Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Su HistoriaSu Historia
TEMA6
¿Qué es una fuente de alimentación?
Una fuente de alimentación es un dispositivo que i l i lé i l iconvierte la corriente eléctrica alterna a corriente
continua.
También llamadas rectificadores transformadoresTambién llamadas rectificadores, transformadores, convertidores, alimentadores,... No siempre correctamente pero igualmente utilizados.
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TEMA6
Fuentes lineales
Las primeras fuentes de alimentación eranlineales. Un transformador que reducía la tensiónde entrada de 220/120 VAC a otra tensiónde entrada de 220/120 VAC a otra tensiónseguida de un puente de diodos y algún filtro paraestabilizar la salida.
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TEMA6
Fuente linealesFuente lineales
El inconveniente de lasfuentes lineales es su granfuentes lineales es su grantamaño, que disipan granparte de la energía en calor.C t tConsecuentemente sueficiencia se reduce y la vidade los componentespelectrónicos que puedanestar cercanos se vemermada
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mermada.
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TEMA6
Las necesidades en la carrera aeroespacial dereducir peso y consumo de toda la electrónicap yllevó al primer desarrollo de fuentes dealimentación conmutadas. Así en los añoscuarenta se dieron los primeros pasitos encuarenta se dieron los primeros pasitos ensistemas conmutados por parte de la NASA.
En 1977 se introduce la regulación en laEn 1977 se introduce la regulación en lamodalidad de conmutación
Con las fuentes de conmutación se viene amejorar el factor de eficiencia hasta en un 95%teóricamente, por lo cual su implementación enequipos de cómputación y video
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equipos de cómputación y video.
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TEMA6
En principio era una tecnología muy cara y
desconocida. Paulatinamente, el abaratamiento
de la electrónica y la miniaturización, ha
conseguido que las fuentes de alimentación
conmutadas se abaraten considerablemente,,
ofreciendo mayor estabilidad, seguridad,
eficiencia y a un precio similar a las fuenteseficiencia y a un precio similar a las fuentes
lineales.
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Principios de OperaciónPrincipios de Operación
TEMA6
Como opera un Regulador DC:Regulador DC:• Sensa los cambios en el
voltaje de salida.
• Usa algún tipo de circuito de
t li t ióretroalimentación.
• Efectúa algún tipo de control para compensarcontrol para compensar este cambio y mantener una salida constante.
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Principios de OperaciónPrincipios de Operación
TEMA6
En un regulador Monolítico:
La salida de voltaje es comparada con un voltaje dej p jreferencia y pasada por un amplificador de error .
La salida del amplificador de error es usada paraócontrolar el punto de operación de un transistor entre
su región lineal o sus dos puntos de corte ysaturación.
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Principios de OperaciónPrincipios de Operación
TEMA6
Regulador Monolítico
Voltaje de entradaVoltaje de salida
Sensor
Transistor regulador
Voltaje de salida
Detector deerror
Amplificador deerror
RL
Tensiónreferencia
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Principios de OperaciónPrincipios de Operación
TEMA6
Cuando el transistor
de paso opera en su
región intermedia de
corte y saturación, el
regulador opera comog p
un regulador lineal.
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Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Principios de OperaciónPrincipios de Operación
TEMA6
Mi t lMientras que al operar
en corte y saturación Oscilador
Volt
Entrada
este opera como un
regulador conmutado.
VoltRef.
LogicaControl
+-
ElementoControl
MuestreoEdtvT
V ONT
OO ⋅== ∫ δ0
1
Salida
T
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Principios de OperaciónPrincipios de Operación
TEMA6
La operación lineal tiene menor eficiencia que laoperación conmutadaoperación conmutada.
100% •=P t dPsalidaηSalidaDisipadaEntrada PPP +=Pentrada
ηp
CEODisipada VIP ⋅=
VIP ⋅=
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OOsalida VIP =
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Principios de OperaciónPrincipios de Operación
TEMA6
La operación conmutada es más eficiente debido a:
En la región de corte y en la región de saturación elEn la región de corte y en la región de saturación eltransistor presenta baja disipación través de él.
0≅⋅= CEsatODisipada VIPOscilador
VoltRef.
El t
Entrada
( ) 0≅−⋅= OEntradaCBODisipada VVIP
LogicaControl
+-
ElementoControl
M tp
%95100% ≅•=P dPsalidaη
Muestreo
Salida
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Pentradaη
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Principios de OperaciónPrincipios de Operación
TEMA6o
Bloques funcionales de un regulador conmutado
o Re
gula
do
Regu
lado
Rectificador yfiltro de entrada
Elemento ControlDiodo “catch” y Filtro de salida
AC N
o
DC
filtro de entradaLC
PWM Muestreador yOscilador
PWMComparador o
MVM
Muestreador y Amplificador de
error
Voltaje de Referencia
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TopologíasTopologías
TEMA6
Operación Reductora (Step Down):
ILVin Vout
ConfiguraciónConfiguraciónReductora
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Topología ReductorTopología Reductoraa
TEMA6
Características:
• Tienen una alta eficiencia.Tienen una alta eficiencia.
• Voltaje de Salida inferior al de entrada.
• Crea una cantidad de ruido relativamente grandeen la línea de entrada.
• A la salida del circuito el ruido que se detecta esmuy bajo.
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Topología ElevadorTopología Elevadoraa
TEMA6
Operación Elevador (Step Up):
ILV tVin Vout
IC
ConfiguraciónElevadora
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Elevadora
Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Topología ElevadorTopología Elevadoraa
TEMA6
Características:
i l fi i i
•Voltaje de Salida superior al de entrada.
• Tienen una alta eficiencia.
•Crea una cantidad de ruido en la línea de entradamenor que en el reductor.
•El ruido que se detecta a la salida del circuito esmayor que en el reductor.
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Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Topología InversorTopología Inversoraa
TEMA6
Operación Inversor (Buck-Boost):
Vin Vout
IcIL
ConfiguraciónInversora
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Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Topología InversorTopología Inversoraa
TEMA6
Características:
• Tienen una alta eficiencia.
•Voltaje de Salida negativo menor o mayor que elde entrada segun δ.
Tienen una alta eficiencia.
•Crea una cantidad de ruido en la línea de entradarelativamente alto.
•El ruido que se detecta a la salida del circuito esmayor que en el reductor.
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Topología ReductorTopología Reductoraa
TEMA6
Ecuaciones:
TLVT
LVE CC )1( δδ −=
−LL
)1()( δδ VVE )1()( δδ −=− CC VVE
EVC δ=
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Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Topología ReductorTopología Reductoraa
TEMA6
Ecuaciones:
−
+=LT
REI MAXL 2
)1(1)(
δδ LR 2
−
−=TEI )1(1 δδ
−=LR
EI MINL 2)( δ
)1(8
2
δ−=∆LV
CTV O
O
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8C
Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Topología ElevadorTopología Elevadoraa
TEMA6
Ecuaciones:
TEII MINLMAXL δ
=− )()( LMINLMAXL δ
)()(
VE − TLVEII O
MAXLMINL )1()()( δ−
=−
EVO )1(1δ−
=
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)( δ
Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Topología ElevadorTopología Elevadoraa
TEMA6
Ecuaciones:
TLE
REI MINL δδ 2)1( 2)( −=
LR δ 2)1( −
TLE
REI MAXL δδ 2)1( 2)( +
−=
)(
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Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Topología ElevadorTopología Elevadoraa
TEMA6
Ecuaciones:
CT
RVV O
Oδ
=∆
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Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Topología InversoraTopología Inversora
TEMA6
Ecuaciones:
TLEII MINLMAXL δ=− )()(
TVII CMAXLMINL )1()()( δ−−=− T
LII MAXLMINL )1()()( δ
δ EVV OC δδ−
==1
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Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Topología InversoraTopología Inversora
TEMA6
Ecuaciones:
LTE
REI MINL 2)1( 2)(
δδ
δ−
−=
TEE δδLTE
REI MAXL 2)1( 2)(
δδ
δ+
−=
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Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Topología InversorTopología Inversoraa
TEMA6
Ecuaciones:
CT
RVV O
Oδ
=∆
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Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Diseño con dispositivos discretosDiseño con dispositivos discretos
TEMA6
0.5mHTN3467A
Regulador Conmutado reductor de +5V
.IC
CMD10V
+
C31000uFD1
SKYDIODE
V4
+12V
U1U2
UA555R1010
R9150
R850
R6R30k
RA600k
Q3TN3725A.IC
1Gnd2Trg3Out4Rst 5Ctl6Thr7Dis8Vcc
UA555
C
0.01uF+
C1 +
CT
1Gnd2Trg3Out4Rst 5Ctl6Thr7Dis8Vcc
UA555
.IC
R733
22030k
RB10k
C2690pF
V2+12V
C1.01uF
CT.001uF R11
5.1k
R51000k
Vin
GNDTrim Out
U4REF02D
V1+12V
Q2NPN
Q1NPN
+
U3LF351/NS
R45.1k
R31k
R1
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R2470
R115k
Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Diseño con dispositivos discretosDiseño con dispositivos discretos
TEMA6
Formas de Onda del Regulador reductor de 5V
0.000ms 2.000ms 4.000ms 6.000ms 8.000ms 10.00msA: u2_3 17.50 V
-2.500 VB: r6 1 12.50 V6_
-2.500 VC: l1[i] 3.500 A
0 500 A-0.500 AD: q2_3 10.00 V
0.000 VE: cmd1_1 6.000 VF: u4_6
0.000 V
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Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Diseño con dispositivos discretosDiseño con dispositivos discretos
TEMA6
Regulador Conmutado reductor de 9V.IC
CMD10VQ4
TN3467AL1
0.5mH
R9
1Gnd2Trg3Out4 56Thr7Dis8Vcc
U2UA555
1Gnd2Trg3Out 6Thr7Dis8Vcc
U1UA555
.IC
V4
+12V
Q3TN3725A
D1SKYDIODE1
+
C31000uFRA
600k R20k
R6220
R7
R850
R9150
R1090
.IC
4Rst 5Ctl
+
CT.001uF
+
C1.01uF
C
0.01uF
Out4Rst 5CtlThr
R12
RB10k
R5
R733
R115.1k
+
V1+12V
V2+12V
C2690pF
R126.38k
R31k
R51000k
U3LF351/NS
Q1NPN
Q2NPN
Vin
GNDTrim Out
5V
U4R115k R2
470
R42.8k
EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 30
Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Diseño con dispositivos discretosDiseño con dispositivos discretos
TEMA6
Formas de onda del Regulador reductor de 9V
0.000ms 2.000ms 4.000ms 6.000ms 8.000ms 10.00msA: u1_2 17.50 V
-2 500 V2.500 VB: u1_3 12.50 V
-2.500 VE: l1[i] 3.500 A[ ]
-0.500 AC: q2_3 10.00 V
0.000 VD: cmd1_1 10.00 V
0.000 V
EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 31
Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Diseño con dispositivos dedicadosDiseño con dispositivos dedicados
TEMA6
Controlador PWM TL494 de Motorola
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Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Diseño con dispositivos dedicadosDiseño con dispositivos dedicados
TEMA6
Regulador de +24 V usando el TL494
D21
8V-20V
R2447 1N4934
+
C2050uF
Q21
MMBT4258C21
0.01uF
24V
+
C2350uF
+
C24
L203.5mH
C26 TL494A-1
12
VCC
3Comp
2-
1+8C1
T20
R21
R2222k
47
R2533k
R261M
D201N4934Q20
MMBT4258C2450uF
F
C260.01uF
TL494A 1
13
OC
14
VREF
4
DT
5
CT
6
RT
9
E1
10
E2
7
GND16+
15- 11C2R20280
5.78k
R2347
R28
R301
0V
C2210uF
0V
0.001u
C25R274.7k
4.7k
R2910k
15k R31
EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 33
Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Diseño con dispositivos dedicadosDiseño con dispositivos dedicados
TEMA6
Regulador conmutado reductor de +5 V usando elTL494 Q1
TN3467AL11mH
R3R1047
BE
+ V140V D1
DIODE
+
C30.1uF
1
2-
3Comp
11
C2
8
C112
Vcc
47k
R41Meg
R85.1k
R11150C F
+
C2500uF
+
C450uF
TL494 NMDB
15-
14Vref
1+
U1
R55.1k
R65.1k
R95
D
C11nF
500uF 50uF
5
CT
6
RT
13
O.C
4
D.T
7
GND
9
E110
E2
16+
R155k
R7150A
R20.1
EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 34
Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Diseño con dispositivos dedicadosDiseño con dispositivos dedicados
TEMA6
Regulador conmutado reductor de +5 V usando elTL494
0 000ms 0 500ms 1 000ms 1 500ms 2 000ms 2 500ms 3 000ms 3 500ms 0.000ms 0.500ms 1.000ms 1.500ms 2.000ms 2.500ms 3.000ms 3.500msA: c1_2F: c3_2
7.000 V
-1.000 V1.000 VB: l1_2D: u1_14
7.000 V
-1.000 VC: u1_8 50.00 V
0.000 VE: l1[i] 4.500 A
-0.500 A
EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 35
Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Diseño con dispositivos dedicadosDiseño con dispositivos dedicados
TEMA6
Regulador conmutado inversor de -5 V usandoel TL494 Q1
TN3467A D1DIODE
V1
12
C30.1uF
3C11
C2
8
C1
12
Vcc
R41Meg
R1047
R11150 R2
47k
A
14
1+
2-
3CompC2C1Vcc g
R510k R9
R1310k
+
C4330uF+
C2330uF
L12mH
TL494 NMDB
16+
15-
14VrefU2
R65.1k
1.5kR125.1k
C11nF
5
CT
6
RT
13
O.C
4
D.T
7
GND
9
E1
10
E2
R155k
R7158
R80.1
EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 36
Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Diseño con dispositivos dedicadosDiseño con dispositivos dedicados
TEMA6
Regulador conmutado inversor de -5 V usandoel TL494 0.000ms 0.250ms 0.500ms 0.750ms 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms
A: u1_5B: u1_3
6.000 V
-2.000 VC: u1_8 50.00 V
0 000 V0.000 VE: l1[i] 4.500 A
-0 500 A-0.500 AD: c4_2 2.000 V
-6.000 V
EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 37
6.000 V
Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Diseño con dispositivos dedicadosDiseño con dispositivos dedicados
TEMA6
Regulador conmutado Elevador de +15 V usando elTL494
D1DIODE
L1100 H DIODE1 2100uH
C10.1uF
3Comp11
C2
8
C1
12
Vcc
R11Meg
R247k
A
+V1
10V
+
C3 +
C4TL494 NMDB
14Vref
1+
2-
R107.65k
R815.3k
R35.1k
R4 R9C3
50uF
C4
50uF
CT RT O.CD.T GND E1 E2
16+
15-
R45.1k
R91.5k
C21nF
5 6 134 7 9 10
R5102
R655k
EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 38
R71
Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Diseño con dispositivos dedicadosDiseño con dispositivos dedicados
TEMA6
Regulador conmutado Elevador de +15 V usando elTL494
15.00 VA: d1_k
14.00 V
13.00 V
12.00 V
11.00 V
10 00 V
0.000ms 2.500ms 5.000ms 7.500ms 10.00ms 12.50ms 15.00ms
10.00 V
9.000 V
EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 39
TEMA6 Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Diseño con dispositivos dedicadosDiseño con dispositivos dedicados
Controlador en modo corriente UC3842A Motorola
EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 40
TEMA6 Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Diseño con dispositivos dedicadosDiseño con dispositivos dedicados
Regulador Flyblack fuera de línea de 27W
EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 41
TEMA6 Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Cálculo del inductorCálculo del inductor
La inductancia de un arrollado alrededor de un anillo toroidal de un material con un núcleo de sección transversal circular yun material con un núcleo de sección transversal circular y permeabilidad relativa µr es :
L = inductancia en Hµ0 = permeabilidad del aire= 4π × 10-7 H/mµr = permeabilidad relativa del núcleoµr pN = número de vueltasr = radio del arrollado de la bobinaD = diámetro total del anillo toroidal en metrosD = diámetro total del anillo toroidal en metros
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Fuentes de Alimentación ConmutadasFuentes de Alimentación Conmutadas
Comparación con reguladores linealesComparación con reguladores lineales
TEMA6
P á t C t d Li lParámetro Conmutada LinealEficiencia 75% 30%Tamaño 2W/in3 0.5W/in3
Regulación de Línea y de carga 0.1% 0.1%
Rizo en la salida 50mVpp 5mVppRizo en la salida 50mVpp 5mVppRuido 50 a 200 mVpp ---Respuesta transitoria 1mS 20uSpTiempo de sostenimiento 20 a 30 mS 1 a 2 mS
Desempeño de una Fuente de Alimentación Conmutada a 20kHz versus una Fuente lineal
EL1313-Electrónica III 2005 Raúl Abreu-UNEXPO 43
Desempeño de una Fuente de Alimentación Conmutada a 20kHz versus una Fuente lineal