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Subj: Fuentes de alimentaci¢n conmutadas (03/36)
Path: IZ3LSV<IK2XDE<ON4HU<SR1BSZ<OK0NBR<OK2PEN<CX2SA<CX4AE<LW1DRJ<LW8DJW
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ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS º
º Por Osvaldo LW1DSE º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
Las fuentes conmutadas, de acuerdo a como hacen el pasaje de la
energ¡a primaria en la secundaria, se las clasifica en dos grandes grupos.
1) No aisladas:
1.1) Convertidores Buck,
1.2) Convertidores Boost,
1.3) Convertidores Inverters.
2) Aisladas:
2.1) Convertidores Forward,
2.2) Convertidores Push-Pull,
2.3) Convertidores Single Ended o Half Bridge,
2.4) Convertidores Full Bridge o en "H",
2.5) Convertidores Fly Back.
A su vez, cada una de ellas, dependiendo de como funcionen, se dividen
en otra serie:
3) Voltage Mode,
4) Current Mode.
Otra categor¡a involucra una tecnolog¡a mucho m s reciente:
5) Convertidores Cuasi-Resonantes.
6) SEPIC's.
Una clase especial que se est lentamente dejando de usar:
7) Osciladores de bloqueo.
Para explicar el funcionamiento b sico, y para seguir la hilaci¢n con
el art¡culo #2, voy a describir el funcionamiento de la topolog¡a Buck.
La Topolog¡a Buck.
+ -
(-) (+)
Switch ----- L Io -->
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄo\oÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
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
Los elementos b sicos de las tres topolog¡as no aisladas, est n
expuestas en la figura 1. Ellos son:
Ei: ac se expresa como una bater¡a, pero puede no ser as¡. Representa a la
tensi¢n de entrada sin regular. Puede ser un rectificador partiendo directa-
mente desde la red de canalizaci¢n, la salida rectificada de un transformador,
de un panel solar, o, una bater¡a (por ejemplo, una laptop)
Switch: en la mayor¡a de los casos se trata de un MOSFET, si bien puede ser
un transistor bipolar, un IGBT, un tiristor, etc. Es importante que tenga
bajas p‚rdidas durante la conducci¢n.
Diodo: tiene que ser de alta velocidad, y debe ir a la par con el conmutador
principal, al igual que ‚ste debe ser ultrafast, o en algunos casos de bajas
tensiones, diodos de juntura Schotky. En algunos casos es sustituido por otro
MOSFET si se requieren extremadamente bajas p‚rdidas (se lo conoce como rec-
tificaci¢n sincr¢nica). Se lo nombra en la jerga, como diodo freeweeling
(rueda libre).
L: es un inductor con n£cleo de ferrite, con espacio de aire en el recorrido
del flujo magn‚tico, o bien n£cleos especiales con una mezcla de polvo
magn‚tico y part¡culas no-magn‚ticas a fin de no tener el n£cleo completamente
cerrado. En bajas frecuencias, se hace de alambre Litz (muchos hilitos finos),
pero en altas corrientes se usan cintas o chapas de cobre .
C: por lo general, electrol¡tico, con unas especificaciones especiales, debido
a las caracter¡sticas de la funci¢n que ha de desempe¤ar.
En la pr ctica, el inductor y el capacitor ubicados a la salida, hacen una
tarea de filtro pasabajos, o integrador, o constante de tiempo similar a la
descripci¢n que hicimos en el art¡culo #2 referente a la inercia presente en
la heladera.
¨C¢mo funciona ‚sto?
Supongamos que el circuito est reci‚n armado, y por lo tanto todos
los elementos son nuevos. Conectamos una resistencia de carga, y una tensi¢n
de alimentaci¢n. Entonces, cerramos el switch. En ese momento suceden 2 cosas:
a trav‚s de la inductancia de la bobina L se empieza a cargar el capacitor C
y se entrega energ¡a a la resistencia de carga, circulando por lo tanto una
corriente por la serie Ei; L; Rc; retornando a trav‚s del polo com£n a Ei.
La aplicaci¢n de un frente de tensi¢n bien brusco a dicha serie, induce en la
inductancia una corriente que sube linealmente al ritmo impuesto por la
la autoinducci¢n de la bobina L, la tensi¢n impuesta por la fuente, y el
tiempo que dure el switch en la condici¢n de estar cerrado. Eso se expresa
e = -L * (I/t) (1)
e es la tensi¢n en bornes de la inductancia, L la autoinducci¢n de la
misma, I es la variaci¢n de corriente y t es el tiempo que est cerrado el
interruptor. El signo - (menos) implica que la ca¡da de tensi¢n en la induc-
tancia tiende a oponerse a la causa que produce la variaci¢n de la corriente.
Es por eso que la tensi¢n en la inductancia tiene la polaridad indicada con
los signos + y - sin par‚ntesis. El diodo est en inversa, por lo tanto est
inactivo.
En un deterninado momento, abrimos el conmutador. A partir de ese
momento desaparece muy r pidamente la tensi¢n E a la entrada del inductor.
La corriente, por lo tanto ya no puede seguir circulando. Nuevamente suceden 2
cosas: el n£cleo del inductor que se halla "cargado" con energ¡a magn‚tica
que se puede escribir como:
El = (L * Imaxý) / 2 (2)
donde El es la energ¡a magn‚tica "guardada" en el espacio de aire del n£cleo,
e Imax es la corriente m xima alcanzada durante el tiempo que estuvo cerrado
el switch. Como esa energ¡a no puede "evaporarse", va a retornar al bobinado
como una tensi¢n. Si antes la tensi¢n en bornes de la inductancia era tal que
tend¡a a oponerse a la variaci¢n de la corriente (en ese caso a subir), ahora
esa tensi¢n tiende a oponerse a que la corriente desparezca. Por lo tanto, esa
FEM inducida en la bobina, tiene la polaridad expresada en la figura 1 con los
signos entre par‚ntesis. Ahora, la polaridad es tal que hace conducir al diodo,
por lo tanto la inductancia se descarga sobre la carga, y sobre el capacitor
C, entregando ambos energ¡a al consumo Rc (segundo fen¢meno que ocurre en el
circuito).
En alg£n momento volvemos a cerrar el switch, con lo cual el ciclo se
reitera. La diferencia de tensi¢n entre la entrada y la salida fue guardada en
la inductancia, para ser utilizada cuando no entrega energ¡a la fuente prin-
cipal por estar abierto el conmutador. Esa energ¡a almacenada se recupera, en
lugar de convertirla en calor en un transistor de paso lineal. Dependiendo de
cuando volvamos a cerrar el switch,pueden darse 2 situaciones:
- que al momento de volver a cerrar el switch la inductancia se halla descar-
gada por completo, con lo cual el circuito arranca un nuevo ciclo igual al
anterior, excepto que el capacitor de salida ya no est vac¡o, pero se est
vaciando para mantener alimentada a Rc, o
- que todav¡a la inductancia tenga un remanente de energ¡a, con lo cual a£n
los dos componentes reactivos est n entregando potencia a Rc.
Si bien el resultado es casi el mismo, desde el punto de vista de la
regulaci¢n de la fuente, se prefiere la segunda opci¢n, por una raz¢n casi
obvia: el ripple a la salida es menor, y se requieren menores valores de
L y de C que si se deja que se vac¡e la inductancia.
Siendo ton el tiempo en que el switch est cerrado, y toff el tiempo
en estado abierto, se sabe que
ton + toff = T = 1/f (3)
con f, la frecuencia de conmutaci¢n de la fuente. Entonces, podemos decir que
la tensi¢n de salida depende £nicamente del tiempo en que permanece el inter-
ruptor cerrado, y de la tensi¢n de entrada. Es decir
ton
Eo = ÄÄÄÄÄ * Ei (4)
T
La relaci¢n ton / T, o tambi‚n ton / (ton + toff), es siempre menor
que 1, as¡ es que la tensi¢n de salida siempre es menor que la de entrada. Se
la denomina con la letra griega delta ë, y en la jerga se la llama Duty Cicle,
o ciclo de trabajo.
Volviendo a la analog¡a con la heladera, cuando el compresor funciona,
se genera hielo en el evaporador, con lo cual se "almacena" fr¡o en el agua
congelada, y en los elementos colocados en el interior del gabinete. El hielo
absorve calor, por lo tanto "cede" fr¡o cuando el motor no est funcionando.
Es decir, al igual que en nuestra inductancia, a pesar que el sentido del
flujo cal¢rico en el hielo se invierte, el resultado es el mismo en ambos
casos: tiende a mantener el fr¡o en el interior del recinto del congelador.
Nuestro inductor mantiene alimentada a la carga (en este caso junto al capa-
citor) aunque el switch no est‚ dejando pasar corriente desde la fuente pri-
maria de energ¡a.
toff ton
ÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄ <- Switch on
Gate ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
MF ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
--------------------------------------------------------- <- Switch off
ÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿<-EiÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄ <- Switch on
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
Entrada ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
de "L" ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
ÀÄÄÄÄÙ ÀÄÄÄÄÙ ÀÄÄÄÄÙ ÀÄÄÄÄÙ ÀÄÄÄÄÙ <- Switch off
<--- T --> 0V
<- Imax
/\ /\ /\ /\ /\
/ \ / \ / \ / \ / \ Figura 2
Corriente \ / \ / \ / \ / \ /
en "L" \ / \ / \ / \ / \ /
\/ \/ \/ \/ \/ <- Imin
La tensi¢n, entonces, a la entrada del inductor es un onda rectangular
con flancos de subida y ca¡da tan bruscos como sea posible, mientras que la
forma de onda de corriente en el inductor, es una onda diente de sierra con
pendiente ascendente cuando el switch est cerrado, y descendiente cuando est
abierto. El valor medio de la corriente del inductor, despu‚s de unos cuantos
ciclos de estar el circuito funcionando, se hace igual a la corriente de
carga:
Vo Imax + Imin
Io = ÄÄÄÄ = ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ (5)
Rl 2
Iripple = Imax - Imin
La corriente en la bobina nunca se extingue, y por lo tanto tampoco lo
hace el campo magn‚tico en ‚l; de ah¡ la justificaci¢n de porque debe colocar-
se un n£cleo con espacio de aire (Gap en ingl‚s): un n£cleo cerrado completa-
mente se saturar¡a al 4§ o 5§ ciclo, desapareciendo el efecto inductivo, en
esas condiciones el inductor es un corto. Ergo, el switch estar¡a impulsando
una corriente sobre un circuito puramente capacitivo (C de salida) con lo cual
ser¡a r pidamente destruido. Al fallar el switch, toda la tensi¢n de entrada
se hace presente a la salida, con consecuencias probablemente catastr¢ficas.
De ah¡, que en general, las topolog¡as no aisladas se usan en contadas
excepciones, y con circuitos de protecci¢n contra la puesta en cortocircuito
del conmutador, por ejemplo, un "crowbar", que es un tiristor puesto en
paralelo con la salida, y gatillado por un zener de digamos un 10% m s que la
tensi¢n de salida. Al fallar el switch se dispara el tiristor poniendo en
cortocircuito a la salida del regulador, protegiendo la carga, y haciendo
fundir alg£n fusible conectado a la entrada de nuestro circuito. Este tipo de
fallas, no es exclusiva de los reguladores switching, tambi‚n ocurre en
lineales cuando entra en fault el o los transistores de paso serie
(Ususalmente 2N3055).
Otras palabras merece el capacitor C. Ac , por razones de claridad,
y por un problema de did ctica, se lo represent¢ como una sola unidad, pero
no es real esta situaci¢n. Este elemento, tiene que entregar corriente a la
carga, con el switch abierto, y ser capaz de recibirla cuando est cerrado.
Esto genera un ripple en sus terminales. Dado que el condensador est hecho
de conductores que no son perfectos, tienen resistencias. La corriente de
ripple al circular por esas resistencias, genera calor (p‚rdidas por IýR),
elevando la temperatura del capacitor, lo cual a su vez elevan las resis-
tencias, y as¡, entrando en un c¡rculo vicioso que termina con la destrucci¢n
del capacitor, y otro motivo de falla para nuestro regulador conmutado.
Por lo tanto, salta a la vista que ese capacitor debe tener tambi‚n carac-
ter¡sticas especiales. Se los denomina de "Low ESR" o de baja resistencia
serie (Equivalent Series Resistance, en ingl‚s), y por lo tanto no son aptos
los capacitores normales de usos generales en audio, y no deben ser reempla-
zados por estos £ltimos. En la pr ctica de toda fuente buena, bien concebida,
se disponen de varias unidades en paralelo (para distribuir los ripples), y
de valores y tipos distintos: uno o dos electrol¡ticos para acumular la
energ¡a en bruto, y varios de tantalio, poli‚ster o cer micos para disponer de
bajas resistencias.
Ahora, vamos a dedicarle un par de l¡neas al switch. Normalmente
un MOSFET, debe ser correctamente exitado, desde la conducci¢n nula hasta la
plena. Para ello, se debe disponer de un circuito de exitaci¢n adecuadamente
dise¤ado. Adem s, debe garantizar bajas p‚rdidas en su interior. Esto se logra
con MOSFET de baja RDSon, y un buen exitador. Una mala conmutaci¢n, debido a
una mala elecci¢n de la unidad o una incorrecta exitaci¢n, hacen que el
transistor presente mucha resistencia, con lo cual se desvanecen las ventajas
del sistema. Por otro lado, un exitador mal dise¤ado, que no lleve al MOSFET
bien del corte a la saturaci¢n, y r pidamente, posiciona al dispositivo en
causal de fallas. Si, por ejemplo, no se cierra correctamente durante la
conducci¢n, el transistor queda polarizado en la regi¢n lineal. La corriente
de carga debe circular a trav‚s del dispositivo mal cerrado, con lo cual tiene
diferencia de potenciales entre sus extremos. Esto genera p‚rdidas de potencia
en su pastilla de silicio. Esta potencia se tranforma en calor. Dado que los
MOSFET's tienen coeficiente de resistencia interna en funci¢n de la tempe-
ratura positivo, m s calor implica m s resistencia, y as¡ nuevamente hasta la
destrucci¢n por sobreelevaci¢n de la temperatura de juntura.
Queda dedicarle un p rrafo al diodo. Debe ser de caracter¡sticas
tambi‚n especiales. Principalmente, debe soportar las tensiones y corrientes
de trabajo, pero adem s debe ser muy r pido para entrar y salir de la conduc-
ci¢n. Un diodo demasiado lento, implica que cuando se cierra el switch,
todav¡a va a estar llevando corriente de recuperaci¢n del inductor. Como se
puede observar, diodo y MOSFET conduciendo simult neamente, significan un
cortocircuito sobre la entrada de tensi¢n primaria, Ei. Lamentablemente, los
diodos todos tienen un tiempo para salir de la conducci¢n denominado `de
recuperaci¢n inversa' (trr) que en un diodo ultrafast, debe andar en menos de
50 ns (nanosegundos, la mil millon‚sima parte de un segundo) y lo usual es
de 35 ns. En fuentes de bajas tensiones, se prefieren los de juntura Shotky,
que a diferencia de los de juntura PN, ac son de Metal-Semiconductor N. Esto
trae 2 ventajas: al haber un tipo solo de portadores, demoran mucho menos en
salir y/o entrar en conducci¢n, y su ca¡da interna es de .2 o .3 de Volt en
lugar de los .6 a .8 de los diodos PN. Pero lamentablemente no se pueden
fabricar diodos Shotky de m s de 100V de pico inverso. De m s est decir que
jam s se debe reemplazar un diodo switching por uno destinado al trabajo en 50
c/s, pues ser¡a r pidamete destuido, y con ‚l, el conmutador principal.
Tampoco un diodo r pido normal sustituye a uno Shotky por las razones arriba
expuestas.
Fin del cap¡tulo #3
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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