Fuentes Conmutadas Teoría General

Transcripción

1 Fuentes Conmutadas Teoría General Principios de Operación Una fuente de energía DC es regulada usualmente por algún tipo de circuito de retroalimentación que sensa cualquier cambio en la salida DC y efectúa algún tipo de control para compensar este cambio y mantener una salida constante. En un regulador monolítico la salida de voltaje es comparada con un voltaje de referencia y pasada por un amplificador de error. La salida del amplificador de error es usada para controlar el elemento modulador, un transistor que opera variando su punto de operación entre su región lineal o sus dos puntos de corte y saturación. Cuando el transistor de paso opera en su región intermedia de corte y saturación,el regulador opera como un regulador lineal, mientras que al operar en corte y saturación este opera como un regulador de switching. Los modos de corte y saturación son de mayor eficiencia que la operación en la parte lineal por lo que la fuente conmutada tiene mayor eficiencia que la de operación lineal con las fuentes reguladas con solo transformador, puente de diodos, y filtro, se tiene el problema de la eficiencia,donde esta es del orden del 55%, lo que significa que un 45% de esta potencia es disipada en sus elementos para mantener la regulación. 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 cómputo y video.

2 Esto debido a que en la etapa de corte existe un gran voltaje a través del transistor pero baja corriente a través de él, mientras que en la etapa de saturación en transistor tiene bajo voltaje pero alta corriente a través de el. En ambos casos se tiene poca pérdida de potencia y la mayoría de la potencia de entrada es obtenida a la salida y la eficiencia es alta. Oscilador Entrada Volt Ref. + - Logica Control Elemento Control Muestreo Salida En un circuito real un porcentaje cercano al 5% de la potencia de entrada se pierde durante la conmutación del transistor, este efecto puede ser minimizado bajando la frecuencia de conmutación pero esto puede afectar

3 notablemente los modos de conmutación y se requiera una bobina de dimensiones elevadas El proceso de regulación es debido a la variación del ciclo de trabajo que controla la corriente promedio que es transferida a la carga, de modo que a medida que la corriente aumenta cuando la carga lo solicita la regulación se va a mantener. Además de la gran eficiencia de operación se tiene la posibilidad de tener voltajes de salida flexibles ofreciendo voltajes menores y mayores u opuestos al voltaje de entrada. Arquitectura y Bloques Funcionales Cada uno de los modos de operación es construido con los mismos bloques funcionales: *Elemento Conmutador El elemento conmutador usualmente es un transistor bipolar (puede ser oscilador Y S Q Q2 R Q1 - + R Comparador

4 FET), que trabaja en las dos zonas de mayor eficacia,en corte y saturación,lo que trae un ventaja extra, y es que el transistor solo posee tiempos muy cortos durante los transientes en que puede dar una disipación mayor y por lo tanto un posible disipador no será de dimensiones grandes. Por la operación en corte y saturación esto lleva indudablemente a utilizar una onda de tipo cuadrada en la base del transistor para que estos transientes sean lo más rápido posibles. El oscilador genera las señales usadas para el control de la condición de corte-saturación del transistor de conmutación, su frecuencia de oscilación puede ser variada al dimensionar un capacitor externo y sus valores comunes se dan en un rango de 100 Hz a 100 KHz. *El Transistor de Conmutación Es una configuración de tipo Darlington con el colector y emisor llevados a salidas para máxima flexibilidad de diseño.debe tener como característica la capacidad de conmutación de hasta el orden de los 100KHz *Comparador Diferencial De Alta Ganancia Tiene un modo común en una de sus entradas con un voltaje de referencia definido según el integrado, su función es la de hacer una comparación con esta referencia y la señal que es realimentada de la salida *Sistemas de Control La función principal del controles la de proporcionar una señal a la entrada del transistor que se pueda modificar para que pueda provocar que el nivel de rizado a la salida del inductor sea mayor o menor dependiendo de si se disminuye o aumenta la carga respectivamente.

5 Controladores de frecuencia Fija En los controladores de frecuencia fija, el transistor es excitado a una frecuencia constante que es aportada por un oscilador independiente La ejecución de regulación se hace variando la anchura de los pulsos ante una frecuencia constante, en este caso se determina que el tiempo de conducción del transistor no sea mayor del 50% del periodo para evitar oscilaciones no deseables Controladores de frecuencia Variable Estos no poseen un oscilador independiente, donde la frecuencia toma su valor en función de la carga, el nivel de rizado en la salida del covertidor se regula directamente con la frecuencia,un controlador regulado por voltaje bien conocido es el LM566 (VCO) *Diodo de Conmutación Este diodo permite o inhibe el paso de corriente a través de la bobina y el capacitor,esto ante cambios definidos en el sistema de conmutación y debe tener la capacidad de alta conmutación. Otra función de este diodo es la de evitar corrientes inversas que puedan dirigirse hacia el transistor de conmutación. Análisis de Topologías Operación Reductora: Tienen una alta eficiencia,su salida será siempre inferior a la de entrada como en la mayoría de los reguladores de fuentes de potencia, este tipo de circuito tiende a crear una cantidad de ruido relativamente grande en la línea de entrada, debido a que la conmutación es rápida y la corriente que sale de la fuente es la corriente media del inductor,sin embargo a la salida del circuito el ruido que se detecta es muy bajo dado que el condensador se carga en ambas partes del ciclo, el inductor se calcula para una corriente de

6 pico determinada, pero la corriente de salida debe calcularse que se mantenga en un nivel no mayor de la mitad del valor pico que pasa por el inductor. Esta se ilustra en la figura siguiente. Cuando el interruptor esta cerrado, el voltaje de entrada es aplicado al filtro LC, haciendo que la corriente sobre la bobina y el capacitor se incremente. Cuando el interruptor se abre la energía almacenada en el inductor mantiene el flujo de corriente a la carga a través del diodo. Este filtro LC va a presentar ante la carga un promedio de voltaje aproximadamente constante. Vin IL Vout Configuración Reductora Las formas de onda del Voltaje en el punto a y la corriente en el capacitor se muestran a continuación:

7 Va On Off On Ic Ipk/ 2 Asumamos que antes que se cierre la operación del transistor de conmutación se tiene la condición de : Il = 0, Cuando se cierra el interruptor se tiene Va = Vin Vsat donde Vsat es el voltaje de saturación del interruptor A la vez se tiene que el diodo es inversamente polarizado y la corriente a través de la bobina esta dada por la taza: di/dt = Vl / L =(Vin-Vsat-Vout)/L La corriente a través del inductor continua incrementándose a la razón de que el interruptor se mantenga cerrado y el inductor no se sature.

8 Asumiendo que la salida de voltaje de un ciclo completo no cambia significativamente, esta taza puede considerarse constante y la corriente a través del inductor en cualquier instante será : Il = (Vin Vsat-Vout)*t / L Al fin del tiempo cerrado, el interruptor se abrirá, pero la corriente en el inductor no variará instantáneamente y se generará un voltaje que polarizará el diodo. El Voltaje en el punto a será: Va = -Vd La corriente a través del inductor ahora decae a la razón de : Di / dt = Vl / L= - (Vd+Vout) / L La corriente a través del inductor en cualquier momento, mientras en interruptor esta abierto será: Definiremos la suma de corrientes : IL = Ic + Iout Il=Ipk- (Vd+Vout)*t / L Tomando sus derivadas o cambios equivalentes en el tiempo IL = Ic + Iout Pero Iout es constante, entonces: IL = Ic

9 Por lo que concluimos en los tiempos de on y off de interruptor: Sii, IL = Iout Entonces, Ic = 0 Sii, IL = 0 Entonces, Ic = - Iout Para que el voltaje a través del capacitor se mantenga constante, la energía adquirida del inductor debe ser igual a la energía robada al capacitor. Analizando la forma de onda de la corriente en el capacitor podemos definir que el voltaje en el capacitor es el área bajo la curva (integral de la señal) y que este es el voltaje que se encuentra el paralelo con la carga. Operación Inversora Este circuito suministra una tensión negativa a partir de una tensión positiva en la entrada, produce un nivel de ruido relativamente alto en la línea de alimentación, pero tiene la ventaja que se pueden obtener tensiones de salida mayores que las tensiones de entrada. Vin Vout IL Ic Configuración Inversora

10 Durante el ciclo de carga (interruptor cerrado), el inductor se alimenta solo del potencial de entrada y al igual que la configuración elevadora la entrada no aporta contribución a la carga ni a la corriente de salida. En la figura anterior se muestra la operación inversora.para analizar asumiremos la condición que es verdadera antes de cerrar el interruptor Il = 0 Cuando se cierra el interruptor el voltaje en el punto a será: Va = Vin Vsat Donde Vsat es el voltaje de saturación del interruptor. En este momento el diodo esta inversamente polarizado y la corriente a través del inductor se incrementa a la razón de : dil/dt = Vl/L = (Vin-Vsat)/L La corriente en el inductor en cualquier instante será: IL = (Vin-Vsat)*t / L Y se tiene que Ipk es igual a IL evaluado en el tiempo donde se abre el interruptor Cuando el interruptor se abre, el inductor genera un voltaje que polariza al diodo y el voltaje en el punto a será: Va = Vout Vd La corriente en el inductor decae a una razón de : dil/dt = VL/L= (Vout-Vd)/L La corriente en el inductor y el diodo en cualquier instante será : IL = Ipk + VL/L * t

11 Operación Elevadora Llamada de tipo reforzador o paralelo, este circuito logra en la salida de la fuente un voltaje mayor que el voltaje en la entrada y con igual polaridad, en comparación con el circuito reductor su nivel de ruido interno es menor pero introduce mayor ruido en la salida. Durante el ciclo de carga (interruptor cerrado)el inductor se alimenta directamente del potencial de entrada y el diodo esta inversamente polarizado y no permite que el inductor supla de energía a la carga, lo que hace que no se entregue energía a la carga ni al capacitor, es por esto que son más representativos los picos de corriente en la carga Vin IL Vout IC Configuración Elevadora La figura anterior ilustra esta configuración. Al igual que antes empezaremos por analizar en el momento en que el interruptor se encuentra cerrado IL = 0 Cuando el interruptor se cierra el voltaje en el punto a será :

12 Va = Vsat Donde Vsat es el voltaje de saturación en el interruptor A la vez el diodo es inversamente polarizado y la corriente a través del inductor se incrementa a la razón de : DIL/dt = Vl/L=(Vin-Vsat)/L Esto hasta que el interruptor se encuentre cerrado y el inductor no se sature, se tendrá la corriente en cualquier instante: IL = (Vin-Vsat)*t / L Y se tiene que Ipk es igual a IL evaluado en el tiempo donde se abre el interruptor. Cuando el interruptor se abre, el inductor genera un voltaje que polariza el diodo y el voltaje en el punto a será: Va=Vout + Vd, La corriente a través del inductor decaerá a la razón de : dil/dt=vl/l= (Vin-Vd-Vout)/L La corriente en el inductor y el diodo en cualquier instante mientras el interruptor este abierto será: IL= Ipk-(Vout+Vd-Vin)*t / L

13 Bibliografía: National Semiconductor.Aplication Notes J,spencer,P,Wilson.Regulated Sources W,Serrano.Fuentes Reguladas de Conmutación.1985