REGULADORES CONMUTADOS

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1 REGUADORES CMUTADOS Reguladores Conmuados os circuios reguladores visos hasa ahora: ineal Serie y ineal Paralelo; rabajan de la misma manera: El elemeno de conrol (ransisor) opera como una resisencia variable que es accionada por la señal de error que surge de comparar la ensión de salida con una referencia, de modo de manener la salida esable. a ensión de salida es siempre menor que la de enrada y una poencia imporane es disipada en el elemeno de conrol [ (V E - V S )]. os reguladores lineales, series y paralelos, sufren cuando deben suminisrar grandes corriene de carga; obeniendo eficiencias muy bajas, ípicamene del 40%. Exise ora manera de generar una ensión regulada, que es fundamenalmene disina a la visa, mediane los reguladores conmuados (Swiching Regulaor o Swiched-mode power supplies SMPS ). En esos un ransisor rabaja como una llave (al core y sauración) que periódicamene aplica, a la carga, oda la ensión noregulada a ravés de un inducor por coros inervalos de iempo. os reguladores conmuados operan a frecuencias iguales o mayores a los 20KHz y básicamene uilizan la energía, en forma de campo magnéico, almacenada en el inducor (1/2 2 ) durane una porción del ciclo de operación para suminisrar poencia a la carga durane el segmeno remanene del ciclo. os reguladores conmuados poseen propiedades que los hacen muy populares. Como el elemeno de conrol esá, ya sea al core o a la sauración, muy poca poencia es disipada en el mismo (Noar: en la expresión P D =V CE. C cuando C es máxima V CE = V CEsa y cuando V CE es máxima C = corriene de pérdida del ransisor al core) aún cuando la diferencia de ensión enre la enrada y la salida sea muy grande. os reguladores conmuados operan a niveles de eficiencia mucho mayores que los lineales, generalmene en el orden del 80%, reduciendo la energía disipada en el proceso de regulación. Pueden generar ensiones a la salida "mayores" a la de la enrada no-regulada y además de polaridad opuesa. Finalmene pueden operar desde la ensión de linea direcamene recificada y filrada sin el ransformador reducor; resulando en diseños muy livianos y compacos, como los uilizados en las populares fuenes de las PC s. os reguladores conmuados poseen sus problemas: Son ruidosos, poseen una imporane canidad de ripple a la salida, son de respuesa más lena ane variaciones rápidas de la carga que los lineales y los circuios resulanes son complejos. En resumen se puede decir que han ganado mucho popularidad en compuadoras personales, aparaos de elevisión, equipos poráiles y de escriorio; con un mercado en permanene expansión. Su uso redunda en fuenes más livianas, menor amaño, ala eficiencia, alo rango de ensiones de enrada y menor coso en alas poencias. En las secciones que siguen se verán las opologías de los circuios reguladores conmuados básicos operando a parir de una fuene no-regulada convencional (Transformador reducor + Recificador + Filro), para finalizar con un circuio que opera direcamene de la ensión de línea recificada y filrada. Clasificación as configuraciones básicas se pueden resumir en: Descenso de Tensión (Sep-down) con ensión de salida menor que la de enrada, Ascenso de Tensión (Sep-up) con ensión de salida mayor que la de enrada e nversores de ensión (nvering) con ensión de salida de polaridad opuesa a la de enrada. Regulaor de Descenso de Tensión (Sep-down) as Figs. 1 y 2, muesran dos diagramas simplificados de un regulador sep-down. Fig.1 El circuio rabaja como sigue: Q 1 es uilizado como una llave, la cual iene inervalos de T y T OFF conrolados por un modulador de ancho de pulso (PWM: Pulse Widh Modulaor), que opera variando el ciclo de rabajo del ransisor (T /T), según el error resulane enre la ensión de salida y la de referencia. Cuando la llave se cierra, (Vin-Vou-V SAT ) se aplica sobre la inducancia, causando un incremeno lineal de la corriene (recordar d/d = V/) que circula a ravés del inducor; esa corriene circulará hacia el capacior y la carga, almacenando energía (1/2 2 ) en forma de campo magnéico. Al final de T, cuando la llave se abre, la corriene sobre la inducancia coninúa circulando en el mismo senido. a corriene por la inducancia no puede cambiar insanáneamene; esa genera una ensión que polariza en direco el diodo, llevándolo a conducción de modo de cerrar el circuio. a inducancia ahora encuenra la ensión Vou+0.6V a ravés de ella con lo cual la corriene decrece linealmene. El capacior de salida acúa como un filro que alisa la diene de sierra, de ripple, que se produce. V00-01 EECTRCA APCADA Pag. 1 de 1

2 REGUADORES CMUTADOS Durane T y despreciando la V SAT en la llave, se puede deducir de (2) el crecimieno de la corriene por la inducancia como: (V = N V OUT ) Considerando que se pare de una corriene inicial igual a cero se puede calcular (ver Fig. 3) como: Fig. 2 Pariendo de la relación para la corriene sobre una inducancia: di V = (1) d Asumiendo que la ensión de salida permanece prácicamene consane durane un período, se puede escribir (1) como: = V (2) Donde se ve que la corriene por la inducancia crecerá o decrecerá a esa velocidad, si no hay sauración de la misma, dependiendo solo del iempo que iene aplicada ensión. En la Fig. 3 se ven las disinas formas de onda, de ensión y corriene, resulanes en disinos punos del circuio de la Fig. 2. (VN VOUT) = (4) Durane el T OFF, si se desprecia la V D, de caída en el diodo, la corriene en la inducancia decaerá según: VOUT OFF - = (5) Asumiendo que la corriene por la inducancia,, alcanza el valor de cero al final de T OFF, la expresión (5) se puede reescribir como: VOUT OFF = (6) gualando (4) y (6) resula la siguiene relación enre la ensión de enrada y de salida: V OUT = V + N OFF = V T N Se puede observar que: as variaciones en la fuene primaria (V N ), debidas a variaciones en la ensión de línea y en la corriene de carga, son compensadas variando el ciclo de rabajo ( /T)del inerrupor (Transisor Q1). V OUT <V N ya que T <T, de allí el nombre de esa configuración de Descenso de Tensión (sep-down). El ciclo de rabajo máximo y el ciclo de rabajo mínimo dependerá de la frecuencia máxima de rabajo del ransisor. Fig. 3 V00-01 EECTRCA APCADA Pag. 2 de 2

3 REGUADORES CMUTADOS Regulaor de Ascenso de Tensión (Sep-up) as Figs. 4 y 5, muesran dos diagramas simplificados de un regulador sep-down. Durane T y despreciando la V SAT en la llave, se puede deducir de (2) el crecimieno de la corriene por la inducancia como: VN = (7) Considerando que se pare de una corriene inicial igual a cero se puede calcular (ver Fig. 6) como: VN = (8) Fig. 4 a operación del circuio se puede resumir como sigue: El ransisor Q1 es uilizado como una llave que alernaivamene aplica V N sobre la inducancia. Durane T, Q1 enra en conducción y la energía es omada de la fuene primaria, V N, y almacenada en la inducancia; D1 esá polarizado en forma inversa y la corriene de carga es suminisrada por el capacior C 0. Cuando Q1 pasa al core, T OFF, la ensión en V A crecerá en forma posiiva hasa el puno donde D1 comience a conducir, permiiendo que la circulación de la corriene por la inducancia coninúe. a corriene de carga es ahora suminisrada por, a ravés de D1 y la carga perdida por C 0 durane el T es recuperada. Fig. 6 Durane el T OFF, si se desprecia la V D, de caída en el diodo, la corriene en la inducancia decaerá según: ( VOUT - VN) OFF - = (9) Asumiendo que la corriene por la inducancia,, alcanza el valor de cero al final de T OFF, la expresión (9) se puede reescribir como: Fig. 5 = ( VOUT VN) OFF (10) Haciendo las mismas consideraciones que en el regulador de Descenso de Tensión para la corriene en la inducancia, ecuación (2), se puede hallar las expresiones para la corriene en, durane T y T OFF. a Fig. 6 se ven las disinas formas de onda, de ensión y corriene, resulanes en disinos punos del circuio de la Fig. 5. gualando (8) y (10) resula la siguiene relación enre la ensión de enrada y de salida: V 1 = + OUT VN OFF V00-01 EECTRCA APCADA Pag. 3 de 3

4 REGUADORES CMUTADOS Se puede observar que: as variaciones en la fuene primaria (V N ), debidas a variaciones en la ensión de línea y en la corriene de carga, son compensadas variando el ciclo de rabajo del inerrupor (Transisor Q1). V OUT >V N ya que V N esá muliplicada por un facor mayor que uno, de allí el nombre de esa configuración, Ascenso de Tensión (sep-up). Se pueden realizar iguales consideraciones sobre el ciclo de rabajo máximo y mínimo, que las realizadas en la configuración Descenso de Tensión. Regulaor nversor (nvering) as Figs. 7 y 8, muesran dos diagramas simplificados de un regulador nvering. Fig. 8 a Fig. 9 se ven las disinas formas de onda, de ensión y corriene, resulanes en disinos punos del circuio de la Fig. 8. Durane T y despreciando la V SAT en la llave, se puede deducir de (2) el crecimieno de la corriene por la inducancia como: VN = (11) Considerando que se pare de una corriene inicial igual a cero se puede calcular (ver Fig. 9) como: VN = (12) Fig. 7 a operación del circuio se puede resumir como sigue: El ransisor Q1 es uilizado como una llave que alernaivamene aplica V N sobre la inducancia. Durane T, Q1 enra en conducción y la energía es omada de la fuene primaria, V N, y almacenada en la inducancia; D1 esá polarizado en forma inversa y la corriene de carga es suminisrada por el capacior C 0. Cuando Q1 pasa al core, T OFF, la inducancia inducirá, en V A, una ensión decreciene hasa el puno donde D1 comience a conducir. Eso permie que la circulación de la corriene por la inducancia coninúe. a corriene de carga es ahora suminisrada por, a ravés de D1 y la carga perdida por C 0 durane el T es recuperada. Haciendo las mismas consideraciones que en el regulador de Descenso de Tensión para la corriene en la inducancia, ecuación (2), se puede hallar las expresiones para la corriene en, durane T y T OFF. Fig. 9 V00-01 EECTRCA APCADA Pag. 4 de 4

5 REGUADORES CMUTADOS Durane el T OFF, si se desprecia la V D, de caída en el diodo, la corriene en la inducancia decaerá según: -VOUT OFF - = (13) Asumiendo que la corriene por la inducancia,, alcanza el valor de cero al final de T OFF, la expresión (13) se puede reescribir como: Amplificador de error (Comparador diferencial de ala ganancia). Circuio de conmuación de salida de ala ensión (Hasa 40V) y ala corriene (Hasa 1.5Amp pico). El disposiivo puede manejar ransisores exernos NPN y PNP cuando la corriene supere 1.5Amp o la V CEO los 40Vol. Un diodo de poencia. Un amplificador operacional no-vinculado. -VOUT OFF = (14) gualando (12) y (14) resula la siguiene relación enre la ensión de enrada y de salida: V OUT = V N OFF Se puede observar que: as variaciones en la fuene primaria (V N ), debidas a variaciones en la ensión de línea y en la corriene de carga, son compensadas variando el ciclo de rabajo del inerrupor (Transisor Q1). V OUT puede ser mayor, menor o igual a V N ya que esá muliplicada por un facor (T /T OFF ) que puede omar un valor mayor, menor o igual a uno. V OUT posee polaridad opuesa a V N (Ver el senido de las corrienes en las Fig. 8 y 9), de allí el nombre de esa configuración, nversora (nvering). Se pueden realizar iguales consideraciones sobre el ciclo de rabajo máximo y mínimo, que las realizadas en la configuración Descenso de Tensión. Reguladores Conmuados con C.. En la acualidad exise oda una generación de C.. que alcanzan a realizar odas las funciones necesarias para la implemenación de un regulador conmuado, uilizando una mínima canidad de componenes exernos. Se pueden mencionar algunos C.. como el MC34060, T494, SG152SA, MAX633, MAX637, MAX638. En paricular se describirá el funcionamieno del M78S40. El C.. M78S40. El M78S40 es un disposiivo universal, que incluye odos los bloque fundamenales, que son necesarios en un regulador conmuado, y permie la implemenación de cualquiera de las configuraciones visas (Sep-down, Sep-up, nvering). os bloque funcionales, ilusrados en la Fig.10 son: Referencia de ensión compensada por emperaura de 1.25V Oscilador con ciclo de rabajo conrolado por un circuio limiador de corriene, acivo. Fig. 10 Conrol de la frecuencia de conmuación: El M78S40 es un disposiivo de frecuencia y ciclo de rabajo variable. a frecuencia inicial de rabajo esa fijada por un capacior exerno de emporización, C T (Según el valor de C T, la frecuencia puede variar en un rango enre 100Hz a 100kHz). El ciclo de rabajo inicial es de 6:1. Tano la frecuencia como el ciclo de rabajo pueden ser modificados por dos mecanismos: el circuio de limiación de corriene ( sense ) y el comparador. El comparador modifica el iempo de OFF. Cuando la ensión de salida es la correca, la salida del comparador esá en esado "alo", y no afeca la operación del circuio. Si la ensión de salida es muy ala la salida del comparador va al esado "bajo". En el esado "bajo" el comparador inhibe el encendido de los ransisores de conmuación de salida. En ano la salida del comparador ese en esado "bajo" el disposiivo permanece en el inervalo de OFF. Noar que cuando la corriene de salida (carga) alcanza su valor máximo, el T OFF alcanza su valor mínimo (A mayor iempo de conducción, mayor valor alcanza la corriene de salida). El comparador puede inhibir desde un ciclo de T hasa varios ciclos del mismo. Una vez que un ciclo de T a comenzado el comparador no puede inhibir hasa el comienzo del próximo ciclo. a limiación de corriene modifica el T. a limiación de corriene se aciva cuando una ensión de 300mV aparece enre los erminales 13 (Vcc) y 14 ( ). Esa ensión es el resulado de la corriene de pico, circulando por la resisencia sensora de corriene R SC. a limiación de corriene acivada provee una rápida V00-01 EECTRCA APCADA Pag. 5 de 5

6 REGUADORES CMUTADOS finalización del T y el inmediao comienzo del T OFF. Generalmene el oscilador esa corriendo libremene y lo que ocasiona la limiación de corriene es un reinicio del ciclo de rabajo (rese); que comienza por T OFF. as Figs. 11, 12 y 13 muesran el uso del M78S40 en las configuraciones Sep-down, Sep-up e nvering respecivamene. Fig. 11 Fig.12 V00-01 EECTRCA APCADA Pag. 6 de 6

7 REGUADORES CMUTADOS Fig. 13 Fuenes Conmuadas con Alimenación Direca de ínea En los exos y manuales se suelen llamar como OFF- NE. Como ya se sabe las fuenes conmuadas ienen un alo rendimieno, aún cuando la diferencia de ensión enre la enrada y la salida sea muy grande. Eso puede ser enendido si se ve al inducor como un "conversor de impedancia" (similar al rabajo de un ransformador en ca), desde que la corriene coninua promedio a la salida, puede ser mayor (sep-down) o menor (sep-up) que la corriene coninua promedio, a la enrada. Eso conrasa con los reguladores lineales, donde los valores promedios de la corriene de enrada y salida son siempre iguales (ignorando las corrienes necesarias para alimenar el circuio regulador). o anes dicho lleva a idea de eliminar el voluminoso y pesado, ransformador - reducor para 50Hz y hacer funcionar el regulador conmuado direcamene desde la ensión de línea, recificada y filrada, como fuene no - regulada. a idea es buena, pero peligrosa pues no exise aislación galvánica enre la línea y la coninua de salida. Eso se soluciona bobinando un secundario al inducor de almacenamieno de energía, que provea la aislación necesaria. a Fig. 14 muesra un diagrama en bloques simplificado del circuio uilizado. Se observa que uiliza un disposiivo de aislación (ya sea un ransformador de pulsos u opo - aislador) para la realimenación desde el disposiivo de conrol al oscilador. El circuio oscilador es alimenado desde la ala ensión coninua no - regulada, mienras que el circuio de conrol lo es desde la salida de coninua regulada. Algunas veces un circuio auxiliar de baja corriene, no regulado y con su propio ransformador en 50Hz, es uilizado para alimenar el circuio de conrol; oras veces se adiciona un circuio de auo - oscilación que rabaja durane el arranque de la fuene, hasa obener la ensión necesaria a la salida para que rabaje el circuio de conrol y ome el mando. Se podría pensar que la venaja de no uilizar el ransformador principal se ve anulada por la necesidad de al menos oros dos ransformadores. No es así. El amaño de los ransformadores esá deerminado fundamenalmene por el amaño del núcleo, el cual decrece dramáicamene a la ala frecuencia de rabajo de las fuenes conmuadas. Además, el maerial uilizado para el núcleo de los ransformadores de ala frecuencia, es el "ferrie"; el cual es mucho más liviano que el hierro laminado de los ransformadores clásicos. V00-01 EECTRCA APCADA Pag. 7 de 7

8 REGUADORES CMUTADOS Fig. 14 Como resulado, las fuenes conmuadas con alimenación direca de línea, son mucho más pequeñas y livianas que sus equivalenes lineales. Como ejemplo, se comparan dos fuenes de la misma marca. El modelo lineal de 5V - 25Amp pesa 8.7Kgr y ocupa cuaro veces el volumen de su hermana conmuada, de 5V - 26Amp que pesa 1.1Kgr. Además la fuene conmuada funciona en frío, y la lineal en caliene, disipando 75W a plena carga. Comenarios generales sobre las fuenes Off- ine. 1. Son excelenes como fuenes de ala poencia. Su alo rendimieno les permie rabajar más frío y la ausencia de ransformadores de baja frecuencia las hace considerablemene más pequeñas y livianas. Esas propiedades las han difundido en las PC s, insrumenos poráiles y en requerimienos de ala poencia. 2. Son ruidosas. Sus salidas poseen ripple del orden de las decenas de milivols, como subproduco de la conmuación. Ese ruido ambién aparece en la línea de alimenación y a veces se orna audible, en aparaos de radio conecados a la línea. Ese problema se soluciona agregando a la enrada de la fuene, un filro pasivo -C; de ala capacidad de corriene, en el caso de las inducacias, y ala seguridad en la ensión de aislación, en el caso de los capaciores. a Fig. 15 muesra la forma ípica, que suelen adopar esos filros. os capaciores con la denominación Cx y Cy son uilizados en las posiciones relaivas indicadas en la Fig. 15. a denominación corresponde a la norma de seguridad que cumplen, respeco a la ensión de aislación ( una falla en el dielécrico del capacior pone en coro la línea de 220Vac). El ruido generado ambién es radiado al medio en forma de ondas elecromagnéicas, ese es combaido mediane el blindaje de la fuene. Fig Se fabrican fuenes conmuadas con múliples ensiones de salida, como las populares fuenes de las PC s. as disinas salidas se obienen adicionando arrollamienos secundarios al ransformador común de salida. En las fuenes de las PC s, la realimenación para la regulación, se oma de la salida de 5Vcc, que es la de mayor corriene, quedando las oras salidas no muy bien reguladas. En general se esablece una regulación cruzada que esablece que, para al porcenaje de variación de la carga en la salida de 5Vcc, que porcenaje varía la ensión en la salida de +12Vcc. Algunas fuenes conmuadas, de salidas múliples, obienen una excelene regulación de las salidas auxiliares; uilizando pos-reguladores lineales para las mismas. 4. Algunas fuenes conmuadas suelen necesiar una carga mínima para su correco funcionamieno. Sin ese requerimieno pueden oscilar, o la salida ir a un valor muy V00-01 EECTRCA APCADA Pag. 8 de 8

9 REGUADORES CMUTADOS alo. Eso hace que, para verificar el funcionamieno de una fuene, se la deba proveer de una carga "BOBA" implemenada con una resisencia. Esa carga debe omar al menos enre el 5 y el 20% de la carga máxima (Fuenes de PC s: 2 Amp sobre +5Vcc, 1 Amp sobre +12Vcc). 5. Tener mucho cuidado cuando se rabaja con fuenes conmuadas; muchos componenes se encuenran a la ensión de línea y pueden ser leales. No se debe conecar el clip de maza del osciloscopio sin que la fuene halla sido aislada de la línea, mediane un ransformador 220:220, en caso conrario se producirá un coro circuio enre la línea y la oma de maza del osciloscopio. Oro puno a considerar, son las ensiones a las cuales se cargan los capaciores que filran la ensión de línea recificada (310Vcc). 6. Durane el encendido las fuenes conmuadas oman una corriene muy ala, debido a la carga inicial de los capaciores de filro (se cargan a 310V). a fala de la inducancia del primario, que limie la corriene inicial, acenúa el problema. Uno de los méodos para limiar esa corriene es colocar un NTC en serie, a la enrada de la fuene. 7. Se desaconseja el uso de fuenes conmuadas para alimenar circuios de señales muy débiles (por ejemplo las ermocuplas que manejan señales de orden de los µv), por el ripple residual que producen a la salida y, para consruir fuenes variables de laboraorio, eso úlimo por lo complejo que resula variar la ensión de salida en márgenes amplios (recordar: Vsal es función del ciclo de rabajo) y por que poseen una regulación más pobre que las fuenes lineales. 8. En la acualidad exise oda una nueva generación de C.. y componenes desarrollados para la implemenación de fuenes conmuadas. os C.. son muy sofisicados y alcanzan a realizar odas las areas de conrol necesarias. En componenes, ano diodos como ransisores biploares e incluso MOS-FET de poencia, son fabricados para soporar elevados niveles medios y máximos no repeiivos de corriene, elevadas ensiones de rupura inversa y son muy rápidos para conmuar (paso de plena conducción a bloqueo). Bibliografía: 1. Tomas. Floyd. "Disposiivos Elecrónicos", 3ª Edición. Ediorial imusa. 2. Horowiz Paul and Winfield Hill. "The Ar of Elecronics". 2ª Edición. Ediorial Cambridge Universiy Press. 3. Bonnin Foreza F. "Fuenes de Alimenación Reguladas Elecrónicamene", 1ª Edición. Ediorial Marcombo. 4. M78S40 Swiching Volage Regulaor Aplicaions, Naional Semiconducor, V00-01 EECTRCA APCADA Pag. 9 de 9