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Subj: Fuentes Conmutadas #40 [CP437]
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ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS º
º Por Osvaldo LW1DSE º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
Una topolog¡a que deriva del aterior (SEPIC), es el Cuk. Tiene la
propiedad de producir una tensi¢n negativa a partir de una positiva (inverter)
pero conserva las cualidades de su antecesor. Las cuales, son, bajo ripple de
corriente a la entrada,y a la salida. Es muy similar al SEPIC, con la salvedad
de que la parte de salida del conversor, tiene permutados algunos de sus com_
ponentes.
Ii Cx Io
+ ---> ÍÍÍÍÍÍÍ L1 ³³ Diodo ---> + Eo
oÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄ´ÃÄÄÄÂÄÄ´>ÃÄÂÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ +³³- ³ ³ ³
³ ³ º³ ³ ³
³+ ³ ºÛ +³Co ³ Rc
Ei ÄÁÄ Ci ³ÄÄÙ ºÛ ÄÁÄ ±
ÄÂÄ oÄÄÄÄ´<Ä¿ MOSFET ºÛ ÄÂÄ ± Fig. 1: Circuito
³- PWM ³ÄÄ´ ºÛ -³ ± esquem tico de un
³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ º³ L2 ³ ³ SEPIC.
³ ³ ³ ³ ³
oÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÙ
- ÄÁÄ -
///
Ii Cx Io
+ ---> ÍÍÍÍÍÍÍ L1 ³³ ÍÍÍÍÍÍÍ L2 <--- - Eo
oÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄ´ÃÄÄÄÂÄÄÛÛÛÛÛÄÂÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ +³³- ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³
³+ ³ ³ -³Co ³ Rc
Ei ÄÁÄ Ci ³ÄÄÙ Á ÄÁÄ ±
ÄÂÄ oÄÄÄÄ´<Ä¿ MOSFET v ÄÂÄ ± Fig. 2: Circuito
³- PWM ³ÄÄ´  +³ ± esquem tico de un
³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³ ³ ³ conversor Cuk.
³ ³ ³ ³ ³
oÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÙ
- Diodo ÄÁÄ
///
Para analizar el funcionamiento del conversor, es necesario desglosar
en dos hemiciclos, acorde al estado de los semiconductores, que al igual que
en el caso del SEPIC, no se superponen. En el estado inicial, el capacitor Cx
resulta cargado al valor de Ei, valor que no se alterar para condiciones de
estabilidad del convertidor, es decir, no hay variaciones ni de la corriente
de carga ni de la tensi¢n de entrada. En un primer instante, el controlador
impone un estado alto a la puerta del MOSFET, con lo cual ‚ste conduce, y nos
queda el circuito temporalmente en el estado en que lo indica la figura 3 y
con el diodo en bloqueo.
Cx
+ ÍÍÍÍÍÍÍ L1 ³³ ÍÍÍÍÍÍÍ L2 -Eo
oÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄ´ÃÄÄÂÄÄÛÛÛÛÛÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ + - ³ +³³- ³ - + ³ <ÄiLÄÄ¿³
³ ÄiL1ÄÄ¿ ³ ÚÄÄ> ³ ---> ³ ³
³+ ³ ³ ³ iL2 - ³ Co ³ Rc
Ei ÄÁÄ Ci ³ÄÄÙ| i2 ÄÁÄ ±
ÄÂÄ oÄÄÄ´<Ä¿| ³ X ÄÂÄ ± Fig. 3: Cuando
³- PWM ³ÄÄ´| ³ + ³| iCo ± conduce el MOSFET
³ oÄÄÄÄÄÄ´| ³ ³ ³ el Cuk queda en
³ ³ ³ ³ ³ esta condici¢n
oÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÙ con iL2 = i2.
- ÄÁÄ
///
El MOSFET conduce con muy baja resistencia, a la corriente i1, la cual
(como ya sabemos) tiene la forma de una rampa lineal, en tanto el inductor
est‚ dentro del r‚gimen lineal de la curva B-H. En otras palabras, lejos de la
saturaci¢n. El extremo izquierdo de Cx que se hallaba cargado positivamente,
es puesto a tierra por el mismo MOSFET. Entonces, ‚ste tiende a descargarse
sobre el inductor L2, circulando la corriente i2 y transfiri‚ndole a ‚ste una
parte de su carga. Quiere decir, ambos inductores est n siendo cargados a
iguales potenciales, L1 desde Ci y la fuente de entrada, y el L2 desde Cx.
Obs‚rvese en la figura 3 las polaridades relativas en bornes de ambos induc-
tores. En este momento, los inductores entregan corriente al capacitor de
salida y a la carga. Dado que Co est recibiendo la corriente iCo, su armadura
superior resulta negativa. La tensi¢n sobre Cx bloquea al diodo que, de esta
manera, se halla con su nodo polarizado negativamente con respecto al c todo.
Cuando el driver lleva al MOSFET al corte, cesa su conducci¢n y se inicia el
segundo hemiciclo del convertidor, ahora con el diodo en conducci¢n, tras el
bloqueo del MOSFET. Puede resultar aparente que el inductor L2 reciba una ten_
si¢n igual a la suma de la de Cx m s la salida. En realidad, si admitimos que
la salida no ha variado en su diferencia de potencial contra tierra, aparece
del mismo valor durante los dos hemiciclos. Por lo tanto, la tensi¢n en la
salida no participa en la cuenta total de las tensiones y corrientes a lo largo
del ciclo completo.
Cx
+ ÍÍÍÍÍÍÍ L1 ÄiL1Ä ³³ ÍÍÍÍÍÍÍ L2 -Eo
oÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄ´ÃÄÄÄÂÄÄÛÛÛÛÛÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ - + ³ +³³- ³ + - ³<ÄiLÄÄÄ¿³
³ ³ ³ ³ ³
³+ ³ ³ iL1 - ³ Co ³ Rc
Ei ÄÁÄ Ci Á|³ ÄÁÄ ±
ÄÂÄ X V|³ + ÄÂÄ ± Fig. 4: Circuito
³- X Â| iL2 + ³ ± esquem tico al
³ ³ ³| iCo ³ bloquearse el MOS
³ ³ ³ ³ ³ del Cuk.
oÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
- ÄÁÄ
///
Con las inductancias cargadas y el MOSFET al corte, se completa el ciclo.
L1 almacen¢ energ¡a que ahora entrega para reponer la que perdi¢ el capacitor
Cx, y L2 le repone la porci¢n de carga que cedi¢ Co a la carga. Observar que
por el principio de autoinducci¢n, una inductancia en la que previamente estaba
circulando una corriente, y la misma es repentinamente cancelada, el campo
magn‚tico almacenado en su n£cleo retorna a la forma de una tensi¢n en bornes
(FCEM, o Fuerza Contra Electro Motriz) tal que tiende a hacer seguir circulando
esa corriente que ya no impone el suministro externo, para ello, los bornes de
la tensi¢n as¡ generada, tiene la polaridad invertida, ver los signos indicados
en la figura 4, y compararlos con la de la 3. En este caso, se dice que el in_
ductor se comporta como un generador de corriente constante.
El diodo conduce dado que la polaridad de la tensi¢n que se induce en los
terminales de L2 le es favorable. Quiere decir que V(L2) = Eo + Vd siendo Vd,
la ca¡da interna del diodo mismo (.8V para el diodo de silicio y .4 para los
del tipo Schottky). Si los inductores tienen iguales valores y condujeron por
per¡odos de tiempo iguales, la energ¡a por ellos almacenada es igual. Esto
implica que van a ser iguales tambi‚n la FCEM. Entonces, Cx "ve" una tensi¢n
en sus terminales igual a Ei + V(L1) - V(L2), y como V(L2) es casi igual a Eo
y a su vez igual a V(L1), se deduce por simple c lculo que V(Cx) = Ei, que se
corresponde con lo antedicho.
La tensi¢n en el Drain del MOSFET alcanza la cifra de Ei + Eo volts, y
la corriente es igual a las corrientes demandadas por los dos inductores. La
tensi¢n de salida del conversor se puede calcular como:
d
Eo = - Ei * ÄÄÄÄÄÄÄ
1 - d
en donde se aprecia la capacidad del dispositivo para mantener voltages en una
relaci¢n 1:1 cuando el factor de actividad es de .5 (50%). La corriente de en_
trada (al ser los sistemas por modulaci¢n de ancho de pulso a potencia cons_
tante), guarda la relaci¢n inversa:
dý
Ii = Io * ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ + Ihh
(1 - d)ý
donde Ihh es la corriente demandada para la alimentaci¢n del propio conversor.
(House Hold, o mantenimiento interno). La corriente que atraviesa L1 tiene el
valor de la corriente de entrada, mientras que la corriente de L2 se corres_
ponde con el de la de salida, Io.
Al igual que con el SEPIC, es posible combinar ambos inductores en una
sola unidad, jugando con la inductancia de dispersi¢n entre devanados, lo cual
demanda un gran esfuezo al dise¤arlo. Empero, se hace. Tambi‚n se pueden hacer
con inductores separado como en este caso. Ambas disposiciones tienen pros y
contras, y el Ingeniero de dise¤o las evaluar en su momento. (1)
Se puede combinar al SEPIC con un conversor Cuk, de donde se obtiene un
conversor que entregue tensiones poitivas y negativas de igual valor absoluto
y con enorme apareo de las tensiones. (2)
Cx1
+ ÍÍÍÍÍÍÍ L1 ³³ D1 + Eo
oÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄ´ÃÄÄÄÂÄÄ´>ÃÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ +³³- ³ ³ ³
³ ³ º³ ³ ³
³+ ³ ºÛ + ³ Co1 ³ Rc
Ei ÄÁÄ C ³ÄÄÙ ºÛ ÄÁÄ ±
ÄÂÄ oÄÄÄÄ´<Ä¿ MOSFET ºÛ ÄÂÄ ±
³- ³ÄÄ´ ºÛ - ³ ±
³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ º³ L2 ³ ³
³ ³ ³ ³ ³
oÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
- ÄÁÄ -
///
º
ÍÍÎÍÍ
º
Ii Cx2
+ ---> ÍÍÍÍÍÍÍ L1 ³³ ÍÍÍÍÍÍÍ L3 - Eo
oÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄ´ÃÄÄÄÂÄÄÛÛÛÛÛÄÂÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ +³³- ³ ³ ³
³ ³ ³ ³ ³
³+ ³ ³ -³Co2 ³ Rc
Ei ÄÁÄ Ci ³ÄÄÙ Á ÄÁÄ ±
ÄÂÄ oÄÄÄÄ´<Ä¿ MOSFET v ÄÂÄ ± Fig. 5: Circuito
³- PWM ³ÄÄ´  +³ ± esquem tico de un
³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³D2 ³ ³ conversor SEPIC + Cuk
³ ³ ³ ³ ³ resultante de combinar
oÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÙ ambas topolog¡as.
- ÄÁÄ
///
ÍÍÍÍÍ
ÍÍÍÍÍ
Cx1
+ ÍÍÍÍÍÍÍ L1 ³³ D1 + Eo
oÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÂÄÄÂÄÄÄ´ÃÄÄÄÂÄÄ´>ÃÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ ³ ³ +³³- ³ ³ ³
³ ³ ³ º³ ³ ³
³+ ³ ³ ºÛ + ³ Co1 ³ Rc1
Ei ÄÁÄ Ci ³ÄÄÙ ³ ºÛ ÄÁÄ ±
ÄÂÄ oÄÄÄÄ´<Ä¿ ³ ºÛ ÄÂÄ ±
³- ³ÄÄ´ ³ ºÛ - ³ ±
³ oÄÄÄÄÄÄÄ´ ³ º³ L2 ³ ³
³ ³ ³ ³ ³ ³
oÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄ(ÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÂÄÄÄÄ´0V
- ³ ³ ÄÁÄ ³ ³
³ ³ /// ³ ³
³ Á +³ ± Rc2
³ ^ D2 ÄÁÄ ±
³ Â Co2 ÄÂÄ ±
³ ³ -³ ³
³ Cx2 ³ ³ ³
³ ³³ ³ ³ ³
ÀÄÄÄ´ÃÄÄÄÁÄÄÛÛÛÛÛÄÄÄÄÁÄÄÄÄÙ
³³ ÍÍÍÍÍÍÍ L3 -Eo
Se utiliza un £nico switcher, y los tres inductores pueden estar en un
mismo n£cleo (Haciendo la salvedad de que la aislaci¢n intra-devanados soporte
las diferencias de tensi¢n existente) o independientes, cada opci¢n tiene sus
ventajas y desventajas. Algunos autores dicen que se puede usar un n£cleo en
com£n s¢lo cuando la tensi¢n de entrada es igual a las de salida (En valores
absolutos), mientras que otros sostienen que la diferencia entre los valores
de los inductores muchas veces no justifican hacer los 3 elementos distintos
y de esta manera combinarlos, ahorrando mano de obra, costo y espacio. Tambi‚n
resulta necesario un £nico controlador de PWM.
El grado de apareamiento de las dos salidas es muy bueno, mejor que
con cualquier otra topolog¡a. En la salida positiva el ripple de tensi¢n puede
resultar algo mayor que la rama negativa, problema que se puede corregir con
una malla de filtro LC adicional. Personalmente he desarrollado un dispositivo
de este tipo SOLO con v lvulas termoi¢nicas con resultados asombrosos.
Referencias:
(1) Lloyd Dixon "Coupled Inductor Design" Texas Instruments Application note
slua105.pdf
(2) Kevin Tompsett "An Improved Topology for Creating Split Rails from a Single
Input Voltage" Analog Devices AN 1106.
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 2O de agosto de 2017. º
º Revisado y actualizado 03 de septiembre de 2017. º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
Fin del cap¡tulo #40.
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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