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LW1DSE > TECH 05.09.17 00:24l 311 Lines 16622 Bytes #999 (0) @ WW
BID : 135-LW1DSE
Read: GUEST
Subj: Fuentes Conmutadas #9 [CP437]
Path: IW8PGT<CX2SA<ZL2BAU<LU4ECL<LU4ADN<LU7DQP
Sent: 170904/2255Z @:LU7DQP.#LAN.BA.ARG.SOAM #:17957 [Lanus Oeste] FBB7.00i
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To : TECH@WW
[¯¯¯ TST HOST 1.43c, UTC diff:5, Local time: Sun Aug 20 10:36:21 2017 ®®®]
ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS º
º Por Osvaldo LW1DSE º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
En el cap¡tulo anterior hemos dado un pantallazo de como opera una
fuente conmutada com£n. Todos los conceptos all¡ vertidos valen para todas
las topolog¡as de le etapa de potencia, excepto para los conversores cuasi
resonantes, que carecen de un oscilador. Todas las etapas hasta aqu¡ presen-
tadas carecen de aislaci¢n entre la entrada y la salida, lo cual puede re-
presentar un problema cuando uno necesita manetenerse alejado el‚ctricamente
de la l¡nea de canalizaci¢n. Para ello existe un dispositivo llamado transfor-
mador. Nos permite aislarnos de la red si es que tiene los dos bobinados aisla
dos, como es la inmensa mayor¡a de los casos, a la vez que podemos escalar
los voltajes y/o las corrientes a nuestro gusto.
Llegados a este punto, podemos optar por dos alternativas: o bien usa-
mos un transformador com£n, es decir con n£cleo de hierro laminado, y a la sa-
lida de ‚ste intercalamos un rectificador de onda completa o un puente de
Greatz, soluci¢n posible pero complicada por el peso, dimensiones y el costo
de este elemento; o lo incorporamos a nuestra fuente directamente. La primera
de las opciones, queda ya descartada. Vamos a ver, pues, como implementamos la
segunda opci¢n.
Recordemos la topolog¡a boost, para ello traemos en la figura 1 el
circuito esquem tico de la misma.
ÍÍÍÍÍÍÍ L Diodo
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄ´>ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ ³ ³
³+ ³ +³C ³ Rc
ÄÄÁÄÄ ³ÄÄÙ ÄÁÄ ±
ÜÜÜ Ei oÄÄÄÄ´<Ä¿ MOSFET ÄÂÄ Eo ± Fig. 1
³- PWM ³ÄÄ´ -³ ³
³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³ ³
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
ÄÁÄ
/// GND
Vamos entonces a modificar este conexionado para poder convertrlo en
una fuente switching aislada. Recordemos, previamente, que el MOSFET es lle-
vado por el PWM a plena conducci¢n, con lo cual se almacena energ¡a en forma
de campo magn‚tico en el entrehierro del inductor L. Cuando el MOSFET va al
corte, la energ¡a vuelve sobre el devanado en forma de una FEM que adicionada
a la de la entrada, es conducida por el diodo hacia la carga.
Diodo
oÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ ÚÄÄ´>ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³º³ D1 ³ ³
³ øÛºÛ ³ ³
Ei ³ L1 ÛºÛ L2 ³ ³
³ n1 ÛºÛ n2 ³ ³
³+ ³º³ø +³C ± Rc
ÄÁÄ ³ÄÄÙ ³ ÄÁÄ ±
ÄÂÄ Ci oÄÄÄÄ´<Ä¿ ³ ÄÂÄ Eo ± Figura 2:
³- PWM ³ÄÄ´ ³ -³ ³ Esquema elemental
³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³ ³ ³ de una SMPS tipo
oÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ Fly Back.
ÄÁÄ ÄÁÄ
/// GND1 \\\ GND 2
La importante diferencia, radica en que la energ¡a almacenada en el
inductor, es ahora recolectada por otro inductor acoplado muy fuertemente al
primero. Al igual que en la modificaci¢n de la buck, en donde aclaramos que
no deb¡a hablarse de transformador, sin¢ de inductores mutuamente acoplados,
ac tambi‚n debe llamarse de esa manera. Porque, b sicamente se transfiere
energ¡a de un circuito a otro, almacen ndola previamente en un entrehierro;
para denominarse transformador, no debiera haber almacenaje alguno en los
inductores.
ÚÄ¿ ÚÄ¿ ÚÄ¿ ÚÄ¿ ÚÄ¿ <---- MF1 on
Gate ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
MF1 ------------------------------------------------------------
ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ <--- D1 on (Ei+(n1/n2)Eo)
³ ³ ³°°°°³ ³ ³ ³ ³
Entrada -Ä¿-³----ÀÄÄ¿-³--- ÀÄÄ¿-³----ÀÄÄ¿-³----ÀÄÄ¿-------- Ei
de L1 ³ ³ ³°³ ³ ³ ³ ³ ³
(Drain de ³ ³ ³°³ ³ ³ ³ ³ ³
MF1) ³ ³ ³°³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³°³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
ÀÄÙ ÀÄÙ ÀÄÙ ÀÄÙ<-0V ÀÄÙ <---- MF1 on
° Iguales reas (Volt*segundo)
<-t2->
ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿<-EoÚÄÄÄÄ¿ <--- D1 on t1+t2<.8T
Anodo ³ ³ ³°°°°³ ³ ³ ³ ³
de D1 -Ä¿-³----ÀÄÄ¿-³--- ÀÄÄ¿-³----ÀÄÄ¿-³----ÀÄÄ¿-------- 0V
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 ³°³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
ÀÄÙ ÀÄÙ ÀÄÙ<-MF1 ÀÄÙ ÀÄÙ <---- [-(n2/n1)Ei]
t1 on ³<-- T -->³
^ ^ ^ ^ ^
\ \ \ \ \ Corriente en L1
. \ . \ . \ . \ . y L2 (L2 reflejada
\ \ \ \ a valores de L1)
. \ . \ . \ . \ .
-------------------------------------------------
Figura 3: Formas de onda te¢rica de una fuente Fly Back
La energ¡a es almacenada en el entrehierro o gap, por L1, y extra¡da
desde L2. La rampa de corriente, es ascendente por L1, y descendente desde L2,
que se ve en L1 escalada en la relaci¢n de vueltas de los devanados.
La energ¡a almacenada, en el primario vale:
e1 = L1 * I1ý / 2 (1)
Y la retirada desde el secundario:
e2 = L2 * I2ý / 2
En estado estacionario de la fuente, es decir, no habiendo variaciones
bruscas de carga ni de tensi¢n de la entrada, las dos energ¡as deben ser
iguales:
(2)
e1 = e2 => L1 * I1ý = L2 * I2ý
Como la inductancia, dado un determinado n£cleo, es proporcional al
cuadrado del n£mero de espiras:
K N1ý I1ý = K N2ý I2ý (3)
N1ý I1ý = N2ý I2ý (4)
Extrayendo ra¡z cuadrada en ambos miembros:
N1 I1 = N2 I2 (5)
I2 N1
ÄÄÄÄ = ÄÄÄÄ = n (6)
I1 N2
igual que en un transformador. Pero no as¡ los voltages. Cuando el MOSFET con-
duce, aplica la tensi¢n de entrada a la inductancia L1. Se genera en ella una
rampa de corriente expresada por:
I1
E1 = - L1 ÄÄÄÄÄ (7)
t1
Por su parte, la carga (a traves del diodo) extrae energ¡a del gap por
medio de L2, ergo, se genera el L2 una rampa descendente de corriente que se
eval£a como:
I2
E2 = - L2 ÄÄÄÄÄ (8)
t2
De la (3) vemos que las inductancias son proporcinales al n£mero de
espiras de cada devanado, elevado al cuadrado; y las corrientes, de la (6)
a la relaci¢n de vueltas de los inductores acoplados. Reemplazando valores:
I1
E1 = - L1 ÄÄÄÄÄ
t1
L1 nI1
E2 = - ÄÄÄÄÄÄ * ÄÄÄÄÄ (9) (7)
n t2
donde se han substituido los valores de (3) y (6) en la (8). Cancelando n se
tiene:
I1
E2 = - L1 ÄÄÄÄÄ (10)
t2
Para hallar la relaci¢n de tensiones, dividimos la (7) con la (10):
I1
E1 - L1 ÄÄÄÄÄ
t1
ÄÄÄÄÄ = ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ (11)
I1
E2 - L1 ÄÄÄÄÄ
t2
Cancelando, tenemos:
E1 t2
ÄÄÄÄ = ÄÄÄÄÄ =>de donde E2 * t2 = E1 * t1 (12)
E2 t1
En la (12) vemos que la relaci¢n de tensiones es independiente de la
relaci¢n de vueltas, siendo £nicamente dependiente del tiempo de conducci¢n
de cada semiconductor; MOSFET para t1 y diodo para t2 de la figura 3. Aqu¡ es
donde surge que los dos inductores acoplados NO SE COMPORTAN COMO UN
TRANSFORMADOR. Y es as¡ como en un fuente con topolog¡a fly back puede dar una
tensi¢n de salida de 10: 1 con una relaci¢n de vueltas de 1:1 o de 20:1.
Ajustando el tiempo de encendido de los semiconductores, se puede ajustar la
tensi¢n de salida, y de ah¡ que sea ampl¡simamente usado en electr¢nica de
consumo en general, pues la misma tensi¢n de salida puede obtenerse desde la
entrada de 110V rectificados (unos 160 V) o desde los 220V (unos 310V) sin
intercalar un switch 110/220, pues el integrado del PWM ajusta el ancho de
pulso de encendido del MOSFET al doble de tiempo para 160V que para los 310V.
Es la important¡sima ventaja de esta topolog¡a. Se dice, que la fuente que
opera como modo fly back tiene el mayor rango din mico de todas las topolog¡as
aisladas. Por otro lado, comp rese estas formas de onda con la figura 3 de
la fuente Buck, y n¢tese que son similares, excepto que las polaridades est n
invertidas, a consecuencia de invertir los terminales de L2.
Existe adem s una variante de la topolog¡a Fly Back, la cual usa 2
MOSFET's los cuales conducen simult neamente, aplicando tensi¢n al devanado
n1 del inductor L1, en cuyo n£cleo adem s se halla otro devanado n2 de salida,
o m s si el circuito as¡ lo requiere, figura 4.
MF1 D2
+ oÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
Ei ³ ³ÄÄÙ Á D3
³ oÄÄÄÄ´<Ä¿ ^ ÚÄÄ´>ÃÄÄÂÄÄÄÄ¿
³PWM ³ÄÄ´  ÚÄÄÄÄÄÄ¿ º ³ ø ³ ³
³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³ ³ øÛ º Û L2 ³ ³
³ ³ ³ ³ L1 Û º Û n2 ³ ³
³+ ³ ÃÄÄÄÙ n1 Û º Û ³ ³
ÄÁÄ Ci ³ ³ Û º Û ³ ³
ÄÂÄ ³ ³ Û º Û ³ ³
³- ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ(ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ º ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ +³Co ± Rc
³ Á ³ÄÄÙ ³ ÄÁÄ ±
³ D1 ^ oÄÄÄÄ´<Ä¿ MF1 ³ ÄÂÄ ±
³  PWM ³ÄÄ´ ³ -³ ³
³ ³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³ ³ ³
- oÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ ÀÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÙ
ÄÁÄ ÄÁÄ
/// GND1 \\\ GND2
Figura 4: Convertidor tipo Fly Back con dos transistores.
La ventaja de esta configuraci¢n poco usual en la pr ctica, es que
permite descargar la inductancia L1 sobre la entrada, en lugar de disciparla
en un `snubber' o un `clamp' como veremos m s adelante en el cursillo.
Lo que sucede en la realidad, es que no toda la energ¡a almacenada en
L1 es consumida en el secundario v¡a L2, sin¢ que el campo magn‚tico en el
entrehierro, barre tambi‚n las espiras del devanado primario, apareciendo
sobre el drain del MOSFET MF1 de la figura 1, una tensi¢n (Ei+(n1/n2)Eo),
con m s un adicional debido a deficiencias en el acoplamiento entre bobinados
que impide una trasferencia ¢ptima. Adem s, como a pesar de utilizarse diodos
r pidos en la salida, esa rapidez no es ideal, existe un tiempo muy corto pero
visible en el cual ninguno de los devanados est conduciendo (El FET est al
corte, y los diodos todav¡a no conducen), con la inductancia plenamente car-
gada. Entonces, se hace presente un pico de tensi¢n en el Drain del MOSFET
que usualmente alcanza un 30% m s todav¡a. Esa energ¡a, o bien hay que consu_
mirla en un `snubber' o un `clamp', o en este caso, se devuelve a Ci para ser
reutilizada en un ciclo posterior. De no hacerlo, es necesario un MOSFET con
una mayor VDss, lo cual encarece el proyecto, y nada garantiza que en ciertas
ocaciones pueda avalancharse el diodo intr¡nseco del MOSFET con la correspon-
diente destrucci¢n del mismo. La desventaja reside en la necesidad de contar
con un driver para el MOSFET superior, el cual no est referido a masa, sin¢ a
una tensi¢n inclusive mayor que Ei, figura 2.
Falta esclarecer un detalle, que no se presenta en la figura 2. Para
cerrar el lazo de realimentaci¢n negativa, no es posible hacerlo en forma
directa, pues perder¡amos la aislaci¢n entre circuitos. Para poder realizar
un sensado de la tensi¢n de salida, y acoplarlo al integrado de PWM (que nor-
malmente est ubicado del lado vivo de la fuente, lo que denomina OFFLINE) se
recurre a un elemento de transferencia aislado. Existen varias formas, pero la
m s simple, m s com£n y m s difundida es un "optoacoplador" u "optoaislador".
Se trata de un dispositivo de estado s¢lido en el cual se integra un LED a un
fototransistor, separados una distancia de unos mil¡metros. Cuando el LED
conduce una corriente, se enciende, activa por reflexi¢n al fototransistor, y
se establece una corriente de colector gobernada por la corriente del LED, lo
cual se llama TR o transfer ratio, es decir relaci¢n de transferencia. Y se
mide en %, esto significa que porcentaje de la corriente del LED es conducida
por el transistor. Normalmente, TR se encuentra, seg£n el n£mero de parte,
entre un 40 y un 500% de la corriente del LED.
Del lado de la salida de la fuente se incorpora un circuito formado
por una referencia de tensi¢n, un operacional y un transistor, todos ellos
integrados dentro de un IC comercialmente denominado TL431, o similar.
Entonces, la diferencia entre la tensi¢n que se tiene, y la que se deber¡a
tener, se tranforma en una corriente que exita el LED. Desde el lado prima-
rio de la fuente, el transistor se polariza en clase A como amplificador con
colector a masa, es decir, seguidor de tensi¢n. Esa tensi¢n, obtenida desde
el resistor de emisor, ingresa al IC del PWM como si fuera la muestra de la
tensi¢n de salida.
Cabe destacar que un optoacoplador normal tiene un TR de 100% y una
aislaci¢n m¡nima entre circuitos, de un par de kilovolts, es decir, que para
aislar los 310V de la red (220V rectificados) es mucho mas que suficiente.
ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º Redacci¢n y dibujos en ASCII por LW1DSE Osvaldo F. Zappacosta. º
º Barrio Garay, Almirante Brown (1846), Buenos Aires, Argentina. º
º Realizado con Editor de Texto de MSDOS 7.10's (edit.com) en mi AMD's 80486.º
º 26 de mayo de 2012. º
º Revisado y actualizado 27 de agosto de 2017. º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
Fin del cap¡tulo #9.
ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º Osvaldo F. Zappacosta. Barrio Garay (GF05tg) Alte. Brown, Bs As, Argentina.º
º Mother UMC æPC:AMD486@120MHz 32MbRAM HD SCSI 8.4Gb MSDOS 7.10 TSTHOST1.43C º
º 6 celdas 2V 150AH. 18 paneles solares 10W. º
º lw1dse@yahoo.com ; lw1dse@gmail.com º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
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