Fuentes de Alimentación Conmutadas Su Historia ¿Qué es una
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TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Su Historia ¿Qué es una fuente de alimentación? Una fuente de alimentación es un dispositivo que convierte i la l corriente i eléctrica lé i alterna l a corriente i continua. También llamadas rectificadores, rectificadores transformadores, transformadores convertidores, alimentadores,... No siempre correctamente pero igualmente utilizados. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 1 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Su Historia Fuentes lineales Las primeras fuentes de alimentación eran lineales. Un transformador que reducía la tensión de entrada de 220/120 VAC a otra tensión seguida de un puente de diodos y algún filtro para estabilizar la salida. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 2 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Su Historia Fuente lineales El inconveniente de las fuentes lineales es su gran tamaño, que disipan gran parte de la energía en calor. C Consecuentemente t t su eficiencia se reduce y la vida p de los componentes electrónicos que puedan estar cercanos se ve mermada mermada. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 3 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Su Historia Las necesidades en la carrera aeroespacial de peso y consumo de toda la electrónica reducir p llevó al primer desarrollo de fuentes de alimentación conmutadas. Así en los años cuarenta se dieron los primeros pasitos en sistemas conmutados por parte de la NASA. En 1977 se introduce la modalidad de conmutación regulación en la 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 cómputación y video. video EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 4 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Su Historia En principio era una tecnología muy cara y desconocida. Paulatinamente, el abaratamiento de la electrónica y la miniaturización, ha conseguido que las fuentes de alimentación conmutadas se abaraten ofreciendo mayor considerablemente,, estabilidad, seguridad, eficiencia y a un precio similar a las fuentes lineales. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 5 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Principios de Operación Como opera un Regulador DC: • Sensa los cambios en el voltaje de salida. • Usa algún tipo de circuito de retroalimentación. t li t ió • Efectúa algún tipo de control para compensar este cambio y mantener una salida constante. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 6 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Principios de Operación En un regulador Monolítico: La salida de voltaje j es comparada p con un voltaje j de referencia y pasada por un amplificador de error . La salida del amplificador de error es usada para controlar el punto de operación ó de un transistor entre su región lineal o sus dos puntos de corte y saturación. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 7 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Principios de Operación Regulador Monolítico Voltaje de entrada Voltaje de salida Transistor regulador Sensor RL Amplificador de error Detector de error Tensión referencia EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 8 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Principios de Operación Cuando el transistor de paso opera en su región intermedia de corte y saturación, el regulador g opera p como un regulador lineal. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 9 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Principios de Operación Mi t Mientras que all operar Entrada Oscilador en corte y saturación este opera como un Volt Ref. + - regulador conmutado. 1 VO = T ∫ TON 0 vO dt = δ ⋅ E Logica Control Elemento Control Muestreo Salida EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 10 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Principios de Operación La operación lineal tiene menor eficiencia que la operación conmutada. conmutada PEntrada = PDisipada + PSalida p Psalida %η = • 100 P t d Pentrada PDisipada = I O ⋅ VCE Psalida = I O ⋅ VO EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 11 Fuentes de Alimentación Conmutadas TEMA6 Principios de Operación La operación conmutada es más eficiente debido a: En la región de corte y en la región de saturación el transistor presenta baja disipación través de él. Entrada Oscilador Volt Ref. + - Logica Control PDisipada = I O ⋅ VCEsat ≅ 0 Elemento El t Control PDisipada = I CBO ⋅ (VEntrada − VO ) ≅ 0 p M Muestreo t Salida EL1313-Electrónica III 2005 Psalida %η = • 100 ≅ 95% P Pentrada d Raúl Abreu-UNEXPO 12 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Principios de Operación Rectificador y filtro de entrada Elemento Control Diodo “catch” y Filtro de salida LC Oscilador PWM Comparador o MVM Muestreador y Amplificador de error DC Regulado AC No o Regulado o Bloques funcionales de un regulador conmutado Voltaje de Referencia EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 13 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Topologías Operación Reductora (Step Down): IL Vin Vout Configuración Reductora EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 14 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Reductora Reductora Características: • Tienen una alta eficiencia. • Voltaje de Salida inferior al de entrada. • Crea una cantidad de ruido relativamente grande en la línea de entrada. • A la salida del circuito el ruido que se detecta es muy bajo. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 15 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Elevadora Elevadora Operación Elevador (Step Up): IL V t Vout Vin IC Configuración Elevadora EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 16 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Elevadora Elevadora Características: • Tienen i una alta l eficiencia. fi i i •Voltaje de Salida superior al de entrada. •Crea una cantidad de ruido en la línea de entrada menor que en el reductor. •El ruido que se detecta a la salida del circuito es mayor que en el reductor. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 17 Fuentes de Alimentación Conmutadas TEMA6 Topología Inversora Inversora Operación Inversor (Buck-Boost): Vin Vout Ic IL Configuración Inversora EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 18 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Inversora Inversora Características: • Tienen una alta eficiencia. •Voltaje de Salida negativo menor o mayor que el de entrada segun δ. •Crea una cantidad de ruido en la línea de entrada relativamente alto. •El ruido que se detecta a la salida del circuito es mayor que en el reductor. EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 19 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Reductora Reductora Ecuaciones: E − VC VC δT = (1 − δ )T L L ( E − VC )δ = VC (1 − δ ) VC = δE EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 20 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Reductora Reductora Ecuaciones: I L ( MAX ) 1 (1 − δ )T = δE + 2 L R I L ( MIN ) 1 (1 − δ )T = δE − 2 L R T 2 VO ∆VO = (1 − δ ) 8C L 8C EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 21 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Elevadora Elevadora Ecuaciones: I L ( MAX ) − I L ( MIN ) E = δT L I L ( MIN ) − I L ( MAX ) E − VO = (1 − δ )T L 1 VO = E (1 − δ ) EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 22 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Elevadora Elevadora Ecuaciones: I L ( MIN ) E E = − δT 2 R(1 − δ ) 2 L I L ( MAX ) E E = + δT 2 R(1 − δ ) 2L EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 23 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Elevadora Elevadora Ecuaciones: VO δT ∆VO = R C EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 24 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Inversora Ecuaciones: I L ( MAX ) − I L ( MIN ) I L ( MIN ) − I L ( MAX ) VC = VO = δ 1− δ EL1313-Electrónica III 2005 E = δT L VC = − (1 − δ )T L E Raúl Abreu-UNEXPO 25 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Inversora Ecuaciones: I L ( MIN ) δE EδT = − 2 R (1 − δ ) 2L I L ( MAX ) δE EδT + = 2 R(1 − δ ) 2L EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 26 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Inversora Inversora Ecuaciones: VO δT ∆VO = R C EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 27 Fuentes de Alimentación Conmutadas TEMA6 Diseño con dispositivos discretos Regulador Conmutado reductor de +5V TN3467A 0.5mH CMD1 0V R9 150 V4 .IC Vcc 8 Dis 7 Thr 6 Ctl 5 U1 UA555 1 Gnd 2 Trg 3 Out 4 Rst RB 10k .IC Vcc 8 Dis 7 Thr 6 Ctl 5 R 30k R6 220 .IC D1 SKYDIODE C3 1000uF Q3 TN3725A R7 33 + C C1 .01uF 0.01uF + 1 Gnd 2 Trg 3 Out 4 Rst R8 50 RA 600k U2 UA555 + +12V CT .001uF R11 5.1k R5 1000k V2 +12V C2 690pF V1 +12V R3 1k Vin Trim Out GND U4 REF02D + 5.1k R4 LF351/NS U3 EL1313-Electrónica III 2005 Q1 NPN R1 15k Q2 NPN R2 470 Raúl Abreu-UNEXPO 28 R10 10 Fuentes de Alimentación Conmutadas TEMA6 Diseño con dispositivos discretos Formas de Onda del Regulador reductor de 5V 0.000ms 2.000ms 4.000ms 6.000ms 8.000ms A: u2_3 10.00ms 17.50 V B: r6 6_1 -2.500 V 12.50 V C: l1[i] -2.500 V 3.500 A D: q2_3 -0.500 0 500 A 10.00 V 0.000 V 6.000 V E: cmd1_1 F: u4_6 0.000 V EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 29 Fuentes de Alimentación Conmutadas TEMA6 Diseño con dispositivos discretos Regulador Conmutado reductor de 9V Q4 TN3467A L1 0.5mH CMD1 0V .IC R9 150 V4 Vcc 8 Dis 7 Thr 6 Ctl 5 Vcc 8 Dis 7 Thr 6 Ctl 5 R 20k R6 220 .IC D1 SKYDIODE1 C3 1000uF Q3 TN3725A R7 33 + C C1 .01uF 0.01uF CT .001uF R11 5.1k R5 1000k R12 6.38k C2 690pF V1 +12V R3 1k Vin 5V Trim Out 2.8k GND U4 R4 1 Gnd 2 Trg 3 Out 4 Rst RB 10k .IC V2 +12V U1 UA555 + 1 Gnd 2 Trg 3 Out 4 Rst R8 50 RA 600k U2 UA555 + +12V + LF351/NS U3 EL1313-Electrónica III 2005 Q1 NPN R1 15k Q2 NPN R2 470 Raúl Abreu-UNEXPO 30 R10 90 Fuentes de Alimentación Conmutadas TEMA6 Diseño con dispositivos discretos Formas de onda del Regulador reductor de 9V 0.000ms 2.000ms 4.000ms 6.000ms 8.000ms A: u1_2 10.00ms 17.50 V B: u1_3 -2 2.500 500 V 12.50 V E: l1[i] [] -2.500 V 3.500 A C: q2_3 -0.500 A 10.00 V D: cmd1_1 0.000 V 10.00 V 0.000 V EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 31 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Diseño con dispositivos dedicados Controlador PWM TL494 de Motorola EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 32 Fuentes de Alimentación Conmutadas TEMA6 Diseño con dispositivos dedicados Regulador de +24 V usando el TL494 8V-20V R26 1M 3 MMBT4258 Comp C22 10uF R29 10k EL1313-Electrónica III 2005 Q20 R23 47 + T20 L20 3.5mH D20 1N4934 C23 50uF R30 1 R22 22k R21 5.78k C24 50uF R20 280 10 E1 E2 9 GND 7 5 4.7k R27 4.7k RT 6 CT 15k OC VREF DT 4 C2 11 0.001uF R28 Q21 C20 50uF + MMBT4258 15 16 + 0V TL494A-1 TL494A 1 14 C26 0.01uF C1 8 2- 13 R25 33k 24V VCC 1+ C21 0.01uF D21 1N4934 + 12 R24 47 R31 C25 0V Raúl Abreu-UNEXPO 33 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Diseño con dispositivos dedicados Regulador conmutado reductor de +5 V usando el TL494 Q1 TN3467A L1 1mH E R10 47 + Comp 3 C2 C1 R4 1Meg -2 R8 5.1k +1 U1 Vref 14 TL494 NMDB - 15 D1 DIODE D R5 5.1k R6 5.1k C2 500uF + Vcc C3 0.1uF F 11 8 12 R11 150 C B + + V1 40V R3 47k R9 5 C4 50uF + 16 C1 1nF R1 55k E2 10 E1 9 O.C GND 7 4 D.T 13 A RT 6 5 CT R7 150 R2 0.1 EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 34 Fuentes de Alimentación Conmutadas TEMA6 Diseño con dispositivos dedicados Regulador conmutado reductor de +5 V usando el TL494 0 000ms 0.000ms 0 500ms 0.500ms 1 000ms 1.000ms 1 500ms 1.500ms 2 000ms 2.000ms A: c1_2 F: c3_2 2 500ms 2.500ms 3 000ms 3.000ms 3.500ms 3 500ms 7.000 V -1.000 1.000 V 7.000 V B: l1_2 D: u1_14 C: u1_8 -1.000 V 50.00 V E: l1[i] 0.000 V 4.500 A -0.500 A EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 35 Fuentes de Alimentación Conmutadas TEMA6 Diseño con dispositivos dedicados Regulador conmutado inversor de -5 V usando el TL494 Q1 D1 TN3467A R10 47 12 V1 DIODE A Vcc C3 0.1uF 11 8 12 R11 150 3 C Comp C2 C1 R4 g 1Meg -2 R2 47k R13 10k +1 - 15 R6 5.1k R1 55k EL1313-Electrónica III 2005 E2 10 E1 9 7 13 D.T O.C GND 4 6 5 C1 1nF RT C2 330uF L1 2mH + 16 CT R12 5.1k + TL494 NMDB R9 1.5k + U2 Vref 14 R5 10k C4 330uF R7 158 R8 0.1 Raúl Abreu-UNEXPO 36 Fuentes de Alimentación Conmutadas TEMA6 Diseño con dispositivos dedicados Regulador conmutado inversor de -5 V usando el TL494 0.000ms 0.250ms 0.500ms 0.750ms 1.000ms 1.250ms A: u1_5 B: u1_3 1.500ms 1.750ms 2.000ms 6.000 V C: u1_8 -2.000 V 50.00 V E: l1[i] 0.000 0 000 V 4.500 A D: c4_2 -0.500 -0 500 A 2.000 V -6.000 6.000 V EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 37 Fuentes de Alimentación Conmutadas TEMA6 Diseño con dispositivos dedicados Regulador conmutado Elevador de +15 V usando el TL494 D1 DIODE L1 100uH 100 H 2 Comp 3 C2 C1 R1 1Meg -2 +1 V1 + 10V R8 15.3k 5.1k R3 Vref 14 TL494 NMDB R4 5.1k - 15 R10 7.65k C3 50uF + 11 C1 0.1uF + Vcc A R2 47k 8 12 1 C4 50uF R9 1.5k + 16 C2 1nF R6 55k E2 10 E1 9 7 O.C GND 13 D.T 4 RT 6 5 CT R5 102 R7 1 EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 38 Fuentes de Alimentación Conmutadas TEMA6 Diseño con dispositivos dedicados Regulador conmutado Elevador de +15 V usando el TL494 A: d1_k 15.00 V 14.00 V 13.00 V 12.00 V 11.00 V 10 00 V 10.00 9.000 V 0.000ms EL1313-Electrónica III 2005 2.500ms 5.000ms 7.500ms Raúl Abreu-UNEXPO 10.00ms 12.50ms 15.00ms 39 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Diseño con dispositivos dedicados Controlador en modo corriente UC3842A Motorola EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 40 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Diseño con dispositivos dedicados Regulador Flyblack fuera de línea de 27W EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 41 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Cálculo del inductor La inductancia de un arrollado alrededor de un anillo toroidal de un material con un núcleo de sección transversal circular y permeabilidad relativa µr es : L = inductancia en H µ0 = permeabilidad del aire= 4π × 10-7 H/m µr = ppermeabilidad relativa del núcleo N = número de vueltas r = radio del arrollado de la bobina D = diámetro total del anillo toroidal en metros EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 42 TEMA6 Fuentes de Alimentación Conmutadas Comparación con reguladores lineales Parámetro P á t Eficiencia Tamaño Regulación de Línea y de carga Rizo en la salida Ruido Respuesta p transitoria Tiempo de sostenimiento Conmutada C t d 75% 2W/in3 Lineall Li 30% 0.5W/in3 0.1% 0.1% 50mVpp 50 a 200 mVpp 1mS 5mVpp --20uS 20 a 30 mS 1 a 2 mS Desempeño de una Fuente de Alimentación Conmutada a 20kHz versus una Fuente lineal EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 43
