Fuente Conmutada

TEMA6

Fuentes de Alimentación Conmutadas Su Historia

¿Qué es una fuente de alimentación? Una fuente de alimentación es un dispositivo que conv convie iert rte e la cor corri rien ente te el ctri ctrica ca alt alter erna na a corr corrie ient nte e continua. am n ama as rec ca ores, rans orma ores, convertidores, alimentadores,... No siempre correctamente pero igualmente utilizados.

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Fuen Fu ente tes s li line neal ales es Las primeras fuentes de alimentación eran lineales. Un transformador que reducía la tensión seguida de un puente de diodos y algún filtro para esta stabilizar la salida.

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El

inconveniente

de

las

tamaño, que disipan gran parte de la energía en calor. onsecuen emen e su eficiencia se reduce y la vida de los componentes electrónicos que puedan estar cercanos se ve .

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Las necesidades en la carrera aeroespacial de reducir eso consumo de toda la electrónica llevó al primer desarrollo de fuentes de alimentación conmutadas. Así en los años sistemas conmutados por parte de la NASA. moda modallidad idad de con conmuta mutaci ción ón Con las fuentes de conmutación se viene a mejorar el factor de eficiencia hasta en un 95% teóricamente, por lo cual su implementación en .

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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

ofreciendo

mayor

lineales.

abaraten

considerablemente,

estabilidad,

seguridad,

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Fuentes de Alimentación Conmutadas Principios de Operación

Como opera un • Sensa los cambios en el

voltaje de salida. • Usa algún tipo de

circuito de retroa mentac n. • Efectúa algún tipo de

este cambio y mantener una salida constante.

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En un regulador Monolítico: La salida de voltaje es comparada con un voltaje de referencia y pasada por un amplificador de error . La salida del amplificador de error es usada para controlar el punto de operaci n de un transistor entre su región lineal o sus dos puntos de corte y saturación.

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Regu Re gula lado dorr Mo Mono nolí líti tico co Voltaje de entrada Transistor regulador Sensor RL Amplificador de error

Detector de error

Tensión referencia

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Cuando el transistor de paso opera en su región intermedia de corte y saturación, el re ulador o era como un re regu gula lado dorr li line neal al..

Fuentes de Alimentación Conmutadas

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Principios de Operación

en ras que a operar

Entrada

Oscilador

en corte y saturación este opera como un regu re gula lado dorr co conm nmut utad ado o. V O =

1

T ON

∫ 0

vO dt = δ ⋅ E

Ref.

+ -

Logica Control

Elemento Control

Muestreo

Salida

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La operación lineal tiene menor eficiencia que la .

P Entrada = P Disipada + P Salida

%

=

Psalida en ra a

P Disipada = I O ⋅ V CE

salida

=

O

⋅

O

• 100


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Principios de Operación La operación conmutada es más eficiente debido a: transistor presenta baja disipación través de él. Entrada

Oscilador Volt Ref.

+ -

ues reo

Logica Control

P Disipada = I O ⋅ V CEsat ≅ 0 emen o Control

P Disipada = I CBO ⋅ (V Entrada − V O ) ≅ 0 Salida

%

=

Psalida entra a

• 100 ≅ 95%

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Bloques funcionales de un regulador conmutado d a l u g e R

Rectificador y filt iltro de entrada

Elem Elemen ento to Cont Contro roll

Diodo “catch” y Filtro de salida LC

Oscilador

Comparador o MVM

Amplificador de error

N C A

Voltaje de Referencia

o d a l u g e R C D

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Fuentes de Alimentación Conmutadas Topologías Operación Reductora (Step Down wn)): IL

Vin

Vout

Reductora

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Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Reductor Reductora a

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.

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Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Elevadora Elevadora Operación Elevador (Step Up): IL ou

Vin

IC

Configuración

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Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Elevadora Elevadora

Características: • Tienen una alta eficiencia. •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.


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Topología Topología In IInversor nversora Operación Inversor (Buck-Boost): Vin

Vout

Ic

IL

Configuración Inversora

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Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Topología In IInversor nversora

Características: • Tienen una alta eficiencia. •Voltaje de Salida negativo menor o mayor que el

de entrada segun . •Crea una cantidad de ruido en la línea de entrada

rela relati tiva vamen mente te alto alto.. •El ruido que se detecta a la salida del circuito es

mayor que en el reductor.


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Topología Reductor Reductora a Ecuaciones:

E − V C

−

δ T =

C

V C

=

(1 − δ )T

C

V C = δ E

−

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Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Reductor Reductora a

Ecuaciones:

I L ( MAX )

 1 (1 − δ )T  = δ E  + R 2 L   1 (1 − δ )T  − 2L   R

L ( IN )

∆V O =

2

T V O 8C L

(1 − δ )

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Ecuaciones:

−

=

 E  L

I L ( MIN ) − I L ( MAX ) = 

δ T

−

 L

V O =

1 1 − δ

E

O

 (1 − δ )T

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Ecuaciones:

I L ( MIN ) =

E

I L ( MAX ) =

E

−

2

R (1 − δ )

2

−

+

E

δ T

E 2 L

δ T

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Ecuaciones:

∆V O =

V O δ T R C


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Topología Inversora Ecuaciones:

I L ( MAX ) − I L ( MIN ) =

−

V C = V O =

E L

=−

δ 1 − δ

E

δ T

V C

1 − δ T

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Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Inversora

Ecuaciones:

I L ( MIN ) =

δ E

R (1 − δ )

I L ( MAX ) =

2

R (1 − δ )

2

−

E δ T

+

2 L

2 L

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Fuentes de Alimentación Conmutadas Topología Topología In IInversor nversora

Ecuaciones:

∆V O =

V O δ T R C


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Diseño con dispositivos discretos Regulador Conmutado reductor de +5V TN

A

0.5mH CMD1 0V

R9 150

V4

.IC

+12V RA 600k

U2 1 Gnd 2 Trg 3 Out 4 Rst

R8 50

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 .IC

R7 33 C

+

C1 .01uF

0.01uF

+

.001uF R11 5.1k

R5 1000k V2 +12V

C2 690pF V1 +12V

R3 1k Vin Trim Trim Out Out GND

U4 REF02D

+ 5.1k R4

LF351/NS U3

Q1 NPN R1 15k

Q2 NPN R2 470

R6 220

Q3 TN3725A

+

D1 SKYDIODE

C3 1000uF

R 10 10


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Diseño con dispositivos discretos Formas de Onda del Regulador reductor de 5V 0.000ms A : u2_3 u2_3

2.000ms

4.000ms

6.000ms

8.000ms

10.00ms 17.50 V -2.500 V

B: r6 _ 1

12.50 V -2.500 V

C: l1[i]

3.500 A - .

D: q2_3

10.00 V 0.000 V

E: cmd1_1 F: u4_6

6.000 V 0.000 V


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Diseño con dispositivos discretos Regulador Conmutado reductor de 9V Q4 TN3467A

L1 0.5mH

CMD1 0V .IC

15 0

V4 +12V RA 600k

U2 UA555

1 Gnd 2 Trg 3 Out Rst

Vcc 8 Dis 7 Thr 6 Ctl

U1 UA555

1 Gnd 2 Trg 3 4 Rst

RB 10 k

.IC

Vcc 8 Dis 7 6 Ctl 5

R 20 k

C1 .01uF

33

CT .001uF R1 1 5.1k

1000k V2 +12V

0.01uF

+

6.38k

C2 690pF V1 +12V

R3 1k Vin 5V Trim Trim Out Out 2.8k GND

R4

+ LF351/NS U3

Q1 NP N R1 15 k

Q2 NP N R2 47 0

R6 22 0

.IC

C +

U4

R8 50 Q3 TN3725A

+

D1 SKYDIODE1

C3 1000uF

R1 0 90


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Diseño con dispositivos discretos Formas de onda del Regulador reductor de 9V 0.000ms A: u1_ u1_2 2

2.000ms

4.000ms

6.000ms

8.000ms

10.00ms 17.50 V - .

B: u1_3

12.50 V -2.500 V

E: l1 l1 i

3.500 A -0.500 A

C: q2_3

10.00 V 0.000 V

D: cmd1_1

10.00 V 0.000 V

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Fuentes de Alimentación Conmutadas Diseño con dispositivos dedicados Controlador PWM TL494 de Motorola


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Diseño con dispositivos dedicados Regulador de +24 V usando el TL494 8V-20V

R24

D21 1N4934

2 1

C21 0.01uF

R25 33k C 0.01uF

C1 8

2-

R26 1M

C20 50uF +

T20

+

L20 3.5mH

TL494A-1 MMBT4258

15 -

C2 11

16 + OC

VREF

DT

CT

RT

GND

E1

E2

3 1

4 1

4

5

6

7

9

0 1

4.7k R27 4.7k 0V

Q21 MMBT4258

3 Comp

R28

24V

VCC

1+

C22 10uF R29 R2 9 10k 10 k

F u 1 0 0 . 0

k 5 1

Q20 R23 47

D20 1N4934

C23 50uF

R30 1

R22 22k R21 5.78k

+

C 50uF

R20 280

R31

C25 0V

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Diseño con dispositivos dedicados Regulador conmutado reductor de +5 V usando el TL494 Q1 TN3467A

L1 1mH E

R10 47

B

R3

+ V1 40V

R11 150

C3 0.1uF F

C

2 1

8

1 1

Vcc

C1

C2

Comp 3

47k

+

D1 DIODE

R4 1Meg

-2

R8 5.1k

+

Vref 14

U1

R5 5.1k D

TL494 NMDB

- 15

R6 5.1k

+

+

C2

C4

500uF

50uF

R9 5

+ 16

C1 1nF

CT

RT

D.T

O.C

GND

E1

E2

5

6

4

3 1

7

9

0 1

A

R7 150

R1 55k

R2 0.1


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Diseño con dispositivos dedicados Regulador conmutado reductor de +5 V usando el TL494 . A: c1_2 F: c3_2

.

.

.

.

.

.

. 7.000 V

-1.00 -1..000 0V B: l1_2 D: u1_14

7.000 V

-1.000 V C: u1_8

50.00 V

0.000 V E: l1[i]

4.500 A

-0.500 A


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Diseño con dispositivos dedicados Regulador conmutado inversor de -5 V usando el TL494 D1 DIODE

TN3467A R10 47

12

A

V1 R11 150 2 1

8

cc

C3 0.1uF

1 1

C

Comp

R2 47k

R4 1Me R13 10k

-2 +1

R5 10k Vref

U2

R12 5.1k

TL494 NMDB

- 15

C1 1nF

CT

RT

D.T

O.C

GND

E1

E2

6

4

3 1

7

9

0 1

R1 55k

C2 330uF

R6 5.1k L1

+

2mH

+ 16

5

R9 1.5k

R7 158 R8 0.1

+

C4 330uF


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Diseño con dispositivos dedicados Regulador conmutado inversor de -5 V usando el TL494 0.000ms A: u1_5 B: u1_3

0.250ms

0.500ms

0.750ms

1.000ms

1.250ms

1.500ms

1.750ms

2.000ms 6.000 V

-2.000 V C: u1_8

50.00 V

. E: l1[i]

4.500 A

- . D: c4_2

2.000 V

-6.00 -6..000 0V


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Diseño con dispositivos dedicados Regulador conmutado Elevador de +15 V usando el TL494 D1

L1 u

1

2

A

R2 47k 2 1

8

1 1

Vcc

C1

C2

C1 0.1uF

R1 1Meg

Comp 3 -2

R8 15.3k

+1

V1 +

5.1k R3 R10 7.65k

Vref 14

10V TL494 NMDB

+

5.1k - 15

50uF

+

50uF

+ 16

C2 1nF

CT

RT

5

6

R6 55k

D.T

O.C 3 1

GND

E2

E1 4

0 1

7

9

R5 102

R7 1

1.5k


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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

.

9.000 V 0.000ms

2.500ms

5.000ms

7.500ms

10.00ms

12.50ms

15.00ms

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Fuentes de Alimentación Conmutadas Diseño con dispositivos dedicados

Controlador en modo corriente UC3842A Motorola

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Fuentes de Alimentación Conmutadas Diseño con dispositivos dedicados

Regulador Flyblack fuera de línea de 27W

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Fuentes de Alimentación Conmutadas Cálculo del inductor

La inductancia de un arrollado alrededor de un anillo toroidal de permeabilidad relativa µr es :

L = inductancia en H µ0 = permeabilidad del aire= 4π × 10-7 H/m r = ermeabilidad relativa del núcleo N = número de vueltas r = radio del arrollado de la bobina

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Fuentes de Alimentación Conmutadas Comparación con reguladores lineales

ar me ro

Eficiencia Tamaño Regulación de Línea y de carga Ruido Res uesta transitoria Tiempo de sostenimiento

onmu a a

nea

75% 2W/in3

30% 0.5W/in3

0.1%

0 .1 %

50 a 200 mVpp

---

1mS

20uS

20 a 30 mS

1 a 2 mS

Fuente Conmutada

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