DISEÑO DE UNA FUENTE CONMUTADA PARA PC

Transcripción

1 DISEÑO DE UNA FUENTE CONMUTADA PARA PC Se pretende diseñar una fuente para uso en una computadora personal que entregue voltajes de salida de 5 y, usando como topología una fuente de conmutada del tipo FORWARD-FYBACK. ESPECIFICACIONES DE DISEÑO Fuente conmutada: Salida 0 A A Regulación de línea de 5% Regulación de carga de % DISEÑO A continuación se presenta un diagrama de bloques del diseño que se ha de implementar: Figura 4. Diagrama en Bloque Fuente PC.

2 Como se puede ver el circuito consta de seis partes principales las cuales son: Etapa común, la cual es la toma desde la fuente de corriente alterna, el rectificador y el dispositivo de conmutación. Salida regulada de 5 a 0 A. Salida regulada de a A. Control del ciclo de trabajo de la fuente. Control de la frecuencia. Modulador de ancho de pulso. Para lograr tener un voltaje DC a la entrada se la fuente, se rectificará y filtrará el voltaje de la línea AC, como se muestra en la siguiente figura: Figura5. Puente rectificador. Se diseña el circuito para que rectifique la onda AC, de entrada y luego la filtre, resultando en un valor DC de 50, para esto se usa la siguiente ecuación: C 4 I 3 f rp p dc * m * 57.98µ F (0)(0) 55 DC µ 4 F Para un voltaje de rizo (p-p) de 5, una frecuencia de 0 Hz, un voltaje medio (m) de 55, una corriente (Idc) de 0,5 A, y un voltaje DC de 50 se tiene que el capacitor debe ser:

3 C 4* Idc 3 f rp p dc * m 4 * 0.5 3(0)(0) 57.98µ F 5. 8µ F TOPOOGÍA DE A ETAPA DE POTENCIA a topología para implementar la etapa de potencia en esta fuente es la de Forward-Flyback, la idea fundamental de esta topología es aprovechar la energía de desmagnetización del transformador para ser consumida en la carga R. Además en esta topología se van a tener dos tensiones de salida completamente reguladas, la tensión va a depender del ciclo de trabajo, y la tensión va a depender del ciclo de trabajo y de la frecuencia de conmutación del transistor; para lograr esto es suficiente que el semiconvertidor Forward opere en modo de conducción continuo, mientras que el Flyback debe operar en modo de conducción discontinuo. Figura6. Etapa de Potencia.

4 REGUACIÓN DE AS SAIDAS Según el diagrama de bloques representado al principio de esta exposición, es preciso cerrar las dos realimentaciones. El control del ciclo de trabajo se efectuará captando la tensión de salida, puesto que esta solo depende de este parámetro, mientras que el control de la frecuencia se hará a partir de la salida, pues una vez fijado el ciclo de trabajo esta tensión solo dependerá de la frecuencia. CONTRO DE CICO DE TRABAJO Para este caso se implementará un PID, realizado con un 74, como se observa en la figura: fz fz πr C πr C fp fp 0 R + R3 π C R R 0 3 Figura7. Control Ciclo de Trabajo. CONTRO DE A FRECUENCIA Para este segundo caso, se ha diseñado simplemente un regulador PI, porque se trata de estabilizar un sistema de primer orden

5 Figura8. Control de Frecuencia. CIRCUITO DE CONTRO a función de este circuito es la de proporcionar al interruptor de potencia la señal rectangular necesaria para el correcto funcionamiento del circuito, en función de dos voltajes de control d (procedente del regulador de ciclo de trabajo) y f (procedente del regulador de frecuencia). Por lo tanto la onda de control se podrá modificar en función de dos parámetros de control, además este circuito deberá ser capaz de proporcionar la corriente necesaria para el conmutador. OSCIADOR CONTROADO POR OTAJE (CO) Para su implementación se utilizará el M566, su misión es la de generar ondas triangulares y cuadradas a una frecuencia proporcional a un voltaje de control. Esta frecuencia es de muy fácil ajuste ya que depende además de una resistencia y un capacitor conectados externamente al circuito.

6 Figura9. Oscilador controlado por oltaje. Este circuito integrado fue escogido por sus características de estabilidad y fácil implementación. COMPARADOR Para implementar esta topología se usará un M3, al cual se le introducirá por su patilla no inversora la señal triangular procedente del 566, y por su patilla inversora un voltaje continuo d obteniéndose a la salida de este un tren de pulsos debido a la comparación de las dos señales, es decir, cada vez que la señal triangular supere el voltaje de referencia d el comparador se saturará al voltaje de alimentación, mientras que de lo contrario se saturará al voltaje de alimentación negativo. Como este comparador posee una topología de colector abierto habrá que adicionar además una resistencia de Pull-up conecta al voltaje de alimentación positiva a la salida del operacional.

7 Figura 0. Comparador. SEECCIÓN DE A FRECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO a elección de la frecuencia de funcionamiento depende del tiempo de conmutación del transistor a usar, así no importa que tan alta se desee siempre se tendrá esa limitante. Debido a que la frecuencia de conmutación será establecida por el semiconvertidor Flyback una vez que el ciclo de trabajo haya sido fijado por el convertidor forward, la elección de la frecuencia de funcionamiento se hará con relación al convertidor Flyback. Para un convertidor Flyback (retroceso) se tiene que: Donde: f t t + ( T + T ) * in 0 max 0 min00n 0 min + t t es el tiempo de conmutación del transistor. T es el nivel de variación de la entrada.

8 Ahora, para un Tt de 5 ns, una variación en la línea de ±5%, y una variación en la salida de ±%, sustituyendo los valores en la ecuación se va a tener que: f 5*0 9 50(5 + 5).76*00N.4 *.76 + f DISEÑO DE TRANSFORMADOR El correcto funcionamiento del convertidor depende del adecuado dimensionamiento del transformador, es por esto que hay que prestar especial cuidado en su diseño. Cuando el transistor esté saturado este trabajará normalmente en la fuente Forward, pero cuando el transistor se corte el transformador hará las veces de bobina en el semiconvertidor Flyback. De las especificaciones de diseño impuestas se pueden determinar las siguientes constantes: N * 0 in 50 M 50 in 0.08 Si se hace que el ciclo de trabajo de la fuente sea igual 0.4, y se calcula el parámetro:

9 γ R 50Ω 3.33* 0 f.75khz 4 Se puede calcular la inductancia del primario del transformador mediante la ecuación: d γ 3.33* mH M 0.08 Para implementar el transformador se usa el núcleo de Siemens N7 de ferrita, tamaño E30, que posee un margen de variación de 0 a 00 Khz y un área efectiva Ae60 mm. Se sabe que la densidad de flujo magnético en el transformador durante un período de conmutación es: B max in na dt e Ahora, como no se sabe cual es el valor de n, se hace n, y con esto se calcula la densidad de flujo: B dt 50*0.4 *.33* in max nae Ahora, se puede calcular una condición para el factor de inductancia del núcleo, el cual va a determinar el ancho del alambre con el que se harán los enrollados: A A e B max in f γ M

10 Sustituyendo los valores en la última ecuación se obtiene que A < 0.57 H, se escoge un A 600nH, con lo que se obtiene para el núcleo escogido un g0. mm. Ahora se puede calcular el número de vueltas por devanado usado las siguientes ecuaciones: n n n N d γ A A d A Donde n, n y n son el número de vueltas del devanado principal, el de la fuente Forward y el de la fuente Flyback respectivamente. CÁCUO DE A INDUCTANCIA PARA E SEMICONERTIDOR FORWARD Se sabe que cuanto mayor sea la corriente de carga a la cual la tensión de salida aumenta en forma indeseable es menor, la corriente pico en el transistor es menor, aumenta el tamaño y el peso de la fuente, y disminuye la rapidez de reacción de la fuente frente a cambios en la carga. Es por esto que es necesario calcular el valor mínimo de la inductancia en función de los parámetros, para esto se cuenta con la ecuación: + T + 00 N P t tt T 5 9 5* * *0 (.7).68 in t 5 min 0 min uH

11 Además para tener en salida una corriente máxima de 0 A se debe cumplir que: uh uh d T P I f d T max max + Entonces se escoge un inductor de 38 µh. DISEÑO FINA Figura. Circuito final fuente PC.