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5/16/2018 Articulo de Tesis_FUENTE - slidepdf.com

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA FUENTE

CONMUTADA TIPO FORWARD A 180WJunio de 2010

Por: Alexander Serrate Silva

Cristian Ríos Palacios

Javier F. Castillo ¡Garcia

Entre los objetivos, se obtuvo la generación de algoritmos que permitieron construir unafuente conmutada, obteniendo criterios generales de diseño para la topología forward,

estableciendo la fuente conmutada de forma simulada (software) que entregue lascaracterísticas de diseño y obteniendo las formas de construcción de inductores ytransformadores de RF para fuentes conmutadas deseadas.

En el alcance esperado se determino el software adecuado (SPICE) para simular y analizarque control se puede ejercer en el circuito, integrando un sistema de control apropiado aldiseño, basado en las características de los componentes de los fabricantes que resistieronpruebas como uso continuo de trabajo y temperaturas generadas por los mismos.

Los resultados obtenidos están en el desempeño de la fuente con un 80% de eficiencia,(contra un 50% de una fuente lineal) presenta una regulación cruzada de un 70% para la

salida de 5V y un 30% para la salida de 12V a full carga, posee un rango de alimentaciónde entrada entre 100 y 150 VAC, obteniéndose la simulación deseada junto con losresultados de laboratorio.

Palabras claves: algoritmo, implementación, simulación, laboratorio.

Cuando hablamos de fuentes de alta conmutación,nos referimos a todo un desafío de la electrónicaaplicada, entre la simulación Vs la implementación,los factores a tenerse en cuenta en el diseño constandesde la construcción de los componentes hasta elencendido inicial con los resultados deseados.



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INTRODUCCIÓN

El estudio de las fuentes conmutadas se iniciaron en los años 60, en aplicaciones militares,anteriormente las fuentes que utilizaban tubos de vacío no era posible la conmutación por

sus filamentos. Las fuentes de tubos tenían enormes perdidas al entregar energía por lacomposición de sus elementos, con la llegada de los semiconductores en los años 50 selogró crear una fuente que se activara y desactivara rápidamente sin pérdidas de potencia.En aquella época se necesitaban fuentes que soportaran los cambios en la carga sin alterarsus características físicas de ahí que se pensó en la conmutación.

El análisis e implementación de la fuente conmutada tipo forward, se baso en modelos“forward” existentes de hojas de datos de fabricantes y libros, conociendo suscaracterísticas como frecuencia de conmutación, potencia, dimensionamiento deltransformador, control, adoptando los cálculos mas significativos de estos trabajos y sus

componentes para nuestra fuente en particular, logrando así una implementación tangible.

Este trabajo se debió a que no se tienen fuentes conmutadas forward de alta frecuencia(100Khz) y mayor potencia (180W) con voltajes de salida pequeños (5V y 12V) soportandoasí alimentar mas dispositivos dentro de estos rangos, con una corriente importante (18 -20 amp) permitiendo una mayor transferencia de energía a la salida por conmutación.

Además logramos construir una serie de algoritmos necesarios para desarrollar laconstrucción de la fuente en cada una de sus secciones como la etapa de rectificación, laselección del núcleo, bobinas, filtro de salida y función de transferencia.

CONSTRUYENDO LA FUENTE CONMUTADA TIPO FORWARD

Aquí se proponen los algoritmos empleados en el curso de la implementación práctica delesquema propuesto.

1. Etapa de rectificación y filtro de entrada

Inicio Especificaciones Obtención parámetros Calculo Condensador

Calculo Corrientes

Vac, f, ∆Vc

Pout, η, Ref, VrW, Vpk, Vcmin, R,

Fin



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En las especificaciones definimos los valores nominales del rectificador de entrada, comoel rango de voltaje de entrada, frecuencia, ripple del filtro, potencia de salida, eficiencia delconversor, resistencia efectiva, voltaje rizo.

En la obtención de parámetros se realizan los cálculos previos como la frecuencia angular,el voltaje pico, la entrada de voltaje mínima y la resistencia vista por el rectificador.

Una vez encontrado el valor del condensador hallamos el cálculo de la corriente máxima yla corriente promedio.

2. Transformadores para fuentes conmutadas:

A continuación relacionamos por criterio de diseño los parámetros de importancia como el

error de entrada de la señal de C.A, ciclo de trabajo máximo, frecuencia de conmutación,eficiencia del conversor, la densidad de corriente máxima, el flujo magnético, el factor deventana de núcleo, el factor de topología, la tensión de entrada y el factor de diseño.

Los resultados obtenidos para el diseño son la variación de la tensión de entrada, el voltajepico, el voltaje de entrada máximo y mínimo, la relación de salidas, potencia de salida yentrada y relación de corrientes del transformador.

Inicio Especificaciones Obtención parámetros 1

no

SI

Kp =1 / salidas + 2Calculo de potencia

Dmax, fs, , Jmax, Ku,

Kt, Vac, K

Var, Vpk, Vmin, Vmax,

Kp, Pout, Pin, Irms

Calculo de Irms

Calculo de núcleo

Ap, Ae, Aw

i = 0 - 9Tabla i s A > 0.3

Tabla i s A < 7

no

a =ap = tabla [i] [s] b =ae = tabla [i] [0]

c = aw = tabla [i] [1]

Fin



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De la relación de los cálculos anteriores se determina el cálculo del núcleo deltransformador basado en la siguiente tabla que muestra las medidas físicas de diseño.

Donde Ae = (área del núcleo) Aw = (área de la ventana) Ae * Aw = Ap = (área total)

Implementación (devanado primario del transformador)

Laboratorio Simulación

0

V

0

L2

7uHIC = 10A

PWM_SAW1

f s = 100kHz

1 2c s

o

o

o

XFRM_3W1

V1160V

+

S1 1m

C12200ufIC = 5V

V2

0.4v

VR24

R3

1meg

D3

R5

100k

D5

D2

V

D4



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3. Control de la fuente conmutada

( )

( )

∫

En el circuito de control tomamos el voltaje mínimo que es la condición mínima en que lafuente es estable, el numero de vueltas del primario, la tensión diente sierra que genera elPWM, las vueltas de la bobina secundaria, con estos datos se obtiene la función detransferencia propuesta y el lugar geométrico de las raíces, para finalmente diseñar elcompensador de la fuente ante los cambios que pueda tener la o las salidas secundarias.

Implementación Señal “gate” lazo cerrado, con carga

Señal “gate” lazo cerrado, con carga

InicioEspecificaciones Obtención F de T Obtención LGR

Vmin, Np, Vsierra,

Ns1, Lo1, Co1, Rse1

Fin Compensador

D5

V

V4

R11

PWM_SAW1

fs = 100kHz

1 2c s

D4

0

D2 L2

7uHIC = 10A

R3

1meg

0

kc*(1+s/Wzb)*(1+s/Wzb)

(1+s/Wpb)*(1+s/Wpb)

D3C12200uf

IC = 5V

0.5V

1.0 0.9

0.1

0

o

o

o

XFRM_3W1

R5

100k

V1

160V

+

S1 1m

error



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Laboratorio (A. bobina secundaria de 5V sin carga B. bobina secundaria de 5V con carga.C. salida de 5V con carga, lazo cerrado)

A B C

CONCLUSIONES

1. La herramienta Orcad que corre bajo Spice, permite simular de forma independiente

sistemas de lazo abierto y cerrado, aun si no se cuenta con la librería apropiada es

posible trabajar con bloques de funciones donde se inserta la función de

transferencia matemáticamente.

2. Orcad permite adicionalmente simular con sub-sistemas de circuitos, cuando un

componente tiene muchos dispositivos integrados y hace más difícil el resultado de

la simulación.

3. Regulación de línea de 2.8% (para la salida de 5v) y 4.8% (para la salida de 12v)

4. Eficiencia del 75% de potencia entregada.

5. Característica de protección (overload) hasta con una resistencia de 0.33 ohmios.

6. Cuenta con una fiabilidad aproximada de 75.000 horas de funcionamiento.

7. Variación de voltaje a 1.5% de la máxima corriente exigida (para la salida de 5v)

8. Variación de voltaje a 3% de la máxima corriente exigida (para la salida de 12v)

9. En la EMI es fundamental la resistencia térmica, debido que esta, no permite el

corto circuito temporal que hace el condensador del puente rectificador al cargarse,

cambiando su temperatura, y hace de “colchón” suavizando este cambio,

protegiendo así la red eléctrica de entrada y la rectificación de la fuente conmutada.



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BIBLIOGRAFIA

ANTONIO CARRES. Diseño, construcción, simulación, medición de una fuente

conmutada. www.iteso.mx/ ~erayas/documents/cad course BROWN M. Power Supply Cookbook. Newnes, 2001.

FERNANDEZ MARCELO. Diseño por software de fuentes conmutadas.Valparaíso, 2003

LESTER J. HADLEY, JR. AN1272 application note UC3842, 1996.

NACHEZ A. Aplicaciones de la conversión CC-CC Fuentes Conmutadas. UniversidadNacional de Rosario, 2002

COMPENSACION DE LAZO OPTOACOPLADO. / riai .isay. upv.es / cg5 – bin /

artículos revisados 2008.

Proyectos obtenidos:Proyecto TV Guía, implementación de grilla de canales privados vía satéliteProyecto ATH, implementación en red de videogradoras digitales

Alexander Serrate Silva, tecnólogo en electrónica, experiencia de 12años en sistemas de seguridad electrónica, circuitos cerrados de TV,redes y comunicaciones, receptores satelitales.Correo electrónico: alexserrate@ ahoo.com

Cristian Ríos Palacios, tecnólogo en electrónica, experiencia enmantenimiento de maquinas registradoras, contadoras de monedas,billetes, y neumática.Correo electrónico: [email protected]

http://www.iteso.mx/~erayas/documents/cad%20course





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