Fuente de alimentación con regulador conmutado

Transcripción

1 Fuene de alimenación con regulador conmuado Diagrama en bloques Fuene no regulada ni esabilizada Fuene regulada y esabilizada TRANSFORMADOR RECTIFICADOR FILTRO REGULADOR CARGA FICHA DE ALIMENTACIÓN FUSIBLE INDICADOR DE ENCENDIDO INDICADOR DE NIEL DE TENSION DE SALIDA

2 Eficiencia El regulador lineal es de baja eficiencia pues oda la corriene de la carga lo araviesa pero con una gran caída de ensión, por lo que se desperdicia mucha energía que se ransforma en calor El regulador conmuado consruído con elemenos reacivos como capaciores, inducores y llaves conmuadoras de dos esados no genera pérdida de energía por disipación de calor

3 Eficiencia en regulador lineal CIRCUITO DE CONTROL η η = P P C E = S E. I. I S S = S E η max S E Ƞ disminuye con la caída de ensión enre enrada y salida

4 Eficiencia en regulador conmuado η = CIRCUITO DE CONTROL P P C E =1 Ƞ = 100 % por no conener elemenos disipaivos

5 Ejemplos de reguladores conmuados en la placa madre de una PC

6 Secor fuenes de alimenación auxiliares de la placa madre de una PC

7 Fuene de alimenación principal de una PC de 400W

8 Fuenes de alimenación conmuada de baja poencia

9 Principio de funcionamieno del regulador conmuado I L = I INICIAL + L L

10 Deerminación de la ensión de salida S Asumimos que C es lo suficienemene grande como para manener la ensión de salida consane durane Δ 1 y Δ ( S = esable se logrará por realimenación) Se esudiará el modo coninuo, o sea, la corriene en el inducor no se inerrumpe en odo el ciclo operaivo Llave 1 cerrada llave abiera ( ) E S Δ1 ILMAX = ILMIN + L I L MODO CONTINUO I LMAX Llave cerrada llave 1 abiera I S I LMIN Δ 1 Δ Δ 1 Δ SΔ ILMIN = ILMAX L

11 Combinando ambas expresiones se obiene: S Δ = ( E S ) Δ1 S ( Δ1 + Δ ) EΔ1 = S = E Δ1 Δ + Δ 1 Llamando D al ciclo de rabajo de las llaves 1 y se obiene: S = E D D puede ajusarse enre 0 y 1 por lo que la ensión de salida siempre será menor a la de enrada

12 Considerando: I S = I LMAX + I LMIN D = Δ Δ + Δ 1 1 ON = = T ON f Se llega a: L = 1 f ( 1- D) S ( I I ) LMAX S Reflexionar acerca del valor adecuado de L y su relación con la selección de los elemenos de conmuación.

13 Corriene en la inducancia Corriene en la carga I LMAX I S I LMIN Δ 1 Δ Δ 1 Δ Δ 1 Δ T NOTAR QUE I S PUEDE TOMAR CUALQUIER ALOR SIEMPRE QUE I LMIN >0

14 IL LÍMITE DEL MODO CONTINUO I LMAX I S I LMIN =0 Δ 1 Δ Δ 1 Δ T Δ 1 Δ La corriene de salida I S esá relacionada con la ensión de salida S y la resisencia de carga R por la ley de ohm: I = S S R 1 ( 1- D) S Pariendo de la ecuación que da el valor de la inducancia L = y I S = I f ( ILMAX IS ) SMIN ( 1- D) S Siendo para ese caso I LMAX = I SMIN resula L = f I Reemplazando con R MAX = S ISMIN se iene el valor críico de la inducancia (mínimo valor de L) que permie coninuar operando en modo coninuo con una carga mínima represenada por R MAX : ( 1- D) R MAX LC = Al diseñar => L > L C para MC f O se iene el valor críico de la resisencia de carga que permie calcular la carga mínima que asegurará el funcionamieno en modo coninuo para un valor dado de L: f L R C = Con lo que debe ser R < R C para MC 1- D ( ) SMIN I S MIN

15 Se debe diseñar el regulador considerando la carga mínima que endrá a fin de eviar que enre en el modo disconinuo. Se puede implemenar dicha carga como un circuio de drenaje úil como podría ser un LED y/u oro circuio que drene corriene del regulador. El valor de la inducancia se calculará enonces para la condición de carga mínima y para el valor mínimo que se espera se dispondrá de la ensión de enrada E,o sea para D MAX I LMAX I L MODO DISCONTINUO I S < I LMAX / 0 Δ 1 Δ Δ 1 Δ T Δ 1 Δ Un regulador operando en modo coninuo puede pasar al modo disconinuo al reducirse la carga, o lo que es lo mismo, reducirse la corriene de salida El comporamieno del regulador a lazo cerrado puede volverse inesable si se permie el paso enre modos

16 Rizado de la ensión de salida D=0,5 O = I L MAX I L MIN 8Cf = 100mA 8.1µF. 50KHz = 50m O

17 Rizado de la ensión de salida D=0,5 O = I L MAX I L MIN 8Cf = 75,5mA 8.1µF. 50KHz = 188,8m O

18 Rizado de la ensión de salida Cálculo de O - ON ii CC II LL MMMMMM II SS ON II LL MMMMMM II SS ii CC = II LL MMMMMM II SS OOOO vv CC OOOO = 1 OOOO CC II LL MMMMMM II SS d 0 OOOO vv CC OOOO = [ 1 CC II LL MMMMMM II SS ] 0 OOOO OOOO vv CC vv CC OOOO = II LL MMMMMM II SS 4CC OOOO - ON ON vv CC OOOO En forma similar se calcula vv CC OOOOOO : vv CC OOOOOO = II SS II LL MMMMMM 4CC OOFFFF Resulando: OO = vv CC OOOO + vv CC OOOOOO = II LL MMMMMM II LL MMMMMM 8CCCC Invesigar ese ema revisando noas de aplicación publicadas por los fabricanes de conroladores de reguladores conmuados

19 Reemplazo de llaves por disposiivos de conmuación semiconducor CIRCUITO DE CONTROL S = D ( E SAT ) D

20 Circuio de conrol Como funciona el PWM (modulador por ancho de pulso)? CIRCUITO DE DISPARO AMPLIFICADOR DE ERROR COMPARADOR OSCILADOR REFERENCIA DE TENSIÓN

21 Formas de onda de conrol NOTA: La forma de onda en azul es una muesra de la ensión de salida. Tener en cuena que la ensión de salida varía mucho mas lenamene que un periodo del oscilador. Aquí se ha represenado así para mosrar como se produce la modulación por ancho de pulso, a parir de la comparación de la señal del oscilador con la señal error resulane de la mezcla enre la muesra de la ensión de salida y la ensión de referencia.

22 Realización prácica con circuio inegrado LM576

23 Adapador fuene USB para encendedor de auomóvil Regulador reducor implemenado con el circuio inegrado MC34063 de Moorola S Q R Q Q1 Rsc 0.33 in CC Ipk Osc + Comp. CT 1.5 Ref Reg 1N L 0 µh CT pf 1.0 µh R1 1. k 3.6 k CO 5.0 /500 ma ou Opional Filer

24 Esabilidad

25 Limiaciones y problemas impuesos por los componenes 1. Siempre será E S + SAT como ocurre en los reguladores lineales. Exigencia en el encendido del ransisor debido a la demora en el apagado del diodo, por lo que deben usarse diodos de bajo iempo de recuperación 3. Si se daña el ransisor suele quedar en corocircuio, con lo que S=E desruyendo la carga En consecuencia debe implemenarse un efecivo sisema de proección conra sobreensión El más común y sencillo es el CROWBAR con fusible y irisor, refinándolo para eviar que el irisor se dispare por sobre picos a la salida o la enrada que si pueden ser olerados por la carga.

26 Componenes adicionales. Cambios abrupos en las condiciones de carga o en la fuene de ensión de enrada pueden crear ambién sobre picos de ensión desrucivos para el ransisor y/o el diodo. Se pueden suprimir esos ransiorios con diodos zener, con disposiivos supresores de ransiorios (dos diodos zener de gran corriene y ensión enfrenados en serie), con varisores (resisores dependienes de la ensión), ec. arisor Supresor de ransiorio

27 Componenes adicionales 3. Los reguladores conmuados generan inerferencias elecromagnéicas (EMI), ano emisiones de RF desde de los componenes (ransisor, diodo, circuio impreso, ec.) como a ravés de los cables de conexión de enrada y salida, invadiendo el especro radio elécrico. Por lo que debe blindarse (encerrarse con una jaula meálica) el conjuno de componenes que produce EMI y ambién filrarse las señales de RF que salen del regulador (por los cables) mediane filros de RF. Filro de línea de alimenación Fuene de alimenación blindada

28 Regulador FLYBACK Se uiliza el modo flyback para obener una ensión de salida mayor a la ensión de enrada > S E

29 Operación FLYBACK en modo conínuo IL IL MAX IL MIN Δ 1 Δ Δ 1 Δ Δ 1 Δ S T Tensión en nodo de conmuación E 0

30 Cálculo de la ensión de salida La corriene en la inducancia, a ensión aplicada consane, varía como: L L I L = + I L INICIAL Con la llave 1 cerrada (llave abiera) el inducor se carga de energía en CARGA : I = I + L MAXIMO L MINIMO L E CARGA Con la llave cerrada (llave 1 abiera) el inducor descarga su energía en DESCARGA : I L MINIMO = I L MAXIMO + E L S DESCARGA Operando se llega a: E L CARGA = S L E DESCARGA E CARGA = ( S E ) DESCARGA

31 S E 0 Tensión en nodo de conmuación ( S E ) DESCARGA E CARGA Noar que el área bajo la curva durane el iempo de carga es igual al área durane el iempo de descarga CARGA DESCARGA La ecuación anerior se expresa ambién como: S E 1 + = CARGA DESCARGA De donde resula evidene que siempre es: S > E

32 Noar que es: T = CARGA + DESCARGA Tomando el desarrollo anerior: S E 1 + = CARGA DESCARGA Y definiendo ciclo se servicio D como: Resula: D = S CARGA T E = 1 D

33 Considerando: I LPROMEDIO = I LMAX + I LMIN D = Δ Δ + Δ 1 1 CARGA = = T CARGA f Se llega a: L = 1 f ( 1- D)( S - E ) ( I I ) LMAX LPROMEDIO Noar que : I = I LPROMEDIO ENTRADA Reflexionar acerca del valor adecuado de L y su relación con la selección de los elemenos de conmuación.

34 Reemplazo de llaves por disposiivos de conmuación semiconducor CIRCUITO DE CONTROL S = 1+ CARGA ( E SAT ) D DESCARGA

35 Realización prácica con circuio inegrado LM577

36 Operación FLYBACK en modo disconínuo IL IL MAX S Δ 1 Δ Δ 1 Δ T Tensión en nodo de conmuación Δ 1 Δ T > CARGA + DESCARGA E 0 En el modo disconinuo el inducor se descarga compleamene en cada ciclo

37 Oscilaciones perjudiciales para el ransisor Cuando el ransisor se apaga y hasa que se enciende el diodo o bien después de que deja de conducir el diodo al agoarse la energía en el inducor y cesa su corriene, ocurre una sobreensión en el inducor que puede desruir el propio ransisor y/o el diodo. Esa sobreensión puede amoriguarse con una simple red RC en paralelo con el diodo, llamada SNUB. Oros circuios más elaborados para el recore de las sobreensiones incluyen diodos de recuperación rápida, diodos zener y redes RC. S E 0

38 SNUB sobre el inducor SNUB sobre la llave

39 Oros circuios más elaborados para el recore de las sobreensiones incluyen diodos de recuperación rápida, diodos zener y redes RC.

40 Regulador conmuado aislado Permie ensiones de salida menores o mayores que la de enrada Se pueden obener varias ensiones de salida simuláneas y con diferene polaridades

41 Funcionamieno El primario se carga durane el iempo de encendido del ransisor Luego la ensión del inducor se inviere y se auo ajusa a: N = = ( + ) 1 PRI SEC N SALIDA DIODO Cuando se carga el primario, el secundario esá inacivo debido a la polaridad de conexión del diodo Cuando el secundario esá acivo el primario queda inacivo debido a que primario y secundario esán en conrafase SEC

42 Cálculo de la relación de espiras IL I1 PRIMARIO IL I SECUNDARIO 0 Δ 1 Δ Δ DISC. 0 Δ 1 Δ Δ DISC. I I T T L + E SAT S D = I = + I L1 L 1 L 1 S D E SAT = 0 = DESCARGA + I CARGA L L 1 Δ 1 = CARGA Δ = DESCARGA I = S + + L Δ DISC. = 0 en el límie enre el modo coninuo y disconinuo D DESCARGA

43 Relación de espiras/inducancias bobinadas en un mismo núcleo: 1 1 L L N N = Por conservación de la energía: I L I L = Combinando ambas expresiones se obiene: 1 1 I I N N = Operando y combinando con las expresiones de la corrienes para Δ DISC. = 0 se obiene: CARGA DESCARGA SAT E D S N N + = 1 D D N N SAT E D S + = 1 1 Cálculo de la relación de espiras Resulando:

44 Recomendaciones para el núcleo Con L pequeña se logra menor amaño del ransformador pero a cosa de mayores corrienes, eso puede ser desrucivo para los semiconducores. Como el núcleo opera en una sola dirección de flujo magnéico puede alcanzar la sauración rápidamene perdiendo valor de L y aumenando las corrienes, ocurriendo la desrucción de los semiconducores Eso úlimo puede mejorarse uilizando un núcleo con un core oal o parcial.

45 Formas de onda en primario y secundario Modo disconinuo Tensión en nodo de conmuación (N 1 /N ) S + E E 0 Tensión en nodo de unión de L y el diodo S 0 = área -(N /N 1 ) E

46 Circuio ípico simplificado de un regulador flyback aislado CONTROLADOR OPTOACOPLADO

47 Regulador aislado para LEDs Corriene consane 0 RECTIFICADOR Y FILTRO DISPOSITIOS DE ENCLAAMIENTO

48 Modo PUSH PULL Explicar como funciona!

49 Formas de onda de conrol en modo push-pull Muesra de la ensión de salida

50 Dealles asociados con el funcionamieno El ransformador no se uiliza para almacenar energía sino solo para elevar o reducir la ensión de enrada Noar que los diodos D1 y D además de recificar acúan como llave de enclavamieno para la descarga del inducor Requiere ransisores de conmuación que conducen en forma alernada Se obiene en flujo magnéico alerno en el núcleo, logrando mayor eficiencia del mismo al rabajar lejos de la sauración pudiendo uilizar amaños menores que el modo FLYBACK Con el modo alerno se puede obener el doble de poencia que el equivalene FLYBACK operando a la misma frecuencia Puede obenerse poencias de cienos de was IMPORTANTE: cada ransisor debe soporar el doble de la ensión de alimenación cuando esá apagado.

51 Formas de onda en primario y secundario Tensión en nodo de conmuación en primario E E 0 T Tensión en el ánodo del diodo del secundario (N /N 1 ) E 0

52 Limiaciones Muy difícil lograr oal simería en el flujo magnéico alernado llevando a crearse un remanene de flujo coninuo que provoca exceso de corriene en alguno de los ransisores pudiendo llevarlos a la desrucción CAUSA DE LA ASIMETRÍA: Diferene ensión de sauración en cada ransisor Diferenes miades del bobinado primario y secundario

53 Modo MEDIO PUENTE ½ E Explicar como funciona!

54 Dealles asociados con el funcionamieno El balanceo del núcleo se logra con dos capaciores La dificulad esá en la exciación (disparo) del ransisor superior

55 Modo PUENTE Bloquea la corriene coninua Explicar como funciona!

56 Dealles asociados con el funcionamieno en modo puene El balanceo del núcleo se logra con un capacior La dificulad esá en la exciación (disparo) del ransisor superior Se obiene más eficiencia que en el medio puene porque el primario recibe oda la ensión de enrada y se puede obener el doble de poencia (que en el medio puene) Analizar una fuene de PC (A parir de su esquema elécrico unas páginas más adelane)

57 Disparo de los ransisores Se puede uiizar un ransformador de pulsos o un desplazador de nivel para exciar al ransisor superior del medio puene o del puene. Como ejemplo de circuio de exciación por desplazamieno de nivel se cia el IR181 del fabricane Inernaional Recifier. En la hoja siguiene puede verse su diagrama inerno y una aplicación ípica Luego, en el esquema de la fuene para PC, se podrá ver un ejemplo de exciación con ransformador de pulsos

58 Esquema inerno del IR181 Circuio ípico de aplicación Capacior Boosrap

59 Esquema elécrico de una fuene para PC SIMPLIFICADO

60 Esquema elécrico de una fuene para PC