REGULADORES EN MODO DE CONMUTACION

Transcripción

1 REGULADORES EN MODO DE CMUTACI Los pulsadores de cd se pueden uilizar como reguladores en modo de conmuación para converir un volaje dc, por lo general no regulado, a un volaje de salida de dc regulado. La regulación se consigue por lo general mediane la modulación del ancho de pulso a una frecuencia fija, y el disposiivo de conmuación por lo regular es un BJT, MOSFET o IGBT de poencia. Los elemenos de los reguladores en modo de conmuación se muesran en la figura l a. Podemos observar en la figura 1b que la salida de los pulsadores de cd con carga resisiva es disconinua y que coniene armónicas. El conenido de la componene ondulaoria normalmene se reduce mediane un filro LC. Los reguladores conmuados esán disponibles en forma comercial como circuios inegrados. El diseñador puede seleccionar la frecuencia de conmuación escogiendo los valores de R y C del oscilador de frecuencia. Como regla prácica, a fin de maximizar la eficiencia, el período mínimo del oscilador debe ser aproximadamene cien veces mayor que el iempo de conmuación del ransisor; por ejemplo, si el ransisor iene un iempo de conmuación de 0.5 µs, el período del oscilador debe ser de 50 µs, lo que nos da una frecuencia máxima del oscilador de 20 khz. Esa limiación se debe a las pérdidas por conmuación en el ransisor, mismas que se incremenan con la frecuencia de conmuación, como resulado, la eficiencia se reduce. Además, las pérdidas en los núcleos de los inducores limian la operación en ala frecuencia. El volaje de conrol V C se obiene al comparar el volaje de salida con su valor deseado. V C puede compararse con un volaje de diene de sierra Vr para generar la señal de conrol PWM para el pulsador de cd. Eso aparece en la figura 1b.

2 Exisen cuaro opologías básicas para los reguladores conmuados. 1. Reguladores reducores ( Buck Regulaor) 2. Reguladores elevadores ( Boos Regulaor) 3. Reguladores reducores/elevadores (Invering Regulaor) 4. Reguladores Cúk (Cuk Regulaor) Reguladores reducores En un regulador reducor, el volaje promedio de salida Va, es menor que el volaje de enrada, V S,, de ahí la palabra "reducor", el cual es muy popular. En la figura 2a aparece el diagrama de circuio de un regulador reducor que uilizan un BJT de poencia, y que es parecido a un pulsador reducor. La operación del circuio se puede dividir en dos modos. El modo 1 empieza cuando se coneca el ransisor Q 1 en = 0. La corriene de enrada, que se eleva, fluye a ravés del inducor L, del capacior de filro C y de la resisencia de la carga R. El modo 2 empieza cuando se desconeca el ransisor Q 1 en = 1. El diodo de marcha libre Dm conduce debido a la energía almacenada en el inducor y la corriene del inducor coninúa fluyendo a ravés de L, C, la carga y el diodo Dm. La corriene del inducor se abae hasa que en el siguiene ciclo el ransisor Q 1 se vuelve a acivar. Los circuios equivalenes correspondienes a los modos de operación se muesran en la figura 2b. Las formas de onda correspondienes a los volajes y las corrienes aparecen en la figura 2e para un flujo coninuo de corriene en el inducor L. Dependiendo de la frecuencia de conmuación, de la inducancia del filro y de su capaciancia, la corriene del inducor puede ser disconinua. El volaje a ravés del inducor L es, en general, di e L = L d De la figura 2, cuando Q 1 es on, el volaje insanáneo aplicado a L 1 es: (V IN V ) * Cuando Q 1 es off, el volaje insanáneo aplicado a L 1 V * De aquí se puede deducir que: Enonces ( V IN V ) * = V * V = V IN donde V = Volaje de salida = iempo de apagado de Q 1 V IN = Volaje de enrada T = iempo de encendido de Q 1 Se define Ciclo de Trabajo (Duy Cycle ) como: D = por lo ano, V = V D + IN

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4 El regulador inversor requiere de un solo ransisor, es sencillo y iene una ala eficiencia, mayor del 90%. El di/d de la corriene de carga esá limiado por la corriene del inducor L. Sin embargo, la corriene de enrada es disconinua y por lo general se requiere de un filro suavizane de enrada. Proporciona una polaridad de volaje de salida y corriene unidireccional de salida. En caso de un posible coro circuio a ravés de la rayecoria del diodo, requiere de un circuio de proección. 2 Reguladores elevadores En un regulador elevador, el volaje de salida es mayor que el volaje de enrada, de ahí la palabra "elevador". En la figura 3 a aparece un regulador elevador que uiliza un MOSFET de poencia. La operación del circuio se puede dividir en dos modos. El modo 1 empieza cuando se aciva el ransisor M 1 en = 0. La corriene de enrada, que se eleva, fluye a ravés del inducor L y del ransisor Q 1. El modo 2 empieza cuando se desconeca el ransisor M 1 en = 1. La corriene que esaba fluyendo a ravés del ransisor fluirá ahora a ravés de L, C, la carga y el diodo Dm. La corriene del inducor se abae hasa que se vuelve a acivar en el siguiene ciclo el ransisor M 1. La energía almacenada en el inducor L es ransferida a la carga. Los circuios equivalenes para esos modos de operación se muesran en la figura 3 b. Las formas de onda correspondienes a los volajes y las corrienes aparecen en la figura 3 c, para una corriene de carga coninua. Un regulador elevador puede subir el volaje de salida sin necesidad de un ransformador. Debido a que sólo iene un ransisor, su eficiencia es ala. La corriene de enrada es coninua. Sin embargo, a ravés del ransisor de poencia debe fluir una corriene pico ala. El volaje de salida es muy sensible a cambios en el ciclo de rabajo D y puede resular difícil esabilizar el regulador. La corriene promedio de salida es menor que la corriene promedio del inducor en un facor (1 - D), y una corriene rms mucho más ala fluirá a ravés del capacior de filro, dando como resulado el uso de un capacior y un inducor de mayor amaño que los correspondienes en un regulador reducor. Las ecuaciones que definen ese circuio son las siguienes: V IN * = (V V IN ) * Enonces + V = VIN, pero + 1 = 1 D por lo ano V VIN = 1 D

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6 3 Reguladores reducores-elevadores Un regulador reducor elevador suminisra un volaje de salida que puede ser menor o mayor que el volaje de enrada, de ahí el nombre "reducor - elevador"; la polaridad del volaje de salida es opuesa a la del volaje de enrada. Ese regulador ambién se conoce como un regulador inversor. En la figura 4a aparece la disposición del circuio para un regulador reducor - elevador. La operación del circuio se puede dividir en dos modos. Durane el modo 1, el ransisor Q 1 esá acivo y el diodo Dm iene polarización inversa. La corriene de enrada, que se eleva, fluye a ravés del inducor L y del ransisor Q 1. Durane el modo 2, cl ransisor Q 1 es conmuado y la corriene, que fluía a ravés del inducor L, fluirá a ravés de L, C, Dm y la carga. La energía almacenada en el inducor L se ransferirá a la carga y la corriene del inducor se abairá hasa que el ransisor Q 1 vuelva a acivarse en el siguiene ciclo. Los circuios equivalenes para los modos se muesran en la figura 4 b. Las formas de onda para los regímenes en esado permanene de corrienes y volajes del regulador reducor - elevador aparecen en la figura 4 e para una corriene de carga coninua. Un regulador reducor - elevador suininisra inversión de polaridad de volaje de salida sin necesidad de un ransformador. Tiene ala eficiencia. En caso de una falla del ransisor, el di/d de la corriene dc falla queda limiado por el inducor L y será V S / L. Sería fácil poner en prácica la proección en coro circuio de la salida. Sin embargo, la corriene de enrada es disconinua y a ravés del ransisor Q 1 fluye una corriene de pico ala. V IN * = V * De ahí V = V IN Donde es definido como el ciclo de rabajo D Por lo ano V = V IN D'

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8 4 Reguladores Cúk La disposición de circuio del regulador Cúk que uiliza un BJT de poencia aparece en la figura 5 a. Al igual que el regulador reducor-elevador, el regulador Cúk proporciona un volaje de salida que puede ser menor o mayor que el volaje de enrada, pero la polaridad del volaje de salida es opuesa a la polaridad del volaje de enrada. Se llama así en honor a su invenor. Cuando se coneca el volaje de enrada y se desaciva el ransisor Q 1 el diodo Dm queda con polarización direca y el capacior C 1 se carga a ravés de L 1, Dm y el suminisro de enrada, V S. La operación del circuio se puede dividir en dos modos. El modo 1 empieza cuando se aciva el ransisor Q 1 en = 0. La corriene se eleva a ravés del inducor L 1. Simuláneamene, el volaje del capacior C 1 pone en polarización inversa al diodo Dm y lo desaciva. El capacior C 1 descarga su energía en el circuio formado por C 1, C 2, la carga y L 2. El modo 2 empieza cuando se desconeca el ransisor Q 1 en = 1. Se carga el capacior C 1 a parir del suminisro de enrada y la energía almacenada en el inducor L 2 se ransfiere a la carga. El diodo Dm y el ransisor Q 1 proporcionan una conmuación síncrona. El capacior C 1 es el medio para la ransferencia de energía de la fuene a la carga. Los circuios equivalenes para los modos se muesran en la figura 5 b y las formas de onda para los volajes y corrienes en régimen permanene se muesran en la figura 5 c para una corriene de carga coninua. El regulador Cúk esá basado en el capacior de ransferencia de energía. Como resulado, la corriene de enrada es coninua. El circuio iene bajas pérdidas de conmuación y una ala eficiencia. Cuando el ransisor Q 1 se aciva, iene que conducir las corrienes de los inducores L 1 y L 2. Como resulado, a ravés del ransisor Q 1 fluye una ala corriene de pico. Dado que el capacior proporciona la ransferencia de energía, ambién resula ala la corriene de la componene ondulaoria del capacior C 1. Ese circuio requiere ambién de un capacior e inducor adicional. Durane el período de Q 1, el volaje aplicado a L 2 (V L2 ), es: V L2 = (2 * V IN ) - V de ahí que si V = V IN V L2 = V IN Durane el período de Q 1 el volaje aplicado a L 1 (V L1 ) es: V L1 = V IN Durane el período de Q 1 el volaje aplicado a L 2 (V L2 ) es: V L2 = V, pero V = V IN De ahí Pero De ahí V L2 = V IN V IN * = (V C1 V IN ) * V C1 = V IN + V V IN * = V * Enonces V = VIN si se define D = / V = V IN * D Si el ciclo de rabajo es de un 50%, el volaje de salida es igual al volaje de enrada, pero con polaridad inversa.

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10 5 Limiaciones de conversión en un paso Los cuaro reguladores uilizan un solo ransisor, que usa sólo la conversión en un paso, y requieren de inducores y capaciores para la ransferencia de energía. Debido a la limiación de un solo ransisor en el manejo de la corriene, la poencia de salida de esos reguladores es pequeña, ípicamene de decenas de was. A una corriene más ala, el amaño de esos componenes aumena, con mayores pérdidas en los componenes, y la eficiencia se reduce. Además, no hay aislamieno enre los volajes de enrada y de salida, crierio alamene deseable en la mayor pare de las aplicaciones. Para aplicaciones de ala poencia, se uilizan conversiones mulieapa, en las que un volaje de cd es converido mediane un inversor a ca. La salida de ca se aísla mediane un ransformador, y a coninuación se conviere a cd mediane recificadores.