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Subj: Fuentes de Alimentaci¢n Conmutadas #31
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ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS º
º Por Osvaldo LW1DSE º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
Hemos analizado ya todas las topolog¡as b sicas, y despu‚s de ellas,
algunas un tanto m s complejas, siempre en pos de encontrar nuevas y cada vez
mejores soluciones, casi siempre pensando en elevar tanto como sea posible
el rendimiento de la conversi¢n, y reduciendo el tama¤o y el peso (principal-
mente de elementos magn‚ticos y discipadores) de los conversores. Todo esto
con la mente puesta especialmente a equipos portables alimentados a bater¡as
o pilas, y mas recientemente, a partir de energ¡as alternativas (como es mi
caso particular) como la solar y/o e¢lica. Y, naturalmente, estas mejoras re-
percuten en el costo del artefacto terminado.
Sin embargo, algunas de estas ventajas son aplicables tambi‚n a equi-
pos energizados desde la l¡nea de canalizaci¢n. Pero la presencia de este
tipo de aparatos funcionando a partir de la l¡nea de corriente alterna, y
compartiendo muchos de ellos el cableado, puede generar numerosos problemas.
Uno de los m s graves que se cuentan, son las interferencias electromagn‚ticas
(EMI) resultantes del escape de se¤ales de alta frecuencia y ondas rectangu-
lares saturadas de arm¢nicas de la fundamental. Otro inconveniente no menos
grave es la distorsi¢n generada por el rectificador principal y su filtro con
entrada a capacitor.
La rectificaci¢n en puente y posterior filtrado con un capacitor de
elevado valor como es necesario para poder continuar la normal operatoria de
nuestra fuente en caso de falta de uno o dos ciclos, e inclusive entre ciclo
y ciclo, determinan una severa distorsi¢n de la onda de la corrinte drenada
por el rectificador desde la l¡nea, circulando en la forma de cortos pulsos
de muy alto amperaje cada vez que la tensi¢n de la l¡nea supera la acumulada
en dicho capacitor mas la ca¡da interna de los propios diodos (1 Volt por
cada uno). Es decir, no se consume potencia de forma de onda puramente sinu-
soidal. En otras palabras, que la fuente tiene mala forma de onda de corrien-
te y mal factor de potencia.
Para evitar este inconveniente, y reducir la generaci¢n de EMI, se ha
dise¤ado lo que se denominan PFC's, un acr¢nimo que proviene de la lengua in-
glesa Power Factor Controller, o controlador del factor de potencia. B sica-
mente se trata de "prefuentes" que se colocan entre el rectificador y el
filtro a capacitor, y que se las integra dentro de la misma unidad, y adem s
est n llamadas a cumplir otras funciones: preestabilizar la tensi¢n de en-
trada a la fuente principal, corregir la forma de onda de corriente y acomo-
dar la tensi¢n de salida a un £nico valor en caso de equipos destinados a
operar desde l¡neas de 110 y 220V indistintamente, sin necesidad de un con-
mutador manual que tarde o temprano, su mal uso puede causar estragos en el
aparato en cuesti¢n. Algunas de las ventajas ya vistas para las fuentes pro-
piamente dichas se las utiliza tambi‚n en los PFC's, de manera que no abun-
daremos demasiado re-explicando estas variantes (Por ejemplo, PFC's con ZVS).
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. . . . Figura 1: forma de onda de
. . . . la tensi¢n de entrada.
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Figura 2: la salida del rectificador.
.... .... .... ....
. | ... . | ... . | ... . | ... <-- Vo
. | | ..... | | ..... | | ..... | | ....
| | | | | | | |
| | | | | | | |
| | | | | | | |<- Iin
| | | | | | | |
| | | | | | | |
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------------------------------------------------------------------- 0Volts
Figura 3: la forma de onda de tensi¢n (Vo) y la de
corriente (Iin) del rectificador con entrada a capacitor.
La forma de onda de la corriente, en forma de cortos pulsos, posee
una gran cantidad de se¤ales esp£reas, mas all de un elevado contenido de
arm¢nicas, los cuales var¡an adem s, al variar la corriente entregada por la
fuente conmutada, puesto que al aumentar la demanda sobre la salida de la
fuente, se descarga mas rapido el capacitor del filtro, variando as¡ el ancho
del pulso de corriente. Por otro lado, la circulaci¢n de tales corrientes
por los conductores de cobre, las fichas y los transformadores de distribu-
ci¢n, aumentando las p‚rdidas en los mismos, y por ende, la temperatura de
funcionamiento, con el consiguiente envejecimiento prematuro, desperdicio de
energ¡a y aumento de los costos de transporte y mantenimiento.
Los PFC's mas utilizados hasta ahora industrialmente, funcionan como
una fuente conmutada tipo Boost, sin grandes variantes. La diferencia sustan-
cial se halla en el integrado del control del PFC, que no es igual al de una
SMPS tradicional, pues tiene que desempe¤ar funciones que le son propias.
ÚÄÄÄÄ¿
L ³ ³+ ÍÍÍÍÍ L1 D
oÄÄÂÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄo÷ oÄÄÄÄÂÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÂÄÄÄ´>ÃÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄo+
³ ÍÍÍÍÍø ³ ³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³ ³ + ³ Co
ÄÄÁÄÄ LF ³ ³ ³ ÄÄÁÄÄ ³ÄÄÙ ÄÄÁÄÄ
ÄÄÂÄÄ ³ ³ ³ ÄÄÂÄÄ oÄÄÄÄ´<Ä¿ MF1 ÄÄÂÄÄ Salida a
³ PWM ³ ³ ³ ³Ci ³ÄÄ´ - ³ la SMPS.
³ ÍÍÍÍÍø ³ ³ ³ ³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³
oÄÄÁÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÂÄÄÄ(ÄÄÄo÷ oÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄo-
N Cx ³ ³ ³ ³- ÄÁÄ
ÄÁÄ ÄÁÄ ÀÄÄÄÄÙ GND
Cy1 ÄÂÄ ÄÂÄ BD1 Figura 4: Topolog¡a boost
ÀÄÄÄ´ Cy2 aplicada a un PFC.
³
ÄÁÄ
/// Tierra
Se puede apreciar lo simple de la etapa. Cx, LF, y Cy1 y Cy2 forman
un filtro de l¡nea elemental de modo com£n. Cx oscila normalmente entre un
valor de .22 a 1æF a 250VAC. LF puede tomar valores de 1 a 50 mH dependiendo
de la corriente que por ‚l circule, y se usan valores mas chicos para inten-
sidades mas grandes. Cy1 y Cy2 son iguales entre si y lo usual es usar de
.0022 a .01æF 1KV o un tipo especial de capacitores etiquetados como Y2. De
ser necesario, puede agregarse mas etapas de filtrado adicional, parecidas a
‚sta.
BD1 es un puente de Greatz, que en este caso ha sido dibujado como
una unidad moldeada con los 4 diodos, o pueden ser del tipo discreto. Ci es
un capacitor de peque¤o valor, lo normal es de .47 a 2.2æF y cumple la tarea
de desacoplar la RF de funcionamiento del PFC. Es del tipo bipolar de poli‚s-
ter o de alg£n tipo adecuado para soportar corrientes de RF relativamente
importantes.
L1, D, MF1 y Co son al igual que en la topolog¡a boost tradicional,
los elemtos importantes de la etapa de potencia. El porque se escoje esta
configuraci¢n, obedece a varias ventajas que posee por sobre algunas posibles
alternativas. A saber:
* L1 y Ci forman un filtro pasabajos que tiende a impedir que la se¤al de
alta frecuencia presente en el drain de MF1 salga hacia la red;
* L1 y Co forman otro filtro pasabajos muy severo, que tiende a eliminar po-
sibles transitorios de la l¡nea y que pudieran generar alg£n trastorno de
poca importancia;
* El MOSFET tiene su Source a masa de alta tensi¢n, lo que facilita el dise¤o
de la etapa de control del mismo;
* La tensi¢n de salida es m s elevada que la de entrada, lo que simplifica el
funcionamiento de la etapa en 110VAC o 220VAC. Normalmente se fija la ten-
si¢n de salida en un valor de entre 350 y 400VDC, para ambas tensiones de
entrada. Esto reduce el valor y el tama¤o del capacitor de salida Co.
* Si bien en la mayor¡a de los casos no es necesario, pero es posible modifi-
ficar la etapa para que funcione como Fly Back adicionando un devanado de
salida sobre el mismo inductor. As¡ mismo, se pueden adicionar bobinados
para alimentar otras partes del equipo, por ejemplo el propio IC de control
del PFC, el de la fuente principal, etc. Muchas veces se incorpora una re-
sistencia de bajo valor, de unos 10 a 50 Ohm de alta corriente en serie con
el rectificador para limitar el pico de corriente de conexi¢n de la misma;
la cual es luego shuntada por un TRIAC o tiristor. Si la se¤al de encendi-
do se obtiene de un devanado adicionado a L1, se tiene un mecanismo f cil y
barato para redisparar dicho semiconductor en cada ciclo y con una se¤al de
RF de alta frecuencia, lo que reduce la discipaci¢n de potencia en el elec-
trodo de control del mismo. Y as¡ tambi‚n se simplifica el disparo una vez
que el PFC arranc¢ sin necesidad de un mecanismo hecho ad hoc.
La forma de onda vista en los bornes del capacitor Ci es la de una
sinusoidal rectificada. Dado que su valor es reducido, frente a la frecuencia
de la l¡nea rectificada de 100 o 120 Hz, su reactancia es elevada, no as¡
para la frecuencia de conmutaci¢n del PFC, situada en el rango de las decenas
de kilohertz. Por lo tanto, el mismo se descarga casi por completo cada vez
que el MOSFET drena corriente a trav‚s del inductor del PFC, L1. De manera
que la corriente demandada a la l¡nea es escencialmente sinusoidal en fase
con la tensi¢n. Dado que contiene vestigios de la RF de conmutaci¢n del PFC,
se impone la necesidad de uno o mas filtros de l¡nea poderosos, para atenuar
dichas se¤ales perjudiciales. Pero la distorsi¢n de la forma de onda de la
corriente suministrada es muchas veces mejor que sin la presencia del PFC,
llegando a factores de potencia de hasta .98, y en ciertos dise¤os muy cui-
dados se han obtenido valores de hasta .995.
Sobre el Drain de MF1 se tiene una tensi¢n sinusoidal rectificada mo-
dulando en amplitud a una rectangular cuyo duty cycle esta justamente modu-
lada por una sinusoidal previamente inyectada al integrado de control. De
manera que cuando la senoidal pasa por su m ximo, el duty cycle es reducido,
y viceversa. Y la de corriente, es una semisinusoide modulando en amplitud
a una corriente diente de sierra de las mismas caracter¡sticas que la de la
tensi¢n. Dependiendo de si el inductor fue calculado para modo cont¡nuo o
discont¡nuo, dicha corriente triangular llegar a cero o no. Ver figura 5.
Teniendo en cuenta lo dicho arriba, se desprende que en el Drain del
MOSFET, el producto de la tensi¢n instant nea y el duty cycle es casi cons-
tante, la salida del PFC, en bornes de Co es casi una tensi¢n independiente
de la forma de onda, la frecuencia y el valor de la tensi¢n a la entrada del
PFC,o sea el capacitor Ci.
.... ....
...³ ... <--V(Ci) ... ³ ...
. ³ ³ . . ³ ³ ³ .
. º ³ ³ ³ . .º ³ ³ ³ .
. º ³ ³ ³ º. . º ³ ³ ³ º .
. º º ³ ³ ³ º . .º º ³ ³ ³ º .
. º º ³ ³ ³ º . . º º ³ ³ ³ º .
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. ÛÛ Û º º ³ ³ ³ º º Û .ÛÛ Û º º ³ ³ ³ º º Û .ÛÛ
. ÛÛ Û º º ³ ³ ³ º º Û .ÛÛ Û º º ³ ³ ³ º º Û .ÛÛ
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. ÛÛ Û º º ³ ³ ³ º º Û .ÛÛ Û º º ³ ³ ³ º º Û .ÛÛ
---------------------------------------------------------------------------
\ ³<Â>³ Nivel de GND
\ ³
\__MOSFET ON ³
³
ÀÄÄ Frecuencia de conmutaci¢n
Figura 5: forma de onda de tensi¢n en el Drain del MOSFET.
N¢tese la fecuencia de conmutaci¢n del MOSFET variando en ancho
de pulso, modulada en amplitud por la semisinusoidal.
Final cap¡tulo #31.
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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