Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    Las Fuentes de Alimentacin

    Conmutadas (Switching).

    Tutorial de Electrnica

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    Introduccin

    Fuentes de alimentacin por Switching2

    Las fuentes de alimentacin convencionales usantransformadores operando a 50 Hz y que suelen ser

    inconvenientes, tanto por el elevado costo, excesivo peso y

    volumen, as como su bajo rendimiento de conversin y la

    consiguiente perdidas de potencia en generacin de calor.

    La alternativa a este tipo de fuentes ha sido desde hace tiempoel empleo de fuentes de conmutacin (Switching).

    Este tipo de fuentes conmutadas operan directamente sobre el

    lado de alta tensin, con elevados rendimientos (usualmente

    mejor del 70% u 80%), de bajo costo y volumen y, usando muy

    pocos componentes (con la consiguiente facilidad de ensambladoy mayor confiabilidad).

    Los reguladores conmutados disipan menos energa en forma

    de calor y adems son capaces de suministrar voltajes de salida

    mayores o menores que el voltaje de entrada. Adems estos

    pueden suministrar un voltaje de salida con polaridad opuesta ala del voltaje de entrada.

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    Observaciones crticas sobre una fuenteconvencional.En la siguiente seccin se describe bsicamente los bloques

    principales que contiene una fuente de alimentacin convencional .

    Fuentes de alimentacin porSwitching

    3

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    Observaciones crticas sobre una

    fuente convencional.

    Fuentes de alimentacin por Switching4

    1. Etapa de entrada de alta tensin alterna.2. Filtro de lnea.

    3. Conversin de alta a baja tensin.

    4. Conversin de Alterna a Continua y filtrado.

    5. Regulacin de continua.

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    1. Etapa de entrada de alta tensin

    alterna

    Fuentes de alimentacin por Switching5

    En general la fuente de energa suele ser de alta tensin (110 o 220Volts eficaces) y de alterna de 50 o 60 Hertz, aunque ciertas

    aplicaciones puede requerir otro tipo de tensiones y/o frecuencias.

    Dentro de toda esta variedad un caso comercial interesante es el de

    los wall-adapter universales, que aceptan tensiones de entrada de

    90Vac a 250 Vac, frecuencias de lnea desde 47 a 63 Hz y con

    potencias de 1 Watt hasta 200 Watts.

    Circuito Wall-Adapter

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    2. Filtro de lnea

    Fuentes de alimentacin por Switching6

    El filtro de lnea tiene por funcin proteger la fuente y circuitos deposibles picos transitorios u otras seales interferentes provenientesde la red de alta tensin, y a la vez bloquear la insercin en la red deseales de alta frecuencia generadas por la propia fuente.

    F

    C

    R

    L

    C

    C

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    3. Conversin de alta a baja tensin

    Fuentes de alimentacin por Switching7

    Dado que la mayor parte de los

    equipos electrnicos requieren para

    su operacin tensiones continua de

    unos pocos voltios, en una fuente

    tradicional suele ser imprescindible la

    inclusin de un transformador, que

    realiza una conversin de voltaje con

    una relacin fija. Esto significa que si

    se aumenta la tensin alterna de

    entrada al primario del transformador

    tambin experimentar una subida detensin en el secundario del

    transformador. Para frecuencias de 50

    o 60 Hz este elemento suele ser

    voluminoso, pesado y caro.

    F

    Red 230

    Vac

    Primario

    Secundario

    A

    B

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    4. Conversin de Alterna a Continua y

    filtrado.

    Fuentes de alimentacin por Switching8

    Los sistemas electrnicos requieren, en general, suministro deenerga continua, por lo que la siguiente etapa es la rectificacin

    de la corriente alterna a continua. Esta tarea es usualmente

    realizada por dos o cuatro diodos y su correspondiente filtro de la

    tensin pulsante mediante el uso de condensadores.

    F

    Red 230

    Vac

    Primario

    Secundari

    o

    A

    BC

    1

    D1 D2

    D3 D4

    C D+ Vo

    - Vo

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    5. Regulacin de continua

    Fuentes de alimentacin por Switching9

    Los sistemas electrnicos requieren una alimentacin de baja

    tensin continua filtrada y regulada con bastante estabilidad,tpicamente el 5%, por lo que se hace necesario la insercin de un

    elemento de paso que posibilite obtener una estabilizacin del

    voltaje de salida, independientemente de la variacin de amplitud de

    la tensin continua a su entrada.

    - Vo

    Red 230 Vac

    F

    Primario

    Secundario

    A

    BC1

    D1 D2

    D3 D4

    C DEstabilizacin

    L1

    C2

    + V

    o

    Filtro en Regulador

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    Recuerda

    Fuentes de alimentacin por Switching10

    Los reguladores lineales (principalmente los reguladores serie)dominaron el mercado de los reguladores para las fuentes de

    alimentacin.

    Entre otras razones, estos reguladores dominaron el mercado

    debido a que ellos son simples, fciles de usar y adems

    ofrecen un alto funcionamiento. El hecho de que los reguladores lineales, entre otras razones,

    disipan una cantidad considerable de energa (baja eficiencia),

    llev a la aparicin en el mercado, a mediados de los 70, de las

    fuentes conmutadas, las cuales entre otras cosas son capaces

    de presentar eficiencias mucho mayores que las fuenteslineales.

    Los reguladores conmutados disipan menos energa en forma

    de calor y adems son capaces de suministrar voltajes de salida

    mayores o menores que el voltaje de entrada. Adems estos

    pueden suministrar un voltaje de salida con polaridad opuesta ala del voltaje de entrada.

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    Qu es esto de la eficiencia?

    Fuentes de alimentacin por Switching11

    Por ejemplo, en un regulador de voltaje convencional, que requierauna tensin de 5 V y 1 A de salida, si se le aplica una tensin a la

    entrada de 28 voltios, se produce una cada de tensin de 23V a travs

    del transistor de paso, de tal forma que 23W son disipados en forma de

    calor (prdidas) por el transistor y la eficiencia obtenida es de apenas

    del 18%.

    En cambio, 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 prdidas por

    consiguiente, son menores.

    El transistor de paso es conmutado rpidamente (5-50 KHz) desaturacin a corte. El voltaje de salida se regula mediante la variacin

    del Duty-Cycle de la forma de onda casi cuadrada que controla al

    transistor.

    Durante el tiempo en que el elemento de control conduce, es

    almacenada la energa en el ncleo del elemento inductivo, inductor. Yconforme se demande ms o menos corriente a la salida, la frecuencia

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    El transistor como elemento

    regulador.

    Fuentes de alimentacin por Switching12

    Tanto en las fuentes de alimentacin lineales como en las conmutadasexiste un elemento llamado controlador, quien es el encargado

    directo de regular el voltaje de salida, en el caso de los reguladores

    lineales, son transistores, los cuales conducen todo el tiempo, lo que

    conlleva prdidas considerables de energa.

    En los reguladores conmutados, tambin son transistores, pero en estecaso, el elemento de control est operando en conmutacin, es decir,

    saturacin y corte y no conduce todo el tiempo, lo cual minimiza las

    prdidas de energa incrementndose de esta forma la eficiencia de la

    fuente. La eficiencia es uno de los parmetros de mayor importancia

    en una fuente as como lo son ,el tamao y el peso de esta.

    La frecuencia de conmutacin podra estar limitada hasta

    aproximadamente 40 KHz., en transistores bipolares, pero si se usan

    MOSFET de potencia, dicha frecuencia puede ser incrementada hasta

    200 KHz o ms, lo cual significa un considerable ahorro en tamao de

    algunos componentes.

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    El transistor como elemento de

    regulacin.

    Fuentes de alimentacin por Switching13

    Fuente de alimentacin lineal. Transistor en serie Fuente de alimentacin lineal transistor en paralelo.

    Fuente de alimentacin conmutada. Transistor en conmutacin

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    Introduccin a las Fuentes dealimentacin conmutadasHemos visto las fuentes convencionales del tipo lineal, a continuacin

    nos introducimos en el aprendizaje de las fuentes conmutadas

    (Swiching).Fuentes de alimentacin por Switching14

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    Fuentes de alimentacin

    conmutadas

    Fuentes de alimentacin por Switching15

    Ventajas: Reducido volumen y peso.

    Buen rendimiento.

    Inconvenientes:

    Son complejas.

    Hay que tomar medidas para reducir las

    interferencias electromagnticas (EMI).

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    Bloques de la Fuente de alimentacin

    conmutada

    Fuentes de alimentacin por Switching16

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    Componentes de la Fuente de

    alimentacin conmutada

    Fuentes de alimentacin por Switching17

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    Componentes de la Fuente de

    alimentacin conmutada

    Fuentes de alimentacin por Switching18

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    Componentes de la Fuente de

    alimentacin conmutada

    Fuentes de alimentacin por Switching19

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    Componentes de la Fuente de

    alimentacin conmutada

    Fuentes de alimentacin por Switching20

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    Componentes de la Fuente de

    alimentacin conmutada

    Fuentes de alimentacin por Switching21

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    Componentes de la Fuente de

    alimentacin conmutada

    Fuentes de alimentacin por Switching22

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    23/62

    Componentes de la Fuente de

    alimentacin conmutada

    Fuentes de alimentacin por Switching23

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    Control y regulacin en la Fuente de

    alimentacin conmutada

    Fuentes de alimentacin por Switching24

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    Protecciones de la Fuente de

    alimentacin conmutada

    Fuentes de alimentacin por Switching25

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    Partes de una Fuente de alimentacin

    conmutada

    Fuentes de alimentacin por Switching26

    Rectificador

    y filtro de

    salida

    Transformador

    Elemento de

    paso de

    conmutacinMosFet.

    Circuito de

    control.

    Filtro de

    entrada de Red

    Rectificador

    y filtro de altatensin.

    Realimentaciny

    Monitorizacin

    de la tensin de

    salida

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    Configuraciones bsicas de la regulacinconmutadaA continuacin veremos los dos tipos de configuraciones principales

    donde se basa el diseo de fuentes conmutadas.

    Fuentes de alimentacin por Switching27

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    El circuito de una fuente de alimentacin conmutada esesencialmente un convertidor DC-DC, con un voltaje de salida cuya

    magnitud puede ser controlada.

    Existen dos configuraciones bsicas a partir de las cuales otras

    configuraciones pueden ser obtenidas, las cuales son conocidas

    como:

    1. Conf iguracin Step-Down (Buck

    Converter)

    2. Con figu racin Step-Up(Boost Converter).

    Otros reguladores, por ejemplo, la configuracin f lyback, son

    una combinacin de estas dos formas bsicas que veremos ms

    adelante.

    A continuacin se describirn el principio de funcionamiento de

    Configuraciones bsicas

    28

    Fuentes de alimentacin por

    Switching

    C fi i St D (B k

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    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 voltaje de entrada. En la figura se muestra el

    esquema bsico.

    Configuracin Step-Down (Buck

    Converter)

    29

    Fuentes de alimentacin por

    Switching

    Configuracin Step Down (Buck

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    Si observamos la figura anterior, cuando el interruptor S (transistoroperado como switch) se cierra Ton, una corriente fluye a travs del

    inductorL. Una parte de esta corriente va a la carga y la otra sirve

    como corriente de carga para el condensador C. Durante Ton,

    debido a la polaridad del voltaje entre los extremos de la bobina, el

    diodo D est polarizado en inversa y no conduce. Cuando el interruptor se abre Toff, el inductorL 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 directamente, evitando que altos voltajes sean inducidos

    en el inductor y habilitando un camino para el paso de corriente.Este diodo es conocido como flyback diode.

    Durante Toff la corriente que circula a travs de la carga es

    suministrada tanto por el inductor como por el condensador.

    Configuracin Step-Down (Buck

    Converter)

    30

    Fuentes de alimentacin por

    Switching

    Cmo se logra la regulacin del

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    En los reguladores conmutados la regulacin del voltaje de salida se

    logra manipulando el tiempo de conduccin del elemento decontrol. Una de las tcnicas ms comnmente usada es controlar el

    tiempo de conduccin mediante el uso de una forma de onda PWM,

    Modulacin del Ancho de Pulso.

    En la figura se muestra el circuito bsico de la configuracin Step-

    Down con el diagrama de bloques del circuito de control.

    Cmo se logra la regulacin del

    voltaje?

    31

    Fuentes de alimentacin por

    Switching

    Cmo se logra la regulacin del

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    Segn vemos en la figura anterior, el voltaje de salida Vo es censadopor medio del divisor de tensin formado por R1 y R2. Este es

    comparado con la tensin de referencia por el amplificador de error

    A1, produciendo una seal diferencial.

    El voltaje de salida Vo es usado para controlar el trippoint del

    comparadorA2, siendo la otra entrada de este alimentada con unaseal de diente de sierra o triangular.

    La seal de salida resultante es una seal, forma de onda, la cual

    tiene un ancho de pulso modulado PWM.

    Para lograr una retroalimentacin negativa y por consiguiente

    regular el voltaje de salida, el interruptorS se debe abrir cuando lasalida es baja y cerrarse cuando la salida del comparador es alta.

    Cmo se logra la regulacin del

    voltaje?

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    Fuentes de alimentacin por

    Switching

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    Si el nivel de voltaje de salida se incrementa por alguna razn, el

    nivel producido por el divisor de voltaje y por consiguiente el nivel

    de la seal de error se incrementa. El tiempo que toma el oscilador

    de diente de sierra para alcanzar el mismo nivel que la seal de

    error se incrementa tambin.

    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 L y por consiguiente la cantidad de energa transferida,

    contrarrestando de esta forma el incremento inicial en el voltaje de

    salida Vo.

    De igual forma cuando el voltaje de salida disminuye por algn

    motivo, el nivel de la seal de error tambin disminuye

    incrementndose de esta manera el tiempo de conduccin del

    elemento de control. Por lo tanto a ms corriente que fluya por el

    inductorL la tensin de salida Vo se incrementa.

    Cmo es esto?

    33

    Fuentes de alimentacin por

    Switching

    C fi i St U (B t

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    Con esta configuracin mostrada en la siguiente figura, podemosobtener voltajes de salida mayores que el voltaje de entrada.

    Configuracin Step-Up (Boost

    converter)

    34

    Fuentes de alimentacin por

    Switching

    C fi i St U (B t

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    Observando la figura anterior, cuando el interruptorS est cerrado,

    la corriente fluye a travs del inductorL, almacenando energa en

    este. El diodo D est polarizado en inversa y no conduce,

    bloqueando de esta forma al voltaje de entrada Vin que no puede

    alcanzar la carga.

    Cuando el interruptorS es abierto, el voltaje a travs del inductorL

    invierte su polaridad de tal forma que el diodo D se polariza en

    directo y la corriente fluye a travs de este cargando al

    condensadorC y suministrando corriente a la carga.

    El voltaje del inductorL se suma al voltaje de entrada Vin lo cualproduce un voltaje de salida mayor que el de entrada.

    Configuracin Step-Up (Boost

    converter)

    35

    Fuentes de alimentacin por

    Switching

    mo se regu a e vo a e e

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    Cuando el interruptor S es cerrado, el voltaje a travs de L se

    incrementa instantneamente hasta (Vin

    Vs). Durante el tiempo de

    conduccin (Ton) VL disminuye desde su valor inicial.

    Cuanto mayor sea Ton, menor ser el voltaje entre los extremos de

    L (VL) y por consiguiente menor el voltaje de salida. De igual forma

    mientras ms pequeo sea Ton, ms grande ser VL y mayor el

    voltaje de salida.

    mo se regu a e vo a e esalida?

    36

    Fuentes de alimentacin por

    Switching

    Mtodos para controlar el voltaje de

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    Existen dos mtodos comnmente usados para controlar el voltaje desalida en una fuente conmutada. Uno de ellos utiliza la variacin de la

    frecuencia de una forma de onda rectangular y el otro utiliza la

    variacin del ancho del pulso de dicha onda (PWM).

    El cambio de la frecuencia (modulacin) de operacin comnmente

    resulta en un circuito ms sencillo, pero tambin resulta en la

    generacin de un amplio espectro de seales no deseadas las cuales

    causan interferencias y pueden ser difciles de filtrar.

    El uso de la modulacin del ancho del pulso (PWM) permite un filtrado

    ms sencillo de las seales no deseadas. Una caractersticas til de

    una fuente conmutada que usa PWM es que ms de una fuente puede

    ser conectada como esclava a un reloj central, lo cual limita losbatimiento entre los osciladores. Este efecto de batimiento produce

    componentes de frecuencia por debajo de la frecuencia de operacin

    de la fuente. Esto a su vez puede significar problemas de ruido e

    interferencias si estos componentes se encuentra en el rango de

    frecuencias del equipo que est siendo alimentado.

    Mtodos para controlar el voltaje de

    salida

    37

    Fuentes de alimentacin por

    Switching

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    La tcnicapulse width modulation (PWM) consiste en hacer variar

    el ancho del pulso de una forma de onda rectangular.

    Existen diferentes formas mediante las cuales esto puede ser

    logrado, pero una de las ms ampliamente utilizadas consiste en

    el uso del timer 555.

    Modulacin del ancho de pulso

    38

    Fuentes de alimentacin por

    Switching

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    El circuito mostrado anteriormente, 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 moduladora delsegundo 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 estn variando de

    acuerdo al cambio en la amplitud del voltaje de control.

    Modulacin del ancho de pulso

    39

    Fuentes de alimentacin por

    Switching

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    Flyback (o buck

    boos tconverter)Como fue mencionado, las configuraciones mostradas anteriormente nos

    permite obtener otras configuraciones a partir de ellas. Una de estas

    configuraciones derivadas es la conocida como f lyback.

    Fuentes de alimentacin por Switching40

    Qu es el f lyback de la fuentes

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    Qu es el f lybackde la fuentes

    conmutadas?

    Fuentes de alimentacin por Switching41

    Es la operacin deconmutacin que genera un

    circuito produciendo impulsos

    hacia un inductor formado

    por dos bobinas. El circuito

    flyback consiste en: Una tensin de entrada

    continua de alta tensin

    Un elemento de paso ON-

    OFF

    Un inductor con dosbobinas

    Un rectificador en el

    circuito secundario.

    Un circuito de control.

    Esquema bsico de un conmutador

    flyback, donde se muestra los elementosy necesidades bsicas del circuito a partir

    de una corriente continua.

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    Una alta tensin de entrada continua

    Fuentes de alimentacin por Switching42

    Mientras que en una fuente convencional se parte de una fuente devoltaje primario de alta tensin de tipo alterna, en una fuente f lyback

    esta tensin debe ser de tipo continua (aunque no necesariamente

    regulada).

    Esto implica que en un convertidor AC/DC, previo al f lybackdeber

    existir algn tipo de circuito rectificador que genere esta alta tensin

    desde la fuente alternada primaria.

    +

    _

    230 Vca

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    Un elemento de paso

    Fuentes de alimentacin por Switching43

    Mientras que en una fuente

    convencional alterna la frecuencia

    est definida por la red (50Hz o 60

    Hz) y es fija, en una fuente f lyback

    existe un conmutador (usualmenteun transistor MosFet) que conmuta

    a muy alta frecuencia (de 40 KHz a

    100KHz) y con una relacin de

    trabajo variable. Incluso, esta

    frecuencia no es necesariamentefija, y puede ser disminuida (cyc le

    skip) en ciertas situaciones de muy

    bajo consumo.

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

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    Un inductor con dos bobinas

    Fuentes de alimentacin por Switching44

    En una fuente convencional se usa untransformador en el que se trata que circule

    una corriente alterna de valor medio nulo

    para evitar la magnetizacin, y donde se

    realiza una transferencia continua de

    energa del primario al secundario; encambio, en una fuente f lybackel principal

    es diametralmente distinto: mientras el

    conmutador esta ON circula por el bobinado

    primario de un inductor una corriente

    creciente, almacenando energa de forma

    de campo magntico en el ncleo y sin

    transferir energa al secundario; recin al

    abrirse el conmutador (OFF) es cuando se

    induce en el secundario una tensin del

    valor necesario para que esta energa sea

    transferida a ese circuito.

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    45/62

    Un rectificador en el circuito secundario

    Fuentes de alimentacin por Switching45

    Mientras que en una fuenteconvencional el rectificador del

    secundario conduce en ambos

    ciclos de alterna, en una fuente

    f lyback este rectificador slo

    conduce en parte del ciclo OFF delconmutador, desde el momento en

    que ste se abre hasta que se

    agota la energa magntica

    almacenada en el ncleo. El

    condensador de filtro en elsecundario debe mantener el

    suministro de energa a la carga

    hasta el prximo ciclo, y dado que

    la frecuencia de conmutacin es

    muy alta, este condensador suele

    ser de bajo valor, siendo ahora de

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    46/62

    Un circuito de control

    Fuentes de alimentacin por Switching46

    La diferencia con una fuente convencional es total. En una fuente

    convencional el regulador es un circuito lineal, opera en elsecundario, y controla la tensin de salida absorbiendo ladiferencia de tensin entrada/salida, disipando potencia.

    En cambio, en una fuente f lybackel circuito de control es SI/NO, ycontrola la tensin de salida regulando la energa que se transfieremediante cambios en el ciclo de trabajo (y a veces la frecuencia )

    del conmutador.

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    47/62

    Formas de onda en un flybackelemental

    Fuentes de alimentacin por Switching47

    l t l

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    48/62

    elemental.

    Fuentes de alimentacin por Switching48

    Mientras el switch est en ON, toda la

    tensin de entrada es aplicada al primario

    del inductor.

    La energa queda almacenada en el

    inductor y es igual a la que entrega la

    fuente.

    Durante Ton, la tensin inducida en V2 es

    negativa, por lo que el diodo no conduce.

    Al abrirse el switch, Toff, la energa

    almacenada en el inductor no puede

    desaparecer por lo que se induce una

    tensin de polaridad opuesta V1 ser

    negativa que refleja en el secundario como

    una V2 positiva, haciendo conducir al diodo.

    A medida que el inductor entrega energa

    por el secundario, la corriente I2 decrece en

    forma lineal hasta llegar a cero luego de un

    tiempo Tx en el que se agota toda la

    energa del inductor.

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    49/62

    Elementos en una fuente flybackreal

    En una fuente real aparecen ciertos elementos que difieren del

    modelo previo, y que obligan a ciertas correcciones.

    Fuentes de alimentacin por Switching49

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    50/62

    Estimacin del rendimiento

    Fuentes de alimentacin por Switching50

    Existen mltiples elementos que afectan el rendimiento de una fuentereal:

    Un inductor real no tiene un acoplamiento perfecto entre

    bobinados, por lo que de ambos lados (primario- secundario)

    existirn inductancias de dispersin. En cada conmutacin la

    energa almacenada en la inductancia de dispersin del primario noes transferida al secundario, debe ser disipada mediante algn

    circuito auxiliar, y genera prdidas.

    El switch MOS ms el primario del transformador generarn una

    capacidad parsita que es descargada a tierra a travs del switch

    cada vez que ste pasa al estado ON, disipando potencia. El diodo empleado en el rectificador del secundario presenta una

    cada de voltaje al estar en conduccin. Si bien un diodo Schottky

    puede tener una cada en directa de menos de 0,5 V, esta cada

    puede significar un valor importantsimo s la tensin de salida es de

    5 Voltios o menos.

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    51/62

    Filtro de entrada de red

    Fuentes de alimentacin por Switching51

    El filtro de lnea de

    entrada tiene como

    funcin proteger y

    bloquear los efectostransitorios que provienen

    de la red elctrica de

    230VCA y a la vez evitar

    la insercin en la red de

    interferencias generadaspor la propia fuente.

    Esquema de un filtro de entrada y proteccin

    Rectificador y filtro de alta

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    52/62

    Rectificador y filtro de altatensin

    Fuentes de alimentacin por Switching52

    El rectificador ms filtro

    de alta tensin genera

    una seal continua a

    partir de la alternapresente en la red

    elctrica, donde el filtro

    puede ser tan complejo

    como en la figura o de

    un simple condensadorse valdra.

    Rectificador y filtro de alta

    tensin

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    53/62

    Elemento del conmutador

    Fuentes de alimentacin por Switching53

    Para elegir un Switch MOSFETdebe asegurarse que la tensinde entrada mxima (incluyendoeventuales transitorios deentrada) ms la tensin inducidaen el inductor no pongan al

    transistor en ruptura.

    En general, se busca untransistor rpido y con bajacapacidad entre los terminalesDrain y Source (Drenador y

    Fuente), de modo que minimicelas perdidas de conmutacin.

    En aplicaciones tpicas de wall-adapter la perdida de energadebida a la resistencia delcondensador durante la

    conduccin es de menor

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    54/62

    Elemento inductor

    Fuentes de alimentacin por Switching54

    El transformador es uno de los puntosclave en el diseo de una fuenteconmutada, ya que eldesconocimiento de cmo hacerlo, lagran cantidad de ncleos de ferrita

    disponibles sumados a la dispersin ya veces confusin de especificacionesentre los distintos fabricantes haceque esta sencilla tarea se vuelva untanto oscura. Para ello, hay que:

    1. Determinar el tipo de ncleo deferrita.

    2. Determinar el tamao del ncleo.

    3. Usar inductores estndar.

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    55/62

    El snubber/clamping

    Fuentes de alimentacin por Switching55

    Se ha visto que cuando el conmutador pasa al estado OFF, la energa

    magntica almacenada en el inductor primario se libera principalmente atravs del secundario.

    Sin embargo la energa almacenada en la inductancia de dispersin del

    primario debe ser transferida a alguna parte, para no generar sobretensiones

    en el conmutador.

    Adems esta inductancia de dispersin del primario y las capacidades

    parsitas generadas por el propio bobinado y el conmutador pueden generar

    oscilaciones de muy alta frecuencia al inicio de Toff.

    Para evitar ambos efectos se agregan circuitos amortiguadores (snubber) que

    limitan la oscilacin y a la vez el valor de la mxima sobretensin que soporta

    el conmutador, y algunas de las soluciones tpicas se muestran en la figura,

    desde la ms simple a lo ms complejo.

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    56/62

    Rectificador de salida

    Fuentes de alimentacin por Switching56

    El rectificador ms filtro de

    salida recibe la energa

    almacenada en el inductor

    durante la etapa de

    conmutacin ON-OFF. Dadoque la frecuencia de

    conmutacin suele ser de 40

    KHz a 200 KHz., el lapso

    entre recargas es de algunos

    microsegundos, con lo quelos valores necesarios de

    capacidad son muy

    pequeos.

    Esquema del rectificador de salida y

    filtro LC.

    Alimentacin de los circuitos de control

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    57/62

    Alimentacin de los circuitos de control

    y monitorizacin de la tensin de salida.

    Fuentes de alimentacin por Switching57

    Tal como se coment, el conmutador es controlado por un circuito

    presente en la parte primaria del circuito, que vara su relacin detrabajo en funcin de la tensin en el secundario de la fuente; elloimplica la necesidad de obtener de alguna parte la energa necesariapara la operacin del circuito de control y de poder medir la tensin enel secundario.

    1. Alimentacin del circuito de control.

    2. Medicin de la tensin en el secundario.

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    58/62

    Circuitos de control

    Fuentes de alimentacin por Switching58

    Las fuentes de alimentacin conmutadas tienen a su disposicin unaamplia seleccin de circuitos integrados que satisfacen un amplio

    rango de aplicaciones. Estos ICs, los cuales simplifican el diseo,

    incluyen en su interior circuitos controladores y sistemas para

    manejar los switches.

    Aunque la mayora de los controladores y transistores deconmutacin fcilmente trabajan entre 300 KHz y 1 MHz muchas

    fuentes an operan bien por debajo de los 100 KHz., y es que a

    mayor frecuencia , significa mayores prdidas de conmutacin.

    La variedad de circuitos de control es muy amplia, y a continuacin

    se describen tres circuitos disponibles en el mercado:1. SG3524 de SGS-Thomson (ST Microelectronics).

    2. NCP1200 de ON Semiconductors.

    3. TEA 152x STARplug de Philips Semiconductors.

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    59/62

    Circuito de aplicacin usando el circuito

    integrado NCP1200A de ON Semiconductors.

    Fuentes de alimentacin por Switching59

    Se muestra una fuente universal muy simple , para tensiones de entrada

    desde 90 hasta 250 Vca, con tensin de salida de 6 V y potencia de 3,6

    W.

    rcu o e ap cac n usan o c rcu osi t d St Pl TEA152 d Phili

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    60/62

    integrados StarPlug TEA152x de Philips

    Semiconductors.

    Fuentes de alimentacin por Switching60

    Este circuito corresponde a una tensin de entrada desde 80Vac hasta

    276Vac, tensin de salida 5V y corriente de 600mA, operando a una

    frecuencia de unos 100 KHz.

    Ci it d li i d i it

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    61/62

    Circuito de aplicacin usando circuitos

    integrados VIPerXX de SGS-Thomson.

    Fuentes de alimentacin por Switching61

  • 7/30/2019 Fuentes de Alimentacion Conmutadas Switching

    62/62

    Fin de la presentacin