Qué es una fuente de alimentación? Una fuente de alimentación es un dispositivo que convierte la corriente eléctrica alterna a corriente continua.

Transcripción

1 Su Historia Qué es una fuente de alimentación? Una fuente de alimentación es un dispositivo que convierte la corriente eléctrica alterna a corriente continua. También llamadas rectificadores, transformadores, convertidores, alimentadores,... No siempre correctamente pero igualmente utilizados. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 1

2 Su Historia Fuentes lineales Las primeras fuentes de alimentación eran lineales. Un transformador que reducía la tensión de entrada de 220/120 VAC a otra tensión seguida de un puente de diodos y algún filtro para estabilizar la salida. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 2

3 Su Historia Fuente lineales El inconveniente de las fuentes lineales es su gran tamaño, que disipan gran parte de la energía en calor. Consecuentemente t su eficiencia se reduce y la vida de los componentes electrónicos que puedan estar cercanos se ve mermada. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 3

4 Su Historia Las necesidades en la carrera aeroespacial de reducir peso y consumo de toda la electrónica llevó al primer desarrollo de fuentes de alimentación conmutadas. Así en los años cuarenta se dieron los primeros pasitos en sistemas conmutados por parte de la NASA. En 1977 se introduce la regulación en la modalidad de conmutación Con las fuentes de conmutación se viene a mejorar el factor de eficiencia hasta en un 95% teóricamente, por lo cual su implementación en equipos de cómputación y video. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 4

5 Su Historia En principio era una tecnología muy cara y desconocida. Paulatinamente, el abaratamiento de la electrónica y la miniaturización, ha conseguido que las fuentes de alimentación conmutadas se abaraten considerablemente, ofreciendo mayor estabilidad, seguridad, eficiencia y a un precio similar a las fuentes lineales. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 5

6 Principios de Operación Como opera un Regulador DC: Sensa los cambios en el voltaje de salida. Usa algún tipo de circuito de retroalimentación. t ió Efectúa algún tipo de control para compensar este cambio y mantener una salida constante. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 6

7 Principios de Operación En un regulador Monolítico: La salida de voltaje escomparada con un voltaje de referencia y pasada por un amplificador de error. La salida del amplificador de error es usada para controlar el punto de operación deuntransistor entre su región lineal o sus dos puntos de corte y saturación. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 7

8 Principios de Operación Regulador Monolítico Voltaje de entrada Transistor regulador Voltaje de salida Sensor RL Amplificador de error Detector de error Tensión referencia EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 8

9 Principios de Operación Cuando el transistor de paso opera en su región intermedia de corte y saturación, el regulador opera como un regulador lineal. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 9

10 Principios de Operación Mientras que al operar Entrada en corte y saturación este opera como un regulador conmutado. Volt Ref. - Oscilador Logica Control Elemento Control V O 1 T ON = vodt = E δ T 0 Muestreo Salida EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 10

11 Principios de Operación La operación lineal tiene menor eficiencia que la operación conmutada. P = P Entrada Disipada P Salida % η = Psalida 100 Pentrada P Disipada = I O V CE P = I salida O V O EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 11

12 Principios de Operación La operación conmutada es más eficiente debido a: En la región de corte y en la región de saturación el transistor presenta baja disipación través de él. Entrada Volt Ref. - Muestreo Oscilador Logica Control Elemento Control P P Disipada Disipada = IO VCEsat 0 ( V V ) 0 = ICBO Entrada O Salida % η Psalida = 100 Pentrada 95% EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 12

13 Principios de Operación Bloques funcionales de un regulador conmutado AC No Regulado Rectificador y filtro de entrada Elemento Control Diodo catch y Filtro de salida LC Regulado DC Oscilador PWM Comparador o MVM Muestreador y Amplificador de error Voltaje de Referencia EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 13

14 Topologías Operación Reductora (Step Down): Vin IL Vout Configuración Reductora EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 14

15 Topología Reductora Características: Tienen una alta eficiencia. Voltaje de Salida inferior al de entrada. Crea una cantidad de ruido relativamente grande en la línea de entrada. A la salida del circuito el ruido que se detecta es muy bajo. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 15

16 Topología Elevadora Operación Elevador (Step Up): Vin IL Vout IC Configuración Elevadora EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 16

17 Topología Elevadora Características: Tienen una alta eficiencia. Voltaje de Salida superior al de entrada. Crea una cantidad de ruido en la línea de entrada menor que en el reductor. Elruidoquesedetectaalasalidadelcircuitoes mayor que en el reductor. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 17

18 Topología Inversora Operación Inversor (Buck-Boost): Vin Vout IL Ic Configuración Inversora EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 18

19 Topología Inversora Características: Tienen una alta eficiencia. Voltaje de Salida negativo menor o mayor que el de entrada segun δ. Crea una cantidad de ruido en la línea de entrada relativamente alto. Elruidoquesedetectaalasalidadelcircuitoes mayor que en el reductor. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 19

20 Topología Reductora Ecuaciones: E V L δt V L C C = ( 1 δ ) T ( E V ) δ = (1 δ C V ) C V C = δe EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 20

21 Topología Reductora Ecuaciones: I L( MAX ) = δe 1 (1 δ ) T R 2 L ( ) = δ E I L MIN 1 (1 δ ) T R 2L V O = 2 T 8CC V L O (1 δ ) EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 21

22 Topología Elevadora I I Ecuaciones: L ( MAX ) L E I L ( MIN ) = δt L E VO ( MIN ) I L( MAX ) = (1 δ ) T L 1 V O = (1 δ ) E EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 22

23 Topología Elevadora Ecuaciones: E E δt 2 R(1 δ ) 2LL I L( MIN ) = E E δt 2 R(1 δ ) 2L I L( MAX ) = EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 23

24 Topología Elevadora Ecuaciones: V O = V R O δt C EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 24

25 Topología Inversora Ecuaciones: I L( MAX ) I L( MIN ) = E δt L VC I L ( MIN ) I L ( MAX ) = (1 δ ) T L V C = V O = δ E 1 δ EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 25

26 Topología Inversora Ecuaciones: I L( MIN ) = δe R(1 δ ) 2 EδT 2L I L( MAX ) = δeδ E E δ T 2 R(1 δ ) 2L EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 26

27 Topología Inversora Ecuaciones: V O = V R O δt C EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 27

28 Diseño con dispositivos discretos Regulador Conmutado reductor de 5V V4 R9 150 TN3467A 0.5mH CMD1 0V.IC 12V U2 UA Gnd Vcc 3 Trg Dis 4 Out Thr Rst Ctl IC C1.01uF RA 600k RB 10k CT.001uF R11 5.1k U1 UA Gnd Vcc 3 Trg Dis 4 Out Thr Rst Ctl IC R 30k C 0.01uF R6 220 R7 33 R8 50 Q3 TN3725A D1 SKYDIODE C3 1000uF R10 10 R5 1000k V2 12V C2 690pF R3 1k V1 12V Vin Trim Out U4 GND REF02D 5.1k R4 LF351/NS U3 Q1 NPN R1 15k Q2 NPN R2 470 EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 28

29 Diseño con dispositivos discretos Formas de Onda del Regulador reductor de 5V 0.000ms 2.000ms 4.000ms 6.000ms 8.000ms 10.00ms A: u2_ V V B: r6_ V V C: l1[i] A A D: q2_ V V E: cmd1_ V F: u4_ V EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 29

30 Diseño con dispositivos discretos Regulador Conmutado reductor de 9V Q4 TN3467A L1 0.5mH CMD1 0V.IC V4 R V U2 UA Gnd Vcc 8 3 Trg Dis Out Thr Rst Ctl5.IC C1.01uF RA 600k RB 10k CT.001uF R11 5.1k U1 UA555 1 Gnd Vcc 2 Trg Dis Out Thr 4 Rst Ctl5.IC R 20k C 0.01uF R6 220 R7 33 R8 50 Q3 TN3725A D1 SKYDIODE1 C3 1000uF R10 90 V2 12V R5 1000k C2 690pF R k R3 1k V1 12V U4 Vin Trim Out 5V GND 2.8k R4 LF351/NS U3 Q1 NPN R1 15k Q2 NPN R2 470 EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 30

31 Diseño con dispositivos discretos Formas de onda del Regulador reductor de 9V 0.000ms 2.000ms 4.000ms 6.000ms 8.000ms 10.00ms A: u1_ V V B: u1_ V V E: l1[i] [] A A C: q2_ V V D: cmd1_ V V EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 31

32 Diseño con dispositivos dedicados Controlador PWM TL494 de Motorola EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 32

33 Diseño con dispositivos dedicados Regulador de 24 V usando el TL494 8V-20V C uF R25 33k C uF 12 R VCC 2 - C18 R26 1M MMBT Comp TL494A-1 MMBT C R28 OC 13 VREF 14 DT 4 F CT 5 RT 6 GND 7 E1 9 E2 10 R23 47 Q21 C20 50uF Q20 T20 D21 1N4934 L20 3.5mH D20 1N4934 C23 50uF R R30 1 R22 22k R k 24V C24 50uF 0V 4.7k R27 4.7k C22 10uF R29 10k 0.001u 15k C25 R31 0V EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 33

34 Diseño con dispositivos dedicados Regulador conmutado reductor de 5 V usando el TL494 V1 40V U1 12 Vcc R10 47 Q1 TN3467A 8 C1 R C 11 C2 TL494 NMDB C3 0.1uF F 3 Comp Vref D R3 47k R4 1Meg R5 5.1k R6 5.1k L1 1mH E D1 DIODE R8 5.1k C2 500uF C4 50uF B R9 5 C1 1nF CT 5 A RT 6 R1 55k D.T 4 O.C 13 GND 7 E1 9 E2 10 R7 150 R2 0.1 EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 34

35 Diseño con dispositivos dedicados Regulador conmutado reductor de 5 V usando el TL ms 000ms 0.500ms 1.000ms 1.500ms 2.000ms 2.500ms 3.000ms 3.500ms A: c1_ V F: c3_2 B: l1_2 D: u1_ V V V C: u1_ V V E: l1[i] A A EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 35

36 12 V1 Diseño con dispositivos dedicados Regulador conmutado inversor de -5 V usando el TL Vcc Q1 TN3467A R C1 R C2 Comp 3-2 C3 0.1uF R4 1Meg R2 47k R13 10k D1 DIODE A U2 TL494 NMDB 1 Vref R5 10k R6 5.1k R12 5.1k L1 2mH C2 330uF C4 330uF R9 1.5k C1 1nF CT 5 RT 6 R1 55k D.T 4 O.C 13 GND 7 E1 9 E2 10 R7 158 R8 0.1 EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 36

37 Diseño con dispositivos dedicados Regulador conmutado inversor de -5 V usando el TL ms 0.250ms 0.500ms 0.750ms 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms A: u1_ V B: u1_ V C: u1_ V V E: l1[i] A A D: c4_ V V EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 37

38 Diseño con dispositivos dedicados Regulador conmutado Elevador de 15 V usando el TL494 V1 10V 12 Vcc L1 D1 100uH DIODE 1 2 R2 47k 8 C1 11 C2 TL494 NMDB C1 0.1uF Comp Vref R1 1Meg 5.1k R3 R4 5.1k R k R8 15.3k C3 50uF A C4 50uF R9 1.5k C2 1nF CT RT D.T O.C GND E1 E2 5 6 R6 55k R5 102 R7 1 EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 38

39 Diseño con dispositivos dedicados Regulador conmutado Elevador de 15 V usando el TL494 A: d1_k V V V V V V V 0.000ms 2.500ms 5.000ms 7.500ms 10.00ms 12.50ms 15.00ms EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 39

40 Diseño con dispositivos dedicados Controlador en modo corriente UC3842A Motorola EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 40

41 Diseño con dispositivos dedicados Regulador Flyblack fuera de línea de 27W EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 41

42 Cálculo del inductor La inductancia de un arrollado alrededor de un anillo toroidal de un material con un núcleo de sección transversal circular y permeabilidad relativa µ r es : L = inductancia en H µ 0 = permeabilidad del aire= 4π 10-7 H/m µ r = permeabilidad relativa del núcleo N = número de vueltas r = radio del arrollado de la bobina D = diámetro total del anillo toroidal en metros EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 42

43 Comparación con reguladores lineales Parámetro Conmutada Lineal Eficiencia 75% 30% Tamaño 2W/in 3 0.5W/in 3 Regulación de Línea y de carga 0.1% 0.1% Rizo en la salida 50mVpp 5mVpp Ruido 50 a 200 mvpp --- Respuesta transitoria 1mS 20uS Tiempo de sostenimiento 20 a 30 ms 1 a 2 ms Desempeño de una Fuente de Alimentación Conmutada a 20kHz versus una Fuente lineal EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 43