispositivos comunes y en los suministros de energía de todo el mundo. Este vampiro es viejo, pero continúa consuminedo la eficiencia de nuestros modernos diseños de energía simplemente porque ha sido usado siempre, y a menudo se desliza en un esquema como una idea de último momento.
Hoy, conquistamos al viejo.
Hoy, reclamamos nuestros vatios perdidos.
Hoy, cazamos al 1N5404.
Todos conocemos a este vampiro. El diodo rectificador y voluminoso, cargado de plomo, tentador por su coste que incluimos en diseños de protección de tensión inversa después el trabajo difícil esta hecho. Sabemos que funciona, indica claramente que puede llevar 3A y soportar más de 400V, y solo queremos la protección para nuestros suministros de energía downstream de máxima fiabilidad. ¿Por qué no usar lo que hemos usado siempre?
Porque lo que hemos usado siempre está paralizando nuestra eficiencia en un mundo donde cada milivatio cuenta.
La mayor parte de la protección de circuitos funciona de un modo que no afecta al circuito a menos que exista una condición de estrés. Un zener o condesador conectado a energía y a tierra no afecta a una tensión de CC dentro del rango de entrada, pero protege el circuito si una tensión transitoria o ruido de CA intenta entrar al sistema. En una operación normal, no se pierde energía. Un diodo rectificador se usa comúnmente para prevenir que la energía fluya al reves fuera del circuito en la la fuente de energía, y por lo tanto se inserta directamente en la línea principal que transporta la energía. Toda corriente que intente volver hacia el suministro queda bloqueada, pero incluso la corriente que fluya en la dirección correcta (hacia el circuito) debe pasar por este diodo. Aquí es donde el vampiro arcaico levanta su horrible cabeza recogiendo una cuota en cada microamperio que pasa.
Cómo cazar al vampiro - Un curso rápido
La energía perdida para calentar un diodo equivale a la corriente que fluye a través del diodo por la tensión desde el ánodo (extremo positivo) hasta el cátodo (extremo negativo). Esta tensión generalmente se denomina tensión directa o Vf. Usualmente, Vf se da a una corriente específica, porque a pesar de que los diodos son dispositivos no lineales, se comportan linealmente hasta cierto punto y Vf cambiará levemente dependiendo de la cantidad de corriente que fluya. Los requisitos de corriente de su circuito por lo general no son arbitrarios y no pueden ajustarse, por ello debemos minimizar la tensión directa del diodo para minimizar la energía perdida en la protección del circuito.
Punto cero
Exploremos nuestras opciones para cazar al vampiro de la eficiencia usando un circuito de ficción con números redondos. Digamos que queremos dar a nuestro circuito 1A a 5VDC. El diodo es la única protección que estamos usando en el circuito, y el circuito mismo no tiene pérdidas relevantes. Si el diodo fuera ideal, nuestra carga tendría que proveer solamente los 5W necesarios para el circuito, el diodo disiparía el 0W, y la eficiencia sería del 100%.
¿A qué nos estamos enfrentando? Si controlamos la hoja de datos de la familia de 1N540x Fairchild (de 1990) vemos que en una corriente de 1A, la Vf es de alrededor de 0,75V.
Potencia = Tensión * Corriente
Potencia = 0,75V * 1A
Potencia = 0,75W
Usando este diodo se agrega 750mW de calor a un sistema de 5W, lo que hace descender la eficiencia a un 87%. ¿Realmente vamos a tolerar un golpe de 13% de eficiencia proveniente de un solo componente?
Nivel de cazador: ajo
Más allá de ser vampiros maliciosos de la eficiencia, los diodos estándar de montaje de inserción ahora hacen parecer diminutos a la mayoría de componentes en el PCB típico. Los diodos más pequeños, de montaje superficial como el MBRD5H100T de ONSemi o el PDS5100 de Diodes INC. ofrecen una mejora en su rendimiento por encima de las versiones de inserción y pueden ejecutarse con un horno de soldadura por refusión en lugar de soldarse a mano. El MBRD5H100T tiene una Vf más baja de 0,47V a 1A. Aún disiparía casi la mitad de los vatios (470mW) pero esta mejora lleva la eficiencia del sistema hasta 91%. Generalmente, este es un conmutador inteligente basado solo en el tamaño d la placa y ahorros en el montaje; el toque extra en eficiencia es solo una bonificación.
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Nivel de cazador: bala de plata
En ocasiones, está bien si reinventamos un clásico. Si va a usar un diodo de inserción para una protección inversa, hágalo bien. El FSV2060L de la familia FSV de Fairchild 2015 de rectificadores de Vf ultra bajos requiere solamente 0,3V a 1A. Este diodo mejorado disiparía 300mW en nuestro sistema de ficción y llevaría la eficiencia del sistema hasta un 94%. ¡No está mal! Sin embargo, esta pieza con plomo no puede refluir soldada como un componente de montaje superficial, realizando la misma colocación adicional y con los costos de panel como el 1N5404 original.
Nivel de cazador: estaca atravesando el corazón
94% es una eficiencia perfectamente respetable y es lo que podemos obtener con una corriente 1A a ser entregada a través de un diodo. En muchos casos, es aquí hasta donde necesitamos llegar. Sin embargo, hay otro modo; otro modo que superará al 94%. Niños, no intenten esto en casa.
La tecnología de corriente alta MOSFET ha llevado la resistencia interna de FET a milliohms para que puedan actuar como interruptores casi perfectos. Los FET con canal P tienen un diodo de bloqueo interno desde el drenador hasta la fuente para impedir que la corriente fluya cuando el dispositivo no está polarizado. Para polarizar un dispositivo con canal P, la tensión de puerta debe caer por debajo de la tensión de fuente. Podemos explotar estos dos últimos hechos colocando un FET con canal P en nuestro circuito al revés con la puerta enlazada a tierra a través de una resistencia.
Si se conecta a la polaridad correcta, la puerta del FET se enlazará a tierra mientras que el diodo que actúa como conductor ahora lleva la tensión de la fuente hasta igualar a la de la fuga, polarizando al FET.
Si se conecta en la polaridad incorrecta, la tensión de fuente nunca caerá por debajo de la tensión de puerta, el dispositivo no estará nunca polarizado, y el circuito de salida estará seguro.
Una vez que el dispositivo esté polarizado, nuestro 1A de corriente queda inhibido solamente mediante la pequeña resistencia interna del FET. En el caso del IRLTS2242TRPBF de International Rectifier, este es solamente 25mOhm. Este método de protección solo quema 25mW de potencia en nuestro sistema de 5W, lo que nos da una eficiencia del sistema de más del 99%.
Vampiro: asesinado.