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Subj: Fuentes de Alimentaci¢n Conmutadas #23
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ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS º
º Por Osvaldo LW1DSE º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
En cap¡tulos anteriores hemos visto como se hace para exitar MOSFET's
que se hallan aislados del generador de PWM v¡a un transformador. Pero tambi‚n
se dijo que no era la £nica forma de llevarle la exitaci¢n, nombramos a los
optoacopladores y los integrados espec¡ficos. Veamos como operan algunos de
ellos.
b) Optoacopladores o fotoacopladores u optoaisladores (PC's).
Los tres significan lo mismo, pero son distintas denominaciones comer-
ciales. Se trata (como ya expliqu‚ en la entrega donde habl‚ de pasar la rea-
limentaci¢n negativa para poder cerrar el lazo) de un LED (Acr¢nimo de Light
Emmiter Diode, o diodo emisor de luz) a un fototransistor o fotodiodo, el cual
deja pasar una corriente cuando el LED se enciende. Pero, justamante en esta
descripci¢n se halla la base de un problema. Dice "deja pasar", no genera. A
diferencia del transformador, que permite transferir energ¡a desde un circuito
primario a uno secundario aislado galv nicamente, sucede que mediante un opto-
acoplador no permite pasaje de energ¡a. Por lo tanto, para exitar la compuerta
del MOSFET vamos a tener que sacar la energ¡a desde otro lado, y dejarla pasar
por el optoacoplador en el momento que la necesitemos. Para ello existen va-
rios m‚todos, pero los m s comunmente usados son dos de ellos, que son los que
describiremos a continuaci¢n:
b1) Partiendo desde una fuente auxiliar: cuando se dispone de ella. En las
fuentes m s importantes, generalmente por encima de los 100 watt, se implemen-
ta una fuente auxiliar llamada en la literatura inglesa como "Household", es
decir algo as¡ como de `entrecasa'. La cuesti¢n es que se trata de una fuente-
cita de poca potencia destinada a alimentar la l¢gica de control de manera in-
dependiente de la fuente principal, y que rara vez tiene una salida para ali-
mentar una carga externa, a no ser una se¤alizaci¢n de "power good" o "fault".
Entonces, disponiendo de tal fuente interna, puede agregarse al dise¤o una
salida para alimentar los MOSFET's de salida. En fuentes algo a¤ejas, se
trataba de una peque¤a fuente lineal alimentada desde un transformadorcito de
hierro (50-60 Hz) de no mas de 10 o 15 watt. En las de hace una d‚cada a la
actualidad, esta tambi‚n ha sido reemplazada por una mini-fuente-conmutada.
Para nuestro an lisis actual, vamos a ignorar la naturaleza de tal suministro
de energ¡a local.
+12V <- aislados -> o+ 12V -o
o ³ ³
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄ´ÃÄ¿ ³ ³ Figura 1:Driver de
³ ³ Á ÚÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄ´ÃÄÄ´ Cbp2 MOSFET con opto-
o ³ Cbp1 ³ ³ÄÄÙ ³ acoplador y exita-
÷ÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄ¿ ± ³ ÚÄ´ NPN ³ dor de potencia.
VCC ³ Rc± ³ ³ ³Ä>¿ ³
³ ³ ³ ³ ³ ³ D o
TDA 1060 ³ ³a c³ ³ ³ ³ ³
TL 494 ³ ....³...........³.³ ³ Rg ³ ³
o similar ³ . ³ ³ÄÄÙ.³ ³ ³ ³ÄÄÙ
ÚÄÄÄÄÄ---ÃoÄÄ´<ÃÙ >>> Ú´ .³ ÃÄÄı±±Ä(Ä´<Ä¿ MOSFET
³ OUT ³ k. ³³Ä>¿.³ ³ ³ ³ÄÄ´ principal.
³ ³ ............³...³.³ ³ ³ ³
³ÄÄÙ ³ b³ eÃÄ´ ³ ³ ³
Ä´ ³ PC ³ ³ ³ ³ ³ ³
³Ä>¿ ³ ³ ³ ³ ³Ä<Ù ³ ³
| ³ ± ± ÀÄ´ PNP ³ ³
| GND ³ ±Rb ± ³ÄÄ¿ ³ ³
÷ÄÄÂÄÄÄÄÄÂÄÄÙ ± ±Re ³ ³ ³
oVE o ÀÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄ´
Á Á o S
El principio de funcionamiento no puede ser m s f cil. Cuando el tran-
sistor interno del control PWM conduce, enciende el LEd del PC, polarizado en
directa v¡a Rc, ‚ste hace conducir al transistor de salida del PC, el cual
hace positivo su emisor, saturando el BJT superior del par complementario NPN
imponiendo la tensi¢n positiva de +12V (descontando p‚rdidas internas) en la
compuerta del MOSFET. Cuando la salida del PWM pasa al estado de no conduc-
ci¢n, se bloquea el LED, el cual desexita el BJT de salida del PC. La base
del mismo se queda a potencial de source del FET por Rb, saturando el transis-
tor PNP y bloqueando al NPN, de manera tal que se descarga la capacidad de
compuerta v¡a el transistor PNP. A pesar de su extrema sencillez, hay un dato
no menor en cuanto a la elecci¢n del fotoacoplador (PC por sus iniciales del
ingl‚s, Photo Coupler). No son muy comunes los PC's que respondan correcta-
mente m s all de los 10 o 20 KHz, de modo que de presentarse una reparaci¢n,
debe ser sustituida por una pieza id‚ntica al original. N¢tese que el negativo
de la fuente auxiliar debe retornar al source del MOSFET, que no necesaria-
mente es masa del circuito de alta tensi¢n, cosa que puede ser corroborada
(re)leyendo el cap¡tulo sobre las topolog¡as Buck, Inverter, Half/Full Bridge,
etc., de modo que al revisar este sector de la fuente, operar con sumo ciudado
para no recibir una poderosa descarga.
Existen en la actualidad, circuitos integrados en los cuales, adem s
del PC, se hallan incorporados a ‚l, un driver seguidor por emisor, es decir
que comprende al fototransistor/fotodiodo, y un circuito de salida para condu-
cir directamente al FET. Pero, de cualquier forma, el circuito de aplicaci¢n
termina siendo similar al visto en la figura 1, y en caso de dudas, siempre es
recomendable chequear la hoja de datos (Data Sheet) del fabricante. Otras
veces, se recurre a ambas soluciones independientes, quiero decir, a un inte-
grado con driver, y luego a una etapa extra por fuera del mismo. Eso forma
parte de la ecuaci¢n t‚cnico-econ¢mica de la que ya he hablado.
En el caso de tener que exitar mas de un MOSFET, se debe tener una
salida de la fuentecita auxiliar independiente para cada uno de los driver,
a excepci¢n del caso de un full bridge, (mono, tri o polif sico) donde los FET
inferiores (referidos ambos al mismo potencial de negativo de la fuente prin-
cipal de entrada de alta tensi¢n) que pueden compartir la misma provisi¢n de
energ¡a.
b2) Bootstrapping:
Cuando la ingenier¡a de la fuente es tal que lo que se necesita para
llegar al MOSFET de potencia es solamente vencer una gran barrera de potencial
pero que est n referidas a una misma masa com£n, se puede utilizar un sistema
denominado bootstrapping. El t‚rmino deriva de un personaje de leyenda que
quiso elevarse en altura tirando de los cordones de sus botas (boot:bota,
strap: cord¢n). Lo cierto es que el propio circuito genera su alimentaci¢n de
manera bastante simple, pero con un alto grado de inseguridad, y a condici¢n
de tener masas comunes.
+12V o
³ D1 C1 ++B
ÚÄ´ÃÄÅÄ´>ÃÄÄÂÄÄÄÄÄÄÂÄÄ´ÃÄ¿
Á ³ ³ ³ ³ o
Cbp1³ ± ³ÄÄÙ ³ ³ Figura 2: Driver de
³ Rb1 ± ÚÄ´ Q3 ³ ³ MOSFET con exitador
³ ± ³ ³Ä>¿ ³ ³ que utiliza "bootstrapping".
³ ³ ³ ³ Rg1 ³ ³ÄÄÙ
³ ÚÄÄÁÄ´ Ãı±±Ä(ÄÄ´<Ä¿
³ ± ³ ³ ³ ³ÄÄ´ MF1
³ ± ³ ³Ä<Ù ³ ³
³ ± ÀÄ´ Q4 ³ ³
³ ³R1 ³ÄÄ¿ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ÀÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄ´
³ ³ ³
³ ³ ³
³ ³ ³
ÚÄÅÄÄÄ(ÄÄÂÄÄÄÄÄÄÂÄÄ´ÃÄ¿C2 ÃÄÄÄo Salida Half Bridge
o Rc ³ ³ ³ ³Rb2 ³ ³ ³
÷ÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄ¿ ± ± ³ ± ³ÄÄÙ ³ ³
³ ± ± ³ ± ÚÄ´ Q5 ³ ³
Tipo TL494 ³ ± ± ³ ± ³ ³Ä>¿ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ Rg2 ³ ³ÄÄÙ
ÚÄÄÄÄÄ---ÃoÄÁÄ(ÄÄÄ(¿ ÀÄ´ Ãı±±Ä)ÄÄ´<Ä¿ MF2
³ ³ ³ ³³ ³ ³ ³ ³ÄÄ´
³ ³ ³ ³³ ³ ³Ä<Ù ³ ³
³ ÚÄ--ÃoÄÄÄ´ ³³ ÃÄ´ Q6 ³ ³
³ ³ ³ ³ ³³ ³ ³ÄÄ¿ ³ ³
³ ³ ³ ³³ÄÄÙ³³ÄÄÙ ³ ³ ³
³ÄÄÙ ³ÄÄÙ ³ À´ À´ ³ ³ ³
Ä´ Ä´ ³ ³Ä>¿ ³Ä>¿ ³ ³ ³
³Ä>¿ ³Ä>¿ ³ ³ ³ ³ ³ ³
| | ³ Q1 ³ Q2 ³ ³ ³ ³
| | ³ ³ ³ ³ ³ ³
| | ³ ³ ³ ³ ³ ³
÷ÄÄÂÄÄÄÄÂÄÄÄÙ ³ ³ ³ ³ ³
o o ÀÄÄÄÄÁÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄ´
³ ³ ³ ³
Á Á Á ³
Masa de 12V o --B
Como se puede observar, es un poco m s complejo, pero es simple en su
modo de operaci¢n. El MOSFET MF2 se exita desde la salida del control por PWM
previa inversi¢n de fase, por medio de Q2, y la amplificaci¢n de corriente que
provee el par complementario Q5 & Q6. Cuando MF2, que es parte de la etapa de
potencia de la fuente, pone a masa el punto de uni¢n de los dos MOSFET princi-
pales MF1 y MF2, tambi‚n se pone a masa el capacitor C1, el capacitor de boot-
strapping. Este se carga negativo en la armadura inferior, y positiva en la
superior por v¡a del diodo D1 que queda de esta manera polarizado en directa,
cargando a C1 a los +12V de la fuente auxiliar. Mientras esto pasa, MF1 per-
manece bloquado porque Q1 conduce, poniendo la base de Q3 y Q4 a un potencial
bajo por medio de R1. Durante el Dead Time, Q1 y Q2 son conductores, sacando
de servicio a los buffers, y con ellos a los MOSFET's.
Pasado el Dead Time, se debe llevar a conducci¢n a MF1. Para ello, el
PWM pasa a estado alto la salida `open collector' vinculada a la base de Q2,
el cual entra en conducci¢n. Esto deja sin polarizaci¢n de base a Q5 y Q6,
permaneciendo el bloqueo de MF2. Pero, la salida conectada a Q1 esta activa
baja, entonces, Q1 no puede conducir, con lo cual el colector se va hasta la
suma de ++B m s los 12 Volts acumulados en C1. Es justamente la tensi¢n en C1
la que hace que v¡a Rb1 se polarice positivamente la base del buffer Q3 & Q4,
posibiltando el pasaje de una fracci¢n de la carga almacenada en C1 al Gate
de MF1, permitiendo su entrada en conducci¢n. Cuando ello suceda, la uni¢n del
par de MOSFET de salida se aproxime a ++B, facilitando el ciclo positivo de
la se¤al de salida del half bridge. Entonces, en ese momento, el capacitor C1
que perdi¢ una parte despreciable de su carga para proveer la exitaci¢n de
Gate, polariza en inversa al diodo D1 evitando que el remanente de energ¡a en
‚l almacenada, se pierda sobre la fuente de +12V. Cuando llegue el pr¢ximo
per¡odo Dead Time, se repite la situaci¢n descripta l¡neas mas arriba. Cuando
el PWM vuelva a llevar a MF2 a la conducci¢n se repetir lo enunciado m s
arriba, con lo que C1 podr recuperar lo que perdi¢ para exitar a MF1.
Es as¡ como C1 se comporta como una fuente de almacenamiento de ener-
g¡a para la compuerta de MF1, recargable en cada ciclo. De esta forma no se
hace necesario disponer de una salida extra de la fuente auxiliar ad hoc para
el MOSFET MF1. Empero, este sistema tiene dos severas restricciones:
Una, que deben estar vinculadas las masas del circuito de potencia, y el de
alimentaci¢n auxiliar (como ya se mencion¢);
Dos, que toda la seguridad de buen funcionamiento queda supeditado a la ais-
laci¢n provista por el diodo D1. Det‚ngase el lector a observar que sucede si
ese diodo entra en cortocircuito: se juntan los 12V con el ++B con resultados
catastr¢ficos.
No obstante, este sistema es bastante utilizado, y es la base del
funcionamiento para los integrados driver espec¡ficamente dise¤ados para ello
y suelen resultar muy confiables. Pero, el peligro siempre est latente.
Final del cap¡tulo 23
ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º Osvaldo F. Zappacosta. Barrio Garay º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
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