Fuentes Conmutadas - U. T. F. S. M.

Fuentes de Alimentación No Lineales o
Reguladores de Conmutación
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Fuentes de Alimentación No Lineales o
Reguladores de Conmutación
BIBLIOGRAFÍA:
• POWER SUPPLY COOKBOOK – MARTY BROWN
• SIMPLIFIED DESIGN OF SWITCHING POWER SUPPLIES
• Dispositivos Electrónicos - Thomas Floyd – Cap. 17.4
(Octava Edición)
• INTERNET: Buscar como SWITCHING POWER SUPPLIES
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1
Reseña
• Debido a la continua integración de componentes,
los transformadores de tensión siempre han sido
los componentes pasivos más difíciles de
acomodar dentro de los equipos electrónicos.
• Si se tiene alguna noción de electromagnetismo,
se podrá comprender fácilmente el funcionamiento
de uno de estos "monstruos de cobre y acero".
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Principio Básico
• Como la frecuencia de entrada es directamente
proporcional a la intensidad de salida, se llegó a
la conclusión de que aumentando la frecuencia
de entrada de un transformador, este podía dar
más intensidad de la nominal, con la
consiguiente reducción de tamaño del mismo y
así comenzaron a fabricarse los llamados
Reguladores de Conmutación.
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Diagrama Básico de una fuente
Switching
FILTRO Y
RECTIFICADOR
DE ENTRADA
V a.c
ELEMENTO
CONMUTADOR
(inversor de alta
V d.c
FILTRO Y
RECTIFICADOR
DE SALIDA
frecuencia)
Vo
MUESTRA
Y
CIRCUITO DE
CONTROL
(PWM)
Estructura básica y funcionamiento
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DIAGRAMAS DE BLOQUES DE UNA FUENTE
SWITCHING
50 - 60 Hz
20 - 25 KHz
DC
DC
Inversor de alta frecuencia
(high frecuency inverter)
Línea
Rectificador de salida
y filtro
Rectificador de
entrada y filtro
(output rectifier
and filter)
(input rectifier
and filter)
PWM
Osc
Comp
Ref
Circuito de control
(control circuit)
Introducción a las Fuentes Conmutadas
6
3
TIPOS DE FUENTES SWITCHING
•
•
•
•
•
•
Regulador reductor (buck)
Regulador elevador (boost)
Regulador elevador reductor
Regulador flyback
Regulador cuk
Reguladores tipo puente:
Regulador Contrafase (Push-Pull).
Regulador Half-Bridge.
Regulador Full-Bridge.
http://www.dte.upct.es/docencia/tutoriales/electronica_de_potencia/converso.htm
Fuentes Switching
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Las fuentes conmutadas existen en diferentes topologías con características particulares en cada una.
1
8
4
Análisis de Topologías
REGULADOR REDUCTOR (BUCK)
•El voltaje de salida es menor que el voltaje
de entrada
http://www.dte.upct.es/docencia/tutoriales/electronica_de_potencia/converso.htm#buc
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Circuito básico y funcionamiento
L
+
Vi
+
PMW
CONTROL
D
C
Vo
Vo  Vi * D
D
Ton
Ton

T
Ton  Toff
Tarea: Dibujar formas de onda
En el condensador (IC) y en el diodo
Va con Multisim
Regulador Reductor
(Buck)
10
5
Circuito básico y funcionamiento
Vtr
SWITCH
ON
Vi
Ton
L
Toff
t
0
C
D
Vo
iL
t
0
iC
SWITCH
OFF
Vi
L
t
0
C
Vo
Vo
t
0
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Operación Reductora (“BUCK”)
Tarea:
Dibujar formas de onda en el
circuito (ID, IL, VC), con un simulador
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6
Análisis de Topologías
REGULADOR ELEVADOR (BOOST)
•El voltaje de salida es mayor que el voltaje
de entrada
http://www.dte.upct.es/docencia/tutoriales/electronica_de_potencia/boost.htm
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Circuito básico y funcionamiento
L
+
V in
Vo 
D
PMW
CONTROL
Vi
1 D
Tarea: Dibujar formas de onda
En el condensador (IC) y en el diodo
Va con Multisim
+
SWITCH
C
Vo
Regulador Elevador (Boost)
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7
Circuito básico y funcionamiento
iL
SWITCH
ON
V in
0
Vo
Vtr
t
t
0
iD
t
0
iC
iL
V in
SWITCH
OFF
Vo
t
0
Vo
0
t
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Operación Elevadora (“Boost”)
Tarea: Dibujar formas de onda en
el condensador (IC) y en el diodo
Va con Simulador
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8
Análisis de Topologías
REGULADOR INVERSOR
ELEVADOR - REDUCTOR (BUCK - BOOST)
•Su voltaje de salida es mayor o menor que
el voltaje de entrada
El voltaje de salida es inverso al de entrada
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Circuito básico y funcionamiento
D
+
V in
D
PMW
CONTROL
Ton
Ton

T
Ton  Toff
Vo 
Vi * D
1 D
L
C
+
-Vo
Tarea: Dibujar formas de onda
En el condensador (IC) y en el diodo
Va con Multisim
Regulador Elevador Reductor
(Buck-Boost)
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9
Circuito básico y funcionamiento
Vtr
Ton
SWITCH
ON
Vi
L
t
0
C
+
Toff
Vo
iL
t
0
iC
SWITCH
OFF
Vi
L
C
+
t
0
Vo
Vo
0
t
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Operación Inversora
Tarea: Dibujar formas de onda en el condensador (IC) y
en el diodo Va con Simulador
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10
Análisis de Topologías
REGULADOR FLYBACK
•Su voltaje de salida es mayor o menor que
el voltaje de entrada
•El voltaje de salida es directo al de entrada
(igual polaridad)
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Circuito básico y funcionamiento
D
+
V in
C
PMW
CONTROL
Vo 
+
Vo
Vi * D
n(1  D)
Regulador
Flyback
D
D
+
C
V in
SWITCH
ON
+
+
Vo
C
V in
+
Vo
SWITCH
OFF
22
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Forward Converter Switching Regulator
D1
L
+
+
D2
C
VO
-
Vi
Forward Converter Switching Regulator
D3
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Regulador Cúk
Su voltaje de salida es mayor o menor que el
voltaje de entrada.
Es capaz de manejar mayores corrientes, que
los anteriores.
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12
Circuito básico y funcionamiento
L1
C1
L2
+
+
V in
PMW
CONTROL
Vo 
D
SWITCH
Vi * D
1 D
C2
+
Vo
Regulador Cúk
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Circuito básico y funcionamiento
L1
C1
iL1
L2
0
+
+
V in
SWITCH
ON
D
C2
Vo
Ton
0
+
t
Vtr
Toff
t
iC1
t
0
L1
C1
L2
iL2
+
+
V in
SWITCH
OFF
0
D
C2
+
Vo
t
iC2
t
0
Vo
t
0
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13
DESVENTAJAS
• Al trabajar con un solo transistor se requieren de
inductores y capacitores de gran tamaño para la
transferencia de energía.
• A excepción del regulador Flyback, no presentan
una aislación galvánica
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Reguladores tipo Puente
•
•
•
•
Permiten manejar mayores niveles de potencia
Están aislados galvánicamente
Su ciclo de trabajo debe ser 50%
Permiten salidas con voltajes positivos y/o negativos
TOPOLOGÍAS
• Regulador Contrafase (Push-Pull).
• Regulador Half-Bridge.
• Regulador Full-Bridge.
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Regulador Contrafase Push – Pull
• Su voltaje de salida es menor que el de entrada.
• Ocupa dos transistores para la conmutación.
• Sus voltajes de salida son bajos, típicamente 12
a 24 VDC.
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Basic Push-Pull Converter Circuit
L
+
+
Vi
VO
-
-
Vo 
2Vi * D
n
Regulador
Contrafase
( Push-Pull )
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Regulador HALF-BRIDGE
• Pueden operar conectados a altas tensiones DC de
entrada.
• Utiliza dos transistores para la conmutación.
• Puede alcanzar tensiones sobre los 200 VDC de salida.
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Half Bridge Converter Circuit
+
1:n
L
+
Vi
VO
-
Vo 
Vi * D
n
Regulador de
Medio Puente
Half-Bridge
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Regulador FULL-BRIDGE
• Tiene la misma configuración que el Half-Bridge.
• Ocupa cuatro transistores para la conmutación.
• Sus voltajes de salida se sitúan entre 1 a 3 KV
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Full Bridge Converter Circuit
+
Q1
L
Q4
+
VO
Vi
-
Q3
Q2
Vo 
2Vi * D
n
Regulador
Full-Bridge
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Full Bridge Converter Circuit
•Por características, permiten ahorrar espacio, energía y costos.
•Su regulación, al ser controlada, es más exacta.
•Producen altas EMI y RFI. (Interferencias electromagnéticas y
de radiofrecuencia)
•Están disponibles en circuitos integrados, para sus distintas
aplicaciones y configuraciones.
•Donde se destacan LM78S40 de National y MC34060 de
Motorola.
Aplicaciones
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MODULADOR POR ANCHO DE PULSO (PWM)
TL 494
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18
Cargador de Celular.
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38
19
Vinculaciones de apoyo
Teoría
circuitos
Powerde
Supply
Cookbook
R. L. Boylestad
Marty Brown
Simplified Design of
Switching Power Supplies
Teoría
de circuitos
Teoría
de circuitos
R. L. Boylestad
R. L. Boylestad
Dispositivos Electrónicos
Thomas Floyd
Electrónica
Allan Hambley
Principios de Electrónica
Malvino
39
20