Share on email
Fuentes conmutadas Hoy en día la mayoría de los equipos de aficionados utilizan alimentaciones de 12 o 13,8V. El aance de la tecnolo!ía ha lleado tam"i#n a que estos equipos cuenten con un alto !rado de sofisticaci$n y por lo tanto sean muy sensi"les a so"retensiones, cam"ios cam"ios "ruscos o ruido en en las tensiones de alimentaci$n. Esto Esto ha hecho imprescindi"le imprescindi"le el empleo de fuentes de alimentaci$n re!uladas que !aranticen la esta"ilidad de la tensi$n que in!resa al equipo. %or otra parte, para poder lo!rar potencias de salida del orden de los 1&& 'ats con las "a(as tensiones requeridas por los transistores actuales actuales )12 Vo Volts* se requieren altas altas corrientes de alimentaci$n )2& +mperios o ms*. Esto nos o"li!a a tomar determinadas precauciones )ca"les )ca"les !ruesos, "ornes "ornes !randes, etc.* e impone un fuerte desafío en el el dise-o de las fuentes re!uladas incrementando su costo.
•
al ez sea por estos motios que la construcci$n casera de fuentes de alimentaci$n al re!uladas no sea una prctica com/n entre los radioaficionados. Sin em"ar!o la tecnolo!ía de las computadoras personales, y la !ran reducci$n r educci$n de costos que se ha enido o"serando en sus componentes, nos permite hoy armar en casa una fuente de alimentaci$n re!ulada de características muy superiores a otras que se encuentran en el mercado a s$lo una fracci$n del costo de una fuente comercial.
OBJETIVO GENERAL • •
•
0iferenciar entre una fuente com/n y una conmutada dentificar las aplicaciones de una fuente conmutada tanto dentro como fuera de la industria onocer la perspectia a corto, mediano y lar!o plazo de las fuentes conmutadas
OBJETIVO OBJETI VO PARTICULAR PARTICULAR •
onocer las características principales de una fuente conmutada dentificar los componentes de una fuente conmutada
•
0ise-ar una fuente conmutada
•
•
onocer los procedimientos matemticos para el dise-o de una fuente conmutada
Marco histrico emontndonoss un poco en la historia descri"iremos que en la industria no se conta"a emontndono
con equipos el#ctricos, lue!o se empezaron a introducir dispositios el#ctricos no muy sofisticados por lo que no eran muy sensi"les a so"retensiones, lue!o lle!aron los equipo ms modernos que necesita"an de "a(os olta(es por lo que se inicio la construcci$n de fuentes de alimentaci$n que proporcionaran el olta(e suficiente de estos dispositios. 4a tecnolo!ía aanzo, claro me(ores equipos para la industria y el ho!ar pero esto contri"uyo a que los dispositios electr$nicos fueran ms sensi"les a so"retensiones por lo que s# tu"o que dise-ar fuentes re!uladas que !aranticen el olta(e necesario para el "uen funcionamiento de estos dispositios.
Princi!a"es "imitaciones En la "i"lioteca de la escuela no se tiene la informaci$n adecuada acerca del tema, por lo que fue necesario "uscar la informaci$n en el tecnol$!ico. En nternet la "/squeda se dificulto ya que solo se encontra"a informaci$n de fuentes conmutadas de las tiendas que enden este producto, tam"i#n se encontra"a /nicamente temarios de tecnol$!icos y uniersidades pero solamente eso 5temarios6. 4os compa-eros se ne!a"an y con mucha raz$n a pasar informaci$n.
CONFIGURACIONE# B$#ICA#% 4as fuentes conmutadas son de circuitos relatiamente comple(os, pero podemos siempre diferenciar cuatro "loques constructios "sicos7
En el primer "loque rectificamos y filtramos la tensi$n alterna de entrada conirti#ndola en una continua pulsante. El se!undo "loque se encar!a de conertir esa continua en una onda cuadrada de alta frecuencia )1& a 2&& Hz.*, 4a cual es aplicada a una "o"ina o al primario de un transformador. 4ue!o el se!undo "loque rectifica y filtra la salida de alta frecuencia del "loque anterior, entre!ando así una continua pura. El cuarto "loque se encar!a de comandar la oscilaci$n del se!undo "loque. Este "loque consiste de un oscilador de frecuencia fi(a, una tensi$n de referencia, un comparador de tensi$n y un modulador de ancho de pulso )%'9*. El modulador reci"e el pulso del oscilador y modifica su ciclo de tra"a(o se!/n la se-al del comparador, el cual cote(a la tensi$n continua de salida del tercer "loque con la tensi$n de referencia. +claraci$n7
ciclo de tra"a(o es la relaci$n entre el estado de encendido y el estado de apa!ado de una onda cuadrada. En la mayoría de los circuitos de fuentes conmutadas encontraremos el primer y el cuarto "loque como elementos inaria"les, en cam"io el cuarto y en se!undo tendrn diferentes tipos de confi!uraciones. + eces el cuarto "loque ser hecho con inte!rados y otras eces nos encontraremos con circuitos totalmente transistorizados. El se!undo "loque es realmente el alma de la fuente y tendr confi!uraciones "sicas7 :;< , :==S, :;<>:==S.
:uc7 el circuito interrumpe la alimentaci$n y proee una onda cuadrada de ancho de pulso aria"le a un simple filtro 4. 4a tensi$n apro?imada es Vout @ Vin A ciclo de tra"a(o y la re!ulaci$n se e(ecuta mediante la simple ariaci$n del ciclo de tra"a(o. En la mayoría de los casos esta re!ulaci$n es suficiente y s$lo se de"er a(ustar leemente la relaci$n de ueltas en el transformador para compensar las p#rdidas por acci$n resistia, la caída en los diodos y la tensi$n de saturaci$n de los transistores de conmutaci$n. :oost7 el funcionamiento es ms comple(o. 9ientras el :uc almacena la ener!ía en una "o"ina y #ste entre!a la ener!ía almacenada ms la tensi$n de alimentaci$n a la car!a. :uc>:oost7 los sistemas conocidos como Bly"ac son una eoluci$n de los sistemas anteriores y la diferencia fundamental es que #ste entrada a la car!a s$lo la ener!ía almacenada en la inductancia. El erdadero sistema :oost s$lo puede re!ular siendo Vout mayor que Vin, mientras que el Bly"ac puede re!ular siendo menor o mayor la tensi$n de salida que la de entrada. En el anlisis de los sistemas :oost comenzamos por sa"er que la ener!ía que se almacena en la inductancia es entre!ada como una cantidad fi(a de potencia a la car!a7 %o @ ) 4 C fo* D 2 es la corriente de pico en la "o"ina, fo es la frecuencia de tra"a(o, 4 es el alor de la inductancia. Este sistema entre!a siempre una cantidad fi(a de potencia a la car!a sin fi(arse en la impedancia de la car!a, por eso es que el :oost es muy usado en sistemas de flash foto!rficos o en sistemas de i!nici$n del automotor para recar!ar la car!a capacitia, tam"i#n es usado como un muy "uen car!ador de "aterías. %ero cuando necesitamos alimentar un sistema electr$nico con car!a resistia de"emos conocer muy "ien el alor de resistencia para poder calcular el alor de la tensi$n de salida7 Vo @ ) %o.l *FG @ ) G 4 fo l *FG, donde l es el alor de
resistencia del circuito. En este caso la corriente de la "o"ina es proporcional al tiempo de conectado o al ciclo de tra"a(o del conmutador y la re!ulaci$n para car!as fi(as se realiza por ariaci$n del ciclo de tra"a(o.
CONFIGURACIONE# B$#ICA# RECOMEN&A&A# 4as confi!uraciones ms recomendadas por los fa"ricantes se diferencian en potencia, modo, precio, utilidad y calidad. Son muy comunes las si!uientes confi!uraciones7
CIRCUITO ' POTENCIA •
onertidores 0 ):uc* > 'atts Bly"ac > & 'atts
•
BorIard ):oost* > 1&& 'atts
•
Half>:rid!e > 2&& 'atts
•
Bull>:rid!e > && 'atts
•
FL(BAC) ( FOR*AR& +BOO#T,% •
an!o desde & hasta 2& atios. Variaci$n del olta(e de entrada7 Vin J1&K, >2&K
•
Eficiencia del conertidor7 h @ 8&K
•
e!ulaci$n por ariaci$n del ciclo de tra"a(o7 d)ma?* @ &.L
•
9?. corriente de tra"a(o en el transistor7
•
I @ 2 %out D ) h d)ma?* Vin)min* 1.L1 * @ . %out D Vin )B4M:+<* I @ %out D ) h d)ma?* Vin)min* 1.L1 * @ 2.2 %out D Vin )B='+0* •
9?. tensi$n de tra"a(o del transistor7 VI @ 2 Vin)ma?* 1.L1 J tensi$n de protecci$n
onfi!uraci$n "sica7
En el re!ulador fly"ac se puede ariar sutilmente el modo de tra"a(o, continuo o
discontinuo. 9odo 0iscontinuo7 es el modo :oost estrictamente, donde la ener!ía se acía completamente del inductor antes de que el transistor uela a encenderse. 9odo ontinuo7 antes que la "o"ina se aci# enciende nueamente el transistor. 4a enta(a de este modo radica en que el transistor s$lo necesita conmutar la mitad de un !ran pico de corriente para entre!ar la misma potencia a la car!a.
El re!ulador BorIard difiere del Bly"ac en que a!re!a un diodo ms para ser usado como diodo de li"re rodado en el filtro 4 y un deanado ms en el transformador para lo!rar el reesta"lecimiento. Nracias a todo esto puede entre!ar potencia a la car!a mientras el transistor est encendido. El ciclo de tra"a(o no puede superar el &K.
%;SH>%;447
•
an!o desde 1&& hasta && atios. Variaci$n del olta(e de entrada7 Vin J1&K, >2&K
•
Eficiencia del conertidor7 h @ 8&K
•
e!ulaci$n por ariaci$n del ciclo de tra"a(o7 d)ma?* @ &.8
•
9?. corriente de tra"a(o en el transistor7
•
I @ %out D ) h d)ma?* Vin)min* 1.L1 * @ 1.L %out D Vin )B='+0* •
9?. tensi$n de tra"a(o del transistor7 VI @ 2 Vin)ma?* 1.L1 J tensi$n de protecci$n
onfi!uraci$n "sica7
H+4B>:0NE7
•
an!o desde 1&& hasta && atios. Variaci$n del olta(e de entrada7 Vin J1&K, >2&K
•
Eficiencia del conertidor7 h @ 8&K
•
e!ulaci$n por ariaci$n del ciclo de tra"a(o7 d)ma?* @ &.8
•
9?. corriente de tra"a(o en el transistor7
•
I @ 2 %out D ) h d)ma?* Vin)min* 1.L1 * @ 2.8 %out D Vin )B='+0* •
9?. tensi$n de tra"a(o del transistor7 VI @ Vin)ma?* 1.L1 J tensi$n de protecci$n
onfi!uraci$n "sica7
=pcionalmente a!re!ando un condensador de acoplamiento7
B;44>:0NE7 •
an!o desde && hasta 1&&& atios.
•
Variaci$n del olta(e de entrada7 Vin J1&K, >2&K
•
Eficiencia del conertidor7 h @ 8&K
•
e!ulaci$n por ariaci$n del ciclo de tra"a(o7 d)ma?* @ &.8
•
9?. corriente de tra"a(o en el transistor7
I @ %out D ) h d)ma?* Vin)min* 1.L1 * @ 1.L %out D Vin )B='+0* •
9?. tensi$n de tra"a(o del transistor7 VI @ Vin)ma?* 1.L1 J tensi$n de protecci$n onfi!uraci$n "sica7
Fuentes conmutadas -s. /uentes "inea"es :sicamente e?isten dos formas de realizar una fuente de alimentaci$n re!ulada. ;na de ellas consiste en hacer una fuente que entre!ue mayor tensi$n de la requerida a la salida. Entre la fuente y la car!a se coloca un dispositio re!ulador que no hace otra cosa que disminuir la tensi$n de la fuente hasta un alor deseado manteni#ndolo constante. %ara lo!rar esto, se utilizan transistores que tra"a(an como resistencias aria"les. 0e esta manera, parte de la potencia de la fuente lle!a a la car!a y parte se transforma en calor que se disipa lue!o en el aire. + estos dispositios se los denomina re!uladores lineales y se caracterizan por !enerar "astante calor para potencias medianas y altas )fi!ura 1*.
=tro tipo de re!uladores son capaces de tomar de la fuente s$lo la potencia que la car!a requiere. 0e esta manera, prcticamente no hay potencia disipada en forma de calor y por ello su eficiencia es mucho mayor. El principio de funcionamiento de estos re!uladores consiste en transformar la tensi$n continua de la fuente en una serie de pulsos que tienen un ancho determinado. Estos pulsos son lue!o inte!rados y transformados nueamente en una tensi$n continua. Variando el ancho de los pulsos es posi"le controlar la tensi$n de salida. + los re!uladores que emplean este principio se los denomina re!uladores conmutados )fi!ura 2*.
omo podrn ima!inar la comple(idad circuital de los re!uladores conmutados ha"ía rele!ado su uso, hasta no hace mucho tiempo, al campo de las altas potencias o aplicaciones especiales. Sin em"ar!o ahora se cuenta con circuitos inte!rados que facilitan y reducen los costos de este tipo de re!uladores con lo cual su uso se ha
e?tendido enormemente en los /ltimos a-os.
Fuentes de a"imentacin !ara PCs oda % actual cuenta con una fuente de alimentaci$n re!ulada conmutada de !ran calidad y rendimiento. Estas fuentes, se pueden o"tener como un componente separado en los ne!ocios del ramo. E?isten distintas ersiones que proporcionan distintas potencias de salida siendo las ms usuales las de 2&& y 2& 'ats. ada fuente cuenta con conectores para el ca"le de entrada de 22&V o 11&V y un entilador. odo en una peque-a ca(ita metlica con a"undantes orificios de entilaci$n. Estas fuentes son en realidad fuentes conmutadas que utilizan un muy conocido circuito inte!rado especialmente dise-ado para este fin, el 4LOL. Nracias a este inte!rado, se pueden hacer fuentes conmutadas a un "a(o costo ya que en #l estn presentes todos los circuitos de control necesarios y s$lo es necesario a!re!ar al!unos componentes pasios )resistencias y capacitores* y transistores de potencia. 0ise-o de una fuente conmutada 9+E+47 1 ;+P8SL&% 1 +%+= L.Pn Bd. 1 +%+= 1&&u Bd. 1 :=:Q+ 0E 32u hy. 1 ESS= 1.2, 1&1, &.1, 1, LPohms. 1 %=EQ=9E=. 1 0=0= de 8 +9%. 0ES+=44=7 %ara el desarrollo de est prctica nos "asamos en el conertidor de dc>dc de su"ida, el olta(e de entrada es de 12 olts y a la salida tenemos 2L olts de dc. para el clculo de esta prctica nos "asamos en las f$rmulas de dise-o en las ho(as de especificaci$n del circuito P8sL& de motorola. ahora mostramos el dise-o con estas formulas7 0atos7 VS@Vin@12. Vout@ 2L out@1 amp. Vripple@ 1K @ olta(e rizo.
[email protected] tonR@1&us toffR@1&us. )tonJtoff*@&us. toff@1&us. @L?1&>? toff @L ?1&> ?1&us@ L.nBd apro?. L.PnBd. por lo tanto 7 ton@1&.LLus ? 1.1LP1 @ 11.O8us
Se decidi$ poner un condensador de 1&&ufd. a T3 olts. 1J2@2L
con estos alores de resistores, capacitores y "o"ina se procedi$ al armado del conertidor. ca"e se-alar que para la construcci$n de la "o"ina se uso un toroide. aquí mostramos el circuito terminado7
ME&ICIONE#% Se midi$ el olta(e rizo y fue de 7 .2 olts que se apro?ima a nuestros alores de clculo, tam"i#n se puso a la salida 2 focos, se midi$ la corriente y fue de .O amp, y el olta(e de salida fue de 23.O olts este alor se acerco mucho al calculado. Se pusieron distintas car!as, para alores de impedancia que no pidieran ms corriente mayor a 1 ampere el olta(e se mantenía constante, pero al pedirle ms corriente el olta(e de salida se caía, como era lo pensado. por lo !eneral el conertidor funciono correctamente en los ran!os acepta"les.
REGULA&ORE# CON CONMUTACI0N EN EL PRIMARIO. En la fi!ura 1.T muestra el circuito "sico de un re!ulador con conmutaci$n en el primario. 4a tensi$n de la red es rectificada directamente por medio de un puente de diodos. 4os condensadores alisadores conectados en serie 1, 2, tienen entonces cada uno una tensi$n de 1& V. on los transistores conmutadores, 1 y 2, las tensiones ;1 J1& V, si 1 conduce >1& V, si 2 conduce pueden ser aplicadas alternatiamente al arrollamiento primario del transformador de alta frecuencia. El primario esta conectado al rectificador de red de tal manera que por el no circula corriente continua. Esto eita que el transformador se sature si los tiempos de conducci$n de 1 y 2 no son i!uales.
fi!ura 1.T circuito "sico de un re!ulador de conmutaci$n del primario. 4a tensi$n alterna del secundario del transformador es rectificada por un circuito puente. Esta cone?i$n particular es preferi"le para este tipo de re!ulador ya que en un instante cualquiera s$lo hay un diodo que produce perdidas. Ul arrollamiento secundario adicional normalmente eitado en funcionamiento a & Hz no representa dificultades en la operaci$n de alta frecuencia. Estos aspectos son particularmente importantes para !enerar peque-as tensiones de salida, ya que los diodos 01 y 02 son la principal causa de perdida. %ara mantener en el mínimo las perdidas esttica y dinmica se recomienda utilizar diodos de potencia Schotty, por e(emplo los tipos 9:32&....9:PL de motorota. 0e la misma manera que para el re!ulador con conmutaci$n en el secundario, el aislamiento de la tensi$n de salida se o"tiene por medio de un elemento 4. 4a unidad de control es en principio id#ntica a la del re!ulador con conmutaci$n en el secundario. Sin em"ar!o, se requiere un circuito e?citador adicional para distri"uir la se-al de conducci$n al transistor conmutador apropiado. omo los transistores estn conectados al primario del transformador y el circuito e?citador tiene una unidad de control para el secundario, los transistores de"en estar aislados del circuito e?citador %ara la transmisi$n de impulsos de u optoacopladores. on el fin de que la disipaci$n de potencia de los transistores conmutadores pueda ser peque-a, de"en ser conmutados en cone?i$n y descone?i$n tan rpidamente como sea posi"le y nunca de"en estar conduciendo simultneamente. on el dise-o $ptimo se pueden o"tener rendimientos de ms del 8&K. 4a unidad de control se puede adquirir como circuito inte!rado. 4a disipaci$n descrita tam"i#n puede ser directamente alimentada por una tensi$n de c.c, en lu!ar de por una tensi$n de c.a, rectificada. Bunciona como transformador de tensi$n de c.c, altamente eficiente )conertidor c.c.Dc.c.*.