Fuentes conmutadas

TEMA 2
FUENTES CONMUTADAS
FUENTES:
2.
Pág. 190
TEMA 2
FUENTES CONMUTADAS
ÍNDICE
2.1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 193
2.1.1 Reguladores conmutados. convertidor dc-dc........................................... 193
2.1.2 Diagrama De Bloques De Una Fuente Conmutada .................................. 193
2.2 EL CONVERTIDOR INVERSO ............................................................................ 194
2.2.1 Convertidor inverso inversor de tensión (FLYBACK)................................ 194
2.2.2 Convertidor inverso elevador de tensión (SETUP).................................... 195
2.2.3 Convertidor inverso con aislamiento de red............................................ 196
2.2.4 Formas de onda .................................................................................... 197
2.2.4.1 Corriente en la bobina. Valores máximos y mínimos ...................... 197
2.2.4.2 Cálculo de la corriente media en la bobina ..................................... 198
2.2.4.3 Cálculo de la bobina...................................................................... 199
2.2.4.4 Cálculo del condensador................................................................ 199
2.2.4.5 Caso límite: Corte de la corriente por la bobina.............................. 200
2.2.4.6 Cálculo de la potencia disipada (para Il(Mín)=0) ............................... 201
2.2.4.7 Cálculo de la corriente media de salida .......................................... 202
2.3 EL CONVERTIDOR DIRECTO (FORWARD) .......................................................... 203
2.2.1 Esquema básico. Funcionamiento .......................................................... 203
2.2.2 Convertidor directo con aislamiento de red ............................................ 203
2.2.3 Formas de onda .................................................................................... 204
2.2.2.1 Tensión e intensidad en la bobina. ................................................. 204
2.2.2.2 Cálculo de la bobina...................................................................... 205
2.2.2.3 Cálculo del condensador................................................................ 205
2.2.2.4 Caso límite: Corte de la corriente por la bobina. Cálculo de la
corriente media de salida ........................................................... 206
2.4 EL CONVERTIDOR CONTRAFASE ...................................................................... 207
2.4.1 Convertidor contrafase (simétrico)......................................................... 207
2.4.2 Formas de onda .................................................................................... 208
2.5 CIRCUITO DE CONTROL ................................................................................. 209
2.6 PROTECCIONES PARA FUENTES CONMUTADAS .................................................. 210
Pág. 191
FUENTES:
Pág. 192
TEMA 2
FUENTES CONMUTADAS
2.1 INTRODUCCIÓN
2.1.1 REGULADORES CONMUTADOS. CONVERTIDOR DC-DC
Funcionamiento basado en el uso del regulador conmutado (conmutador) que
interrumpe el suministro de la fuente 1ª a intervalos de duración variable con
respecto a los de conducción, regulando así el valor medio de la energía
suministrada, según las necesidades de salida del regulador.
Convertidor dc-dc:
• Es la parte más importante de la fuente conmutada.
• Consta básicamente de dos bloques (Fig.2.1).
•Presenta dos estados diferenciados: el período de conducción
(TON) y el de bloqueo (TOFF).
T=
ON
+ TOFF
•Según la estructura del rectificador-filtro. se clasifican en:
− Convertidor Inverso (FLYBACK).
− Convertidor Directo (FORWARD).
− Convertidor Simétrico (contrafase).
Vi
Vo
Conmutador
Rectificación-Filtro
Fig. 2.1.- Convertidor dc-dc.
Ciclo de trabajo: Es la fracción del período del convertidor en el cual el interruptor
está cerrado
T
δ = ON ≤ 1
TON = δT
TOFF = (1 − δ) T
T
2.1.2 DIAGRAMA DE BLOQUES DE UNA FUENTE CONMUTADA
En la figura 2.2 se muestra el diagrama de bloques de una fuente conmutada.
c.c.
Rectific.-Filtro
Conmutador
Aislador
Rectific.-Filtro
Vi
Vo
a.c.
c.c.
Control
Fig. 2.2.- Diagrama de bloques de una fuente conmutada.
Pág. 193
FUENTES:
TEMA 2
• Rectificador-Filtro: Convierte a.c. en d.c.
• Convertidor: − Conmutador: Trocea la Vdc de su entrada (f = 20-50 Khz) para dar Vac
rectangular a su salida.
− Aislador de potencia: Aísla 2 etapas de distintos valores en potencia.
−Rectificador-Filtro: Convierte a.c. rectangular en d.c.
• Control: Circuito que detecta el ∆Vo debido a los cambios de I y de la Vi.
2.2 EL CONVERTIDOR INVERSO
2.2.1 CONVERTIDOR INVERSO INVERSOR DE TENSIÓN (FLYBACK)
En la figura 2.3 se muestra este tipo de convertidor en sus dos estados.
D1
S1
Vi
i
Lo
D1
S1
Co
Z
Vo
Vi
i Co
Lo
Z
Vo
TOFF
TON
Fig. 2.3.- Convertidor inverso FLYBACK
S1 es el transistor de conmutación, L0 es el aislador que almacena la energía
y D1 , C0 forman el conjunto rectificador-filtro.
Los dos estados de los que consta son:
• Primer estado ⇒ TON: Es el período de conducción del transistor. Solo circula
corriente por L0 donde se almacena energía. D1 está polarizado inversamente.
• Segundo estado ⇒ TOFF: Es el período de bloqueo del transistor. En L0 se invierte la
polaridad, polarizando directamente a D1, que conduce, por lo que la energía
almacenada en L0 pasa a la carga una vez filtrada por C0.
Por la inversión de la polaridad, L0 actúa en TON como receptor y en TOFF
como generador. La polaridad de salida está invertida respecto a la entrada.
El filtro usado (C0 ) recibe la energía, almacenada en L0 , de valor de pico
regulada y mantiene la tensión y la intensidad de salida mientras que L0 no entrega
energía.
De la figura 2.4, que muestra la tensión en bornes de la bobina, deducimos:
Pág. 194
FUENTES CONMUTADAS
VL
Vi
Energía almacenada en Lo
Vo
Energía suministrada por Lo
TON
t
TOFF
T
Fig. 2.4.- Formas de onda de la tensión en bornes de la bobina.
Vi ⋅ TON = Vo ⋅ TOFF ⇒ TOFF = T − TON ⇒ Vi ⋅ TON = Vo ⋅ ( T − TON ) ⇒
Vo
δ
=
Vi 1 − δ
1
Vi T − TON
V
T
V
=
⇒ i =
−1⇒ i = −1⇒
Vo
TON
Vo TON
Vo δ
como δ ≤ 1 ⇒
Vo
≤ 1 ⇒ Vo ≤ Vi
Vi
2.2.2 CONVERTIDOR INVERSO ELEVADOR DE TENSIÓN (SETUP)
En la figura 2.5 se muestra este tipo de convertidor en sus dos estados.
D1
D1
LO
LO
VO-Vi
Vi
i
S1
Z
Co
Vo
Vi
i
S1
TON
Co
Z
Vo
TON
Fig. 2.5.- Convertidor inverso SETUP
La tensión que produce L0 cuando actúa como generador (TOFF) se suma a la
tensión primaria obteniéndose una Vo mayor que Vi y de igual polaridad.
De la figura 2.6, que muestra la tensión en bornes de la bobina, deducimos:
V
Vo
Energía almacenada en Lo
Vi
Energía suministrada por Lo
TON
TOFF
t
T
Fig. 2.6.- Formas de onda de la tensión en bornes de la bobina
Pág. 195
FUENTES:
TEMA 2
1
Vo
Vi ⋅ TON = ( Vo − Vi ) ⋅ TOFF  Vo
T
T
1
=
⇒
=
=
=
⇒
1
−
δ
T
V
V
T
T
T
−
Vi ⋅ T = Vo ⋅ TOFF
i
i
OFF
ON

1 − ON
T
Vi
V
= 1 − δ ⇒ como δ ≤ 1 ⇒ i ≤ 1 ⇒ Vi ≤ Vo
Vo
Vo
2.2.3 CONVERTIDOR INVERSO CON AISLAMIENTO DE RED
En la figura 2.7 se muestra este tipo de convertidor en sus dos estados.
D1
D1
i1 V1 N1
N2 V2
Vi
Co
Z
N1
Vo
N2 i2
Co
Z
Vo
Vi
TON
VCE
TOFF
NO
CONDUCE
CONDUCE
Fig. 2.7.- Convertidor inverso con aislamiento de red.
N1 V1 i 2
=
= , de la figura 2.8,
N 2 V2 i1
que muestra la tensión en bornes de la bobina, deducimos:
VCE
2V1
Si “n” es la relación de transformación, n =
VL
V1
V2= n
Vo
t
Energía almacenada en Lo
Energía suministrada por Lo
TON
TOFF
t
T
Fig. 2.8.- Formas de onda de la tensión en bornes de la bobina.
Pág. 196
FUENTES CONMUTADAS
V
T
TON
Vi
=
⋅ TON = Vo ⋅ TOFF ⇒ o = ON =
Vi n ⋅ TOFF n ⋅ ( T − TON )
n
TON
Vo
δ
T
=
⇒
Vi n ⋅ (1 − δ)
 TON 
n ⋅ 1 −


T 
2.2.4 FORMAS DE ONDA
Vamos a estudiar el comportamiento de la corriente en el convertidor inverso
con aislamiento de red de la figura 2.7.
2.2.4.1 CORRIENTE EN LA BOBINA. VALORES MÁXIMOS Y MÍNIMOS
La figura 2.9 muestra las formas de onda de la tensión y corriente en la
bobina de este convertidor.
VL
Vi /n
Vo
t
IL
ILmáx
ILmín
∆IL
Vo
L0
TON δT TOFF T
−
t
Fig. 2.9.- Formas de onda de la tensión y corriente en bornes de la bobina
• Corriente en la bobina: De la figura anterior deducimos:
VL = L0
1
1
dI L
⇒ dI L =
VLdt ⇒ I L =
L0
L0
dt
∫
VLdt ⇒ como VL es cte. ⇒ I L =
1
∆VL
L0
Dividimos un período en dos rectas, una de pendiente positiva (intervalo TON) y
otra negativa (intervalo TOFF) que coinciden con la conducción y bloqueo del transistor:
− Conducción Th1 (TON): D1 se comporta como un circuito abierto ⇒
VL =
Vi
Vi
⇒ pendiente de la recta ≡ I L1 =
nL
n
0
− Bloqueo Th1 (TOFF): D1 se comporta como un circuito cerrado ⇒
VL = − Vo ⇒ pendiente de la recta ≡ I L 2 = −
Vo
L0
Pág. 197
FUENTES:
TEMA 2
• Valores extremos de la corriente: Según la forma de onda de IL observamos que:
I L ( t ) = I L ( 0) +
− Corriente máxima :
− Corriente mínima:
1
VL t
L0
I L ( 0) = I Lmin 

V
VL = i

n

t = δT

⇒
I Lmax = I Lmin +
Vi
δT
nL0
I L ( 0) = I Lmax 

VL = − Vo 
t = (1 − δ) T 
⇒
I Lmin = I Lmax −
Vo
(1 − δ) T
L0
2.2.4.2 CÁLCULO DE LA CORRIENTE MEDIA EN LA BOBINA
De la figura 2.10.a podemos hallar el valor de la corriente media basándonos
en el cálculo de áreas: area rectangulo A = area triangulo B + area rectangulo B
(Fig.2.10 b).
IL
ILmáx Zona 1
ILmed
ILmín
a)
b)
Zona 2
∆IL/2
∆IL/2
B
∆IL
A
C
0
δT
T
δT
T
t
Fig. 2.10.- Formas de onda de la corriente en bornes de la bobina
Tenemos dos opciones, o realizar el estudio con las áreas de la zona 1 o con
las de la zona 2, en ambos casos el resultado es el mismo. Tomando el primer caso:
Area rect. A = b ⋅ h = δT ⋅ I Lmed
b⋅h
( I − I ) ⋅ δT
Area trian. B =
= Lmax Lmin
2
2
Area rect. C = b ⋅ h = δT ⋅ I Lmin
I Lmed ⋅ δ/ T/ =
( I Lmax − I Lmin ) ⋅ δ/ T/ + I
2
Lmin
I Lmed =
Pág. 198
⋅ δ/ T/ ⇒ I Lmed =
I Lmax + I Lmin
2


⇒


I Lmax − I Lmin + 2I Lmin
⇒
2
FUENTES CONMUTADAS
2.2.4.3 CÁLCULO DE LA BOBINA
De la figura 2.11 deducimos:
IL
∆IL(+)
∆IL(-)
−
TON δT
0
Vo
L0
TOFF
T
t
Fig. 2.11.- Formas de onda de la corriente en bornes de la bobina
Vi
TON =
nL0
∆I L = ∆I L ( +) = ∆I L ( −) ⇒
V
∆I L ( −) = o TOFF =
L0
∆I L ( + ) =
Vi

δT

nL0
⇒
Vo
(1 − δ)T
L0


n∆ I L ( + ) L 0

n∆I L ( +) L0 ∆I L ( −) L0
Vi

+
⇒
 ⇒ como T = TON + TOFF ⇒ T =
∆I L ( − ) L0 
Vi
Vo
= (1 − δ ) T =

Vo
TON = δT =
TOFF
Vi
⋅V
n o
L0 =
⋅T
Vi 

V
I
+
⋅
∆
 o

L

n
Siendo T=1/f, para f entre 20 y 50 Khz.
2.2.4.4 CÁLCULO DEL CONDENSADOR
En un convertidor elevador de tensión, cuando el conmutador está abierto (Th
bloqueado) el diodo se comporta como un cortocircuito (Fig. 2.12.a). La corriente que
circula por el condensador es la que se muestra en la figura 2.12.b.
a)
b) IC
IL Lo
∆QC(+)
IC
Co
Io=cte.
Z
t
∆QC(-)
∆IC=∆IC
T/2
T
Fig. 2.12.- Circuito de salida del convertidor y formas de onda de la corriente en
bornes del condensador.
Pág. 199
FUENTES:
TEMA 2
I L = IC + Io ⇒ IC = I L − Io ⇒ como Io es cte. ⇒ ∆I L = ∆IC
∆I L ( +) = ∆I L ( −) ⇒ ∆Q( + ) = ∆Q( −)
Sabemos que Q (carga) = I ⋅ t ⇒ ∆Q = área del triángulo =
b⋅h
⇒
2
T ∆IC
⋅
T ⋅ ∆I C
1
∆I C
∆Q = 2 2 ⇒ ∆Q =
⇒ como T = ⇒ ∆Q =
⇒ como ∆Q = C ⋅ ∆VC ⇒
2
8
f
8⋅ f
C ⋅ ∆VC =
∆I C C = ∆IC
⇒
8 ⋅ f ⋅ ∆VC
8⋅ f
Esta fórmula nos permite calcular el valor del condensador de forma general,
tanto para convertidores inversos como directos.
Para el caso particular del convertidor inversor:
Vi
Vi
⋅V
⋅ Vo
n o
n
∆I L =
⇒ C=
V

V

8 ⋅ f 2 ⋅ ∆VC ⋅  Vo + i  ⋅ L0
 Vo + i  ⋅ L0 ⋅ f

n

n
2.2.4.5 CASO LÍMITE: CORTE DE LA CORRIENTE POR LA BOBINA
Conocemos la forma de onda de la corriente en la bobina, la forma de onda
de la corriente de salida es la representada en la figura 2.13.a.
a)
IL
ILmáx
ILmed
ILmín
Io
Io máx
b)
∆IL/2
δT
T
t
∆IL
IL
ILmáx
ILmed
ILmín
t
IL
ILmáx
Io mín
ILmín
δT
T
δT
T
δT
T
t
t
Fig. 2.13.- Formas de onda de la corriente en bornes de la bobina y en la salida.
Corriente en los límites de los regímenes de corriente continua y discontinua.
Si disminuimos el valor de Io hasta su valor límite mínimo de salida del
convertidor (Fig. 2.13.b) ocurre que:
Pág. 200
FUENTES CONMUTADAS
I Lmed =
I Lmax + I Lmin
∆I
= I Lmin + L ⇒ si ILmín = 0⇒
2
2
I Lmed =
∆I L
I
⇒ I Lmed = Lmax ⇒ I L es continua
2
2
Si disminuimos aun más Io , la tensión de salida se hace dependiente de la
carga la cual, al necesitar poca intensidad, hace que el condensador se cargue antes
de terminar T OFF polarizándose el diodo en inversa, apareciendo un tiempo, desde que
L0 se descarga hasta que se vuelve a cargar, en el que la corriente en la bobina se
anula, es decir, IL pasa de ser continua a ser discontinua (Fig. 2.14).
IL
ILmáx
ILmín
t
Io
Io máx
Io mín
t
VCE
2Vi
Vi
TON δT TOFF T
t
Fig. 2.14.- Corriente en la bobina y en la salida, en el régimen de corriente
discontinua. Tensión en bornes del transistor.
El corte de IL se produce cuando:
I Lmed <
Para que IL no se corte debe ocurrir que: I Lmed ≥
como ∆I L =
I Lmax ∆I L
=
2
2
∆I L
⇒
2
Vi
V
Vi
V
δT = o (1 − δ) T ⇒ I Lmed ≥
δT = o (1 − δ) T ⇒
2 L0
nL0
L0
n 2 L0
Lcritica ≥
Vi
Vo
δT =
(1 − δ)T
n2I Lmed
2I Lmed
Siendo Lcrítica el valor de la bobina a partir del cual la corriente que circula
por esta nunca se anula, siempre es continua.
2.2.4.6 CÁLCULO DE LA POTENCIA DISIPADA (PARA IL(mín)=0)
De la figura 2.15 deducimos:
Pág. 201
FUENTES:
TEMA 2
Energía almacenada
Energía disipada
IL
ILmáx
ILmín
δT
T
t
Fig. 2.15.- Corriente en la bobina en el límite del régimen de corriente continua.
1
2
W Energia disipada 2 ⋅ L0 ⋅ I Lmax
⇒
P=
=
=
t
t
T
como I Lmed = I Lmin +
∆I L
e I Lmin
2
V2
1
⋅ L/ 0 ⋅ 2 i 2/ ⋅ δ2 ⋅ T2/
2
n ⋅ L0
= 0⇒P =
⇒
T/
Energía acumulada = Potencia disipada en R L =
Vi2 ⋅ δ2 ⋅ T
2 ⋅ L0 ⋅ n2
Todo se disipa en la carga, no permanece nada para el siguiente ciclo,
siempre que ILmín se anule.
2.2.4.7 CÁLCULO DE LA CORRIENTE MEDIA DE SALIDA
Usando el método del cálculo de áreas sobre la figura 2.16 obtenemos:
Io
Io máx
Io mín
Io med
δT
T
t
Fig. 2.16.- Formas de onda de la corriente de salida.
Area rect. ( 0 - T)
= b ⋅ h = T ⋅ Io med
b⋅h
I
−I
Area trian. ( δT - T) =
= T(1 − δ) o max o min
2
2
Area rect. ( δT - T) = b ⋅ h = T(1 − δ) ⋅ I o min
/ o med = T/ (1 − δ)
TI
Io max − Io min
I
−I
+ 2Io min
⇒
+ T/ (1 − δ) Io min ⇒ Io med = (1 − δ) o max o min
2
2
Io med = (1 − δ)
Pág. 202


⇒


I o max + Io min
2
FUENTES CONMUTADAS
2.3 CONVERTIDOR DIRECTO (FORWARD)
2.3.1 ESQUEMA BÁSICO. FUNCIONAMIENTO
En la figura 2.17 se muestra este tipo de convertidor en sus dos estados.
S1
Vi
Lo
D1
S1
Vi-VO
i
Co
Z
Vo
Lo
Vi
D1
i
Co
Z
Vo
TOFF
TON
Fig. 2.17.- Convertidor directo FORWARD
Se diferencia del inverso en que cuando se almacena energía en L0 , esta
también pasa a la carga.
De la figura 2.18, que muestra la tensión en bornes de la bobina, deducimos:
V
Vi
Energía almacenada en Lo
Vo
Energía suministrada por Lo
TON
t
TOFF
T
Fig. 2.18.- Tensión en bornes de la bobina.
( Vi − Vo ) ⋅ TON = Vo ⋅ TOFF  ⇒ Vo
Vi ⋅ TON = Vo ⋅ T


Vi
=
Vo
TON
=δ
⇒
Vi
T
como δ ≤ 1 ⇒ Vo ≤ Vi
2.3.2 CONVERTIDOR DIRECTO CON AISLAMIENTO DE RED
En la figura 2.19 se muestra este tipo de convertidor en sus dos estados.
Pág. 203
FUENTES:
TEMA 2
D1
V1 N1
N2 V2
D1
Lo
D2
Vi i1
Co
Z
Vo
VCE
CONDUCE
i2 Co
D2
Z
Vo
Vi
i2
TON
Lo
TON
TOFF
TOFF
Fig. 2.19.- Convertidor directo con aislamiento de red.
En el transformador, la energía siempre de almacena, no se libera, por lo que
puede saturarse el núcleo del transformador, Esto se evita colocando entre el
devanado 1º y el 2º otro devanado, denominado desmagnetizador (Fig. 2.20), en serie
con un diodo que hace que solo funcione cuando el transistor está en corte.
D1
Lo
N3
N1
N2 D2
Co
Z
D3
Fig. 2.20.- Convertidor directo con aislamiento de red con devanado
desmagnetizador.
El ciclo de trabajo debe valer δ = 0,5 ⇒
δ=
TON
1
= 0,5 ⇒ TON = T ⇒ TON ≤ TOFF
T
2
2.3.3 FORMAS DE ONDA
Vamos a estudiar el comportamiento de la corriente en el convertidor directo
con aislamiento de red con desmagnetizador de la figura 2.20.
2.3.3.1 TENSIÓN E INTENSIDAD EN LA BOBINA.
La figura 2.21 muestra las formas de onda de la tensión e intensidad en la
bobina L0 .
Pág. 204
FUENTES CONMUTADAS
VL
Vi /n
Vo
∆VL
t
IL
ILmáx
∆IL
ILmín
TON δT TOFF T
t
Fig. 2.21.- Formas de onda de la tensión e intensidad en la bobina.
De estas formas de onda deducimos la ecuación del convertidor directo con
aislamiento de red con desmagnetizador:
Vi
− Vo
n
− Conducción Th1 (TON): D1 se comporta como un circuito abierto ⇒ ∆VL1 =
− Bloqueo Th1 (TOFF): D1 se comporta como un circuito cerrado ⇒ ∆VL 2 = − Vo
En valor absoluto:
Vi
− Vo
Vo δ
V
=
∆I L = n
⋅ δ ⋅ T = o ⋅ (1 − δ) ⋅ T ⇒
Vi n
L0
L0
2.3.3.2 CÁLCULO DE LA BOBINA
∆I L ⋅ L0


Vi
− Vo
∆I L ⋅ L0 ∆I L ⋅ L0

⇒
+
n
 ⇒ T = TON + TOFF ⇒ T = V
Vo
i
∆I L ⋅ L0 
−
V
o
= (1 − δ ) ⋅ T =
n
Vo 
TON = δ ⋅ T =
TOFF
 Vi

 − Vo  ⋅ Vo
 n

L0 =
⋅T
Vi
⋅ ∆I L
n
T=1/f
 Vi

 − Vo  ⋅ Vo
 n

∆I L = ∆I C =
Vi
⋅L ⋅f
n 0
2.3.3.3 CÁLCULO DEL CONDENSADOR
Dada la expresión general para el cálculo del condensador:
Pág. 205
FUENTES:
TEMA 2
 Vi

 − Vo  ⋅ Vo
 n

∆I C
C=
⇒ C=
V
2
8 ⋅ f ⋅ ∆VC
8 ⋅ f ⋅ ∆VC ⋅ i ⋅ L0
n
2.3.3.4 CASO LÍMITE: CORTE DE LA CORRIENTE POR LA BOBINA.
CÁLCULO DE LA CORRIENTE MEDIA DE SALIDA
A partir de la figura 2.22.a, que muestra las formas de onda de la corriente
en la bobina y la de salida en el límite del régimen de corriente continua, obtenemos
la corriente media de la salida.
IL
ILmáx
ILmín
Io
Io máx
IL
t
Io mín
t
Imagn
t
=
ILmáx
ILmed
ILmín
Io
Io máx
Io med
Io mín
ID3
TON δT TOFF T
VCE
2Vi
Vi
t
t
t
Fig. 2.22.- a) Corriente en la bobina y en la salida en el límite del régimen de
corriente continua. b) Formas de onda en el régimen de corriente discontinua.
La corriente media en la bobina es:
I Lmed =
I Lmax + I Lmin
2
∆I L I Lmax − I Lmin
=
2
2
En este caso, la corriente que circula por L0 pasa siempre por la carga por lo
que Io med = I Lmed . La tensión media en la salida es:
Io med =
Io max + Io min
2
∆I L
2
IL se interrumpe como en el convertidor inverso (Fig.2.22.b). Se diferencia con el
convertidor inverso en que el recorte de VCE no viene dado por la interrupción de IL
sino por la interrupción de la Imagnética debido al corte de D3 .
En el caso que:
Pág. 206
I Lmed <
FUENTES CONMUTADAS
2.4 CONVERTIDOR CONTRAFASE
2.4.1 CONVERTIDOR CONTRAFASE (SIMÉTRICO)
Está formado por dos convertidores Forward en contrafase (Fig. 2.23).
Funciona como un convertidor directo con alternancia de transistores y diodos en la
conducción. En TON, se almacena energía en L0 y se transfiere a la carga, en TOFF, se
libera la energía almacenada. Se utiliza para potencias mayores a 700 W.
Se diferencia del convertidor directo en que en el directo, el proceso se
realiza una sola vez a lo largo de su ciclo de trabajo, y en el de contrafase lo realiza
dos veces.
Lo
D1
Vi
n
D2
Co
Z
Vo
N2
TON1
i1 Vi
TR1
N1
i1
TON2
TR2
Fig. 2.23.- Convertidor en contrafase.
Los diodos D1 y D1 rectifican la señal rectangular generada por los
transistores TR1 y TR1, controlados de forma alternada. La corriente en el 2º del
transformador se dobla, por lo que podemos reducir el valor de la bobina y del
condensador.
De la figura 2.23, que muestra la tensión de emisor de los transistores y la
tensión en bornes de la bobina, deducimos:
VL
VCE1
Vi
2Vi
V
V
n
Bobin. Bobin. Corto
Corto
oblig.
V
V
Vo
i
i
i
i
Fuent. Fuent.
TON 1
VCE2
2Vi
t
TON 2
Vi
Vi
Bobin. Corto
Bobin.
Corto
Vi oblig.
Vi
Fuent.
Fuent.
TOFF 1
TOFF 2
t
TON 1 TOFF 1 TON 2 TOFF 2
TR1 C TR1 D TR2 C TR1 D
TR2 D
TR2 D
T/2
T
t
C: conduce
D: corte
Fig. 2.24.- Tensión de emisor de los transistores y tensión en bornes de la bobina
Pág. 207
FUENTES:
TEMA 2
Teniendo en cuenta que:
TON 1 = TON 2
TOFF1 = TOFF2
δ=
y que
TON1
T
=
TON 2
T
≤ 0,5 ⇒
Vo 2
2 T
T V
Vi
= ⋅δ
⋅ TON = Vo ⋅ ⇒ o = ⋅ ON ⇒
Vi n
Vi n T
n
2
Para potencias todavía mayores realizamos un montaje en puente (Fig.2.25.a)
en el que los transistores TR1 y TR3 son controlados conjunta y alternativamente por
T R2 y TR4. La frecuencia se duplica, diferenciándose del montaje anterior en que la
tensión máxima de emisor en este caso es Vi en cada transistor(Fig. 2.25.b), mientras
que en el anterior es de 2 Vi.
Las dos ramas de los transistores no deben conducir a la vez, ya que se
provocaría una avalancha térmica produciéndose la destrucción de los transistores.
Lo
D1
Vi
n
D2
Co
Z
Vo
VCE1
Vi
Vi/2 Vi/2
Bobin. Bobin. Corto
Corto
Vi/2 Vi/2 oblig.
Fuent. Fuent.
TON 1
N2
VCE2
Vi
N1
TR1
TR2
TR3
TR4
Vi
t
TON 2
Vi/2
Vi/2
Bobin. Corto
Bobin.
Corto
Vi/2 oblig.
Vi/2
Fuent.
Fuent.
TOFF 1
TOFF 2
t
Fig. 2.25.- Convertidor contrafase con montaje en puente. Formas de onda de la
tensión de emisor de los transistores.
2.4.2 FORMAS DE ONDA
Vamos a estudiar el comportamiento de la corriente en el convertidor en
contrafase de la figura 2.23.
En la figura 2.26 se muestra la forma de onda de la corriente en la bobina,
siendo su valor:
IL
ILmáx
ILmín
∆IL/2
∆IL/2
V
− o
L0
0
δT
T/2
δT+T/2 T
∆IL
t
Fig. 2.26.- Forma de onda de la corriente en la bobina.
Pág. 208
FUENTES CONMUTADAS
VL = L0
VL
V
V
dI L
∆t
⇒ dI L = L dt ⇒ pendiente = L ⇒ ∆I L =
L0
L0
L0
dt
Vi
− Vo
Vo 2δ
V T

=
∆I L ( + ) = n
⋅ δT = ∆I L ( −) = o ⋅  − δT ⇒
Vi
n


L0
L0 2
I Lmed =
I Lmax + I Lmin ∆I L
⇒ I Lmed
=
2
2
Vi
− Vo δT
= n
⋅
L0
2
2.5 CIRCUITO DE CONTROL
El circuito de control detecta las variaciones de Vo , debidas a los cambios de
IZ y Vi, y actúa compensándolas comparando Vo con una tensión de referencia, cuya
diferencia alimenta a un amplificador-regulador que controla la energía suministrada
al bloque excitador modificando la duración del ciclo de conducción del conmutador.
Según la frecuencia de funcionamiento del circuito de control, tenemos:
• Frecuencia Fija (Fig. 2.27): El control actúa sobre el valor del ciclo de trabajo
mediante un bloque Modulador de Anchura de Pulsos (PWM). La frecuencia de
funcionamiento proviene de un Oscilador de Frecuencia Fija independiente de las
condiciones de trabajo de la fuente.
VC
Vo
Vref
Comparador
PWM
Aislador Conmutador
VPWM
Oscilador
Fig. 2.27.- Esquema de bloques de un circuito de control de frecuencia fija. Formas
de onda.
• Frecuencia Variable: El circuito decide las características del período de conducción
en función de IZ y Vi. La frecuencia de funcionamiento es determinada por los
condicionamientos de trabajo. Se dividen según sea el período de conducción, fijo (Fig.
2.28.a) o variable (Fig. 2.28.b).
Pág. 209
FUENTES:
TEMA 2
a)
Vo
Vref
Comparador
Conmutador
S
R
Q
Q
Temporiz.
TOFF
b)
Vo
Vref
Vo
Vref
Temporiz.
TON
Comparador
Conmutador
S
R
Q
Q
Comparador
Fig. 2.28.- Esquema de bloques de un circuito de control de frecuencia variable con
período de conducción a) fijo y b) Variable.
2.6 PROTECCIONES PARA FUENTES CONMUTADAS
El circuito de protección para fuentes conmutadas es el de la figura 2.29. Con
el se evita exceder los límites del área de la curva SOA en el período de bloqueo del
transistor.
D1
Co
Vi IP I
IC
R1
Th1
Vo
D2
C1
Fig. 2.29.- Circuito de protección para fuentes conmutadas.
El diseño del circuito lo realizamos a partir de las siguientes expresiones:
I T
C1 = P OFF
2 Vimax
Pág. 210
T
R1 = OFF
2C1
C (V ) f
= 1 imax C
2
2
PR 1