Fuentes conmutadas

Electrónica. Limitaciones. Configuraciones. Diseño. Reguladores

  • Enviado por: Gerry
  • Idioma: castellano
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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:

Fuentes conmutadas

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.

Fuentes conmutadas

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:

Fuentes conmutadas

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.

Fuentes conmutadas

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%.

Fuentes conmutadas

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:

Fuentes conmutadas

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:

Fuentes conmutadas

Opcionalmente agregando un capacitor de acoplamiento:

Fuentes conmutadas

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

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).

Fuentes conmutadas

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).

 Fuentes conmutadas

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.
Fuentes conmutadas

Fuentes conmutadas

Fuentes conmutadas

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
Fuentes conmutadas

Fuentes conmutadas

  Se decidió poner un capacitor de 100ufd. a 63 volts.

R1+R2=24Kohms
Fuentes conmutadas

R1= Potenciometro de 25K.
Fuentes conmutadas

Fuentes conmutadas

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:

Fuentes conmutadas


 

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.

Fuentes conmutadas

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.

Fuentes conmutadas

figura 1.7 circuito básico de un regulador de conmutación del secundario.

Fuentes conmutadas

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

N. MOHAN, T. M. UNDELAND and W. P. ROBBINS: Power Electronics: Converters, Applications and Design. New York, John Wiley and Sons, 1995.

G. C. CHRYSSIS: High-Frequency Switching Power Supplies: Theory and Design. New York, McGraw-Hill, 1989.

J. L. MUÑOZ y S. HERNÁNDEZ: Sistemas de alimentación conmutados. Madrid, Paraninfo, 1997.

K.H. BILLINGS: Switchmode Power Supply Handbook. New York, McGraw-Hill, 1989.