Una fuente conmutada es un dispositivo electrónico que transforma energía eléctrica mediante transistores en conmutación. Mientras que un regulador de tensión utiliza transistores polarizados en su región activa de amplicación, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutándolos activamente a altas frecuencias frecuencias (2!" #ilociclos típicamente$ entre corte (a%iertos$ & saturación (cerrados$. 'a forma de onda cuadrada resultante es aplicada a transformadores con ncleo de ferrita (los ncleos de )ierro no son adecuados para estas altas frecuencias porque tienen muc)as pérdidas de%ido a corrientes de *oucault & so%re todo por las grandes pérdidas por )istéresis+ )a& que recordar que una curva de saturación normal de acero cocido corresponde a un material con característica característica dura & alta densidad de u-o$ para o%tener uno o varios volta-es de salida de corriente alterna (/$ que luego son recticados (con diodos rápidos$ & ltrados (inductores & condensadores$ para o%tener los volta-es de salida de corriente continua ($. 'as venta-as de este método inclu&en menor tama0o & peso del ncleo, ma&or eciencia & por lo tanto menor calentamiento. 'as desventa-as comparándolas con fuentes lineales es que son más comple-as & generan ruido eléctrico de alta frecuencia que de%e ser cuidadosamente minimizado para no causar interferencias a equipos pró1imos a estas fuentes. as fuentes conmutadas pueden ser clasicadas en cuatro tipos alimentación /, salida recticador, conmutador, transformador, recticador de salida, ltro. (3-. fuente de alimentación de ordenador ordenador de mesa$ alimentación /, salida / variador de frecuencia, conversor de frecuencia. (3-. variador de motor$ alimentación , salida / inversor (3-. generar 22 v45 ciclos a partir de una %atería de "2 v$ alimentación , salida conversor de volta-e o de corriente. corriente. (3-. cargador de %aterías de celulares para auto$ omparación entre *uentes de alimentación conmutadas & lineales6editar7
8a& dos tipos principales de fuentes de alimentación reguladas disponi%les conmutadas & lineales. 'as razones por las cuales elegir un tipo o el otro se pueden resumir como sigue. 9ama0o 9ama0o & peso : las fuentes de alimentación alimentación lineales utilizan un transfor transformador mador funcionando a la frecuencia de 5 o ; 8z. 3ste transformador de %a-a frecuencia es varias veces más grande & más pesado que un transformador correspondiente de fuente conmutada, el cual funciona en frecuencias típicas de 5 <8z a " M8z. 'a tendencia de dise0o es de utilizar frecuencias frecuencias cada vez más altas mientras los transistores lo permitan para disminuir el tama0o de los componentes pasivos (condensadores, inductores, transformadores$. =olta-e de la salida : las fuentes de alimentación lineales regulan la salida usando un volta-e más alto en las etapas previas & luego disipando energía como calor para producir un volta-e más %a-o, regulado. 3sta caída de volta-e es necesaria & no puede ser eliminada me-orando el dise0o. 'as fuentes conmutadas pueden producir volta-es de salida que son más %a-os que el volta-e de entrada, más altos que el volta-e e incluso inversos al volta-e de entrada, )aciéndolos versátiles & me-or adapta%les a volta-es de entrada varia%les. 3ciencia, calor, & energía disipada ! Una fuente lineal regula el volta-e o la corriente de la salida disipando el e1ceso de energía como calor, lo cual es inecaz. Una fuente conmutada usa la se0al de control para variar el anc)o de pulso, tomando de la alimentación solamente la energía requerida por la carga. 3n todas las topologías de fuentes conmutadas, se apagan & se encienden los transistores completamente. /sí, idealmente, las fuentes conmutadas son " > ecientes. 3l nico calor generado se da por las características características no ideales de los componentes. ?érdidas en la conmutación en los transistores, resistencia directa de los transistores saturados, resistencia serie equivalente en el inductor & los condensadores, condensadores, & la caída de volta-e por el recticador %a-an la eciencia. @in em%argo, optimizando el dise0o, la cantidad de energía disipada & calor pueden ser reducidos al mínimo. Un %uen dise0o puede tener una eciencia de conversión de A5 >. 9ípicamente B5!C5 > en fuentes de entre "! 5 D. 'as fuentes conmutadas más ecientes utilizan recticación síncrona (transistores Mosfet saturados durante el semiciclo adecuado reemplazando diodos$. omple-idad ! un regulador lineal consiste en ltima instancia en un transistor de potencia, un E de regulación regulación de volta-e & un condensador de ltro de ruido. 3n cam%io una fuente conmutada contiene típicamente un E regulador, uno o varios transistores & diodos de potencia como así tam%ién un transformador, inductores, & condensadores de ltro. Mltiples volta-es se pueden generar a partir del mismo ncleo de transformador. ?ara ello se utiliza el control por anc)o de pulso de entrada aunque las diferentes salidas pueden tener dicultades para la regulación de carga. /m%os necesitan una selección cuidadosa de sus transformadores. 3n las fuentes conmutadas de%ido al
funcionamiento a altas frecuencias las pérdidas en las pistas del circuito impreso por inductancia de perdida & las capacidades parásitas llegan a ser importantes. Enterferencia por radiofrecuencia ! 'a corriente en las fuentes conmutadas tiene cam%ios a%ruptos, & contiene una proporción grande de componentes espectrales de alta frecuencia. a%les o pistas largas entre los componentes pueden reducir la ecacia de alta frecuencia de los ltros a condensadores en la entrada & salida. 3sta corriente de alta frecuencia puede generar interferencia electromagnética indesea%le. *iltros 3ME & %linda-es de F* son necesarios para reducir la interferencia. 'as fuentes de alimentación lineales no producen generalmente interferencia, & se utilizan para proveer de energía donde la interferencia de radio no de%e ocurrir. Fuido electrónico en los terminales de salida de fuentes de alimentación lineales %aratas con po%re regulación se puede e1perimentar un volta-e de / peque0o GmontadoH so%re la de dos veces la frecuencia de alimentación ("4"2 ciclos$. 3sta GondulaciónH (ripple en inglés$ está generalmente en el orden de varios milivoltios, & puede ser suprimida con condensadores de ltro más grandes o me-ores reguladores de volta-e. 3ste volta-e de / peque0o puede causar pro%lemas o interferencias en algunos circuitos+ por e-emplo, cámaras fotográcas análogas de seguridad alimentadas con este tipo de fuentes pueden tener la modulación indeseada del %rillo & distorsiones en el sonido que produce zum%ido audi%le. 'as fuentes de alimentación lineales de calidad suprimirán la ondulación muc)o me-or. 3n cam%io las fuentes conmutadas no e1)i%en generalmente generalmente la ondulación en la frecuencia de la alimentación, sino salidas generalmente más ruidosas a altas frecuencias. 3l ruido está generalmente relacionado relacionado con la frecuencia de la conmutación. Fuido acstico ! 'as fuentes de alimentación lineales emiten típicamente un zum%ido dé%il, en la %a-a frecuencia de alimentación, pero ésta es raramente audi%le (la vi%ración de las %o%inas & las c)apas del ncleo del transformador suelen ser las causas$. 'as *uentes conmutadas con su funcionamiento muc)o más alto en frecuencia, no son generalmente audi%les por los seres )umanos (a menos que tengan un ventilador, como en la ma&oría de las computadoras personales$. 3l funcionamiento incorrecto de las fuentes conmutadas puede generar sonidos agudos, &a que genera ruido acstico en frecuencia su%armónico del oscilador. *actor de potencia las fuentes lineales tienen %a-o factor de potencia porque la energía es o%tenida en los picos de volta-e de la línea de alimentación. 'a corriente en las fuentes conmutadas simples no sigue la forma de onda del volta-e, sino que en forma similar a las fuentes lineales la energía es o%tenida solo de la parte más alta de la onda sinusoidal, por lo que su uso cada vez más frecuente en computadoras personales & lámparas uorescentes se constitu&ó en un pro%lema creciente para la distri%ución de energía. 31isten fuentes conmutadas con una etapa previa de corrección del factor de potencia que reduce grandemente este pro%lema & son de uso o%ligatorio en algunos países particularmente europeos a partir de determinadas potencias.
Fuido eléctrico so%re la línea de la alimentación principal puede aparecer ruido electrónico de conmutación que puede causar interferencia con equipos de /4= conectados en la misma fase. 'as fuentes de alimentación lineales raramente presentan este efecto. 'as fuentes conmutadas %ien dise0adas poseen ltros a la entrada que minimizan minimizan la interferencia interferencia causada en la línea de alimentación principal. o& en día la ma&oría de los equipos de acionados utilizan alimentaciones alimentaciones de "2 o "I,C=. 3l avance de la tecnología )a llevado tam%ién a que estos equipos cuenten con un alto grado de sosticación & por lo tanto sean mu& sensi%les a so%retensiones, so%retensiones, cam%ios %ruscos o ruido en las tensiones de alimentación. 3sto )a )ec)o imprescindi%le el empleo de fuentes de alimentación reguladas que garanticen la esta%ilidad de la tensión que ingresa al equipo. ?or otra parte, para poder lograr potencias de salida del orden de los " Dats con las %a-as tensiones requeridas por los transistores actuales ("2 =olts$ se requieren altas corrientes de alimentación (2 /mperes o más$. 3sto nos o%liga a tomar determinadas precauciones (ca%les gruesos, %ornes grandes, etc.$ e impone un fuerte desafío en el dise0o de las fuentes reguladas incrementando su costo. 9al 9al vez sea por estos motivos que la construcción construcción casera casera de fuentes de alimentación reguladas no sea una práctica comn entre los radioacionados. @in em%argo la tecnología de las computadoras personales, & la gran reducción de costos que se )a venido o%servando en sus componentes, nos permite permite )o& armar en casa una fuente de alimentación regulada de características mu& superiores a otras que se encuentran en el mercado a sólo una fracción del costo de una fuente comercial. JKL39E=J 3N3F/' Oiferenciar entre una fuente comn & una conmutada Edenticar las aplicaciones de una fuente conmutada tanto dentro como fuera de la industria
onocer la perspectiva a corto, mediano & largo plazo de las fuentes conmutadas JKL39E=J ?/F9EU'/F onocer las características principales de una fuente conmutada Edenticar los componentes de una fuente conmutada Oise0ar una fuente conmutada onocer los procedimientos matemáticos para el dise0o de una fuente conmutada Marco )istórico Femontándonos un poco en la )istoria descri%iremos que en la industria no se conta%a con equipos eléctricos, luego se empezaron a introducir dispositivos eléctricos no mu& sosticados por lo que no eran mu& sensi%les a so%retensiones, luego llegaron los equipo más modernos que necesita%an de %a-os volta-es por lo que se inicio la construcción de fuentes de alimentación que proporcionaran proporcionaran el volta-e suciente de estos dispositivos. 'a tecnología avanzo, claro me-ores equipos para la industria & el )ogar pero esto contri%u&o a que los dispositivos electrónicos electrónicos fueran más sensi%les a so%retensiones por lo que sé tu%o que dise0ar fuentes reguladas que garanticen el volta-e necesario para el %uen funcionamiento de estos dispositivos. principales limitaciones 3n la %i%lioteca de la escuela no se tiene la información adecuada acerca del tema, por lo que fue necesario %uscar la información en el tecnológico. 3n Enternet la %squeda se diculto &a que solo se encontra%a información de fuentes conmutadas de las tiendas que venden este producto, tam%ién se
encontra%a nicamente temarios de tecnológicos & universidades universidades pero solamente eso GtemariosH. 'os compa0eros se nega%an & con muc)a razón a pasar información. JN*EUF/EJN3@ KP@E/@ 'as fuentes conmutadas son de circuitos relativamente comple-os, pero podemos siempre diferenciar cuatro %loques constructivos %ásicos *uentes conmutadas 3n el primer %loque recticamos & ltramos la tensión alterna de entrada convirtiéndola en una continua pulsante. 3l segundo %loque se encarga de convertir esa continua en una onda cuadrada de alta frecuencia (" a 2 #8z.$, 'a cual es aplicada a una %o%ina o al primario de un transformador. 'uego el segundo %loque rectica & ltra la salida de alta frecuencia del %loque anterior, entregando así una continua pura. 3l cuarto %loque se encarga de comandar la oscilación del segundo %loque. 3ste %loque consiste de un oscilador de frecuencia -a, una tensión de referencia, un comparador de tensión & un modulador de anc)o de pulso (?DM$. 3l modulador reci%e el pulso del oscilador & modica su ciclo de tra%a-o segn la se0al del comparador, el cual cote-a la tensión contínua de salida del tercer %loque con la tensión de referencia. /claración ciclo de tra%a-o es la relación entre entre el estado de encendido & el estado de apagado de una onda cuadrada. 3n la ma&oría de los circuitos de fuentes conmutadas encontraremos el primer & el cuarto %loque como elementos invaria%les, en cam%io el cuarto & en segundo tendrán diferentes diferentes tipos de conguraciones. conguraciones. / veces el cuarto %loque será )ec)o con integrados & otras veces nos encontraremos con circuitos totalmente transistorizados. transistorizados. 3l segundo %loque es realmente el alma de la fuente & tendrá conguraciones %ásicas KU< , KJJ@9, KU< KU
*uentes conmutadas Kuc# el circuito interrumpe la alimentación & provee una onda cuadrada de anc)o de pulso varia%le a un simple ltro '. 'a tensión apro1imada es =out Q =in R ciclo de tra%a-o & la regulación se e-ecuta mediante la simple variación del ciclo de tra%a-o. 3n la ma&oría de los casos esta regulación es suciente & sólo se de%erá a-ustar levemente la relación de vueltas en el transformador para compensar las pérdidas por acción resistiva, la caída en los diodos & la tensión de saturación de los transistores de conmutación. Koost el funcionamiento es más comple-o. Mientras el Kuc# almacena la energía en una %o%ina & éste entrega la energía almacenada más la tensión de alimentación a la carga. Kuc#!Koost los sistemas conocidos como *l&%ac# son una evolución de los sistemas anteriores & la diferencia fundamental es que éste entrada a la carga sólo la energía almacenada en la inductancia. 3l verdadero sistema Koost sólo puede regular siendo =out ma&or que =in, mientras que el *l&%ac# puede regular siendo menor o ma&or la tensión de salida que la de entrada. 3n el análisis de los sistemas Koost comenzamos por sa%er que la energía que se almacena en la inductancia es entregada como una cantidad -a de potencia a la carga ?o Q ( ' ES fo$ 4 2 + E es la corriente de pico en la %o%ina, fo es la frecuencia frecuencia de tra%a-o, ' es el valor de la inductancia. 3ste sistema entrega siempre una cantidad -a de potencia a la carga sin -arse en la impedancia de la carga, por eso es que el Koost es mu& usado en sistemas de as) fotográcos o en sistemas de ignición del automotor para recargar la carga capacitiva, tam%ién es usado como un mu& %uen cargador de %aterías. ?ero cuando necesitamos alimentar un sistema electrónico con carga resistiva de%emos conocer mu& %ien el valor de resistencia para poder calcular el valor de la tensión de salida =o Q ( ?o.Fl $T Q E ( ' fo Fl $T, donde Fl es el valor de resistencia del circuito. 3n este caso la corriente de la %o%ina es proporcional al tiempo de conectado o al ciclo de tra%a-o del conmutador & la regulación para cargas -as se realiza por variación del ciclo de tra%a-o. JN*EUF/EJN3@ KP@E/@ F3JM3NO/O/@ 'as conguraciones más recomendadas por los fa%ricantes se diferencian en potencia, modo, precio, utilidad & calidad. @on mu& comunes las siguientes conguraciones
EFUE9J ! ?J93NE/ onvertidores O (Kuc#$ ! 5 Datts *l&%ac# ! 5 Datts *orVard (Koost$ ! " Datts 8alf!Kridge ! 2 Datts *ull!Kridge ! 5 Datts *'WK/< *'WK/< W *JFD/FO *JFD/FO (KJJ@9$ (KJJ @9$ Fango desde 5 )asta 25 vatios. =ariación del volta-e de entrada =in X">, !2> 3ciencia del convertidor ) Q C> Fegulación por variación del ciclo de tra%a-o d(ma1$ Q .Y Má1. corriente de tra%a-o en el transistor EV Q 2 ?out 4 ( ) d(ma1$ =in(min$ ".Y" $ Q 5.5 ?out 4 =in (*'WK/<$ EV Q ?out 4 ( ) d(ma1$ =in(min$ ".Y" $ Q 2.25 ?out 4 =in (*JFD/FO$
Má1. tensión de tra%a-o del transistor =V Q 2 =in(ma1$ ".Y" X tensión de protección onguración %ásica *uentes conmutadas 3n el regulador &%ac# se puede variar sutilmente el modo de tra%a-o, contínuo o discontinuo. Modo Oiscontínuo es el modo Koost estrictamente, estrictamente, donde la energía se vacía completamente completamente del inductor antes de que el transistor vuelva a encenderse. Modo ontínuo antes que la %o%ina se vacié enciende nuevamente el transistor. 'a venta-a de este modo radica en que el transistor sólo necesita conmutar la mitad de un gran pico de corriente para entregar la misma potencia a la carga. *uentes conmutadas 3l regulador *orVard diere del *l&%ac# en que agrega un diodo más para ser usado como diodo de li%re rodado en el ltro ' & un devanado más en el transformador para lograr el reesta%lecimiento. racias a todo esto puede entregar potencia a la carga mientras el transistor está encendido. 3l ciclo de tra%a-o no puede superar el 5>. *uentes conmutadas ?U@8!?U'' Fango desde " )asta 5 vatios. =ariación del volta-e de entrada =in X">, !2>
3ciencia del convertidor ) Q C> Fegulación por variación del ciclo de tra%a-o d(ma1$ Q .C Má1. corriente de tra%a-o en el transistor EV Q ?out 4 ( ) d(ma1$ =in(min$ ".Y" $ Q ".Y ?out 4 =in (*JFD/FO$ Má1. tensión de tra%a-o del transistor =V Q 2 =in(ma1$ ".Y" X tensión de protección onguración %ásica *uentes conmutadas 8/'*!KFEO3 Fango desde " )asta 5 vatios. =ariación del volta-e de entrada =in X">, !2> 3ciencia del convertidor ) Q C> Fegulación por variación del ciclo de tra%a-o d(ma1$ Q .C Má1. corriente de tra%a-o en el transistor EV Q 2 ?out 4 ( ) d(ma1$ =in(min$ ".Y" $ Q 2.C ?out 4 =in (*JFD/FO$ Má1. tensión de tra%a-o del transistor =V Q =in(ma1$ ".Y" X tensión de protección
onguración %ásica *uentes conmutadas Jpcionalmente agregando un capacitor de acoplamiento *uentes conmutadas *U''!KFEO3 Fango desde 5 )asta " vatios. =ariación del volta-e de entrada =in X">, !2> 3ciencia del convertidor ) Q C> Fegulación por variación del ciclo de tra%a-o d(ma1$ Q .C Má1. corriente de tra%a-o en el transistor EV Q ?out 4 ( ) d(ma1$ =in(min$ ".Y" $ Q ".Y ?out 4 =in (*JFD/FO$ Má1. tensión de tra%a-o del transistor =V Q =in(ma1$ ".Y" X tensión de protección onguración %ásica *uentes conmutadas
*uentes conmutadas vs. fuentes lineales Kásicamente e1isten dos formas de realizar una fuente de alimentación regulada. Una de ellas consiste en )acer una fuente que entregue ma&or tensión de la requerida a la salida. 3ntre la fuente & la carga se coloca un dispositivo regulador que no )ace otra cosa que disminuir la tensión de la fuente )asta un valor deseado manteniéndolo constante. ?ara lograr esto, se utilizan transistores que tra%a-an como resistencias varia%les. Oe esta manera, parte de la potencia de la fuente llega a la carga & parte se transforma en calor que se disipa luego en el aire. / estos dispositivos se los denomina reguladores lineales & se caracterizan por generar %astante calor para potencias medianas & altas (gura "$. *uentes conmutadas Jtro tipo de reguladores son capaces de tomar de la fuente sólo la potencia que la carga requiere. Oe esta manera, prácticamente no )a& potencia disipada en forma de calor & por ello su eciencia es muc)o ma&or. 3l principio de funcionamiento de estos reguladores consiste en transformar la tensión continua de la fuente en una serie de pulsos que tienen un anc)o determinado. 3stos pulsos son luego integrados & transformados nuevamente en una tensión continua. =ariando el anc)o de los pulsos es posi%le controlar la tensión de salida. / los reguladores que emplean este principio se los denomina reguladores conmutados (gura 2$. *uentes conmutadas omo podrán imaginar la comple-idad circuital de los reguladores conmutados )a%ía relegado su uso, )asta no )ace muc)o tiempo, al campo de las altas potencias o aplicaciones especiales. @in em%argo a)ora se cuenta con circuitos integrados que facilitan & reducen los costos de este tipo de reguladores con lo cual su uso se )a e1tendido enormemente en los ltimos a0os.
*uentes de alimentación para ?s 9oda 9oda ? actual cuenta cuenta con una una fuente de alimentación alimentación regulada regulada conmutada conmutada de gran calidad & rendimiento. 3stas fuentes, se pueden o%tener como un componente separado en los negocios del ramo. 31isten distintas versiones que proporcionan distintas potencias de salida siendo las más usuales las de 2 & 25 Dats. ada fuente cuenta con conectores para el ca%le de entrada de 22= o ""= & un ventilador. 9odo en una peque0a ca-ita metálica con a%undantes oricios de ventilación. 3stas fuentes son en realidad fuentes conmutadas que utilizan un mu& conocido circuito integrado integrado especialmente dise0ado para este n, el 9'YAY. racias a este integrado, se pueden )acer fuentes conmutadas a un %a-o costo &a que en él están presentes todos los circuitos de control necesarios & sólo es necesario agregar algunos componentes pasivos (resistencias & capacitores$ & transistores de potencia.
Oise0o de una fuente conmutada M/93FE/' " U/BC@Y? " /?/E9JF Y.Bn *d. " /?/E9JF "u *d. " KJKEN/ O3 I2u )&. " F3@E@9JF ".2#, "", .", ", YBo)ms. " ?J93NEJM39FJ.
" OEJOJ de C /M?. /M?.
O3@/FFJ''J ?ara el desarrollo de está práctica nos %asamos en el convertidor de dc!dc de su%ida, el volta-e de entrada es de "2 volts & a la salida tenemos 2Y volts de dc. para el cálculo de esta práctica práctica nos %asamos %asamos en las fórmulas fórmulas de dise0o en las )o-as de especicación del circuito BCsY de motorola.
a)ora mostramos el dise0o con estas formulas Oatos =@Q=inQ"2. =outQ 2Y EoutQ" amp. =rippleQ "> Q volta-e rizo. *uentes conmutadas *uentes conmutadas *uentes conmutadas tonQ"."YB"toZ ton[Q"us + toZ[Q"us. (tonXtoZ$\Q5us. toZQ"us. 9QY51"!51 toZ QY5 1"!5 1"usQ Y.5n*d apro1. Y.Bn*d.
por lo tanto tonQ".YYus 1 "."YB" Q "".ACus *uentes conmutadas *uentes conmutadas @e decidió poner poner un capacitor capacitor de "ufd. "ufd. a ;I volts. F"XF2Q2Y
M3OEEJN3@ @e midió el volta-e rizo & fue de .525 volts que se apro1ima a nuestros valores de cálculo, tam%ién se puso a la salida 2 focos, se midió la corriente & fue de . A5 amp, & el volta-e de salida fue de 2I.A volts este valor se acerco muc)o al calculado.
@e pusieron distintas cargas, para valores de impedancia que no pidieran más corriente ma&or a " ampere el volta-e se mantenía constante, pero al pedirle más corriente el volta-e de salida se caía, como era lo pensado. por lo general el convertidor funciono correctamente en los rangos acepta%les. F3U'/OJF3@ JN JNMU9/E]N 3N 3' ?FEM/FEJ. 3n la gura ".; muestra el circuito %ásico de un regulador con conmutación en el primario. 'a tensión de la red es recticada directamente por medio de un puente de diodos. 'os condensadores alisadores conectados en serie ", 2, tienen entonces cada uno una tensión de "5 =. on los transistores conmutadores, conmutadores, 9" & 92, las tensiones U" X"5 =, si 9" conduce !"5 =, si 92 conduce pueden ser aplicadas alternativamente al arrollamiento primario del transformador de alta frecuencia. 3l primario esta conectado al recticador de red de tal manera que por el no circula corriente continua. 3sto evita que el transformador se sature si los tiempos de conducción de 9" & 92 no son iguales. *uentes conmutadas gura ".; circuito %ásico de un regulador de conmutación del primario. 'a tensión alterna del secundario del transformador es recticada por un circuito puente. 3sta cone1ión particular es preferi%le para este tipo de regulador &a que en un instante cualquiera sólo )a& un diodo que produce perdidas. ^l arrollamiento secundario adicional normalmente evitado en funcionamiento funcionamiento a 5 8z no representa representa dicultades en la operación de alta frecuencia. 3stos aspectos son particularmente importantes para generar peque0as tensiones de salida, &a que los diodos O" & O2 son la principal causa de perdida. ?ara mantener en el mínimo las perdidas estática & dinámica se recomienda utilizar diodos de potencia @c)ott#&, por e-emplo los tipos MKFI52....MKFB5Y5 de motorota.
Oe la misma manera que para el regulador con conmutación en el secundario, el aislamiento de la tensión de salida se o%tiene por medio de un elemento '. 'a unidad de control es en principio idéntica a la del regulador con conmutación en el secundario. @in em%argo, se requiere un circuito e1itador adicional para distri%uir la se0al de conducción al transistor conmutador apropiado. omo los transistores están conectados al primario del transformador & el circuito e1itador tiene una unidad de control para el secundario, los transistores de%en estar aislados del circuito e1itador. ?ara la transmisión de impulsos de u optoacopladores. on el n de que la disipación de potencia de los transistores conmutadores pueda ser peque0a, de%en ser conmutados en cone1ión & descone1ión tan rápidamente como sea posi%le & nunca de%en estar conduciendo simultáneamente. on el dise0o optimo se pueden o%tener rendimientos de más del C>. 'a unidad de control se puede adquirir como circuito integrado. 'a disipación descrita tam%ién puede ser directamente alimentada por una tensión de c.c, en lugar de por una tensión de c.a, recticada. *unciona como transformador transformador de tensión de c.c, altamente eciente (convertidor c.c.4c.c.$. F3U'/OJF3@ JN JNMU9/E]N 3N 3' @3UNO/FEJ. 3n la gura ".B muestra el circuito %ásico de un regulador con conmutación en el secundario (el regulador reductor$. 3l transistor 9" es periódicamente puesto en estado de corte & en estado de saturación con una frecuencia de 2 #8z apro1imadamente. 3l diodo O evita que sean inducidas altas tensiones en la reactancia durante durante la puesta en el corte del transistor &a que mantiene el u-o de corriente en la reactancia. /sí, durante el tiempo de corte, no solo el condensador sino tam%ién la reactancia contri%u&en a la corriente de salida, & de esta manera sé o%tiene una tensión de salida %ien aislada sin perdida de potencia. *uentes conmutadas gura ".B circuito %ásico de un regulador de conmutación del secundario.
*uentes conmutadas gura ".C diagrama de %loques de la unidad de control. 3n la gura ".C esta representado el diagrama de %loques de la unidad de control. 3l controlador compara la tensión de salida con la tensión de referencia. @i la tensión de salida es demasiado peque0a el ciclo de servicio ton49 de la tensión de control =c es aumentado por el modulador. 'a frecuencia, f Q " 4 9, de la tensión de control permanece constante en este proceso. 3sta determinada por el oscilador. ?ara el dise0o del regulador de conmutación de%emos determinar inicialmente la dependencia de la corriente de la %o%ina de reactancia con respecto al tiempo. ?ara empezar suponemos que el condensador es innitamente grande para que la ondulación de la tensión de salida sea cero. 'a le& de *arad a& de la inducción de la e1presión U' Q 'Rd4' Ot *U3N93@ JNMU9/O/@ 'as fuentes conmutadas fueron desarrolladas inicialmente para aplicaciones militares & aerospaciales en los a0os ;, por ser inacepta%le el peso & volumen de las lineales, se )an desarrollado desde entonces diversas topología & circuitos de control, algunas de ellas son de uso comn en fuentes conmutadas para aplicaciones industriales & comerciales I."." Fecticación & ltro de entrada 'as fuentes conmutadas son convertidores cc!cc, por lo que la red de%e ser previamente recticada & ltrada con una amplitud de rizado acepta%le. 'a ma&oría de las fuentes utilizan el circuito de la gura para operar desde A a "I2 =ac o de "C a 2; =ac segn sea la posición del conmutador.
3n la posición de a%ierto se congura como recticador de onda completa o%teniéndose apro1imadamente I" =cc desde la red de 22 =ac. 3n la posición de cerrado el circuito funciona como recticador do%lador de tensión, o%teniéndose tam%ién I" =cc a partir de "" =ac. ?ara evitar so%recalentamientos los condensadores electrolitos de ltro (" & 2$ de%en ser de %a-o 3@F (%a-a resistencia interna$ & de la tensión adecuada. 3s conveniente conectar en paralelo con estos otros condensadores tipo M para me-or desacoplo de alta frecuencia de conmutación. 'os recticadores de%en soportar una tensión inversa de ;v. I.".2 ?ico de arranque /l arrancar una fuente conmutada, la impedancia presentada a la red es mu& %a-a al encontrarse los condensadores descargados, sin una resistencia en serie adicional la corriente inicial sería e1cesivamente alta. 3n la *ig.", 98" & 982 son resistencias resistencias N9 (coeciente negativo negativo de temperatura$, temperatura$, que limitan limitan esta corriente a un valor acepta%le. 'as fuentes de media & gran potencia disponen de circuitos activos con resistencia limitadora que se cortocircuito por medio de relés o de conmutadores estáticos cuando &a están los condensadores cargados. 3n el caso de las fuentes de /M= se utiliza un transistor MJ@!*39 de potencia. I.".I ?rotección contra transitorios /demás del ltrado de ruidos rein&ectados a la red que incorporan las fuentes conmutadas, conmutadas, es aconse-a%le la utilización de un varistor conectado a la entrada para proteger contra picos de tensión generados por la conmutación en circuitos inductivos de las pro1imidades o por tormentas eléctricas. I.".Y JN*EUF/EJN3@ KP@E/@ 'as fuentes conmutadas son de circuitos relativamente comple-os, pero podemos siempre diferenciar cuatro %loques constructivos %ásicos
"$ 3n el primer %loque recticamos recticamos & ltramos la tensión alterna de entrada convirtiéndola convirtiéndola en una continua pulsante. 2$ 3l segundo %loque se encarga de convertir esa continua en una onda cuadrada de alta frecuencia (" a 2 #8z.$, la cual es aplicada a una %o%ina o al primario de un transformador.
I$ 3l tercer %loque rectica & ltra la salida de alta frecuencia del %loque anterior, entregando así una corriente continua pura. Y$ 3l cuarto %loque se encarga de comandar la oscilación del segundo %loque. 3ste %loque consiste de un oscilador de frecuencia -a, una tensión de referencia, un comparador de tensión & un modulador de anc)o de pulso (?DM$. 3l modulador reci%e el pulso del oscilador & modica su ciclo de tra%a-o segn la se0al del comparador, el cual cote-a la tensión continua de salida del tercer %loque con la tensión de referencia. ! /claración ciclo de tra%a-o es la relación entre el estado de encendido & el estado de apagado de una onda cuadrada. 3n la ma&oría de los circuitos de fuentes conmutadas encontraremos el primer & el tercer %loque como elementos invaria%les, en cam%io el cuarto & el segundo tendrán diferentes diferentes tipos de conguraciones. conguraciones. / veces el cuarto %loque será )ec)o con integrados & otras veces nos encontraremos con circuitos totalmente transistorizados. transistorizados. 3l segundo %loque es realmente el alma de la fuente & tendrá conguraciones %ásicas KU< , KJJ@9, KU< KU
Kuc# el circuito interrumpe la alimentación & provee una onda cuadrada de anc)o de pulso varia%le a un simple ltro '. 'a tensión apro1imada es =out Q
=in R ciclo de tra%a-o & la regulación se e-ecuta mediante la simple variación del ciclo de tra%a-o. 3n la ma&oría de los casos esta regulación es suciente & sólo se de%erá a-ustar levemente la relación de vueltas en el transformador para compensar las pérdidas por acción resistiva, la caída en los diodos & la tensión de saturación de los transistores de conmutación. Koost el funcionamiento es más comple-o. Mientras el Kuc# almacena la energía en una %o%ina & éste entrega la energía almacenada más la tensión de alimentación a la carga. Kuc#!Koost los sistemas conocidos como *l&%ac# son una evolución de los sistemas anteriores & la diferencia fundamental es que éste entrada a la carga sólo la energía almacenada en la inductancia. 3l verdadero sistema Koost sólo puede regular siendo =out ma&or que =in, mientras que el *l&%ac# puede regular siendo menor o ma&or la tensión de salida que la de entrada. I.".5 JN*EUF/EJN3@ KP@E/@ F3JM3NO/O/@ 'as conguraciones más recomendadas por los fa%ricantes se diferencian en potencia, modo, precio, utilidad & calidad. @on mu& comunes las siguientes conguraciones EFUE9J O3 ?J93NE/ _ onvertidores O (Kuc#$ ! 5 Datts _ *l&%ac# ! 5 Datts _ *orVard (Koost$ ! " Datts _ 8alf!Kridge ! 2 Datts _ *ull!Kridge ! 5 Datts *'WK/< _ Fango desde 5 )asta " vatios.
_ =ariación del volta-e de entrada =in X">, !2> _ 3ciencia del convertidor ) Q C> _ Fegulación por variación del ciclo de tra%a-o d(ma1$ Q .Y _ Má1. corriente de tra%a-o en el transistor EV Q 2 ?out 4 ( ) d(ma1$ =in(min$ ".Y" $ Q 5.5 ?out 4 =in Oada su sencillez & %a-o costo, es la topología preferida preferida en la ma&oría de los convertidores convertidores de %a-a potencia ()asta " V$. 3n la gura se muestran los principios principios de esta topología de fuente conmutada
uando `9 conduce, la corriente crece linealmente en el primario del transformador, dise0ado con alta inductancia para almacenar energía a medida que el u-o magnético aumenta. 'a disposición del devanado asegura que el diodo `O está polarizado en sentido inverso durante este período, por lo que no circula corriente en el secundario. uando `9 se %loquea, el u-o en el transformador cesa generando una corriente inversa en el secundario que carga el condensador a través del diodo alimentando la carga. 3s decir, en el campo magnético del transformador se almacena la energía durante el período `JN del transistor & se transere a la carga durante el período `J** (*'WK/<$. 3l condensador mantiene la tensión en la carga durante el período `JN. 'a regulación de tensión en la salida se o%tiene mediante comparación con una referencia -a, actuando so%re el tiempo `JN del transistor, por tanto la energía transferida a la salida mantiene la tensión constante independientemente independientemente del valor de la carga o del valor de la tensión de entrada.
'a variación del período `JN se controla por modulación de anc)o de pulso (?DM$ a frecuencia -a, o en algunos sistemas más sencillos por autooscilación variando la frecuencia en función de la carga. NJ9/!![3n el regulador &%ac# se puede variar sutilmente el modo de tra%a-o, continuo o discontinuo Modo Oiscontinuo es el modo Koost estrictamente, estrictamente, donde la energía se vacía completamente completamente del inductor antes de que el transistor vuelva a encenderse. Modo ontinuo antes que la %o%ina se vacié enciende nuevamente el transistor. 'a venta-a de este modo radica en que el transistor sólo necesita conmutar la mitad de un gran pico de corriente para entregar la misma potencia a la carga. *'WK/< de salidas mltiples 'a gura muestra la simplicidad con que pueden a0adirse salidas aisladas a un convertidor *l&%ac#.
'os requisitos para cada salida adicional son un secundario au1iliar, un diodo rápido & un condensador. ?ara la regulación de las salidas au1iliares suele utilizarse un esta%ilizador lineal de tres terminales a costa de una pérdida en el rendimiento.
*JFD/FO (OEF39J$ _ Fango desde 5 )asta 25 vatios. _ =ariación del volta-e de entrada =in X">, !2> _ 3ciencia del convertidor ) Q C> _ Fegulación por variación del ciclo de tra%a-o d(ma1$ Q .Y
_ Má1. corriente de tra%a-o en el transistor EV Q ?out 4 ( ) d(ma1$ =in(min$ ".Y" $ Q 2.25 ?out 4 =in 3s algo más comple-o que el sistema *l&%ac# aunque razona%lemente sencillo & renta%le en cuanto a costes para potencias de " a 25V.
uando el transistor conmutador `9 está conduciendo `JN, la corriente crece en el primario del transformador transriendo energía al secundario. omo quiera que el sentido de los devanados el diodo O2 está polarizado directamente, la corriente pasa a través de la inductancia ' a la carga, acumulándose energía magnética en '. uando `9 se apaga `J**, la corriente en el primario cesa invirtiendo la tensión en el secundario. 3n este momento O2 queda polarizado inversamente %loqueando la corriente de secundario, pero OI conduce permitiendo que la energía almacenada en ' se descargue alimentando a la carga. 3l tercer devanado, llamado de recuperación, permite aprovec)ar la energía que queda en el transformador durante el ciclo `J** devolviéndola a la entrada, vía O". ontrariamente ontrariamente al método *l&%ac#, la inductancia cede energía a la carga durante los períodos `JN & `J**, esto )ace que los diodos soporten la mitad de la corriente & los niveles de rizado de salida sean más %a-os.
*JFD/FO de salidas mltiples ?or cada salida adicional es necesario un secundario au1iliar, dos diodos rápidos, una inductancia & un condensador de ltro. 3sto )ace que sea más costoso que el *l&%ac#.
?ara me-orar la regulación en las salidas au1iliares se utilizan esta%ilizadores lineales. ?U@8!?U'' (ontrafase$ _ Fango desde " )asta 5 vatios. _ =ariación del volta-e de entrada =in X">, !2> _ 3ciencia del convertidor ) Q C> _ Fegulación por variación del ciclo de tra%a-o d(ma1$ Q .C _ Má1. corriente de tra%a-o en el transistor EV Q ?out 4 ( ) d(ma1$ =in(min$ ".Y" $ Q ".Y ?out 4 =in (*JFD/FO$ _ Má1. tensión de tra%a-o del transistor =V Q 2 =in(ma1$ ".Y" X tensión de protección 3sta topología se desarrolló para aprovec)ar me-or los ncleos magnéticos.
3n esencia consisten en dos convertidores *orVard controlados por dos entradas en contrafase. 'os diodos O" & O2 en el secundario, actan como dos diodos de recuperación. Edealmente los períodos de conducción de los transistores de%en ser iguales, el transformador se e1cita simétricamente & al contrario de la topología *orVard no es preciso prever entre)ierro en el circuito magnético, &a que no e1iste asimetría en el u-o magnético & por tanto componente continua. 3llo se traduce en una reducción del volumen del ncleo del orden del 5> para una misma potencia.
Una precaución precaución que de%e tenerse en cuanta en este tipo de circuitos es que las características de conmutación de los transistores de%en ser mu& similares, & los devanados tanto en primario como en secundario )an de ser perfectamente simétricos, incluso en su disposición física en el ncleo.
9am%ién 9am%ién se )a de tener en cuenta, cuenta, que los transistores transistores conmutadores conmutadores soportan soportan en estado `J** una tensión do%le de la tensión de entrada.
8/''!KFEO3 (@emipuente$ _ Fango desde " )asta 5 vatios. _ =ariación del volta-e de entrada =in X">, !2> _ 3ciencia del convertidor ) Q C> _ Fegulación por variación del ciclo de tra%a-o d(ma1$ Q .C Má1. corriente de tra%a-o en el transistor transistor EV Q 2 ?out 4 ( ) d(ma1$ =in(min$ ".Y" $ Q 2.C ?out 4 =in (*JFD/FO$ _ Má1. tensión de tra%a-o del transistor =V Q =in(ma1$ ".Y" X tensión de protección 3s la topología más utilizada para tensiones de entrada altas (de 2 a Yv$ & para potencias de )asta 2V.
3n la gura se aprecia que el primario del transformador está conectado entre la unión central de los condensadores del desacoplo de entrada & la unión de la fuente de 9" & el drenador de 92. @i se dispara alternativamente alternativamente los transistores 9" & 92 conecta el e1tremo del primario a XIv & a v segn corresponda, generando una onda cuadrada de "55v de valor má1imo, la cual con una adecuada relación de espiras, recticada & ltrada se o%tiene la tensión de salida deseada. Una venta-a de este sistema es que los transistores soportan como má1imo la tensión de entrada cuando están en `J**, mientras que en los sistemas *l&%ac#, ?us)!?ull & *orVard, esta tensión es cuando menos el do%le. 3llo permite, cuando la tensión de entrada es la red recticada, la utilización de
transistores transistores de Y a 5v, mientras que en las otras conguraciones se requerirían transistores de C a "v.'a regulación se logra comparando una muestra de la salida con una tensión de referencia para controlar el anc)o del estado de conducción de los transistores. /lgunas de las venta-as del semipuente son _ Ncleos más peque0os. _ Ka-a dispersión de u-o magnético. _ 'a frecuencia en los ltros de salida es el do%le de la frecuencia de conmutación. _ *iltro de reducidas dimensiones. _ Ka-o ruido & rizado de salida. _ *ácil conguración como salidas mltiples. _ Fuido radiado relativamente %a-o. 'a ma&or desventa-a consiste en que el primario del transformador transformador tra%a-a a la mitad de la tensión de entrada & por tanto circula el do%le de corriente por los transistores transistores que en el caso de topología puente que se verá a continuación. KFEO3 (?uente$ _ Fango desde 5 )asta " vatios _ =ariación del volta-e de entrada =in X">, !2> _ 3ciencia del convertidor ) Q C> _ Fegulación por variación del ciclo de tra%a-o d(ma1$ Q .C _ Má1. corriente de tra%a-o en el transistor EV Q ?out 4 ( ) d(ma1$ =in(min$ ".Y" $ Q ".Y ?out 4 =in (*JFD/FO$ _ Má1. tensión de tra%a-o del transistor =V Q =in(ma1$ ".Y" X tensión de protección
?ara potencias superiores a 2V, las corrientes en los transistores de conmutación son e1cesivas. 'a gura muestra la topología %ásica de un convertidor puente, donde los transistores en ramas opuestas del puente 9" & 9Y son disparados disparados en fase fase & 92 & 9Y en contrafase. contrafase. 'a amplitud de de la onda cuadrada en el primario del transformador es por tanto de I"v, do%le que en la topología semipuente & por tanto mitad de corriente para una misma potencia.
3l empleo de cuatro transistores que de%en ser e1citados por separado, )ace que el circuito de disparo sea más comple-o. @i la conmutación en am%as ramas está algo des%alanceada )ace que aparezca una componente continua en el transformador produciendo la saturación del ncleo magnético, se evita con la introducción del condensador " en serie con el primario del transformador. I.".; aso práctico de una fuente conmutada Oise0o de una fuente conmutada M/93FE/' " U/BC@Y? " /?/E9JF Y.Bn *d. " /?/E9JF "u *d. " KJKEN/ O3 I2u )&. " F3@E@9JF ".2#, "", .", ", YBo)ms. " ?J93NEJM39FJ. " OEJOJ de C /M?.
O3@/FFJ''J
?ara el desarrollo de está práctica nos %asamos en el convertidor de dc!dc de su%ida, el volta-e de entrada es de "2 volts & a la salida tenemos 2Y volts de dc. para el cálculo de esta práctica nos %asamos en las fórmulas de dise0o en las )o-as de especicación del circuito BCsY de motorola. /)ora mostramos el dise0o con estas formulas Oatos
=@Q=inQ"2. =outQ 2Y EoutQ" amp. =rippleQ "> Q volta-e rizo.
tonQ"."YB"toZ ton[Q"us + toZ[Q"us. (tonXtoZ$\Q5us. toZQ"us. 9QY51"!51 toZ QY5 1"!5 1"usQ Y.5n*d apro1. Y.Bn*d. ?or lo tanto tonQ".YYus 1 "."YB" Q "".ACus
@e decidió poner un capacitor de "ufd. a ;I volts. F"XF2Q2Y
F"Q ?otenciometro de 25<.
on estos valores de resistores, capacitores & %o%ina se procedió al armado del convertidor. ca%e se0alar que para la construcción de la %o%ina se uso un toroide. aquí mostramos el circuito terminado
M3OEEJN3@
@e midió el volta-e rizo & fue de .525 volts que se apro1ima a nuestros valores de cálculo, tam%ién se puso a la salida 2 focos, se midió la corriente & fue de . A5 amp, & el volta-e de salida fue de 2I.A volts este valor se acerco muc)o al calculado.
@e pusieron distintas cargas, para valores de impedancia que no pidieran más corriente ma&or a " ampere el volta-e se mantenía constante, pero al pedirle más corriente el volta-e de salida se caía, como era lo pensado. por lo general el convertidor funciono correctamente en los rangos acepta%les.
F3U'/OJF3@ JN JNMU9/E]N 3N 3' ?FEM/FEJ.
3n la gura muestra el circuito %ásico de un regulador con conmutación en el primario. 'a tensión de la red es recticada directamente por medio de un puente de diodos. 'os condensadores alisadores conectados en serie ", 2, tienen entonces cada uno una tensión de "5 =. on los transistores conmutadores, conmutadores, 9" & 92, las tensiones R U" X"5 =, si 9" conduce R !"5 =, si 92 conduce pueden ser aplicadas alternativamente al arrollamiento primario del transformador de alta frecuencia. 3l primario esta conectado al recticador de red de tal manera que por el no circula corriente continua. 3sto evita que el transformador se sature si los tiempos de conducción de 9" & 92 no son iguales.
'a tensión alterna del secundario del transformador es recticada por un circuito puente. 3sta cone1ión particular es preferi%le para este tipo de regulador &a que en un instante cualquiera sólo )a& un diodo que produce perdidas. ^l arrollamiento secundario adicional normalmente evitado en funcionamiento funcionamiento a 5 8z no representa representa dicultades en la operación de alta frecuencia. 3stos aspectos son particularmente importantes para generar peque0as tensiones de salida, &a que los diodos O" & O2 son la principal causa de perdida. ?ara mantener en el mínimo las perdidas estática & dinámica se recomienda utilizar diodos de potencia @c)ott#&, por e-emplo los tipos MKFI52....MKFB5Y5 de motorota.
Oe la misma manera que para el regulador con conmutación en el secundario, el aislamiento de la tensión de salida se o%tiene por medio de un elemento '. 'a unidad de control es en principio idéntica a la del regulador con conmutación en el secundario. @in em%argo, se requiere un circuito e1itador adicional para distri%uir la se0al de conducción al transistor conmutador apropiado. omo los transistores están conectados al primario del
transformador & el circuito e1itador tiene una unidad de control para el secundario, los transistores de%en estar aislados del circuito e1itador. ?ara la transmisión de impulsos de u optoacopladores. on el n de que la disipación de potencia de los transistores conmutadores pueda ser peque0a, de%en ser conmutados en cone1ión & descone1ión tan rápidamente como sea posi%le & nunca de%en estar conduciendo simultáneamente. on el dise0o optimo se pueden o%tener rendimientos de más del C>. 'a unidad de control se puede adquirir como circuito integrado. 'a disipación descrita tam%ién puede ser directamente alimentada por una tensión de c.c, en lugar de por una tensión de c.a, recticada. *unciona como transformador transformador de tensión de c.c, altamente eciente (convertidor c.a.4c.c.$. F3U'/OJF3@ JN JNMU9/E]N 3N 3' @3UNO/FEJ.
3n la primer gura muestra el circuito %ásico de un regulador con conmutación en el secundario (el regulador reductor$. 3l transistor 9" es periódicamente puesto en estado de corte & en estado de saturación con una frecuencia de 2 #8z apro1imadamente. 3l diodo O evita que sean inducidas altas tensiones en la reactancia durante la puesta en el corte del transistor &a que mantiene el u-o de corriente en la reactancia. /sí, durante el tiempo de corte, no solo el condensador sino tam%ién la reactancia contri%u&en a la corriente de salida, & de esta manera sé o%tiene una tensión de salida %ien aislada sin perdida de potencia.
3n la segunda gura esta representado el diagrama de %loques de la unidad de control. 3l controlador compara la tensión de salida con la tensión de referencia. @i la tensión de salida es demasiado peque0a el ciclo de servicio ton49 de la tensión de control =c es aumentado por el modulador. 'a frecuencia, f Q " 4 9, de la tensión de control permanece constante en este proceso. 3sta determinada por el oscilador.
?ara el dise0o del regulador de conmutación de%emos determinar inicialmente la dependencia de la corriente de la %o%ina de reactancia con respecto al tiempo. ?ara empezar suponemos que el condensador es innitamente grande para que la ondulación de la tensión de salida sea cero.
'a le& de *arad a& de la inducción de la e1presión U' Q 'Rd4'