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LW1DSE > TECH 04.09.17 19:24l 269 Lines 15314 Bytes #999 (0) @ WW
BID : 131-LW1DSE
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Subj: Fuentes Conmutadas #5 [CP437]
Path: IW8PGT<IZ3LSV<I0OJJ<N6RME<CX2SA<N0KFQ<LU4ECL<LU4ADN<LU7DQP
Sent: 170904/1656Z @:LU7DQP.#LAN.BA.ARG.SOAM #:17938 [Lanus Oeste] FBB7.00i
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ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS º
º Por Osvaldo LW1DSE º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
Vamos a analizar esta vez, c¢mo reordenando nuevamente a los mismos
materiales de la Buck y de la Boost, podemos ahora construir un inversor de
polaridad. Nuevamente, redibujo la Buck, base de las topolog¡as no aisladas,
para poder ver las diferencias con m s claridad.
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³
³ ³ÄÄÙ MOSFET
³ oÄÄÄÄ´<Ä¿
³ PWM ³ÄÄ´
³ ³ ÍÍÍÍÍÍÍ L
³ oÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÂÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ ³ ³
³+ ³ Diodo +³C ³ Rc
ÄÄÁÄÄ Á ÄÁÄ ±
ÜÜÜ Ei ^ ÄÂÄ Eo ± Figura 1:
³- Â -³ ±
³ ³ ³ ³ El Buck.
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
ÄÁÄ
///
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³
³ ³ÄÄÙ MOSFET
³ oÄÄÄÄ´<Ä¿ + -
³ PWM ³ÄÄ´ (-) (+)
³ ³ ÍÍÍÍÍÍÍ
³ oÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÂÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³A ³ ³ ÄÁÄ
³+ ³ L +³C ³ ///
ÄÄÁÄÄ ³ ÄÁÄ ±
ÜÜÜ Ei ³ ÄÂÄ -Eo ± Figura 2
³- ³ -³ ±
³ ³ ³ ³ El inverter.
ÄÁÄ ÀÄÄÄ´<ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
/// Diodo
toff ton
ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ <-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
C todo del ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄ¿<-EiÚÄÄÄÄ¿ <-MOSFET on
diodo D ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
(nodo A) ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
ÄÄÙ----³-ÚÄÄÙ----³-ÚÄÄÙ----³-ÚÄÄÙ----³-ÚÄÄÙ----³-ÚÄÄ <-MOSFET off
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ 0V 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
³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
ÀÄÙ ÀÄÙ ÀÄÙ ÀÄÙ<-(-Eo)ÀÄÙ
³<-- T -->³
/ / / / /
/ . / . / . / . / . <- Corriente
/ / / / / en L.
/ . / . / . / . / .
/ / / / /
---------------------------------------------------------
Figura 3: formas de onda en el Inverter, v‚ase su
parecido con las del Boost del cap¡tulo #4.
Se puede observar que el MOSFET, se encuentra conectado al positivo
de la tensi¢n de entrada, y que en la salida, el positivo de la misma se ha
conectado a masa, GND.
Vamos a ver como opera esta configuraci¢n. Empecemos teniendo todos
los materiales desde 0Km. Conectamos la fuente de tensi¢n de entrada, Ei, y
empezamos a switchear (si se me permite el t‚rmino) el MOSFET. Cuando ‚ste
se activa, conecta la fuente de entrada Ei, directamente sobre el inductor L.
No vamos a reiterar las condiciones que deben reunir MOSFET, y excitador para
no aburrir. El diodo ultrafast se halla bloqueado, pues una tensi¢n positiva
en su c todo provista por el MOSFET, as¡ lo impone. La tensi¢n impuesta por
el MOSFET se aplica con la polaridad expresada sin par‚ntesis, positiva por
el lado del MOSFET, y negativa por el borne de masa. Esto crea una corriente
que crecer linealmente al ritmo determinado por el valor de inductancia, el
tiempo de conexi¢n y la tensi¢n de la fuente primaria.
e = -L * (I/t) (1)
La inductancia, responde oponi‚ndose a la tensi¢n que intenta aumentar
la corriente en su devanado, para ello genera una FCEM en sus terminales exp_
resada por la polaridad sin par‚ntesis. Una vez que se ha cargado de energ¡a
en forma de campo magn‚tico en el gap del n£cleo de la inductancia, anulamos
el funcionamiento del MOSFET, con lo cual la corriente primaria colapsa. Como
el inductor es reaccionario ante un cambio en las condiciones de trabajo, nos
responde creando entre sus bornes, una FCEM autoinducida que se indica con la
polaridad mostrada con los par‚ntesis. Es decir, aparece una DDP negativa por
el lado del diodo, con lo cual este se ve forzado a entrar en conducci¢n, y
cargando al capacitor C, con la polaridad indicada en la figura 2 y proveyendo
de energ¡a el‚ctica a nuestra carga, Rc.
Al igual que en la topolog¡a Boost, no existe entrega simult nea de
energ¡a por parte de la inductancia y el capacitor, por lo tanto son v lidos
todos los conceptos vertidos en el cap. #4 con respecto a las exigencias del
capacitor, inductor, MOSFET, y diodo. Incluso, sigue teniendo validez lo all¡
expuesto respecto al ripple de la tensi¢n de salida, y de un eventual filtardo
posterior, como lo vemos en la figura 4.
+Ei
oÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³
³ ³ÄÄÙ MOSFET
³ oÄÄÄÄ´<Ä¿
³ PWM ³ÄÄ´
³ ³ ÍÍÍÍÍÍÍ L
³ oÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄ¿
³ ³ ³ ³ ³ ÄÁÄ
³+ ³ +³C +³Co ³ GND
ÄÄÁÄÄ Ci ³ ÄÁÄ ÄÁÄ ±
ÄÄÂÄÄ ³ ÄÂÄ ÄÂÄ -Eo ± Rc
³- ³ -³ -³ ±
³ ³ ³ ³ ³
ÄÁÄ ÀÄÄÄ´<ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÛÛÛÛÛÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
GND Diodo ÍÍÍÍÍÍÍ Lo
Figura 4: Inverter con filtro de ripple a la salida.
Para concluir con la parte referida las topolog¡as que no poseen
aislamiento galv nico entre la salida y la entrada, voy a presentar un par de
ligeras modificaciones basadas en la Buck. Una de ellas, corresponde a una
mejora en el rendimiento, y la otra a un refinamiento.
oÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
+ Ei ³ ³
³ ³ÄÄÙ MOSFET 1
³ oÄÄÄÄ´<Ä¿ L
³ + PWM ³ÄÄ´
³ ³ ÍÍÍÍÍÍÍ
³ oÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ ³ ³
³+ ³ +³C ³ Rc
ÄÁÄ ³ÄÄÙ ÄÁÄ ±
ÄÂÄ oÄÄÄÄ´<Ä¿ MOSFET 2 ÄÂÄ Eo ±
³- - PWM ³ÄÄ´ -³ ±
³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³ ³
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
ÄÁÄ
///
Figura 5: Buck con rectificaci¢n activa.
Este circuito tiene la ventaja de que no existe diodo de recircula-
ci¢n, el cual ha sido reemplazado por otro MOSFET de potencia. Como se puede
observar, el segundo MOSFET efectivamente substituye al diodo r pido que all¡
ten¡amos colocado. Para que sirva, es necesario que ese MOSFET se lo excite
con una se¤al de compuerta invertida con respecto a la del MOSFET 1 (indicado
en la figura 4 como +PWM y -PWM), y que no todos los circuitos de PWM son
capaces de generar.
No obstante esta peque¤a dificultad, esta configuraci¢n es hoy en d¡a
muy utilizada en motherboards de PC para generar las muy bajas tensiones que
son requeridas por el "core" del CPU, donde las corrientes son muy altas, y es
imprescindible minimizar las p‚rdidas. Por ejemplo, en un mother destinado a
funcionar con un microprocesador PIII o PIV, la tensi¢n del core oscila entre
1.8 y 2.2 Volts. En estas condiciones, un diodo Schotky con una ca¡da de .3 o
.4 de Volt, representan aproximadamente un 25% de la tensi¢n de salida. Obvio,
que esa p‚rdida se transforma en calor que debe evacuarse del sistema mediante
disipadores, y eventualmente ventiladores (coolers), aumentando el costo, el
tama¤o, peso, e incomodidad de todos esos elementos, junto a una marcada merma
en la confiabilidad y eficiencia del sistema. Un MOSFET t¡pico para este tipo
de servicio, posee una tensi¢n de avalancha de unos 30V (m s que suficiente
teniendo en cuenta que se parte desde una l¡nea de 5V o 12V), una corriente
admisible de unos 70 u 80 amper, y resistencia de encendido bien por debajo
del mê (miliohm). Entonces, la ca¡da interna en este caso es de unas pocas
decenas de mV (milivolts) contra los .4V del diodo. Y es as¡ como las p‚rdidas
no llegan al watt.
+ Ei
oÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄÄ´>ÃÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ +
³ ³ ³ D2 ³+ ³
³ ³ ³ ÄÁÄ C2 ± Rc2
³ ³ÄÄÙ ³ ÄÂÄ ±
³ oÄÄÄÄ´<Ä¿ ³ n2 ø ³- ³
³ PWM ³ÄÄ´ ÀÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ -
³ ³ ÍÍÍÍÍÍÍ Lm
³ oÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ +
³ ³ ø n1 ³ ³
³+ ³ D1 +³C1 ³ Rc1
ÄÄÁÄÄ Á ÄÁÄ ±
ÄÄÂÄÄ ^ ÄÂÄ Eo ± Fig. 1
³- Â -³ ±
³ ³ ³ ³
oÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ -
0V ÄÁÄ
///
Figura 6: Buck con otra salida aislada.
En este esquem tico puede verse que se ha adicionado un devanado (o
m s, de ser necesarios), del cual se puede extraer energ¡a del inductor en
el momento en que el MOSFET no conduce y si lo hace el diodo D1, cosa que se
puede apreciar al analizar las polaridades relativas de esos bobinados (lo
cual se indica con el s¡mbolo ø , y que explicita lo que se llama bornes o
terminales hom¢nimos). En efecto, si durante este intervalo de tiempo tenemos
en el inductor un campo magn‚tico que est decreciendo en amplitud, y es por
lo tanto, variable, podremos inducir una FEM en otro bobinado que se halle
¡ntimamente acoplado al n£cleo. En esas condiciones, como la tensi¢n de salida
est siendo controlada por el lazo de realimentaci¢n negativa que controla al
PWM (no mostrado hasta ahora en ninguna figura por motivos de simplicidad),
la tensi¢n de salida sobre la carga Rc2 puede evaluarse:
n2
V[Rc2] = ( V[Rc1] + Vç[D1] ) * ÄÄÄÄ - Vç[d2] (2)
n1
Es decir, que a la tensi¢n de salida sobre Rc1, sumada la ca¡da en
directa del diodo D1, y multiplicada por la relaci¢n de espiras entre estos
bobinados, y restando la ca¡da del diodo D2, nos da la tensi¢n disponible
para la carga Rc2. La tensi¢n as¡ obtenida, est bien regulada por l¡nea, pero
no tanto por carga, por lo tanto si es importante una buena estabilidad por
carga de ese voltaje, deber ser post-regulado. Tambi‚n podr¡a tomarse energ¡a
del inductor en el per¡odo en que a£n est conduciendo el MOSFET pero dicha
tensi¢n no est controlada, y es proporcional a la tensi¢n de entrada sin ser
regulada, por lo tanto no es conveniente esta conexi¢n, y normalmente nunca se
la utiliza. Por otro lado no es necesario que las masas est‚n unidas, mientras
la aislaci¢n entre bobinas lo permita. Inclusive, puede tener su polo positivo
unido a masa, para lo cual basta con invertir la polaridad del devanado auxi+
liar, diodo, y capacitores electrol¡ticos referidos a esta salida.
Un peque¤o detalle a tener en cuenta: NO DEBE CREERSE QUE EL INDUCTOR
SE HA CONVERTIDO EN UN TRANSFORMADOR, pues no lo es. En cambio, debe decirse
que son INDUCTORES MUTUAMENTE ACOPLADOS. Para considerarse transformador, debe
entregarse potencia al secundario en todo el ciclo, mientras que en este caso
se hace el pasaje s¢lo durante el tiempo que dura la recuperaci¢n de energ¡a
del inductor. De hecho, este segundo devanado "roba" energ¡a de recuperaci¢n
durante este per¡odo, y debe ser repuesto en el siguiente proceso de carga
cuando se encienda el MOSFET. O sea, que la potencia que se extraiga por el o
los devanados adicionales a L, deben ser sumados a la potencia consumida desde
la salida principal de la fuente, para entonces considerar la potencia que
debe ser capaz de manipular el MOSFET. Seguramente, este detalle lo ha tenido
en cuenta el Ingeniero que desarroll¢ el sistema, por cuanto ante una eventual
reparaci¢n, siempre debe buscarse un MOSFET de caracter¡sticas iguales o a£n
mejores que el original.
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 #5.
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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