Fuentes de Alimentación Conmutadas Su Historia ¿Qué es · PDF fileFuentes...

Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas

Su HistoriaSu Historia

TEMA6

¿Qué es una fuente de alimentación?

Una fuente de alimentación es un dispositivo que i l i lé i l iconvierte la corriente eléctrica alterna a corriente

continua.

También llamadas rectificadores transformadoresTambién llamadas rectificadores, transformadores, convertidores, alimentadores,... No siempre correctamente pero igualmente utilizados.

EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 1



TEMA6

Fuentes lineales

Las primeras fuentes de alimentación eranlineales. Un transformador que reducía la tensiónde entrada de 220/120 VAC a otra tensiónde entrada de 220/120 VAC a otra tensiónseguida de un puente de diodos y algún filtro paraestabilizar la salida.




TEMA6

Fuente linealesFuente lineales

El inconveniente de lasfuentes lineales es su granfuentes lineales es su grantamaño, que disipan granparte de la energía en calor.C t tConsecuentemente sueficiencia se reduce y la vidade los componentespelectrónicos que puedanestar cercanos se vemermada


mermada.



TEMA6

Las necesidades en la carrera aeroespacial dereducir peso y consumo de toda la electrónicap yllevó al primer desarrollo de fuentes dealimentación conmutadas. Así en los añoscuarenta se dieron los primeros pasitos encuarenta se dieron los primeros pasitos ensistemas conmutados por parte de la NASA.

En 1977 se introduce la regulación en laEn 1977 se introduce la regulación en lamodalidad de conmutación

Con las fuentes de conmutación se viene amejorar el factor de eficiencia hasta en un 95%teóricamente, por lo cual su implementación enequipos de cómputación y video


equipos de cómputación y video.



TEMA6

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 abaraten considerablemente,,

ofreciendo mayor estabilidad, seguridad,

eficiencia y a un precio similar a las fuenteseficiencia y a un precio similar a las fuentes

lineales.



Principios de OperaciónPrincipios de Operación

TEMA6

Como opera un Regulador DC:Regulador DC:• Sensa los cambios en el

voltaje de salida.

• Usa algún tipo de circuito de

t li t ióretroalimentación.

• Efectúa algún tipo de control para compensarcontrol para compensar este cambio y mantener una salida constante.




TEMA6

En un regulador Monolítico:

La salida de voltaje es comparada con un voltaje dej p jreferencia y pasada por un amplificador de error .

La salida del amplificador de error es usada paraócontrolar el punto de operación de un transistor entre

su región lineal o sus dos puntos de corte ysaturación.




TEMA6

Regulador Monolítico

Voltaje de entradaVoltaje de salida

Sensor

Transistor regulador

Voltaje de salida

Detector deerror

Amplificador deerror

RL

Tensiónreferencia




TEMA6

Cuando el transistor

de paso opera en su

región intermedia de

corte y saturación, el

regulador opera comog p

un regulador lineal.




TEMA6

Mi t lMientras que al operar

en corte y saturación Oscilador

Volt

Entrada

este opera como un

regulador conmutado.

VoltRef.

LogicaControl

+-

ElementoControl

MuestreoEdtvT

V ONT

OO ⋅== ∫ δ0

1

Salida

T




TEMA6

La operación lineal tiene menor eficiencia que laoperación conmutadaoperación conmutada.

100% •=P t dPsalidaηSalidaDisipadaEntrada PPP +=Pentrada

ηp

CEODisipada VIP ⋅=

VIP ⋅=


OOsalida VIP =



TEMA6

La operación conmutada es más eficiente debido a:

En la región de corte y en la región de saturación elEn la región de corte y en la región de saturación eltransistor presenta baja disipación través de él.

0≅⋅= CEsatODisipada VIPOscilador

VoltRef.

El t

Entrada

( ) 0≅−⋅= OEntradaCBODisipada VVIP

LogicaControl

+-

ElementoControl

M tp

%95100% ≅•=P dPsalidaη

Muestreo

Salida


Pentradaη



TEMA6o

Bloques funcionales de un regulador conmutado

o Re

gula

do

Regu

lado

Rectificador yfiltro de entrada

Elemento ControlDiodo “catch” y Filtro de salida

AC N

o

DC

filtro de entradaLC

PWM Muestreador yOscilador

PWMComparador o

MVM

Muestreador y Amplificador de

error

Voltaje de Referencia



TopologíasTopologías

TEMA6

Operación Reductora (Step Down):

ILVin Vout

ConfiguraciónConfiguraciónReductora



Topología ReductorTopología Reductoraa

TEMA6

Características:

• Tienen una alta eficiencia.Tienen una alta eficiencia.

• Voltaje de Salida inferior al de entrada.

• Crea una cantidad de ruido relativamente grandeen la línea de entrada.

• A la salida del circuito el ruido que se detecta esmuy bajo.



Topología ElevadorTopología Elevadoraa

TEMA6

Operación Elevador (Step Up):

ILV tVin Vout

IC

ConfiguraciónElevadora


Elevadora



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Características:

i l fi i i

•Voltaje de Salida superior al de entrada.

• Tienen una alta eficiencia.

•Crea una cantidad de ruido en la línea de entradamenor que en el reductor.

•El ruido que se detecta a la salida del circuito esmayor que en el reductor.



Topología InversorTopología Inversoraa

TEMA6

Operación Inversor (Buck-Boost):

Vin Vout

IcIL

ConfiguraciónInversora




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Características:

• Tienen una alta eficiencia.

•Voltaje de Salida negativo menor o mayor que elde entrada segun δ.

Tienen una alta eficiencia.

•Crea una cantidad de ruido en la línea de entradarelativamente alto.

•El ruido que se detecta a la salida del circuito esmayor que en el reductor.




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Ecuaciones:

TLVT

LVE CC )1( δδ −=

−LL

)1()( δδ VVE )1()( δδ −=− CC VVE

EVC δ=




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Ecuaciones:

−

+=LT

REI MAXL 2

)1(1)(

δδ LR 2

−

−=TEI )1(1 δδ

−=LR

EI MINL 2)( δ

)1(8

2

δ−=∆LV

CTV O

O


8C



TEMA6

Ecuaciones:

TEII MINLMAXL δ

=− )()( LMINLMAXL δ

)()(

VE − TLVEII O

MAXLMINL )1()()( δ−

=−

EVO )1(1δ−

=


)( δ



TEMA6

Ecuaciones:

TLE

REI MINL δδ 2)1( 2)( −=

LR δ 2)1( −

TLE

REI MAXL δδ 2)1( 2)( +

−=

)(




TEMA6

Ecuaciones:

CT

RVV O

Oδ

=∆



Topología InversoraTopología Inversora

TEMA6

Ecuaciones:

TLEII MINLMAXL δ=− )()(

TVII CMAXLMINL )1()()( δ−−=− T

LII MAXLMINL )1()()( δ

δ EVV OC δδ−

==1



Topología InversoraTopología Inversora

TEMA6

Ecuaciones:

LTE

REI MINL 2)1( 2)(

δδ

δ−

−=

TEE δδLTE

REI MAXL 2)1( 2)(

δδ

δ+

−=




TEMA6

Ecuaciones:

CT

RVV O

Oδ

=∆



Diseño con dispositivos discretosDiseño con dispositivos discretos

TEMA6

0.5mHTN3467A

Regulador Conmutado reductor de +5V

.IC

CMD10V

+

C31000uFD1

SKYDIODE

V4

+12V

U1U2

UA555R1010

R9150

R850

R6R30k

RA600k

Q3TN3725A.IC

1Gnd2Trg3Out4Rst 5Ctl6Thr7Dis8Vcc

UA555

C

0.01uF+

C1 +

CT

1Gnd2Trg3Out4Rst 5Ctl6Thr7Dis8Vcc

UA555

.IC

R733

22030k

RB10k

C2690pF

V2+12V

C1.01uF

CT.001uF R11

5.1k

R51000k

Vin

GNDTrim Out

U4REF02D

V1+12V

Q2NPN

Q1NPN

+

U3LF351/NS

R45.1k

R31k

R1


R2470

R115k



TEMA6

Formas de Onda del Regulador reductor de 5V

0.000ms 2.000ms 4.000ms 6.000ms 8.000ms 10.00msA: u2_3 17.50 V

-2.500 VB: r6 1 12.50 V6_

-2.500 VC: l1[i] 3.500 A

0 500 A-0.500 AD: q2_3 10.00 V

0.000 VE: cmd1_1 6.000 VF: u4_6

0.000 V




TEMA6

Regulador Conmutado reductor de 9V.IC

CMD10VQ4

TN3467AL1

0.5mH

R9

1Gnd2Trg3Out4 56Thr7Dis8Vcc

U2UA555

1Gnd2Trg3Out 6Thr7Dis8Vcc

U1UA555

.IC

V4

+12V

Q3TN3725A

D1SKYDIODE1

+

C31000uFRA

600k R20k

R6220

R7

R850

R9150

R1090

.IC

4Rst 5Ctl

+

CT.001uF

+

C1.01uF

C

0.01uF

Out4Rst 5CtlThr

R12

RB10k

R5

R733

R115.1k

+

V1+12V

V2+12V

C2690pF

R126.38k

R31k

R51000k

U3LF351/NS

Q1NPN

Q2NPN

Vin

GNDTrim Out

5V

U4R115k R2

470

R42.8k




TEMA6

Formas de onda del Regulador reductor de 9V

0.000ms 2.000ms 4.000ms 6.000ms 8.000ms 10.00msA: u1_2 17.50 V

-2 500 V2.500 VB: u1_3 12.50 V

-2.500 VE: l1[i] 3.500 A[ ]

-0.500 AC: q2_3 10.00 V

0.000 VD: cmd1_1 10.00 V

0.000 V



Diseño con dispositivos dedicadosDiseño con dispositivos dedicados

TEMA6

Controlador PWM TL494 de Motorola




TEMA6

Regulador de +24 V usando el TL494

D21

8V-20V

R2447 1N4934

+

C2050uF

Q21

MMBT4258C21

0.01uF

24V

+

C2350uF

+

C24

L203.5mH

C26 TL494A-1

12

VCC

3Comp

2-

1+8C1

T20

R21

R2222k

47

R2533k

R261M

D201N4934Q20

MMBT4258C2450uF

F

C260.01uF

TL494A 1

13

OC

14

VREF

4

DT

5

CT

6

RT

9

E1

10

E2

7

GND16+

15- 11C2R20280

5.78k

R2347

R28

R301

0V

C2210uF

0V

0.001u

C25R274.7k

4.7k

R2910k

15k R31




TEMA6

Regulador conmutado reductor de +5 V usando elTL494 Q1

TN3467AL11mH

R3R1047

BE

+ V140V D1

DIODE

+

C30.1uF

1

2-

3Comp

11

C2

8

C112

Vcc

47k

R41Meg

R85.1k

R11150C F

+

C2500uF

+

C450uF

TL494 NMDB

15-

14Vref

1+

U1

R55.1k

R65.1k

R95

D

C11nF

500uF 50uF

5

CT

6

RT

13

O.C

4

D.T

7

GND

9

E110

E2

16+

R155k

R7150A

R20.1




TEMA6

Regulador conmutado reductor de +5 V usando elTL494

0 000ms 0 500ms 1 000ms 1 500ms 2 000ms 2 500ms 3 000ms 3 500ms 0.000ms 0.500ms 1.000ms 1.500ms 2.000ms 2.500ms 3.000ms 3.500msA: c1_2F: c3_2

7.000 V

-1.000 V1.000 VB: l1_2D: u1_14

7.000 V

-1.000 VC: u1_8 50.00 V

0.000 VE: l1[i] 4.500 A

-0.500 A




TEMA6

Regulador conmutado inversor de -5 V usandoel TL494 Q1

TN3467A D1DIODE

V1

12

C30.1uF

3C11

C2

8

C1

12

Vcc

R41Meg

R1047

R11150 R2

47k

A

14

1+

2-

3CompC2C1Vcc g

R510k R9

R1310k

+

C4330uF+

C2330uF

L12mH

TL494 NMDB

16+

15-

14VrefU2

R65.1k

1.5kR125.1k

C11nF

5

CT

6

RT

13

O.C

4

D.T

7

GND

9

E1

10

E2

R155k

R7158

R80.1




TEMA6

Regulador conmutado inversor de -5 V usandoel TL494 0.000ms 0.250ms 0.500ms 0.750ms 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms

A: u1_5B: u1_3

6.000 V

-2.000 VC: u1_8 50.00 V

0 000 V0.000 VE: l1[i] 4.500 A

-0 500 A-0.500 AD: c4_2 2.000 V

-6.000 V


6.000 V



TEMA6

Regulador conmutado Elevador de +15 V usando elTL494

D1DIODE

L1100 H DIODE1 2100uH

C10.1uF

3Comp11

C2

8

C1

12

Vcc

R11Meg

R247k

A

+V1

10V

+

C3 +

C4TL494 NMDB

14Vref

1+

2-

R107.65k

R815.3k

R35.1k

R4 R9C3

50uF

C4

50uF

CT RT O.CD.T GND E1 E2

16+

15-

R45.1k

R91.5k

C21nF

5 6 134 7 9 10

R5102

R655k


R71



TEMA6

Regulador conmutado Elevador de +15 V usando elTL494

15.00 VA: d1_k

14.00 V

13.00 V

12.00 V

11.00 V

10 00 V

0.000ms 2.500ms 5.000ms 7.500ms 10.00ms 12.50ms 15.00ms

10.00 V

9.000 V


TEMA6 Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas


Controlador en modo corriente UC3842A Motorola




Regulador Flyblack fuera de línea de 27W



Cálculo del inductorCálculo del inductor

La inductancia de un arrollado alrededor de un anillo toroidal de un material con un núcleo de sección transversal circular yun material con un núcleo de sección transversal circular y permeabilidad relativa µr es :

L = inductancia en Hµ0 = permeabilidad del aire= 4π × 10-7 H/mµr = permeabilidad relativa del núcleoµr pN = número de vueltasr = radio del arrollado de la bobinaD = diámetro total del anillo toroidal en metrosD = diámetro total del anillo toroidal en metros



Comparación con reguladores linealesComparación con reguladores lineales

TEMA6

P á t C t d Li lParámetro Conmutada LinealEficiencia 75% 30%Tamaño 2W/in3 0.5W/in3

Regulación de Línea y de carga 0.1% 0.1%

Rizo en la salida 50mVpp 5mVppRizo en la salida 50mVpp 5mVppRuido 50 a 200 mVpp ---Respuesta transitoria 1mS 20uSpTiempo de sostenimiento 20 a 30 mS 1 a 2 mS

Desempeño de una Fuente de Alimentación Conmutada a 20kHz versus una Fuente lineal


Desempeño de una Fuente de Alimentación Conmutada a 20kHz versus una Fuente lineal

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