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Elaborado por: Alejandro A Méndez T Prof. Titular FEC – UNI 1995 Revisado: Alejandro A Méndez T Septiembre del 2010

Electrónica Aplicada 2010 Fuentes de Alimentación DC

Alejandro A Méndez T Dpto. Electrónica UNI-FEC

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1

Introducción

na fuente de alimentación DC, es un circuito electrónico capaz de generar uno o más voltajes DC, a partir de una fuente de alimentación primaria, generalmente la

línea de alimentación principal (comercial ). Casi todos los sistemas electrónicos, desde simples circuitos a base de transistores y OP-AMPs hasta complejos sistemas digitales y microprocesadores, requieren de una o más fuentes de voltaje DC. El televisor o el radio, ambos elementos comúnes en la mayoria de los hogares Nicaraguenses, requieren de una fuente DC que garantice el (los) voltaje(s) y corrientes necesarios para el funcionamiento de los mismos. Un estudio detallado de las fuentes de alimentación, de su estructura, caracteristicas y principios de funcionamiento requeriría de mucho tiempo, así como de muchas páginas. Lo primero (el tiempo) no ésta a nuestra disposición y lo segundo (lo económico) no ésta en su mejor momento. Considerando lo anterior y sin caer en la pérdida de la cientificidad que el estudio de este tema requiere, a continuación se presentará un breve estudio sobre la fuentes de alimentación DC.básicas, principalmente de los principios de operación. El objetivo principal que se persigue es presentarle al estudiante los conocimientos básicos necesarios para el análisis y diseño de fuentes de alimentación DC básicas, así como los conocimientos que le servirán de base para entender el funcionamiento de fuentes que tienen un nível de complejidad superior. Tipos de fuentes de alimentación Cuando grandes potencias no son requeridas, la alimentación de los sistemas electrónicos se puede realizar mediante baterías (por ejemplo, un teléfono celular). Sin embargo para grandes requerimientos de potencia, estas no son económicas y los voltajes y corrientes DC requeridos para que el sistema funcione son obtenidos a partir de la red de alimentación principal (comercial, en Nicaragua es 120 Vrms , 60 Hz).

Como veremos posteriormente, uno de los bloques de mayor importancia en una fuente DC, es el regulador de voltaje, dado que es éste quien garantiza que el voltaje de salida que entrega la fuente.sea constante. Existen dos tipos básicos de reguladores:

1. Reguladores líneales y

2. Reguladores conmutados

El tipo de fuente de alimentación es determinado por el tipo de regulador que ésta utiliza, es decir que tenemos, basicamente dos tipos de fuentes de alimentación :

1. Fuentes de alimentación DC líneales y

2. Fuentes de alimentación DC conmutadas

En ambos tipos de reguladores existe un elemento llamado controlador, quien es el encargado directo de regular el voltaje de salida, el cual en el caso de los reguladores lineales son transistores, los cuales conducen todo el tiempo, lo que conlleva a pérdidas considerables de energía. En los reguladores conmutados, también son transistores, pero en estos el elemento de control es operado como un switch, es decir, no conduce todo el tiempo, lo cual minimiza las pérdidas de energía incrementandose de esta forma la eficiencia de la fuente. La eficiencia es uno de los parámetros de mayor importancia en una fuente así como lo son ,el tamaño y el peso de esta. Las primeras fuentes de alimentación consistian de transformadores para la transformación de alto a bajo voltaje, seguidos de rectificadores y reguladores líneales dísipativos. La ineficiencia de los reguladores requería el uso de grandes disipadores de calor para mantener el sistema funcionando a temperaturas adecuadas, agregando por consiguiente más tamaño y más peso a la fuente. A partir de los 70s comenzó un interés en mejorar los sistemas de alimentación de las computadoras a medida que estas comenzaron a penetrar nuevos mercados. Para esos entonces los diseñadores de los sistemas de potencia comenzaron a tomar ventaja de las investigaciones que se habían realizado para los sistemas de potencia aeroespaciales y militares, y

U



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2

las fuentes de alimentación conmutadas comenzaron a reemplazar a las fuentes de alimentación convencionales (lineales) a mediados de los 70s. Las fuentes de alimentación conmutadas tienen una disipación de energía mucho más baja que las lineales lo cual garantiza una eficiencia mucho mayor, además que las técnicas utilizadas permiten el diseño de fuentes con menor tamaño y por consiguiente menor peso. El desarrollo y evolución de las fuentes de alimentación está intimamente ligado con el desarrollo y evolución de la teoría de los semiconductores, principalmente con el de los transistores de potencia, los transistores de alta frecuencia y los circuitos integrados. Fuentes de Alimentación DC - Lineales El proposito de una fuente de alimentación DC en cualquier sistema electrónico, es suministrar a las diferentes partes del sistema los voltajes y corrientes DC necesarios para el funcionamiento del mismo. Como un primer paso en el estudio de las fuentes DC, vamos a considerar el caso más simple de una fuente y que es aquella representada por los bloques mostrados en la figura(6,1), y la cual fué estudiada en ELKA I.

f iltro

Vin(ac) 120 Vrms no regulado

Vout (DC)

transformador rec tificador

60 Hz

Fig.2.1. Diagrama de una fuente DC Básica Transformador El transformador cumple la función de reducir el voltaje de la línea principal de alimentación (normalmente 120 Vrms, 60 Hz) hasta el valor adecuado para obtener los voltajes DC requeridos de la fuente. El rectificador El rectificador tal y como su nombre lo indica, se encarga de rectificar la señal que aparece en el

secundario del transformador, es decir, el rectificador nos entrega una señal unipolar. El rectificador puede ser un rectificador de media onda, de onda completa, etc., tal como los estudiados en Electrónica Analógica I. En el diagrama de bloques, este corresponde a un rectificador de onda completa. El filtro El filtro se encarga de eliminar las fluctuaciones en el voltaje de salida del rectificador y de producir un voltaje DC con un nível aproximadamente constante. El circuito para realizar el proceso de filtrado es realizado mediante el uso de capacitores, inductores, o combinaciones de estos. Las fluctuaciones del voltaje en la salida del rectificador no pueden ser eliminadas por completo por el filtro y la señal a la salida del filtro usualmente presenta una cantidad considerable de ripple1. Además del voltaje de ripple que este voltaje DC así obtenido presenta, este tiene otra desventaja y es que el mismo cambia con las variaciones de la fuente de alimentación y con las variaciones de la corriente demandada por la carga (variación de la carga). Para una operación adecuada de los sistemas electrónicos se requiere que el voltaje DC sea lo más constante posible. Para obtener un voltaje casí constante a pesar de las variaciones de la fuente y de la carga, un bloque más es agregado al esquema básico presentado. Este último bloque es un regulador de voltaje y es conectado después del filtro. Reguladores de Voltaje La principal tarea de un regulador de voltaje independientemente del tipo, es mantener el voltaje de salida constante independientemente de las variaciones de voltaje en la red de alimentación y de las variaciones de la carga. En concreto el regulador sirve para dos cosas:

1. Reducir las variaciones (ripple) de la salida del filtro

1 Variación de voltaje remanente después del filtro



3

3

2. Mantener constante el voltaje de salida independientemente de las variaciones de la carga.

Cuando hablamos de reguladores existen dos parámetros que nos brindan información acerca del comportamiento de este y que normalmente son especifícados por el fabricante cuando el regulador es en la forma de un circuito integrado, IC (e.g., el LM317). Estos son: “regulación de línea” y “regulación de carga”. Regulación de línea En la práctica, un cambio en el voltaje de entrada del regulador provocará un cambio en su salida. El parámetro “regulación de línea”, indica el cambio en el voltaje de salida que ocurrirá por unidad de cambio en el voltaje de entrada, esto es:

in

outL V

V RΔΔ

= 2.1

ΔVout es el cambio en el voltaje de salida, usualmente en milivoltios ΔVin es el cambio en el voltaje de entrada, usualmente en voltios. En la hoja de datos del LM317 encontramos la siguiente información:

Line Regulation 3V ≤ (Vin – Vout) ≤ 40 0.01 0.04 %/V 0.02 0.07 %/V

Regulación de Carga El regulador de voltaje práctico también experimentará lígeros cambios en su voltaje de salida cuando hay un cambio en la demanda de corriente de carga. El parámetro regulación de carga nos indica el cambio en el voltaje de salida que ocurrirá por unidad de cambio en la corriente de carga . La regulación de carga se puede determinar según la ecuación:

IL

FLNLC

V - V R

Δ= 2.2

VNL es el voltaje de salida sin carga conectada

VFL es el voltaje de salida cunado la demanda de corriente es máxima En la hoja de datos del LM317 encontramos la siguiente información:

Load Regulation 10 mA ≤ Iout ≤ Imax 0.1 0.5 % 0.3 1.5 %

Reguladores Lineales-clasificación Los reguladores de voltaje lineales pueden ser clasificados de la siguiente manera: 1) Reguladores de fuerza bruta

• Zener

2) Reguladores discretos

• regulador serie • regulador shunt

3) Reguladores integrados

• positivo fijo • negativo fijo • ajustable • dual tracking

Regulador Zener Como recordarán, un diodo zener opera en la región inversa y mantiene un voltaje constante (aproximadamente) entre sus extremos siempre y cuando la corriente a través este se mantenga entre IZK e IZM

2 . Para usarlo como regulador, el

diodo zener es conectado en paralelo con la carga, de forma tal que el voltaje de la carga permanecerá constante mientras el voltaje entre los extremos del zener permanezca constante. Si la corriente del zener se sale del rango establecido, el zener dejará de regular . Por consiguiente, para mantener constante el voltaje de la carga, es necesario mantener la corriente que circula através del zener en el rango definido por IZK e IZM. Para un valor dado de IL se diseña de tal forma que IZ=IZT, donde IZT es la corriente de trabajo. 2 especificados en las hojas de datos



4

4

El regulador zener provee otra función, como es la reducir la cantidad de ripple que aparece en la salida del filtro. A pesar de todo lo anterior, la regulación mediante el uso del zener (fuerza bruta) es muy poca usada. El principal problema con el simple regulador zener, es el hecho de que este disipa una gran cantidad de energía. En la figura (2.2) se muestra una fuente de alimentación DC que utiliza un regulador zener. En el punto A (voltaje en el condensador) tendremos un voltaje cuyo valor máximo será aproximadamente el voltaje pico en el secundario, menos la caida en los diodos y este presentará un ripple (forma de onda similar a la mostrada en la salida del filtro en el diagrama de bloques de la figura (2.1). El ripple del voltaje en el condensador será reducido por el zener de tal forma que en el punto B tendremos un voltaje aproximadamente constante, a pesar de las variaciones del voltaje de línea o de la carga. Dicho voltaje será igual al voltaje del zener. A BVin

Vo

++

-

-

n1:n2

Dz

Rs

RLC

Fig 2.2 Fuente DC con regulador Zener Ejercicio #1 Diseñe una fuente DC con regulador zener como la mostrada en la figura (2.2) de tal forma que teniendo un voltaje de entrada Vin de 120 Vrms y 60 Hz se obtenga un voltaje DC en la salida (en la carga RL) de 10 V. El ripple del voltaje en el capacitor no debe ser mayor de 0.4V y RL puede variar entre 500 y 1200 Ω. El diseño considera la determinación de los ratings tanto del diodo Zener, el puente de diodos y el transformador. Reguladores Discretos Como se menciono anteriormente los reguladores discretos se clasifican en “reguladores serie” y ‘reguladores shunt”.

Regulador Serie Los reguladores de voltaje serie pueden tener una gran variedad de formas. Sin embargo todos ellos tienen uno o más dispositivos activos (transistores) los cuales son colocados en serie con la carga. Dos tipos de reguladores serie comunmente usados, son los siguientes:

1. Regulador con transistor de paso y

2. Regulador serie retroalimentado.

Regulador con transistor de paso. El regulador con transistor de paso, utiliza un transistor llamado de paso, para regular el voltaje de carga. El término de transistor de paso se deriva del hecho de que la corriente de carga pasa a través del transistor serie. El circuito básico es mostrado en la figura (2.3).

Vinno regulado

+

-

+ Vo

regulado

-

NPN

Rs

Dz

RL

Fig.2.3. Regulador Serie, con transistor de paso

El punto clave en el funcionamiento del regulador serie con transistor de paso, es que el voltaje en la base es mantenido relativamente constante por el diodo zener. Dado que Q1 es un transistor npn, el voltaje en la carga Vo esta dado por :

BEZout V - V V = 2.3

La ecuación anterior nos permite explicar como se logra regular (mantener constante) el voltaje en la carga.

Si la resistencia de carga se incrementa, el voltaje en la carga también se incrementará. Dicho incremento en el voltaje de carga (y por consiguiente en VE) provoca una disminución en el voltaje que existe entre la base y el emisor VBE (dado que VB es constante). La disminución en el



5

5

voltaje VBE hará que la corriente que pasa por el transistor se reduzca lo cual provoca un aumento del voltaje VCE .Este incremento en el voltaje colector emisor contraresta el incremento inicial de VE y por lo tanto el voltaje en la carga se mantiene constante.

Una explicación similar se obtiene cuando se considera una disminución en la carga (provoca una disminución del voltaje en la carga) El circuito presentado anteriormente presenta un problema, dado que si el voltaje en la entrada crece o si la corrinte demandada por la carga disminuye el diodo zener tendría que disipar una cantidad mayor de energía. Esto se puede resolver utilizando un par darlington como transistor de paso. Regulador serie retroalimentado Este tipo de regulador usa un detector de error para mejorar las caracteristicas de regulación de linea y regulación de carga. En la figura(2.4) se presenta el diagrama de bloques de dicho regulador.

Fig.2.4. Regulador serie retroalimentado diagrama de bloques

El detector de error recibe dos entradas: un voltaje de referencia que es derivado del voltaje de entrada DC no regulado y una muestra del voltaje de salida regulado. El detector de error compara dichos voltajes y suministra un voltaje que es proporcional a la diferencia entre estos. Este voltaje es amplificado y utilizado para alimentar al transistor de paso. El regulador serie retroalimentado es capaz de responder rapidamente a diferencias entre la muestra de voltaje y el voltaje de referencia. Esto le proporciona mejores caracterisiticas de regulación que los otros circuitos.

El diagrama esquemático para este regulador es mostrado en la figura 2.5. El circuito de ajuste y muestreo esta formado por el divisor de voltaje que consiste de R3, R4, y R5. El voltaje de referencia es logrado mediante el diodo zener. Q2 detecta y amplifíca la diferencia entre los voltajes y ajusta la conducción del transistor de paso correspondientemente.

Entrada DCno-regulada

salida DC

regulada

R1

R2

R3

R4

Dz

Q2

Q1

R5

Fig.2.5.Regulador serie retroalimentado

Si la resistencia de carga del regulador retroalimentado se incrementa, VL también se incrementará. Lo anterior causa que que el voltaje en la base de Q2 se incremente. Dado que el voltaje en el emisor de Q2 esta fijo al valor de VZ , el incremento del voltaje en la base de Q2 {VB(Q2) } causa un incremento en el voltaje base-emisor de Q2. Esto incrementa la conducción a través de Q2 y de su resistor de colector R1.

Este incremento en la conducción de Q2 causa que el VC(Q2) disminuya, lo cual reduce el valor de VB(Q1). La reducción en VB(Q1) reduce la conducción a través del transistor de paso , causando una disminución en el VE. Esta disminución de VE contraresta el incremento inicial causado por el cambio en la carga. De igual forma se puede explicar el efecto de regulación que se efectua cuando la resistencia de carga disminuye demandando mayor corriente. Protección contra corto-circuito La primer desventaja de cualquier regulador serie es el hecho de que el transistor de paso puede ser destruido por una excesiva corriente de carga, si la carga es corto-circuitada. Para prevenir que el



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transistor sea destruido en una situacion de cortocircuito, un circuito limitador de corriente es usualmente agregado al regulador. El regulador con su circuito de protección (limitador de corriente) es mostrado en la figura 2.6.

R1

Q3

R12

R3

R4

R5

Rs

DZ

Q1

Q2

circuito limitadorde corriente

Fig.2.6.Regulador serie retroalimentado con protección contra

cortocircuito

El limitador de corriente consiste de un transistor (Q3) y un resistor en serie Rs que es conectado entre la base y el emisor del transistor Q3. Para que Q3 conduzca, el voltaje a través de Rs debe alcanzar un valor aproximado de 0.7 volts. Esto sucede cuando:

S

BE

RV

I = 2.4

de tal forma que si la corriente de carga es menor que la corriente definida por la ecuación anterior, el transistor Q3 está en corte y el circuito funciona tal y como fué descrito previamente. Sin embargo si la corriente en la carga se incrementa respecto al valor determinado por la ecuación (2.4), el transistor Q3 conducirá, disminuyendo el voltaje en la base de Q1. La disminución en el voltaje de base de Q1 disminuye la conducción a través del transistor de paso, previniendo cualquier incremento en la corriente de carga. Para el regulador mostrado la máxima corriente en la carga está dada por:

S

BE(Q3)L(max) R

V I = 2.5

de tal forma que la máxima corriente permitida por el regulador3 puede ser seteada a cualquier valor seleccionando el valor adecuado para Rs. El hecho de que un cortocircuito de la carga pueda dañar al transistor de paso, no es el único inconveniente de un regulador serie. El hecho de que IL pase a través del transistor de paso, significa que este transistor disipa una cantidad apreciable de energía (PD=VCE * IC). Además existe una caida de voltaje entre el colector y el emisor del transistor de paso, lo cual reduce el máximo voltaje que puede obtenerse en la salida. Sin embargo, aún con sus problemas de protección contra cortocircuitos y de la fuerte disipación de energía , el regulador serie es usualmente más utilizado que el regulador shunt , el cual es descrito a continuación. Regulador retroalimentado Shunt El segundo tipo básico de regulador de voltaje lineal, es el regulador shunt. Como vimos previamente el elemento de control en un regulador serie es el transistor de paso, el cual está conectado en serie con la carga. En el regulador shunt, el elemento de control es un transistor en paralelo (shunt) con la carga. El regulador retroalimentado shunt usa un detector de error para controlar la conducción del transistor shunt. Este transistor shunt es mostrado como Q1 en el regulador shunt retroalimentado mostrado en la figura 2.7.

rce

Rs

Dz

R1

R2

R3

R4

RLVoltaje DCno regulado

Fig.2.7. Regulador shunt retroalimentado

El circuito de muestreo (una vez más ) es un simple divisor de voltaje.R2, R3 y R4. El circuito de referencia está formado por el resistor R1 y el diodo zener Dz. Las salidas de los circuitos de referencia y muestreo son aplicadas al amplificador/detector de error (OP-AMP)

3 el transistor debe tener el IC,max adecuado



7

7

La salida del OP-AMP es entonces utilizada para controlar la conducción del transistor shunt, Q1. La operación del regulador shunt retroalimentado es fácil de entender si visualizamos al transistor shunt como un resistor variable, rce. Cuando Q1 no esta conduciendo, rce esta a su máximo valor. Cuando Q1 esta saturado, rce esta a su mínimo valor. Por lo tanto podemos decir que rce es inversamente proporcional a la conducción de Q1. Cuando el voltaje de salida trata de disminuir debido a una variación del voltaje de entrada o de luna variación de la carga, dicho intento de disminución es sensado por el divisor de voltaje y aplicado a la entrada no-inversora del OP-AMP. El voltaje diferencia resultante reduce la salida del OP-AMP, lo cual hace que la corriente del colector de Q1 (corriente shunt) disminuya, lo cual incrementa la resistencia efectiva colector -emisor, rce. Ya que rce actua como un divisor de voltaje con R1, esta acción contraresta el intento de disminución en el voltaje de salida y mantiene dicho voltaje en un valor casi constante. La acción opuesta ocurre cuando el voltaje de salida trata de incrementar. Con voltajes de entrada y salida constantes, un cambio en la corriente de carga causa un cambio opuesto en la corriente shunt.

LS I- I Δ=Δ Esta ecuación dice que si IL se incrementa, Is disminuye y viceversa. El regulador shunt es menos eficiente que el tipo serie pero ofrece una protección inherente contra corto-circuito.

)0(I RV

I I S1

inmaxL,L ===

El resistor R1 es suministrado para proveer protección a la circuiteria de la fuente de alimentación que esta suministrando el voltaje DC no-regulado,contra cortocircuitos en la carga. Protección contra sobre-voltajes Al igual que el regulador serie debe ser protegido contra condiciones de cortocircuito de carga, el regulador shunt debe ser protegido de sobrevoltajes en la entrada. Si el voltaje de entrada DC no-regulado al regulador se

incrementa, la conducción del regulador shunt se incrementaría para mantener constante el voltaje de salida. Asumiendo que el VCE(Q1) se mantiene relativamente constante, el aumento en la condución del transistor causará un incremento en la energía que este disipa. Varias cosas pueder realizarse a fin de evitar que un incremento en el voltaje no regulado de entrada destruya el transistor shunt. Primero, se puede usar un transistor cuyo PD(max) sea mucho más grande que la máxima disipación de potencia que se podría requerir en el circuito. Por ejemplo supongamos que el regulador de la figura (2.7) tiene un voltaje de entrada que puede ser tan alto como 20V y que el regulador esta diseñado para suministrar una salida DC regulada de 10V. La corriente que circularía por el transistor para el peor de los casos sería aproximadamente:

C

DCinC(max) R

V - V I = 2.6

asumiendo que un resistor de 100Ω esta siendo usado tendriamos una corriente IC(max) de 100 mA. Dado que el transistor tiene 10 V entre sus terminales de Colector-emisor, la máxima disipación de potencia será:

PD = VCE IC(max) = (100mA)(10V) = 1 Watt De este modo, para el circuito descrito, cualquier transistor con una PD(max) mayor que 1 Watt puede ser usado. Desde luego, siempre hay circunstancias donde el voltaje DC de entrada no-regulado puede exceder el máximo valor establecido para este. Para proteger el circuito de tales circunstancias, un circuito crowbar puede ser colocado en la entrada del regulador. Un circuito crowbar usa un SCR para proteger su carga de una condición de sobre-voltaje.Si un crowbar es agregado a la entrada del regulador, el circuito es protegido de cualquier condición de sobre-voltaje extremo que pueda presentarse En la figura 2.8 se muestra un circuito crowbar popular. Este está ubicado entre la terminal de salida (del regulador) y tierra. Si el voltaje excede al voltaje del zener más la caida de un diodo, el SCR es encendido y permanece asi hasta que su corriente de ánodo sea disminuida por debajo de IH( corriente de sostenimiento).



8

8

SCR

Dz

Rs C

Vdc regulado

Fig.2.8. circuito crowbar

Un SCR barato tal como el 2N4441 puede manejar 5A continuamente y soportar impulsos de corriente de 80A, siendo su caida cuando este conduce de aproximadamente 1V a 5A. El resistor Rs es suministrado para proveer la corriente necesaria para el zener y el capacitor es agregado para evitar falsos disparos del SCR. Otra consideración práctica respecto al circuito mostrado en la figura(2.7) esta relacionada con el potenciometro R3. Este potenciometro es incluido en el circuito para ajustar el nível de voltaje DC de salida. Ajustando R3 se varía la conduccción del transistor shunt y de este modo se cambia el valor de rce. Dado que esta resistencia (rce) forma un divisor de voltaje con R1, variando R3 varía el voltaje de salida DC regulado Ejemplo: Para el circuito mostrado en la figura, determine: a) la máxima corriente que puede circular a través de la carga y b) el valor de Rx y Ry (R4=Rx+Ry) para tener un voltaje de salida de 12V. Solución: Como ya sabemos, la máxima corriente que circulará por la carga será aquella que hará que el transistor Q3 entre en conducción. Por lo tanto la corriente máxima será:

470uf

Q1

Q3

Q2

3k

3k

Dz10V

0.2

RL

1.5k

R4

8.2k

ACinput

ILmax = 0.7 V/0.2 = 3.5 A

A que valor de RL corresponde? Como se mencionó, la red R3, R4 y R5 forman un divisor de voltaje que sirve para sensar el voltaje de salida. Si el voltaje sensado (aplicado en la base del transistor) es diferente del voltaje de referencia (voltaje del zener) una determinada acción es tomada para mantener constante el voltaje en la salida, es decir,

Vbase = Vref..

x3y5

y5

R R R RR R

12 10+++

+=

a partir de la ecuación anterior y con los valores dados en el circuito y observando que R4 = Rx + Ry, se obtiene que : Ry = 1800 Ω Rx = 500 Ω Si en el colector del transistor Q1 el voltaje DC es de 18V, cual debe ser el PDmin del transistor?. Reguladores de voltaje integrados. Los reguladores de voltaje integrados han eliminado la tediosa y repetitiva tarea del diseño de fuentes de alimentación. Hoy en día, el diseñador cuenta con una amplia gama de reguladores integrados, fijos o ajustables, con salidas ya sea positiva o negativa. Circuitos de protección internos aumentan la confiabilidad y hacen a los reguladores integrados virtualmente inmunes a las fallas comunmente encontradas en los reguladores discretos. El objetivo es el mismo que para los reguladores discretos, es decir, mantener un voltaje de salida relativamente constante a pesar de las variaciones en el voltaje de entrada asi como de las variaciones de la carga. La mayoria de los reguladores de voltaje integrados más comunmente usados son



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9

dispositivos de tres terminales, aunque algunos requieren más de tres. En la figura (2.9) se muestra como un regulador de tres terminales es conectado.

Fig. 2.9 IC conexión

En la figura (2.10) se muestra el diagrama de bloques de un regulador de voltaje integrado tipo serie, típico. Como se puede ver, un amplificador de error compara un voltaje de referencia VREF con una fracción del voltaje de salida, derivado desde los resistores de retroalimentación (divisor de voltaje) RA y RB. El amplificador de error alimenta a la base del transistor de paso para mantener constante el nivel del voltaje de salida, independientemente de los cambios en el voltaje de entrada o de los niveles de la corriente de salida.

Fig. 2.10 Regulador Serie – Diagrama de Blouqes

Para asegurar una referencia estable e inmune al voltaje de linea y a las variaciones de la temperatura, el voltaje de referencia es usualmente alimentado desde una fuente de corriente constante. Si la fuente de corriente no es self-starting, algún tipo de circuito de arranque debe ser usado. Además de estos bloques básicos, la mayoria de los reguladores de voltaje tienen circuitos de protección para proteger contra cortocircuitos accidentales, excesivas diferencias entre la entrada y la salida, así como sobrecargas térmicas.

Basicamente existen cuatro tipos de reguladores de voltaje integrados:

1. Positivo fijo Suministra un predeterminado

voltaje DC positivo

2. Negativo fijo Suministra un predeterminado

voltaje negativo

3. Ajustable Suministra cualquier voltaje DC que cae entre los límites especificados. El voltaje DC deseado es usualmente seteado mediante un divisor de voltaje.

4. Dual-Tracking --Suministra voltajes de salida

iguales pero designo contrario. A pesar de que muchos tipos de reguladores de voltaje integrados están disponibles, la serie de reguladores integrados 78XX es representativa de los dispositivos de tres terminales que suministran un voltaje de salida fijo y positivo, así como la serie 79XX lo es de los dispositivos que entregan un voltaje de salida DC fijo y negativo. En la tabla siguiente se muestran algunos elementos de las series así como sus respectivos valores.

número voltaje de salida 7805 +5.0V 7806 +6.0V 7812 +12V 7815 +15V 7905 -5.0V 7912 -12.0V 7915 -15.0V

Como se puede apreciar desde la tabla, los últimos dos dígitos en el número del regulador indican el voltaje de salida que este puede entregar. En los reguladores de voltaje, capacitores aunque no siempre necesario, son usados algunas veces en la entrada y en la salida de los reguladores. El capacitor de salida actúa basicamente como un filtro de línea para mejorar la respuesta transitoria. El capacitor de entrada es utilizado para prevenir oscilaciones no deseadas cuando el regulador está a alguna distancia de la salida del filtro, de tal forma que la línea tiene una inductancia considerable. Los reguladores de la serie 78XX pueden manejar corrientes máximas de salida entre 1.3A y 2.5A, siempre y cuando este sea usado con un disipador adecuado. Si la corriente de carga excede el valor máximo permisible al regulador, habrá una sobrecarga térmica y el regulador de voltaje dejará de operar.



10

10

Lo anterior es gracias a circuitería interna de protección que el integrado posee. La sobrecarga térmica ocurre cuando la disipación interna de potencia se vuelve excesiva y la temperatura del dispositivo excede un valor predeterminado El voltaje de entrada debe estar al menos 2 voltios por encima del voltaje de salida para mantener la regulación. Además de tener circuitos para protección contra sobrecargas térmicas internas, estos integrados también poseen protección contra cortocircuitos. Reguladores de voltaje ajustables ( El LM317) Como se menciono anteriormente, también existen reguladores de voltaje cuya salida puede ser ajustada por el diseñador. Estos reguladores son conocidos como ajustables y uno de las más ampliamente utilizados es el regulador LM317 (tres terminales). En el regulador LM317, el voltaje de salida puede ser ajustado a cualquier valor entre +1.2V y +37V y la corriente de salida que le puede ser entregada a la carga asciende a un valor de 1.5A. En la figura (2,11) se muestra la configuración estandard del regulador LM317. LM317

in out

adjusment

-

- Vo

Vin R1

R2

Fig.2.11. Regulador ajustable LM317

Como se puede ver de la figura, el regulador tiene tres terminales, input, output y el terminal de ajuste. Mediante los resistores externos R1 y R2 (variable) se ajusta el voltaje de salida El LM317 es usado como un regulador flotante dado que la terminal de ajuste no esta conectada a tierra, sino que flota a cualquiera que sea el voltaje a través de R2. Esto permite que el voltaje

de salida sea mucho mayor que el de un regulador de voltaje fijo. El voltaje de salida del regulador LM317 esta determinado por la ecuación siguiente:

2ADJ1

2REFo R I )

RR

(1 V V ++= 2.7

IADJ es una pequeña corriente que sale de la terminal de ajuste del regulador. El voltaje de referencia VREF es el voltaje que aparece entre el terminal de salida y el terminal de ajuste y es mantenido constante por el regulador e igual a 1.25V. Ejemplo Para el circuito mostrado, determine los voltajes máximo y mínimo que pueden ser obtenidos. Considere que IADJ tiene un valor de 50μA.

Veamos primero cuando R2 es seteado a 5k (máximo)

29.91V 5K *A50 )2205K - 1.25(1 RI )

RR (1 V V 2ADJ

1

2REFo =+=++= μ

Cuando R2 es seteado a 0Ω, obtenemos:

1.25V 0*A50 )2200 - 1.25(1 RI )

RR (1 V V 2ADJ

1

2REFo =+=++= μ

Mayor corriente de Salida Un regulador de voltaje integrado es capaz de entregar una cantidad de corriente limitada. Por ejemplo los reguladores de la serie 7800 pueden manejar una corriente de salida de al menos 1.3A y tipicamente 2.5A. Si la corriente de carga excede

LM317 in out

adjusment

Vo

+35V220Ω

5K(max)



11

11

el máximo valor permisible al regulador, habrá una sobrecarga térmica y el regulador dejará de funcionar. Cuando se requiere una corriente de carga mayor que la que puede suministrar el regulador, es de uso común el conectar un transitor de paso en paralelo con el regulador de voltaje. Lo anterior es mostrado en la figura (2.12).

Vo

Q1

Rs

R1

R2

C2C1Vin

Adj

in out

Fig.2.12.Configuración básica para máxima corriente

La ecuación para el voltaje DC de salida para cualquier regulador ajustable es proporcioanda por el fabricante en la hoja de datos del dispositivo. El resistor RS asegura que el transistor conduzca para corrientes de salida grandes y no para la corriente de polarización del regulador. El valor de Rs es seleccionado para polarizar Q1 y es determinado según:

in

BE(Q1)

IV

R = 2.8

donde Iin es la corriente de entrada del regulador. Con Q1 conduciendo, un incremento en la demanda de corriente de carga (por encima de la capacidad del regulador) resultará en un aumento de la conducción de Q1. Este proveerá la corriente extra demandada. Sin embargo el circuito anterior presenta un inconveniente, el rizado de la corriente de entrada del circuito es llevado a la carga a través de Q1. Este problema puede ser minimizado agregando un circuito limitador de corriente. El circuito modificado es mostrado en la figura (2.13).

Cuando el valor de Rs es seleccionado adecuadamente a cualquier ripple de corriente excesivo en la entrada del circuito le será evitado alcanzar la carga.

C1Vin

Rs1

Rs2Q1

Q2

in Out

Adj

R1

R3

C2

Vo

LM317

Fig.2.13.configuración para máxima corriente

Por último, para cerrar el tema del LM317, a continuación se presentan algunos de los parametros que aparecen en la hoja de datos del LM317 y que son considerados de interés. The input -output voltage differential rating Este indica la máxima diferencia que puede existir entre el voltaje de entrada al regulador (Vin) y el voltaje de salida deseado (Vo) sin que el dispositivo sea destruido. De acuerdo a la hoja de especificaciones para el LM317 este es de 40V. Este parámetro puede ser utilizado para determinar el máximo Vin permisible, como sigue:

dadjo,maxin, V V V += donde: • Vin,max -- es el máximo voltaje DC -no regulado

de entrada • Vo,adj -- voltaje DC regulado de salida • Vd -- the input/output voltage differential rating The line regulation rating Este parámetro nos indica la variación que experimentaría el voltaje de salida para un voltaje requerido de este, siempre y cuando se cumplan las condiciones bajo las cuales dicho parámetro es medido. Dichas condiciones son:

TA= 250C y 3V ≤ Vin - Vo ≤ 40V



12

12

Lo anterior significa que la diferencia entre los voltajes de entrada y salida no puede ser menor de 3V ni mayor de 40V. Por ejemplo si el LM317 es seteado para un voltaje de salida DC de +10V, el voltaje de entrada al dispositivo deberá estar entre +13V y+50V. Siempre y cuando esta condiciones se cumplan, la salida variará no más de:

10 * 0.04% = 4 mV The load regulation rating Para el LM317, este parámentro depende de si el dispositivo está siendo operado para tener un voltaje de salida menor de +5V o mayor de +5V. Si el voltaje de salida es menor de +5V, el voltaje de salida no variará por más de 25 mV cuando la corriente de salida varíe a lo largo del rango de valores permitidos (10 mA ≤ Io ≤ 1.5 A). Si el voltaje de salida es seteado para valores mayores de +5V, la misma variación en la corriente de salida causará un cambio máximo en el voltaje de salida de 0.5%. The minimum load current rating Este indica la corriente de carga mínima permisible demandada al regulador. Para el LM317 esta es de 10mA. Si la corriente de carga cae por debajo de 10mA, el regulador de voltaje dejará de regular. The ripple rejection ratio Indica la habilidad del regulador para reducir cualquier voltaje de rizado en su entrada. Para el LM317, cualquier rizado en la entrada estará reducido por 65dB en su salida. Acerca de los problemas Al final de la unidad se presentan una serie de circuitos que tienen como elemento central un regulador, ya sea de la serie 78XX o ya sea un LM317.

Para determinar como funciona cada circuito, es decir, que hace y cuales son los valores de los parámetros de interés, simplemente hay que entender claramente como funciona un regulador. A decir verdad no vamos a esperar más y veamos un ejemplo. Ejemplo El circuito mostrado en la figura, es un regulador que puede entregar voltajes en el rango de 0 a 30V. Explique cómo se logra.

LM317

Vi Voadj

680

120

3k

0.1uF

Vi

35VVo

LM113

1.2V

-10V

Solución: Como recordaran, se planteo que el LM317 puede suministrarle a la carga voltajes en el rango de +1.2V a +37V. Esto es cierto siempre y cuando el extremo inferior del resistro R2(3K) este conectado a tierra. Sin embargo haciendo algunos cambios en el circuito básico se puede alterar el límite inferior y esto es casualmente ejemplificado en el circuito mostrado. Con el zener mostrado el voltaje de salida calculado con la ecuación (2.7), será con respecto a -1.2V y no a tierra, de tal forma que si lo queremos con respecto a tierra debemos restarle a la ecuación (2.7) 1.2V, siendo entonces el voltaje de salida igual a:

Vo = 1.2 (R2/R1) de tal forma que para R2 = 0 tenemos Vo = 0V. Otra forma de obtener el resultado anterior es usando Kirchhoff. Despreciando Iadj, obtenemos que:

0V 1.2 R R1.2 - 1.2 - V 2

1o )( =+

de donde



13

13

)(1

2

RR

1.2 V =

siendo 1.2V el voltaje de referencia que el LM317 pone entre su pin de salida y el pin de ajuste. 1- Podrá el límite inferior hacerse menor de cero? 2- Para que sirve el capacitor en la entrada? 3- Cuál es el voltaje máximo que se puede

obtener?



14

14

Reguladores Conmutados Como se mencionó al inicio (introducción), los reguladores lineales (principalmente los reguladores serie) dominaron el mercado de los reguladores para las fuentes de alimentación. Entre otras razones, estos reguladores dominaron el mercado debido a que ellos son simples, fáciles de usar y además ofrecen un alto funcionamiento. El hecho de que los reguladores lineales (entre otras razones) disipan una cantidad considerable de energía (baja eficiencia), llevó a la aparición en el mercado, a mediados de los 70s, de las fuentes conmutadas, las cuales entre otras cosas son capaces de presentar eficiencias mucho mayores que las fuentes lienales. Los reguladores conmutados disipan menos energía en forma de calor y además son capaces de suministrar voltajes de salida mayores o menores que el voltaje de entrada. Además estos pueden suministrar un voltaje de salida con polaridad opuesta a la del voltaje de entrada. Cómo es esto de la eficiencia? Consideremos, por ejemplo, que un regulador de voltaje con una entrada de 28V debe entregar un voltaje de 5V y una corriente máxima de 1A en la salida. Un regulador serie convencional, requeriría de una caida de 23V a través del transistor de paso, de tal forma que 23 Watts son disipados en forma de calor (pérdidas) por el transistor y la eficiencia obtenida es de apenas del 18%. Reguladores conmutados sin embargo, pueden ser diseñados para tener eficiencias mayores del 75% bajo las mismas condiciones de entrada y salida. En los reguladores conmutados, a diferencia de los reguladores lineales, el elemento de control es operado como un switch, lo cual hace que la eficiencia del regulador se incremente dado que el elemento de control no conduce todo el tiempo y las pérdidas por consiguiente, son menores. El transistor es conmutado rapidamente (5 - 50 kHz) de saturación a corte. El voltaje de salida se regula mediante la variación del duty-cycle de la forma de onda que controla al transistor. El

principio fundamental consiste en trocear el voltaje DC no regulado, convirtiéndolo en una onda casi cuadrada. Posteriormente un filtro es usado para eliminar el ripple. Un filtro LC es el más adecuado debido a que no se incurre en pérdidas de energía (a decir verdad es mejor pensar en el inductor como un elemento para almacenar energía, que como parte de un filtro). En los reguladores conmutados, un papel fundamental lo juega casualmente el inductor. Durante el tiempo en que el elemento de control conduce (ton) energía en forma de un campo magnético es almacenada en el núcleo del elemento inductivo. Durante el tiempo en que el elemento de control está apagado (toff) la energía almacenada en el inductor es liberada y puede ser entregada a la carga, completándose la transferencia de energía desde la entrada hacia la salida. Configuraciones Básicas Existen diferentes configuraciones así como diferentes técnicas para los reguladores conmutados. Sin embargo, existen dos configuraciones básicas a partir de las cuales otras configuraciones pueden ser obtenidas, las cuales son conocidas como: 1- Configuración Step-Down (o buck converter)

2- Configuración Step-Up (o boost converter)

Otros reguladores (por el ejemplo la configuración flyback) son una combinación de estas dos formas básicas. A continuación será presentado brevemente el principio de funcionamiento de cada configuración, así como la derivación de algunas ecuaciones importantes para el diseño de la configuración step-down. Para las otras configuraciones las ecuaciones pueden ser determinadas siguiendo los mismos pasos que los realizados para el buck converter. Configuración Step-Down Este tipo de regulador realiza una tarea similar a la de un transformador reductor y el voltaje de salida que este entrega es siempre menor que el



15

15

voltaje de entrada. En la figura (2.14) se muestra el esquema básico de la configuración step-down.

Cuando el interruptor S (transistor operado como switch) se cierra (ton), una corriente fluye a través del inductor L. Una parte de esta corriente va a la carga y la otra sirve como corriente de carga para el capacitor. Durante ton, debido a la polaridad del voltaje entre los extremos de la bobina, el diodo D está polarizado en inversa y no conduce. Cuando el interruptor se abre, el inductor invierte la polaridad del voltaje entre sus extremos para mantener el flujo de corriente en el mismo sentido, como consecuencia el diodo ahora queda polarizado en directa, evitando que altos voltajes sean inducidos en el inductor y habilitando un camino para el paso de la corriente. Este diodo es conocido como “flyback diode”. Durante toff, la corriente que circula a través de la carga es suministrada tanto por el inductor como por el capacitor. En la figura (2.15) se muestran las curvas correspondientes a las corrientes a través del inductor, la carga y el condensador, así como la forma de onda que controla el tiempo de encendido (ton) y apagado (toff) del transistor.También se muestra la curva del voltaje en la salida (VRL).

1.8ms 1.9ms 2.0ms 2.1ms 2.2ms 2.3ms 2.4ms 2.5ms

Time

II(RL)I(L)

I(C)

50.00mA

0A

-40.88mA

8.0V

4.0V

0V

-4.0V

V(S)

V(RL)

ton

toff

I(Lmax)

I(Lmin)

ΔQc

Fig.2.15. Corrientes en el convertidor buck

Mientras la corriente de entrada (a través del transistor) pulsa a la frecuencia de conmutación, el regulador entrega una corriente continua a la carga.

Como se logra la regulación del voltaje? En los reguladores conmutados la regulación del voltaje de salida se logra manipulando el tiempo de conducción del elemento de control. Una de las técnicas más comunmente usada es controlar el tiempo de conducción mediante el uso de una forma de onda PWM. En la figura (2.16) se muestra el circuito básico de la configuración step-down con el diagrama de bloques del circuito de control.

El voltaje de salida es sensado por medio del divisor de voltaje formado por R1 y R2. Este es comparado con el voltaje de referencia por el amplificador de error A1, produciendo una señal diferencia. El voltaje de salida es usado para controlar el “trip-point” del comparador A2, siendo la otra entrada de este alimentada con una señal diente de sierra o triangular. La señal de salida resultante es una señal (forma de onda) la cual tiene un ancho de pulso modulado. En la actualidad no es necesario diseñar el circuito de control PWM, dado que existen ICs que con algunos pocos componentes externos nos permiten generar la forma de onda PWM. Uno de los más utilizados es el SG3524, estudiado al inicio del curso. Para lograr una retroalimentación negativa y por consiguiente regular el voltaje de salida, el interruptor se debe abrir cuando la salida es baja y

S

Vin VoD

L

C

Fig.2.14.Regulador step-down

S

A1A2

VREF

Vo

+

-

+

Vin

L

D CR1

R2

oscilador Fig.2.16.Circuito Buck con los bloques de control



16

16

cerrarse cuando la salida (del comparador) es alta. Como es esto? Si el nível de voltaje de salida se incrementa por alguna razón, el nível de producido por el divisor de voltaje y por consiguiente el nível de la señal de error se incrementan. El tiempo que toma el oscilador diente de sierra para alcanzar el mismo nível que la señal de error se incrementa también. Por lo tanto, la salida del comparador se pone en alto cerrando el switch por un periodo de tiempo menor que el normal, es decir, el ton se vuelve menor. Esto reduce el incremento en la corriente del inductor y por consiguiente la cantidad de energía transferida, contrarestando de esta forma el incremento inicial en el voltaje de salida. De igual forma cuando el voltaje de salida disminuye por algún motivo, el nível de la señal de error tambien disminuye incrementadose de esta manera el tiempo de conducción del elemento de control. Por lo tanto más corriente fluye en L y el Vo se incrementa. Voltaje de salida (step-down) El voltaje de salida de la configuración step-down puede derivarse considerando el voltaje que aparece a través del inductor. Durante la operación de estado estable la forma de onda del voltaje a través del inductor se repite de un ciclo de conmutación a otro y como resultado de esto la integral del voltaje en el inductor a lo largo de un periodo de tiempo T, es decir ton + toff, debe ser cero. Para derivar el voltaje de salida asumiremos que un oscilador de frecuencia fija es usado para obtener la forma de onda PWM. El voltaje en los extremos del inductor a lo largo de un ciclo es:

∫ ∫∫ +=ton

tondtdtdt

0

T

LL

T

0 L VVV 2.9

Cuando el switch es cerrado durante ton, el voltaje a través del inductor es la entrada Vin menos el voltaje de de salida Vo ( VL = Vin - Vo).

Cuando el switch esta cerrado (toff = T - ton), el voltaje a través del inductor es aproximadamente (-Vo) (despreciando la caida en el diodo). Por consiguiente:

( )in o oton

T

V V V− − =∫∫ dt dtton

00

2.10

al realizar la integración indicada se obtiene que el voltaje de salida está dado por la siguiente ecuación:

oon

inV t VT=⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟ 2.11

Como se puede ver de la ecuación anterior, el voltaje de salida depende directamente del Duty-cycle de la forma de onda de control, siendo posible por lo tanto el obtener el voltaje de salida deseado mediante la manipulación de este.

El duty-cycle es la razón de ton respecto al periodo T, es decir,

Tt

CycleDuty on=

Como se menciono previamente, el inductor es uno de los elementos de mayor importancia en el regulador y la determinación del valor adecuado de este es fundamental. También el capacitor juega un papael fundamental y su valor está directamente relacionado con el ripple que presentará el voltaje de salida. Determinación de L y C En la figura 2.15, se presentaron las formas de onda de las corrientes en el inductor y en capacitor para el regulador buck. Como se puede ver en dicha figura, la corriente en el inductor varía desde un valor mínimo (IL,min) a un valor máximo (IL,max). A partir de la figura se puede demostrar que :

LV - V

tL

V I - I I oin

offo

LminLmaxL ===Δ 2.12

El voltaje de salida es proporcional al duty-cycle e independiente de la corriente de salida siempre y cuando:

Lo I 21 I Δ⟨ 2.13



17

17

Durante ton, se suministra corriente tanto a la carga como al capacitor. Entre más pequeña la inductancia, mayor será la relación:

α = Lmax

o

II

normalmente α debe restringirse a valores de hasta 1.2 de tal forma que el rating del elemento de control pueda ser mantenido dentro de límites razonables. Para la determinación de L, tomaremos de la fig 2.15 la relación siguiente:

LoLmax I 21 I I Δ+=

usando las ecuaciones obtenidas previamente obtenemos que el valor del inductor se relaciona con los parametros de interés según:

o

oL

in

oL

IV

R donde , 1) - f(2VV

- 1 R L

)(==

α

es la resistencia de carga y f es la frecuencia de conmutación.. Con un valor finito de capacitancia, un ripple aparece en el voltaje de salida. La corriente de carga del capacitor es:

IC = IL - Io

La carga suministrada a y tomada desde el capacitor durante un ciclo (periodo) es representada por las areas sombreadas mostradas en la fig.2.15 y se puede demostrar que :

)(in

o2

oo V

V - 1

8LCfV

V =Δ 2.14

de tal forma que con la ecuación anterior podemos obtener el valor de C para un voltaje de ripple deseado. El voltaje de ripple medido, es mayor que el valor dado por la ecuación anterior debido que la resistencia serie del capacitor no puede nunca ser despreciada por completo.

Las ecuaciones anteriores son un buen punto de partida para el diseño de un regulador buck. Para las otras configuraciones se pueden realizar pasos similares para la obtención de las ecuaciones correspondientes. Configuración Step-Up ( Boost converter) Con esta configuración, mostrada en su forma básica en la figura 2.17, podemos obtener voltajes de salida mayores que el voltaje de entrada.

SVin

D

CVo

L

Fig.6.17. Configuración básica Step-Up

Cuando el interruptor está cerrado, la corriente fluye a través del inductor, almacenando energía en este. El diodo D está polarizado en inversa y no conduce, bloqueando de esta forma al voltaje de entrada Vin (no puede alcanzar la carga). Cuando el interruptor es abierto, el voltaje a través del inductor invierte su polaridad de tal forma que el diodo se polariza en directo y la corriente fluye a través de este cargando al capacitor y suministrando corriente a la carga. El voltaje del inductor se suma al voltaje de entrada Vin, lo cual produce un voltaje de salida mayor que el de entrada. Cómo se regula el voltaje de salida? Para el circuito en estudio, cuando el interruptor es cerrado, el voltaje a través de L se incrementa instantaneamente hasta (Vin - Vs). Durante el tiempo de conducción (ton) VL disminuye desde su valor inicial. Entre mayor sea ton, menor será el voltaje entre los extremos de L (VL) y por consiguiente menor el voltaje de salida. De igual forma mientras más pequeno sea ton, más grande será VL y mayor el voltaje de salida. En la figura 2.18, se muestra el regulador Step-Up con la circuitería correspondiente al circuito de control.



18

18

R1

R2

R3

RL

DZ

DL

CVin

Vo

+

-

PWMoscilador

Fig.2.18. Configuración boost con circuiteria de control

Cuando Vo trata de disminuir, digamos por ejemplo por una disminución del voltaje de entrada, la senal de error en la salida del operacional hace que el transistor Q1 conduzca menos tiempo (ton menor) lo cual hace que VL no disminuya mucho produciendo un voltaje de salida mayor, lo cual contraresta la disminución inicial del voltaje de salida. Cuando el voltaje de salida tiende a crecer, la salida del operacional hará que el transistor conduzca más tiempo lo cual hará que VL disminuya de tal forma que el voltaje de salida será menor, contrarestando el incremento inicial de este. Voltaje de salida El voltaje de salida en la configuración step-up es inversamente proporcional al duty-cycle y es expresado por la ecuación siguiente:

inon

o V tT V )(= 2.15

donde T = ton + toff, es el periodo de senal de control. Flyback (o buck - boost converter) Como fue mencionado, las configuraciones mostradas anteriormente nos permiten obtener otras configuraciones a partir de ellas. Una de estas configuraciones derivadas es la conocida como “flyback” o “ buck-boost converter”. Con esta configuración es posible obtener voltajes de salida mayores o menores que el voltaje de entrada, además que esta (la salida) es de signo opuesto al voltaje de entrada.

El esquema básico de dicha configuración es mostrado en la figura (2.19).

D

CLVin Vo

S

Fig.2.19. flyback converter

El buck-boost converter funciona de la siguiente manera. Cuando el interruptor está cerrado (durante ton) la corriente fluye a través del inductor almacenando energía. El diodo esta polarizado en inversa bloqueando de esta manera a la fuente de alimentación. Cuando el interruptor es abierto, el voltaje entre los extremos del inductor invierte su polaridad con lo cual el diodo se polariza en directa y la corriente fluye a través de este permitiendo que el capacitor se cargue. El voltaje de salida tiene en este caso signo contrario al de la fuente de alimentación y puede ser mayor o menor que el voltaje de entrada. La configuración es conocida como flyback debido a que la energía almacenada es transferida a la carga mientras el interruptor esta abierto (el tiempo de flyback). El voltaje de salida en un regulador tipo flyback esta determinada por la ecuación siguiente:

inoff

ono V

tt

- V )(= 2.16

Si se requiere que el voltaje de salida sea mayor que el de entrada, entonces ton debe ser mayor que toff. Si Vo debe ser menor que Vin , ton debe ser menor que Vin.

Fuentes de alimentación conmutadas El circuito de una fuente de alimentación conmutada es esencialmente un convertidor DC-DC, con un voltaje de salida cuya magnitud puede ser controlada.



19

19

Como vimos en el estudio de los reguladores conmutados, en casi todos los equipos electrónicos de potencia, los dispositivos semiconductores son usados en su modo de conmutación para maximizar la eficiencia. Como bien recordarán, el prinicipio de regulación serie requiere que un voltaje sea suministrado, el mínimo nível del cual debe ser mayor que el voltaje de salida requerido. La diferencia entre estos dos voltajes aparece a través del elemento de control, el cual conduce todo el tiempo, generando pérdidas considerables. Si se usan transistores de potencia como elementos de control (switches), la frecuencia de conmutación podría estar limitada hasta aproximadamente 40 Khz, pero si se usan MOSFET de potencia, dicha frecuencia puede ser incrementada hasta 200 Khz o más, lo cual significa un considerable ahorro en tamaño de algunos componentes. En la figura(2,20) se muestra el circuito básico de una fuente de alimentación conmutada.

S

ac

L

loadCC D

rectificadorno

controlado

Fig.2.20.fuente de alimentación conmutada

Si se introduce un transformador en la interface de alta frecuencia entre los elementos DC de fuente y carga, es posible cambiar los niveles de voltaje y proveer el aislamiento que comunmente es requerido en los equipos electrónicos. Además, es entonces posible tener 2 o más secundarios de tal forma que varios voltajes DC de salida pueden ser obtenidos. En la figura (2.21) se muestra un primer circuito, en el cual como se puede ver, el elemento de control es un MOSFET y está conectado en el primario del transformador, lo cual minimiza las pérdidas de conmutación.

rect ificador no

c ontrol ado ac

supply

co ntrol

load

it

is iD Vw Vo

L

C

Vt

iF

Fig.2.21. fuente conmutada básica

En este circuito, la fuente de alimentación ac es rectificada directamente y el switch (MOSFET) es usado para generar un voltaje ac de alta frecuencia. El transformador será de un tamaño relativamente pequeño debido a estas altas frecuencias, lo cual significa un ahorro de espacio. Como se puede apreciar, en el secundario tenemos un regulador tipo Buck. Cuando el MOSFET es encendido, este lleva la corriente creciente de magnetización además de la corriente reflejada por el secundario del transformador. Cuando el MOSFET es apagado, la corriente del secundario del transformador se conmuta al otro diodo, pero la energía magnética almacenada en el núcleo del transformador demanda un camino, siendo esta la rama del diodo a través del cual circula iF El flujo magnético colapsa con la misma velocidad con que este se forma, de tal manera que para llevar el flujo a cero, el toff del MOSFET debe ser igual o mayor que el ton. La razon del ton al toff es seteada por el circuito de control, al cual tiene acoplado un lazo de retroalimentación par sensar el voltaje de salida. Las formas de onda de las corrientes en el circuito son mostradas en la figura(2.22).



20

20

V w

V t

i T

i s

i F

i D

V D

V o

E

2 EE

E

Fig.2.22.Voltajes y corrientes en la fuente conmutada de la

fig.2.21

Una desventaja de este circuito tal y como fué presentado (con un solo transistor), es que el flujo en el núcleo del transformador nunca es revertido y existe el riesgo de que el núcleo tienda a saturarse. Para niveles mayores de potencia, es necesario utilizar una versión de onda completa del circuito anterior. En dicho caso el flujo en el núcleo del transformador se alternará y este (el transformador) será completamente utilizado magneticamente. Una versión del circuito de onda completa se muestra en la figura (2.23). PWM es utilizado para controlar el voltaje de salida en la carga, variando el tiempo de conducción del MOSFET conectado en el primario.

+

-

load

Fig. 2.23

Existen diferentes configuraciones para las fuentes de alimentación conmutadas, pero sus dos formas básicas como es de suponer, son las basadas en los reguladores step-down y step-up.

Otros tipos de fuentes son obtenidas a partir de la combinación de estos reguladores básicos. Convertidores resonantes En los reguladores estudiados los elementos de conmutación, conmutan la corriente de carga a altos voltajes, conduciendo a altas pérdidas de conmutación. Esto puede ser minimizado considerablemente arreglando las cosas de tal forma que los dispositivos de conmutación operen en un circuito resonante, de tal manera que la corriente o el voltaje oscilen a un cero natural en el momento de la conmutación. Estos circuitos así generados se dice que operan ya sea en el “currente switching mode” o el “voltage switching mode”, en dependencia de quien se hace cero en el momento de la conmutación. Lamentablemente este será tema para posteriores encuentros. Métodos para controlar el voltaje de salida Existen dos métodos comunmente usados para controlar el voltaje de salida en una fuente conmutada. Uno de ellos utiliza la variación de la frecuencia de una forma de onda rectangular y el otro utiliza la variación del ancho del pulso de dicha onda. El cambio de la frecuencia (modulación) de operación comunmente resulta en un circuito más sencillo, pero también resulta en la generación de un amplio espectro de señales no deseadas las cuales causan interferencia y pueden ser díficiles de filtrar. El uso de la modulación del ancho del pulso (PWM) permite un filtrado más sencillo de las señales no deseadas. Una caracteristica útil de una fuente conmutada que usa PWM es que más de una fuente puede ser conectada como esclava a un reloj central, lo cual límita los batimientos entre los osciladores. Este efecto de batimiento produce componentes de frecuencia por debajo de la frecuencia de operación de la fuente. Esto a su vez puede significar problemas de ruido e interferencias si estas componentes se encuentran en el rango de frecuencias del equipo que esta siendo alimentado.



21

21

Modulación del ancho de pulso (PWM) La técnica pulse width modulation(PWM) consiste en hacer variar el ancho del pulso a una forma de onda rectangular. Existen diferentes formas mediante las cuales esto puede ser logrado, pero una de las más ampliamente utilizadas consiste en el uso del timer 555 En la figura(2.24) a continuación se muestra el circuito resultante, y como se puede ver este requiere del uso de dos 555. Sin embargo el circuito puede minimizarse si se utiliza un 556, el cual es un LM555 dual.

6555 5557 2 6

8 4

1 5

8 4

3 15 2

7

+Vcc

R1

R2

R4 R3

C2 .01uf

C5

C4

C3

entr ada moduladora

salidaPWM

C1

Fig. 2.24 circuito para generar PWM En el circuito mostrado el primer temporizador es conectado como un multivibrador astable (oscilador de ondas cuadradas) y es utilizado para disparar continuamente al otro temporizador, conectado como multivibrador monoestable. Al aplicar un voltaje externo a la entrada del timer conectado como multivibrador monoestable, se puede controlar el ancho de su pulso de salida. Si la entrada de voltaje de control es variable en el tiempo, como resultado se obtiene un tren de pulsos cuyos anchos están variando de acuerdo al cambio en la amplitud del voltaje de control. Reguladores conmutados integrados. Los diseñadores de fuentes de alimentación conmutadas(SMPS) tienen a su disposición una amplia selección de circuitos integrados que satisfacen un amplio rango de aplicaciones. Estos

ICs, los cuales simplifican el diseño, incluyen en su interior circuitos controladores y sistemas para manejar los switches. Los ICs actualmente disponibles van desde controladores básicos de propósitos generales hasta reguladores completos de propósitos especiales que solamente necesitan como elementos externos inductores, capaciotres y diodos.

El diseñador ya no esta limitado a la técnica de control básica conocida como PWM. Existen otros modos de control entre ellos los conocidos como “current-mode” y “resonant-mode” están disponibles. La escogencia del modo de control depende de los trade-offs en el precio, funcionamiento y tamaño del switcher. Para bajar el tamaño del switcher, se consideran el control tipo “currente-mode” y frecuencias de conmutación por encima de los 100Khz. Por encima de los 500 Khz, se utiliza el tipo de control “resonant-mode”. Aunque la mayoria de los controladores y transistores de conmutación facilmente trabajan entre 300 Khz y 1Mhz muchas fuentes aún operan bien por debajo de los 100 Khz. Esto es debido a que no es fácil diseñar y hacer circuitos para pulsos de potencia rápidos. Además, mayor frecuencia significa mayores pérdidas de conmutación , así como mayor rfi/emi. Más de dos decadas atras (24 años) el diseñar una SMPS significaba el uso de OP-AMPs y comparadores integrados, transistores discretos o tal vez el hacerlo todo usando un timer 555. Los primeros “controladores” integrados PWM, la familia SG1524/2524/3524 aparecieron en los 70s. El controlador SG3524 esta disponible en nuestro laboratorio y a continuación se presenta su diagrama de bloques interno. Nota: Las hojas de datos correspondientes al integrado SG3524, serán entregadas posteriormente.



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22

Preguntas y ejercicios

Como parte final, se presentan a continuación una serie de preguntas y problemas relacionados con los temas hasta ahora presentados. La idea aqui es que el estudiante trate de responder las preguntas planteadas y de resolver los problemas, por su propia cuenta. Muchos de los ejercicios no requieren necesariamente una solución númerica, sino más bien una explicación de como cierto circuito funciona. Lo anterior le permitirá aplicar los conocimientos adquiridos en los temas estudiados, así como conocimientos adquiridos en los cursos anteriores de Electrónica. Evidentemente se encontrará con una serie de dudas y por lo tanto tendrá preguntas que hacerle al profesor quien gustosamente le brindará su apoyo. Preguntas • Describa como un regulador con transistor de paso responde a un cambio en la resistencia de

carga. • Mencione algunas desventajas que se presentan al usar un regulador de voltaje serie. • Explique como un regulador shunt responde a un incremento en la resistencia de carga. • Por qué los reguladores serie son preferidos respecto a los reguladores shunt? • Explique como un sobre-voltaje en la entrada de un regulador shunt puede destruir el transistor. • Defina los conceptos “regulación de línea” y “regulación de carga” • Cuales son los componentes externos requeridos para una configuración LM317 básica? • Cuál es el voltaje de salida de un 7809? De un 7915? De un LM317? • Cuál es el proposito de usar un transistor de paso externo en un regulador de voltaje integrado? • Cuál es la ventaja de usar limitación de corriente en un regulador de voltaje? • Qué significa “sobrecarga térmica” ?. • Cuáles son los objetivos de los capacitores externos en la entrada y salida de un IC regulador de

voltaje? • Cuáles son los tres tipos básicos de reguladores conmutados? • Cuál es la primer ventaja de un regulador conmutado sobre un regulador lineal? • Cómo son los cambios de voltaje de salida compensados en un regulador conmutado?



23

23

Ejercicios 1. Diseñe una fuente de alimentación que emplee un regulador serie tal como el mostrado en

la figura, de tal forma que entregue un voltaje de aproximadamente 6V para una corriente de carga de 300 mA.

2. Compare los resultados en cuanto a eficiencia, obtenidos en el problema propuesto en la

página (fuente con regulador zener) con los obtenidos en el problema anterior . Haga un análisis de los resultados.

3. Diseñe el circuito mostrado en la figura de tal forma que garantice que: a) Vo = 12V b) Ilmax = 0.7A Considere que el Vin varía entre +20 y +25 Volts. Determine el mínimo valor que puede tener RL.

++

--

Vin

no regulado Vo

RL

10k

10k

1ohm

R1

5.1V

Q1

Q2

4. Si en el circuito mostrado el máximo voltaje de entrada es permisible es de 25V, cuál es la

máxima corriente de salida que se obtiene cuando la salida es cortocircuitada? Cuál debe ser la potencia mínima de disipación de R1?

inputC

Rs

Dz

RL

Q1

n2:n1

ac

120Vrms60Hz



24

24

5. En el regulador mostrado en la figura, si la máxima corriente que será manejada

internamente por el regulador de voltaje es seteada a 700 mA, cuál debe ser el valor de Rex? Cuál debe ser el mínimo power rating para el transistor de paso externo?

RL

Q1

Rex

78xx

Vi

6. Diseñe el circuito mostrado para que la corriente interna del regulador sea de 1A. Seleccione Rlim de tal forma que la máxima corriente que puede pasar por Qex sea igual a 2A.

2.5

7805

Rlim

QlimRext

Qext

7. En el circuito mostrado el diodo es usado para protección contra cortocircuito. R1 y R2 son usados para setear la razon de la corriente manejada por el regulador y el transistor de paso serie. Asumiendo que VD = VBE, demuestre que : R1/R2 = I1 /IREG y que la máxima corriente alcanzable con este circuito esta dada según:

maxREG,1

21o.max I

RR R I +

=

++

--

Q1

100

5.1V

8.2k

3.9k

IL

VoVin

RL



25

25

2N3792

7805

.33uf .1uf

R1

0.4

R2

21N4003

8. El circuito mostrado en la figura es denominado “ ± tracking voltjge regulator”. Explique

como funciona el circuito.

78xx

0.33uF 0.1uF4.7k

4.7k

0.33uF2N6124

741

7

6

4

2

3

+Vo

-Vo

+Vin

-Vin

9. El circuito mostrado tiene el nombre “ Slow Turn-On Regulator”. Estudie el circuito y trate de justicar el porque del nombre que este tiene.

2N2905

LM317

Vin VoAdj

0.1uF

2.7k

240

50k

25uF

1N4002

Vin Vo=15V

+



26

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10. Con el circuito mostrado se es posible obtener altas corrientes de salida y por eso su autor

lo bautiza con el nombre “ High Currente Adjustable regulator”. Describir el funcionamiento del circuito.

Hig h cur ren t

a dj ust abl e reg ul ato r

3 LM 195 's en pa ra lel o

2 N29 05

5k

2 2

1 20

5 00

47 uF

1 0uF

1 0u F

V i Voad j 1N4 00 2

V oVi

11. El circuito que será mostrado a continuación es un circuito que ofrece muchas posibilidades. Este fue realizado en un proyecto de curso de la asignatura ELKA II ( en 1994) y mostro funcionar satisfactoriamente. Como su nombre lo indica, el circuito puede entregar a su salida voltajes comprendido en el rango de 1.2V a 30V con una corriente de salida de hasta 5A. Estudie cuidadosamente el circuito y explique como este funciona.

MJ4502

33

680

0.2

200330k

220

10uF

100pF 250k

R2

5W

curentadjust

1uF

adjust

voltage

5k

1N457

1N457

LED

LM317

Vi Voadj

75pF

75pF

18

4

62

3

7

35V 12V-30V

+

+

+

-6V to -15V



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12. Asumiendo componentes ideales, determine y dibuje las formas de onda de corriente en un

reguldor forward (buck) cuando la corriente de carga es de 10 A a 20 V, si la corriente en el inductor es justamente continua. Considere que la fuente de voltaje no regulado tiene un valor de 50 V.

a. Determine el duty-cicle b. L c. El voltaje de ripple en la salida si C=100uF



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Referencias 1- Horowitz,P.; Hill,W. The art of electronics 2da ed.:Cambridge University 1980 2- Floyd, Thomas.L. Electronic Devices. 3ra ed.New York: Macmillan 1992 3- Paynter, Robert.T. Introductory Electronic Devices and Circuits 2da ed. NJ: Prentice-Hall 1991 4- Tietze,U.;Schenk,C. Advanced Electronics Circuits 4ta ed.New York : 1978 5- Lander,C Power Electronics 3ra ed.UK: McGraw-Hill 1993 6- Simon,S.A. “A practiced Oriented Course in Switching Converters” IEEE Trans. Education Vol.39 no.1 PP. 14-18 7- Smith,Duncan. “SMPS Design” Electronics World + Wireless world March 1994:188-192 8- Goodenough,Frank. “Power-Supply IC Controllers Proliferate” Electronics Design November 09,1989:59-71

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