Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingenierías Eléctricas Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

Trabajo de Diploma Diseño de una Fuente Conmutada Variable para laboratorio

Autor: Eliecer Acosta Conyedo Tutores: Ing: Jorge Luis Lemus Ramos Ing Lianet Guerra Morales

Santa Clara 2016 Año 58 de la Revolución

I

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingenierías Eléctricas Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

Trabajo de Diploma Diseño de una Fuente Conmutada Variable para laboratorio

Autor: Eliecer Acosta Conyedo Tutores: Ing: Jorge Luis Lemus Ramos Ing: Lianet Guerra Morales

Santa Clara 2016 Año 58 de la Revolución

Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicado sin autorización de la Universidad.

________________________ Firma del Autor

Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.

________________________

________________________

Firma del Autor

Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo

________________________ Firma del Responsable de Información Científico-Técnica

Pensamiento

“Todos somos muy ignorantes. Lo que ocurre es que no todos ignoramos las mismas cosas”. Albert Einstein

I

II

Dedicatoria

A mi madre y a mi padre por siempre darme fuerzas para seguir luchando A mi esposa y familia por la constancia y el cariño A mi tutor y compañeros de trabajo por todo su apoyo A todas aquellas personas que me han apoyado a lo largo de mi carrera

III

Agradecimientos A mi madre por creer en mí y siempre estar presente en los momentos más importantes A mi padre por ser mi ejemplo y enseñarme siempre el camino correcto. A mi esposa por toda su comprensión y cariño A mis suegros por ayudarme cuando lo necesité A mis Abuelos por toda su fe en mí A mi padre adoptivo por guiarme en el camino laboral A mis tutores por sus conocimientos y ayuda A mis amigos y compañeros de estudio A los compañeros de trabajo que todos estos años me han apoyado A mi familia A los profesores y todas las personas que de una forma u otra me han guiado hasta aquí

Gracias

IV

Resumen Las fuentes de polarización han tenido un desarrollo permanente en los últimos tiempos, debido a la utilización de nuevas tecnologías con el fin de mejorar las características de las mismas, en cuanto a rendimiento, regulación, tamaño, peso y costo, por ello, las fuentes conmutadas son utilizadas hoy en día, en la mayoría de equipos que requieren de una fuente de polarización de DC, relevando a las fuentes convencionales o también llamadas lineales. En el presente trabajo se caracterizan las fuentes conmutadas, realizando una revisión bibliográfica detallada sobre criterios de diseño, topologías, ventajas y desventajas de las mismas con el objetivo de desarrollar el diseño de una fuente variable para uso en talleres de reparación y calibración. La fuente a diseñar debe estar preparada para trabajar en voltajes de 110Vac y 220Vac, tener dos salidas, una variable de 1,2Vdc a 60Vdc con una corriente máxima 5A, y la otra salida con un voltaje fijo de 5V/1A, como requisito fundamental debe contar con protecciones de corto-circuito a la salida y aislamiento entre las etapas

V

Índice Pensamiento .................................................................................................................... I Dedicatoria ...................................................................................................................... II Agradecimientos ............................................................................................................ III Resumen........................................................................................................................IV Introducción..................................................................................................................... 1 Capítulo 1 Fuentes de Alimentación Conmutadas ........................................................ 4 1.1

Introducción........................................................................................................ 4

1.2

Componentes asociados a una fuente de alimentación ..................................... 7

1.2.1

Semiconductores ......................................................................................... 7

1.2.2

Elementos pasivos ...................................................................................... 9

1.2.3

Elementos magnéticos .............................................................................. 11

1.3

Tipos de Fuentes Conmutadas ........................................................................ 12

1.3.1

Fuentes sin Aislamiento............................................................................. 13

1.3.2

Fuentes con Aislamiento ........................................................................... 15

1.3.3

Comparación entre las diferentes topologías. ........................................... 24

1.4

Métodos de Control.......................................................................................... 25

1.4.1

Modo de Control por Voltaje ...................................................................... 25

1.4.2

Modo de Control por Corriente .................................................................. 26

Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio ....................... 28 2.1

Diagrama en bloques ....................................................................................... 28

2.2

Diseño de Rectificador de tención de red y filtro de entrada ............................ 29

2.2.1

. Diodos del puente rectificador. ................................................................ 29

2.2.2

Condensadores de filtrado......................................................................... 30

2.3

Diseño de la fuente auxiliar con topología Flyback .......................................... 31

VI 2.3.1

Selección del transformador: ..................................................................... 31

2.3.2

Diseño del circuito de control..................................................................... 40

2.3.3

Selección de los elementos de potencia.................................................... 48

2.3.4

Condensadores de salida .......................................................................... 50

2.3.5

Red Snubber para proteger el mosfet durante el apagado........................ 51

2.4

Diseño del circuito de excitación de los transistores de potencia..................... 53

2.4.1

Controlador PWM TL494 ........................................................................... 55

2.4.2

Elección del transformador para excitación de transistores de potencia. .. 60

2.4.3

Driver para manejar el transformador ........................................................ 62

2.5

Circuito de potencia. ........................................................................................ 62

2.5.1

Calculo del transformador de potencia ...................................................... 62

2.5.2

Transistores de potencia. .......................................................................... 66

2.6

Rectificador y filtro de salida ............................................................................ 66

Capítulo 3 Simulación en el software MULTISIM© la fuente diseñada. ...................... 68 3.1

Rectificador de tensión de red y filtrado ........................................................... 68

3.2

Fuente auxiliar.................................................................................................. 69

3.3

Circuito de excitación y potencia...................................................................... 70

Conclusiones................................................................................................................. 75 Recomendaciones......................................................................................................... 76 Bibliografía .................................................................................................................... 77

Introducción Los equipos electrónicos, para su funcionamiento necesitan de una fuente de alimentación que convierta el voltaje de la red (AC) a un voltaje menor (DC), al cual operan los mismos, incluso aquellos que para su uso dependen de una batería necesitan ser recargados al menos una vez, esto se logra a través de un adaptador conectado a la red eléctrica u otro medio de suministro como paneles solares o acumuladores. El creciente desarrollo de la tecnología nos obliga a la construcción de equipos cada vez más complejos y de alto rendimiento, que conserven sin embargo un tamaño relativamente cómodo para cada entorno de trabajo, pero dado el amplio grado de integración que poseen los circuitos que componen los equipos, cada día se dificulta más la reparación de los mismos, para lograrlo es indispensable tener en el puesto de trabajo algunas herramientas indispensables. Una herramienta de uso universal que no ha de faltar en talleres de reparaciones y calibraciones es una fuente de alimentación variable. En cuanto se refiere a reparaciones de equipos electrónicos, en ocasiones es necesario probar partes de los circuitos con bajo voltaje para comprobar el correcto funcionamiento de los mismos, sin causar daños a otros bloques del equipo, no todos estos bloques utilizan los mismos voltajes de alimentación de ahí que la fuente a utilizar sea variable. En Cuba existen talleres de reparación y laboratorios que hacen uso de fuentes de alimentación variable, que por lo general son antiguas y pesadas, lo que hace difícil su manejo y en algunos casos su reparación. Con la implementación de los grupos electrógenos y a fin de sustituir importaciones al país se trata de resolver la mayor parte de las fallas y averías de los mismos. La empresa de Tecnología de la Información y Automática de Villa Clara

(ATI-VC), se encarga de la calibración y

reparación de gran parte de los instrumentos de los grupos, para facilitar las necesidades del cliente estas reparaciones se realizan en situ, motivo por el cual hay que trasladar patrones y fuentes al lugar de destino, tarea la cual se hace engorrosa debido a la antigüedad que posee los equipos, gran parte de los años 80, como las 1

Introducción

2

fuentes variables, las cuales dada su antigüedad y uso diario, presentan problemas, razón por la que hay que estar pendiente de sus reparaciones y mantenimiento, para prolongar su vida útil. Luego de extensas gestiones para cambiar la instrumentación, debido a los problemas económicos y comerciales que presenta actualmente el país ha sido casi imposible lograr mejoría alguna, por lo que se decide realizar un diseño de una fuente variable más eficiente de bajo peso y altas prestaciones, como lo son las fuentes conmutadas Existen muchas variantes de fuentes variables lineales de laboratorio, generalmente requieren una salida variable desde cero a un valor máximo y pueden usarse en configuraciones de voltaje constante o corriente constante. Sin embargo cualquier modo que estas fuentes adquieran, siempre tienen tres cosas en común, son grandes, pesadas e ineficaces, ya que a bajos voltajes de salida, la cantidad de energía que tiene que disipar el elemento regulador será mayor, dado que trabaja en región activa reduciendo considerablemente la eficiencia de la fuente. El uso de un regulador conmutado (switching) eliminaría considerablemente las pérdidas de operación, aumentando la eficiencia y reduciendo el peso y tamaño, las fuentes conmutadas son mucho más versátiles que las lineales, siendo estas las líderes en el siglo actual, pero el mayor inconveniente que poseen las mismas es su engorroso diseño, y mayor cantidad de componentes con respecto a las lineales. Lo cual conduce al problema científico de esta investigación: ¿Cómo llevar a cabo el diseño de una fuente conmutada variable? El objetivo general de esta investigación es: diseñar una fuente conmutada variable para funciones de reparación y calibración en el taller de Soporte Técnico de ATI Villa Clara. Para poder alcanzar este objetivo general se debe completar una serie de objetivos específicos, que se resumen en los siguientes puntos: 

Establecer el marco teórico alrededor del diseño de fuentes variables



Definir arquitectura de la fuente



Diseñar la fuente y seleccionar los componentes

Introducción 

3

Validar el diseño mediante simulación

El trabajo de diploma está estructurado de la siguiente forma: Una introducción donde se precisa el diseño teórico y metodológico, y tres capítulos: En el capítulo uno se trata los aspectos y antecedentes fundamentales para el desarrollo de las fuentes conmutadas, así como las topologías existentes de las mismas, ventajas y desventajas con respecto a las fuentes lineales convencionales. Se aborda el marco teórico con un enfoque dirigido a concebir el planteamiento de la hipótesis de la tesis sobre la base de una actualizada revisión bibliográfica. Se realiza una descripción del diseño planteado y finalmente se evalúan las variantes inherentes a la implementación del sistema. En el capítulo dos se realiza un análisis de los bloques que conforman la fuente a diseñar y se plantean las topologías utilizadas, realizando los cálculos pertinentes para el correcto desempeño de las mismas. En el capítulo tres se desarrollan las pruebas de funcionamiento a través del uso del software Multisim, verificando que el diseño realizado, cumpla los parámetros especificados en el segundo capítulo.

Capítulo 1 Fuentes de Alimentación Conmutadas 1.1 Introducción En este capítulo se tratan los aspectos y antecedentes fundamentales para el desarrollo de las fuentes conmutadas, así como, las topologías existentes de las mismas,

ventajas

y

desventajas

con

respecto

a

las

fuentes

lineales

convencionales. Se realiza una descripción del diseño planteado y finalmente se evalúan las variantes inherentes a la implementación del sistema. Una fuente conmutada: es un dispositivo electrónico que transforma energía eléctrica mediante transistores en conmutación. Las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutándolos activamente a altas frecuencias (20-100 kilociclos típicamente) entre corte (abiertos) y saturación (cerrados) por lo que el transistor se comporta como un interruptor (Figura 1-1) [1]. La forma de onda cuadrada resultante es aplicada a transformadores con núcleo de ferrita para obtener uno o varios voltajes de salida de corriente alterna (CA) que luego

son

rectificados

(con

diodos

rápidos)

y

filtrados

(inductores

y

condensadores) para obtener los voltajes de salida de corriente continua [2] Fuentes Lineales: la principal característica de estos dispositivos es el uso de un transformador de núcleo de hierro que trabaja a bajas frecuencias (50-60Hz), para convertir el voltaje de línea

de (120-240Vac) a un voltaje alterno de menor

amplitud, rectificándolo y filtrándolo, luego haciendo uso de un transistor como elemento regulador el cual trabaja en su región activa, por lo que el voltaje existente entre colector y emisor es alto, siendo estas fuentes de bajo rendimiento. (Figura 1-2) [3].

4

Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas

5

Figura 1-1Diagrama Estandar de una Fuente Conmutada

Figura 1-2: Diagrama Estandar de una Fuente Lineal

Las fuentes de alimentación que se utilizaron inicialmente, fueron las fuentes convencionales lineales [3], las cuales se caracterizan principalmente por el uso de un transformador de núcleo de hierro, el cual trabaja a baja frecuencia (50/60 Hz), siendo este el elemento generalmente más pesado y voluminoso. El elemento regulador es un transistor conectado entre la entrada y salida de la fuente, debido a que el transistor trabaja en su región activa las pérdidas en este elemento son considerables, disminuyendo de esta manera la eficiencia de la fuente. Debido a estas desventajas, se desarrollan las fuentes conmutadas [1], como la mejor alternativa para mejorar las prestaciones de una fuente de alimentación. Debido a que una fuente conmutada utiliza un transformador de alta frecuencia con núcleo de ferrita que opera desde 20 a100 KHz 3[4], el tamaño y peso de estos transformadores para una potencia igual o mayor que al de una fuente lineal, es mucho menor, pues como se verá posteriormente, que dentro de ciertos límites de frecuencia, el tamaño del transformador es inversamente proporcional a la frecuencia de operación.

6

Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas

Además de esta ventaja, las fuentes conmutadas la regulación se realiza por control de ancho de pulso (PWM) [5] utilizando elementos de conmutación (transistores, mosfets, IGBTs) , que trabajan en corte y saturación permitiéndole circular corriente por el devanado del transformador, de esta manera el consumo de potencia en estos dispositivos es mucho menor que el de una fuente lineal, incrementándose así la eficiencia Para poder apreciar mejor las diferencias entre las fuentes lineales y las fuentes conmutadas, se realiza a continuación una breve descripción: FUENTE LINEAL DESVENTAJAS Uso

de

un

transformador

VENTAJAS de

baja

.

frecuencia ( mayor peso y tamaño)

Facilidad de diseño

Elemento regulador opera en región activa No

produce

interferencia

(altas perdidas)

electromagnética en otros equipos

Eficiencia de 30% a 60 %

Circuito simple

FUENTE CONMUTADA ( SWITCHING) DESVENTAJAS

VENTAJAS

Genera interferencia electromagnética Usa transformador de alta frecuencia EMI

(menor tamaño y peso) Elemento conmutador opera en corte y saturación (bajas perdidas) Circuito de control complejo

Eficiencia 70% a 90%

Las fuentes conmutadas son utilizadas en la actualidad en una gran variedad de equipos eléctricos y electrónicos como: ordenadores personales[6],lámparas de encendido electrónico [7], televisores [8], variadores de velocidad, equipos de laboratorio, etc., esto se debe a la versatilidad y ventajas que representan su uso.

Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas

7

El uso de transformadores lineales en fuentes de alimentación cada día es menor debido a su peso y volumen, pero en ocasiones el uso de circuitos de regulación lineal como 78XX y 79XX [9], es común a la salida de fuentes conmutadas para hacer uso de un voltaje menor que el regulado por la fuente.

1.2 Componentes asociados a una fuente de alimentación Los semiconductores han alcanzado un nivel de sofisticación a favor de su aplicabilidad en el desarrollo de las fuentes que utilizan técnicas de conmutación. Aun con este alto nivel de sofisticación los componentes semiconductores son todavía los elementos más frágiles dentro de una fuente de poder donde se hace uso de estas técnicas. La aplicación de los semiconductores ha tenido una gran aportación en la eficiencia de las fuentes de poder que utilizan en su funcionamiento técnicas de conmutación. Los elementos pasivos, no son mucho menos importantes dentro de una fuente de poder conmutada, ya que, a través de ellos se fijan características de operación y de respuesta que van ligados a los circuitos integrados de control y que sirven como elementos de referencia y censado para estos últimos. Así mismo como protección para los transistores de potencia.

1.2.1 Semiconductores El término semiconductor revela por sí mismo una idea de sus características. El prefijo semi suele aplicarse a un rango de niveles situado a la mitad entre dos límites. El término conductor se aplica a cualquier material que soporte un flujo generoso de carga, cuando una fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a través de sus terminales. Un aislante es un material que ofrece un nivel muy bajo de conductividad bajo la presión de una fuente de voltaje Un semiconductor, por tanto, es un material que posee un nivel de conductividad sobre algún punto entre los extremos de un aislante y un conductor [10].

Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas

8

Diodos: Los diodos semiconductores juegan un papel significativo en los circuitos electrónicos. Un diodo funciona como un interruptor, a fin de llevar a cabo varias funciones como la de interruptores en los rectificadores, de marcha libre en los reguladores conmutados, inversión de carga de capacitores y transferencia de energía entre componentes, aislamiento de voltaje, retroalimentación de la energía de la carga a la fuente de energía y recuperación de la energía atrapada [11]. Transistores de potencia: Los transistores de potencia tienen características controladas de activación y desactivación. Los transistores, que se utilizan como elementos conmutadores, se operan en la región de saturación, lo que da como resultado en una caída de voltaje bajo en estado activo. La velocidad de conmutación de los transistores es alta, por lo que se utilizan en forma amplia en convertidores de CA-CD y de CDCA, con diodos conectados en paralelo inverso para proporcionar un flujo de corriente bidireccional. Los transistores de potencia se pueden clasificar de manera general en cuatro categorías: 1.- Transistores de unión bipolar (BJT), 2.- Transistores semiconductores de metal oxido de efecto de campo (MOSFET), 3.- Transistores de inducción estática (SIT), 4.- Transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT). A fin de comprender las técnicas de conversión de potencia, los BJT o MOSFET, SIT o IGBT, se pueden tratar como interruptores ideales. Circuitos de control: Existen en el mercado una gran variedad de circuitos integrados que permiten la implementación de funciones de alto nivel dentro de una fuente de poder conmutada [12], [13]. La selección del mejor circuito integrado de control debe ser

Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas

9

hecha después de que el ingeniero diseñador conoce los requerimientos funcionales que se esperan del sistema Primero para elegir un integrado PWM de control, se debe determinar la topología de la fuente que resulte más adecuada para las necesidades de la aplicación. Esto nos dará una idea de los requerimientos o tipo de control que se necesita, el cual puede ser o un single-ended o un doble-ended. Los controladores single-ended son los usados en las fuentes que requieren de un solo transistor de conmutación de potencia para implementar el diseño. Estos son usados en todas las topologías que no tienen aislamiento por transformador y en la topología de Flyback; estos integrados tienen solo un driver de salida. Los circuitos integrados PWM double-ended son esos que tienen dos controladores (drivers) de salida que podrían ser aplicados para las topologías Push-Pull, medio puente y puente completo. Estos circuitos integrados incluyen una característica adicional llamada double-pulse lockout, lo cual asegura que el mismo transistor de potencia no encienda consecutivamente, lo cual causaría saturación del transformador. Un segundo factor es cual tipo de transistor de potencia será usado dentro de la fuente. Algunos circuitos integrados PWM tienen transistores simples como sus Drivers de salida. Estos son más apropiados para manejar transistores de potencia bipolares. Casi siempre es necesario agregar Drivers externos para ayudar a proveer suficiente corriente a los transistores de potencia. 1.2.2 Elementos pasivos Los elementos pasivos, son aquellos, que al circular corriente producen una diferencia de potencial entre sus bornes y disipan potencia en forma de calor (consumen energía). También puede entenderse como todo aquel dispositivo que solo absorbe o libera energía, sin producir cambios en las características de la misma. [14] Resistores:

Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas

10

En electricidad y electrónica existe la necesidad de materiales con valores específicos en el rango entre lo que es un conductor o un aislador. Estos materiales son llamados resistores. Los resistores pueden ser clasificados como fijos o variables, los resistores variables son conocidos como potenciómetros. Pueden ser clasificados también como lineales a no lineales, en un resistor lineal cuando el voltaje varia, la corriente también variara en un valor proporcional. En un resistor no lineal, el comportamiento es tal que si el voltaje varia el cambio de la corriente no es proporcional al cambio de voltaje y son utilizados en aplicaciones especiales. Los parámetros y términos que definen las características de los resistores fijos y variables son descritas por curvas típicas que muestran la variación en la resistencia con la temperatura. Capacitores: Los capacitores son los elementos pasivos más ampliamente utilizados en circuitos. Ellos están disponibles como elementos de valor fijo o variable con capacitancias desde unos pocos picofaradios hasta miles de microfaradios. Para obtener características únicas, una amplia variedad de materiales son usados para su construcción. Las aplicaciones de los capacitores pueden ser ampliamente categorizadas como: 

Bloqueo de corriente directa. Un capacitor no puede conducir la corriente directa.



Acoplamiento de señales de un circuito o un sistema a otro.



Como Bypass de un resistor para permitir el flujo de la corriente alterna.



Como filtro.



Para sintonizado de frecuencias.



Generación de ondas no sinusoidales, tal como una forma de onda de diente de sierra.



Almacenamiento de energía, un capacitor se puede utilizar para almacenar suficiente carga para disparar, por ejemplo un flash o un láser

11

Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas Inductores:

Los capacitores y los resistores están disponibles en una amplia variedad de tamaños y valores, es posible encontrar casi cualquier valor, tolerancia u otro parámetro, sin necesidad de hacer ordenes especiales. Las bobinas por otro lado, no pueden estar fácilmente disponibles, por lo que los técnicos tienen que fabricar sus propias bobinas, para obtener un valor de inductancia especifica. 1.2.3 Elementos magnéticos Un material magnético es cualquier tipo de sustancia que puede ser atraída por un magneto y son clasificados como duros o suaves. El material magnético duro mantiene su magnetismo aun después de que la fuente magnetizante ha sido removida, pero los materiales magnéticos suaves inmediatamente pierden su magnetismo, después de remover la fuente magnetizante. [15] Decir que un material magnético es suave, no significa que físicamente sea suave. Un material magnético puede ser físicamente, extremadamente duro y quebradizo y todavía ser magnéticamente muy suave. Los materiales magnéticos suaves, son usados como material del núcleo de bobinas y transformadores, para aplicaciones en radiofrecuencia y audiofrecuencia. De acuerdo con la técnica de fabricación o tipo de los materiales magnéticos, los núcleos pueden ser: a) Núcleos de hierro pulverizado. Estos tipos de núcleos están compuestos de finas partículas de polvo de hierro o aleaciones de hierro mezcladas. Los núcleos adquieren su forma final mediante presiones del orden de 10 a 50 toneladas por pulgadas cuadradas, y finalmente las partes son entonces unidas para poner el recubrimiento de tipo plástico. Los núcleos de hierro pulverizado están disponibles en una gran variedad de formas y tamaños con

diferentes

propiedades

magnéticas

para

reunir

diferentes

requerimientos. b) Núcleos de ferrita: Las ferritas también tienen sustancias magnéticas. Tienen hierro y acero mezclados con elementos aislantes en sus diferentes

Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas

12

tipos de aleaciones. Hay muchos tipos de ferritas y la composición química exacta de cada diferente tipo depende de su aplicación. Las ferritas diseñadas para su uso en bajas frecuencias no pueden ser usadas en altas frecuencias y viceversa. c) Núcleos laminados: Los núcleos utilizados en transformadores y chokes que operan con potencia de la línea de alimentación y audiofrecuencia son hechas de hojas de lamina de acero de varios grados y espesores

1.3 Tipos de Fuentes Conmutadas Las fuentes conmutadas adquieren su denominación a partir del conversor DC-DC que se utilizan para la obtención del voltaje de salida. Este bloque (Figura 1-3) es el encargado de que a partir de un voltaje de entrada DC obtener una o más salidas reguladas de voltaje DC. [16] Dentro de las fuentes conmutadas, pueden existir dos configuraciones básicas: 

Sin aislamiento entre la entrada y salida de la fuente.



Con aislamiento entre la entrada y salida de la fuente.

Figura 1-3: bloques que componen una fuente de alimentación conmutada

13

Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas 1.3.1 Fuentes sin Aislamiento

Las fuentes sin aislamiento tienen una etapa de entrada compartiendo la misma referencia que su etapa de salida. La limitación de las fuentes sin aislamiento es, que no se pueden tener múltiples salidas, pues esta es única [4], las topologías en función al conversor DC-DC que emplean, son: Conversor reductor “Buck”: Un conversor reductor básico se muestra en la (Figura 1-4). Como su nombre lo indica el conversor reductor, establece una tensión de salida Vout menor que la tensión de entrada Vin. El conversor puede funcionar de dos modos, dependiendo de la continuidad de la corriente sobre el inductor L. Cuando la corriente es diferente de cero durante el período de conmutación el convertidor opera en modo de conducción continua (MCC). En cambio cuando la corriente del inductor es cero durante un intervalo de tiempo dentro del período de conmutación se está en presencia del modo de conducción discontinua (MCD) [17].

(a)

(b)

Figura 1-4: a) Topología Conversor Buck b) Formas de Onda

El voltaje de salida de estos conversores viene dado por la relación: =

Donde:

=

(

∗

)

(1-1)

(1-2)

14

Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas d= ciclo útil

t (on)=tiempo de conducción del transistor

T= periodo

Esta topología es capaz de alcanzar un rango de frecuencia entre 0-1000 Watts véase (Tabla 1-1) ,[18] a la salida, pero tiene la desventaja de que si el elemento conmutador se daña o pone en corto-circuito el voltaje en la salida será igual a Vin, causando resultados catastróficos en la carga. Conversor Elevador “Boost”: Un conversor elevador se muestra en la (Figura 1-5). Como su nombre lo indica el conversor elevador, establece una tensión de salida Vout superior a la tensión de entrada Vin y al igual que el conversor reductor, el conversor elevador puede funcionar en MCC y en MCD.

(a)

(b)

Figura 1-5: a) Topología Conversor Boost b) Formas de Onda

El voltaje de salida está dado por la relación: =

(1-3)

1−

Este convertido puede manejar un rango de potencia de 0-150 Watts véase (Tabla 1-1)

Conversor Reductor – Elevador “Buck-Boost”: Este convertidor es un convertidor indirecto por que la transferencia de energía entre la fuente de entrada y la carga se hace a través de un elemento reactivo. La topología básica de este convertidor se muestra en la (Figura 1-6). Su característica permite obtener tensiones de salida mayores o menores que la

15

Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas

tensión de entrada. Dependiendo del tiempo en que el transistor se mantenga en conducción, con respecto al periodo, es decir depende del ciclo útil (d), también denominado como relación de trabajo

(a)

(b)

Figura 1-6: a) Topología Conversor Buck-Boost

b) Formas de onda

El voltaje de salida Vout se obtiene mediante la siguiente expresión: =

∗ 1−

(1-4)

De esta ecuación se puede apreciar que: si (d) es mayor que 0.5 (50%), el voltaje de salida es mayor que el de la entrada, mientras que para el caso contrario el voltaje de salida es menor. Una cualidad relevante en este tipo de conversores representa la salida de polaridad opuesta al voltaje de entrada 1.3.2 Fuentes con Aislamiento Las fuentes conmutadas con aislamiento entre la etapa de entrada y salida, el aislamiento se consigue por medio de un transformador de alta frecuencia. Las ventajas de estas configuraciones son amplias, pues el aislamiento permite un trabajo totalmente independiente de las etapas de potencia y de control, se puede además disponer de múltiples salidas aisladas entre sí ( Figura 1-3) [19]. En los conversores con aislamiento se logra obtener el voltaje DC en la salida después de que esta sea rectificada y filtrada, debido a que la introducción del transformador provee un voltaje alterno en los terminales de salida del mismo por lo que la conversión nos queda DC-AC-DC, mientras que en los conversores sin aislamiento la conversión entre los niveles de voltaje DC se realiza directamente

16

Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas

es decir tiene una conversión directa DC-DC. El siguiente diagrama en bloque muestra lo explicado con anterioridad.

(a)

(b)

Figura 1-7:a) Fuente sin aislamiento b) Fuente con aislamiento

)

En dependencia de la forma en que se utiliza el transformador, los conversores aislados se pueden ser clasificados 1.3.2.1 Topologías con excitación unidireccional Este tipo de conversores son conocidos también como conversores aislados asimétricos, por la forma en la cual existan al núcleo. Los conversores aislados con este tipo de excitación, son el resultado de ciertas variaciones en los conversores sin aislamiento [17] Conversor Flyback: Este es uno de los conversores con aislamiento más básicos, además por su misma condición requiere un menor número de componentes, se utiliza en fuentes de potencia inferior a 200W. La topología de un conversor Flyback, (no es más que una modificación de un conversor Buck-Boost), se puede apreciar en la (Figura 1-8). [20] El modo de funcionamiento de estos conversores se puede apreciar en dos etapas: a) cuando el transistor conduce b) cuando está en corte

Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas

Figura 1-8:a) Conversor Flyback b) Transistor en conducción (interruptor cerrado) en corte (interruptor abierto)

17

c) Transistor

Estado (a): En este estado como se puede observar en la figura 1-8(b), el voltaje en el devanado primario es igual al voltaje de la fuente: 1=

(1-5)

La corriente en el devanado primario, que es igual a la corriente a través del transistor, empieza a crecer linealmente. El voltaje en el secundario, conforme a la convención de puntos en los transformadores, hace que el diodo D se encuentre polarizado en inversa pues un voltaje negativo esta aplicado al ánodo del diodo, lo cual, no permite paso de la corriente hacia la carga desde el bobinado del transformador. La energía requerida por la carga es suministrada por el capacitor C. El voltaje en el devanado primario, siempre será de polaridad opuesta al secundario, por la ubicación de los puntos en el transformador 2=−

(1-6)

Donde: n= relación de espiras en el transformador Estado (b): Las condiciones en este intervalo de tiempo, se pueden apreciar Figura 1-8(c), durante el intervalo de ton