fuentes conmutadas
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03/12/2014
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REGULADOR DE TENSION CONMUTADO
(FUENTE SWITCHING)
Cátedra de Dispositivos Electrónicos Departamento de Electricidad, Electrónica y Computación (DEEC)
FACET - UNT
Fuente de tensión continua
Fuente ideal de tensión
Fuente real de tensión
IL
V
Vripp
RS
+
_
VL
IL
V
V = cte.
VL = cte.
IL sin limitación de valor
V ≠ cte.
+
_
VL
VLripp
VLripp
TAMB < TMAX
IL < IMAX
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Fuente de tensión continua regulada
+
_
VL
IL
V
IL
V
Vripp
RS
+
_
VL
VLripp
REGULADOR
REGULADOR
Disminuir Rs
Disminuir Vripp
Estabilizar VL
Esquema Fuente Regulada Lineal
TRAFO
Vi
AC
RECTIFICADOR +
FILTRO AC
REGULADOR LINEAL
CC
PROTECCION V
L
CC
CC
-
+ R2
R1
Vref
Vo
Vi+Viripp
Ri
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Convertidores de Energía
Entrada Salida
Alterna Continua
Continua Alterna
Alterna Alterna
Continua Continua
FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS (SWITCHING)
• También llamadas Fuentes Switching.
• Se distinguen con ese nombre a los convertidores de Corriente alterna (AC) a corriente continua (DC) o los convertidores DC/DC, cuyo principio de funcionamiento se basa en la conmutación de una llave mas que en un circuito lineal.
• Las fuentes conmutadas fueron desarrolladas como consecuencia de los problemas de disipación térmica, peso y volumen de los reguladores lineales.
• Hoy en día son de uso común en aplicaciones industriales y comerciales.
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FUENTE REGULADA SWITCHING
RECTIFICADOR + FILTRO
Vi
AC
CONVERTIDOR CC/AC
CC
RECTIFICADOR + FILTRO SALIDA
AC
PROTECCION V
L
CC
CC
CONTROLADOR
AC
CC
• Vi normalmente red de distribución 220 V → 50Hz
• Convertidor CC/AC → entrega una tensión de frecuencia ≥ 20 KHz
• A frecuencia elevada el filtro de salida utiliza componentes de menor valor y se utiliza una configuración L – C
• Se puede además utilizar transformadores de menor peso y volumen
• El CONTROLADOR puede variar alguna característica de la tensión alterna de alta frecuencia para compensar las variaciones de la tensión de salida VL
ESQUEMA GENERAL DE UNA FUENTE CONMUTADA
- La tensión de entrada Vi se rectifica y se filtra directamente
de la red
- La tensión continua obtenida se convierte en alterna de alta
frecuencia
- Mediante un circuito de
control se varia alguna
característica de la tensión
alterna de alta frecuencia para compensar las variaciones de la tensión de
salida VL
- La tensión alterna de alta frecuencia permite reducir
el tamaño del transformador y del filtro
de salida
RECTIFICADOR
Y FILTRO
REF
PWM
OSC
Pulsante (continua +
ripple)
Alta frecuencia
(cuadrada)
CONTROLADOR
RECTIFICADOR Y FILTRO
DE SALIDA
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REGULADOR CONMUTADO PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Vo
Vo
𝑉𝑚𝑒𝑑 =1
𝑇 𝑣0 𝑡𝑇
0
𝑑𝑡 𝑉𝑚𝑒𝑑 =1
𝑇 𝑉0 𝑑𝑡𝑡𝑜𝑛
0
𝑉𝑚𝑒𝑑 =1
𝑇 𝑉0𝑡𝑜𝑛 𝑇 = 𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑜𝑓𝑓 =
1
𝑓
𝑉𝑚𝑒𝑑 = 𝑉0 𝑡𝑜𝑛
𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑜𝑓𝑓
D = 𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜
𝐷 = 𝑡𝑜𝑛
𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑜𝑓𝑓
𝑉𝑚𝑒𝑑 = 𝑉0 𝐷
𝑉𝑚𝑒𝑑 = 𝑉0𝑡𝑜𝑛f
Si R << R0 V0 ≈ VCC 𝑉𝑚𝑒𝑑 = 𝑉𝐶𝐶𝑡𝑜𝑛f = 𝑉𝐶𝐶𝐷
Circuitos Inversores
BUCK (V0 < V)
BOOST (V0 > V)
V0
V0
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Circuito propuesto (Reductor BUCK)
Vo
INVERSOR CC → AC
Inversor Buck con el interruptor cerrado
𝑉 = 𝑉𝐿 + 𝑉0 𝑉 = 𝐿𝑑𝑖𝐿𝑑𝑡+ 𝑉0
𝑑𝑖𝐿𝑑𝑡=𝑉 − 𝑉0𝐿
=𝛥𝐼𝐿𝑡𝑜𝑛
∆𝐼𝐿 =𝑉 − 𝑉0𝐿
𝑡𝑜𝑛
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Inversor Buck con el interruptor abierto
𝑉0 = −𝑉𝐿 = −𝐿𝑑𝑖𝐿𝑑𝑡
𝑑𝑖𝐿𝑑𝑡=𝑉0𝐿= −
𝛥𝐼𝐿𝑡𝑜𝑓𝑓
La disminución de
corriente será:
𝛥𝐼𝐿 = −𝑉0𝐿 𝑡𝑜𝑓𝑓
Tensión continua de salida del convertidor Buck
Energía almacenada en el inductor
Energía almacenada durante ton
Energía entregada durante toff
Tensión continua de salida
𝑉 − 𝑉0𝐿
𝑡𝑜𝑛 =𝑉0𝐿 𝑡𝑜𝑓𝑓
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El ripple de la tensión de salida es la tensión en el capacitor consecuencia de ΔiL:
Tensión de ripple de salida La tensión de salida tiene una componente de alterna, producto de la corriente
variacional ΔiL (zumbido de corriente en el inductor) que circula por el capacitor suponiendo (Xc<<Ro).
iL t = −iC t
𝑣𝐶 𝑡 =1
C 𝑖𝐶 𝑡 dt
𝑣1𝐶 𝑡 → 0 < 𝑡 < 𝑡𝑂𝑁
𝑣2𝐶 𝑡 → 𝑡𝑂𝑁 < 𝑡 <T
𝑖1𝐶 𝑡 = −∆𝐼𝐿𝑡𝑂𝑁
𝑡 − 𝑡𝑂𝑁 −∆𝐼𝐿2
𝑖2𝐶 𝑡 =∆𝐼𝐿𝑡𝑂𝐹𝐹
𝑡 − 𝑇 +∆𝐼𝐿2
𝑉𝐶𝑃 − = 𝑣1𝐶 𝑡 𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑡 = 𝑡𝑂𝑁2
𝑉𝐶𝑃 + = 𝑣2𝐶 𝑡 𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑡 = 𝑡𝑂𝑁 +𝑡𝑂𝐹𝐹2
ΔIL
vC
ton T 0
IC
VCP(-)
VCP(+)
tOFF
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Vpp = Vcp(+) + Vcp(−) Vpp =1
𝐶
∆𝐼𝐿8 𝑇
Vcp(−) =1
C
∆IL8D. T Vcp(+) =
1
C
∆IL81 − D T
ton T 0
ΔIL
𝐕𝐩𝐩
Circuito de Prueba (Simulador) Filtro Fuente SW
𝐷 = 0.5 𝑇 = 20 𝜇𝑠
∆𝐼𝐿 =𝑉1 − 𝑉0𝐿
𝑡𝑜𝑛
𝑡𝑜𝑛 = 10𝜇𝑠 𝑉1 = 20𝑉 𝑉0 = 10𝑉
∆𝐼𝐿 =20 − 10
300 10−610 × 10−6 ∆𝐼𝐿 =
1
3𝐴 (333 𝑚𝐴)
Vpp =1
𝐶
∆𝐼𝐿8 𝑇 Vpp =
1
20 × 10−6
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8 20 × 10−6 𝑉𝑝𝑝 =
1
24𝑉 (42 𝑚𝑉)
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Gen. Rampa
Comparador
V
Icc IL
Ic ID
Vo
+
-
-
+ R2
R1
Vref
Amp. Error
Esquema de la Fuente Regulada con el circuito de Control
PWM Modulador de ancho de Pulso
Generador Diente
de Sierra
Verror
VOUT
Verror
VOUT
Verror
Verror
VOUT
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VERROR
VCONT
VCONT
V1
t
t
PWM
Simulación Modulador Ancho de Pulso (PWM)
Diente de Sierra V1
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Simulación Fuente SWITCHING Diente de Sierra V2
ESQUEMA GENERAL DE UNA FUENTE CONMUTADA:
Comparador
V
IL
Ic ID
Vo
+
-
-
+ R2
R1
Vref
Gen. Rampa
Amp. Error
R3
R4
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TL494 Circuito de control por PWM
• El TL494 incorpora en un solo chip todas las funciones requeridas para la construcción de un circuito de control por modulación de ancho de pulso (PWM)
• Diseñado principalmente para el control de fuentes de alimentación.
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Características • Frecuencia fija (RT y CT).
• Dos amplificadores de error.
• Oscilador de frecuencia ajustable
• Comparador para el control de tiempo muerto (DTC).
• Flip flop D para el control de los transistores de salida.
• Dos transistores de salida.
• Rango de temperatura: 0 a 70°C (TL494C) o
-15 a 85°C (TL494I)
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TL494: Diagrama interno
PRINCIPIO DE OPERACIÓN La modulación de los pulsos de salida se logra
mediante la comparación de una forma de onda diente de sierra (creada internamente por el CI) con las señales de control: DTC y la salida de los amplificadores de error.
La etapa de salida se habilita durante el tiempo en el cual el voltaje de la diente de sierra es mayor que el de las señales de control.
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PRINCIPIO DE OPERACIÓN
TL494: Esquema de pines
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Ejemplo de aplicación TL494
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Ejemplo de aplicación TL494
CIRCUITO REDUCTOR/ELEVADOR BUCK/BOOST
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• Con el interruptor cerrado: V1=Vcc
La tensión V2 tiene la polaridad invertida con respecto a V1, por lo tanto el diodo no conduce : I2=0. Además:
• Con el interruptor abierto: V2=-V0
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𝑡𝑂𝑁 𝑡𝑂𝐹𝐹
T
𝑉1𝐿𝑡𝑂𝑁
𝑉1𝐿𝑡𝑂𝑁
En régimen estacionario se cumple que la energía almacenada por L1 durante ton es igual a la energía liberada en el tiempo toff. Por lo tanto:
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REDUCTOR BUCK
CIRCUITO REDUCTOR/ELEVADOR BUCK/BOOST
D1
D2
D3
+
-
-
+
R2
R1
Lo
Co
Rectific.
Puente
n1
n3
n2
R0
Vcc
Ip
Io
V1
V2
V0
Vref
Gen.
Rampa
Amp. Error
Comparador
ESQUEMA GENERAL DE UNA FUENTE CONMUTADA TIPO DIRECTA (Forward)
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FIN
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