FUENTES SWITCHING

1. Observación en la regulación de continua

Esta etapa requiere estabilidad, alrededor del 5%, por lo que se hace necesario el uso de un elemento de paso que posibilite obtener ese voltaje a su salida independientemente de la variación de amplitud de la tensión continua en su entrada. Sin embargo como esta tensión de entrada mínima debe asegurarse para el peor momento de operación, el cual sería cuando se registra la mínima tensión de entrada con el pico inferior de ripple para la máxima corriente de consumo, en operación normal la caída de voltaje entrada-salida es muy elevada, y por este motivo el regulador consume más energía que la que consume el sistema. Por esta razón, en una fuente con tensión de entrada "fija" es raro poder obtener un rendimiento mayor a 40% mediante un regulador lineal.

2. El filtro

Como la tensión de salida viene acompañada por fluctuaciones que debemos eliminar, también llamado ripple, es necesario eliminarlas por medio de un filtro.

Tipos de Filtro:

- Filtro capacitivo. El capacitor se opone  a todas las variaciones de tensión  pero tiene el inconveniente de que en los instantes de encendido, cuando se encuentra descargado, el pico de corriente que toma para cargarse puede alcanzar valores considerables. Bajo este criterio, para disminuir las fluctuaciones de la tensión de salida se necesita elevar la capacidad con lo cual aumenta la amplitud de los picos de corriente. En contraparte, disminuyendo la capacidad aumenta el ripple, disminuyen los picos de corriente generados por los capacitores, y a mayor carga también aumenta el valor del ripple, con lo cual no logramos el objetivo de reducir las fluctuaciones de la tensión de salida.

- Filtro resistivo-capacitivo. En este caso, la resistencia limita el pico de corriente producido por el capacitor pero disipa potencia haciendo disminuir el rendimiento.

- Filtro inductivo. La bobina se opone a las variaciones de corriente pero no a las variaciones de tensión. Generalmente se coloca un diodo, entre la salida del transistor de conmutación y el filtro, el cual actúa de protección contra sobre tensiones para el transistor.

- Filtro inductivo-capacitivo. En este caso tenemos oposición a las variaciones de tensión y de corriente y por este motivo es el utilizado en la fuente switching (conmutada).

3. Principio del funcionamiento del filtro

Durante el tiempo tOFF cuando el transistor se bloquea (estado OFF) el que alimenta al resistor Ro es el capacitor C, por lo tanto se descarga. Es evidente que durante el tiempo tON cuando conduce el transistor (estado ON), el capacitor se carga. Todo esto nos dice que la corriente que circula por la bobina L debe crecer, durante el tiempo tON, desde el valor de la corriente mínima hasta un valor de corriente máxima y bajar nuevamente, tal como vemos en la figura 1.

                             

Figura 1. Comportamiento de una fuente swithing con filtro LC.

Vo : Tensión continua en la cargaV max: Tensión  máxima de picoVr: Tensión de ripple (pico a pico)

                

El ripple de la misma , está dada por la variación de tensión sobre el capacitor C, desde un valor V max a un V min durante el tiempo de descarga T/2.

Esta variación de tensión la llamaremos tensión de ripple de pico a pico Vr .

Si T/2 representa el tiempo total de no conducción (estado OFF), el capacitor presenta una descarga constante de valor medio Io, es decir, el mismo perderá una carga de:                        

 

Sabiendo que la capacidad de un capacitor se define como: 

                                                 Donde:Q: Carga almacenada en (Cb).V: Tensión entre los terminales en (V)C: Capacitancia en Faradios (F)

Entonces la variación de tensión sobre el capacitor es:

                           Por lo tanto

Como

La ecuación anterior nos quedaría:  

Reagrupando

Para calcular el factor de ripple , debemos determinar la tensión efectiva del mismo. La onda esta dada por una forma

triangular de iguales períodos que varía de  .

Por lo que nos daría :

                    Y el factor de ripple quedaría de la siguiente forma:

               Entonces:

                       

Como observamos el ripple disminuye cuando aumenta la frecuencia de conmutación y cuanto mayor es el valor del capacitor. Volviendo a la figura anterior que durante el tiempo tON, cuando la corriente crece desde el valor mínimo hasta el valor medio, la corriente en la carga la provee la fuente   y el capacitor C. Entre el valor medio y el valor máximo la corriente de fuente alimenta a la resistencia Ro y carga al capacitor C. Durante el tiempo tOFF, cuando se bloquea el transistor la corriente que circula  por la carga y que también carga el capacitor, es la que circula por el diodo D.Esto cuando la corriente baja desde el valor máximo hasta el valor medio. Entre el valor medio y el valor mínimo la corriente esta formada en parte por la que circula por el diodo y por otra parte por la corriente que descarga el capacitor.En otras palabras, cuando el circuito de conmutación esta encendido, es decir cuando esta activado el transistor de potencia, la corriente circula por la bobina cargando el capacitor y  alimentando la carga, como se muestra en la

figura 2.

                         Figura 2. Transistor de conmutación activo.

En el tiempo de cerrado (estado OFF), la energía almacenada en la bobina y en el capacitor , son los encargados de mantener la corriente circulando por la carga, como se

puede ver en la figura 3. El diodo D , esta puesto para cerrar la circulación de la corriente y para proteger el transistor de la etapa anterior.

                         Figura 3. Transistor de conmutación inactivo.

4. Regulación de la fuente switching

A la primera etapa, llamada amplificador de error, le llegan dos señales, una tensión de referencia y la tensión de salida Vo. Resultando de esta operación, la diferencia entre ambas señales y amplificadas (Vref-Vo)A. Luego, en una segunda etapa, esta señal de error amplificada, cumple la función de una señal de referencia que es comparada con la señal de un oscilador diente de sierra obteniendo a la salida pulsos donde el ancho de los mismos se da cuando el nivel de tensión de la señal diente de sierra supera el nivel de la señal de error. Estos pulsos alimentan la etapa de filtrado de a fuente.

                      Figura 4. Esquema básico de funcionamiento de una fuente switching

La regulación de esta fuente se da por las siguientes condiciones:

- Si la tensión Vo aumenta, el error amplificado aumenta provocando que el ancho de los pulsos disminuya, decrementando la tensión media de los pulsos que corresponde a la tensión de salida disminuye.

- Si la tensión Vo disminuye, el error amplificado disminuye provocando que el ancho de los pulsos disminuya, incrementando la tensión media de los pulsos que corresponde a la tensión de salida aumenta.

Este comportamiento se puede observar en la figura 5 y de esta manera se controla la tensión de salida.

                 

                  Figura 5. Regulación de la tensión de salida mediante la modulación del ancho de pulsos

5. Diseño del filtro

                R= Rcarga

                 Donde:

Diseño de la bobina

Cálculo del número de espiras de la  bobina L:

De la tabla III (capítulo Inductancia, apuntes de Tecnología de los Componentes Pasivos), se tiene lo siguiente:                

Recordando que: V max= 4,44·N·f·B max·A·10 -8. Y como en este caso se tiene una onda cuadrada aplicada (convertidor de CC a CC) usamos:                        V max= 4,44·N·f·B max·A·10 -8

De la ecuación anterior podemos obtener  N

                 

 Donde:V max: tensión de entrada máxima en Vf   : frecuencia de oscilación del circuito en  HzB max: densidad máxima de flujo en el núcleo de saturación en GaussA: área de la sección transversal del núcleo de saturación  en cm2.  Entonces:

                 

Cálculo de la inductancia

Donde:N  : número de vueltas 

  : permeabilidad relativa inicial (tabla III)l  : longitud del camino del campo a través del núcleo

Por lo tanto:

                  

      

6. Diseño del Capacitor

El criterio adoptado para el diseño es que wo es igual a la

décima parte de la frecuencia de conmutación  , reemplazando los valores nos queda:

                       

Al estar adoptando ese valor estaríamos atenuando el primer armónico de la onda cuadrada 40dB que es equivalente a 100 veces menos, por cual nos daría un ripple pequeño.

Por lo tanto:

                    

7. Implementación del circuito

Parámetros a considerar:

               

Circuito completo

                                          Figura 7. Circuito ensayado

Simulación del circuito

                                            Figura 8. Señal de entrada y salida

8. Principio de funcionamiento del circuito

Los Amplificadores operacionales  AO1 y AO2 son los encargados de generar la onda diente de sierra que proporciona la frecuencia de switchado, esta se regula mediante la resistencia R2 y el capacitor C1. En el comparador (AO4) las señales que ingresan por la pata inversora, después de ser filtrada disminuyendo el ripple de fuente por medio del capacitor C2 y la resistencia R6,

la realimentación  proveniente de la salida del circuito, la otra señal es la diente de sierra ya  definida anteriormente, que ingresa por la pata no inversora. La salida del comparador nos proporciona una señal cuadrada con la frecuencia deseada como se menestra en la figura9, donde los semiciclos T1 y T2 son obtenidos del ensayo.

                           

                    Figura 9

 Esta señal controla al TIP 31 haciéndolo trabajar en corte y saturación mediante la excitación de la base. Cuando satura el transistor TIP 31, entran en conducción (o saturan) los transistores Q2 y Q3 los cuales también trabajan de la misma manera que le TIP 31.      Lo descrito anteriormente es la manera de que la fuente produce el switcheo.El divisor comprendido por las resistencias R12, R13 y R36 controlan la tensión de salida.

9. Ensayo del circuito

Alimentamos el circuito con Vi=20[ms] cargando el circuito

con una resistencia de 10  donde se obtuvieron los siguientes resultados:Tensión de salida: Vo=12 [V].La onda onda cuadrada (figura 9) compuesta por los dos semiciclos de distintos: T1= 0,12 [ms] y T2= 0,28[ms] verifica la frecuencia de switcheo.

                       

Bajo estas condiciones, observamos en el osciloscopio una tensión de ripple Vr=70[mV] de pico a pico, el cual nos da un ripple porcentual:

                     

Observaciones :

La etapa de los amplificadores esta integrada en un TL084 que es un circuito integrado de 4 (cuatro) Amplificadores Operacionales.

En la práctica adoptamos un valor de