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LW1DSE > TECH 03.09.17 23:57l 332 Lines 18387 Bytes #999 (0) @ WW
BID : 129-LW1DSE
Read: GUEST
Subj: Fuentes Conmutadas #3 [CP437]
Path: IW8PGT<IZ3LSV<I0OJJ<LU4ECL<LU4ADN<LU7DQP
Sent: 170903/2122Z @:LU7DQP.#LAN.BA.ARG.SOAM #:17882 [Lanus Oeste] FBB7.00i
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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,
1.4) SEPIC's y CUK's.
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.
Una clase especial que se est lentamente dejando de usar:
6) Osciladores de bloqueo.
Dentro de ellas, y dependiendo de c¢mo se maneja la energ¡a acumulada
en el(los) inductor(es) puede ser:
7.1) Conducci¢n continua,
7.2) Conducci¢n discontinua,
7.3) En la frontera de ambas.
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 m s simple.
La Topolog¡a Buck.
ÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ
+ -
(-) (+)
Switch ÍÍÍÍÍÍÍ Io -->
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄo\oÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ ³ ³
³+ Á Diodo L +³C ³ Rc
ÄÄÁÄÄ ^ ÄÁÄ ±
ÜÜÜ Ei  ÄÂÄ Eo ± Fig. 1
³- ³ -³ ±
³ ³ ³ ³
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
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 muy 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 o `forzada'). Se lo conoce en la jerga, como diodo de
freeweeling (rueda libre) o Catch diode (diodo de agarre).
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, el devanado se hace con alambre Litz (muchos
hilos finos aislados entre s¡), pero en altas corrientes se usan las cintas o
chapas de cobre.
C: por lo general, electrol¡tico, con especificaciones especiales, debido a
las caracter¡sticas de la funci¢n que ha de desempe¤ar. Muchas veces se usan
varios capacitores del mismo valor puestos en paralelo, y se agregan distintos
tipos, por ejemplo cer micos, tantalio, multicapa, etc.
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 FCEM (Fuerza Contra Electro Motriz) en sus terminales y as¡
una corriente que sube linealmente con el tiempo, al un ritmo determinado por
la autoinducci¢n de 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 (L‚ase "delta i", es la letra griega delta, y simboliza variaci¢n)
es la variaci¢n de corriente y t (Delta 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 se entrega energ¡a desde la fuente
principal 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 y T, el periodo entre ciclos.
Entonces, podemos decir que la tensi¢n de salida depende £nicamente del tiempo
en que permanece el interruptor 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,
ciclo de trabajo, de actividad o ciclo activo.
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
³<-- T -->³ 0V
<- Imax
/\ /\ /\ /\ /\
/ \ / \ / \ / \ / \ Figura 2
Corriente \ / \ / \ / \ / \ /
en "L" \ / \ / \ / \ / \ /
\/ \/ \/ \/ \/ <- Imin
--------------------------------------------------- <- I=0
Figura 2: formas de onda t¡picas en caso de modo
cont¡nuo en el inductor.
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
(R‚gimen est tico o permanente):
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 en pocos ciclos, 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 excep-
ciones, 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 cortocir-
cuito 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 (Usualmente 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. Entonces
se genera un ripple (de corriente alterna) entre sus terminales. Dado que el
condensador est hecho de conductores imperfectos, 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
resistencias, y as¡ sucesivamente, entrando en un c¡rculo vicioso que termina
con la destrucci¢n del capacitor, y este es otro motivo de falla para nuestro
regulador conmutado. Por lo tanto, salta a la vista que ese capacitor debe de
tener tambi‚n caracter¡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 reemplazados 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 excitaci¢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 excitaci¢n, hacen que el tran-
sistor presente mucha resistencia, con lo cual se desvanecen las ventajas del
sistema. Por otro lado, un excitador 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 wafer o
pastilla de silicio. Esta potencia se transforma as¡ en calor. Dado que los
MOSFET's tienen un coeficiente de la resistencia interna como funci¢n de la
temperatura positivo, mayor calor implica m s resistencia, y as¡ nuevamente
hasta la destrucci¢n por sobreelevaci¢n de la temperatura de juntura.
Nos 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, toda-
v¡a va a estar llevando corriente de recuperaci¢n del inductor. Como se puede
observar, diodo y MOSFET conduciendo simult neamente, significan un cortocir-
cuito sobre la entrada de tensi¢n primaria, Ei. Lamentablemente, los diodos
todos tienen un tiempo para salir de la conducci¢n denominado `de recupera
ci¢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 unos
35 ns. En fuentes de bajas tensiones, se prefieren los de juntura Schotky,
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 fa-
bricar diodos Schotky 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 Schotky por las razones arriba
expuestas.
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 #3.
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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