Fuente Conmutada

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Fuentes conmutadas

Hoy en da la mayora de los equipos de aficionados utilizan alimentaciones de 12 o 13,8V. El avance de la tecnologa ha llevado tambin a que estos equipos cuenten con un alto grado de sofisticacin y por lo tanto sean muy sensibles a sobretensiones, cambios bruscos o ruido en las tensiones de alimentacin. Esto ha hecho imprescindible el empleo de fuentes de alimentacin reguladas que garanticen la estabilidad de la tensin que ingresa al equipo.

Por otra parte, para poder lograr potencias de salida del orden de los 100 Wats con las bajas tensiones requeridas por los transistores actuales (12 Volts) se requieren altas corrientes de alimentacin (20 Amperios o ms). Esto nos obliga a tomar determinadas precauciones (cables gruesos, bornes grandes, etc.) e impone un fuerte desafo en el diseo de las fuentes reguladas incrementando su costo.

Tal vez sea por estos motivos que la construccin casera de fuentes de alimentacin reguladas no sea una prctica comn entre los radioaficionados. Sin embargo la tecnologa de las computadoras personales, y la gran reduccin de costos que se ha venido observando en sus componentes, nos permite hoy armar en casa una fuente de alimentacin regulada de caractersticas muy superiores a otras que se encuentran en el mercado a slo una fraccin del costo de una fuente comercial.

OBJETIVO GENERAL

Diferenciar entre una fuente comn y una conmutada

Identificar las aplicaciones de una fuente conmutada tanto dentro como fuera de la industria

Conocer la perspectiva a corto, mediano y largo plazo de las fuentes conmutadas

OBJETIVO PARTICULAR

Conocer las caractersticas principales de una fuente conmutada

Identificar los componentes de una fuente conmutada

Disear una fuente conmutada

Conocer los procedimientos matemticos para el diseo de una fuente conmutada

Marco histrico

Remontndonos un poco en la historia describiremos que en la industria no se contaba con equipos elctricos, luego se empezaron a introducir dispositivos elctricos no muy sofisticados por lo que no eran muy sensibles a sobretensiones, luego llegaron los equipo ms modernos que necesitaban de bajos voltajes por lo que se inicio la construccin de fuentes de alimentacin que proporcionaran el voltaje suficiente de estos dispositivos. La tecnologa avanzo, claro mejores equipos para la industria y el hogar pero esto contribuyo a que los dispositivos electrnicos fueran ms sensibles a sobretensiones por lo que s tubo que disear fuentes reguladas que garanticen el voltaje necesario para el buen funcionamiento de estos dispositivos.

Principales limitaciones

En la biblioteca de la escuela no se tiene la informacin adecuada acerca del tema, por lo que fue necesario buscar la informacin en el tecnolgico.En Internet la bsqueda se dificulto ya que solo se encontraba informacin de fuentes conmutadas de las tiendas que venden este producto, tambin se encontraba nicamente temarios de tecnolgicos y universidades pero solamente eso temarios.Los compaeros se negaban y con mucha razn a pasar informacin.

CONFIGURACIONES BSICAS:

Las fuentes conmutadas son de circuitos relativamente complejos, pero podemos siempre diferenciar cuatro bloques constructivos bsicos:

En el primer bloque rectificamos y filtramos la tensin alterna de entrada convirtindola en una continua pulsante. El segundo bloque se encarga de convertir esa continua en una onda cuadrada de alta frecuencia (10 a 200 kHz.), La cual es aplicada a una bobina o al primario de un transformador. Luego el segundo bloque rectifica y filtra la salida de alta frecuencia del bloque anterior, entregando as una continua pura. El cuarto bloque se encarga de comandar la oscilacin del segundo bloque. Este bloque consiste de un oscilador de frecuencia fija, una tensin de referencia, un comparador de tensin y un modulador de ancho de pulso (PWM). El modulador recibe el pulso del oscilador y modifica su ciclo de trabajo segn la seal del comparador, el cual coteja la tensin continua de salida del tercer bloque con la tensin de referencia. Aclaracin: ciclo de trabajo es la relacin entre el estado de encendido y el estado de apagado de una onda cuadrada. En la mayora de los circuitos de fuentes conmutadas encontraremos el primer y el cuarto bloque como elementos invariables, en cambio el cuarto y en segundo tendrn diferentes tipos de configuraciones. A veces el cuarto bloque ser hecho con integrados y otras veces nos encontraremos con circuitos totalmente transistorizados. El segundo bloque es realmente el alma de la fuente y tendr configuraciones bsicas: BUCK , BOOST, BUCK-BOOST.

Buck: el circuito interrumpe la alimentacin y provee una onda cuadrada de ancho de pulso variable a un simple filtro LC. La tensin aproximada es Vout = Vin * ciclo de trabajo y la regulacin se ejecuta mediante la simple variacin del ciclo de trabajo. En la mayora de los casos esta regulacin es suficiente y slo se deber ajustar levemente la relacin de vueltas en el transformador para compensar las prdidas por accin resistiva, la cada en los diodos y la tensin de saturacin de los transistores de conmutacin. Boost: el funcionamiento es ms complejo. Mientras el Buck almacena la energa en una bobina y ste entrega la energa almacenada ms la tensin de alimentacin a la carga. Buck-Boost: los sistemas conocidos como Flyback son una evolucin de los sistemas anteriores y la diferencia fundamental es que ste entrada a la carga slo la energa almacenada en la inductancia. El verdadero sistema Boost slo puede regular siendo Vout mayor que Vin, mientras que el Flyback puede regular siendo menor o mayor la tensin de salida que la de entrada. En el anlisis de los sistemas Boost comenzamos por saber que la energa que se almacena en la inductancia es entregada como una cantidad fija de potencia a la carga: Po = ( L I fo) / 2 ; I es la corriente de pico en la bobina, fo es la frecuencia de trabajo, L es el valor de la inductancia. Este sistema entrega siempre una cantidad fija de potencia a la carga sin fijarse en la impedancia de la carga, por eso es que el Boost es muy usado en sistemas de flash fotogrficos o en sistemas de ignicin del automotor para recargar la carga capacitiva, tambin es usado como un muy buen cargador de bateras. Pero cuando necesitamos alimentar un sistema electrnico con carga resistiva debemos conocer muy bien el valor de resistencia para poder calcular el valor de la tensin de salida: Vo = ( Po.Rl )^ = I ( L fo Rl )^, donde Rl es el valor de resistencia del circuito. En este caso la corriente de la bobina es proporcional al tiempo de conectado o al ciclo de trabajo del conmutador y la regulacin para cargas fijas se realiza por variacin del ciclo de trabajo.

CONFIGURACIONES BSICAS RECOMENDADAS

Las configuraciones ms recomendadas por los fabricantes se diferencian en potencia, modo, precio, utilidad y calidad. Son muy comunes las siguientes configuraciones:

CIRCUITO - POTENCIA

Convertidores DC (Buck) - 5 Watts

Flyback - 50 Watts

Forward (Boost) - 100 Watts

Half-Bridge - 200 Watts

Full-Bridge - 500 Watts

FLYBACK Y FORWARD (BOOST):

Rango desde 50 hasta 250 vatios.

Variacin del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%

Eficiencia del convertidor: h = 80%

Regulacin por variacin del ciclo de trabajo: d(max) = 0.4

Mx. corriente de trabajo en el transistor:

Iw = 2 Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 5.5 Pout / Vin (FLYBACK) Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 2.25 Pout / Vin (FORWARD)

Mx. tensin de trabajo del transistor: Vw = 2 Vin(max) 1.41 + tensin de proteccin

Configuracin bsica:

En el regulador flyback se puede variar sutilmente el modo de trabajo, continuo o discontinuo. Modo Discontinuo: es el modo Boost estrictamente, donde la energa se vaca completamente del inductor antes de que el transistor vuelva a encenderse. Modo Continuo: antes que la bobina se vaci enciende nuevamente el transistor. La ventaja de este modo radica en que el transistor slo necesita conmutar la mitad de un gran pico de corriente para entregar la misma potencia a la carga.

El regulador Forward difiere del Flyback en que agrega un diodo ms para ser usado como diodo de libre rodado en el filtro LC y un devanado ms en el transformador para lograr el reestablecimiento. Gracias a todo esto puede entregar potencia a la carga mientras el transistor est encendido. El ciclo de trabajo no puede superar el 50%.

PUSH-PULL:






Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 1.4 Pout / Vin (FORWARD)

Mx. tensin de trabajo del transistor: Vw = 2 Vin(max) 1.41 + tensin de proteccin

Configuracin bsica:

HALF-BRIDGE:






Iw = 2 Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 2.8 Pout / Vin (FORWARD)

Mx. tensin de trabajo del transistor: Vw = Vin(max) 1.41 + tensin de proteccin

Configuracin bsica:

Opcionalmente agregando un condensador de acoplamiento:

FULL-BRIDGE:






Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 1.4 Pout / Vin (FORWARD)

Mx. tensin de trabajo del transistor: Vw = Vin(max) 1.41 + tensin de proteccin

Configuracin bsica:

Fuentes conmutadas vs. fuentes lineales

Bsicamente existen dos formas de realizar una fuente de alimentacin regulada.Una de ellas consiste en hacer una fuente que entregue mayor tensin de la requerida a la salida. Entre la fuente y la carga se coloca un dispositivo regulador que no hace otra cosa que disminuir la tensin de la fuente hasta un valor deseado mantenindolo constante. Para lograr esto, se utilizan transistores que trabajan como resistencias variables. De esta manera, parte de la potencia de la fuente llega a la carga y parte se transforma en calor que se disipa luego en el aire. A estos dispositivos se los denomina reguladores lineales y se caracterizan por generar bastante calor para potencias medianas y altas (figura 1).

Otro tipo de reguladores son capaces de tomar de la fuente slo la potencia que la carga requiere. De esta manera, prcticamente no hay potencia disipada en forma de calor y por ello su eficiencia es mucho mayor.El principio de funcionamiento de estos reguladores consiste en transformar la tensin continua de la fuente en una serie de pulsos que tienen un ancho determinado. Estos pulsos son luego integrados y transformados nuevamente en una tensin continua. Variando el ancho de los pulsos es posible controlar la tensin de salida. A los reguladores que emplean este principio se los denomina reguladores conmutados (figura 2).

Como podrn imaginar la complejidad circuital de los reguladores conmutados haba relegado su uso, hasta no hace mucho tiempo, al campo de las altas potencias o aplicaciones especiales. Sin embargo ahora se cuenta con circuitos integrados que facilitan y reducen los costos de este tipo de reguladores con lo cual su uso se ha extendido enormemente en los ltimos aos.

Fuentes de alimentacin para PCs

Toda PC actual cuenta con una fuente de alimentacin regulada conmutada de gran calidad y rendimiento.

Estas fuentes, se pueden obtener como un componente separado en los negocios del ramo. Existen distintas versiones que proporcionan distintas potencias de salida siendo las ms usuales las de 200 y 250 Wats.

Cada fuente cuenta con conectores para el cable de entrada de 220V o 110V y un ventilador. Todo en una pequea cajita metlica con abundantes orificios de ventilacin.

Estas fuentes son en realidad fuentes conmutadas que utilizan un muy conocido circuito integrado especialmente diseado para este fin, el TL494. Gracias a este integrado, se pueden hacer fuentes conmutadas a un bajo costo ya que en l estn presentes todos los circuitos de control necesarios y slo es necesario agregar algunos componentes pasivos (resistencias y capacitores) y transistores de potencia.

Diseo de una fuente conmutada

MATERIAL:

1 UA78S40PC 1 CAPACITOR 4.7n Fd. 1 CAPACITOR 100u Fd. 1 BOBINA DE 32u hy. 1 RESISTOR 1.2k, 101, 0.1, 1, 47ohms. 1 POTENCIOMETRO. 1 DIODO de 8 AMP.

DESARROLLO:

Para el desarrollo de est prctica nos basamos en el convertidor de dc-dc de subida, el voltaje de entrada es de 12 volts y a la salida tenemos 24 volts de dc. para el clculo de esta prctica nos basamos en las frmulas de diseo en las hojas de especificacin del circuito 78s40 de motorola.

ahora mostramos el diseo con estas formulas: Datos: VS=Vin=12. Vout= 24 Iout=1 amp. Vripple= 1% = voltaje rizo.

ton=1.1471toff ton>=10us ; toff>=10us. (ton+toff)

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