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Subj: Fuentes de Alimentaci¢n Conmutadas #28
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ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS º
º Por Osvaldo LW1DSE º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
Vamos a empezar ahora a analizar algunas topolog¡as que si bien cir-
cuitalmente se le parecen a las etapas cl sicas, una ligera modificaci¢n per-
mite alterar dr sticamente el modo de funcionamiento sin alterar el principio
b sico de las mismas.
Se trata en realidad, de una modificaci¢n que se hace a nivel de con-
trolador, dado que la etapa de potencia no cambia sustancialemente. Pero esa
alteraci¢n permite elevar de manera asombrosa el rendimiento de la conversi¢n
de potencias dentro de la etapa de potencia.
Seg£n se haga de una u otra forma, se las denomina ZVS o ZCS ("Zero
Voltage Switch", o "Zero Current Switch", es decir llaves de cero tensi¢n o
corriente), y que permiten integrar a los elementos parasitarios nombrados en
un cap¡tulo anterior, y hacerlos resonar deliveradamente y aprovechar dichas
resonancias en sus valles de tensi¢n o corriente para activar o desactivar
el MOSFET de potencia, raz¢n por la cual tambi‚n se denominan Convertidores
Cuasi Resonantes, puesto que la resonancia tiene lugar es partes espec¡ficas
de la forma de onda y no en todo el ciclo.
Ya hemos visto al analizar a los elementos indeseables siempre pre-
sentes en toda fuente conmutada, que engendran numerosos incovenientes y
en esta oportunidad los vamos a hacer jugar a nuestro favor.
Da
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄ´<ÃÄÄÄÄ¿ º
³ L3 Û º
³ øÛ º
³ ÚÄÄÄÄÙ º Cs Rs
³ GND1ÄÁÄ | ÚÄÄ´Ãı±±ÄÄ¿
³ | ³ ³
+oÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄ(ÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÂÄÄÄÄÄ¿ | ÚÄÁÄÄÄ´>ÃÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄo+
³ ³ ³ ³ Rc³ ø³ º ³ ³
³ ±Ra ³ ³ ± Û º Û ³
³ ± ³ CcÄÁÄ ± L1 Û º Û L2 ³
³ ± ³ ÄÂÄ ± Û º Û ³ +
³ VCC ³ ³ ³ ³ Û º Û ÄÄÁÄÄ
³ ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÙ ³ ³ ³ º ³ø ÄÄÂÄÄ Co
³ ³ ³ ÀÄÄÄÁÄ´<ÃÄ´ ³ ³ -
³ ³ ³Vcc Dc ³ ³ ³
³ ³ ÚÄÄÄoÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ ³ ³ ³
Ci ³ Ca ³ ³ 7 ³ ³ ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄo-
ÄÄÁÄÄ ÄÁÄ ÚÄÄo8 ³ ³ÄÄÙ ÄÁÄ
ÄÄÂÄÄ ÄÂÄ ³ ³Vref 6 oı±±ÄÄ´<Ä¿ ///
³ ³ ± ³ Out³ ³ÄÄ´MF1
³ ³ Ro± ³ ³ Rg ³ GND 2
³ ³ ± ³ UC3842 ³ ³
³ ³ ÃÄÄo4 ³ Rf ³ Figura 1: Circuito parcial
³ ³ ³ ³Osc 3 oÄÂı±±ÄÄÄ´ de una fuente conmutada
³ ³ ³ ³ Is ³ ³ ³ est ndar con oscilador
³ ³ ³ ³ 5Gnd 2Vs ³ Á Cf ± RC y en "Current Mode".
³ ³ CoÁ ÀÄÄÄÄÄoÄÄÄÄoÄÄÄÄÄÙ Â ±Rs No se indica el circuito
³ ³ Â ³ ³ ³ ± de realimentaci¢n negativa
-oÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄ(ÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÙ por claridad del dibujo.
ÄÁÄ ³
GND1 ³
ÀÄÄÄ>Sensado de tensi¢n y
red de compensaci¢n.
.
. .
. . .
. . . .
. . . . .
. . . . . .
. . . . . .
³ . . . . . .ÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ . . . . . . ³ .
³ . . . . . ³ . . . f3
³ . . . ³ . . . .
³ . ³ . . . . .
³ DIODO ON ³ . . . . . .
³ ³ . . . . . .
Nivel de Ei ³ A³ . . . . . .
------------------³---------------------³---.---.---.---.---.---.--
³ ³ ³ . . . . . .
³ ³ ³ . . . . . .
³ ³ ³ . . . . . ³
³ ³ ³ . . . . . ³
³ ³ . . . . . ³
³ ³ . . . . P3 ³
³ MOSFET ON ³ . . . ³
³ ³ . . P2 ³
³ ³ . . ³
³ ³ ------ . ³
³ ³ P1 ³
³ ³ | ³
³ . ³ Ev ³ .
³ . . . ³ | Figura 2: Vista con ³ . .
³ . . . . ³ "zoom" del oscilograma ³ . .
. . . . . .ÄÄÄÄÄÄÙ------------------- de la forma de onda en ³ . .
. . . . . Nivel de GND1 el drain del MOSFET. . . .
. . . . . .
. .
En la figura 1 vemos una etapa cl sica a la que por sencillez de
dibujo he omitido el lazo de realimentaci¢n negativa que mantiene a la fuente
regulada en un valor correcto de tensi¢n de salida en funci¢n de la demanda
de la carga y la tensi¢n de l¡nea. Se trata de una topolog¡a Fly Back que por
claridad la he reducido a su m¡nima expresi¢n. El ciclo comienza (para un
UC384X) con la descarga por parte del integrado (transistor mediante) de Co
asociado al pin 4, el capacitor del oscilador. Simult neamente, la salida que
comanda la compuerta del MOSFET, pin 6 es puesta a valor alto (1 l¢gico). En
ese lapso de tiempo, el capacitor se empieza a cargar exponencialmente con la
corriente suministrada por el resitor del oscilador, Ro a partir de una
tensi¢n de referencia interna de 5V generada por el pin 8. Cuando el MOSFET
se enciende, se tiene en el DRAIN una corriente que crece linealmente con el
tiempo debido a la aplicaci¢n de la tensi¢n Ei al inductor de entrada L1, la
cual es sensada por Rs y alimentada al integrado via un filtro pasabajos
constituido por Rf y Cf. Cuando la amplitud de la tensi¢n de pin 3 que repre-
senta a la rampa de corriente, se hace igual al valor de la que se inyecta al
integrado como una muestra que es proporcional a la tensi¢n de salida (pin 2),
el integrado anula la tensi¢n de pin 6 (0 l¢gico) con lo cual finaliza el
ciclo de actividad del lado primario de la fuente y permitiendo que por el
lado secundario se extraiga la energ¡a acumulada en el gap del inductor de la
manera que ya conocemos. Mientras este proceso ocurre, el capacitor oscilador
prosigue su carga por Ro hasta que alcance un tope, determinado dentro del IC
de una manera parecida a la que se hace en un IC tipo 555. Cuando ese tope
(de unos 3V) se alcanza, nuevamente se descarga al capacitor Co y arranca un
nuevo ciclo £til sobre el lado primario. En todo este ciclo, el integrado
ignora por completo el estado magn‚tico del n£cleo del inductor y por lo
tanto act£a con independencia de ello. Es as¡ como a partir del momento en
que el diodo salida deja de conducir (punto A), en cuanto el capacitor
oscilador llegue a los 3 volts, arrancar un nuevo ciclo; que ser¡a lo ¢ptimo
poderlo arrancar en uno de los puntos P de baja tensi¢n de drenaje del MOSFET.
Para lograrlo, se han dise¤ado circiutos integrados capaces de sensar el
punto de una casi completa desmagnetizaci¢n del n£cleo y arrancar all¡ el
nuevo ciclo en lugar de hacerlo en cualquier parte. Eso es lo que se denomina
ZVS.
Da
ÚÄ´<ÃÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ º
³ ³ L3 Û º
³ ³ øÛ º
³ Úı±±ÄÙ ÚÄÄÄÄÙ º
³ ³ Rm ÄÁÄ |
³ ³ |
+oÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄ(Ä(ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ | ÚÄÄÄÄ´>ÃÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄo+
³ ³ ³ ³ ø³ º ³ ³
³ ±Ra ³ ³ Û º Û ³
³ ± ³ ³ L1 Û º Û L2 ³
³ ± ³ ³ Û º Û ³ +
³ VCC ³ ³ ³ Û º Û ÄÄÁÄÄ
³ ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÙ ³ ³ º ³ø ÄÄÂÄÄ Co
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ -
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ÚÄÄÄoÄÄÄÄÄÄÄoÄÄÄÄ¿ ³ ³ ³
Ci ³ Ca ³ ³ Vcc Dmg ³ ³ ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄo-
ÄÄÁÄÄ ÄÁÄ ÚÄÄo ³ ³ÄÄÙ ÄÁÄ
ÄÄÂÄÄ ÄÂÄ ³ ³Vref oı±±ÄÄ´<Ä¿MF1 ///
³ ³ ³ ³ Out³ ³ÄÄ´
³ ³ ³ ³ CI ZVS ³ Rg ³ GND 2
³ ³ ³ ³ gen‚rico ³ ³
³ ³ ³ ³ ³ Rf ³ Figura 3: Circuito parcial
³ ³ ³ ³ Is oÄÂı±±ÄÄÄ´ de una fuente conmutada
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ZVS sin oscilador RC y en
³ ³ ³ ³ Gnd Vs ³ Á Cf ± "Current Mode".
³ ³ ÄÁÄ ÀÄÄÄÄÄoÄÄÄÄoÄÄÄÄÄÙ Â ±Rs
³ ³ ÄÂÄ ³ ³ ³ ±
-oÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄ(ÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÙ
ÄÁÄ Cb ³
GND1 ³
ÀÄÄÄ>Sensado de tensi¢n y
red de compensaci¢n.
Aqu¡, en la figura 3, vemos un circuito de aplicaci¢n de un IC gen‚-
rico dise¤ado espec¡ficamente para actuar como Zero Voltage Switch. Obs‚rvese
a primera vista la carencia por completo de un circuito oscilador, de ninguna
especie. Por otro lado, v‚ase que existe una conexi¢n directa a trav‚s de Rm
desde el devanado L3 de automantenimiento de la fuente (antes del diodo co-
rrespondiente), a un pin del integrado denominado "Dmg" (desmagnetizaci¢n).
La funci¢n de dicho resistor es limitar la corriente ingresada al mismo a un
valor seguro para el IC. Tambi‚n se ha prescindido de los circuitos "snubber"
o "clamper" en el drain del MOSFET y el diodo de salida, pues ya no son £ti-
les. Por lo dem s, el esquema es similar, por cuanto existe un circuito de
arranque provisto por Ra y Ca (cuyo misi¢n he explicado con anterioridad en
otro cap¡tulo de esta serie), y un mecanismo de realimentaci¢n de tensi¢n
desde el lado de salida de la fuente (generalmente v¡a un optoacoplador) para
monitorearla y mantenerla a un valor correcto. El t‚rmino "desmagnetizaci¢n"
es perfecto, puesto que en los per¡odos de un m ximo o un m¡nimo de una osci-
laci¢n sinusoidal en un circuito LC, toda la energ¡a se halla acumulada en
forma de energ¡a de campo el‚ctrico en las armaduras del capacitor, mientras
la energ¡a en la inductancia, y por lo tanto en su n£cleo es nula.
El circuito arranca poniendo un 1 l¢gico en la compuerta del MOSFET
con lo cual el mismo es llevado r pidamente a plena conducci¢n. Al igual que
en el caso anterior, la corriente crece linealmente con el tiempo, parte de
ella es convertida a tensi¢n en Rs, y presentada a la entrada del integrado.
Cuando el nivel de tensi¢n en ese pin iguala al valor de tensi¢n vista por el
pin de sensado de tensi¢n de salida (all¡ marcado como Vs, Voltage Sense), se
remueve el nivel alto a la salida del chip, con lo cual el FET es sacado de
servicio. En ese momento, la conducci¢n se transfiere al lado del inductor de
salida (L2 y L3), donde la energ¡a es facilitada a la carga. Tan pronto como
los inductores mutuamente acoplados quedan exhaustos, se produce la oscila-
ci¢n habitual en ellos, debido a la resonancia que se establece con todos los
elementos par sitos ya puestos de manifiesto en otros cap¡tulos. Pero, a di-
ferencia del sistema tradicional, el CI "ve" a trav‚s de Rm que est n tenien-
do acci¢n tales resonancias. Entonces, por esa entrada del IC, se detecta el
m¡nimo de esa senoidal amortiguada (puede, por ejemplo, hacerse la derivada
matem tica temporal de esa se¤al, y de esa manera encontrarse un cambio
en la pendiente de la misma). En cuanto se detect¢ un m¡nimo de esa tensi¢n
sinusoidal, inmediatamente se inicia otro ciclo de conducci¢n del MOSFET por
medio del mecanismo arriba descripto. Desde que la energ¡a remanente en el
inductor una vez que el diodo ya no puede conducir es, en cierta manera, pro-
porcional al tiempo activo del MOSFET, y por lo tanto a la demanda de energ¡a
de la carga, el inicio del nuevo ciclo depender de cu n r pido el inductor
agote su carga energ‚tica. Por lo tanto, los ciclos se iniciar n m s seguidos
(pero mas cortos) con baja carga, y mas espaciados (pero m s largos) con
cargas pasadas.
De esta manera, entonces, surgen algunos problemas. Uno, que la fre-
cuencia de funcionamiento de la fuente NO ES FIJA. Esto hace imposible la
sincronizaci¢n con una se¤al externa (Por ejemplo, la salida horizontal de un
TV o monitor de PC). Dos, que en determinadas condiciones de ausencia o de
muy baja carga, no puede garantizarse que la energ¡a que quede en el inductor
alcance a producir una oscilaci¢n lo suficientemente importante como para
garantizar una comutaci¢n ZVS, o que la frecuencia alcance valores que com-
plican el dise¤o o aumenten notablemente las p‚rdidas, donde quedar¡an ocul-
tas las ventajas del sistema. Ambos inconvenientes son de escasa importancia
frente a las ventajas que se obtienen de esta manera. El primero de ellos se
resuelve usando una segunda celda LC a la salida de la fuente, como ya se ha
visto antes. El segundo se soluciona habitualmente en todos aquellos casos en
que la carga puede ser removida de la fuente, mediante el agregado de peque-
¤as inductancias en serie con el inductor de entrada, de tal de aumentar de
manera controlada la energ¡a disponible para establecer la oscilaci¢n.
Con el trancurso del tiempo, se propuso una soluci¢n integente al
segundo punto complicado. Se ha desarrollado un mecanismo interesante que
consiste en una serie de IC capaces de saltear pulsos (Pulse Skipping) de
la oscilaci¢n. Quiere ‚sto decir, que en lugar de realizar el encendido del
MOSFET sobre P1, se hace sobre P2 o P3 si la carga es extremadamente peque¤a
(o nula). En este caso la conmutaci¢n se realiza en condiciones menos favora-
bles, porque la tensi¢n en esos valles es cada vez m s alta, debido a que
las p‚rdidas en el circuito resonante hacen que la amplitud de la oscilaci¢n
decaiga, ergo, los m¡nimos son de mayor valor y los m ximos de menor valor de
pico; pero de cualquier manera es una situaci¢n mucho mejor que la conmuta-
ci¢n sobre Ei como en el caso de la fuente de la figura 1. Adem s, de esta
forma se contibuye a mantener entre l¡mites mas estrechos, al rango de fre-
cuencias en que la fuente debe operar.
Fin del cap¡tulo # 28
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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