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Funcionamiento de Una Fuente d
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Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada VIII. Regulador de tensión
La última etapa de una fuente de alimentación conmutada es la que controla la regulación de tensión, también llamada retroalimentación (feedback), o amplificador de error.
El funcionamiento de esta etapa es muy básico, pero resulta bastante confuso por la forma de explicarlo en los libros de texto y datasheet de fabricantes.
Después de leer este artículo sabrás perfectamente cómo funciona esta etapa.
Si no has leído los artículos anteriores, te recomiendo que lo hagas, porque esta etapa se relaciona estrechamente con las anteriores.
Cómo funcionan las fuentes de alimentación conmutadas I
Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada II. Filtro EMC
Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada III. Rectificador y condensador
Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada IV. Corrección del factor de potencia
Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada V. Inverter
Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada VI. Transformador
Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada VII. Rectificador y filtro de salida
Por qué hay que regular la tensión en una fuente de alimentación conmutada
En las fuentes SMPS la tensión de salida depende de varios factores.
Cuando se conecta una carga que consume mucha corriente, la tensión de la fuente cae. Igualmente, cuando la carga disminuye, la tensión aumenta de nuevo.
Si la carga no es estable, como ocurre en la mayoría de aplicaciones, hay que mantener la tensión constante, para evitar problemas de funcionamiento y averías.
El regulador PWM del primario varía la anchura de los pulsos para cambiar la tensión de salida del transformador.
Esto quiere decir que en una fuente conmutada la tensión es variable.
En la mayoría de aplicaciones, la tensión de la fuente debe ser fija, y además muy estable, para que la tensión sea lo más exacta posible y no varíe en ningún momento.
Cómo se regula la tensión de salida de una fuente conmutada
En una fuente de alimentación lineal, la tensión de salida se regula mediante circuitos integrados estabilizadores de tensión, o diodos zener en aplicaciones más básicas.
En muchos circuitos no se requiere demasiada precisión, por lo que ni siquiera se usan componentes específicos.
La tensión de salida es la que entrega el transformador, una vez rectificada por los diodos y filtrada por el condensador.
En una fuente de alimentación conmutada no sirve este planteamiento, y se hace de una forma totalmente distinta.
La solución es muy básica. Se mide la tensión en la salida de la fuente y se varía la señal PWM para aumentarla o disminuirla según se requiera.
Es fácil decirlo, pero hacerlo es otra historia.
El principal problema es que el regulador PWM está en el primario, con tensiones de más de 300V, y queremos medir la tensión en el secundario, que suele ser de pocos voltios.
El transformador sirve como aislamiento de seguridad, por lo que no interesa conectar partes del primario con componentes del secundario, para mantener este aislamiento.
En este caso entra en juego el optoacoplador.
Qué es un optoacoplador
Un optoacoplador es un circuito integrado que contiene un diodo led y un fototransistor.
Cuando aplicamos tensión al led, éste se ilumina, activando el fototransistor que entra en conducción.
Ambos componentes “se ven pero no se tocan”, es decir que el led transmite luz al fototransistor, pero no hay contacto físico entre ellos.
Al estar los componentes aislados eléctricamente, los circuitos conectados en cada lado permanecen separados.
Fig. 1 – Símbolo del optoacoplador
Las corrientes que soporta un optoacoplador, tanto en el diodo como en el fototransistor son muy bajas, por lo que únicamente pueden manejar señales.
Para poder manejar cargas de cierta potencia, se debe conectar algún componente adicional.
El circuito integrado TL431
Aunque hay varias formas de regular la tensión en una fuente conmutada, la más habitual gira en torno a un componente: el TL431.
Fig. 2 – Circuito integrado TL431
Se trata de un circuito integrado que incorpora varios elementos.
Debido a su bajo coste y a su precisión, es el componente más habitual para esta aplicación.
Cada fabricante varía la referencia de sus componentes. Es habitual encontrar este componente con otros códigos, pero suelen coincidir en la numeración xxx431.
Internamente, el TL431 tiene tres elementos, representados a la derecha de la figura 2:
Un circuito de referencia de 2,5V. Siempre que entre los terminales K y A (figura 2) haya una tensión superior, esta parte del circuito generará 2,5V con una gran precisión y estabilidad ante los cambios de temperatura.
Un amplificador operacional, que cuando la tensión en el terminal REF es superior a 2,5V activa su salida.
Un transistor, que entra en conducción cuando el operacional entrega tensión a su base.
En definitiva, el integrado conecta los terminales K y A cuando en el terminal REF hay más de 2,5V.
Este modo de funcionamiento ha hecho que el TL431 sea conocido como “zener regulable“, aunque yo creo que este nombre provoca bastantes confusiones.
El símbolo que se suele utilizar en los esquemas es el de la izquierda de la figura 2. Se trata del símbolo de un diodo zener, al que se ha añadido el terminal REF.
Cómo funciona el circuito de regulación
Aunque en la práctica cada circuito tiene unos componentes distintos, es habitual seguir el siguiente esquema básico:
Fig. 3 – Conexión de los componentes de regulación de tensión
R2 y R3 actúan como un divisor de tensión. Si, por ejemplo, la tensión de salida de la fuente debe ser de 5V, R2 y R3 tendrán valores idénticos, para que en el pin REF la tensión sea igual a 2,5V.
Cuando la tensión entre + y – sea mayor de 5V, la tensión en REF también será mayor que 2,5V, por lo que el TL431 dejará pasar corriente a través de R1 y el led del optoacoplador.
El led se iluminará activando el fototransistor, que conectará a masa el terminal FB (feedback) del regulador PWM, que a su vez reducirá el ancho de los pulsos para disminuir la tensión de salida.
Cuando la tensión entre + y – caiga por debajo de 5V, y por lo tanto sea menor de 2,5V en REF, el TL431 dejará de conducir, el led se apagará, y el fototransistor desconectará la entrada FB de la masa.
En este caso, el regulador PWM aumentará el ancho de los pulsos hasta recibir una nueva señal del optoacoplador.
En definitiva, el regulador sabrá cuándo aumentar o disminuir la tensión, en función del estado del TL431.
El funcionamiento puede variar según el tipo de regulador PWM, por lo que debes consultar el datasheet del fabricante para ver las diferencias.
Las fuentes de alimentación de mayor calidad suelen tener una respuesta bastante rápida y efectiva ante los cambios de tensión provocados por variaciones bruscas de la carga.
Esto se consigue utilizando el modelo adecuado de regulador PWM, además de varios componentes adicionales, normalmente resistencias y condensadores cerca del TL431. También es fácil encontrar algún diodo zener.
Averías en la sección de feedback
No es muy frecuente que fallen estos componentes, puesto que reciben señales muy pequeñas.
Para localizar la avería, lo mejor es medir los componentes uno a uno.
Si hay tensión en la salida +, se pueden seguir las señales con un osciloscopio.
Ten mucho cuidado a la hora de medir con el osciloscopio, porque no puedes conectar la masa del primario con la del secundario.
Además, los osciloscopios de sobremesa tienen la masa de la sonda unida a la toma de tierra de la red.
Te toca a ti
Espero que esta explicación te haya resultado útil. Si es así, una vez más te pido que la compartas en tus redes sociales, además de dejar tu comentario más abajo.
Si todavía no estás suscrito (¿en serio?) hazlo cuanto antes para no perderte más información de este tipo.
En el próximo artículo te daré más información importante sobre las fuentes conmutadas, así que no te lo pierdas:
Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada IX. Funciones adicionales
- See more at: http://fidestec.com/blog/fuentes-de-alimentacion-conmutadas-08/#sthash.txJZIYUs.dpuf
http://fidestec.com/blog/fuentes-de-alimentacion-conmutadas-08/´+
Fuente conmutada
Una fuente conmutada es un dispositivo electrónico que transforma energía
eléctrica mediante transistores en conmutación. Mientras que un regulador de tensión utiliza
transistores polarizados en su región activa de amplificación, las fuentes conmutadas utilizan
los mismos conmutándolos activamente a altas frecuencias (20-100 kilociclos típicamente)
entre corte (abiertos) y saturación (cerrados).
La forma de onda cuadrada resultante es aplicada a transformadores con núcleo de ferrita (los
núcleos de hierro no son adecuados para estas altas frecuencias porque tienen muchas
pérdidas debido a corrientes de Foucault y sobre todo por las grandes pérdidas por histéresis;
hay que recordar que una curva de saturación normal de acero cocido corresponde a un
material con característica dura y alta densidad de flujo) para obtener uno o varios voltajes de
salida de corriente alterna (CA) que luego son rectificados (con diodos rápidos) y filtrados
(inductores y condensadores) para obtener los voltajes de salida de corriente continua (CC).
Las ventajas de este método incluyen menor tamaño y peso del núcleo, mayor eficiencia y por
lo tanto menor calentamiento. Las desventajas comparándolas con fuentes lineales es que
son más complejas y generan ruido eléctrico de alta frecuencia que debe ser cuidadosamente
minimizado para no causar interferencias a equipos próximos a estas fuentes.
Índice
[ocultar]
1 Clasificación
2 Comparación entre Fuentes de alimentación conmutadas y lineales
3 Topologías
4 Referencia
5 Enlaces externos
Clasificación[editar]
Las fuentes conmutadas pueden ser clasificadas en cuatro tipos:
alimentación CA, salida CC: rectificador, conmutador, transformador, rectificador de salida,
filtro.
(Ej.: fuente de alimentación de ordenador de mesa)
alimentación CA, salida CA: variador de frecuencia, conversor de frecuencia.
(Ej.: variador de motor)
alimentación CC, salida CA: inversor
(Ej.: generar 220 v/50 ciclos a partir de una batería de 12 v)
alimentación CC, salida CC: conversor de voltaje o de corriente.
(Ej.: cargador de baterías de celulares para auto)
Esquema de una fuente conmutada de un PC
Comparación entre Fuentes de alimentación conmutadas y lineales[editar]
Hay dos tipos principales de fuentes de alimentación reguladas disponibles:
conmutadas y lineales. Las razones por las cuales elegir un tipo o el otro se
pueden resumir como sigue.
Tamaño y peso – las fuentes de alimentación lineales utilizan un
transformador funcionando a la frecuencia de 50 o 60 Hz. Este
transformador de baja frecuencia es varias veces más grande y más
pesado que un transformador correspondiente de fuente conmutada, el
cual funciona en frecuencias típicas de 50 KHz a 1 MHz. La tendencia de
diseño es de utilizar frecuencias cada vez más altas mientras los
transistores lo permitan para disminuir el tamaño de los componentes
pasivos (condensadores, inductores,transformadores).
Voltaje de la salida – las fuentes de alimentación lineales regulan la
salida usando un voltaje más alto en las etapas previas y luego disipando
energía como calor para producir un voltaje más bajo, regulado. Esta
caída de voltaje es necesaria y no puede ser eliminada mejorando el
diseño. Las fuentes conmutadas pueden producir voltajes de salida que
son más bajos que el voltaje de entrada, más altos que el voltaje e incluso
inversos al voltaje de entrada, haciéndolos versátiles y mejor adaptables
a voltajes de entrada variables.
Eficiencia, calor, y energía disipada - Una fuente lineal regula el voltaje
o la corriente de la salida disipando el exceso de energía como calor, lo
cual es ineficaz. Una fuente conmutada usa la señal de control para variar
el ancho de pulso, tomando de la alimentación solamente la energía
requerida por la carga. En todas las topologías de fuentes conmutadas,
se apagan y se encienden los transistores completamente. Así,
idealmente, las fuentes conmutadas son 100 % eficientes. El único calor
generado se da por las características no ideales de los componentes.
Pérdidas en la conmutación en los transistores, resistencia directa de los
transistores saturados, resistencia serie equivalente en el inductor y los
condensadores, y la caída de voltaje por el rectificador bajan la eficiencia.
Sin embargo, optimizando el diseño, la cantidad de energía disipada y
calor pueden ser reducidos al mínimo. Un buen diseño puede tener una
eficiencia de conversión de 95 %. Típicamente 75-85 % en fuentes de
entre 10-50 W. Las fuentes conmutadas más eficientes utilizan
rectificación síncrona (transistores Mosfet saturados durante el semiciclo
adecuado reemplazando diodos).
Complejidad - un regulador lineal consiste en última instancia en un
transistor de potencia, un CI de regulación de voltaje y un condensador
de filtro de ruido. En cambio una fuente conmutada contiene típicamente
un CI regulador, uno o varios transistores y diodos de potencia como así
también un transformador, inductores, y condensadores de filtro. Múltiples
voltajes se pueden generar a partir del mismo núcleo de transformador.
Para ello se utiliza el control por ancho de pulso de entrada aunque las
diferentes salidas pueden tener dificultades para la regulación de carga.
Ambos necesitan una selección cuidadosa de sus transformadores. En
las fuentes conmutadas debido al funcionamiento a altas frecuencias las
pérdidas en las pistas del circuito impreso por inductancia de perdida y
las capacidades parásitas llegan a ser importantes.
Interferencia por radiofrecuencia - La corriente en las fuentes
conmutadas tiene cambios abruptos, y contiene una proporción grande de
componentes espectrales de alta frecuencia. Cables o pistas largas entre
los componentes pueden reducir la eficacia de alta frecuencia de los
filtros a condensadores en la entrada y salida. Esta corriente de alta
frecuencia puede generar interferencia electromagnética indeseable.
Filtros EMI y blindajes de RF son necesarios para reducir la interferencia.
Las fuentes de alimentación lineales no producen generalmente
interferencia, y se utilizan para proveer de energía donde la interferencia
de radio no debe ocurrir.
Ruido electrónico en los terminales de salida de fuentes de alimentación
lineales baratas con pobre regulación se puede experimentar un voltaje
de CA pequeño “montado” sobre la CC de dos veces la frecuencia de
alimentación (100/120 ciclos). Esta “ondulación” (ripple en inglés) está
generalmente en el orden de varios milivoltios, y puede ser suprimida con
condensadores de filtro más grandes o mejores reguladores de voltaje.
Este voltaje de CA pequeño puede causar problemas o interferencias en
algunos circuitos; por ejemplo, cámaras fotográficas análogas de
seguridad alimentadas con este tipo de fuentes pueden tener la
modulación indeseada del brillo y distorsiones en el sonido que produce
zumbido audible. Las fuentes de alimentación lineales de calidad
suprimirán la ondulación mucho mejor. En cambio las fuentes
conmutadas no exhiben generalmente la ondulación en la frecuencia de
la alimentación, sino salidas generalmente más ruidosas a altas
frecuencias. El ruido está generalmente relacionado con la frecuencia de
la conmutación.
Ruido acústico - Las fuentes de alimentación lineales emiten típicamente
un zumbido débil, en la baja frecuencia de alimentación, pero ésta es
raramente audible (la vibración de las bobinas y las chapas del núcleo del
transformador suelen ser las causas). Las Fuentes conmutadas con su
funcionamiento mucho más alto en frecuencia, no son generalmente
audibles por los seres humanos (a menos que tengan un ventilador, como
en la mayoría de las computadoras personales). El funcionamiento
incorrecto de las fuentes conmutadas puede generar sonidos agudos, ya
que genera ruido acústico en frecuencia subarmónico del oscilador.
Factor de potencia las fuentes lineales tienen bajo factor de potencia
porque la energía es obtenida en los picos de voltaje de la línea de
alimentación. La corriente en las fuentes conmutadas simples no sigue la
forma de onda del voltaje, sino que en forma similar a las fuentes lineales
la energía es obtenida solo de la parte más alta de la onda sinusoidal, por
lo que su uso cada vez más frecuente en computadoras personales y
lámparas fluorescentes se constituyó en un problema creciente para la
distribución de energía. Existen fuentes conmutadas con una etapa previa
de corrección del factor de potencia que reduce en gran medida este
problema y son de uso obligatorio en algunos países particularmente
europeos a partir de determinadas potencias.
Ruido eléctrico sobre la línea de la alimentación principal puede
aparecer ruido electrónico de conmutación que puede causar
interferencia con equipos de A/V conectados en la misma fase. Las
fuentes de alimentación lineales raramente presentan este efecto. Las
fuentes conmutadas bien diseñadas poseen filtros a la entrada que
minimizan la interferencia causada en la línea de alimentación principal.
Topologías[editar]
Las fuentes conmutadas existen en diferentes topologías con características
particulares en cada una
Topologí
a
Pote
ncia
(W)
Efici
encia
(típic
a)
Cos
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rela
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25075% 1.2 5-500 Si
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mador +
inductor
Forward Si
Transfor
mador +
inductor
Salidas
Múltiples
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100072% 1.75
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1000Si
Semipue 0– 72% 1.9 50– Si
nte Half-
bridge500 1000
Puente H
completo
400–
200069% >2.0
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conmuta
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cruce por
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inductor
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No Conden
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tensión
se
utilizan
para
generar
muy
altas
tensione
s.
1
Referencia[editar]
1. Volver arriba ↑ ON Semiconductor SMPS Power Supply Design Manual, 071104
https://es.wikipedia.org/wiki/Fuente_conmutada
Fuentes conmutada
INTRODUCCIÓN
Hoy en día la mayoría de los equipos de aficionados utilizan alimentaciones de 12 o 13,8V.
El avance de la tecnología ha llevado también a que estos equipos cuenten con un alto grado de sofisticación y por lo tanto sean muy sensibles a sobretensiones, cambios bruscos o ruido en las tensiones de alimentación. Esto ha hecho imprescindible el empleo de fuentes de alimentación reguladas que garanticen la estabilidad de la tensión que ingresa al equipo.
Por otra parte, para poder lograr potencias de salida del orden de los 100 Wats con las bajas tensiones requeridas por los transistores actuales (12 Volts) se requieren altas corrientes de alimentación (20 Amperes o más). Esto nos obliga a tomar determinadas precauciones (cables gruesos, bornes grandes, etc.) e impone un fuerte desafío en el diseño de las fuentes reguladas incrementando su costo.
Tal vez sea por estos motivos que la construcción casera de fuentes de alimentación reguladas no sea una práctica común entre los radioaficionados. Sin embargo la tecnología de las computadoras personales, y la gran reducción de costos que se ha venido observando en sus componentes, nos permite hoy armar en casa una fuente de alimentación regulada de características muy superiores a otras que se encuentran en el mercado a sólo una fracción del costo de una fuente comercial.
OBJETIVO GENERAL
Diferenciar entre una fuente común y una conmutada
Identificar las aplicaciones de una fuente conmutada tanto dentro como fuera de la industria
Conocer la perspectiva a corto, mediano y largo plazo de las fuentes conmutadas
OBJETIVO PARTICULAR
Conocer las características principales de una fuente conmutada
Identificar los componentes de una fuente conmutada
Diseñar una fuente conmutada
Conocer los procedimientos matemáticos para el diseño de una fuente conmutada
Marco histórico
Remontándonos un poco en la historia describiremos que en la industria no se contaba con equipos eléctricos, luego se empezaron a introducir dispositivos eléctricos no muy sofisticados por lo que no eran muy sensibles a sobretensiones, luego llegaron los equipo más modernos que necesitaban de bajos voltajes por lo que se inicio la construcción de fuentes de alimentación que proporcionaran el voltaje suficiente de estos dispositivos. La tecnología avanzo, claro mejores equipos para la industria y el hogar pero esto contribuyo a que los dispositivos electrónicos fueran más sensibles a sobretensiones por lo que sé tubo que diseñar fuentes reguladas que garanticen el voltaje necesario para el buen funcionamiento de estos dispositivos.
principales limitaciones
En la biblioteca de la escuela no se tiene la información adecuada acerca del tema, por lo que fue necesario buscar la información en el tecnológico.
En Internet la búsqueda se dificulto ya que solo se encontraba información de fuentes conmutadas de las tiendas que venden este producto, también se encontraba únicamente temarios de tecnológicos y universidades pero solamente eso “temarios”.
Los compañeros se negaban y con mucha razón a pasar información.
CONFIGURACIONES BÁSICAS:
Las fuentes conmutadas son de circuitos relativamente complejos, pero podemos siempre diferenciar cuatro bloques constructivos básicos:
En el primer bloque rectificamos y filtramos la tensión alterna de entrada convirtiéndola en una continua pulsante. El segundo bloque se encarga de convertir esa continua en una onda cuadrada de alta frecuencia (10 a 200 kHz.), La cual es aplicada a una bobina o al primario de un transformador. Luego el segundo bloque rectifica y filtra la salida de alta frecuencia del bloque anterior, entregando así una continua pura.
El cuarto bloque se encarga de comandar la oscilación del segundo bloque. Este bloque consiste de un oscilador de frecuencia fija, una tensión de referencia, un comparador de tensión y un modulador de ancho de pulso (PWM). El modulador recibe el pulso del oscilador y modifica su ciclo de trabajo según la señal del comparador, el cual coteja la tensión contínua de salida del tercer bloque con la tensión de referencia. Aclaración: ciclo de trabajo es la relación entre el estado de encendido y el estado de apagado de una onda cuadrada.
En la mayoría de los circuitos de fuentes conmutadas encontraremos el primer y el cuarto bloque como elementos invariables, en cambio el cuarto y en segundo tendrán diferentes tipos de configuraciones. A veces el cuarto bloque será hecho con integrados y otras veces nos encontraremos con circuitos totalmente transistorizados.
El segundo bloque es realmente el alma de la fuente y tendrá configuraciones básicas: BUCK , BOOST, BUCK-BOOST.
Buck: el circuito interrumpe la alimentación y provee una onda cuadrada de ancho de pulso variable a un simple filtro LC. La tensión aproximada es Vout = Vin * ciclo de trabajo y la regulación se ejecuta mediante la simple variación del ciclo de trabajo. En la mayoría de los casos esta regulación es suficiente y sólo se deberá ajustar levemente la relación de vueltas en el transformador para compensar las pérdidas por acción resistiva, la caída en los diodos y la tensión de saturación de los transistores de conmutación.
Boost: el funcionamiento es más complejo. Mientras el Buck almacena la energía en una bobina y éste entrega la energía almacenada más la tensión de alimentación a la carga.
Buck-Boost: los sistemas conocidos como Flyback son una evolución de los sistemas anteriores y la diferencia fundamental es que éste entrada a la carga sólo la energía almacenada en la inductancia. El verdadero sistema Boost sólo puede regular siendo Vout mayor que Vin, mientras que el Flyback puede regular siendo menor o mayor la tensión de salida que la de entrada.
En el análisis de los sistemas Boost comenzamos por saber que la energía que se almacena en la inductancia es entregada como una cantidad fija de potencia a la carga: Po = ( L I² fo) / 2 ; I es la corriente de pico en la bobina, fo es la frecuencia de trabajo, L es el valor de la inductancia. Este sistema entrega siempre una cantidad fija de potencia a la carga sin fijarse en la impedancia de la carga, por eso es que el Boost es muy usado en sistemas de flash fotográficos o en sistemas de ignición del automotor para recargar la carga capacitiva, también es usado como un muy buen cargador de baterías. Pero cuando necesitamos alimentar un sistema electrónico con carga resistiva debemos conocer muy bien el valor de resistencia para poder calcular el valor de la tensión de salida: Vo = ( Po.Rl )^½ = I ( ½ L fo Rl )^½, donde Rl es el valor de resistencia del circuito. En este caso la corriente de la bobina es proporcional al tiempo de conectado o al ciclo de trabajo del conmutador y la regulación para cargas fijas se realiza por variación del ciclo de trabajo.
CONFIGURACIONES BÁSICAS RECOMENDADAS
Las configuraciones más recomendadas por los fabricantes se diferencian en potencia, modo, precio, utilidad y calidad. Son muy comunes las siguientes configuraciones:
CIRCUITO - POTENCIA
Convertidores DC (Buck) - 5 Watts
Flyback - 50 Watts
Forward (Boost) - 100 Watts
Half-Bridge - 200 Watts
Full-Bridge - 500 Watts
FLYBACK Y FORWARD (BOOST):
Rango desde 50 hasta 250 vatios.
Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%
Eficiencia del convertidor: h = 80%
Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.4
Máx. corriente de trabajo en el transistor:
Iw = 2 Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 5.5 Pout / Vin (FLYBACK)
Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 2.25 Pout / Vin (FORWARD)
Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = 2 Vin(max) 1.41 + tensión de protección
Configuración básica:
En el regulador flyback se puede variar sutilmente el modo de trabajo, contínuo o discontinuo.
Modo Discontínuo: es el modo Boost estrictamente, donde la energía se vacía completamente del inductor antes de que el transistor vuelva a encenderse.
Modo Contínuo: antes que la bobina se vacié enciende nuevamente el transistor. La ventaja de este modo radica en que el transistor sólo necesita conmutar la mitad de un gran pico de corriente para entregar la misma potencia a la carga.
El regulador Forward difiere del Flyback en que agrega un diodo más para ser usado como diodo de libre rodado en el filtro LC y un devanado más en el transformador para lograr el
reestablecimiento. Gracias a todo esto puede entregar potencia a la carga mientras el transistor está encendido. El ciclo de trabajo no puede superar el 50%.
PUSH-PULL:
Rango desde 100 hasta 500 vatios.
Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%
Eficiencia del convertidor: h = 80%
Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8
Máx. corriente de trabajo en el transistor:
Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 1.4 Pout / Vin (FORWARD)
Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = 2 Vin(max) 1.41 + tensión de protección
Configuración básica:
HALF-BRIDGE:
Rango desde 100 hasta 500 vatios.
Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%
Eficiencia del convertidor: h = 80%
Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8
Máx. corriente de trabajo en el transistor:
Iw = 2 Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 2.8 Pout / Vin (FORWARD)
Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = Vin(max) 1.41 + tensión de protección
Configuración básica:
Opcionalmente agregando un capacitor de acoplamiento:
FULL-BRIDGE:
Rango desde 500 hasta 1000 vatios.
Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%
Eficiencia del convertidor: h = 80%
Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8
Máx. corriente de trabajo en el transistor:
Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 1.4 Pout / Vin (FORWARD)
Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = Vin(max) 1.41 + tensión de protección
Configuración básica:
Fuentes conmutadas vs. fuentes lineales
Básicamente existen dos formas de realizar una fuente de alimentación regulada.
Una de ellas consiste en hacer una fuente que entregue mayor tensión de la requerida a la salida. Entre la fuente y la carga se coloca un dispositivo regulador que no hace otra cosa que disminuir la tensión de la fuente hasta un valor deseado manteniéndolo constante. Para lograr esto, se utilizan transistores que trabajan como resistencias variables. De esta manera, parte de la potencia de la fuente llega a la carga y parte se transforma en calor que se disipa luego en el aire.
A estos dispositivos se los denomina reguladores lineales y se caracterizan por generar bastante calor para potencias medianas y altas (figura 1).
Otro tipo de reguladores son capaces de tomar de la fuente sólo la potencia que la carga requiere. De esta manera, prácticamente no hay potencia disipada en forma de calor y por ello su eficiencia es mucho mayor.
El principio de funcionamiento de estos reguladores consiste en transformar la tensión continua de la fuente en una serie de pulsos que tienen un ancho determinado. Estos pulsos son luego integrados y transformados nuevamente en una tensión continua. Variando el ancho de los pulsos es posible controlar la tensión de salida. A los reguladores que emplean este principio se los denomina reguladores conmutados (figura 2).
Como podrán imaginar la complejidad circuital de los reguladores conmutados había relegado su uso, hasta no hace mucho tiempo, al campo de las altas potencias o aplicaciones especiales. Sin embargo ahora se cuenta con circuitos integrados que facilitan y reducen los costos de este tipo de reguladores con lo cual su uso se ha extendido enormemente en los últimos años.
Fuentes de alimentación para PCs
Toda PC actual cuenta con una fuente de alimentación regulada conmutada de gran calidad y rendimiento.
Estas fuentes, se pueden obtener como un componente separado en los negocios del ramo. Existen distintas versiones que proporcionan distintas potencias de salida siendo las más usuales las de 200 y 250 Wats.
Cada fuente cuenta con conectores para el cable de entrada de 220V o 110V y un ventilador. Todo en una pequeña cajita metálica con abundantes orificios de ventilación.
Estas fuentes son en realidad fuentes conmutadas que utilizan un muy conocido circuito integrado especialmente diseñado para este fin, el TL494. Gracias a este integrado, se pueden hacer fuentes conmutadas a un bajo costo ya que en él están presentes todos los circuitos de control necesarios y sólo es necesario agregar algunos componentes pasivos (resistencias y capacitores) y transistores de potencia.
Diseño de una fuente conmutada
MATERIAL:
1 UA78S40PC 1 CAPACITOR 4.7n Fd. 1 CAPACITOR 100u Fd. 1 BOBINA DE 32u hy. 1 RESISTOR 1.2k, 101, 0.1, 1, 47ohms. 1 POTENCIOMETRO. 1 DIODO de 8 AMP.
DESARROLLO:
Para el desarrollo de está práctica nos basamos en el convertidor de dc-dc de subida, el voltaje de entrada es de 12 volts y a la salida tenemos 24 volts de dc. para el cálculo de esta práctica nos basamos en las fórmulas de diseño en las hojas de especificación del circuito 78s40 de motorola.
ahora mostramos el diseño con estas formulas:
Datos:
VS=Vin=12. Vout= 24 Iout=1 amp. Vripple= 1% = voltaje rizo.
ton=1.1471toff ton>=10us ; toff>=10us. (ton+toff)<=50us. toff=10us. CT=45x10-5x toff =45 x10-5 x10us= 4.5nFd aprox. 4.7nFd. por lo tanto : ton=10.44us x 1.1471 = 11.98us
Se decidió poner un capacitor de 100ufd. a 63 volts.
R1+R2=24Kohms
R1= Potenciometro de 25K.
con estos valores de resistores, capacitores y bobina se procedió al armado del convertidor. cabe señalar que para la construcción de la bobina se uso un toroide. aquí mostramos el circuito terminado:
MEDICIONES:
Se midió el voltaje rizo y fue de : .525 volts que se aproxima a nuestros valores de cálculo, también se puso a la salida 2 focos, se midió la corriente y fue de .95 amp, y el voltaje de salida fue de 23.9 volts este valor se acerco mucho al calculado. Se pusieron distintas cargas, para valores de impedancia que no pidieran más corriente mayor a 1 ampere el voltaje se mantenía constante, pero al pedirle más corriente el voltaje de salida se caía, como era lo pensado. por lo general el convertidor funciono correctamente en los rangos aceptables.
REGULADORES CON CONMUTACIÓN EN EL PRIMARIO.
En la figura 1.6 muestra el circuito básico de un regulador con conmutación en el primario. La tensión de la red es rectificada directamente por medio de un puente de diodos. Los condensadores alisadores conectados en serie C1, C2, tienen entonces cada uno una tensión de 150 V. Con los transistores conmutadores, T1 y T2, las tensiones
U1 +150 V, si T1 conduce
-150 V, si T2 conduce
pueden ser aplicadas alternativamente al arrollamiento primario del transformador de alta frecuencia. El primario esta conectado al rectificador de red de tal manera que por el no circula corriente continua. Esto evita que el transformador se sature si los tiempos de conducción de T1 y T2 no son iguales.
figura 1.6 circuito básico de un regulador de conmutación del primario.
La tensión alterna del secundario del transformador es rectificada por un circuito puente. Esta conexión particular es preferible para este tipo de regulador ya que en un instante cualquiera sólo hay un diodo que produce perdidas. Él arrollamiento secundario adicional normalmente evitado en funcionamiento a 50 Hz no representa dificultades en la operación de alta frecuencia. Estos aspectos son particularmente importantes para generar pequeñas tensiones de salida, ya que los diodos D1 y D2 son la principal causa de perdida. Para mantener en el mínimo las perdidas estática y dinámica se recomienda utilizar diodos de potencia Schottky, por ejemplo los tipos MBR3520....MBR7545 de motorota.
De la misma manera que para el regulador con conmutación en el secundario, el aislamiento de la tensión de salida se obtiene por medio de un elemento LC.
La unidad de control es en principio idéntica a la del regulador con conmutación en el secundario. Sin embargo, se requiere un circuito exitador adicional para distribuir la señal de conducción al transistor conmutador apropiado. Como los transistores están conectados al primario del transformador y el circuito exitador tiene una unidad de control para el secundario, los transistores deben estar aislados del circuito exitador. Para la transmisión de impulsos de u optoacopladores.
Con el fin de que la disipación de potencia de los transistores conmutadores pueda ser pequeña, deben ser conmutados en conexión y desconexión tan rápidamente como sea posible y nunca deben estar conduciendo simultáneamente. Con el diseño optimo se pueden obtener rendimientos de más del 80%. La unidad de control se puede adquirir como circuito integrado.
La disipación descrita también puede ser directamente alimentada por una tensión de c.c, en lugar de por una tensión de c.a, rectificada. Funciona como transformador de tensión de c.c, altamente eficiente (convertidor c.c./c.c.).
REGULADORES CON CONMUTACIÓN EN EL SECUNDARIO.
En la figura 1.7 muestra el circuito básico de un regulador con conmutación en el secundario (el regulador reductor). El transistor T1 es periódicamente puesto en estado de corte y en estado de saturación con una frecuencia de 20 kHz aproximadamente. El diodo D evita que sean inducidas altas tensiones en la reactancia durante la puesta en el corte del transistor ya que mantiene el flujo de corriente en la reactancia. Así, durante el tiempo de corte, no solo el condensador sino también la reactancia contribuyen a la corriente de salida, y de esta manera sé obtiene una tensión de salida bien aislada sin perdida de potencia.
figura 1.7 circuito básico de un regulador de conmutación del secundario.
figura 1.8 diagrama de bloques de la unidad de control.
En la figura 1.8 esta representado el diagrama de bloques de la unidad de control. El controlador compara la tensión de salida con la tensión de referencia. Si la tensión de salida es demasiado pequeña el ciclo de servicio ton/T de la tensión de control Vc es aumentado por el modulador. La frecuencia, f = 1 / T, de la tensión de control permanece constante en este proceso. Esta determinada por el oscilador.
Para el diseño del regulador de conmutación debemos determinar inicialmente la dependencia de la corriente de la bobina de reactancia con respecto al tiempo. Para empezar suponemos que el condensador es infinitamente grande para que la ondulación de la tensión de salida sea cero.
La ley de Farad ay de la inducción de la expresión
UL = L*d/L
dt
CONCLUSIÓN
Este trabajo proporciono las características de las fuentes conmutadas, su funcionamiento, diseño, construcción, aplicaciones. También nos señalo las principales diferencias entre una fuente conmutada y una fuente común. Indico la utilidad y eficacia de una fuente conmutada.
BIBLIOGRAFÍA
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