Fuentes de alimentación conmutadas

Fuente de alimentación con regulador conmutado
Diagrama en bloques
Fuente
regulada y
estabilizada
Fuente no
regulada ni
estabilizada
TRANSFORMADOR
FICHA DE
ALIMENTACIÓN
RECTIFICADOR
FILTRO
REGULADOR
CARGA
FUSIBLE
INDICADOR
DE
ENCENDIDO
INDICADOR
DE NIVEL
DE
TENSION
DE SALIDA
Eficiencia
• El regulador lineal es de baja eficiencia pues toda
la corriente de la carga lo atraviesa pero con una
gran caída de tensión, por lo que se desperdicia
mucha energía que se transforma en calor
• El regulador conmutado construído con
elementos reactivos como capacitores,
inductores y llaves conmutadoras de dos estados
no genera pérdida de energía por disipación de
calor
Eficiencia en regulador lineal
CIRCUITO
DE
CONTROL
η
PC VS .I S VS
η=
=
=
PE VE .I S VE
ηmax
VE
VS
Ƞ disminuye con la caída de tensión entre entrada y salida
Eficiencia en regulador conmutado
CIRCUITO
DE
CONTROL
PC
η=
=1
PE
Ƞ = 100 % por no contener elementos disipativos
Ejemplos de reguladores conmutados en la placa madre de una PC
Sector fuentes de alimentación auxiliares de la placa madre de una PC
Fuente de alimentación principal de una PC de 400W
Fuentes de alimentación conmutada de baja potencia
Principio de funcionamiento del regulador conmutado
∆VL t
I L = I INICIAL +
L
Determinación de la tensión de salida VS
Asumimos que C es lo suficientemente grande como para mantener la tensión de
salida constante durante Δt1 y Δt2 (VS = estable se logrará por realimentación)
Llave 1 cerrada – llave 2 abierta
I MAX = I MIN +
IL , IS
Llave 2 cerrada – llave 1 abierta
ILMIN
IL
Δt1
I MIN
L
MODO CONTINUO
ILMAX
IS
(VE − VS )Δt1
Δt2
Δt1
VSΔt 2
= I MAX −
L
Δt2
t
Combinando ambas expresiones se obtiene:
VSΔt 2 = (VE − VS )Δt1
VS (Δt1 + Δt 2 ) = VE Δt1
VS = VE
Δt1
Δt1 + Δt 2
Llamando D al ciclo de trabajo de las llaves 1 y 2 se obtiene:
VS = VE D
D puede ajustarse entre 0 y 1 por lo que la tensión de salida siempre será menor a
la de entrada
Considerando:
I MAX + I MIN
IS =
2
t ON
Δt1
=
= t ON f
D=
T
Δt1 + Δt 2
Se llega a:
1 (1 - D ) VS
L=
2f (I MAX − IS )
Reflexionar acerca del valor adecuado de L y su relación con la selección de los
elementos de conmutación.
Corriente en la inductancia
Corriente en la carga
ILMAX
IS
ILMIN
Δt1
Δt2
Δt1
Δt2
Δt1
Δt2
t
T
NOTAR QUE IS PUEDE TOMAR CUALQUIER VALOR SIEMPRE QUE ILMIN>0
Reemplazo de llaves por dispositivos de conmutación semiconductor
CIRCUITO
DE
CONTROL
Circuito de control
¿Como funciona el PWM (modulador por ancho de pulso)?
AMPLIFICADOR
DE ERROR
CIRCUITO
DE
DISPARO
COMPARADOR
OSCILADOR
REFERENCIA
DE TENSIÓN
Formas de onda de control
NOTA:
La forma de onda en azul es una muestra de la tensión de salida.
Tener en cuenta que la tensión de salida varía mucho mas lentamente que un
periodo del oscilador. Aquí se ha representado así para mostrar como se produce
la modulación por ancho de pulso, a partir de la comparación de la señal del
oscilador con la señal error resultante de la mezcla entre la muestra de la tensión
de salida y la tensión de referencia.
Realización práctica con circuito integrado LM2576
Estabilidad
Limitaciones y problemas impuestos por los componentes
1. Siempre será VE ≥ VS + VSAT como ocurre en los reguladores lineales
2. Exigencia en el encendido del transistor debido a la demora en el apagado del diodo,
por lo que deben usarse diodos de bajo tiempo de recuperación
3. Si se daña el transistor suele quedar en cortocircuito, con lo que VS=VE destruyendo la
carga
• En consecuencia debe implementarse un efectivo sistema de protección contra
sobretensión
• El más común y sencillo es el CROWBAR con fusible y tiristor, refinándolo para evitar
que el tiristor se dispare por sobre picos a la salida o la entrada que si pueden ser
tolerados por la carga.
Componentes adicionales
1. Cuando el transistor se apaga y hasta que se enciende el diodo hay una
sobretensión en el inductor que puede destruir el propio transistor y/o el
diodo. Esta sobretensión puede amortiguarse con una simple red RC en
paralelo con el diodo, llamada SNUB. Otros circuitos más elaborados para el
recorte de las sobretensiones incluyen diodos de recuperación rápida, diodos
zener y redes RC.
Componentes adicionales
“SNUB” sobre
el inductor
“SNUB” sobre
la llave
Componentes adicionales
Componentes adicionales
2. Cambios abruptos en las condiciones de carga o en la fuente de tensión de
entrada pueden crear también sobre picos de tensión destructivos para el
transistor y/o el diodo. Se pueden suprimir estos transitorios con diodos
zener, con dispositivos supresores de transitorios (dos diodos zener de gran
corriente y tensión enfrentados en serie), con varistores (resistores
dependientes de la tensión), etc.
Varistor
Supresor de
transitorio
Componentes adicionales
3.
Los reguladores conmutados generan interferencias electromagnéticas
(EMI), tanto emisiones de RF desde de los componentes (transistor, diodo,
circuito impreso, etc.) como a través de los cables de conexión de entrada y
salida, invadiendo el espectro radio eléctrico. Por lo que debe blindarse
(encerrarse con una jaula metálica) el conjunto de componentes que
produce EMI y también filtrarse las señales de RF que salen del regulador
(por los cables) mediante filtros de RF.
Filtro de línea de alimentación
Fuente de
alimentación
blindada
Adaptador fuente USB para encendedor de automóvil
Regulador “reductor”
implementado con el
circuito integrado
MC34063 de Motorola
8
1
S Q
Q2
Q1
R
7
2
Ipk
Rsc
0.33
Osc
Vin
12 V
6
100
CT
VCC
+
+
–
Comp.
5
1.25 V
Ref
Reg
1N5819
3
L
CT
220 µH
470
pF
4
1.0 µH
Vout
5.0 V/500 mA
3.6 k
R1 1.2 k
+
470
CO
+
100
Optional Filter
Regulador reductor en Modo Discontinuo
IL
ILMAX
IS < IMAX/2
0
Δt1
Δt2
Δt1
Δt2
Δt1
Δt2
t
T
Un regulador operando en modo continuo puede pasar al modo discontinuo al reducirse
la carga, y por consiguiente reducirse la corriente de salida.
El comportamiento del regulador a lazo cerrado puede volverse inestable si se permite el
paso entre modos.
La elección del inductor está condicionada por este límite
Se calcula a continuación el valor crítico de L en función de la carga R
IL
ILMAX
IL=IS
ILMIN=0
Δt1
Δt2
Δt1
Δt2
Δt1
Δt2
t
T
La corriente de salida IS está relacionada con la tensión de salida VS y la resistencia de
carga R por la ley de ohm: IS = VS R
Partiendo de la ecuación que da el valor de la inductancia L =
Para este caso es I MAX = 2 IS por lo que resulta L C =
1 (1 - D ) VS
2f (I MAX − IS )
1 (1 - D ) VS
2f
IS
Y finalmente se tiene el valor crítico de la inductancia que permite continuar operando
en modo continuo:
(1 - D ) R
LC =
2f
O se tiene el valor crítico de la resistencia de carga que permite calcular cuando se pasa
del modo continuo al discontinuo o viceversa:
2f L
RC =
(1 - D )
Con lo que debe ser: R > R C para MD y R < R C para MC
Regulador FLYBACK
• Se utiliza el modo flyback para obtener una tensión
de salida mayor a la tensión de entrada
VS > VE
Operación FLYBACK en modo contínuo
IL
ILMAX
1
2
Δt1
Δt2
1
2
1
2
Δt1
Δt2
Δt1
Δt2
ILMIN
t
T
VS
Tensión en nodo de conmutación
VE
0
t
Cálculo de la tensión de salida
La corriente en la inductancia, a tensión aplicada constante, varía como:
IL =
VL
t + I L INICIAL
L
Con la llave 1 cerrada (llave 2 abierta) el inductor se carga de energía en tCARGA :
I L MAXIMO
VE
= I L MINIMO +
tCARGA
L
Con la llave 2 cerrada (llave 1 abierta) el inductor descarga su energía en tDESCARGA :
I L MINIMO = I L MAXIMO +
V E − VS
t DESCARGA
L
Operando se llega a:
VS − VE
VE
tCARGA =
t DESCARGA
L
L
⇒ VE tCARGA = (VS − VE )t DESCARGA
Tensión en nodo de conmutación
VS
(VS − VE )t DESCARGA
VE
VE tCARGA
0
t
Notar que el área bajo
la curva durante el
tiempo de carga es igual
al área durante el
tiempo de descarga
tCARGA tDESCARGA
La ecuación anterior se expresa también como:

tCARGA 

VS = VE 1 +
 t DESCARGA 
De donde resulta evidente que siempre es:
VS > VE
Notar que es:
T = tCARGA + t DESCARGA
Tomando el desarrollo anterior:

tCARGA 

VS = VE 1 +
 t DESCARGA 
Y definiendo ciclo se servicio D como:
tCARGA
D=
T
Resulta:
VS =
VE
1− D
Considerando:
I LPROMEDIO
I LMAX + I LMIN
=
2
t CARGA
Δt1
=
= t CARGA f
D=
Δt1 + Δt 2
T
Se llega a:
L=
(1 - D )(VS - VE )
1
2f (I LMAX − I LPROMEDIO )
Reflexionar acerca del valor adecuado de L y su relación con la selección de los
elementos de conmutación.
Reemplazo de llaves por dispositivos de conmutación semiconductor
CIRCUITO
DE
CONTROL

tCARGA 
 − VD
VS = (VE − VSAT )1 +
 t DESCARGA 
Realización práctica con circuito integrado LM2577
Operación FLYBACK en modo discontínuo
IL
ILMAX
0
1
Δt1
2
Δt2
1
Δt1
2
Δt2
T
VS
Tensión en nodo de conmutación
1
Δt1
2
Δt2
t
T > tCARGA + t DESCARGA
VE
0
t
En el modo discontínuo el inductor se descarga completamente en cada ciclo
Regulador conmutado aislado
•
•
Permite tensiones de salida menores o mayores que
la de entrada
Se pueden obtener varias tensiones de salida
simultáneas y con diferente polaridades
Funcionamiento
• El primario se carga durante el tiempo de encendido
del transistor
• Luego la tensión del inductor se invierte y se auto
ajusta a:
VPRI
N1
=
VSEC
N2
VSEC = (VSALIDA + VDIODO )
• Cuando se carga el primario, el secundario está
inactivo debido a la polaridad de conexión del diodo
• Cuando el secundario está activo el primario queda
inactivo debido a que primario y secundario están en
contrafase
Cálculo de la relación de espiras
PRIMARIO
IL
I1
SECUNDARIO
IL
I2
0
Δt1
t
Δt2
0
Δt1
Δt2
T
I L1↑ =
I1 =
T
VE − VSAT
t
L1
VE − VSAT
tCARGA
L1
Δt1 = tCARGA
t
Δt2 = tDESCARGA
I L 2↓ = −
0=−
VS + VD
t + I2
L2
VS + VD
t DESCARGA + I 2
L2
VS + VD
I2 =
t DESCARGA
L2
Cálculo de la relación de espiras
Relación de espiras/inductancias bobinadas en un mismo núcleo:
N12 L1
=
2
N 2 L2
Por conservación de la energía:
1
1
2
L1 I1 = L2 I 22
2
2
Combinando ambas expresiones se obtiene:
N1 I 2
=
N 2 I1
Operando y combinando con las expresiones de la corrientes se obtiene:
N 2 = N1
VS + VD t DESCARGA
VE − VSAT tCARGA
En el modo continuo es:
VS + VD 1 − D
N 2 = N1
VE − VSAT D
tCARGA
con D =
tCARGA + t DESCARGA
NOTAR QUE:
•
•
•
Con L pequeña se logra menor tamaño del transformador pero a
costa de mayores corrientes, esto puede ser destructivo para los
semiconductores.
Como el núcleo opera en una sola dirección de flujo magnético
puede alcanzar la saturación rapidamente perdiendo valor de L y
aumentando las corrientes, ocurriendo la destrucción de los
semiconductores
Esto último puede mejorarse utilizando un núcleo con un corte total
o parcial.
Formas de onda en primario y secundario
Tensión en nodo de conmutación
(N1/N2)VS+VE
VE
≈0
t
Tensión en nodo de unión de L2 y el diodo
≈ VS
t
0
= área
-(N2/N1)VE
Circuito típico simplificado de un regulador flyback aislado
CONTROLADOR
OPTOACOPLADO
Regulador aislado para LEDs
220V
RECTIFICADOR
Y
FILTRO
Corriente constante
DISPOSITIVOS DE
ENCLAVAMIENTO
Modo PUSH PULL
¡Explicar como funciona!
Formas de onda de control en modo push-pull
Muestra de la tensión de salida
Detalles asociados con el funcionamiento
• El transformador no se utiliza para almacenar energía sino
solo para elevar o reducir la tensión de entrada
• Notar que los diodos D1 y D2 además de rectificar actúan
como llave de enclavamiento para la descarga del inductor
• Requiere 2 transistores de conmutación que conducen en
forma alternada
• Se obtiene en flujo magnético alterno en el núcleo, logrando
mayor eficiencia del mismo al trabajar lejos de la saturación
pudiendo utilizar tamaños menores que el modo FLYBACK
• Con el modo alterno se puede obtener el doble de potencia
que el equivalente FLYBACK operando a la misma frecuencia
• Puede obtenerse potencias de cientos de watts
• IMPORTANTE: cada transistor debe soportar el doble de la
tensión de alimentación cuando está apagado.
Formas de onda en primario y secundario
Tensión en nodo de conmutación en primario
2VE
VE
≈0
t
T
Tensión en el ánodo del diodo del secundario
(N2/N1)VE
≈0
t
Limitaciones
• Muy difícil lograr total simetría en el flujo magnético
alternado llevando a crearse un remanente de flujo
continuo que provoca exceso de corriente en alguno
de los transistores pudiendo llevarlos a la
destrucción
• CAUSA DE LA ASIMETRÍA:
– Diferente tensión de saturación en cada transistor
– Diferentes mitades del bobinado primario y secundario
Modo MEDIO PUENTE
½ VE
¡Explicar como funciona!
Detalles asociados con el funcionamiento
• El balanceo del núcleo se logra con dos
capacitores
• La dificultad está en la excitación (disparo) del
transistor superior
Modo PUENTE
Bloquea la corriente continua
¡Explicar como funciona!
Detalles asociados con el funcionamiento en modo puente
• El balanceo del núcleo se logra con un capacitor
• La dificultad está en la excitación (disparo) del
transistor superior
• Se obtiene más eficiencia que en el medio puente
porque el primario recibe toda la tensión de entrada
y se puede obtener el doble de potencia (que en el
medio puente)
Analizar una fuente de PC
(A partir de su esquema eléctrico unas páginas más adelante)
Disparo de los transistores
• Se puede utiizar un transformador de pulsos o un
desplazador de nivel para excitar al transistor
superior del medio puente o del puente.
• Como ejemplo de circuito de excitación por
desplazamiento de nivel se cita el IR2181 del
fabricante International Rectifier. En la hoja
siguiente puede verse su diagrama interno y una
aplicación típica
• Luego, en el esquema de la fuente para PC, se
podrá ver un ejemplo de excitación con
transformador de pulsos
Esquema interno del IR2181
Capacitor Bootstrap
Circuito típico
de aplicación
Esquema eléctrico de una fuente para PC
SIMPLIFICADO
Esquema eléctrico de una fuente para PC