Fuentes de Alimentación Conmutadas

TRANSFORMADOR RECTIFICADOR FILTRO REGULADOR CARGA

Fuente de alimentación

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 en regulador lineal (por ejemplo el clásico 7805)

E

S

SE

SS

E

C

VV

IVIV

PP

===..η

CIRCUITO DE

CONTROL

η

ηmax

VE

VS

• Ƞ disminuye con la caída de tensión entre entrada y salida ( “drop out” = VE ─ VS )• 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

REGULADOR

1==E

C

PPη

CIRCUITO DE

CONTROL

Eficiencia en regulador conmutado

• Ƞ = 100 % por no contener elementos disipativos• El regulador conmutado construido con elementos reactivos como capacitores, inductores y

llaves conmutadoras de dos estados no genera pérdida de energía por disipación de calor

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

Principio de funcionamiento del regulador conmutado

LtVII L

INICIALL∆

+=

( )L

ΔtVVII 1SELMINLMAX

−+=

Determinación de la tensión de salida VS

LΔtVII 2S

LMAXLMIN −=

Llave 1 cerrada – llave 2 abierta

Llave 2 cerrada – llave 1 abierta

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

Se estudiará el modo continuo, o sea, la corriente en el inductor no se interrumpe entodo el ciclo operativo

IL

ILMAX

ILMIN

IS

Δt1 Δt2 tΔt1 Δt2

MODO CONTINUO

ILMIN ≥ 0 !!

( ) 1SE2S ΔtVVΔtV −=

Combinando y se obtiene:

( ) 1E21S ΔtVΔtΔtV =+

21

1ES ΔtΔt

ΔtVV+

=

DVV ES =

D puede ajustarse de 0 a 1 => la tensión de salida siempre será menor a la de entrada

( )E S 1LMAX LMIN

V V ΔtI I

L−

= +LΔtVII 2S

LMAXLMIN −=

ftT

tΔtΔt

ΔtD ONON

21

1 ==+

=2

III LMINLMAXS

+=

( )( )SLMAX

S

IIVD-1

2f1L

−=y

Reflexionar acerca del valor adecuado de L y su relación con la selección de los elementos de conmutación

Continuamos desarrollando

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

Conservando el modo continuo se mantendrá constante (ILMAX – IS) para todo valor de IS y un determinado valor de VS y de VE , o sea, (ILMAX – IS) es independiente de la resistencia de carga. El circuito de control mantendrá estabilizado VS

t

ILMAX

Δt1 Δt1 Δt2Δt2 Δt1 Δt2

T

ILMIN

IS

IS corriente en la cargaIL corriente en la inductancia

ILMAX ─ ILMIN

t

ILMAX

Δt1 Δt1 Δt2Δt2 Δt1 Δt2

T

ILMIN

IS

IS corriente en la cargaIL corriente en la inductancia

ILMAX ─ ILMIN

t

ILMAX

Δt1 Δt1 Δt2Δt2

IL

Δt1 Δt2

T

ILMIN

IS

La corriente de salida IS está relacionada con la tensión de salida VS y la resistencia decarga R por la ley de ohm: RVI SS =

( )( )SLMAX

S

IIVD-1

2f1L

−=Partiendo de la ecuación que da el valor de la inductancia y

Siendo para este caso resultaSMINLMAX I2I = ( )SMIN

S

I 2fVD-1L =

Reemplazando con se tiene el valor crítico de la inductancia (mínimovalor de L) que permite continuar operando en modo continuo con una carga mínimarepresentada por RMAX:

( )2f

RD-1L MAXC =

O se tiene el valor crítico de la resistencia de carga que permite calcular la carga mínimaque asegurará el funcionamiento en modo continuo para un valor dado de L:

( )D-1L2fRC = Con lo que debe ser para MCCRR <

Al diseñar => para MCCLL >

LÍMITE DEL MODO CONTINUO

MINSSMAX IVR =

IS MIN

SMINS II =

t

ILMAX

Δt1 Δt1 Δt2Δt2

IL

Δt1 Δt2

T

0

Un regulador operando en modo continuo puede pasar al modo discontinuo al reducirse lacarga, o lo que es lo mismo, reducirse la corriente de salida

El comportamiento del regulador a lazo cerrado puede volverse inestable si se permite elpaso entre modos

IS < ILMAX/2

MODO DISCONTINUO

Se debe diseñar el regulador considerando la carga mínima que tendrá a fin de evitar queentre en el modo discontinuo. Se puede implementar dicha carga como un circuito dedrenaje útil como podría ser un LED y/u otro circuito que drene corriente del regulador.

El valor de la inductancia se calculará entonces para la condición de carga mínima y para elvalor mínimo que se espera se dispondrá de la tensión de entrada VE ,o sea para DMAX

Rizado de la tensión de salida

D=0,5 ∆VO =ILMAX − ILMIN

8Cf=

100mA8.1μF. 50KHz

= 250mV

∆VO

Rizado de la tensión de salida

D=0,25 ∆VO =ILMAX − ILMIN

8Cf=

75,5mA8.1μF. 50KHz

= 188,8mV

∆VO

Investigar este tema revisando notas de aplicación publicadas por los fabricantes de controladores de reguladores conmutados

Rizado de la tensión de salidaCálculo de ∆VO

𝑖𝑖𝐶𝐶

t

t

𝑣𝑣𝐶𝐶

- tON2

tON2

- tON2

tON2

𝐼𝐼𝐿𝐿 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 − 𝐼𝐼𝑆𝑆

𝐼𝐼𝐿𝐿 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 − 𝐼𝐼𝑆𝑆

∆𝑣𝑣𝐶𝐶 𝑂𝑂𝑀𝑀=1𝐶𝐶�0

𝑡𝑡𝑂𝑂𝑂𝑂2 𝐼𝐼𝐿𝐿 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 − 𝐼𝐼𝑆𝑆

𝑡𝑡𝑂𝑂𝑀𝑀2

dt

𝑖𝑖𝐶𝐶 =𝐼𝐼𝐿𝐿 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 − 𝐼𝐼𝑆𝑆

𝑡𝑡𝑂𝑂𝑀𝑀2

t

∆𝑣𝑣𝐶𝐶 𝑂𝑂𝑀𝑀

∆𝑣𝑣𝐶𝐶 𝑂𝑂𝑀𝑀= [1𝐶𝐶𝐼𝐼𝐿𝐿 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 − 𝐼𝐼𝑆𝑆

𝑡𝑡𝑂𝑂𝑀𝑀t2 ]0

𝑡𝑡𝑂𝑂𝑂𝑂2

∆𝑣𝑣𝐶𝐶 𝑂𝑂𝑀𝑀=𝐼𝐼𝐿𝐿 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 − 𝐼𝐼𝑆𝑆

4𝐶𝐶 𝑡𝑡𝑂𝑂𝑀𝑀

En forma similar se calcula ∆𝑣𝑣𝐶𝐶 𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂 :

∆𝑣𝑣𝐶𝐶 𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂=𝐼𝐼𝑆𝑆 − 𝐼𝐼𝐿𝐿 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀

4𝐶𝐶 𝑡𝑡𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂

Resultando: ∆𝑉𝑉𝑂𝑂 = ∆𝑣𝑣𝐶𝐶 𝑂𝑂𝑀𝑀 + ∆𝑣𝑣𝐶𝐶 𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂 =𝐼𝐼𝐿𝐿 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 − 𝐼𝐼𝐿𝐿 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀

8𝐶𝐶𝐶𝐶

Reemplazo de llaves por dispositivos de conmutación semiconductor

CIRCUITO DE

CONTROL

( ) DSATES VVVDV −−=

El diodo se conmuta automáticamente al apagar el MOSFET debido a que la corriente en el inductor no puede dejar de circular por él. Además, como consecuencia, se invierte la polaridad de la tensión sobre el inductor. Este proceso es conocido como “flyback”.

Circuito de control

Las llaves son controladas por pulsos del PWM (modulador por ancho de pulso)

CIRCUITO DE

DISPAROCOMPARADOR PWM

OSCILADOR

REFERENCIA DE TENSIÓN

AMPLIFICADOR DE ERRORCOMPARADOR DE TENSIÓN

Formas de onda de control

NOTA:La forma de onda en azul es una muestra de la tensión de salida.Tener en cuenta que la tensión de salida varía mucho mas lentamente que unperiodo del oscilador. Aquí se ha representado así para mostrar como se producela modulación por ancho de pulso, a partir de la comparación de la señal deloscilador con la señal error resultante de la mezcla entre la muestra de la tensiónde salida y la tensión de referencia.

TENSIÓN DE ERROR

DISPARO DEL MOSFET

DIENTE DE SIERRA

Regulación de cargaEl 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

SALT

SAL

VRI

∆≅∆

EQUIVALENTE THÉVENINVSAL

RT

0

0

VTTENSIÓN DE THÉVENIN

RESISTENCIA DE THÉVENIN

Realización práctica con circuito integrado LM2576

Adaptador fuente USB para encendedor de automóvil

1.25VRef Reg

5.0 V/500 mA

1.0µH

Vout+100

Optional Filter

8

7

Rsc0.33

6Vin12 V

100+

R1 1.2 k3.6 k

S QR

Q2Q1

IpkOsc

CT

VCC

+– Comp.

1

2

1N58193

4

CT

470pF

470 CO+

5

L 220µH

Regulador “reductor” implementado con el circuito integrado MC34063 de Motorola

Estabilidad

Limitaciones y problemas impuestos por los componentes1. 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 adicionales2. 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 transitorioVaristor

Componentes adicionales3. 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

• Con L pequeña se logra menor tamaño del transformador pero acosta de mayores corrientes, esto puede ser destructivo para lossemiconductores.

• Como el núcleo opera en una sola dirección de flujo magnéticopuede alcanzar la saturación rápidamente perdiendo valor de L yaumentando las corrientes, ocurriendo la destrucción de lossemiconductores

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

Recomendaciones para el núcleo del inductor

B

H

Lectura recomendada

Todos los libros que figuran en la bibliografía de la página de la materiaDiseño de Circuitos Electrónicos / Circuitos Electrónicos II y el materialdidáctico que se encuentra vinculado al tema Fuentes conmutadas en lasección “Material Didáctico”, de los cuales el más recientemente agregado es:Protecciones del dispositivos de conmutación [extraído del libro “Electrónica de Potencia” de RASHID]

LIMITACIÓN DE CORRIENTE SE VERÁ MAS ADELANTE

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

11 2 1 2

t

ILMAX

Δt1 Δt1 Δt2Δt2

IL

Δt1 Δt2

2

t

VE

Tensión en nodo de conmutaciónVS

0

T

ILMIN

IL

NOTAR QUEIL

ES SIEMPRE POSITIVO

VSVE

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

LVVt

LV −

=

Operando se llega a:

( ) DESCARGAESCARGAE tVVtV −=⇒

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

+ VE -

- (VE - VS ) +

IL

ILVSVE

S EV V>

VE VS

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:

TtD CARGA=

DESCARGACARGA ttT +=

Resulta:

DVV E

S −=

1

Considerando:

ftT

tΔtΔt

ΔtD CARGACARGA

21

1 ==+

=

Se llega a:

2III LMINLMAX

LPROMEDIO+

=

( )( )( )LPROMEDIOLMAX

ES

IIV-VD-1

2f1L

−=

“Reflexionar acerca del valor adecuado de L y su relación con la selección de los elementos de conmutación.”

Notar que : ENTRADALPROMEDIO II =

Reemplazo de llaves por dispositivos de conmutación semiconductor

CIRCUITO DE

CONTROL

( ) DDESCARGA

CARGASATES V

ttVVV −

+−= 1

Realización práctica con circuito integrado LM2577

Operación FLYBACK en modo discontínuo

11 2 1 2

t

ILMAX

Δt1 Δt1 Δt2Δt2

IL

Δt1 Δt2

2

t

VE

Tensión en nodo de conmutaciónVS

0

T

0

DESCARGACARGA ttT +>

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

Oscilaciones perjudiciales para el transistorCuando el transistor se apaga y hasta que se enciende el diodo o bien después deque deja de conducir el diodo al agotarse la energía en el inductor y cesa sucorriente, ocurre una sobretensión en el inductor que puede destruir el propiotransistor y/o el diodo. Esta sobretensión puede amortiguarse con una simplered RC en paralelo con el diodo, llamada SNUB. Otros circuitos más elaboradospara el recorte de las sobretensiones incluyen diodos de recuperación rápida,diodos zener y redes RC.

t

VE

VS

0

“SNUB” sobre el inductor

“SNUB” sobre la llave

Otros circuitos más elaborados para el recorte de las sobretensiones incluyendiodos de recuperación rápida, diodos zener y redes RC.

Regulador conmutado aislado

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

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

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 VNNV

2

1= ( )DIODOSALIDASEC VVV +=

t

I1

Δt1 Δt2

T

IL

0

tLVVI SATE

L1

1−

=↑ 22

2 ItL

VVI DSL +

+−=↓

CARGASATE t

LVVI1

1−

= 22

0 ItL

VVDESCARGA

DS ++

−=

DESCARGADS t

LVVI

22

+=

t

I2

Δt1 Δt2

T

IL

0

PRIMARIO SECUNDARIO

Δt1 = tCARGA Δt2 = tDESCARGA

ΔtDISC. ΔtDISC.

ΔtDISC. = 0 en el límite entre el modo continuo y discontinuo

Cálculo de la relación de espiras

Relación de espiras/inductancias bobinadas en un mismo núcleo:

2

122

21

LL

NN

=

Por conservación de la energía:

222

211 2

121 ILIL =

Combinando ambas expresiones se obtiene:

1

2

2

1

II

NN

=

Operando y combinando con las expresiones de la corrientes para ΔtDISC. = 0 se obtiene:

CARGA

DESCARGA

SATE

DS

tt

VVVVNN

−+

= 12

DD

VVVVNN

SATE

DS −−+

=1

12

Cálculo de la relación de espiras

Resultando:

Formas de onda en primario y secundarioModo discontinuo

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

Circuito típico simplificado de un regulador flyback aislado

CONTROLADOROPTOACOPLADO

Regulador aislado para LEDsCorriente constante

220V

RECT

IFIC

ADO

RY

FILT

RO

DISPOSITIVOS DEENCLAVAMIENTO

Modo PUSH PULL

¡Explicar como funciona!

Formas de onda de control en modo push-pull

Muestra de la tensión de salida

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