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LW1DSE > TECH 27.02.11 16:35l 224 Lines 13049 Bytes #999 (0) @ WW
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Subj: Fuentes de Alimentaci¢n Conmutadas #36
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ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS º
º Por Osvaldo LW1DSE º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
Vamos a analizar ahora la £ltima de las topolog¡as de fuentes reguladas
conmutadas propiamente dichas. Es el "SEPIC". Es una sigla que deriva de los
vocablos Single Ended Primary Inductance Converter (Conversor con inductancia
primaria terminada simple). Es un circuito poco empleado en la pr ctica, a
pesar de lo cual posee grandes cualidades: con los mismos materiales, sin
cambiar m s que el ciclo de actividad, puede comportarse como elevador,
estabilizador o reductor de tensi¢n. Por ejemplo, supongamos un dispositivo
alimentado con una tensi¢n de +12V, podemos ponerle una bater¡a de 12V (14.2V
a plena carga, y continuar utilizandolo hasta llegar a la descarga completa
(unos 11.6V). El hecho de tener el source del MOSFET referido a masa del
circuito facilita el comando del mismo, el inductor en serie a la entrada
act£a como propio filtro reduciendo la di/dt, los transitorios de la entrada
son amortiguados en el mismo circuito. As¡ mismo, esta topolog¡a se la usa
como regulador (S.M.P.S.) o como preregulador corrector de factor de potencia
(P.F.C.). En ambos casos puede operar con los inductores en modo continuo
(CCM, Continuous Conduction Mode), en modo discontinuo (DCM Discontinuous...) o
o en un modo especial llamado BCM (Boudary...) en el cual est en el l¡mite
entre los dos primeros.
Las contras para su popularizaci¢n reside en que el capacitor Cx debe
soportar un intenso "ripple", no es posible aislar la entrada de la salida,
ni permite inversi¢n de polaridad. Los dos inductores identificados como L1 y
L2, son dos devanados independientes, a pesar de lo cual se demuestra que
pueden compartir el mismo n£cleo, y jugando con la reactancia de dispersi¢n
entre ellos, no se interfieran mutuamente; lo cual a su vez adem s de reducir el
costo y el espacio en el impreso requerido, incorpora una una ventaja extra,
y que es la de reducir a£n m s el ripple, tanto de entrada como el de salida,
con la consiguiente atenuaci¢n de las EMI (Electro Magnetic Interference), y
el filtrado de la fuente en general. No se necesitan de reguladores de dise¤o
especial, por lo tanto son £tiles los controladores de PWM comunes (UC384X),
a pesar de lo cual se han desarrollado algunos que hacen uso de este "modus
operandi". El source del FET a masa, permite la utilizaci¢n del sistema
Current Mode en bajas potencias donde se utiliza sensado de corriente
resistivo (en altas se prefiere sensado por transformador de corriente), ver
figura 1.
Ii Cx Io
+ ---> ÍÍÍÍÍ L1 ³³ Diodo ---> + Eo
oÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄ´ÃÄÄÄÂÄÄ´>ÃÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ +³³- ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³
³+ ³ ºÛ + ³ Co ³ Rc
Ei ÄÄÁÄÄ Ci ³ÄÄÙ ºÛ ÄÄÁÄÄ ±
ÄÄÂÄÄ oÄÄÄÄ´<Ä¿ MOSFET ºÛ ÄÄÂÄÄ ± Fig. 1: Circuito
³- PWM ³ÄÄ´ ºÛ - ³ ³ esquem tico de un
³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³ L2 ³ ³ SEPIC.
³ ³ ³ ³ ³
oÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
- ÄÁÄ -
/// GND
Para analizar el funcionamiento del conversor, es necesario desglosar
en dos semiciclos, acorde al estado de los semiconductores, que al igual que
en el caso del Fly Back, no se superponen. En el estado inicial, el capacitor
Cx resulta cargado al valor de Ei, por los caminos de baja resistencia ¢hmica
constituida por las dos inductancias en serie. Ese valor no se altera para
condiciones estables del convertidor, es decir, no hay variaciones ni de la
corriente de carga ni de la tensi¢n de entrada. En un primer instante, el
controlador impone un estado alto a la puerta del MOSFET, con lo cual ‚ste
entra en conducci¢n, y quedando el circuito temporalmente en el estado en que
lo indica la figura 2.
Cx Diodo
+ ÍÍÍÍÍ L1 ³³ + Eo
oÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄ´ÃÄÄÄÂÄ X ÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ + - ³ +³³- ³ ³ÚÄiLÄÄ¿ ³
³ Äi1ÄÄ¿ ³ ÚÄÄ ³ - ³ ³
³+ ³ ³ ºÛ + ³ Co ³ Rc
Ei ÄÄÁÄÄ Ci ³ÄÄÙ| i2 ºÛ ÄÄÁÄÄ ±
ÄÄÂÄÄ oÄÄÄ´<Ä¿| ³ ºÛ ÄÄÂÄÄ ± Fig. 2: Cuando
³- PWM ³ÄÄ´| ³ ºÛ - ³ ³ conduce el MOSFET
³ oÄÄÄÄÄÄ´| L2 ³ + ³ ³ el SEPIC queda en
³ ³ ³ ³ ³ esta condici¢n.
oÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
- ÄÁÄ -
/// GND
El MOSFET conduce con muy baja resistencia la corriente i1, la cual
(como ya sabemos) tiene la forma de una rampa lineal, en tanto el inductor
est‚ dentro del r‚gimen lineal de la curva B-H. En otras palabras, lejos
de la saturaci¢n. El extremo izquierdo de Cx se hallaba cargado positivamente
es puesto a tierra por el mismo MOSFET. Entonces, ‚ste tiende a descaragrse
sobre el inductor L2, circulando la corriente i2 y transfiri‚ndole a ‚ste una
parte de su carga. Quiere decir, ambos inductores est n siendo cargados a
iguales potenciales, L1 desde Ci y la fuente de entrada, y el L2 desde Cx.
Obs‚rvese en la figura 2 las polaridades relativas en bornes de ambos induc-
tores. Dado que Co est aportando la corriente iL a la carga, su armadura
superior positiva, bloquea al diodo que se halla con su nodo polarizado
negativamente por Cx (reitero) con su extremo izquierdo positivo a masa del
circuito (GND). Cuando el driver lleva al MOSFET al corte, se inicia el
segundo hemiciclo del conversor, ahora con el diodo en conducci¢n.
Cx
+ ÍÍÍÍÍ L1 ÄÄi4ÄÄ ³³ Diodo + Eo
oÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄ´ÃÄÄÄÂÄÄ---ÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ - + ³ +³³- ³ÚÄi5ÄijÚÄiLÄÄ ³
³ ³ ³ + ³ ³
³+ ³ ºÛ + ³ Co ³ Rc
Ei ÄÄÁÄÄ Ci ºÛ ÄÄÁÄÄ ±
ÄÄÂÄÄ X ºÛ ÄÄÂÄÄ ± Fig. 3: Circuito
³- X ºÛ - ³ ³ esquem tico al
³ L2 ³ - ³ ³ bloquearse el MOS
³ ³ ³ ³ ³ del SEPIC.
oÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
- ÄÁÄ -
/// GND
Con las inductancias cargadas, y el MOSFET al corte, se completa el
ciclo. L1 almacen¢ energ¡a que ahora entrega para reponer la que perdi¢ el
capacitor Cx, y L2 le repone la porci¢n de carga que cedi¢ Co a la carga.
Observar que por el principio de autoinducci¢n, una inductancia en la que
previamente estaba circulando una corriente, y la misma es repentinamente
cancelada, el campo magn‚tico almacenado en su n£cleo retorna a la forma de
una tensi¢n en bornes (FCEM, o Fuerza Contra Electro Motriz) tal que tiende a
hacer seguir circulando esa corriente que ya no impone el suministro externo,
para ello, los bornes de la tensi¢n as¡ generada, tiene la polaridad
invertida, ver los signos indicados en la figura 3, y compararlos con la de
la 2.
El diodo conduce dado que la polaridad de la tensi¢n que se induce en
los terminales de L2 le es favorable. Quiere decir que V(L2) = Eo + Vd siendo
Vd la ca¡da interna del diodo mismo (.8V para el diodo de silicio y .4 para
los del tipo Schottky). si los inductores tienen iguales valores y condujeron
por per¡odos de tiempo iguales, la energ¡a por ellos almacenada es igual.Esto
implica que van a ser iguales tambi‚n la FCEM. Entonces, Cx "ve" una tensi¢n
en sus terminales igual a Ei + V(L1) - V(L2), y como V(L2) es casi igual a Eo
y a su vez igual a V(L1), se deduce por simple c lculo que V(Cx) = Ei, que se
corresponde con lo antedicho.
La tensi¢n en el Drain del MOSFET alcanza la cifra de Ei + Eo volts, y
la corriente es igual a las corrientes demandadas por los dos inductores. La
tensi¢n de salida del conversor se puede calcular como:
d
Eo = Ei * ÄÄÄÄÄÄÄ
1 - d
donde se aprecia la capacidad del dispositivo para mantener voltages en
relaci¢n 1:1 cuando el factor de actividad es de .5 (50%). La corriente de
entrada (al ser los sistemas por modulaci¢n de ancho de pulso a potencia
constante, guarda la relaci¢n inversa:
d
Ii = Io * ÄÄÄÄÄÄÄ + Ihh
1 - d
donde Ihh es la corriente demandada para la alimentaci¢n del propio conversor.
(House Hold, o mantenimiento interno). La corriente que atraviesa L1 tiene el
valor de la corriente de entrada, mientras que la corriente de L2 se
corresponde con el de la de salida, Io.
Se han realizado algunas aplicaciones de este dispositivo con recti-
ficaci¢n sincr¢nica, reeemplazando al diodo por otro MOSFET, y gobern ndolo
en contrafase con el principal. De esa manera, se obtienen rendimientos
elevados cuando de coorientes grandes se trata. Dicho segundo MOS tiene el
Source referido a una tensi¢n alterna y continua, por lo cual es necesario el
manejo mediante transformador o alguna otra opci¢n ya vista en el cap¡tulo
correspondiente.
Se puede comparar al SEPIC con un conversor tipo Fly Back. Tienen
algunas propiedades en com£n.
Cx
+ ÍÍÍÍÍ L1 ³³ D + Eo
oÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄ´ÃÄÄÄÂÄÄ´>ÃÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ +³³- ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³
³+ ³ ºÛ + ³ Co ³ Rc
Ei ÄÄÁÄÄ Ci ³ÄÄÙ ºÛ ÄÄÁÄÄ ±
ÄÄÂÄÄ oÄÄÄÄ´<Ä¿ MOSFET ºÛ ÄÄÂÄÄ ± Fig. 4: Comparaci¢n
³- ³ÄÄ´ ºÛ - ³ ± del SEPIC con un
³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³ L2 ³ ³ Fly Back.
³ ³ ³ ³ ³
oÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
- ÄÁÄ -
/// GND
+ ÍÍÍÍÍ L1 D + Eo
oÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄ¿ ÚÄÄ´>ÃÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³
³+ ³ ºÛ + ³ Co ³ Rc
Ei ÄÄÁÄÄ Ci ³ÄÄÙ ºÛ ÄÄÁÄÄ ±
ÄÄÂÄÄ oÄÄÄÄ´<Ä¿ MOSFET ºÛ ÄÄÂÄÄ ±
³- ³ÄÄ´ ºÛ - ³ ±
³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³ L2 ³ ³
³ ³ ³ ³ ³
oÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
- ÄÁÄ -
/// GND
Al igual que el Fly Back, el SEPIC puede transferir potencia a una carga
que demande una tensi¢n igual, mayor o menor que la de entrada, y se observa
en la fig. 4 su similitud circuital. Los circuitos de entrada y salida tienen
ciclos de conducci¢n diferentes, y no solapados. Empero, a diferencia del Fly
Back, en el SEPIC, los inductores conducen ambos simult neamente y no hay
pasaje de energ¡a a trav‚s del campo magn‚tico entre inductores. No pueden
obtenerse diferentes tensiones, como en el Fly Back, sin¢ una sola y sin
inversi¢n de polaridad. La ventaja radica en que el acoplamiento que brinda
el capacitor Cx es quien hace la transferencia, y por lo general, a igualdad
de potencia, comparativamente un SEPIC exige menos a los semiconductores, lo
redunda en un beneficio econ¢mico y de espacio para alojar al conversor.
Fin cap¡tulo #36
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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