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Subj: Fuentes de Alimentaci¢n Conmutadas #32
Path: IZ3LSV<IK2XDE<DB0RES<ON0BEL<CX2SA<HI5MLE<LW1DRJ<LW8DJW
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ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS º
º Por Osvaldo LW1DSE º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
ÚÄÄÄÂÄÄÄ´<ÃÄÄÄ¿
³ ³ ³
± ³ D2ÚÄÄÄ´ ÚÄÄ¿
Ra ± ³ ³ ³ø ³ ÄÁÄ
ÚÄÄÄÄ¿ ± ³ ³ ÀÄÛÛÛÄÙ D1
L ³ ³+ ³ ³ ³ ÍÍÍÍÍ L1
oÄÄÂÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄo÷ oÄÄÄÅÄÄÄ(ÄÄÂÄÄ(ÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄ´>ÃÄÂÄÄÄÄÂÄÄÄÄo+
³ ÍÍÍÍÍø ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ø ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ R3 ± + ³ Co
ÄÄÁÄÄ LF ³ ³ ³ ÄÄÁÄÄ ³ ³ ³ R5 ³ÄÄÙ ± ÄÄÁÄÄ
ÄÄÂÄÄ ³ ³ ³ ÄÄÂÄÄ ³ ³ ³ ÚÄÄÂÄÄÄÄÄ´<Ä¿ MF1 ± ÄÄÂÄÄ
³ ³ ³ ³ ³Ci ³ ³ ³ ³ ³ ³ÄÄ´ ³ - ³
³ ÍÍÍÍÍø ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ± ³ ÚÄÄÄ´ ³ ³
oÄÄÁÄÛÛÛÛÛÄÄÂÄÄÄ(ÄÄÄo÷ oÄÄÄ´ ³ ³ ³ ± ³ ³ ³ ³ ÃÄÄÄÄo-
N Cx ³ ³ ³ ³- ÄÁÄ ³ ³ ³ ± ³ ³ ± ³ ÄÁÄ
ÄÁÄ ÄÁÄ ÀÄÄÄÄÙ ³ ±R1³ ³ ³ ³ ±Rs ³ GND
Cy1ÄÂÄ ÄÂÄ BD1 ³ ± ³ ÄÁÄ ³ ³ ± ³
ÀÄÄÄ´ Cy2 ³ ± ³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³ ÀÄÄÄ¿ ³ ³ ÄÁÄ ÃÄÄÄ¿
ÄÁÄ ³ ³ ³ ±Rg ± ³ ³
/// Tierra ³ ÃÄÄÄ¿ ±Rm ± ±Rf ± ³
³ ³ ³ ± ± ± ± R4³
³ ±R2 ³ ± ³ ³ ± ³
Figura 1: Topolog¡a Boost ³ ± ³ ³ ³ ³ Cf ³ ³
aplicada a un PFC, donde ³ ± ³ ³ ³ ÃÄ´ÃÄÄÄÄÄÄÄ´ ³
se ve adem s, un controlador ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
gen‚rico de PFC. ³ ÄÁÄ ³ ÀX¿ ³ ³ ÄÁÄ ³
³ ³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ÚÄoÄÄoÄÄÄÄoÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ ³
³ ³ ³Dm Out Is ³ ³
³ UVLOÀÄÄo Vi oÄÄÄÄÄ´
³ ³ ³ ³ Cc
³ Vdd ³ ³ ÄÁÄ
ÃÄÄÄÄÄÂÄÄÄo ³ ÄÂÄ
³ ³ ³ ³ ³
³ ³+ ³ oÄÄÄÄÄÙ
³ Ca ÄÁÄ ³ Co GND Ro Syn ³Comp.
³ ÄÂÄ ÀÄÄoÄÄÄÄÄoÄÄÄoÄÄoÄÄÙ
³ ³- ³ ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ± ÀÄÄ<
³ ÄÁÄ ÄÁÄ ³ ±
³ ÄÂÄ ³ ± Sincronismo desde
ÀÄÄ> ³ ³ ³ fuente principal.
ÀÄÄÄÄÄÅÄÄÄÙ
VDD a la ³
fuente principal. ÄÁÄ
En la figura 1 vemos un PFC con la etapa de potencia tipo Boost y con
los elementos necesarios para un funcionamiento correcto. El IC es del tipo
gen‚rico, es decir, no necesariamente corresponde a un tipo existente en el
mercado. Es a solo t¡tulo de explicar el funcionamiento del conjunto.
Se puede apreciar una importante similitud para con los vistos res-
pecto a fuentes conmutadas propiamente dichas. Para empezar, tenemos un resis-
tor Ra, un capacitor Ca que generan un peque¤o delay para el arranque. Dado
que sobre Ci en condiciones normales de trabajo, se halla presente un impor-
tante ripple de 100 (120) Hz, Ca impide que alcance el pin de Vdd del IC. R1
y R2 forman un divisor de tensi¢n que monitorea el estado de la l¡nea de ali-
mentaci¢n general e inhibe el arranque si la misma se halla fuera de los va-
lores de dise¤o. Por otro lado provee una se¤al semisinusoidal a ser utiliza-
da en sectores internos del dispositivo. R3 y R4 pasan informaci¢n al IC del
estado de la tensi¢n de salida de manera similar que en cualquier fuente de
las ya vistas. Cc es el capacitor de compensaci¢n del operacional, y que se
lo calcula para que la respuesta en frecuecia sea (normalmente) inferior a
los 20 Hz, de manera tal que no intente corregir el ripple presente en Ci, y
se comporte realmente como un PFC. Co y Ro (de ser necesarios) fijan la fre-
cuencia de conmutaci¢n del PFC. Si es del tipo ZCS, ambos son innecesarios, y
entonces entrar¡a en funciones Rm (uniendo los puntos cortados con una X),
llevando informaci¢n del estado magn‚tico de L1 como ya vimos en las fuentes
ZVS. Para ello, se toma una conexi¢n del devanado auxiliar sobre L1, el cual
tambi‚n se rectifica en media onda con D2 para obtener la alimentaci¢n del IC,
y a veces se puede utilizar esa misma rectificaci¢n para alimentar el IC del
PWM de la fuente principal. Desde ella, se trae una se¤al de sincronismo que
se aplica a la pata Syn para que ambos IC operen en forma coordinada; lo
correcto ser¡a que cuando el PFC entregue un pulso de corriente de salida por
D1, sea el mismo instante en que se drena desde la fuente princiapal, de esa
manera el ripple de alta frecuencia es m¡nimo, con lo cual Co puede tener el
m¡nimo valor posible. Rg y R5 sabemos que su funci¢n es amortiguar posibles
oscilaciones en el circuito de compuerta del FET y prevenir posibles disparos
err ticos, y eventualmente, la destrucci¢n de la capa aisladora de SiO2 que
la forma.
De acuerdo al modo de operaci¢n del IC, y de como evoluciona la co-
rriente en el inductor, se pueden distinguir 3 tipos distintos. Recu‚rdese,
que para las fuentes hab¡a 2, y que uno de ellos (modo cont¡nuo) era muy poco
utilizado. Ac la situaci¢n es diferente, pues el restringido ancho de banda
del sistema permite su utilizaci¢n con poca dificultad.
* Modo Cont¡nuo: la corriente en el inductor no se agota entre ciclo y ciclo.
Siendo del tipo a frecuencia fija, usualmente se lo utiliza con un sistema
de sensado de corriente (Rs, Rf y Cf). Requiere una circuiter¡a interna al
IC un tanto compleja, y actualmente se est utilizando una versi¢n mejorada
en donde en lugar de corriente de pico, se utiliza un circuito de valor de
medio de la corriente, que necesita circuitos extra, pero resulta mas sen-
cillo de aplicar.
* Modo Discont¡nuo: la corriente en el inductor se vac¡a entre ciclo y ciclo.
Es el mecanismo mas utilizado en moderadas potencias. Posee menores p‚r-
didas por conmutaci¢n, pero tiene la desventaja de requerir semiconductores
m s sobredimensionados. Una variante que se utiliza poco, consiste en no
utilizar frecuencia de conmutaci¢n fija, sin¢ variable, que se implementa
de forma tal que se arranca un ciclo ni bien la corriente en el inductor
remanente del ciclo anterior justo lleg¢ a cero. De esta manera se opera en
el l¡mite entre modo cont¡nuo y discont¡nuo. Dicha variante se la llama:
Controlled On Time (Tiempo de encendido controlado).
* Zero Current Switch: surge como una optimizaci¢n del anterior modo. Se uti-
liza un esquema parecido al anterior, pero se detecta el cruce por cero de
la corriente en el inductor para disparar un nuevo ciclo de conducci¢n del
MOSFET. El amplificador de error (el amp. operacional interno del IC) moni-
torea la salida del PFC v¡a los resistores R3 y R4 y la compara con una re-
ferencia interna estable. Cc reduce la respuesta en frecuencia hasta alre-
dedor de los 20 Hz. Ese resultante se multiplica an logamente con una mues-
tra obtenida de la semisinusoide presente a la salida del rectificador.
Luego, esa salida se compara con un generador diente de sierra (Co, Ro)
para crear de esa forma un PWM de duty cycle de duraci¢n proporcional al
valor de la tensi¢n rectificada, pero fija dentro de un dado semiciclo de
la tensi¢n alterna. Por otro lado, ese PWM dispara un flip flop que a su
vez pone la salida del IC en un uno l¢gico (+12V para encender el MOSFET).
Cuando el MOSFET conduce, se pone al inductor sobre la tensi¢n de entrada.
La corriente crece linealmente al ritmo:
dI = L1 * E(Ci) * dt (1)
Una vez que pas¢ el tiempo de encendido necesario (detectando el
pico de la corriente de dise¤o via Rs), se apaga al MOS, reseteando al flip
flop. Hecho esto, la corriente en el devanado L1 cae linealmente:
dI = L1 * [E(Co) -E(Ci)] * dt (2)
Cuando alcance el cero, se redispara un nuevo ciclo de conducci¢n.
Este modo de operaci¢n tiene como base de funcionamiento que, con un
tiempo fijo de encendido, el pico de la corriente que alcanza el inductor,
depende directamente de la tensi¢n instant nea a la salida del rectificador
Ecuaci¢n (1). Como dicho voltage est variando semisinusoidalmente, tambi‚n
lo hace la corriente de pico, y adem s la corriente media es la mitad de la
de pico (por relaci¢n geom‚trica). Entonces, si cada vez que se acabe un
ciclo y la corriente llegue a cero se arranca otro inmediatamente, la cor-
riente media del inductor, y por lo tanto la de l¡nea es sinusoidal. De
esta manera es relativamente simple llegar a valores del PF (Power Factor)
de mas de .98.
Analicemos un poco el asunto con ayuda de la Matem tica. Para tener
un factor de potencia unitario, necesitamos que la tensi¢n y la corriente
est‚n en fase, como sucede £nicamente en un resistor puro. En esas condicio-
nes, y dado que estamos hablando de corriente alterna senoidal (sinusoidal),
tenemos:
e = E cos(2ãft) [V] (3)
i = I cos(2ãft + è) [I]
donde: E e I representan a las tensiones y corrientes m ximos;
e , i a los valores instant neos;
f la frecuencia (50 o 60 Hz);
t el tiempo de medici¢n;
è el ngulo de fase entre la corriente y la tensi¢n.
La potencia en corriente cont¡nua o corriente alterna senoidal disci-
pada en un resistor puro es:
P = Eeff * Ieff [W] (4)
Si estamos en circuito de corriente alterna que contiene elementos
reactivos (capacitivos o inductivos), existe un desfasaje entre la corriente
y la tensi¢n (excepto en condiciones de resonancia entre ambos):
Pap = Eeff * Ieff [VA] (5)
Pact = Eeff * Ieff cos (è) [W]
Se define entonces, al factor de potencia a la relaci¢n existente
entre la potencia activa y la aparente en corriente alterna:
PF = Pact/Pap = cos (è) (6)
Esto es cierto solamente en condiciones de se¤ales senoidales puras.
En un rectificador con entrada a capacitor, la tensi¢n es senoidal
dado que est impuesta por el generador, pero no as¡ la corriente que es seve-
ramente distorsionada por el circuito de rectificaci¢n. Existe pues, una co-
rriente plagada de arm¢nicas (principalmente impares) y por lo tanto podemos
hablar (como en audio) de un porcentaje de distorsi¢n arm¢nica total, o THD.
Entonces, es v lida la relaci¢n:
PF = 1/ û (1+ THDý) (7)
Quiere todo esto decir que, para lograr un alto factor de potencia
debemos tener:
a) ngulo de fase nulo entre la tensi¢n y la corriente drenada; y
b) muy baja distorsi¢n de la corriente consumida.
Para cumplir el cometido, debemos hacer que la corriente que absorba
nuestro PFC sea sinusoidal pura y en fase con la tensi¢n de l¡nea. Eso se
logra modulando a la corriente que circula por el inductor L1 y por lo tanto
desde la l¡nea, con una semisinusoide superimpuesta al PWM de alta frecuen-
cia. Eso se lleva a cabo multiplicando a la tensi¢n de error de la salida del
operacional que compara la tensi¢n de salida con la referencia con una mues-
tra de la tensi¢n instant nea en la entrada, por ello es que existe el divi-
sor R1 y R2 sin desacoplar. Es, por ende, esta etapa multiplicadora anal¢gica
entre el error y la semisinusoide, la diferencia entre un IC para PFC y el de
uno para SMPS. Es el coraz¢n, en definitiva, de nuestro PFC.
De modo tal que, al igual que con las fuentes Current Mode tenemos
dos lazos de realimentaci¢n en nuestro circuito. Uno interno que monitorea
la corriente del inductor a trav‚s de una muestra sacada desde el Source del
MOSFET, Rs; y otro externo de tensi¢n, que vigila la tensi¢n de salida. La
misma se halla r£sticamente controlada por el circuito que arranca en R3 y R4
dado que el lazo tiene la respuesta en frecuencia restringida, y por lo tanto
es lento en cuanto a efectuar correcciones. No obstante, la regulaci¢n
definitiva queda a cargo de la fuente principal. Otra alternativa corriente-
mente en creciente uso, consiste en utilizar el valor medio de la corriente
en el inductor, en lugar de la corriente de pico. Eso se obtiene adicionando
un circuito no demasiado complicado entre Rs y el resto del circuito, y que
consiste escencialmente en un integrador o filtro pasabajos realizado con un
amplificador operacional que por lo general viene incluido dentro del IC di-
se¤ado para tales efectos.
Pueden utlizarse otras topolog¡as, en lugar del boost arriba visto.
Sin embargo, se utiliza casi exclusivamente ‚sta, por las razones enumeradas
en el cap. 31, con mas algunas otras que ahora vamos a detallar. La etapa
Buck necesita que la tensi¢n de salida sea menor que la de entrada. Es situa-
ci¢n no es posible cumplirla durante todo el ciclo, pues en los puntos en
donde la semisinusoide baja a cerca de cero volts, la conducci¢n cesar¡a,
ergo el PFC resultar¡a in£til, por no poder cumplir la condici¢n b) arriba
expuesta. Y un Back Boost o inverter, no tendr¡a mucho sentido, pues de poco
sirve tener una tensi¢n de salida con el positivo a masa. Tanto en la forma
de un Boost o de un Fly Back, la corriente del inductor es la misma que la
de entrada, mirando a la se¤al de baja frecuencia (la de la red), por lo
tanto controlando tal corriente, se puede tener bien vigilada la corriente
de entrada. En cambio, en las otras topolog¡as, no se da esta condici¢n, de
manera tal que es mucho mas dif¡cil, y costoso, alcanzar un buen factor de
potencia y baja distorsi¢n de la forma de onda de la corriente.
Fin del cap¡tulo # 32
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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