REGULADOR DE TENSION CONMUTADO

(FUENTE SWITCHING)

Cátedra de Dispositivos ElectrónicosDepartamento de Electricidad, Electrónica y Computación (DEEC)

FACET - UNT

Fuente de tensión continua regulada

+

_

VL

IL

V

IL

V

Vripp

RS

+

_

VL

VLripp

REGULADOR

REGULADOR

Disminuir Rs

Disminuir Vripp

Estabilizar VL

REGULADOR LINEAL SERIE(PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO)

Para que VL = cte.

V

Vripp

RS R

RLVL

IL

Fuente No regulada

Controlador

Esquema Fuente Regulada Lineal

TRAFO

Vi

AC

RECTIFICADOR+

FILTROAC

REGULADORLINEAL

CC

PROTECCIONVL

CC CC

-

+ R2

R1

Vref

Vo

Vi+Viripp

Ri

REGULADOR CONMUTADOPRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Vo

𝑉𝑚𝑒𝑑 =1

𝑇 0

𝑇

𝑣0 𝑡 𝑑𝑡

𝑉𝑚𝑒𝑑 =1

𝑇 0

𝑡𝑜𝑛

𝑉0 𝑑𝑡

𝑉𝑚𝑒𝑑 =1

𝑇𝑉0𝑡𝑜𝑛

Vo

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

𝑉𝑚𝑒𝑑 =1

𝑇𝑉0𝑡𝑜𝑛

FUENTE REGULADA SWITCHING

RECTIFICADOR + FILTRO

Vi

AC

CONVERTIDOR CC/AC

CC

TRAFO+RECTIFICADOR + FILTRO SALIDA

AC

PROTECCIONVL

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

Convertidores de Energía

Entrada Salida

Alterna Continua

Continua Alterna

Alterna Alterna

Continua Continua

C O N V E R T I D O R SalidaEntrada

FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS(SWITCHING)

• También llamadas Fuentes Switching.

• Se distinguen con ese nombre a los convertidores deCorriente alterna (AC) a corriente continua (DC) o losconvertidores DC/DC, cuyo principio defuncionamiento se basa en la conmutación de unallave mas que en un circuito lineal.

• Las fuentes conmutadas fueron desarrolladas comoconsecuencia de los problemas de disipacióntérmica, peso y volumen de los reguladores lineales.

• Hoy en día son de uso común en aplicacionesindustriales y comerciales.

Circuitos Inversores

BUCK (V0 < V)

BOOST (V0 > V)

V0

V0

Circuito propuesto (Reductor BUCK)

Vo

INVERSOR CC → AC

Inversor Buck con el interruptor cerrado

𝑉 = 𝑉𝐿 + 𝑉0 𝑉 = 𝐿𝑑𝑖𝐿𝑑𝑡

+ 𝑉0

𝑑𝑖𝐿𝑑𝑡

=𝑉 − 𝑉0

𝐿=

𝛥𝐼𝐿𝑡𝑜𝑛

∆𝐼𝐿 =𝑉 − 𝑉0

𝐿𝑡𝑜𝑛

Inversor Buck con el interruptor abierto

𝑉0 = −𝑉𝐿 = −𝐿𝑑𝑖𝐿𝑑𝑡

𝑑𝑖𝐿𝑑𝑡

= −𝑉0

𝐿=

𝛥𝐼𝐿𝑡𝑜𝑓𝑓

La disminución de corriente será:

𝛥𝐼𝐿 = −𝑉0

𝐿𝑡𝑜𝑓𝑓

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 − 𝑉0

𝐿𝑡𝑜𝑛 =

𝑉0

𝐿𝑡𝑜𝑓𝑓 𝑉 − 𝑉0 𝑡𝑜𝑛 = 𝑉0𝑡𝑜𝑓𝑓 𝑉 = 𝑉0 + 𝑉0

𝑡𝑜𝑓𝑓

𝑡𝑜𝑛

𝑉 = 𝑉0 1 +𝑡𝑜𝑓𝑓

𝑡𝑜𝑛𝑉 = 𝑉0

𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑜𝑓𝑓

𝑡𝑜𝑛

𝑉 =𝑉0

𝐷

El ripple de la tensión de salida es la tensión en el capacitor consecuencia de ΔiL:

Tensión de ripple de salidaLa 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<<RL).

iL t = −iC t

V0

ΔIL

vC

ton T0

IC

toff

VCP(-)

VCP(+)

𝑖2𝐶 𝑡 = −∆𝐼𝐿𝑡𝑜𝑓𝑓

𝑡 +∆𝐼𝐿2

𝑖1𝐶 𝑡 =∆𝐼𝐿𝑡𝑜𝑛

𝑡 −∆𝐼𝐿2

𝑣𝐶 𝑡 =1

C 𝑖𝐶 𝑡 dt

𝑉𝐶𝑃 − = 𝑣1𝐶 𝑡 𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑡 =𝑡𝑜𝑛

2𝑉𝐶𝑃 + = 𝑣2𝐶 𝑡 𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑡 = 𝑡𝑜𝑛 +

𝑡𝑜𝑓𝑓

2

𝑡𝑜𝑛 = 𝐷𝑇 𝑡𝑜𝑓𝑓 = 1 − 𝐷 𝑇

𝑉𝑐𝑝 − =1

𝐶 𝑖1𝑐 𝑡 𝑑𝑡 𝑡 =

𝑡𝑜𝑛

2𝑉𝑐𝑝 − =

1

𝑐

∆𝐼𝐿𝐷𝑇

𝑡 −∆𝐼𝐿2

𝑑𝑡 𝑡 =𝐷𝑇

2

𝑉𝑐𝑝 − =1

𝐶

∆𝐼𝐿8

𝐷𝑇

𝑉𝑐𝑝 + =1

𝐶 𝑖2𝑐 𝑡 𝑑𝑡 𝑉𝑐𝑝 + =

1

𝑐 −

∆𝐼𝐿1 − 𝐷 𝑇

𝑡 +∆𝐼𝐿2

𝑑𝑡 𝑡 =1 − 𝐷 𝑇

2

𝑉𝑐𝑝 + =1

𝐶

∆𝐼𝐿8

1 − 𝐷 𝑇

Vpp = Vcp(+) + Vcp(−) Vpp =1

𝐶

∆𝐼𝐿8

𝑇

Vpp = Vcp(+) + Vcp(−) Vpp =1

𝐶

∆𝐼𝐿8

𝑇

Vcp(−) =1

C

∆IL8

D. T Vcp(+) =1

C

∆IL8

1 − D T

ton T0

ΔIL

𝐕𝐩𝐩

Circuito de Prueba (Simulador)Filtro Fuente SW

𝐷 = 0.5 𝑇 = 20 𝜇𝑠

∆𝐼𝐿 =𝑉1 − 𝑉0

𝐿𝑡𝑜𝑛

𝑡𝑜𝑛 = 10𝜇𝑠 𝑉1 = 20𝑉 𝑉0 = 10𝑉

∆𝐼𝐿 =20 − 10

300 10−6 10 × 10−6 ∆𝐼𝐿 =1

3𝐴 (333 𝑚𝐴)

Vpp =1

𝐶

∆𝐼𝐿8

𝑇 Vpp =1

20 × 10−6

1 38

20 × 10−6 𝑉𝑝𝑝 =1

24𝑉 (42 𝑚𝑉)

V

Icc IL

IcID

Vo

Gen. Rampa

Comparador

+

-

-

+ 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

VCONT

VCONT

VERRORV1

t

t

PWM

Simulación Modulador Ancho de Pulso (PWM)

Diente de Sierra V1

Simulación Fuente SWITCHINGDiente de Sierra V2

ESQUEMA GENERAL DE UNA FUENTE CONMUTADA:

Comparador

V

IL

IcID

Vo

+

-

-

+ R2

R1

Vref

Gen. Rampa

Amp. Error

R3

R4

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)

TL494Circuito 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.

TL494: Esquema de pines

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)

PRINCIPIO DE OPERACIÓNLa 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.

PRINCIPIO DE OPERACIÓN

TL494: Diagrama interno

Ejemplo de aplicación TL494

Ejemplo de aplicación TL494