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Subj: Fuentes de alimentaci¢n conmutadas (04/36)
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ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS º
º Por Osvaldo LW1DSE º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
Ya vimos en el cap¡tulo #3, que era posible reducir una tensi¢n
"grande" a una mas chica, sin necesidad de desperdiciar potencia en un resis-
tor, o en un transistor de paso serie, que en definitiva, no es mas que una
resistencia controlada por una corriente. En efecto, la tensi¢n colector-emi-
sor de un transistor en su regi¢n lineal, dividida la corriente de carga da
un valor de resistencia equivalente, y que de hecho es controlada por la
corriente de base del transistor, hFE o ß mediante.
Tambi‚n dije, que reordenando los materiales de la misma fuente b sica
y cambiando la topolog¡a de la misma, se la podr¡a utilizar para elevar una
tensi¢n o incluso transformarla en una de otra polaridad, cosa que es total y
absolutamente imposible con elementos lineales. Por comodidad, se redibuja la
figura 1 del cap. #3, para ver con claridad las alteraciones que vamos a
producirle para cambiarla en topolog¡a "boost", es decir elevador, de su tra-
ducci¢n desde la lengua de Shakespeare. Ac , tambi‚n ya he reemplazado la
forma de switch gen‚rico por un MOSFET canal N para hacer la figura esque-
m tica pero m s cercana a la realidad.
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³
³ ³ÄÄÙ MOSFET
³ oÄÄÄÄ´<Ä¿
³ PWM ³ÄÄ´
³ ³ ----- L
³ oÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ ³ ³
³+ ³ Diodo + ³ C ³ Rc
ÄÄÁÄÄ À´<ÿ ÄÄÁÄÄ ±
ÜÜÜ Ei ³ ÄÄÂÄÄ Eo ± Fig. 1
³- ³ - ³ ³
³ ³ ³ ³
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
+ - ÄÁÄ
(-) (+) GND
----- L Diodo
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄ´>ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ ³ ³
³+ ³ + ³ C ³ Rc
ÄÄÁÄÄ ³ÄÄÙ ÄÄÁÄÄ ±
ÜÜÜ Ei oÄÄÄÄ´<Ä¿ MOSFET ÄÄÂÄÄ Eo ± Fig. 2
³- PWM ³ÄÄ´ - ³ ³
³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³ ³
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
ÄÁÄ
GND
Observando la figura 2, pueden verse los cambios realizados. Reposi-
cionamos 3 de los cuatro elementos: MOSFET, inductor y diodo fast recovery.
La idea es la siguiente. Nuevamente tenemos todos los elementos nue-
vitos, reci‚n soldados. Pondremos una se¤al de PWM excitando la comperta del
MOSFET. Ac siguen siendo v lidos todos los conceptos expuestos en el cap. #3
en cuanto a las caracter¡sticas del MOSFET, diodo, inductor, y capacitor.
Ni bien apliquemos tensi¢n a la entrada del circuito, puede observarse que a
trav‚s del inductor y el diodo, se va a tener a la salida la tensi¢n de
entrada, cargando al capacitor C. El transistor, se va a cerrar con la primera
se¤al del PWM aplicada de valor posistivo. Esto pone a toda la tensi¢n de
fuente en paralelo con el inductor. Otra vez, si el transistor es adecuada-
mente exitado, la ca¡da interna del MOSFET es despreciable, y el voltaje entre
terminales de potencia del MOSFET cae tan r pidamente como sea posible. Enton-
ces, por el inductor comienza a circular una corriente que crece linealmente
con el tiempo, es decir una rampa de corriente. El bobinado responde con una
tensi¢n tal que tiende a impedir esa elevaci¢n de la corriente, de ah¡ que la
FEM en sus bornes tiene la polaridad indicada sin par‚ntesis, cosa que
tambi‚n surge intuitivamente, pues el polo + de Ei va al terminal izquierdo
del choque, y a trav‚s del MOSFET el derecho va a masa. El diodito fast
recovery est bloqueado por ser su c todo positivo respecto al nodo porque
estaba C cargado al valor de Ei y su nodo a masa a trav‚s del MOSFET.
Una vez que tenemos al inductor con el GAP bien lleno de campo magn‚-
tico, el MOSFET es llevado por el exitador PWM al bloqueo. Esto implica, que
la corriente no puede ya seguir circulando. Ac se da otra vez el caso de que
la tensi¢n en bornes del inductor revierte su polaridad, en la b£squeda de
generar una corriente externa que se oponga a la desaparici¢n de la que pro-
ven¡a del MOSFET, y de Ei. Aparece entonces, una FEM en el choque indicada
con signos entre par‚ntesis. Observe el lector que esta tensi¢n aparece en
serie con la de la fuente, sum ndose, pues la polaridad de las mismas se lo
permiten. Ahora, el diodo entra en conducci¢n pues su nodo se hace mas
positivo que el c todo, entonces ambas tensiones en serie aparecen sobre C,
y sobre la resistencia de carga. Una vez que el inductor se vaya quedando sin
energ¡a almacenada, nuevamente se encender el MOSFET, repitiendo el ciclo.
De esta manera tan simple hemos generado una tensi¢n mas grande que
la de entrada. Pero, las caracter¡sticas del circuito, imponen exigencias
m s serias sobre los materiales que la componen. Primero: el inductor debe
poder soportar toda la tensi¢n de entrada entre sus terminales, para ello
debe estar dise¤ado con una aislaci¢n adecuada. Su valor, es mucho mas chico
para iguales par metros de funcionamiento, pues debe almacenar energ¡a para la
carga, en tiempos comparables con los del buck. Esto se puede analizar as¡.
La energ¡a almacenada en el inductor es
El = L * Imaxý / 2 (1)
Pero la corriente vale:
E = L * (I / t) (2)
Para alimentar la carga con la tensi¢n elevada, la inductancia debe
ser capaz de almacenar la energ¡a necesaria para alimentarla, pues el
capacitor y el inductor no aportan simult neamente energ¡a a la carga como el
Buck. Por otra parte, cuando el MOSFET se bloquea, la energ¡a de la inductan-
cia debe pasar r pidamente al capacitor para que cuando esta se vac¡e y se
est‚ recargando desde la fuente cuando el MOSFET conduzca; el capacitor
se la entregue a la resistencia de carga para mantenerla alimentada, cuando el
inductor no pueda aportar corriente a la carga. Entonces, si los tiempos de
que dispone son menores, para la misma tensi¢n, en (2), la inductancia debe
tener un valor menor, y para mantener la energ¡a almacenada en (1), la
corriente de recarga debe ser mayor tambi‚n. Obs‚rvese que adem s, el
capacitor esta entregando corriente ‚l s¢lo, cuando el inductor se est‚
cargando, ergo, su valor debe ser mayor que en la fuente buck, y le impone un
ripple mucho mayor, justamente porque debe abastecer toda la corriente de
carga ‚l solo. De manera que en este caso, es a£n m s importante tener en
cuenta la calidad de este dispositivo. M s a£n, debe asegurarse que en
ninguna ocaci¢n el inductor se sature, pues acarrea la inmediata destrucci¢n
del regulador, al igual que en el Buck.
El diodo y el MOSFET, adem s de soportar las corrientes arriba
indicadas, tienen que aguantar las tensiones elevadas sin avalancharse. Este
tipo de alimentador, es la base de la topolog¡a Fly Back que expuse en el
cuadro sin¢ptico del cap. #3.
toff ton
ÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄ <- MOSFET on
Gate ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
MOSFET ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
--------------------------------------------------------- <- MOSFET off
ÚÄ¿ ÚÄ¿ ÚÄ¿ ÚÄ¿ ÚÄ¿ <-Eo
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ <--Diodo on
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
Anodo ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
del ³ ÀÄÄ¿ ³ ÀÄÄ¿ ³ ÀÄÄ¿ ³ ÀÄÄ¿<-Ei³ ÀÄÄ¿ <-MOSFET on
diodo D ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
ÄÄÙ ÀÄÄÄÄÙ ÀÄÄÄÄÙ ÀÄÄÄÄÙ ÀÄÄÄÄÙ ÀÄÄÄÄÙ <-MOSFET off
<--- T --> 0V
Figura 3
Al igual que en el caso anterior, la inductancia puede vaciarse por
completo, o no, antes de terminar el ciclo, a lo cual se llama modo discon-
t¡nuo o cont¡nuo (por la forma en que se interrumpe o no la corriente en la
bobina entre ciclo y ciclo, respectivamente). A diferencia del Buck, en el
Boost, en general se prefiere que se vac¡e por completo, por dos motivos.
Uno, porque arrancar un ciclo de encendido del MOSFET cuando el inductor no
se vaci¢, implica encenderlo sobre una tensi¢n m s alta que la de entrada, lo
cual exige m s al MOSFET. Por otro lado, en ese instante, el diodo todav¡a
est descargando el inductor sobre la salida, con lo cual, y al igual que en
el buck, esto implica tener MOSFET y diodo en conducci¢n simult nea, con lo
cual se pone en cortocircuito la salida de la fuente misma. Dos, porque,
cuando cerremos un lazo de realimentaci¢n negativa para mentener la salida de
la fuente a una tensi¢n constante, bien regulada por carga y por l¡nea, se
genera una inestabilidad muy dif¡cil de poder ser gobernada. En la realidad
del dise¤o, toda fuente calculada para modo discont¡nuo, pasa al modo
cont¡nuo para valores elevados de la corriente de carga, junto a valores bajos
de la tensi¢n de entrada, justo al borde de perder la regulaci¢n. En esta
situaci¢n, normalmente act£a un circuito de alarma de tensi¢n de entrada baja,
y se apaga el conmutador para prevenir la destrucci¢n de la fuente por la
conducci¢n simult nea del diodo y el MOSFET.
----- L Diodo ----- Lo
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄ´>ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ ³ ³ ³ ³
³+ Ci ³ + ³ + ³ C + ³ Co ³ Rc
ÄÄÁÄÄ ÄÄÁÄÄ ³ÄÄÙ ÄÄÁÄÄ ÄÄÁÄÄ ±
ÜÜÜ Ei ÄÄÂÄÄ oÄÄÄÄ´<Ä¿ MOSFET ÄÄÂÄÄ ÄÄÂÄÄ Eo ±
³- ³ - PWM ³ÄÄ´ - ³ - ³ ³
³ ³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³ ³ ³
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÙ
ÄÁÄ
GND
Fig. 4
Debido a los elevados valores de ripple del regulador aqu¡ expuesto,
en general, se utiliza una red de filtrado adicional (fig 4) compuesto por un
inductor (Lo) y un capacitor (Co) que forman junto a C, un circuito PI, que
reduce dr sticamente la ondulaci¢n en la tensi¢n de salida. Pero esto crea
nuevos inconvenientes, que deben ser tenidos en cuenta por el Ingeniero que
desarrolla el sistema. Uno, no debe haber acoplamiento magn‚tico entre los dos
inductores, pues esto agravar¡a el inconveniente, m s que solucionarlo. Dos,
ese filtro, debe tener una frecuencia de corte que debe ser por lo menos, de
una quinta parte de la frecuencia de conmutaci¢n de la fuente, para ser
efectivo. Esto implica forzozamente lentitud de respuesta de la fuente, por
tanto no va a poder responder a variaciones grandes y/o r pidas en la carga,
por ejemplo, el arranque de un motorcito, o el encendido de una l mpara, que
demandan cantidades de corriente mucho mayores durante el encendido, que
durante su funcionamiento normal. Tres, no debe resonar a la la frecuencia de
conmutaci¢n de la fuente, en el caso de acopl rsele una carga de caracte-
r¡sticas reactivas. Y cuatro, el cierre del lazo de realimentaci¢n negativa se
hace complicado, pues cerrarlo antes del filtro, implica que el circuito de
PWM no "sabe" fehacientemente lo que pasa del otro lado del filtro, es decir,
la carga; y conectarlo despu‚s implica hacer a£n mas lenta la respuesta, pues
la variaci¢n que se tendr¡a que compensar est pasando por un circuito
lentificador como es el filtro pasabajos as¡ formado. Incluso, las variaciones
de fase dentro del filtro, pueden hacer que a determinda frecuencia haya una
rotaci¢n de fase en el filtro de 180ø, con lo cual la realimentaci¢n negativa
se torna positiva, y la salida de la fuente es una oscilaci¢n de tensi¢n
totalmente fuera de control.
Adem s, en la figura 4 se ha adicionado un capacitor Ci a la entrada
del circuito, por si la fuente Ei se debe hallar f¡sicamente alejada de
nuestro regulador. Los cables que los interconectan, deben llevar las
corrientes requeridas por el inductor, y pasan a formar parte del mismo;
puesto que dichos cables poseen inductancia. Encima de no poder saber la
longitud de ese conexionado, y por lo tanto, de la inductancia adicionada a
la L del circuito de la figura 2; pasan a formar parte tal vez importante
de L, que lleva la corriente pulsante del MOSFET, cre ndose un campo magn‚tico
variable alrededor de ese cableado, y al igual que en L, un almacenamiento de
energ¡a, que al no estar confinado en un n£cleo magn‚tico, se desparrama por
el aire, generando toda clase de interferencias a su derredor y actuando como
una antena. Entonces, Ci, que tambi‚n debe ser del tipo "Low ESR", pone un
circuito de baja impedancia a masa para las corrientes variables, y de esa
manera se aten£a la irradiaci¢n de energ¡a por parte del conexionado externo
a la fuente. En el caso de Co, no necesariamente debe de ser "Low ESR", pero
es recomendable. Estos elementos adicionales a nuestra fuentecita Boost,
usualmente son componentes que se incorporan a todo tipo de fuente conmutada.
En caso de tener dificultades, o de presentarse la situaci¢n de tener
que reparar una de ellas, es necesario tener en mente todos estos detalles,
puesto que una reparaci¢n hecha con materiales de dudosa calidad, o de valores
o tipos inadecuados, puede resultar en comportamientos impredecibles del
regulador con resultados poco imaginables.
Fin cap¡tulo #4
ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º Osvaldo F. Zappacosta. Barrio Garay (GF05tf) 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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