FUENTES DE ALIMENTACIÓN CON REGULADOR DE CONMUTACIÓN

Se dice que las fuentes de alimentación reguladas que se vieron anteriormente son lineales. Conforme aumenta el voltaje de entrada lo hace también la potencia de entrada. La ecuación para la disipación de potencia dentro de la fuente de alimentación es:

P fte.= P ent. – P sal.

Puesto que la potencia de salida es constante, la fuente de alimentación debe disipar más potencia a un voltaje alto de entrada y esto limita la eficiencia. Una fuente de alimentación lineal de 100 W de salida puede disipar interiormente 200 w. Un regulador de conmutación alcanza. una eficiencia elevada, reduciendo al mínimo las pérdidas internas de potencia y manteniendo la potencia de entrada relativamente constante conforme aumenta el voltaje de entrada. Se logra ésta a un costo de mayor complejidad. En la figura 1 se muestra una fuente de alimentación básica con regulador de conmutación. El voltaje de entrada se rectifica y filtra del modo ordinario y se aplica a Q1. Q1 se excita al encendido y el apagado mediante una serie de pulsos y proporciona pulsaciones de voltaje a L1. L1 y C2 constituyen un filtro de pasa bajas que retira la mayor parte de la componente de C.A. de las pulsaciones de voltaje, de modo que el voltaje de salida es C.C. Si Q1 está encendido para ton y apagado para toff . el voltaje de salida será:

offon

on

tttVcVo+

= 1

si el período (ton + toff) permanece constante, la regulación se podría obtener al hacer variar ton.

figura 1. Fuente de alimentación con regulador básico de conmutación.

Ejemplo 1.- En el circuito de la figura 1,Vc1 es de 48 V, t on de 20 µs, t off de 20 µs. Cual será el voltaje de salida.

FUENTES DE SWITCHEO- 1

Solución.- A partir de la ecuación anterior, se tiene:

.2440

96020202048 V

ssV

sssVVo ==

+×

=µµ

µµµ

Ejemplo 2.- Supóngase que Vc1, del problema anterior, aumenta a 72 V, conforme se incrementa el voltaje de entrada. Resuélvase para ton. de modo que Vo y (ton + toff) permanezcan constantes. Solución :

stVVV on

o µ4072

24×

==

sV

sVton µµ 33.13

724024

=×

=

Análisis Los ejemplos 1 y 2 demuestran que la regulación de línea se puede lograr al hacer el ciclo de servicio ton / ( ton + toff ) inversamente proporcional al voltaje de línea. Al aplicar carga a la salida, el ciclo de servicio se incrementa para compensar las caídas de voltaje adicional en el circuito. Este tipo de fuente de alimentación es más eficiente que su correspondiente lineal; pero requiere todavía un transformador de entrada, a menos que se use con un voltaje de entrada de cc. El circuito de la figura 2 muestra un diagrama completo de la fuente con regulador típico de switcheo, el voltaje sin regular es Vin y el regulado Vo. La corriente IL por la carga RL puede ser grande. El bloque sombreado contiene el circuito de baja potencia, el cual puede ser fabricado en un solo integrado (chip). El regulador de referencia nos da el voltaje de referencia Vref , el cual también sirve para alimentar todos los circuitos.

Figura 2 Circuito básico para regulador de switcheo el área sombreada es un

integrado (chip) y los restantes elementos son discretos.

FUENTES DE SWITCHEO- 2

El circuito de la figura 2 es un sistema con retroalimentación, existiendo una comparación en el amplificador de error entre Vref y una fracción de Vo obtenida por el divisor de voltaje formado por R1 y R2. Una señal triangular se aplica a la entrada (+) de un comparador cuya función es de modulador de ancho de pulso variable (PWM), la salida del amplificador de error Vm se aplica a la entrada (-) del comparador. Este modulador produce una salida cuadrada Va de periodo T, cuyo ciclo de trabajo δ varia linealmente con Vm. La salida del comparador se aplica a un switch (electrónico) de potencia creando una señal cuadrada (de periodo T y ciclo de trabajo δ) cuyo valor mínimo es cero y máximo Vin. Esta señal cuadrada es filtrada por el filtro pasa bajas formado por la combinación LC, si la reactancia de C mucho menor que la de L a la frecuencia fundamental, entonces la salida permanece constante e igual al valor promedio de la señal cuadrada. De acuerdo a las características de los operacionales existe un cortocircuito entre las terminales de entrada del amplificador de error de tal modo que:

)( 21

1

RRVRV o

ref += ó

+=

1

21RRVrefoV

Note que Vo es independiente de Vin y solo depende de Vref, R1 y R2. Es un echo que para que funcione el circuito se requiere que Vin > Vo. La figura 3 muestra el swich electrónico esta formado por el transistor Q1 y si la corriente IL es de 1Amp., entonces la corriente de colector de Q1 será también de 1Amp. y si β=100 entonces IB=10 mA., el transistor Q2 se usa para proporcionar esta corriente a Q1, note que Q1 y Q2 forman un amplificador Darlington, para que funcione el arreglo se requiere que la base de Q2 sea invertida con respecto a la salida del PWM, esto se logra con el transistor Q3. Cuando Va es positiva Q3 conduce poniendo on a Q1 y Q2 de tal modo que la salida se igual a Vin. Por otro lado cuando Va es negativo o cero Q3 no conduce no pasando corriente por las resistencias de colector lo cual pone a Q1 y Q2 off conduciendo así el diodo de tal modo que Vo toma el valor de cero.

Figura 3 Switch de potencia usando transistores.

FUENTES DE SWITCHEO- 3

La Figura 4 muestra un circuito de un regulador de switcheo que nos puede dar salidas mayores y menores de Vin sin importar la polaridad de Vin, a este circuito se le conoce como convertidor push-pull DC-DC con transformador de acoplamiento.

Figura 4 Regulador acoplado por transformador push-pull

Este circuito usa un transformador con núcleo de hierro de tap central en el primario y en el secundario con Vp1 = Vp2 y Vs1 = Vs2. El numero de vueltas del secundario es n comparado con el primario de tal modo que Vs1= n Vp1 y Vs2= n Vp2. Si n es mayor que uno entonces la salida es mayor que VIN y si es menor a uno entonces la salida será menor a VIN. Los dos switches SW1 y SW2 son controlados por las formas de onda VA1 y VA2 respectivamente, las cuales se obtienen se la salida del PWM (VA) se muestran en la figura 5 a, b, y c. De la figura 4 tenemos que los voltajes de los primarios del transformador son como sigue: – VIN si SW1 esta cerrado y SW2 esta abierto. VP1 = VP2 = + VIN si SW1 esta abierto y SW2 esta cerrado. 0 si SW1 esta abierto y SW2 esta abierto.

FUENTES DE SWITCHEO- 4

Las formas de onda de lo anterior se muestran en la figura 5d. Los voltajes de los secundarios Vs1 = Vs2 tienen la misma forma pero n veces mayores. Cuando Vs1 y Vs2 son positivos D1 conduce y D2 no conduce, y VB = VIN. Si Vs1 y Vs2 son negativos D2 conduce y D1 no conduce, y de nuevo VB = VIN. Pero cuando Vs1 y Vs2 son cero los dos diodos están conectados en paralelo del punto B a tierra y la salida será cero. La forma de onda del punto VB se muestra en la figura 5e. Debido al filtro formado por LC la salida Vo será el promedio de la forma cuadrada se la forma de onda VB. Para obtener voltaje negativos invertimos los diodos de la figura 4. El bloque entre A y B de la figura 4 sustituya al de la figura 3 para que funcione la nueva fuente.

Figura 5 Formas de onda del circuito de la figura 4.

Ahora indicaremos como logramos los voltajes VA1 y VA2 de la salida del PWM (VA). El diagrama se muestra en la figura 6 y las formas de onda de la figura 7. La forma de onda VOSC de la figura 7 se usa para formar la señal triangular que usa el PWM. La salida de PWM será la mostrada en la figura 7b. El ciclo de trabajo δ de VA esta dado por T1 /(T1 + T2). El flip-flop es un divisor por 2, cuya entrada es Vosc y las dos salidas complementarias son VQ y VQ’ como se muestran en la figura 7c y d respectivamente. Las entradas a la compuerta AND A1 y A2 son VQ (VQ’) y VA, las salidas VA1 y VA2 se muestran en la figura 7e y f respectivamente. Estas son las formas de onda usadas en la figura 5b y c.

FUENTES DE SWITCHEO- 5

Figura7 Formas de onda del circuito de la figura 6.

Figura 6 Circuito para crear los switches electrónicos para el de la fig. 4.

Los switches SW1 (SW2) de la figura 4 son reempezados por los transistores de potencia Q1 (Q2) en la figura 6. las corrientes de base de Q1 y Q2 son alimentadas por los transistores Q3 y Q4, los cuales son manejados por las señales VA1 y VA2 respectivamente.

FUENTES DE SWITCHEO- 6