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Fuentes de alimentación
Lineales y conmutadas
FICHA DE
ALIMENTACIÓN
FUSIBLE
TRANSFORMADOR RECTIFICADOR
FILTRO
REGULADOR
CARGA
INDICADOR
DE NIVEL
DE
TENSION
DE SALIDA
INDICADOR
DE
ENCENDIDO
Fuente de alimentación lineal
Diagrama en bloques
Fuente no regulada ni estabilizada
Fuente regulada y estabilizada
Convertidor de corriente alterna en continua:
• Una fuente de alimentación simple consiste en transformador, un rectificador y un filtro, conectado a la red de distribución eléctrica domiciliaria.
• El siguiente esquema ilustra el circuito típico:
• ¡Explicar las ventajas y desventajas entre ambos!
Fuente de tensión básica
i
Funcionamiento del rectificador
i
Tensiones en el rectificador y la carga
Tensión sobre el secundario del transformador
Tensión sobre la
carga
Caída de tensión en los diodos
Intervalo de no conducción de los diodos
El filtrado se logra con el agregado de un capacitor
Con éste circuito se obtiene una tensión media de 7,5V en la carga a partir de una tensión nominal de línea de 220V 50Hz, con una tensión en el bobinado secundario del transformador de 10V pico
Tensiones y corrientes en el rectificador, filtro y carga
7,5A
22A
7V 8V
0,75V
-8,5V
Tensión media sobre la carga = 7,5V
Co
rrie
nte
en
D1
Te
nsi
ón
de
salid
a Te
nsi
ón
en
tra
nsf
orm
ado
r Te
nsi
ón
en
D1
Corriente media en la carga = 1,5A
Tensión de salida con 240V de entrada y carga al 1%
9,8V
Tensión de salida con 220V de entrada y carga al 50%
7,9V
Tensión de salida con 200V de entrada y carga al 100%
6,3V
Factor de Rizado:
Factor de rizado (en adelante ripple):
cd
car
V
VF
El cálculo del factor de ripple se realiza en forma aproximada
asumiendo:
• Resistencia interna del transformador muy baja
• Tiempo de carga del capacitor despreciable
• Resistencia de carga constante
• El capacitor se descarga linealmente sobre la resistencia de carga durante un semiperiodo del ciclo de la tensión de entrada
• La forma de onda del ripple se puede aproximar a una triangular
Luego de comprender el funcionamiento del circuito, definimos:
rppV
0
cdV
t
SALIDAV
2/T
2/
0
1T
C idtC
vrppV
2/T fRC
VT
R
V
CVrpp
22
1
aplicando para la descarga de C
se obtiene
La tensión de salida media es
fRCV
fRC
VV
VVV
rpp
cd4
11
42
La tensión eficaz de ripple es
fRC
VVV
rpp
ca3432
El factor de ripple resulta
143
1
fRCV
VF
cd
car
Lo que permite estimar el valor de C como
1
3
1
4
1
rFfRC
Ejemplo
Tensión de salida del transformador = 18 V Tensión media sobre la carga = 22 V Tensión eficaz de ripple = 0,7 V C = 100 µF R = 800 Ω
Resultando un factor de ripple medido de: Con los datos se utiliza la fórmula aproximada resultando:
038,0143
1
fRCFr
032,022
7,0
V
V
V
VF
cd
car
Se midió en una fuente real los siguientes valores:
El regulador serie elemental
El regulador serie es un amplificador de potencia con salida clase A y realimentación serie paralelo
2
10
1011BEREFSAL VV
R
RRV
Regulación
El regulador logrará mantener la tensión de salida con una variación acotada en función de la variación de la corriente en la carga
SALV
SALI
SALΔI
SALΔV
t
t
Modificando el circuito de entrada se obtiene mejor rechazo de modo común
El regulador serie diferencial
REFSAL VR
RRV
10
1011
El regulador serie diferencial con fuentes de corriente
REFSAL VR
RRV
10
1011
El regulador serie diferencial con fuentes de corriente darlington de salida
REFSAL VR
RRV
10
1011
El regulador serie diferencial con fuentes de corriente darlington de salida y VREF variable
REFSAL VRR
R
R
RRV
21
2
10
1011
El regulador serie diferencial con fuentes de corriente darlington de salida y VREF variable, más protección por limitación de corriente
VSAL
ISAL
1
3
4POL
BEMAX I
R
VI
Limitador de corriente
VSAL
ISAL
IMAX
VSAL+ RSIC IC
S
BEMAX
R
VI
VSAL
Limitador de corriente por foldback
VSAL
ISAL
IMAX ICC
VSAL+ RSIC IC
VSAL
1RRSBE VVV notar que VR1 varía con VSAL
Para la corriente ICM debe ser VRS>VR1 de manera que:
VVVV RRSBE 7,01
Resolviendo la maya se tiene:
21
1
RR
RIRVIRV CSSALCSBE
Desarrollando:
2
121
RR
VRVRRI
S
SALBEC
En caso de cortocircuito VSAL = 0 y resulta:
2
11R
R
R
VI
S
BECC
Al liberar el cortocircuito se normaliza todo
A partir de:
Regulador de tensión integrado
Estudiaremos el circuito integrado regulador de tensión 723 debido a que es muy similar a los ejemplos vistos
Característcas principales
• Reúne todas las partes vitales de un regulador de tensión
• Permite diseñar fuentes de tensión desde 2 a 37 V
• Se puede programar el limitador de corriente
• Tensión de entrada máxima de 40 V
• Corriente máxima de salida de 150 mA
Diagrama en bloques del regulador 723
Conexionado para tensión de salida ≥ VREF
Conexionado para tensión de salida ≤ VREF
Conexionado para tensión de salida de 2 a 37 V
Características eléctricas del 723
TDB0723
LM723
TRANSFORMADOR RECTIFICADOR
FILTRO
REGULADOR
CARGA
Fuente de alimentación con regulador conmutado
Diagrama en bloques
Fuente no regulada ni estabilizada
Fuente regulada y estabilizada
FICHA DE
ALIMENTACIÓN
INDICADOR
DE
ENCENDIDO
INDICADOR
DE NIVEL
DE
TENSION
DE SALIDA
FUSIBLE
Eficiencia
• El regulador lineal es de baja eficiencia pues toda la corriente de la carga lo atraviesa pero con una gran caída de tensión, por lo que se desperdicia mucha energía que se transforma en calor
• El regulador conmutado construído con elementos reactivos como capacitores, inductores y llaves conmutadoras de dos estados no genera pérdida de energía por disipación de calor
Eficiencia en regulador lineal
E
S
SE
SS
E
C
V
V
IV
IV
P
P
.
.
CIRCUITO DE
CONTROL
Ƞ disminuye con la caída de tensión entre entrada y salida
max
VE
VS
1E
C
P
P
CIRCUITO DE
CONTROL
Ƞ = 100 % por no contener elementos disipativos
Eficiencia en regulador conmutado
Ejemplos de reguladores conmutados en la placa madre de una PC
Sector fuentes de alimentación auxiliares de la placa madre de una PC
Fuente de alimentación principal de una PC de 400W
Fuentes de alimentación conmutada de baja potencia
Esquema eléctrico de una fuente conmutada para reproductor de DVD
Principio de funcionamiento del regulador conmutado
L
tVII L
INICIALL
L
ΔtVVII 1SE
MINMAX
Determinación de la tensión de salida VS
L
ΔtVII 2S
MAXMIN
Llave 1 cerrada – llave 2 abierta
Llave 2 cerrada – llave 1 abierta
Asumimos que C es lo suficientemente grande como para mantener la tensión de salida constante durante Δt1 y Δt2 (VS = estable se logrará por realimentación)
1 2
IL
ILMAX
ILMIN
IS
Δt1 Δt2 t
1 2
Δt1 Δt2
12 tVVtV SES
Combinando ambas expresiones se obtiene:
121 tVttV ES
21
1
tt
tVV ES
DVV ES
Llamando D al ciclo de trabajo de las llaves 1 y 2 se obtiene:
D puede ajustarse entre 0 y 1 por lo que la tensión de salida siempre será menor a la de entrada
Reemplazo de llaves por dispositivos de conmutación semiconductor
CIRCUITO DE
CONTROL
Limitaciones y problemas impuestos por los componentes
1. Siempre será VE ≥ VS + VSAT como ocurre en los reguladores lineales
2. Exigencia en el encendido del transistor debido a la demora en el apagado del diodo, por lo que deben usarse diodos de bajo tiempo de recuperación
3. Si se daña el transistor suele quedar en cortocircuito, con lo que VS=VE destruyendo la
carga • En consecuencia debe implementarse un efectivo sistema de protección contra sobretensión • El más común y sencillo es el CROWBAR con fusible y tiristor, refinándolo para evitar que el tiristor se dispare por sobre picos a la salida o la entrada que si pueden ser tolerados por la carga.
Componentes adicionales
1. Cuando el transistor se apaga y hasta que se enciende el diodo hay una sobretensión en el inductor que puede destruir el propio transistor y/o el diodo. Esta sobretensión puede amortiguarse con una simple red RC en paralelo con el diodo, llamada SNUB. Otros circuitos más elaborados para el recorte de las sobretensiones incluyen diodos de recuperación rápida, diodos zener y redes RC.
Componentes adicionales
“SNUB” sobre el inductor
“SNUB” sobre la llave
Componentes adicionales
Componentes adicionales
2. Cambios abruptos en las condiciones de carga o en la fuente de tensión de entrada pueden crear también sobre picos de tensión destructivos para el transistor y/o el diodo. Se pueden suprimir estos transitorios con diodos zener, con dispositivos supresores de transitorios (dos diodos zener de gran corriente y tensión enfrentados en serie), con varistores (resistores dependientes de la tensión), etc.
Supresor de transitorio Varistor
Componentes adicionales 3. Los reguladores conmutados generan interferencias electromagnéticas
(EMI), tanto emisiones de RF desde de los componentes (transistor, diodo, circuito impreso, etc.) como a través de los cables de conexión de entrada y salida, invadiendo el espectro radio eléctrico. Por lo que debe blindarse (encerrarse con una jaula metálica) el conjunto de componentes que produce EMI y también filtrarse las señales de RF que salen del regulador (por los cables) mediante filtros de RF.
Filtro de línea de alimentación Fuente de alimentación blindada
Circuito de control
¿Como funciona el PWM (modulador por ancho de pulso)?
CIRCUITO DE
DISPARO COMPARADOR
OSCILADOR
REFERENCIA DE TENSIÓN
AMPLIFICADOR DE ERROR
Formas de onda de control
Modo simple
Modo PUSH-PULL
Realización práctica con circuito integrado TL494
Guía para el ensayo de un regulador conmutado (sin control)
1. Calcular el valor de L para operar con una frecuencia de 10KHz y una carga de 100 Ω 2. Elegir los semiconductores adecuados 3. Variar el ciclo de trabajo entre 5% y 95% en modo discontinuo y entre 5% y 45% en
modo continuo (consultar que diferencia hay entre modo continuo y discontinuo) 4. Relevar la tensión de salida en función del ciclo de trabajo para cada caso 5. Observar con el osciloscopio (y registrar)la señal presente en el cátodo del diodo 6. Intentar la sustitución del darlington Q1/Q2por un MOSFET canal P
Regulador FLYBACK
• Se utiliza el modo flyback para obtener una tensión de salida mayor a la tensión de entrada
ES VV
Operación FLYBACK en modo contínuo
1 1 2 1 2
t
ILMAX
Δt1 Δt1 Δt2 Δt2
IL
Δt1 Δt2
2
t
VE
Tensión en nodo de conmutación
VS
0
T
ILMIN
Cálculo de la tensión de salida
INICIALLL
L ItL
VI
CARGAE
MINIMOLMAXIMOL tL
VII
DESCARGASE
MAXIMOLMINIMOL tL
VVII
Con la llave 1 cerrada (llave 2 abierta) el inductor se carga de energía en tCARGA :
Con la llave 2 cerrada (llave 1 abierta) el inductor descarga su energía en tDESCARGA :
DESCARGAES
CARGAE t
L
VVt
L
V
Operando se llega a:
DESCARGAESCARGAE tVVtV
La corriente en la inductancia, a tensión aplicada constante, varía como:
t
VE
Tensión en nodo de conmutación
VS
0
Notar que el área bajo la curva durante el tiempo de carga es igual al área durante el tiempo de descarga
La ecuación anterior se expresa también como:
DESCARGA
CARGAES
t
tVV 1
De donde resulta evidente que siempre es:
ES VV
tCARGA tDESCARGA
CARGAEtV
DESCARGAES tVV
Notar que es:
Tomando el desarrollo anterior:
DESCARGA
CARGAES
t
tVV 1
Y definiendo ciclo se servicio D como:
T
tD CARGA
DESCARGACARGA ttT
Resulta:
D
VV E
S
1
Operación FLYBACK en modo discontínuo
1 1 2 1 2
t
ILMAX
Δt1 Δt1 Δt2 Δt2
IL
Δt1 Δt2
2
t
VE
Tensión en nodo de conmutación
VS
0
T
0
DESCARGACARGA ttT
En el modo discontínuo el inductor se descarga completamente en cada ciclo
Reemplazo de llaves por dispositivos de conmutación semiconductor
CIRCUITO DE
CONTROL
D
DESCARGA
CARGASATES V
t
tVVV
1
Regulador conmutado aislado
¡Explicar como funciona!
• Permite tensiones de salida menores o mayores que la de entrada
• Se pueden obtener varias tensiones de salida simultáneas y con diferente polaridades
Explicación del funcionamiento
• El primario se carga durante el tiempo de encendido del transistor
• Luego la tensión del inductor se invierte y se auto ajusta a:
• Cuando se carga el primario, el secundario está inactivo debido a la polaridad de conexión del diodo
• Cuando el secundario está activo el primario queda inactivo debido a que primario y secundario están en contrafase
SECPRI VN
NV
2
1 DIODOSALIDASEC VVV
Cálculo de la relación de espiras
t
I1
Δt1 Δt2
T
IL
0
tL
VVI SATE
L
1
1
2
2
2It
L
VVI DS
L
CARGASATE t
L
VVI
1
1
2
2
0 ItL
VVDESCARGA
DS
DESCARGADS t
L
VVI
2
2
t
I2
Δt1 Δt2
T
IL
0
PRIMARIO SECUNDARIO
Δt1 = tCARGA Δt2 = tDESCARGA
Cálculo de la relación de espiras
Relación de espiras/inductancias bobinadas en un mismo núcleo:
2
1
2
2
2
1
L
L
N
N
Por conservación de la energía:
2
22
2
112
1
2
1ILIL
Combinando ambas expresiones se obtiene:
1
2
2
1
I
I
N
N
Operando y combinando con las expresiones de la corrientes se obtiene:
CARGA
DESCARGA
SATE
DS
t
t
VV
VVNN
12
• Con L pequeña se logra menor tamaño del transformador pero a costa de mayores corrientes, esto puede ser destructivo para los semiconductores.
• Como el núcleo opera en una sola dirección de flujo magnético puede alcanzar la saturación rapidamente perdiendo valor de L y aumentando las corrientes, ocurriendo la destrucción de los semiconductores
• Esto último puede mejorarse utilizando un núcleo con un corte total o parcial.
En el modo continuo es:
D
D
VV
VVNN
SATE
DS
112
DESCARGACARGA
CARGA
tt
tD
con
NOTAR QUE:
Formas de onda en primario y secundario
t
-(N2/N1)VE
Tensión en nodo de unión de L2 y el diodo
≈ VS
0
= área
t
VE
Tensión en nodo de conmutación
≈ 0
(N1/N2)VS+VE
Modo PUSH PULL
¡Explicar como funciona!
Detalles asociados con el funcionamiento
• El transformador no se utiliza para almacenar energía sino solo para elevar o reducir la tensión de entrada
• Notar que los diodos D1 y D2 además de rectificar actúan como llave de enclavamiento para la descarga del inductor
• Requiere 2 transistores de conmutación que conducen en forma alternada
• Se obtiene en flujo magnético alterno en el núcleo, logrando mayor eficiencia del mismo al trabajar lejos de la saturación pudiendo utilizar tamaños menores que el modo FLYBACK
• Con el modo alterno se puede obtener el doble de potencia que el equivalente FLYBACK operando a la misma frecuencia
• Puede obtenerse potencias de cientos de watts
• IMPORTANTE: cada transistor debe soportar el doble de la tensión de alimentación cuando está apagado.
Formas de onda en primario y secundario
t
(N2/N1)VE
Tensión en el ánodo del diodo del secundario
t
VE
Tensión en nodo de conmutación en primario
≈ 0
2VE
T
≈ 0
Limitaciones
• Muy difícil lograr total simetría en el flujo magnético alternado llevando a crearse un remanente de flujo continuo que provoca exceso de corriente en alguno de los transistores pudiendo llevarlos a la destrucción
• CAUSA DE LA ASIMETRÍA:
– Diferente tensión de saturación en cada transistor
– Diferentes mitades del bobinado primario y secundario
Modo MEDIO PUENTE
¡Explicar como funciona!
½ VE
Detalles asociados con el funcionamiento
• El balanceo del núcleo se logra con dos capacitores
• La dificultad está en la excitación (disparo) del transistor superior
Modo PUENTE
¡Explicar como funciona!
Bloquea la corriente continua
Detalles asociados con el funcionamiento en modo puente
• El balanceo del núcleo se logra con un capacitor
• La dificultad está en la excitación (disparo) del transistor superior
• Se obtiene más eficiencia que en el medio puente porque el primario recibe toda la tensión de entrada y se puede obtener el doble de potencia (que en el medio puente)
Analizar una fuente de PC (A partir de su esquema eléctrico unas páginas más adelante)
Disparo de los transistores
• Se puede utiizar un transformador de pulsos o un desplazador de nivel para excitar al transistor superior del medio puente o del puente.
• Como ejemplo de circuito de excitación por desplazamiento de nivel se cita el IR2181 del fabricante International Rectifier. En la hoja siguiente puede verse su diagrama interno y una aplicación típica
• Luego, en el esquema de la fuente para PC, se podrá ver un ejemplo de excitación con transformador de pulsos
Circuito típico de aplicación
Esquema interno del IR2181
Capacitor Bootstrap
Esquema eléctrico de una fuente para PC SIMPLIFICADO
Esquema eléctrico de una fuente para PC