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LW1DSE > TECH 26.02.11 17:25l 251 Lines 12467 Bytes #999 (0) @ WW
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Subj: Fuentes de Alimentaci¢n Conmutadas #09
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ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS º
º Por Osvaldo LW1DSE º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
En el cap¡tulo anterior hemos dado un pantallazo de como opera una
fuente conmutada com£n. Todos los conceptos all¡ vertidos valen para todas
las topolog¡as de le etapa de potencia, excepto para los conversores cuasi
resonantes, que carecen de un oscilador. Todas las etapas hasta aqu¡ presen-
tadas carecen de aislaci¢n entre la entrada y la salida, lo cual puede re-
presentar un problema cuando uno necesita manetenerse alejado el‚ctricamente
de la l¡nea de canalizaci¢n. Para ello existe un dispositivo llamado transfor-
mador. Nos permite aislarnos de la red si es que tiene los dos bobinados aisla
dos, como es la inmensa mayor¡a de los casos, a la vez que podemos escalar
los voltajes y/o las corrientes a nuestro gusto.
Llegados a este punto, podemos optar por dos alternativas: o bien usa-
mos un transformador com£n, es decir con n£cleo de hierro laminado, y a la sa-
lida de ‚ste intercalamos un rectificador de onda completa o un puente de
Greatz, soluci¢n posible pero complicada por el peso y el costo de este
elemento; o lo incorporamos a nuestra fuente directamente. La primera de las
opciones, queda entonces descartada. Vamos a ver, pues, como implementamos la
segunda opci¢n.
Recordemos la topolog¡a boost, para ello traemos en la figura 1 el
circuito esquem tico de la misma.
----- L Diodo
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄ´>ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ ³ ³
³+ ³ + ³ C ³ Rc
ÄÄÁÄÄ ³ÄÄÙ ÄÄÁÄÄ ±
ÜÜÜ Ei oÄÄÄÄ´<Ä¿ MOSFET ÄÄÂÄÄ Eo ± Fig. 1
³- PWM ³ÄÄ´ - ³ ³
³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³ ³
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
ÄÁÄ
GND
Vamos entonces a modificar este conexionado para poder convertrlo en
una fuente switching aislada. Recordemos, previamente, que el MOSFET es lle-
vado por el PWM a plena conducci¢n, con lo cual se almacena energ¡a en forma
de campo magn‚tico en el entrehierro del inductor L. Cuando el MOSFET va al
corte, la energ¡a vuelve sobre el devanado en forma de una FEM que adicionada
a la de la entrada, es conducida por el diodo hacia la carga.
Diodo
oÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ ÚÄÄ´>ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ ³ D1 ³ ³
³ øÛ º Û ³ ³
³ L1 Û º Û L2 ³ ³
³ n1 Û º Û n2 ³ ³
³+ ³ ³ø + ³ C ³ Rc
ÄÄÁÄÄ ³ÄÄÙ ³ ÄÄÁÄÄ ±
ÄÄÂÄÄ Ei oÄÄÄÄ´<Ä¿ ³ ÄÄÂÄÄ Eo ± Fig. 2
³- PWM ³ÄÄ´ ³ - ³ ³
³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³ ³ ³
oÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
ÄÁÄ ÄÁÄ
GND1 GND 2
La importante diferencia, radica en que la energ¡a almacenada en el
inductor, es ahora recolectada por otro inductor acoplado muy fuertemente al
primero. Al igual que en la modificaci¢n de la buck, en donde aclaramos que
no deb¡a hablarse de transformador, sin¢ de inductores mutuamente acoplados,
ac tambi‚n debe llamarse de esa manera. Porque, b sicamente se transfiere
energ¡a de un circuito a otro, almacen ndola previamente en un entrehierro;
para denominarse transformador, no debiera haber almacenaje alguno en los
inductores.
ÚÄ¿ ÚÄ¿ ÚÄ¿ ÚÄ¿ ÚÄ¿ <---- MF1 on
Gate ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
MF1 ------------------------------------------------------------
ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ <--- D1 on (Ei+(n1/n2)Eo)
³ ³ ³°°°°³ ³ ³ ³ ³
Entrada -Ä¿-³----ÀÄÄ¿-³--- ÀÄÄ¿-³----ÀÄÄ¿-³----ÀÄÄ¿-------- Ei
de L1 ³ ³ ³°³ ³ ³ ³ ³ ³
(Drain de ³ ³ ³°³ ³ ³ ³ ³ ³
MF1) ³ ³ ³°³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³°³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
ÀÄÙ ÀÄÙ ÀÄÙ ÀÄÙ<-0V ÀÄÙ <---- MF1 on
° Iguales reas (Volt*segundo)
<-t2->
ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿<-EoÚÄÄÄÄ¿ <--- D1 on t1+t2<.8T
Anodo ³ ³ ³°°°°³ ³ ³ ³ ³
de D1 -Ä¿-³----ÀÄÄ¿-³--- ÀÄÄ¿-³----ÀÄÄ¿-³----ÀÄÄ¿-------- 0V
³ ³ ³°³ ³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³°³ ³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³°³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³°³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
ÀÄÙ ÀÄÙ ÀÄÙ<-MF1 ÀÄÙ ÀÄÙ <---- [-(n2/n1)Ei]
t1 on ³<-- T -->³
Figura 3: formas de onda te¢rica de una fuente Fly Back
La energ¡a es almacenada en el entrehierro o gap, por L1, y extra¡da
desde L2. La rampa de corriente, es ascendente por L1, y descendente desde L2,
que se ve en L1 escalada en la relaci¢n de vueltas de los devanados.
La energ¡a almacenada, en el primario vale:
e1 = L1 * I1ý / 2 (1)
Y la retirada desde el secundario:
e2 = L2 * I2ý / 2
En estado estacionario de la fuente, es decir, no habiendo variaciones
bruscas de carga ni de tensi¢n de la entrada, las dos energ¡as deben ser
iguales:
(2)
e1 = e2 => L1 * I1ý = L2 * I2ý
Como la inductancia, dado un determinado n£cleo, es proporcional al
cuadrado del n£mero de espiras:
K N1ý I1ý = K N2ý I2ý (3)
N1ý I1ý = N2ý I2ý (4)
Extrayendo ra¡z cuadrada en ambos miembros:
N1 I1 = N2 I2 (5)
I2 N1
ÄÄÄÄ = ÄÄÄÄÄ = n (6)
I1 N2
igual que en un transformador. Pero no as¡ los voltages. Cuando el MOSFET con-
duce, aplica la tensi¢n de entrada a la inductancia L1. Se genera en ella
una rampa de corriente expresada por:
I1
E1 = - L1 ÄÄÄÄÄ (7)
t1
Por su parte, la carga (a traves del diodo) extrae energ¡a del gap
por medio de L2, ergo, se genera el L2 una rampa descendente de corriente
que se eval£a como:
I2
E2 = - L2 ÄÄÄÄÄ (8)
t2
De la (3) vemos que las inductancias son proporcinales al n£mero de
espiras de cada devanado, elevado al cuadrado; y las corrientes, de la (6)
a la relaci¢n de vueltas de los inductores acoplados. Reemplazando valores:
I1
E1 = - L1 ÄÄÄÄÄ
t1
L1 nI1
E2 = - ÄÄÄÄÄÄ * ÄÄÄÄÄ (9)
(7)
n t2
donde se han substituido los valores de (3) y (6) en la (8). Cancelan-
do n se tiene:
I1
E2 = - L1 ÄÄÄÄÄ (10)
t2
Para hallar la relaci¢n de tensiones, dividimos la (7) con la (10):
I1
E1 - L1 ÄÄÄÄÄ
t1
ÄÄÄÄÄ = ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ (11)
I1
E2 - L1 ÄÄÄÄÄ
t2
Cancelando, tenemos:
E1 t2
ÄÄÄÄ = ÄÄÄÄÄ =>de donde E2 * t2 = E1 * t1 (12)
E2 t1
En la (12) vemos que la relaci¢n de tensiones es independiente de la
relaci¢n de vueltas, siendo £nicamente dependiente del tiempo de conducci¢n
de cada semiconductor; MOSFET para t1 y diodo para t2 de la figura 3. Aqu¡ es
donde surge que los dos inductores acoplados NO SE COMPORTAN COMO UN
TRANSFORMADOR. Y es as¡ como en un fuente con topolog¡a fly back puede dar una
tensi¢n de salida de 10: 1 con una relaci¢n de vueltas de 1:1 o de 20:1.
Ajustando el tiempo de encendido de los semiconductores, se puede ajustar la
tensi¢n de salida, y de ah¡ que sea ampl¡simamente usado en electr¢nica de
consumo en general, pues la misma tensi¢n de salida puede obtenerse desde la
entrada de 110V rectificados (unos 160 V) o desde los 220V (unos 310V) sin
intercalar un switch 110/220, pues el integrado del PWM ajusta el ancho de
pulso de encendido del MOSFET al doble de tiempo para 160V que para los 310V.
Es la important¡sima ventaja de esta topolog¡a. Se dice, que la fuente que
opera como modo fly back tiene el mayor rango din mico de todas las topolog¡as
aisladas. Por otro lado, comp rese estas formas de onda con la figura 3 de
la fuente Buck, y n¢tese que son similares, excepto que las polaridades est n
invertidas, a consecuencia de invertir los terminales de L2.
Falta esclarecer un detalle, que no se presenta en la figura 2. Para
cerrar el lazo de realimentaci¢n negativa, no es posible hacerlo en forma
directa, pues perder¡amos la aislaci¢n entre circuitos. Para poder realizar
un sensado de la tensi¢n de salida, y acoplarlo al integrado de PWM (que nor-
malmente est ubicado del lado vivo de la fuente, lo que denomina OFFLINE)
se recurre a un elemento de transferencia aislado. Existen varias formas, pero
la m s simple, m s com£n y m s difundida es un "optoacoplador" u
"optoaislador". Se trata de un dispositivo de estado s¢lido en el cual se
integra un LED a un fototransistor, separados una distancia de unos mil¡-
metros. Cuando el LED conduce una corriente, se enciende, activa por refle-
xi¢n al fototransistor, y se establece una corriente de colector gobernada
por la corriente del LED, lo cual se llama TR o transfer ratio, es decir
relaci¢n de transferencia. Y se mide en %, esto significa que porcentaje de
la corriente del LED es conducida por el transistor. Normalmente, TR se
encuentra, seg£n el n£mero de parte, entre un 40 y un 500% de la corriente
del LED.
Del lado de la salida de la fuente se incorpora un circuito formado
por una referencia de tensi¢n, un operacional y un transistor, todos ellos
integrados dentro de un IC comercialmente denominado TL431, o similar.
Entonces, la diferencia entre la tensi¢n que se tiene, y la que se deber¡a
tener, se tranforma en una corriente que exita el LED. Desde el lado prima-
rio de la fuente, el transistor se polariza en clase A como amplificador con
colector a masa, es decir, seguidor de tensi¢n. Esa tensi¢n, obtenida desde
el resistor de emisor, ingresa al IC del PWM como si fuera la muestra de la
tensi¢n de salida.
Cabe destacar que un optoacoplador normal tiene un TR de 100% y una
aislaci¢n m¡nima entre circuitos, de un par de kilovolts, es decir, que para
aislar los 310V de la red (220V rectificados) es mucho mas que suficiente.
Fin cap¡tulo #9
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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