Fuentes de alimentación

Lineales y conmutadas

FICHA DE

ALIMENTACIÓN

FUSIBLE

TRANSFORMADOR RECTIFICADOR

FILTRO

REGULADOR

CARGA

INDICADOR

DE NIVEL

DE

TENSION

DE SALIDA

INDICADOR

DE

ENCENDIDO

Fuente de alimentación lineal

Diagrama en bloques

Fuente no regulada ni estabilizada

Fuente regulada y estabilizada

Convertidor de corriente alterna en continua:

• Una fuente de alimentación simple consiste en transformador, un rectificador y un filtro, conectado a la red de distribución eléctrica domiciliaria.

• El siguiente esquema ilustra el circuito típico:

• ¡Explicar las ventajas y desventajas entre ambos!

Fuente de tensión básica

i

Funcionamiento del rectificador

i

Tensiones en el rectificador y la carga

Tensión sobre el secundario del transformador

Tensión sobre la

carga

Caída de tensión en los diodos

Intervalo de no conducción de los diodos

El filtrado se logra con el agregado de un capacitor

Con éste circuito se obtiene una tensión media de 7,5V en la carga a partir de una tensión nominal de línea de 220V 50Hz, con una tensión en el bobinado secundario del transformador de 10V pico

Tensiones y corrientes en el rectificador, filtro y carga

7,5A

22A

7V 8V

0,75V

-8,5V

Tensión media sobre la carga = 7,5V

Co

rrie

nte

en

D1

Te

nsi

ón

de

salid

a Te

nsi

ón

en

tra

nsf

orm

ado

r Te

nsi

ón

en

D1

Corriente media en la carga = 1,5A

Tensión de salida con 240V de entrada y carga al 1%

9,8V

Tensión de salida con 220V de entrada y carga al 50%

7,9V

Tensión de salida con 200V de entrada y carga al 100%

6,3V

Factor de Rizado:

Factor de rizado (en adelante ripple):

cd

car

V

VF

El cálculo del factor de ripple se realiza en forma aproximada

asumiendo:

• Resistencia interna del transformador muy baja

• Tiempo de carga del capacitor despreciable

• Resistencia de carga constante

• El capacitor se descarga linealmente sobre la resistencia de carga durante un semiperiodo del ciclo de la tensión de entrada

• La forma de onda del ripple se puede aproximar a una triangular

Luego de comprender el funcionamiento del circuito, definimos:

rppV

0

cdV

t

SALIDAV

2/T

2/

0

1T

C idtC

vrppV

2/T fRC

VT

R

V

CVrpp

22

1

aplicando para la descarga de C

se obtiene

La tensión de salida media es

fRCV

fRC

VV

VVV

rpp

cd4

11

42

La tensión eficaz de ripple es

fRC

VVV

rpp

ca3432

El factor de ripple resulta

143

1

fRCV

VF

cd

car

Lo que permite estimar el valor de C como

1

3

1

4

1

rFfRC

Ejemplo

Tensión de salida del transformador = 18 V Tensión media sobre la carga = 22 V Tensión eficaz de ripple = 0,7 V C = 100 µF R = 800 Ω

Resultando un factor de ripple medido de: Con los datos se utiliza la fórmula aproximada resultando:

038,0143

1

fRCFr

032,022

7,0

V

V

V

VF

cd

car

Se midió en una fuente real los siguientes valores:

El regulador serie elemental

El regulador serie es un amplificador de potencia con salida clase A y realimentación serie paralelo

2

10

1011BEREFSAL VV

R

RRV

Regulación

El regulador logrará mantener la tensión de salida con una variación acotada en función de la variación de la corriente en la carga

SALV

SALI

SALΔI

SALΔV

t

t

Modificando el circuito de entrada se obtiene mejor rechazo de modo común

El regulador serie diferencial

REFSAL VR

RRV

10

1011

El regulador serie diferencial con fuentes de corriente

REFSAL VR

RRV

10

1011

El regulador serie diferencial con fuentes de corriente darlington de salida

REFSAL VR

RRV

10

1011

El regulador serie diferencial con fuentes de corriente darlington de salida y VREF variable

REFSAL VRR

R

R

RRV

21

2

10

1011

El regulador serie diferencial con fuentes de corriente darlington de salida y VREF variable, más protección por limitación de corriente

VSAL

ISAL

1

3

4POL

BEMAX I

R

VI

Limitador de corriente

VSAL

ISAL

IMAX

VSAL+ RSIC IC

S

BEMAX

R

VI

VSAL

Limitador de corriente por foldback

VSAL

ISAL

IMAX ICC

VSAL+ RSIC IC

VSAL

1RRSBE VVV notar que VR1 varía con VSAL

Para la corriente ICM debe ser VRS>VR1 de manera que:

VVVV RRSBE 7,01

Resolviendo la maya se tiene:

21

1

RR

RIRVIRV CSSALCSBE

Desarrollando:

2

121

RR

VRVRRI

S

SALBEC

En caso de cortocircuito VSAL = 0 y resulta:

2

11R

R

R

VI

S

BECC

Al liberar el cortocircuito se normaliza todo

A partir de:

Regulador de tensión integrado

Estudiaremos el circuito integrado regulador de tensión 723 debido a que es muy similar a los ejemplos vistos

Característcas principales

• Reúne todas las partes vitales de un regulador de tensión

• Permite diseñar fuentes de tensión desde 2 a 37 V

• Se puede programar el limitador de corriente

• Tensión de entrada máxima de 40 V

• Corriente máxima de salida de 150 mA

Diagrama en bloques del regulador 723

Conexionado para tensión de salida ≥ VREF

Conexionado para tensión de salida ≤ VREF

Conexionado para tensión de salida de 2 a 37 V

Características eléctricas del 723

TDB0723

LM723

TRANSFORMADOR RECTIFICADOR

FILTRO

REGULADOR

CARGA

Fuente de alimentación con regulador conmutado

Diagrama en bloques

Fuente no regulada ni estabilizada

Fuente regulada y estabilizada

FICHA DE

ALIMENTACIÓN

INDICADOR

DE

ENCENDIDO

INDICADOR

DE NIVEL

DE

TENSION

DE SALIDA

FUSIBLE

Eficiencia

• El regulador lineal es de baja eficiencia pues toda la corriente de la carga lo atraviesa pero con una gran caída de tensión, por lo que se desperdicia mucha energía que se transforma en calor

• El regulador conmutado construído con elementos reactivos como capacitores, inductores y llaves conmutadoras de dos estados no genera pérdida de energía por disipación de calor

Eficiencia en regulador lineal

E

S

SE

SS

E

C

V

V

IV

IV

P

P

.

.

CIRCUITO DE

CONTROL

Ƞ disminuye con la caída de tensión entre entrada y salida

max

VE

VS

1E

C

P

P

CIRCUITO DE

CONTROL

Ƞ = 100 % por no contener elementos disipativos

Eficiencia en regulador conmutado

Ejemplos de reguladores conmutados en la placa madre de una PC

Sector fuentes de alimentación auxiliares de la placa madre de una PC

Fuente de alimentación principal de una PC de 400W

Fuentes de alimentación conmutada de baja potencia

Esquema eléctrico de una fuente conmutada para reproductor de DVD

Principio de funcionamiento del regulador conmutado

L

tVII L

INICIALL

L

ΔtVVII 1SE

MINMAX

Determinación de la tensión de salida VS

L

ΔtVII 2S

MAXMIN

Llave 1 cerrada – llave 2 abierta

Llave 2 cerrada – llave 1 abierta

Asumimos que C es lo suficientemente grande como para mantener la tensión de salida constante durante Δt1 y Δt2 (VS = estable se logrará por realimentación)

1 2

IL

ILMAX

ILMIN

IS

Δt1 Δt2 t

1 2

Δt1 Δt2

12 tVVtV SES

Combinando ambas expresiones se obtiene:

121 tVttV ES

21

1

tt

tVV ES

DVV ES

Llamando D al ciclo de trabajo de las llaves 1 y 2 se obtiene:

D puede ajustarse entre 0 y 1 por lo que la tensión de salida siempre será menor a la de entrada

Reemplazo de llaves por dispositivos de conmutación semiconductor

CIRCUITO DE

CONTROL

Limitaciones y problemas impuestos por los componentes

1. Siempre será VE ≥ VS + VSAT como ocurre en los reguladores lineales

2. Exigencia en el encendido del transistor debido a la demora en el apagado del diodo, por lo que deben usarse diodos de bajo tiempo de recuperación

3. Si se daña el transistor suele quedar en cortocircuito, con lo que VS=VE destruyendo la

carga • En consecuencia debe implementarse un efectivo sistema de protección contra sobretensión • El más común y sencillo es el CROWBAR con fusible y tiristor, refinándolo para evitar que el tiristor se dispare por sobre picos a la salida o la entrada que si pueden ser tolerados por la carga.

Componentes adicionales

1. Cuando el transistor se apaga y hasta que se enciende el diodo hay una sobretensión en el inductor que puede destruir el propio transistor y/o el diodo. Esta sobretensión puede amortiguarse con una simple red RC en paralelo con el diodo, llamada SNUB. Otros circuitos más elaborados para el recorte de las sobretensiones incluyen diodos de recuperación rápida, diodos zener y redes RC.

Componentes adicionales

“SNUB” sobre el inductor

“SNUB” sobre la llave

Componentes adicionales

Componentes adicionales

2. Cambios abruptos en las condiciones de carga o en la fuente de tensión de entrada pueden crear también sobre picos de tensión destructivos para el transistor y/o el diodo. Se pueden suprimir estos transitorios con diodos zener, con dispositivos supresores de transitorios (dos diodos zener de gran corriente y tensión enfrentados en serie), con varistores (resistores dependientes de la tensión), etc.

Supresor de transitorio Varistor

Componentes adicionales 3. Los reguladores conmutados generan interferencias electromagnéticas

(EMI), tanto emisiones de RF desde de los componentes (transistor, diodo, circuito impreso, etc.) como a través de los cables de conexión de entrada y salida, invadiendo el espectro radio eléctrico. Por lo que debe blindarse (encerrarse con una jaula metálica) el conjunto de componentes que produce EMI y también filtrarse las señales de RF que salen del regulador (por los cables) mediante filtros de RF.

Filtro de línea de alimentación Fuente de alimentación blindada

Circuito de control

¿Como funciona el PWM (modulador por ancho de pulso)?

CIRCUITO DE

DISPARO COMPARADOR

OSCILADOR

REFERENCIA DE TENSIÓN

AMPLIFICADOR DE ERROR

Formas de onda de control

Modo simple

Modo PUSH-PULL

Realización práctica con circuito integrado TL494

Guía para el ensayo de un regulador conmutado (sin control)

1. Calcular el valor de L para operar con una frecuencia de 10KHz y una carga de 100 Ω 2. Elegir los semiconductores adecuados 3. Variar el ciclo de trabajo entre 5% y 95% en modo discontinuo y entre 5% y 45% en

modo continuo (consultar que diferencia hay entre modo continuo y discontinuo) 4. Relevar la tensión de salida en función del ciclo de trabajo para cada caso 5. Observar con el osciloscopio (y registrar)la señal presente en el cátodo del diodo 6. Intentar la sustitución del darlington Q1/Q2por un MOSFET canal P

Regulador FLYBACK

• Se utiliza el modo flyback para obtener una tensión de salida mayor a la tensión de entrada

ES VV

Operación FLYBACK en modo contínuo

1 1 2 1 2

t

ILMAX

Δt1 Δt1 Δt2 Δt2

IL

Δt1 Δt2

2

t

VE

Tensión en nodo de conmutación

VS

0

T

ILMIN

Cálculo de la tensión de salida

INICIALLL

L ItL

VI

CARGAE

MINIMOLMAXIMOL tL

VII

DESCARGASE

MAXIMOLMINIMOL tL

VVII

Con la llave 1 cerrada (llave 2 abierta) el inductor se carga de energía en tCARGA :

Con la llave 2 cerrada (llave 1 abierta) el inductor descarga su energía en tDESCARGA :

DESCARGAES

CARGAE t

L

VVt

L

V

Operando se llega a:

DESCARGAESCARGAE tVVtV

La corriente en la inductancia, a tensión aplicada constante, varía como:

t

VE

Tensión en nodo de conmutación

VS

0

Notar que el área bajo la curva durante el tiempo de carga es igual al área durante el tiempo de descarga

La ecuación anterior se expresa también como:

DESCARGA

CARGAES

t

tVV 1

De donde resulta evidente que siempre es:

ES VV

tCARGA tDESCARGA

CARGAEtV

DESCARGAES tVV

Notar que es:

Tomando el desarrollo anterior:

DESCARGA

CARGAES

t

tVV 1

Y definiendo ciclo se servicio D como:

T

tD CARGA

DESCARGACARGA ttT

Resulta:

D

VV E

S

1

Operación FLYBACK en modo discontínuo

1 1 2 1 2

t

ILMAX

Δt1 Δt1 Δt2 Δt2

IL

Δt1 Δt2

2

t

VE

Tensión en nodo de conmutación

VS

0

T

0

DESCARGACARGA ttT

En el modo discontínuo el inductor se descarga completamente en cada ciclo

Reemplazo de llaves por dispositivos de conmutación semiconductor

CIRCUITO DE

CONTROL

D

DESCARGA

CARGASATES V

t

tVVV

1

Regulador conmutado aislado

¡Explicar como funciona!

• Permite tensiones de salida menores o mayores que la de entrada

• Se pueden obtener varias tensiones de salida simultáneas y con diferente polaridades

Explicación del funcionamiento

• El primario se carga durante el tiempo de encendido del transistor

• Luego la tensión del inductor se invierte y se auto ajusta a:

• Cuando se carga el primario, el secundario está inactivo debido a la polaridad de conexión del diodo

• Cuando el secundario está activo el primario queda inactivo debido a que primario y secundario están en contrafase

SECPRI VN

NV

2

1 DIODOSALIDASEC VVV

Cálculo de la relación de espiras

t

I1

Δt1 Δt2

T

IL

0

tL

VVI SATE

L

1

1

2

2

2It

L

VVI DS

L

CARGASATE t

L

VVI

1

1

2

2

0 ItL

VVDESCARGA

DS

DESCARGADS t

L

VVI

2

2

t

I2

Δt1 Δt2

T

IL

0

PRIMARIO SECUNDARIO

Δt1 = tCARGA Δt2 = tDESCARGA

Cálculo de la relación de espiras

Relación de espiras/inductancias bobinadas en un mismo núcleo:

2

1

2

2

2

1

L

L

N

N

Por conservación de la energía:

2

22

2

112

1

2

1ILIL

Combinando ambas expresiones se obtiene:

1

2

2

1

I

I

N

N

Operando y combinando con las expresiones de la corrientes se obtiene:

CARGA

DESCARGA

SATE

DS

t

t

VV

VVNN

12

• Con L pequeña se logra menor tamaño del transformador pero a costa de mayores corrientes, esto puede ser destructivo para los semiconductores.

• Como el núcleo opera en una sola dirección de flujo magnético puede alcanzar la saturación rapidamente perdiendo valor de L y aumentando las corrientes, ocurriendo la destrucción de los semiconductores

• Esto último puede mejorarse utilizando un núcleo con un corte total o parcial.

En el modo continuo es:

D

D

VV

VVNN

SATE

DS

112

DESCARGACARGA

CARGA

tt

tD

con

NOTAR QUE:

Formas de onda en primario y secundario

t

-(N2/N1)VE

Tensión en nodo de unión de L2 y el diodo

≈ VS

0

= área

t

VE

Tensión en nodo de conmutación

≈ 0

(N1/N2)VS+VE

Modo PUSH PULL

¡Explicar como funciona!

Detalles asociados con el funcionamiento

• El transformador no se utiliza para almacenar energía sino solo para elevar o reducir la tensión de entrada

• Notar que los diodos D1 y D2 además de rectificar actúan como llave de enclavamiento para la descarga del inductor

• Requiere 2 transistores de conmutación que conducen en forma alternada

• Se obtiene en flujo magnético alterno en el núcleo, logrando mayor eficiencia del mismo al trabajar lejos de la saturación pudiendo utilizar tamaños menores que el modo FLYBACK

• Con el modo alterno se puede obtener el doble de potencia que el equivalente FLYBACK operando a la misma frecuencia

• Puede obtenerse potencias de cientos de watts

• IMPORTANTE: cada transistor debe soportar el doble de la tensión de alimentación cuando está apagado.

Formas de onda en primario y secundario

t

(N2/N1)VE

Tensión en el ánodo del diodo del secundario

t

VE

Tensión en nodo de conmutación en primario

≈ 0

2VE

T

≈ 0

Limitaciones

• Muy difícil lograr total simetría en el flujo magnético alternado llevando a crearse un remanente de flujo continuo que provoca exceso de corriente en alguno de los transistores pudiendo llevarlos a la destrucción

• CAUSA DE LA ASIMETRÍA:

– Diferente tensión de saturación en cada transistor

– Diferentes mitades del bobinado primario y secundario

Modo MEDIO PUENTE

¡Explicar como funciona!

½ VE

Detalles asociados con el funcionamiento

• El balanceo del núcleo se logra con dos capacitores

• La dificultad está en la excitación (disparo) del transistor superior

Modo PUENTE

¡Explicar como funciona!

Bloquea la corriente continua

Detalles asociados con el funcionamiento en modo puente

• El balanceo del núcleo se logra con un capacitor

• La dificultad está en la excitación (disparo) del transistor superior

• Se obtiene más eficiencia que en el medio puente porque el primario recibe toda la tensión de entrada y se puede obtener el doble de potencia (que en el medio puente)

Analizar una fuente de PC (A partir de su esquema eléctrico unas páginas más adelante)

Disparo de los transistores

• Se puede utiizar un transformador de pulsos o un desplazador de nivel para excitar al transistor superior del medio puente o del puente.

• Como ejemplo de circuito de excitación por desplazamiento de nivel se cita el IR2181 del fabricante International Rectifier. En la hoja siguiente puede verse su diagrama interno y una aplicación típica

• Luego, en el esquema de la fuente para PC, se podrá ver un ejemplo de excitación con transformador de pulsos

Circuito típico de aplicación

Esquema interno del IR2181

Capacitor Bootstrap

Esquema eléctrico de una fuente para PC SIMPLIFICADO

Esquema eléctrico de una fuente para PC