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Subj: Fuentes de Alimentaci¢n Conmutadas #10
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ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS º
º Por Osvaldo LW1DSE º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
En las fuentes vistas hasta ahora, la energ¡a era transferida desde
una fuente de alimentaci¢n Ei hacia una carga alimentada con una tensi¢n de
valor Eo, mediante la acumulaci¢n de energ¡a en forma de campo magn‚tico en
el inductor de la fuente. Tambi‚n vimos que la energ¡a se pudo extraer
mediante un bobinado independiente al que la introdujo, y que -insisto- no
debe confundirse con un transformador.
Es entonces el turno de las topolog¡as que s¡ hacen uso de un transfor-
mador para realizar el pasaje, sin acumulaci¢n alguna, a excepci¢n de aquella
energ¡a acumulada indeseablemente en la inductancia de dispersi¢n del bobinado
primario, y que por ende, no llega al secundario.
Dado que no se produce almacenaje de energ¡a en un inductor mutuamente
acoplado, debe hacerse en un elemento dispuesto a tal efecto, y que al igual
que en la topolog¡a buck, es un inductor con n£cleo de ferrite, por el cual
circula la corriente de la carga. En realidad, todas las topolog¡as aisladas
por transformador, operan exactamante igual que un buck, con la salvedad que
a la entrada del inductor, la tensi¢n de pico no es la de entrada directa-
mente, sin¢ escalada por intermedio del transformador.
Por ser la m s simple para entender, vamos a describir como funciona
un convertidor forward (avance, en ingl‚s) y que utiliza un transistor de
potencia y un diodo del lado primario.
D3 T1
ÚÄÄÄ´>ÃÄÄÄÄ¿
³ ø Û º L1
³ n1 Û º D1 ÍÍÍÍÍ
³ Û º ÚÄÄ´>ÃÄÄÂÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
oÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ(ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ´ º ³ ³ ³ ³
+ ³ ³ ø Û º Û ø ³ ³ ³
³ ³ n1 Û º Û n2 ÀÄ´<ÃÄ¿ ³ ³
³ ³ Û º Û D2 ³ ³ ³
³+ ³ MF1 ³ ³ ³ + ³ C ³ Rc
Ei ÄÄÁÄÄ ³ ³ÄÄÙ ³ ³ ÄÄÁÄÄ ±
ÄÄÂÄÄ ³ oÄÄÄÄ´<Ä¿ ³ ³ ÄÄÂÄÄ Eo ±
³- PWM ³ ³ÄÄ´ ³ ³ - ³ ³
- ³ ³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³ ³ ³ ³
oÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
ÄÁÄ ÄÁÄ
GND1 GND 2
Figura 1: Circuito Forward
Como puede apreciarse en la figura 1, es algo parecido a la topolog¡a
buck, salvo (lo ya mencionado), que entre el MOSFET de potencia MF1 y el
inductor se halla intercalado el transformador T1. As¡ mismo, se ve que hay
otros elementos, los cuales no estaban presentes en otras topolog¡as, y por
lo tanto vamos a describir su funci¢n.
Resulta obvio, que T1 puede ser elevador o reductor de tensi¢n, pero
en la enorme mayor¡a de las configuraciones pr cticas, es reductor. No lo es
menos, que tanto el transformador T1 como el inductor L1 deben poseer n£cleos
de ferrite, y no debe existir acoplamiento magn‚tico entre ellos. En general,
se prefiere el formato EE para el transformador (Dos mitades de n£cleo en
forma de E enfrentados), y del tipo toroidal para el inductor, pero esto queda
por lo general librado al criterio del Ingeniero en la fase de dise¤o del
equipo.
Cuando el integrado de PWM impone un estado positivo en la compuerta
del MOSFET, ‚ste se abre y conduce plenamente. Coloca, efectivamente, toda la
tensi¢n de entrada E1 sobre el devanado primario de T1, el que posee deriva-
ci¢n central. Dada la polaridad de los bobinados indicada (con el s¡mbolo ø),
el secundario se hace positivo por el lado de arriba de la figura, polarizando
en directa al diodo D1, el cual conduce colocando al lado izquierdo del
inductor una tensi¢n igual a la de entrada Ei, afectada por la relaci¢n de
vueltas n2/n1. Desde el c todo de D1 hacia la carga, el sistema se comporta
id‚nticamente igual al alimentador buck. L1 pues, se carga con la diferencia
de tensi¢n existente entre el valor de pico de la tensi¢n de salida del T1
y el valor de CC en la carga.
Cuando el PWM lleve al corte al MOSFET, D2 descarga la energ¡a acumu-
lada en el inductor de salida, proveyendo el camino necesario para mantener
la circulaci¢n de corriente hacia la carga. Se dice que D2 act£a como diodo
freeweeling (rueda libre) sobre el circuito secundario.
ÚÄÄÄ¿ ÚÄÄÄ¿ ÚÄÄÄ¿ ÚÄÄÄ¿ ÚÄÄÄ¿<---- MF1 on
Gate ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
MF1 ------------------------------------------------------------
ÚÄÄÄ¿ ÚÄÄÄ¿ ÚÄÄÄ¿<-2Ei ÚÄÄÄ¿ <--- D3 on
³ ³ ³°°°³ ³ ³ ³ ³
Entrada -Ä¿---³---ÀÄÄÄ¿---³---ÀÄÄÄ¿---³---ÀÄÄÄ¿---³---ÀÄÄÄ¿-------- Ei
de T1 ³ ³ ³°°°³ ³ ³ ³ ³ ³
visto del ÀÄÄÄÙ ÀÄÄÄÙ ÀÄÄÄÙ<-0V ÀÄÄÄÙ ÀÄÄÄÙ <--- MF1 on
Drain del
MOSFET MF1 ° Iguales reas (Volt*segundo)
ÚÄÄÄ¿ ÚÄÄÄ¿ ÚÄÄÄ¿<-2Ei ÚÄÄÄ¿ ÚÄÄÄ¿ <--- MF1 on
³ ³ ³°°°³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
Entrada ÄÄÙ---³---ÚÄÄÄÙ---³---ÚÄÄÄÙ---³---ÚÄÄÄÙ---³---ÚÄÄÄÙ-------- Ei
de T1 ³ ³ ³°°°³ ³ ³ ³ ³
visto del ÀÄÄÄÙ ÀÄÄÄÙ ÀÄÄÄÙ<-0V ÀÄÄÄÙ <--- D3 on
c todo de D3
D1 on
ÚÄÄÄ¿ ÚÄÄÄ¿ ÚÄÄÄ¿ ÚÄÄÄ¿ ÚÄÄÄ¿<-Ei * n2/n1
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
Entrada ³ ³ ³ ³ ³ ³ D2 on ³ ³ ³ ³
de "L" ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
ÄÄÄÙ---ÀÄÄÄÄÄÄÄÙ---ÀÄÄÄÄÄÄÄÙ---ÀÄÄÄÄÄÄÄÙ---ÀÄÄÄÄÄÄÄÙ---ÀÄÄÄÄ 0V
³<--- T --->³
Figura 2: Formas de onda te¢ricas en un convertidor Forward
A su vez, por efecto de autoinducci¢n, la polaridad en los bobinados
primario y secundario se invierten. Entonces, el diodo D1 queda bloqueado por
la aplicaci¢n de una tensi¢n negativa a su nodo, y su c todo se encuentra
casi a potencial de masa, pues D2 est conduciendo. Pero, actuar tambi‚n
ahora el diodo D3. Su funci¢n es hacer freeweeling sobre el primario del
transformador. Sucede, que durante el per¡odo en que estuvo conduciendo el
MOSFET, se acumula energ¡a en el n£cleo del transformador en una cantidad pro-
porcional al producto Vots*Segundo del primario. De no existir ese devanado
y el diodo D1, esa energ¡a acumulada alcanzar¡a para saturar el n£cleo del
transformador con consecuencias fatales para el MOSFET. Dado que se hace el
freeweeling sobre la misma tensi¢n de entrada, esa energ¡a se recupera sobre
el primario para un uso en ciclos posteriores. Empero, si el transformador,
como se muestra en la figura 1, tiene la misma cantidad de vueltas para el
bobinado de potencia como para el de freeweeling, es necesario que la misma
cantidad de Vots*Segundo que se usaron para tranferir potencia al secundario,
sean usados para devolver le energ¡a remanente en el n£cleo a la fuente.
Por lo tanto, a efectos de permitir al n£cleo descargarse por completo para
arrancar un nuevo ciclo, no es posible hacer que el ciclo de actividad, es
decir el tiempo de encendido, sea mayor a un 50 % del per¡odo de la frecuencia
de conmutaci¢n. Esta restricci¢n al ciclo de actividad, genera un desperdicio
en el n£cleo, con respecto a otras topolog¡as. Es decir, permite a igualdad
de todos los dem s par metros (Frecuencia, calidad y tipo de n£cleo, etc.)
obtener la menor potencia por cmý de secci¢n de n£cleo. Adem s, si la relaci¢n
de vueltas entre bobinados primarios entre s¡ es igual a 1 (caso m s com£n),
el MOSFET "ve" una tensi¢n Vds (de Drain a Source) igual a 2*Ei. Si se elige
una relaci¢n de vueltas distinta a la unitaria, se puede reducir el tiempo
de descarga del n£cleo a expensas de necesitar un MOSFET con una mayor capaci-
dad de Vdss, o a la inversa. (Aclaraci¢n: n¢tese que Vdss es la tensi¢n m xi-
ma de ruptura que soporta el MOSFET y Vds es la que se hace presente en el
circuito. Siempre debe ser Vdss > Vds.). V‚ase que aqu¡ la transferencia de
potencia se hace en directa, sin acumular energ¡a ex-profeso en el n£cleo a
diferencia de la Fly Back que no hab¡a conducci¢n simult nea de bobinados
primario y secundario(s). De ah¡ el nombre de Forward (Avance, en ingl‚s).
Aqu¡ se produce tambi‚n acumulaci¢n (que es inevitable), pero a la fuente no
le es £til dicho almacenaje.
De manera que por lo general este tipo de fuentes tiene un uso
limitado a aquellos en que no sean necesarios MOSFET de demasiada Vdss, porque
por lo general este tipo de MOSFET tiene una resistencia de encendido Rds(on)
mayor, lo cual tiene como consecuncia una mayor ca¡da de tensi¢n en el MOSFET
durante la conducci¢n, y por ende, mayor temperatura y menor rendimiento que
otras topolog¡as.
Ya para finalizar, se puede agregar un detalle no menor. Dado que el
valor del inductor guarda proporcionalidad directa con la tensi¢n de salida,
e inversa para con la corriente, el inductor adquiere valores muy grandes en
milihenrys para valores de tensi¢n elevadas de salida, y por lo ende grande
es la energ¡a acumulada en ‚l. Por lo tanto, ‚ste tipo de convertidores son
muy poco utilizados para tensiones de salida de m s de 50-70V, en su lugar se
prefiere la configuraci¢n fly back por carecer de inductor de filtro.
Existe una variante de esta topolog¡a, que usa dos MOSFET en lugar de
uno solo, y dos diodos; con la ventaja de que el transformador no necesita
devanado auxiliar de desmagnetizaci¢n. Pero la complejidad en el circuito de
exitaci¢n de los MOSFET hace dificultosa la implementaci¢n pr ctica.
Puede verse a esta topolog¡a el‚ctricamente como la mitad de una
fuente Push Pull donde un transistor fu‚ reemplazado por el diodo freeweeling
lo que trae ciertas desventajas pero tambi‚n algunas ventajas.
Fin cap¡tulo #10
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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