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Subj: Fuentes de Alimentaci¢n Conmutadas #08
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ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS º
º Por Osvaldo LW1DSE º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
Hemos llegado a un punto, en donde tenemos un montoncito de cosas
sueltas: la etapa de potencia, el integrado que hace el PWM, y un peque¤o
resumen de como funciona un circuito realimentado negativamente.
Vamos ahora a ver como se junta todo esto en una sola cosa que va a
pasar a ser nuestra fuente switching regulada. Para ello vamos a escoger
alguna de las topolog¡as de la etapa de potencia, nuestro integrado gen‚rico
generador de PWM y vamos a cerrar un lazo de realimentaci¢n negativa a todo
el conjunto, dejando fuera de ‚l lo que no nos interesa regular, o que
incluso puede perjudicarnos a nuestra fuente. Por simplicidad, les mostrar‚ a
grandes razgos un fuente que funciona en "voltage mode".
+ Vin ----- L D Vo
oÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÂÄÄÄ´>ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ± R2 ³ ³ ÚÄÄÄÂÄx ³ ³ ± R4
Ci ³ ± ± RVcc IT Û|Û ± + ³ Co ³ Rc ±
ÄÄÁÄÄ ³ ± ³ÄÄÙ ³ ± ÄÄÁÄÄ ± ³
ÄÄÂÄÄ ÃÄÄÄÄ¿ ³ ÚÄÄÄÄ´<Ä¿ ÃÄÄÄÙ ÄÄÂÄÄ Eo ± ÃÄÄÄ¿
³ ± ³ ³ ³ ³ÄÄ´ ³ Rct - ³ ³ ± ³
- ³ ± R1 ³ ³ ³ MF1 ³ ³ ³ Rs ³ ± R3³
oÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄ)Ä)ÄÄÄÄÄÄ(ÄÄÄÄÄÄÄÁÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÂÄı±±ÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÙ ³
Á ³ ³ CB1 ³ Cf1 ÚÄÄÄÄÄ´ÃÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ ³ ³ ³
GND ³ ³+ - ³ ³ ³ ³ ³ ³
³ ÃÄ´ÃÄ¿ ³ ÃÄÄı±±ÄÄÄ´ÃÄÄÄÄÁÄÄ(ÄÄÄÄÄÄÄÄ(ÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
³ ³ Á ³ ³ Rf Cf2 ³ ³ ³
³ ³ ÚÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄ¿ ³ ³
³ ÀÄÄ´ Out Comp. GND Is ÃÄÄÙ ³
³ ³ Vcc ³ ³
³ ³ Circuito de PWM - ÃÄÄÄÄÄÙ ßVo
³ ³ ³
ÀÄÄÄÄ´ OVP/UVP Osc Vref + ÃÄÄÄÄÄ¿
ÀÄÄÄÂÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÙ ³
II³ SS ³ ³ ³ ³
x ³ ÃÄı±±ÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄ´ ³ ´
Figura 1 ³ ³ Rt ³ ± ³
Css Á Á Ct Á ± R6 ³
  CB2  ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
³ ³ ³ ± VRef'
³ ³ ³ ± R5 Á
Á Á Á Á
En la figura 1 vemos un esquema de una fuente conmutada con todos los
elementos que la componen. Describamos que funciones cumple cada uno, as¡ se
puede entender como funciona. Ignoremos de momento a: II, Rct y IT.
Los capacitores CB1 y CB2, cumplen la importante tarea de desacoplar
las patas de alimentaci¢n del integrado, contra el ingreso de ruidos in-
ducidos desde otras etapas. Generalmente son electrol¡ticos en paralelo con
cer micos, el electrol. se encarga de las bajas frecuencias y el cer mico de
las altas. Rt y Ct son los elementos del oscilador que fijan la frecuencia
de trabajo de nuestro equipo. R5 y R6 aten£an la tensi¢n de referencia gene-
rada dentro del IC y pasa entonces nuestra referencia a ser ahora Vref'. R3 y
R4 son las resistencias de muestreo de la salida. Juntas componen la red ß
que vimos anteriormente. En caso de ser necesario, RVcc reduce la tensi¢n de
alimentaci¢n del integrado a valores adecuados para su normal funcionamiento.
El MOSFET, el diodo, el inductor y los capacitores de entrada y salida, ya
sabemos porqu‚ estan all¡. Nos falta a Cf1, Cf2 y Rf, ellos fijan las
caracter¡sticas de respuesta en frecuencia de la fuente. Por lo general CF1
limita la respuesta en alta frecuencia a 1/5 de la frecuencia de conmutaci¢n,
pues puede suceder que de no ser as¡, la fuente entre a autooscilar. Rf fija
la ganacia de lazo cerrado de la fuente. Una ganancia demasiado alta puede
provocar autooscilaciones, y una ganacia demasiado baja hace que la fuente se
caiga a valores elevados de corriente de carga. Cf2 fija el corte de baja
frecuencia; permite tener una ganacia muy alta a frecuencias bajas para
obtener as¡ un alto rechazo al ripple de 50 (60) o 100 (120)Hz. Rs provee re-
alimentaci¢n de corriente; si la fuente empieza a ser sobrecargada, digamos a
un 120 % de la salida nominal, la tensi¢n desarrollada sobre Rs activa la
protecci¢n de sobrecorriente y la fuente se apaga; lo mismo que por una
entrada de tensi¢n a la fuente demasiado alta o demasiado baja, lo cual se le
informa al integrado v¡a el divisor formado por R1 y R2. Por £ltimo, Css se
carga lentamente a trav‚s de la corriente generada dentro del IC por la pata
de soft start (arranque suave) para impedir el arranque brusco de la fuente
que puede provocar da¤os a la fuente misma y a la carga.
Todo el ciclo empieza en el momento que se le aplica alimentaci¢n al
IC v¡a RVcc. Junto a CB1 se genera una peque¤a demora de tiempo con el objeto
de retardar el arranque de la fuente hasta que las tensiones de entrada est‚n
en sus valores adecuados, como as¡ tambi‚n reducir el transitorio de corrien-
te en la entrada de la fuente; pues al encender alg£n interruptor que puede
estar antes del puente rectificador, se tiene que cargar Ci y si encima se
le da arranque inmediato a todo el circuito de salida, el chispazo generado
destruye los contactos del interruptor. De todas formas, esa demora rara vez
es de m s de 1 segundo. Una vez que el integrado alcanza la tensi¢n de arran-
que, se empieza a cargar el capacitor Css permitiendo un arranque lento del
circuito. Mientras dura este intervalo de tiempo, el IC supervisa que la
tensi¢n de entrada est‚ dentro de los valores adecuados mediante el OVP/UVP.
Si la se¤al del OVP/UVP est OK, entonces el oscilador empieza a trabajar,
generando la se¤al diente de sierra necesaria para el PWM. Si el OVP/UVP no
da el OK, entonces el IC descarga el Css, reiniciando un ciclo de arranque.
Si despu‚s de algunos intentos, la alarma no desaparece, el IC entra en modo
de emergencia y se apaga definitivamente; queda cancelada toda operaci¢n del
mismo y es necesario apagar el interruptor principal y esperar a que todos los
capacitores se descarguen para proceder a reactivar el circuito.
La rampa de carga de Css es agregada como una se¤al al PWM. En
realidad es "and"eada contra la muestra de la tensi¢n de salida de la fuente;
es decir, la de las dos que demande el menor ancho de pulso, gobierna al
sistema de PWM. Entonces, con el primer ciclo de reloj generado por el
oscilador y si no hay alarmas activadas, el circuito de salida del IC se pone
en alto, y el MOSFET es llevado r pidamente a la plena conducci¢n. Cuando la
tensi¢n de la rampa del diente de sierra generado por el oscilador, e inyec-
tada al comparador es mayor que la provista por la resultante del "and"eo, el
comparador cambia de estado, la salida del IC se reduce a cero, con lo cual
el MOSFET sale de la conducci¢n, y pasa al bloqueo; momento en el cual el
inductor cargado comienza a descargarse a trav‚s del diodo, alimentando la
salida de la fuente. Si la corriente demandada por la carga excede un valor
prefijado (que multiplicado por el valor de Rs) supere el umbral de activa-
ci¢n de la alarma de sobreconsumo, el IC actuar de manera similar al UVP.
Nuevamente, de no haber alarmas, el ciclo comienza con un nuevo per¡odo de
diente de sierra generado por el oscilador. Una vez que se realizaron una
serie de ciclos exitosos, la tensi¢n de salida alcanza el valor nominal,
momento en el cual el circuito de soft start queda fuera de servicio al ser
mayor su tensi¢n que la del divisor ß.
Los valores de las resistencias R3, R4, R5, R6, se escogen en la
etapa de dise¤o de la fuente, de manera que el valor de R3 en paralelo con
R4 y el de R5 con R6 sean iguales. De esta forma se cancela el efecto de las
corrientes de entrada del amplificador operacional a que se hallan conectadas,
y con ello la regulaci¢n por temperatura de la fuente es la mejor. Estando la
fuente en r‚gimen normal, se cumple que:
ß Vo = VRef' (1)
Pero:
R3 R5
ß = ÄÄÄÄÄÄÄÄÄ y VRef' = Vref * ÄÄÄÄÄÄÄÄÄ (2)
R3 + R4 R5 + R6
Entonces:
R5 R3 + R4
Vo = Vref * ÄÄÄÄÄÄÄÄÄ * ÄÄÄÄÄÄÄÄÄ (3)
R5 + R6 R3
donde puede verse que si todo el sistema est dentro de sus l¡mites
lineales, es decir, las tensiones de entrada, y las corrientes no superan
los umbrales de las alarmas correspondientes, y no se lleva a las entradas
del operacional fuera de sus m rgenes normales de trabajo; la salida de la
fuente se mantiene en un valor fijado por las resitencias del circuito y el
voltage de referencia provisto por el IC. De ah¡ que es extremadamente im-
portante que tanto los resistores de los divisores involucrados (R3 a R6)
y la referencia sean de la mejor calidad posible. Una alteraci¢n temporal o
por temperatura de alguno de esos valores, es causal de p‚rdida de regulaci¢n
de la fuente. Por otro lado, el reemplazo de alguno de ellos por un poten-
ci¢metro permite obtener una fuente regulada y regulable, lo cual no es del
todo aconsejable, pues un error en el manejo de ese elemento puede acarrear
severo riesgo de destrucci¢n de la carga, en este caso por impericia del
operador, que es algo que los integrados de hoy en d¡a todav¡a no son capaces
de supervisar.
El valor de Cf2 normalmente es bastante m s grande que el de Cf1.
De manera que si a la salida de la fuente se le impone un transitorio notable
de consumo (por agregado o por remoci¢n), a trav‚s de las inevitables resis-
tencias dispersas que hay dentro de la etapa de potencia se produce una
variaci¢n en las tensiones que en ellas se tienen, lo cual establece un
desbalance instant neo en las corrientes que fluyen por los resistores
R3 y R4, desbalance que viene a cubrir la carga almacenada en Cf1 y Cf2 (prin-
cipalmente en este £ltimo por su valor), obligando al operacional (OA) a ‚l
conectado a modificar su salida y compensar la alteraci¢n en el valor de la
tensi¢n de salida de la fuente. Recuerde el lector, que el OA que viene
dentro del IC del PWM tiene sus entradas conectadas a la patas inversora y
no inversora del IC y su salida a la pata de compensaci¢n, y en esta forma
Cf1 y Cf2 se hallan entre la entrada inversora y la salida del OA. Pero esta
alteraci¢n en la salida del OA no se traduce instant neamente en una compen-
saci¢n de la alteraci¢n que le dio origen, sin¢ hasta el pr¢ximo ciclo del
reloj del oscilador. De manera, que toda fuente conmutada tiene siempre una
peor respuesta a transitorios que una lineal, mejor cuanto mayor sea la fre-
cuencia de trabajo, pero siempre peor que la lineal. Adem s, Rf conectada en
serie con Cf2, regula la velocidad con que se carga/descarga ‚ste. Un valor
chico mejora la respuesta en frecuencia, pero deja sin margen a la fuente
cuando se la exige cerca del l¡mite de sus capacidades. Por otro lado un
valor demasiado grande reproduce el efecto del volt¡metro aludido en el cap.
#7, haciendo el circuito lento en respuesta, y obligando a una serie de
compensaciones y contra-compensaciones, similar a la aguja que tarda en
llegar a su indicaci¢n final. Si estas oscilaciones perduran en el tiempo,
la fuente puede perder el lazo de control, y embalarse con consecuencias
catastr¢ficas. Un capacitor de salida "grande" puede paliar el inconveniente
suministrando corriente a la carga en caso de aumento en la demanda de
energ¡a, pero poco puede hacer con un relajamiento de esa demanda.
Un detalle a tener en cuenta, es que toda fuente conmutada requiere
un valor m¡nimo de corriente para garantizar la tensi¢n de salida. Algunas
veces, esa corriente se establece dentro de la fuente mediante resistores de
sangrado, o aprovechar esta corriente para energizar un ventilador, pero
otras veces debe ser externa. De modo que es necesario estar seguro de este
punto al momento de reparar un equipo de este tipo.
Algunos tipos de fuentes m s modernas incorporan en el IC del PWM, un
modo de detecci¢n de baja carga, haciendo operar a la fuente en modo "burst"
o "hic-cup" (por la onomatopeya del sonido que hacen este tipo de fuentes)
donde la fuente arranca durante algunos ciclos, y se apaga durante otra can-
tidad de ciclos de reloj completos de manera de as¡ hacer un segundo PWM de
baja frecuencia para mantener la tensi¢n de salida con menos carga m¡nima que
las normales. Esto es normal en los televisores, donde el consumo es muy
reducido cuando est apagado v¡a control remoto. De no tener este modo de ope-
raci¢n obligar¡a a dejar parte del equipo encendido innecesariamente.
Cuando el MOSFET se halla encendido, ya comentamos que se establece
en el inductor, una rampa ascendente de corriente, que si est lo suficiente-
mente bien lejos de la saturaci¢n del n£cleo, es la rampa de un diente de
sierra. Por otro lado, cuando el diodo descargue al inductor v¡a la carga, se
establece otra rampa, ahora descendente hasta llegar a cero si el inductor
est dise¤ado para operar em modo discont¡nuo, o a un m¡nimo distinto de cero
si est en modo cont¡nuo. La pendiente de esa diente de sierra ascendente
depende escencialmente de la tensi¢n de entrada de la fuente, de la frecuencia
de trabajo y de la autoinducci¢n conectada. En efecto, como ya vimos:
i
e = -L ÄÄÄÄ (4)
t
O sea que la altura final del diente de sierra va a estar estrecha-
mente relacionado con la tensi¢n de entrada de la fuente. Entoneces, si se
hiciera un mustreo de esa corriente (por ejemplo mediante un resistor conecta-
do en el source del MOSFET o un transformador de corriente) y se inyectara
ese diente de sierra de tensi¢n al integrado, y se conecta en lugar de la
diente de sierra provisto por el oscilador, la fuente muta hacia un modo
totalmente nuevo de funcionamiento llamado "current mode" o modo de corriente.
Hemos armado as¡ otro lazo de realimentaci¢n interno al de tensi¢n de salida,
que nos permite monitorear ciclo a ciclo el estado de la corriente en el
inductor. Significa todo esto que la fuente en este caso podr responder muy
r pidamente a variaciones de la tensi¢n de entrada, y de cu n r pidamente se
descarga el inductor, es decir, tambi‚n se monitorea la corriente de salida.
Entonces, ahora el oscilador no provee el diente de sierra para el PWM, sin¢
que es una muestra de la corriente del inductor; y el oscilador ahora s¢lo
sirve a modo de generador del reloj necesario para arrancar cada ciclo. El
ciclo de PWM termina cuando la muestra de la corriente iguala a la tensi¢n
de error a la entrada del comparador de PWM.
Esto es lo que hacen en la figura 1 los componentes II, Rct y IT.
IT es un transforamdor de corriente donde uno de los terminales del inductor
pasa simplemente por el orificio de un n£cleo toroidal, donde se halla bobina-
do el secundario con una cantidad de vueltas grande en comparaci¢n con la
sola espira que as¡ forma el primario. Entonces, este transformador de
corriente tiene relaci¢n de vueltas elevadora de tensi¢n o reductora de
corriente. Esa corriente secundaria al circular por la resistencia de carga
del secundario, Rct, forma una diente de sierra de tensi¢n que es ingresada
al IC current mode para su comparaci¢n con la muestra de la tensi¢n de salida.
La forma de trabajo de la current mode, tiene a su vez, otras ventajas
un tanto dif¡ciles de explicar. Es salvo pocas excepciones, que es casi uni-
versalmente utilizada en fuentes para televisores, monitores de PC, cargado-
res de bater¡as y de celulares, fuentes para lap-top, y todo aparato electr¢-
nico que demande de su fuente, una muy buena performance.
Fin cap¡tulo #8
ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º Osvaldo F. Zappacosta. Barrio Garay (GF05tg) Alte. Brown, Bs As, Argentina.º
º Mother UMC æPC:AMD486@120MHz, 16MbRAM HD IDE 1.6Gb MSDOS 7.10 TSTHOST1.43C º
º Bater¡a 12V 160AH. 9 paneles solares 10W. º
º oszappa@yahoo.com ; oszappa@gmail.com º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
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