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