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FUENTE DE ALIMENTACIÓN CONMUTADA I. INTRODUCCIÓN Una fuente de alimentación es un dispositivo que convierte la corriente eléctrica alterna a corriente eléctrica continua. También También llamadas recticadores, recticadores, transformadores, transformadores, convertidores, alimentadores, etc. o siempre correctamente pero igual utili!ados.
Fuente lineal "as primer primeras as fuent fuentes es de alimen alimentac tación ión eran eran lineal lineales. es. Un transf transform ormado adorr que reduc#a la tensión de entrada de $$0%1$0 &'( a otra tensión seguida de de un puente de diodos ) alg*n ltro para estabili!ar la salida.
Figura N1: circuito !"ico #e una $uente lineal. "a fuente lineal ofrece al dise+ador tres ventaas principalesimplicidad de dise+o. /peración suave ) capacidad de manear cargas. ao ruido de salida ) una respuesta dinámica mu) rápida. Para potencias menores a 10, el costo de los componentes es muc2o menor que el de las l as fuentes conmutadas. 3l inconveniente de las fuentes lineales es su gran tama+o, que disipan gran parte de la energ#a en calor. • •
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(ons (onsec ecue uent ntem emen ente te su eci ecien enci cia a se redu reduce ce ) la vida vida de los los comp compon onen ente tes s electrónicos que puedan estar cercanas cercanas se ve se ve mermada. mermada.
II. O%&ETI'O • • • •
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(onocer el funcionamiento de una fuente alimentación conmutada. (onocer las ventaas ) desventaas de la fuente conmutada. 4denticar su diferencia con otros tipos de fuente de alimentación. 4denticar las aplicaciones de una fuente conmutada tanto dentro como fuera de la industria. 5ise+ar una fuente conmutada.
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"as necesidades en la carrera aeroespacial de reducir peso ) consumo de toda la electrónica llevo al primer desarrollo de fuentes de alimentación conmutadas. 's# en los a+os cuarenta se dieron los primeros pasos en sistema conmutados por parte de la ''. "as desventaas del regulador lineal es su l#mite de aplicación. ólo pueden ser reductores de tensión, lo que signica que se necesitará una ca#da de tensión aceptable para poder controlar la polari!ación de la etapa de potencia lineal ) la regulación en la l#nea. 3n aplicaciones de l#nea de 607!, deberán utili!arse transf transfor ormad mador ores es de l#nea l#nea adicio adicionale nales s de gran gran volume volumen, n, condic condicion ionand ando o su versatilidad ) practicidad. egundo, cada regulador lineal puede tener sólo una salida. Por esto, para cada sali salida da regu regulad lada a adic adicion ional al nece necesa saria ria,, debe deberá rá incr increm emen enta tars rse e el circ circuit uito o de potencia. Tercero, Tercero, ) qui!ás el más importante i mportante es su eciencia. 3n aplicaciones normales, los reguladores reguladores lineales lineales tiene tienen n una ecien eciencia cia del del 80 al 90:. 3sto signica que por por cada cada att att los los cost costos os se irán irán incr increm eme entan ntando do.. 3sta 3sta pér pérdida dida llam llamad ada a )*ea#roo+ lo"") , ocurre en el transistor de paso ), desafortunadamente es necesaria para polari!ar la etapa de potencia ) para cumplir con las especicaciones de regulación de l#nea, cuando la ma)or#a del tiempo el regulador no funcionará en esas condiciones. (on las fuentes de conmutación se viene a meorar el factor de eciencia 2asta en un ;6: ;6: teór teóric icam amen ente te.. Por lo cual cual su impl implem emen enta taci ción ón en equi equipo pos s de computación ) video.
III.METODOLO,IA III.METODOLO,IA DE TRA%A&O Fuente #e ali+entaci-n con+uta#a Una fuen Una fuente te conm conmut utad ada a es un dispositivo electrónico electrónico que transfo transform rma a energ#a eléctrica eléctrica mediante transistores en conmutación. conmutación.
10 =$0>100 0 ?7! ?7! t#picam t#picamen ente@ te@ entr entre e corte corte =abier =abiertos tos@@ ) satura saturació ción n =(errados@.
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Figura N: Diagra+a #e lo/ue" 0ara el #i"eo 0ara una $uente #e 0o#er Con+uta#a con (2M "as fuentes conmutadas tiene por esquema- recticador, conmutador, transformador, otro recticador ) salida. "a regulación se obtiene con el conmutador, normalmente un circuito P< =Pulse idt2 saturación, es decir, darán Btodo o nadaB =trabaarán como un interruptor normal@. 3l conmutador lo que 2ará será cerrar ) abrir el circuito ) dear pasar o no la corriente que llega del recticador a través del transformador, esta operación de dear pasar o no dear pasar la corriente, normalmente se reali!a entre $0?7! ) 100?7!, o lo que es lo mismo, entre $0.000 o 100.000 veces por segundo. Transformador- 3l transformador tendrá la misma función que en las fuentes de alimentación lineales, su función es la de adaptar los niveles de tensión entre el primario ) secundario ) aislar galvánicamente las dos partes del circuito. "a diferencia con la fuente de alimentación lineal, es que en la fuente conmutada, el transformador va a trabaar con una se+al cuadrada en lugar de senoidal ) lo va a 2acer a frecuencias muc2os ma)ores. egundo recticador- "a función del segundo recticador será la de transformar la se+al cuadrada que sale del transformador en una se+al totalmente continua ) estable. alida- 3n las fuentes de alimentación conmutadas, podemos ver la salida como otra parte más de la fuente, )a que todas las fuentes de alimentación conmutadas trabaan en la!o cerrado o con realimentación, pero... Cqué quiere decir estoD, pues que son fuentes que están constantemente viendo que niveles entregan a su salida ) en función de los requerimientos del sistema trabaaran más o menos, ) es aqu# cuando se introduce el concepto de B5ut) ()cleB o ciclo de trabao. "as fuentes conmutadas tienen las siguientes ventaas"a eciencia de las fuentes conmutadas está comprendida entre el 9E ) el ;0:. 3sto 2ace reducir el costo de los dispositivos de potencia. 'demás, los dispositivos de potencia funcionan en el régimen de corte ) saturación, 2aciendo el uso más eciente de un dispositivo de potencia. 5ebido a que la tensión de entrada es conmutada en una forma de alterna ) •
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transformación pudiendo funcionar como reductor, elevador, o inversor de tensión con m*ltiples salidas. o es necesario el uso del transformador de l#nea, )a que el elemento magnético de transferencia de energ#a lo puede reempla!ar, funcionando no en 60%90 7!, sino en alta frecuencia de conmutación, reduciendo el tama+o del transformador ) en consecuencia, de la fuenteF reduciendo el peso, ) el costo.
Cla"i3caci-n "as fuentes conmutadas pueden ser clasicadas en cuatro tipos•
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'limentación (', salida ((- recticador, conmutador, transformador, recticador de salida, ltro =3emplo- fuente de alimentación de ordenador de mesa@
'limentación (', salida ('- &ariador de frecuencia, conversor de Grecuencia. =3emplo- variador de motor@ 'limentación ((, salida ('- 4nversor =3emplo- generar $$0v%60ciclos a partir de una bater#a de 1$v@ 'limentación ((, salida ((- conversor de voltae o de corriente. =3emplo- cargador de bater#as de celulares para auto@
DI4E5O E"tu#io 6 #i+en"iona+iento #e lo" ele+ento". Una ve! elegida la topolog#a Pus2>Pull como la más apropiada procederemos a anali!ar cada uno de los bloques constituidos en el sistema, como se muestra Gigura $, a continuación se listan los cuatro bloques más importantes-
1. Aecticador de entrada. $. (ircuito inversor Pus2>Pull 8. Aecticadores de salida H. (ontrolador T"H;H
1. Recti3ca#or #e entra#a. (omo sabemos una parte esencial de las fuentes conmutadas es el bus 5( que se obtiene al tomar la tensión de la red ='(@ que en Per* es de $$0 &rms a 90 7! ) convertirla en corriente continua =5(@ a través de un circuito de potencia llamado recticador, para esto se 2a elegido una recticación no controlada, además en esta recticación se utili!an cuatro diodos en una conguración llamada en puente completo como se ve en la Gigura $.8 de esta manera siempre trabaan $ diodos simultáneamente dependiendo de la polari!ación, esta conguración es más costosa en comparación con una recticación de media onda con un solo diodo, debido a su n*mero de componentes, pero eIisten encapsulados que )a traen los cuatro diodos en un solo paquete.
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Figura N7: Con3guraci-n en 0uente co+0leto
3n esta conguración se obtiene una componente continua alrededor del 98: del valor de pico, ) un rendimiento aproIimado del E1:. Por claras ra!ones el rendimiento de esa conguración es el doble que el recticador de media onda, es por esta ra!ón que se 2a planteado utili!ar este tipo de recticador, que además contará con un ltrado con capacitor. Para dic2o proceso se uso un puente recticador ?"006 )a que se puede usar un solo encapsulado permitiéndonos ocupar menos espacio en la placa =P(@. ' continuación se presenta la Gigura $.H que es el esquema de dic2a conguración a utili!ar en la fuente.
Figura N8 '2ora debemos determinar los valores del voltae pico inverso de bloqueo del puente recticador, para esto sabemos que es el doble de la tensión recticada 3l puente recticador que vamos a utili!ar deberá soportar un &oltae en V
polari!ación inversa sin entrar en avalanc2a
(¿¿ D ) ¿
que es el doble del
voltae pico = √ 2∗V I ¿ establecido por la siguiente ecuaciónV D
=2∗√ 2∗V =2∗√ 2∗220=622 . 254 V I
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Filtra#o 'demás para la parte de ltrado se uso un condensador electrol#tico )a que poseen altas capacidades para as# poder reducir al máIimo el ri!ado de salida. 3l condensador utili!ado es de HJ0uG
Figura N9: Ca0acitor (ana"onic 8;u$. 'demás de la capacitancia debemos tener en cuenta el voltae al cual el condensador debe trabaar, ésta será igual al voltae de recticación. V C =√ 2∗V I = √ 2∗220=311 . 127 V
5ondeV C - es voltae en la carga en este caso será el voltae máIimo que tendrá que soportar el condensador. V I
: 3s el voltae de la l#nea =$$0v@.
Figura N<: 4i+ulaci-n recti3caci-n entra#a.
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Figura N: ,ra3ca #e o"cilo"co0io #e la recti3caci-n #e entra#a.
Figura N=: 'alore" +e#i#o" #el >olta?e 6 corriente en la recti3caci-n #e entra#a. . In>er"or. "a conguración Pus2>Pull es la cual vamos a utili!ar como inversor partiendo del bus 5( para obtener un voltae alterno a la transformador.
salida del secundario del
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Figura N@: E"/ue+a #el circuito in>er"or.
•
(omo se puede observar eIisten cuatro partes importantes dentro de este proceso. 5river
•
4KT
•
Aed nubber
•
Transformador
Dri>er •
Proporcionar aislamiento entre los circuitos de control ) los altos niveles de tensión ) corriente maneados por los dispositivos electrónicos de control de potencia.
•
Kenerar las formas de onda de voltae ) corriente necesarias para que los dispositivos de potencia operen 2asta en las condiciones máIimas de voltae ) corriente denidas por el fabricante.
•
Proporcionar protección local contra fallas.
Para el circuito de disparo o driver, se
2a
integrado
utili!ando 4L5490HP4
el
circuito
como
se
muestra en la gura $.11. Ma que este driver pueden alimentar dos
Figura N1;: Dri>er IDI<;8(I. IDI<;8(I conecta#o a #o" I,%TB". Parámetro &oltae de &oltae de entrada (orriente de (orriente de salida
Figura N11: Dri>er
#mbol &cc
<#nimo >0.8
<áIi H
Unid &
&4I,&
>
&
44
>
10Q
'
4/UT
>
R
'
Tala 1: caracter"tica" #ri>er IDI<;8(I I,%T (omo parte importante del sistema también tenemos los elementos sSitc2eadores o conmutadores, se 2a planteado el uso de 4KTOs =transistor bipolar de puerta aislada@ )a que nos da la gran ventaa de ser una mescla de un
"a eficiencia =V@ estimada en un convertidor Pus2>Pull es de J6: ) un ciclo de trabao máIimo =5maI@ es de 0.; (on este valor, se puede estimar la máIima potencia de entrada.
5onde es la potencia estimada de salida 60S, la V es la eciencia )a especicada. P¿ =
50 W 0.75
=66.66 w
Para el cálculo de los valores del 4KT para un convertidor Pus2>Pull 5onde &in
311 . 127 V
&
Pero debido al apagado del 4KT eIisten unos sobre picos de tensión que pueden llegar a da+ar al dispositivo, pero se puede atenuar con la a)uda de la red nubber por esa ra!ón debemos sobre dimensionar un poco para protegerlo. 'demás debemos calcular la corriente m#nima soportada por el 4KT I CEmax =
50 0.75 ∗0.9∗ 311.127
=0.238 A
3l 4KT en particular usado es ,T,9N1;%ND como se puede ver en la
Gigura $.18.
Figura N1: I,%T ,T,9N1;%ND enca0"ula#o TO; Parámetro
&oltae 3misor> (olector (orriente de (olector a $6W( (orriente de (olector a 110W( Potencia de
#mbol
<#nimo
<áIi
Unid
&(3
>
1$00
&
4($6
>
$1
'
4(110
>
10
'
P5
>
190
S
disipación total a
Tala : Caracter"tica" #e I,%T ,T,9N1;%ND
Re# 4nuer 3n la conmutación, cuando el 4KT se apaga eIiste un alto voltae en el colector debido a la inductancia de dispersión del transformador, que puede provocar un mal funcionamiento del interruptor. Por tanto, se necesita de un camino alternativo para descargar esa energ#a, cu)a función cumple la red
nubber A( .
Figura N17: Re# "nuer RC 0ara I,%T 3l obetivo es encontrar una red A( capas de atenuar el pico de tensión en el instante que este se da, debido a que el periodo donde aparece este pico que es para nuestro caso en particular un aproIimado de 0.6: de un ciclo de trabao total de 88.888Qs, que en nuestro caso es 0.19996 Qs, por esta ra!ón el valor del capacitor ) resistencia deben de ser de valores mu) baos para alcan!ar este tiempo, pero mientras más bao el valor de la resistencia eIiste más disipación de potencia, entonces debemos elegir un capacitor estándar para snubber que además de ser del rango de los nano faradios debe soportar un voltae de al menos 1?v como es com*n en capacitores dise+ados para este propósito, para la resistencia calculamos dependiendo de la constante de tiempo que requerimos 5onde A( el producto de la resistencia ) la capacitancia ) ? es una constante que viene eIpresada en segundos=s@ ? X0.19996Qs
(X1.1nf
3ntonces R=
K 0.16665 = = 150 ohms C 1.1 nf
(omo esta red estará absorbiendo toda esta energ#a la potencia disipada por la resistencia debe ser calculada para evitar posibles da+os en ella, para esto se planteo un circuito para simularlo en multisim ) as# obtener la potencia disipada en la resistencia. "a fuente será un tren de pulsos con un anc2o de pulso de 0.19996Qs el periodo de 88.888Qs ) la amplitud del pulso será más del doble de la aproIimadamente H00v.5e esta manera estaremos simulando el pico producido por el sSitc2eo. A2M1
&4
'1 ; ' 8;; ' ;.1<
R1 19;
C1 1.1nF
4C1 3It Trig Y ' YY
Figura N18: 4i+ulaci-n re# "nuer
Figura N19: ,ra3ca #e lo" 0ico". Figura N1<: 'at+etro con el >alor #e la 0otenc ia #i"i0a#a 0or la re"i"tencia
eg*n los valores simulados se establecen una potencia estimada de 8.HJ0 Por ende los valore de la red snubber queda de la siguiente manera-
CX 1.1nf Z 1?v
RX 160[ > 6S
Tran"$or+a#or 3l transformador utili!ado es un Pus2>Pull J60E11880 de SeZ
Figura N1: Diagra+a #e 0ine" #el tran"$or+a#or 3. Rectificadores de salida
Para la recticación de alta frecuencia se utili!a un sistema de media onda con ltrado capacitivo e inductivo. (omo se muestra en la Gigura 1E. 3ste recticador está compuesto de diferentes elementos como son-
a@ 5iodo c2ott). b@ 4nductancia. c@ (apacitor alta frecuencia.
Figura N18: Rectificador de salida con filtrado LC
Dio#o 4c*ottG6. 5ebido a que en la recticación de salida se necesita menos ca#da de tensión ) pérdidas de potencia producidas por el n*mero de diodos se optó por una recticación de media onda. 'demás dic2os diodos deben ser capaces de recticar a altas frecuencias ) tener baa ca#da de tensión ánodo cátodo, por ello se planteo la utili!ación de unos diodos sc2ott) <A10H6 que además funcionan mu) bien a baas tensiones. (omo es com*n para comprar un diodo los valores a tomar en cuenta son el voltae inverso máIimo
) su corriente máIima
es especicada para
cada salida. Por esta ra!ón utili!amos el siguiente dispositivo para la recticación de salida <A10H6 Gigura $.$0 \tomado de 2oa de datos del fabricante] con un empaquetado T/Z$$0 )a que posee las siguientes caracter#sticas-
Figura N19: Diodo Schottky !R1"#$ %&'(("
Tipo
V
I
T jMax
MBR104
4
1
150C°
%a)la N# caracter*sticas del diodo Schottky !R1"#$
+nductancia.
Para garanti!ar un ltrado de meor calidad a la salida del la fuente no solo es necesario un capacitor, sino también una inductancia que nos a)ude a eliminar aun más la componente de alterna indeseada a la salida del recticador. Para elegir la inductancia debemos partir de un análisis de superposición en el cual tomamos en cuenta solo la componente de corriente alterna que es la que queremos eliminar.
Figura N(" Circuito e,ui-alente del filtro LC en C.
que la inductancia si cumple con lo establecido ) as# el inductor adquirido es un T(7$0>$9 de n*cleo de ferrita como se ve en la Gigura $.$$ apto para aplicaciones de fuentes sSitc2eadas.
Figura N1 In#uctor toroi#al TC;<
Ca0acitor alta $recuencia. Para el ltrado de alta frecuencia es necesario utili!ar un capacitor que sea capa! de ltrar a altas frecuencias de sSitc2eo, en este caso 807!, además de poseer una 3A =resistencia equivalente en serie@ baa para poder ltrar ecientemente en estas condiciones. 3l estándar de ri!ado para fuentes conmutadas es de 0.6: esto quiere decir que para nuestras salidas tendremos
4ali#a H19> A C =
I 0.5 A = ≅ 220 uf f ∗Vr 30000 Hz∗0.075 V
Figura N: Circuito "i+ulaci-n "ali#a" H19>
Figura N7: O"cilo"co0io >olta?e #e "ali#a H19> eg*n los cálculos ) las simulaciones debemos adquirir los capacitores correspondientes tomando en cuenta cada una de las caracter#sticas necesarias, entonces elegimos los capacitores cerámicos de T75 series de 4PP/ (73<4> (/ Gigura $.80 \2oa de datos del fabricante] que están fabricados espec#camente para fuentes sSitc2eadas-
Figura N8: Ca0acitor cer!+ico TD 8. De"cri0ci-n #el Controla#or Utilia#o 3l integrado usado para el control es el T"H;H que es un controlador por anc2o de pulso P< de frecuencia a mu) utili!ado en el dise+o de fuentes conmutadas, posee dos salidas complementadas entre s# lo que resulta Página 1J
óptimo para reali!ar la conguración Pus2>Pull. 3n la Gigura $.81 se puede apreciar la distribución de pines con los que cuenta este controlador.
Figura N9: Di"triuci-n #e 0ine" #el controla#or TL8@8 Caracter"tica" #el TL8@8. 3l controlador utili!ado para la construcción de la fuente consta con 19 pines, conocer la función que cumplen cada uno de ellos dentro de la operación de este es de suma importancia puesto que por medio de ellos se pueden alterar el comportamiento del controlador ) también es *til para aprovec2arlo al máIimo en la aplicación a ser utili!ado.
Figura N($: Diagra/a de !lo,ues del Controlador %L#9#
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3n el diagrama de bloques de la Gigura $6 se puede observar los diversos componentes con los que cuenta el T"H;H. •
•
•
3ste integrado posee dos amplicadores de error cu)os ingresos se encuentran ubicados en los pines 1, $, 19 ) 16F puesto que solo tendremos una se+al de retroalimentación se utili!a un amplicador de error ) el otro se lo in2abilita, esto se consigue conectando directamente estos ingresos a tierra. 3l amplicador de error tiene la función de reali!ar la comparación entre una se+al de referencia =partidor de tensión formado con dos resistencias ) la alimentación de referencia@ ) la se+al deseada =toma directa de tensión de una de las salidas del secundario@F ) generar una se+al de error en caso de eIistir diferencia entre las dos se+ales. 3l pin denominado /utput (ontrol =pin 18@ tiene la nalidad de establecer las condiciones de funcionamiento para los dos transistores de salida ^1 ^$, si este pin es conectado a K5 los transistores se comportan como una salida paralela lo que quiere decir que los dos se activan en los mismos lapsos de tiempoF si se conecta el pin al voltae de referencia, la cual es la condición usada, los transistores funcionan en una conguración normal Pus2>Pull es decir solo uno a la ve!, esto a su ve! in_u)e en la frecuencia a la que trabaan los transistores ^1 ) ^$, )a que si está en conguración Pus2>Pull la frecuencia dada por el producto de (t ) At se divide para dos . "os transistores de salida que se pueden observar en el diagrama de bloques son los encargados de generar las se+ales P< que controlan a los elementos de potencia, estos son de tipo open colector ra!ón por la que necesitan la a)uda de una resistencia en el colector que en nuestro caso se colocó resistencias de $.$[ a 0.6S )a que la corriente necesaria para activar al driver debe ser un m#nimo de 10Q'.
CONCLU4IONE4:
(omprendemos el funcionamiento de la fuente con alimentación conmutada sus principales ventaas para la aplicación en la industria gracias a su gran eciencia 2ace que esta fuente tenga aplicaciones m*ltiples ) necesaria en el desarrollo de la industria para de esa manera tener una opción más para meorar la productividad de una industria relacionado o anes. 3ste trabao proporciono las caracter#sticas de las fuentes conmutadas, su funcionamiento, dise+o, construcción, aplicaciones. También nos se+aló las principales diferencias entre una fuente conmutada ) una fuente com*n. 4ndico la utilidad ) ecacia de una fuente conmutada.
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