FUENTES CONMUTADAS (SWITCHING)
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03/12/2014 REGULADOR DE TENSION CONMUTADO (FUENTE SWITCHING) Cátedra de Dispositivos Electrónicos Departamento de Electricidad, Electrónica y Computación (DEEC) FACET - UNT Fuente de tensión continua IL V Fuente ideal de tensión V = cte. + VL = cte. VL IL sin limitación de valor _ RS V Fuente real de tensión IL V ≠ cte. + VL Vripp VLripp _ VLripp TAMB < TMAX IL < IMAX 1 03/12/2014 Fuente de tensión continua regulada RS V IL IL + VL + V REGULADOR VL _ VLripp Vripp _ Disminuir Rs Disminuir Vripp REGULADOR Estabilizar VL Esquema Fuente Regulada Lineal Vi TRAFO AC AC RECTIFICADOR + FILTRO REGULADOR LINEAL CC PROTECCION CC VL CC Vo Ri R1 - Vi+Viripp R2 + Vref 2 03/12/2014 Convertidores de Energía Entrada Salida Alterna Continua Continua Alterna Alterna Alterna Continua Continua FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS (SWITCHING) • También llamadas Fuentes Switching. • Se distinguen con ese nombre a los convertidores de Corriente alterna (AC) a corriente continua (DC) o los convertidores DC/DC, cuyo principio de funcionamiento se basa en la conmutación de una llave mas que en un circuito lineal. • Las fuentes conmutadas fueron desarrolladas como consecuencia de los problemas de disipación térmica, peso y volumen de los reguladores lineales. • Hoy en día son de uso común en aplicaciones industriales y comerciales. 3 03/12/2014 FUENTE REGULADA SWITCHING Vi AC RECTIFICADOR + FILTRO CC CONVERTIDOR CC/AC RECTIFICADOR + FILTRO SALIDA PROTECCION CC AC VL CC CONTROLADOR AC CC • Vi normalmente red de distribución 220 V → 50Hz • Convertidor CC/AC → entrega una tensión de frecuencia ≥ 20 KHz • A frecuencia elevada el filtro de salida utiliza componentes de menor valor y se utiliza una configuración L – C • Se puede además utilizar transformadores de menor peso y volumen • El CONTROLADOR puede variar alguna característica de la tensión alterna de alta frecuencia para compensar las variaciones de la tensión de salida VL ESQUEMA GENERAL DE UNA FUENTE CONMUTADA - La tensión de entrada Vi se rectifica y se filtra directamente de la red - La tensión continua obtenida se convierte en alterna de alta frecuencia Pulsante (continua + ripple) RECTIFICADOR Y FILTRO RECTIFICADOR Y FILTRO DE SALIDA - La tensión alterna de alta frecuencia permite reducir el tamaño del transformador y del filtro de salida Alta frecuencia (cuadrada) PWM OSC REF - Mediante un circuito de control se varia alguna característica de la tensión alterna de alta frecuencia para compensar las variaciones de la tensión de salida VL CONTROLADOR 4 03/12/2014 REGULADOR CONMUTADO PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Vo 𝑉𝑚𝑒𝑑 = 𝑇 1 𝑇 𝑉𝑚𝑒𝑑 = 0 𝑣0 𝑡 𝑑𝑡 1 𝑉𝑡 𝑇 0 𝑜𝑛 𝑉𝑚𝑒𝑑 = 1 𝑇 𝑡𝑜𝑛 0 𝑉0 𝑑𝑡 𝑇 = 𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑜𝑓𝑓 = 1 𝑓 𝑉𝑚𝑒𝑑 = 𝑉0 𝑡𝑜𝑛 f 𝑉𝑚𝑒𝑑 = 𝑉0 Vo 𝑡𝑜𝑛 𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑜𝑓𝑓 𝐷= 𝑡𝑜𝑛 𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑜𝑓𝑓 D = 𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑉𝑚𝑒𝑑 = 𝑉0 𝐷 Si R << R0 V0 ≈ VCC 𝑉𝑚𝑒𝑑 = 𝑉𝐶𝐶 𝑡𝑜𝑛 f = 𝑉𝐶𝐶 𝐷 Circuitos Inversores V0 BUCK (V0 < V) V0 BOOST (V0 > V) 5 03/12/2014 INVERSOR CC → AC Circuito propuesto (Reductor BUCK) Vo Inversor Buck con el interruptor cerrado 𝑉 = 𝑉𝐿 + 𝑉0 𝑉=𝐿 𝑑𝑖𝐿 + 𝑉0 𝑑𝑡 𝑑𝑖𝐿 𝑉 − 𝑉0 𝛥𝐼𝐿 = = 𝑑𝑡 𝐿 𝑡𝑜𝑛 ∆𝐼𝐿 = 𝑉 − 𝑉0 𝑡𝑜𝑛 𝐿 6 03/12/2014 Inversor Buck con el interruptor abierto 𝑉0 = −𝑉𝐿 = −𝐿 𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑡 𝑑𝑖𝐿 𝑉0 𝛥𝐼𝐿 = =− 𝑑𝑡 𝐿 𝑡𝑜𝑓𝑓 La disminución de corriente será: 𝛥𝐼𝐿 = − 𝑉0 𝑡 𝐿 𝑜𝑓𝑓 Tensión continua de salida del convertidor Buck Energía almacenada en el inductor Energía almacenada durante ton Energía entregada durante toff 𝑉 − 𝑉0 𝑉0 𝑡𝑜𝑛 = 𝑡 𝐿 𝐿 𝑜𝑓𝑓 Tensión continua de salida 7 03/12/2014 Tensión de ripple de salida La tensión de salida tiene una componente de alterna, producto de la corriente variacional ΔiL (zumbido de corriente en el inductor) que circula por el capacitor suponiendo (Xc<<Ro). El ripple de la tensión de salida es la tensión en el capacitor consecuencia de ΔiL: iL t = −iC t 𝑖1𝐶 𝑡 = − 1 𝑣𝐶 𝑡 = 𝑖 𝑡 dt C 𝐶 𝑖2𝐶 𝑡 = ∆𝐼𝐿 ∆𝐼𝐿 𝑡 − 𝑡𝑂𝑁 − 𝑡𝑂𝑁 2 ∆𝐼𝐿 ∆𝐼𝐿 𝑡−𝑇 + 𝑡𝑂𝐹𝐹 2 𝑣1𝐶 𝑡 → 0 < 𝑡 < 𝑡𝑂𝑁 𝑣2𝐶 𝑡 → 𝑡𝑂𝑁 < 𝑡 <T IC ΔIL vC VCP(+) VCP(-) 0 𝑉𝐶𝑃 ton − = 𝑣1𝐶 𝑡 𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑡 = t OFF 𝑡𝑂𝑁 2 T 𝑉𝐶𝑃 + = 𝑣2𝐶 𝑡 𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑡 = 𝑡𝑂𝑁 + 𝑡𝑂𝐹𝐹 2 8 03/12/2014 Vpp = Vpp = Vcp(+) + Vcp(−) 1 ∆𝐼𝐿 𝑇 𝐶 8 ΔIL 𝐕𝐩𝐩 ton 0 T Vcp(−) = 1 ∆IL D. T C 8 Vcp(+) = 1 ∆IL 1−D T C 8 Circuito de Prueba (Simulador) Filtro Fuente SW 𝐷 = 0.5 ∆𝐼𝐿 = 𝑇 = 20 𝜇𝑠 𝑡𝑜𝑛 = 10𝜇𝑠 𝑉1 = 20𝑉 𝑉0 = 10𝑉 𝑉1 − 𝑉0 𝑡𝑜𝑛 𝐿 ∆𝐼𝐿 = 20 − 10 10 × 10−6 300 10−6 ∆𝐼𝐿 = 1 𝐴 (333 𝑚𝐴) 3 1 ∆𝐼𝐿 𝑇 𝐶 8 Vpp = 1 1 3 20 × 10−6 20 × 10−6 8 𝑉𝑝𝑝 = 1 𝑉 (42 𝑚𝑉) 24 Vpp = 9 03/12/2014 Esquema de la Fuente Regulada con el circuito de Control Icc Vo IL V Ic ID Amp. Error Comparador R1 - + R2 + - Vref Gen. Rampa PWM Modulador de ancho de Pulso Generador Diente de Sierra Verror VOUT VOUT Verror Verror VOUT Verror 10 03/12/2014 PWM VCONT V1 VERROR t VCONT t Simulación Modulador Ancho de Pulso (PWM) Diente de Sierra V1 11 03/12/2014 Simulación Fuente SWITCHING Diente de Sierra V2 ESQUEMA GENERAL DE UNA FUENTE CONMUTADA: Vo IL V Ic ID R4 Amp. Error Comparador + R1 - R2 + - R3 Vref Gen. Rampa 12 03/12/2014 TL494 Circuito de control por PWM • El TL494 incorpora en un solo chip todas las funciones requeridas para la construcción de un circuito de control por modulación de ancho de pulso (PWM) • Diseñado principalmente para el control de fuentes de alimentación. 13 03/12/2014 Características • Frecuencia fija (RT y CT). • Dos amplificadores de error. • Oscilador de frecuencia ajustable • Comparador para el control de tiempo muerto (DTC). • Flip flop D para el control de los transistores de salida. • Dos transistores de salida. • Rango de temperatura: 0 a 70°C (TL494C) o -15 a 85°C (TL494I) 14 03/12/2014 TL494: Diagrama interno PRINCIPIO DE OPERACIÓN La modulación de los pulsos de salida se logra mediante la comparación de una forma de onda diente de sierra (creada internamente por el CI) con las señales de control: DTC y la salida de los amplificadores de error. La etapa de salida se habilita durante el tiempo en el cual el voltaje de la diente de sierra es mayor que el de las señales de control. 15 03/12/2014 PRINCIPIO DE OPERACIÓN TL494: Esquema de pines 16 03/12/2014 Ejemplo de aplicación TL494 17 03/12/2014 Ejemplo de aplicación TL494 CIRCUITO REDUCTOR/ELEVADOR BUCK/BOOST 18 03/12/2014 • Con el interruptor cerrado: V1=Vcc La tensión V2 tiene la polaridad invertida con respecto a V1, por lo tanto el diodo no conduce : I2=0. Además: • Con el interruptor abierto: V2=-V0 19 03/12/2014 𝑉1 𝑡 𝐿 𝑂𝑁 𝑉1 𝑡 𝐿 𝑂𝑁 𝑡𝑂𝑁 𝑡𝑂𝐹𝐹 T En régimen estacionario se cumple que la energía almacenada por L1 durante ton es igual a la energía liberada en el tiempo toff. Por lo tanto: 20 03/12/2014 REDUCTOR BUCK CIRCUITO REDUCTOR/ELEVADOR BUCK/BOOST ESQUEMA GENERAL DE UNA FUENTE CONMUTADA TIPO DIRECTA (Forward) D1 Vcc Ip Rectific. Puente V1 V0 Lo D2 Io V2 n1 R0 Co n2 D3 n3 Amp. Error R1 Comparador + + R2 Vref Gen. Rampa 21 03/12/2014 FIN 22
