Diseño de una fuente conmutada variable para laboratorio

Texto completo

(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingenierías Eléctricas Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. Trabajo de Diploma Diseño de una Fuente Conmutada Variable para laboratorio. Autor: Eliecer Acosta Conyedo Tutores: Ing: Jorge Luis Lemus Ramos Ing Lianet Guerra Morales. Santa Clara 2016 Año 58 de la Revolución. I.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingenierías Eléctricas Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. Trabajo de Diploma Diseño de una Fuente Conmutada Variable para laboratorio. Autor: Eliecer Acosta Conyedo Tutores: Ing: Jorge Luis Lemus Ramos Ing: Lianet Guerra Morales. Santa Clara 2016 Año 58 de la Revolución.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicado sin autorización de la Universidad.. ________________________ Firma del Autor. Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. ________________________. ________________________. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. ________________________ Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) Pensamiento. “Todos somos muy ignorantes. Lo que ocurre es que no todos ignoramos las mismas cosas”. Albert Einstein. I.

(5) II. Dedicatoria. A mi madre y a mi padre por siempre darme fuerzas para seguir luchando A mi esposa y familia por la constancia y el cariño A mi tutor y compañeros de trabajo por todo su apoyo A todas aquellas personas que me han apoyado a lo largo de mi carrera.

(6) III. Agradecimientos A mi madre por creer en mí y siempre estar presente en los momentos más importantes A mi padre por ser mi ejemplo y enseñarme siempre el camino correcto. A mi esposa por toda su comprensión y cariño A mis suegros por ayudarme cuando lo necesité A mis Abuelos por toda su fe en mí A mi padre adoptivo por guiarme en el camino laboral A mis tutores por sus conocimientos y ayuda A mis amigos y compañeros de estudio A los compañeros de trabajo que todos estos años me han apoyado A mi familia A los profesores y todas las personas que de una forma u otra me han guiado hasta aquí. Gracias.

(7) IV. Resumen Las fuentes de polarización han tenido un desarrollo permanente en los últimos tiempos, debido a la utilización de nuevas tecnologías con el fin de mejorar las características de las mismas, en cuanto a rendimiento, regulación, tamaño, peso y costo, por ello, las fuentes conmutadas son utilizadas hoy en día, en la mayoría de equipos que requieren de una fuente de polarización de DC, relevando a las fuentes convencionales o también llamadas lineales. En el presente trabajo se caracterizan las fuentes conmutadas, realizando una revisión bibliográfica detallada sobre criterios de diseño, topologías, ventajas y desventajas de las mismas con el objetivo de desarrollar el diseño de una fuente variable para uso en talleres de reparación y calibración. La fuente a diseñar debe estar preparada para trabajar en voltajes de 110Vac y 220Vac, tener dos salidas, una variable de 1,2Vdc a 60Vdc con una corriente máxima 5A, y la otra salida con un voltaje fijo de 5V/1A, como requisito fundamental debe contar con protecciones de corto-circuito a la salida y aislamiento entre las etapas.

(8) V. Índice Pensamiento .................................................................................................................... I Dedicatoria ...................................................................................................................... II Agradecimientos ............................................................................................................ III Resumen........................................................................................................................IV Introducción..................................................................................................................... 1 Capítulo 1 Fuentes de Alimentación Conmutadas ........................................................ 4 1.1. Introducción........................................................................................................ 4. 1.2. Componentes asociados a una fuente de alimentación ..................................... 7. 1.2.1. Semiconductores ......................................................................................... 7. 1.2.2. Elementos pasivos ...................................................................................... 9. 1.2.3. Elementos magnéticos .............................................................................. 11. 1.3. Tipos de Fuentes Conmutadas ........................................................................ 12. 1.3.1. Fuentes sin Aislamiento............................................................................. 13. 1.3.2. Fuentes con Aislamiento ........................................................................... 15. 1.3.3. Comparación entre las diferentes topologías. ........................................... 24. 1.4. Métodos de Control.......................................................................................... 25. 1.4.1. Modo de Control por Voltaje ...................................................................... 25. 1.4.2. Modo de Control por Corriente .................................................................. 26. Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio ....................... 28 2.1. Diagrama en bloques ....................................................................................... 28. 2.2. Diseño de Rectificador de tención de red y filtro de entrada ............................ 29. 2.2.1. . Diodos del puente rectificador. ................................................................ 29. 2.2.2. Condensadores de filtrado......................................................................... 30. 2.3. Diseño de la fuente auxiliar con topología Flyback .......................................... 31.

(9) VI 2.3.1. Selección del transformador: ..................................................................... 31. 2.3.2. Diseño del circuito de control..................................................................... 40. 2.3.3. Selección de los elementos de potencia.................................................... 48. 2.3.4. Condensadores de salida .......................................................................... 50. 2.3.5. Red Snubber para proteger el mosfet durante el apagado........................ 51. 2.4. Diseño del circuito de excitación de los transistores de potencia..................... 53. 2.4.1. Controlador PWM TL494 ........................................................................... 55. 2.4.2. Elección del transformador para excitación de transistores de potencia. .. 60. 2.4.3. Driver para manejar el transformador ........................................................ 62. 2.5. Circuito de potencia. ........................................................................................ 62. 2.5.1. Calculo del transformador de potencia ...................................................... 62. 2.5.2. Transistores de potencia. .......................................................................... 66. 2.6. Rectificador y filtro de salida ............................................................................ 66. Capítulo 3 Simulación en el software MULTISIM© la fuente diseñada. ...................... 68 3.1. Rectificador de tensión de red y filtrado ........................................................... 68. 3.2. Fuente auxiliar.................................................................................................. 69. 3.3. Circuito de excitación y potencia...................................................................... 70. Conclusiones................................................................................................................. 75 Recomendaciones......................................................................................................... 76 Bibliografía .................................................................................................................... 77.

(10) Introducción Los equipos electrónicos, para su funcionamiento necesitan de una fuente de alimentación que convierta el voltaje de la red (AC) a un voltaje menor (DC), al cual operan los mismos, incluso aquellos que para su uso dependen de una batería necesitan ser recargados al menos una vez, esto se logra a través de un adaptador conectado a la red eléctrica u otro medio de suministro como paneles solares o acumuladores. El creciente desarrollo de la tecnología nos obliga a la construcción de equipos cada vez más complejos y de alto rendimiento, que conserven sin embargo un tamaño relativamente cómodo para cada entorno de trabajo, pero dado el amplio grado de integración que poseen los circuitos que componen los equipos, cada día se dificulta más la reparación de los mismos, para lograrlo es indispensable tener en el puesto de trabajo algunas herramientas indispensables. Una herramienta de uso universal que no ha de faltar en talleres de reparaciones y calibraciones es una fuente de alimentación variable. En cuanto se refiere a reparaciones de equipos electrónicos, en ocasiones es necesario probar partes de los circuitos con bajo voltaje para comprobar el correcto funcionamiento de los mismos, sin causar daños a otros bloques del equipo, no todos estos bloques utilizan los mismos voltajes de alimentación de ahí que la fuente a utilizar sea variable. En Cuba existen talleres de reparación y laboratorios que hacen uso de fuentes de alimentación variable, que por lo general son antiguas y pesadas, lo que hace difícil su manejo y en algunos casos su reparación. Con la implementación de los grupos electrógenos y a fin de sustituir importaciones al país se trata de resolver la mayor parte de las fallas y averías de los mismos. La empresa de Tecnología de la Información y Automática de Villa Clara. (ATI-VC), se encarga de la calibración y. reparación de gran parte de los instrumentos de los grupos, para facilitar las necesidades del cliente estas reparaciones se realizan en situ, motivo por el cual hay que trasladar patrones y fuentes al lugar de destino, tarea la cual se hace engorrosa debido a la antigüedad que posee los equipos, gran parte de los años 80, como las 1.

(11) Introducción. 2. fuentes variables, las cuales dada su antigüedad y uso diario, presentan problemas, razón por la que hay que estar pendiente de sus reparaciones y mantenimiento, para prolongar su vida útil. Luego de extensas gestiones para cambiar la instrumentación, debido a los problemas económicos y comerciales que presenta actualmente el país ha sido casi imposible lograr mejoría alguna, por lo que se decide realizar un diseño de una fuente variable más eficiente de bajo peso y altas prestaciones, como lo son las fuentes conmutadas Existen muchas variantes de fuentes variables lineales de laboratorio, generalmente requieren una salida variable desde cero a un valor máximo y pueden usarse en configuraciones de voltaje constante o corriente constante. Sin embargo cualquier modo que estas fuentes adquieran, siempre tienen tres cosas en común, son grandes, pesadas e ineficaces, ya que a bajos voltajes de salida, la cantidad de energía que tiene que disipar el elemento regulador será mayor, dado que trabaja en región activa reduciendo considerablemente la eficiencia de la fuente. El uso de un regulador conmutado (switching) eliminaría considerablemente las pérdidas de operación, aumentando la eficiencia y reduciendo el peso y tamaño, las fuentes conmutadas son mucho más versátiles que las lineales, siendo estas las líderes en el siglo actual, pero el mayor inconveniente que poseen las mismas es su engorroso diseño, y mayor cantidad de componentes con respecto a las lineales. Lo cual conduce al problema científico de esta investigación: ¿Cómo llevar a cabo el diseño de una fuente conmutada variable? El objetivo general de esta investigación es: diseñar una fuente conmutada variable para funciones de reparación y calibración en el taller de Soporte Técnico de ATI Villa Clara. Para poder alcanzar este objetivo general se debe completar una serie de objetivos específicos, que se resumen en los siguientes puntos: . Establecer el marco teórico alrededor del diseño de fuentes variables. . Definir arquitectura de la fuente. . Diseñar la fuente y seleccionar los componentes.

(12) Introducción . 3. Validar el diseño mediante simulación. El trabajo de diploma está estructurado de la siguiente forma: Una introducción donde se precisa el diseño teórico y metodológico, y tres capítulos: En el capítulo uno se trata los aspectos y antecedentes fundamentales para el desarrollo de las fuentes conmutadas, así como las topologías existentes de las mismas, ventajas y desventajas con respecto a las fuentes lineales convencionales. Se aborda el marco teórico con un enfoque dirigido a concebir el planteamiento de la hipótesis de la tesis sobre la base de una actualizada revisión bibliográfica. Se realiza una descripción del diseño planteado y finalmente se evalúan las variantes inherentes a la implementación del sistema. En el capítulo dos se realiza un análisis de los bloques que conforman la fuente a diseñar y se plantean las topologías utilizadas, realizando los cálculos pertinentes para el correcto desempeño de las mismas. En el capítulo tres se desarrollan las pruebas de funcionamiento a través del uso del software Multisim, verificando que el diseño realizado, cumpla los parámetros especificados en el segundo capítulo..

(13) Capítulo 1 Fuentes de Alimentación Conmutadas 1.1 Introducción En este capítulo se tratan los aspectos y antecedentes fundamentales para el desarrollo de las fuentes conmutadas, así como, las topologías existentes de las mismas,. ventajas. y. desventajas. con. respecto. a. las. fuentes. lineales. convencionales. Se realiza una descripción del diseño planteado y finalmente se evalúan las variantes inherentes a la implementación del sistema. Una fuente conmutada: es un dispositivo electrónico que transforma energía eléctrica mediante transistores en conmutación. Las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutándolos activamente a altas frecuencias (20-100 kilociclos típicamente) entre corte (abiertos) y saturación (cerrados) por lo que el transistor se comporta como un interruptor (Figura 1-1) [1]. La forma de onda cuadrada resultante es aplicada a transformadores con núcleo de ferrita para obtener uno o varios voltajes de salida de corriente alterna (CA) que luego. son. rectificados. (con. diodos. rápidos). y. filtrados. (inductores. y. condensadores) para obtener los voltajes de salida de corriente continua [2] Fuentes Lineales: la principal característica de estos dispositivos es el uso de un transformador de núcleo de hierro que trabaja a bajas frecuencias (50-60Hz), para convertir el voltaje de línea. de (120-240Vac) a un voltaje alterno de menor. amplitud, rectificándolo y filtrándolo, luego haciendo uso de un transistor como elemento regulador el cual trabaja en su región activa, por lo que el voltaje existente entre colector y emisor es alto, siendo estas fuentes de bajo rendimiento. (Figura 1-2) [3].. 4.

(14) Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas. 5. Figura 1-1Diagrama Estandar de una Fuente Conmutada. Figura 1-2: Diagrama Estandar de una Fuente Lineal. Las fuentes de alimentación que se utilizaron inicialmente, fueron las fuentes convencionales lineales [3], las cuales se caracterizan principalmente por el uso de un transformador de núcleo de hierro, el cual trabaja a baja frecuencia (50/60 Hz), siendo este el elemento generalmente más pesado y voluminoso. El elemento regulador es un transistor conectado entre la entrada y salida de la fuente, debido a que el transistor trabaja en su región activa las pérdidas en este elemento son considerables, disminuyendo de esta manera la eficiencia de la fuente. Debido a estas desventajas, se desarrollan las fuentes conmutadas [1], como la mejor alternativa para mejorar las prestaciones de una fuente de alimentación. Debido a que una fuente conmutada utiliza un transformador de alta frecuencia con núcleo de ferrita que opera desde 20 a100 KHz 3[4], el tamaño y peso de estos transformadores para una potencia igual o mayor que al de una fuente lineal, es mucho menor, pues como se verá posteriormente, que dentro de ciertos límites de frecuencia, el tamaño del transformador es inversamente proporcional a la frecuencia de operación..

(15) 6. Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas. Además de esta ventaja, las fuentes conmutadas la regulación se realiza por control de ancho de pulso (PWM) [5] utilizando elementos de conmutación (transistores, mosfets, IGBTs) , que trabajan en corte y saturación permitiéndole circular corriente por el devanado del transformador, de esta manera el consumo de potencia en estos dispositivos es mucho menor que el de una fuente lineal, incrementándose así la eficiencia Para poder apreciar mejor las diferencias entre las fuentes lineales y las fuentes conmutadas, se realiza a continuación una breve descripción: FUENTE LINEAL DESVENTAJAS Uso. de. un. transformador. VENTAJAS de. baja. .. frecuencia ( mayor peso y tamaño). Facilidad de diseño. Elemento regulador opera en región activa No. produce. interferencia. (altas perdidas). electromagnética en otros equipos. Eficiencia de 30% a 60 %. Circuito simple. FUENTE CONMUTADA ( SWITCHING) DESVENTAJAS. VENTAJAS. Genera interferencia electromagnética Usa transformador de alta frecuencia EMI. (menor tamaño y peso) Elemento conmutador opera en corte y saturación (bajas perdidas) Circuito de control complejo. Eficiencia 70% a 90%. Las fuentes conmutadas son utilizadas en la actualidad en una gran variedad de equipos eléctricos y electrónicos como: ordenadores personales[6],lámparas de encendido electrónico [7], televisores [8], variadores de velocidad, equipos de laboratorio, etc., esto se debe a la versatilidad y ventajas que representan su uso..

(16) Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas. 7. El uso de transformadores lineales en fuentes de alimentación cada día es menor debido a su peso y volumen, pero en ocasiones el uso de circuitos de regulación lineal como 78XX y 79XX [9], es común a la salida de fuentes conmutadas para hacer uso de un voltaje menor que el regulado por la fuente.. 1.2 Componentes asociados a una fuente de alimentación Los semiconductores han alcanzado un nivel de sofisticación a favor de su aplicabilidad en el desarrollo de las fuentes que utilizan técnicas de conmutación. Aun con este alto nivel de sofisticación los componentes semiconductores son todavía los elementos más frágiles dentro de una fuente de poder donde se hace uso de estas técnicas. La aplicación de los semiconductores ha tenido una gran aportación en la eficiencia de las fuentes de poder que utilizan en su funcionamiento técnicas de conmutación. Los elementos pasivos, no son mucho menos importantes dentro de una fuente de poder conmutada, ya que, a través de ellos se fijan características de operación y de respuesta que van ligados a los circuitos integrados de control y que sirven como elementos de referencia y censado para estos últimos. Así mismo como protección para los transistores de potencia.. 1.2.1 Semiconductores El término semiconductor revela por sí mismo una idea de sus características. El prefijo semi suele aplicarse a un rango de niveles situado a la mitad entre dos límites. El término conductor se aplica a cualquier material que soporte un flujo generoso de carga, cuando una fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a través de sus terminales. Un aislante es un material que ofrece un nivel muy bajo de conductividad bajo la presión de una fuente de voltaje Un semiconductor, por tanto, es un material que posee un nivel de conductividad sobre algún punto entre los extremos de un aislante y un conductor [10]..

(17) Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas. 8. Diodos: Los diodos semiconductores juegan un papel significativo en los circuitos electrónicos. Un diodo funciona como un interruptor, a fin de llevar a cabo varias funciones como la de interruptores en los rectificadores, de marcha libre en los reguladores conmutados, inversión de carga de capacitores y transferencia de energía entre componentes, aislamiento de voltaje, retroalimentación de la energía de la carga a la fuente de energía y recuperación de la energía atrapada [11]. Transistores de potencia: Los transistores de potencia tienen características controladas de activación y desactivación. Los transistores, que se utilizan como elementos conmutadores, se operan en la región de saturación, lo que da como resultado en una caída de voltaje bajo en estado activo. La velocidad de conmutación de los transistores es alta, por lo que se utilizan en forma amplia en convertidores de CA-CD y de CDCA, con diodos conectados en paralelo inverso para proporcionar un flujo de corriente bidireccional. Los transistores de potencia se pueden clasificar de manera general en cuatro categorías: 1.- Transistores de unión bipolar (BJT), 2.- Transistores semiconductores de metal oxido de efecto de campo (MOSFET), 3.- Transistores de inducción estática (SIT), 4.- Transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT). A fin de comprender las técnicas de conversión de potencia, los BJT o MOSFET, SIT o IGBT, se pueden tratar como interruptores ideales. Circuitos de control: Existen en el mercado una gran variedad de circuitos integrados que permiten la implementación de funciones de alto nivel dentro de una fuente de poder conmutada [12], [13]. La selección del mejor circuito integrado de control debe ser.

(18) Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas. 9. hecha después de que el ingeniero diseñador conoce los requerimientos funcionales que se esperan del sistema Primero para elegir un integrado PWM de control, se debe determinar la topología de la fuente que resulte más adecuada para las necesidades de la aplicación. Esto nos dará una idea de los requerimientos o tipo de control que se necesita, el cual puede ser o un single-ended o un doble-ended. Los controladores single-ended son los usados en las fuentes que requieren de un solo transistor de conmutación de potencia para implementar el diseño. Estos son usados en todas las topologías que no tienen aislamiento por transformador y en la topología de Flyback; estos integrados tienen solo un driver de salida. Los circuitos integrados PWM double-ended son esos que tienen dos controladores (drivers) de salida que podrían ser aplicados para las topologías Push-Pull, medio puente y puente completo. Estos circuitos integrados incluyen una característica adicional llamada double-pulse lockout, lo cual asegura que el mismo transistor de potencia no encienda consecutivamente, lo cual causaría saturación del transformador. Un segundo factor es cual tipo de transistor de potencia será usado dentro de la fuente. Algunos circuitos integrados PWM tienen transistores simples como sus Drivers de salida. Estos son más apropiados para manejar transistores de potencia bipolares. Casi siempre es necesario agregar Drivers externos para ayudar a proveer suficiente corriente a los transistores de potencia. 1.2.2 Elementos pasivos Los elementos pasivos, son aquellos, que al circular corriente producen una diferencia de potencial entre sus bornes y disipan potencia en forma de calor (consumen energía). También puede entenderse como todo aquel dispositivo que solo absorbe o libera energía, sin producir cambios en las características de la misma. [14] Resistores:.

(19) Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas. 10. En electricidad y electrónica existe la necesidad de materiales con valores específicos en el rango entre lo que es un conductor o un aislador. Estos materiales son llamados resistores. Los resistores pueden ser clasificados como fijos o variables, los resistores variables son conocidos como potenciómetros. Pueden ser clasificados también como lineales a no lineales, en un resistor lineal cuando el voltaje varia, la corriente también variara en un valor proporcional. En un resistor no lineal, el comportamiento es tal que si el voltaje varia el cambio de la corriente no es proporcional al cambio de voltaje y son utilizados en aplicaciones especiales. Los parámetros y términos que definen las características de los resistores fijos y variables son descritas por curvas típicas que muestran la variación en la resistencia con la temperatura. Capacitores: Los capacitores son los elementos pasivos más ampliamente utilizados en circuitos. Ellos están disponibles como elementos de valor fijo o variable con capacitancias desde unos pocos picofaradios hasta miles de microfaradios. Para obtener características únicas, una amplia variedad de materiales son usados para su construcción. Las aplicaciones de los capacitores pueden ser ampliamente categorizadas como: . Bloqueo de corriente directa. Un capacitor no puede conducir la corriente directa.. . Acoplamiento de señales de un circuito o un sistema a otro.. . Como Bypass de un resistor para permitir el flujo de la corriente alterna.. . Como filtro.. . Para sintonizado de frecuencias.. . Generación de ondas no sinusoidales, tal como una forma de onda de diente de sierra.. . Almacenamiento de energía, un capacitor se puede utilizar para almacenar suficiente carga para disparar, por ejemplo un flash o un láser.

(20) 11. Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas Inductores:. Los capacitores y los resistores están disponibles en una amplia variedad de tamaños y valores, es posible encontrar casi cualquier valor, tolerancia u otro parámetro, sin necesidad de hacer ordenes especiales. Las bobinas por otro lado, no pueden estar fácilmente disponibles, por lo que los técnicos tienen que fabricar sus propias bobinas, para obtener un valor de inductancia especifica. 1.2.3 Elementos magnéticos Un material magnético es cualquier tipo de sustancia que puede ser atraída por un magneto y son clasificados como duros o suaves. El material magnético duro mantiene su magnetismo aun después de que la fuente magnetizante ha sido removida, pero los materiales magnéticos suaves inmediatamente pierden su magnetismo, después de remover la fuente magnetizante. [15] Decir que un material magnético es suave, no significa que físicamente sea suave. Un material magnético puede ser físicamente, extremadamente duro y quebradizo y todavía ser magnéticamente muy suave. Los materiales magnéticos suaves, son usados como material del núcleo de bobinas y transformadores, para aplicaciones en radiofrecuencia y audiofrecuencia. De acuerdo con la técnica de fabricación o tipo de los materiales magnéticos, los núcleos pueden ser: a) Núcleos de hierro pulverizado. Estos tipos de núcleos están compuestos de finas partículas de polvo de hierro o aleaciones de hierro mezcladas. Los núcleos adquieren su forma final mediante presiones del orden de 10 a 50 toneladas por pulgadas cuadradas, y finalmente las partes son entonces unidas para poner el recubrimiento de tipo plástico. Los núcleos de hierro pulverizado están disponibles en una gran variedad de formas y tamaños con. diferentes. propiedades. magnéticas. para. reunir. diferentes. requerimientos. b) Núcleos de ferrita: Las ferritas también tienen sustancias magnéticas. Tienen hierro y acero mezclados con elementos aislantes en sus diferentes.

(21) Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas. 12. tipos de aleaciones. Hay muchos tipos de ferritas y la composición química exacta de cada diferente tipo depende de su aplicación. Las ferritas diseñadas para su uso en bajas frecuencias no pueden ser usadas en altas frecuencias y viceversa. c) Núcleos laminados: Los núcleos utilizados en transformadores y chokes que operan con potencia de la línea de alimentación y audiofrecuencia son hechas de hojas de lamina de acero de varios grados y espesores. 1.3 Tipos de Fuentes Conmutadas Las fuentes conmutadas adquieren su denominación a partir del conversor DC-DC que se utilizan para la obtención del voltaje de salida. Este bloque (Figura 1-3) es el encargado de que a partir de un voltaje de entrada DC obtener una o más salidas reguladas de voltaje DC. [16] Dentro de las fuentes conmutadas, pueden existir dos configuraciones básicas: . Sin aislamiento entre la entrada y salida de la fuente.. . Con aislamiento entre la entrada y salida de la fuente.. Figura 1-3: bloques que componen una fuente de alimentación conmutada.

(22) 13. Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas 1.3.1 Fuentes sin Aislamiento. Las fuentes sin aislamiento tienen una etapa de entrada compartiendo la misma referencia que su etapa de salida. La limitación de las fuentes sin aislamiento es, que no se pueden tener múltiples salidas, pues esta es única [4], las topologías en función al conversor DC-DC que emplean, son: Conversor reductor “Buck”: Un conversor reductor básico se muestra en la (Figura 1-4). Como su nombre lo indica el conversor reductor, establece una tensión de salida Vout menor que la tensión de entrada Vin. El conversor puede funcionar de dos modos, dependiendo de la continuidad de la corriente sobre el inductor L. Cuando la corriente es diferente de cero durante el período de conmutación el convertidor opera en modo de conducción continua (MCC). En cambio cuando la corriente del inductor es cero durante un intervalo de tiempo dentro del período de conmutación se está en presencia del modo de conducción discontinua (MCD) [17].. (a). (b). Figura 1-4: a) Topología Conversor Buck b) Formas de Onda. El voltaje de salida de estos conversores viene dado por la relación: =. Donde:. =. (. ∗. ). (1-1). (1-2).

(23) 14. Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas d= ciclo útil. t (on)=tiempo de conducción del transistor. T= periodo. Esta topología es capaz de alcanzar un rango de frecuencia entre 0-1000 Watts véase (Tabla 1-1) ,[18] a la salida, pero tiene la desventaja de que si el elemento conmutador se daña o pone en corto-circuito el voltaje en la salida será igual a Vin, causando resultados catastróficos en la carga. Conversor Elevador “Boost”: Un conversor elevador se muestra en la (Figura 1-5). Como su nombre lo indica el conversor elevador, establece una tensión de salida Vout superior a la tensión de entrada Vin y al igual que el conversor reductor, el conversor elevador puede funcionar en MCC y en MCD.. (a). (b). Figura 1-5: a) Topología Conversor Boost b) Formas de Onda. El voltaje de salida está dado por la relación: =. (1-3). 1−. Este convertido puede manejar un rango de potencia de 0-150 Watts véase (Tabla 1-1). Conversor Reductor – Elevador “Buck-Boost”: Este convertidor es un convertidor indirecto por que la transferencia de energía entre la fuente de entrada y la carga se hace a través de un elemento reactivo. La topología básica de este convertidor se muestra en la (Figura 1-6). Su característica permite obtener tensiones de salida mayores o menores que la.

(24) 15. Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas. tensión de entrada. Dependiendo del tiempo en que el transistor se mantenga en conducción, con respecto al periodo, es decir depende del ciclo útil (d), también denominado como relación de trabajo. (a). (b). Figura 1-6: a) Topología Conversor Buck-Boost. b) Formas de onda. El voltaje de salida Vout se obtiene mediante la siguiente expresión: =. ∗ 1−. (1-4). De esta ecuación se puede apreciar que: si (d) es mayor que 0.5 (50%), el voltaje de salida es mayor que el de la entrada, mientras que para el caso contrario el voltaje de salida es menor. Una cualidad relevante en este tipo de conversores representa la salida de polaridad opuesta al voltaje de entrada 1.3.2 Fuentes con Aislamiento Las fuentes conmutadas con aislamiento entre la etapa de entrada y salida, el aislamiento se consigue por medio de un transformador de alta frecuencia. Las ventajas de estas configuraciones son amplias, pues el aislamiento permite un trabajo totalmente independiente de las etapas de potencia y de control, se puede además disponer de múltiples salidas aisladas entre sí ( Figura 1-3) [19]. En los conversores con aislamiento se logra obtener el voltaje DC en la salida después de que esta sea rectificada y filtrada, debido a que la introducción del transformador provee un voltaje alterno en los terminales de salida del mismo por lo que la conversión nos queda DC-AC-DC, mientras que en los conversores sin aislamiento la conversión entre los niveles de voltaje DC se realiza directamente.

(25) 16. Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas. es decir tiene una conversión directa DC-DC. El siguiente diagrama en bloque muestra lo explicado con anterioridad.. (a). (b). Figura 1-7:a) Fuente sin aislamiento b) Fuente con aislamiento. ). En dependencia de la forma en que se utiliza el transformador, los conversores aislados se pueden ser clasificados 1.3.2.1 Topologías con excitación unidireccional Este tipo de conversores son conocidos también como conversores aislados asimétricos, por la forma en la cual existan al núcleo. Los conversores aislados con este tipo de excitación, son el resultado de ciertas variaciones en los conversores sin aislamiento [17] Conversor Flyback: Este es uno de los conversores con aislamiento más básicos, además por su misma condición requiere un menor número de componentes, se utiliza en fuentes de potencia inferior a 200W. La topología de un conversor Flyback, (no es más que una modificación de un conversor Buck-Boost), se puede apreciar en la (Figura 1-8). [20] El modo de funcionamiento de estos conversores se puede apreciar en dos etapas: a) cuando el transistor conduce b) cuando está en corte.

(26) Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas. Figura 1-8:a) Conversor Flyback b) Transistor en conducción (interruptor cerrado) en corte (interruptor abierto). 17. c) Transistor. Estado (a): En este estado como se puede observar en la figura 1-8(b), el voltaje en el devanado primario es igual al voltaje de la fuente: 1=. (1-5). La corriente en el devanado primario, que es igual a la corriente a través del transistor, empieza a crecer linealmente. El voltaje en el secundario, conforme a la convención de puntos en los transformadores, hace que el diodo D se encuentre polarizado en inversa pues un voltaje negativo esta aplicado al ánodo del diodo, lo cual, no permite paso de la corriente hacia la carga desde el bobinado del transformador. La energía requerida por la carga es suministrada por el capacitor C. El voltaje en el devanado primario, siempre será de polaridad opuesta al secundario, por la ubicación de los puntos en el transformador 2=−. (1-6). Donde: n= relación de espiras en el transformador Estado (b): Las condiciones en este intervalo de tiempo, se pueden apreciar Figura 1-8(c), durante el intervalo de ton<t<T, se induce un voltaje de polaridad opuesta en el primario del transformador, debido que, el campo magnético tiende a mantener el flujo de corriente constante. Se induce también, un voltaje de polaridad opuesta al primario, en el secundario, así:.

(27) 18. Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas V1 = −V2 = −nVo. (1-7). El diodo en estas condiciones esta polarizado en directa y permite el flujo de corriente desde el devanado secundario hacia la carga y a la vez realiza la carga del capacitor. Debido a que la energía almacenada en el primario, será transferida al secundario, la corriente que atraviesa la inductancia, se encierra en la rama de magnetización y empieza a decrecer desde su valor Iqmax. Si se toma en cuenta que el voltaje en el transformador debe ser alterno para evitar la saturación del núcleo, se puede relacionar el voltaje de entrada y salida: =. ∗ ∗ (1 − ). (1-8). Como se puede apreciar en la expresión de voltaje de salida, este depende de parámetros como la relación de transformación, también de la relación de trabajo tal como ocurre en un conversor sin aislamiento reductor elevador Buck-Boost. Mientras el transistor este en corte, este soporta un voltaje cuyo valor se puede determinar: =. ∗. +. (1-9). Expresando el voltaje Vq en función de la relación de trabajo (d) sustituyendo (1.8) en (1.9) se obtiene: =. (1-10). (1 − ). De la expresión (1.10) se puede apreciar una de las principales desventajas del uso de los convertidores Flyback, mientras mayor sea el valor de (d), el voltaje que debe soportar el transistor en el apagado puede llegar a ser excesivamente alto, por ello se usa generalmente para la mayoría de las aplicaciones un valor máximo de (d=0.5), haciendo que este voltaje sea el doble del voltaje de entrada. A continuación se enumeran las principales ventajas y desventajas de un conversor Flyback:.

(28) 19. Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas VENTAJAS Requiere. DESVENTAJAS. una mínima cantidad. elementos. de Rizado de voltaje alto en las salidas, por la carga del capacitor de salida durante ½ ciclo. Configuración. ideal. para. bajas El. elemento en conmutación. debe. potencias. soportar voltajes altos. Puede tener múltiples salidas. Con múltiples salidas se tiene mala regulación de voltaje de salida. Peso y volumen reducido. El transformador es manejado con corriente unidireccional, esto puede en determinado momento saturar el núcleo. Conversor Forward: Se obtiene de realizar algunas modificaciones del conversor no aislado Buck. La configuración de este conversor se aprecia en la Figura 1-9(a) [16]:. Figura 1-9: a) Conversor Forward (transformador en modelo ideal) b) Transistor en conducción (interruptor cerrado) c) Transistor en corte (interruptor abierto). Este conversor se utiliza para proveer potencias de hasta aproximadamente 500W y en configuraciones con dos transistores de hasta 1kW Estado (a): Transistor en conducción: durante el intervalo que se puede apreciar en la Figura 1-9(b), la corriente fluye libremente en el secundario, a través de D1 y la inductancia L, cargando al capacitor y alimentando a la carga. El diodo D2 esta.

(29) Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas. 20. polarizado en inversa. La corriente en la inductancia se incrementa linealmente almacenando energía que luego será transferida hacia la carga. Considerando el voltaje en la inductancia: = 2−. (1-11). Estado (b):Transistor en corte (figura 8(c)) en esta condición, el voltaje V1 cambia de polaridad, así también V2, quedando el diodo D1 polarizado en inversa, pero la corriente se encierra en el diodo D2, la inductancia y la carga, manteniendo la corriente a la carga independientemente de que no existe flujo de corriente desde el devanado secundario. El voltaje que se tiene en la inductancia es: =−. (1-12). Este voltaje negativo, hace que la corriente en el inductor (IL), empiece a decrecer linealmente. El voltaje de salida se puede hallar por la siguiente expresión: =. (1-13). De esta expresión se nota claramente la relación directa que existe entre el voltaje de salida y el de la entrada, además que son de la misma polaridad, al igual que ocurre con el conversor reductor Buck, con excepción, claro que esta, de la relación de transformación (n). Como se aprecia en la (Figura 1-9), en este conversor existe un tercer devanado, denominado bobinado desmagnetizador, que está conectado en serie con el diodo D3. El objetivo de este bobinado es transferir la energía de magnetización del núcleo hacia la fuente DC, evitando de esta manera el uso de elementos o redes de desmagnetización para disipar esta energía, además de incrementar la eficiencia del conversor. En la práctica el número de espiras del devanado desmagnetizador es el mismo que el del devanado primario y de conductor delgado, pues debe soportar solo la corriente de magnetización del núcleo durante el apagado. Un número igual de.

(30) 21. Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas. espiras entre estos bobinados, limita a tener relación de trabajo máxima de (d=0,5). 1.3.2.2 Topologías con excitación bidireccional Estos conversores son conocidos también con el nombre de conversores simétricos. Su funcionamiento está basado en el de los conversores inversores monofásicos. El hecho de que la excitación es bidireccional, hace que la corriente que pase por el transformador sea de tipo alterna, pues el funcionamiento del conversor hace que la corriente que proviene de la fuente DC sea positiva por un intervalo de tiempo y negativa en otro intervalo de tiempo igual. Este tipo de funcionamiento evita con gran facilidad la saturación del transformador.[4]. Conversor Push-Pull: El esquema de esta topología se puede apreciar en la Figura 1-10, donde los transistores. que. se. utilizan. en. estos. conversores,. son. conmutados. alternativamente, sin embargo, es un requisito indispensable, el proveer de un tiempo muerto (dead-time) entre el apagado de un transistor al encendido del otro, esto se realiza para evitar la conducción de los dos transistores a la vez, lo que causaría un corto-circuito en la fuente. Debido a que los transistores conmutan de manera alterna, el rizado de corriente de salida tiene una frecuencia del doble de la frecuencia de conmutación total..

(31) 22. Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas Figura 1-10: Topología de un conversor Push-Pull. Analizando las distintas etapas de funcionamiento durante un periodo completo de conmutación, se puede tener las siguientes condiciones: Q1 en conducción y Q2 En corte: El diodo D1 (diodo superior) conduce, mientras que D2 está polarizado inversamente, la corriente fluye hacia la carga de forma directa y la corriente en la inductancia IL se incrementa linealmente, al igual que ocurre en un conversor forward. El voltaje en la inductancia esta dado por la expresión: =. 1. (1-14). −. Tiempo muerto Q1 en corte y Q2 en corte: La corriente IL se divide en igual forma en los devanados del secundario: 1=. 2=. (1-15). 2. En este intervalo V2=0 quedando el voltaje en la inductancia como: igual a la expresión (1-12) del conversor forward.. =−. Q2 en conducción y Q1 en corte: D2 (diodo inferior) conduce, en tanto que D1 se polariza en inversa, a excepción de esta condición, se repite todo el comportamiento de la primera etapa. El voltaje de salida se puede calcular por la siguiente expresión: =2∗. (1-16). El valor de la relación de trabajo (d) es el mismo que el de la expresión (1-2) y debe ser siempre menor que 0.5 para evitar el funcionamiento simultaneo de los dos interruptores. La ventaja de esta configuración es que los transistores comparten la misma referencia, en cambio, la desventaja es que deben soportar dos veces el voltaje de entrada cuando están apagados y en la zona de tiempo muerto..

(32) 23. Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas Conversor Half-Bridge:. Su operación es similar a la del conversor Push-Pull, con la diferencia de que el transformador solo tiene en el secundario un tap central y no así en el primario. Los transistores soportan solo el voltaje de entrada cuando están apagados y la mitad de este durante la zona de tiempo muerto. Esto se debe a la presencia de los capacitores que dividen el voltaje de entrada a la mitad, como se muestra en la Figura 1-11(a). El uso de los diodos en inverso paralelo con los transistores, permiten el retorno de la energía de magnetización durante el apagado de los interruptores hacia los capacitores en la topología Push-Pull se deben de usar estos diodos. Se recomienda el uso de diodos ultra rápidos para esta funcionalidad.. Figura 1-11: a) Topología de conversor Half-Bridge. b) Topología de conversor Full-Bridge. El voltaje de salida se diferencia del conversor Push-Pull, en un factor de 2, porque el voltaje aplicado al devanado primario es la mitad del voltaje de entrada, por tanto se obtiene para un conversor Half-Bridge: =. (1-17).

(33) Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas. 24. La desventaja de esta configuración es el aislamiento de los transistores, las formas de ondas son las mismas de un conversor Push-Pull, con la diferencia antes indicada, del voltaje en los transistores.[4] Conversor Full-Bridge: Este conversor requiere un mayor número de elementos que el resto de los conversores antes mencionados, por lo que resulta complejo y caro. En la Figura 1-11(b) se tiene la topología de este conversor. Los transistores (Q1, Q2) y (Q3, Q4), son conmutados alternamente. Debido a que el voltaje Vi es aplicado al transformador, el voltaje de salida será igual que el de un conversor Push-Pull así como se tiene en la expresión (1-16) = 2∗. Las formas de onda son las mismas quelas del conversor Half-Bridge. Estos conversores se usan para potencias de salidas altas (Tabla 1-1) aunque a veces el uso de conversores en paralelo representa mejores resultados. 1.3.3 Comparación entre las diferentes topologías. La siguiente tabla muestra un resumen de lo mencionado anteriormente, de manera que se puedan escoger las topologías adecuadas para un buen diseño, en cuanto a la versatilidad de las mismas [17]..

(34) Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas. 25. Tabla 1-1: Comparación de las topologías de fuentes conmutadas. 1.4 Métodos de Control Existen varios métodos utilizados para el control de las fuentes conmutadas. Además, podemos encontrar variantes de estos, que adicionan características de protección. [21] Algunos métodos de control están mejor adaptados a determinadas topologías debido a razones de estabilidad o respuesta transitoria. Existen en el mercado tecnológico una serie de circuitos integrados, dedicados Para la realización de fuentes conmutadas, la mayoría de ellos tienen un costo reducido. Esta situación, indica el gran desarrollo y aplicación que tienen hoy en día las fuentes conmutadas. [5] 1.4.1 Modo de Control por Voltaje En el modo de control por voltaje, solamente la tensión de salida es monitoreada. Una tensión de error es calculada hallando la diferencia entre la tensión de salida actual y la tensión de salida deseada. Esta señal de error es luego introducida en un comparador que la compara con una rampa de tensión generada por la sección del oscilador interno del CI de control. De esta manera, el comparador genera una señal PWM que controlará los transistores (BJT, MOSFET o IGBT) que funcionan.

(35) Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas. 26. como llaves. Por lo tanto, el único parámetro de control es la tensión de salida, lo que genera un retardo inherente en el circuito de potencia. Este modo de control responde lentamente a las variaciones en la tensión de entrada. Una protección contra corto circuitos se puede implementar con este método de control ya sea por promedio de la corriente de salida o utilizando un método denominado pulso por pulso. En la protección por promedio de sobre corriente, la corriente de salida es monitoreada y si el umbral de corriente es superado, el ancho del pulso que maneja a los transistores es reducido. En la protección contra sobre corrientes por el método “pulso por pulso”, el pico de corriente que se produce en cada ciclo al momento de entrar en conducción el transistor es monitoreado. Si este pico excede los límites, el transistor es instantáneamente cortado. Este método ofrece mayor protección al transistor que el método anterior. Ver Figura 1-12 [22].. Figura 1-12: Modo de control por voltaje. 1.4.2 Modo de Control por Corriente Este método es utilizado comúnmente con los convertidores boost. En este método no solo se monitorea la tensión de salida sino también la corriente de salida. En este caso, la tensión de error es usada para controlar el pico de.

(36) Capítulo 1: Fuentes de Alimentación Conmutadas. 27. corriente que se produce en los elementos magnéticos una vez por ciclo, cuando el transistor pasa al estado de conducción. Este método de control tiene una respuesta rápida a las variaciones en la entrada, además de funcionar como una protección contra sobre corrientes. Este método de control no suele utilizarse en los convertidores forward donde las formas de onda de corriente tienen una pendiente menor que pueden crear oscilaciones no deseadas en el comparador. Figura 1-13 [23]. Figura 1-13: Modo de control por corriente.

(37) Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio 2.1 Diagrama en bloques El diagrama en bloque de la fuente se muestra en la Figura 2-1, donde se pueden observar las etapas que la conforman las cuales serán meticulosamente analizadas para poder así cumplir con los parámetros de diseño planteados,. Figura 2-1: Diagrama en bloques de la fuente a diseñar. A fin de cumplir con las prestaciones la fuente ha de ser capaz de trabajar tanto en 110Vac como en 220Vac y el voltaje a su salida debe de variar desde 1.2Vdc a 60Vdc con una corriente máxima de 5 A, más contar con una salida auxiliar de 5V/1 A y protección de corto-circuito por ambas salidas. El funcionamiento de la misma es sencillo, la tensión de red es rectificada y filtrada, para alimentar, la etapa de potencia y la fuente auxiliar con salidas de 12V y 5V, la salida de 12V se utiliza para alimentar el circuito de control PWM, los pulsos llegan a la etapa de potencia a través de un transformador que se encarga de mantener aislado el primario del secundario, la red de muestreo toma una 28.

(38) Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio. 29. muestra del voltaje de salida inyectándosela al PWM, para hacer posible variar el voltaje a la salida.. 2.2 Diseño de Rectificador de tención de red y filtro de entrada La estructura tipica de la etapa de entrada de una fuente conmutada esta representada en la Figura 2-2 [24], para asi obtener una señal rectificada desde la red de 110 o 220 Vac. Dicha estructura consiste en un esquema de puente completo de diodos convencionales capaces de soportar las exigencias vinculadas a la corriente efectiva que por ellos puede circular, y la tencion maxima inversa a la que quedaran sometidos, para operación en 110 Vac, el interruptor S se cierra, reconfigurando el circuito como doblador de tencion, de esta manera el voltaje en los capacitores sera aproximadamente igual que cuando el circuito trabaja en 220Vac.. Figura 2-2: circuito típico de rectificación puente completo. 2.2.1 . Diodos del puente rectificador. El puente rectificador a utilizar deberá de soportar un voltaje en polarización inversa sin entrar en avalancha, para calcular el voltaje de polarización inversa (Vd) se plantea la ecuación siguiente donde se puede apreciar que (Vd) es el doble del voltaje pico (Vp) [4]: =2∗. =. (2-1). ∗ √2. (2-2).

(39) Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio. 30. Calculando para el caso más crítico tenemos: = 2 ∗ 220 ∗ √2 = 622. La corriente que demanda la fuente se calcula en función de la potencia de entrada (Pin), la potencia de salida (Pout) y la eficiencia asumiendo la eficiencia del convertidor a utilizar Half-Bridge 72% y la potencia estimada a la salida de la fuente es 450W. = Despejando Iin:. ∗ 100 ɳ. =. 450 ∗ 100 = 625 72 =. ∗. =. =. 650 280. Siendo Vmin el valor mínimo de voltaje requerido. (2-3). (2-4). = 2.3. Una vez calculada la corriente y el voltaje de polarización inverso que han de soportar los diodos haciendo uso de una base de datos se puede elegir el puente adecuado. 2.2.2 Condensadores de filtrado Aunque el rizado de la tensión de la línea rectificada y filtrada de entrada al sistema Vp, va a ser fuertemente atenuado por el efecto del lazo de control [25], se debe de mantener la tensión de rizado lo suficientemente pequeño para asegurar que la tensión de entrada al sistema sea mayor o igual a la tensión de entrada mínima requerida (Vmin=Vp-10%) y (Vmax=Vp+10%), partiendo de estas condiciones se puede calcular el valor del capacitor a través de la siguiente fórmula: =. ∗. (2-5). ∗.

(40) Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio. 31. Donde T es el periodo, el cual es el inverso de la frecuencia pero al estar rectificada a onda completa la frecuencia es el doble por lo que la ecuación nos queda: =. 1 1 = 2 2 ∗ 60. = 8.3. (2-6). Vr es el voltaje de riso que para evitar un valor de capacitancia elevado se recomienda que Vr sea el 25% del voltaje mínimo rectificado [26]: = 0.25 ∗ 280 = 70. (2-7). Sustituyendo los valores calculados en la ecuación (2-5) nos queda: =. 8.3 ∗ 625 280 ∗ 70. = 264. Debido al elevado margen de tolerancia de estos condensadores y teniendo en cuenta que C1y C2 están en paralelo se escoge un condensador de 470uF a 200V. 2.3 Diseño de la fuente auxiliar con topología Flyback Para el desarrollo de una fuente conmutada de bajo consumo, y fácil diseño como lo son en general las fuentes auxiliares de alimentación, la topología más adecuada es la Flyback, debido a la poca cantidad de componentes que necesita y alta eficiencia [27] 2.3.1 Selección del transformador: El diseño del transformador puede especificar parámetros como: pérdidas, densidad de flujo máximo, potencia máxima de salida, para en función de estos, establecer el tipo de núcleo requerido. Sin embargo en nuestro medio encontrar un núcleo que se adapte a las condiciones especificas de diseño, no resulta nada fácil. Por ello, es más adecuado seleccionar un núcleo disponible, y analizar si posee los parámetros necesarios [28]. Con las consideraciones vistas anteriormente para una fuente tipo Flyback se utilizara un núcleo de ferrita tipo E cuyas dimensiones son:.

(41) Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio A=16mm. C=5mm. E=4mm. B=12mm. D=12mm. F=9.5mm. 32. Figura 2-3: dimensiones del núcleo E. Con estos datos se pueden calcular otros parámetros importantes del núcleo como:    . Ancho de la ventana BA= 1/2*(D-E) = ½ *(12-4)=4mm Alto de la ventana HA=2*F=2*9.5=19mm Área de la ventana Aw=BA*HA=4*19=76mm² Área de la sección transversal del núcleo Ae=C*E=4*5=20mm². Los bobinados del transformador serán dispuestos sobre un carrete cuyas dimensiones son:   . Ancho de la ventana del carrete =5mm Alto de la ventana del carrete = 12mm Área de la ventana del carrete = 60mm². Estos datos resultan importantes en la determinación del espacio disponible para la disposición de los enrollados del transformador. Sabiendo que un conversor con excitación unidireccional como es el caso del conversor Flyback, el valor de ∆B=½Bmax [18], por lo tanto el valor de densidad de flujo es igual a Bmax=2*∆B. Para efectos de cálculo en vista de no contar con este tipo de datos del núcleo, se puede asumir que la densidad máxima es igual a la de saturación, con lo que este parámetro estaría delimitado y para el diseño asumimos un valor de densidad de flujo [29]:.

(42) Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio. 33. ∆B= 0.2 Teslas. Frecuencia de operación La frecuencia de conmutación del sistema puede ser variable (la célula RCC la variación de la frecuencia depende del voltaje de entrada y la carga a la salida), por lo que la frecuencia de conmutación tiene cierto grado de libertad, el cual debe ser como mínimo 25kHz para minimizar el ruido audible. Al aumentar la frecuencia disminuirá el ruido en el transformador pero también cambiara el nivel de potencia a disipar en los dispositivos de poder. La mínima frecuencia de conmutación y el máximo valor del ciclo útil queda expresado como: Fs(min) = 50kHz dmax = 0.5. En este caso el mínimo voltaje de entrada es a 50Khz y 0.5, respectivamente. Diseño de los bobinados del transformador: Para empezar con el diseño de los bobinados, a continuación se resumen las condiciones de diseño: . Vdc= 140-175Vdc. . Vo= 5 Vdc. Io5=1 A. . Vo₂= 12 Vdc. Io12=1 A. . Va=20 Vdc. Ioa= 0.1 A.  . Potencia de salida = Pout= 5*1+12*1+20*0.1= 19W Rendimiento ɳ= 70% = 0.7. . dmax=50%=0.5. La potencia de entrada se puede determinar en base a la potencia de salida y el rendimiento, así se tiene que: Pin= Pout/ɳ = 19/0.7=27.14W. La potencia de entrada también puede ser definida como: Pin=Iin*Vin(min). (2-8).

(43) 34. Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio Entonces: Donde:. Iin=Pin/Vin (min) Pin: potencia de entrada Iin: corriente de entrada Vin(min): voltaje de entrada (DC) mínimo. El voltaje de entrada mínimo es de 140Vdc, donde se obtiene entonces el siguiente valor de corriente de entrada: Iin=27.14W/140=0.193 A El valor de Iin puede determinarse: Iin=½dmax*Ip(max) Donde: Ip(max)= corriente pico máxima Despejando Ip(max) de la ecuación anterior nos queda: Ip(max)=2*Iin/dmax=2*0.193/0.5=0.772 A El valor de la inductancia del primario (Lp) se puede hallar por la ecuación [19]: =. ( ∗. )Dmax 140 ∗ 0.5 = = 1.8 ( ) 50 ∗ 10³ ∗ 0.772. (2-9). Para reducir las características de interferencia electromagnética, se recomienda aumentar el valor de la inductancia del primario, por lo que, se considera un valor de Lp=2mH, como es conocido al aumentar el valor de la inductancia la corriente disminuye por lo que es necesario, volver a calcular Ip(max). Despejando de la formula (2-9)nos queda: 2(. )=. (. ∗. )Dmax. =. 140 ∗ 0.5 = 0.7 50 ∗ 10 ∗ 0.002. (2-10). Si se considera como modo de conducción de corriente continua (MCC) de la Figura 2-4 se puede apreciar que:.

(44) Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio (. 2− 1=. ) ∗ ton. 35. (2-11). Figura 2-4: Modo de conducción de corriente continua (MCC). Donde: 1=. −. (2-12). 2 = 0.772 − 0.7 = 0.072. Estos son los valores de corriente necesarios que se requiere manejar para las condiciones de funcionamiento específicas. Ahora resulta conveniente indagar, si el núcleo existente puede suplir tales condiciones, especialmente en cuanto la potencia de salida necesaria. Se puede determinar mediante el área-producto (Ap) del núcleo, a fin de disponer un dato aproximado de la potencia máxima que puede entregar un determinado núcleo, de la siguiente forma: =. ∗. =[. ∗∆ ∗. ]. /. (2-13).

(45) 36. Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio. = 76. Donde:. ∗ 20 =[. = [0.1520]. ] /. /. = 0.1520 ∗. ∗∆ ∗. (2-14). ∗ 0.014 ∗ 0.2 ∗ 50 ∗ 10 = 34. El valor de k es una constante igual a 0.014 para los conversores con excitación unidireccional[20]. El área producto representa el valor mínimo que se requiere del producto de las áreas de la ventana del núcleo Aw y el área efectiva del núcleo Ae. Como se puede observar, de los resultados obtenidos de la ecuación (2-14), la potencia que debe manejar el núcleo es menor que la potencia que puede entregar el mismo por lo que puede ser cubierta con gran facilidad bajo las condiciones de funcionamiento establecidas. Por lo que se puede continuar con el diseño de los bobinados. El número de espiras del bobinado primario se puede determinar mediante la siguiente expresión[19]: =. ∗ ( 2 − 1) ∗∆. (2-15). Donde: Np=numero de espiras del primario Amin= Área efectiva mínima del núcleo. El área efectiva del núcleo Ae=20. , por lo tanto se puede utilizar un valor. menor a este, para ser remplazado en la ecuación, de esta manera se toma un valor de Amin=15 tiene:. . Evaluando los valores correspondientes en la expresión se.

(46) 37. Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio. =. 2 ∗ 10 ∗ (0.7 − 0.072) = 400 15 ∗ 10 ∗ 0.2. De la Figura 2-5, la energía almacenada en la inductancia primaria, debe ser descargada totalmente, por lo que el área de carga A debe de ser igual al área de descarga, teniendo de esta manera[4]: (. )∗ (. )=( ∗. )∗ (. ). (2-16). Figura 2-5: tiempos de conducción. Como la relación de trabajo máxima, para el voltaje de entrada mínimo es igual a 0.5, el tiempo de conducción t(on), es igual al de apagado t(off), con lo que la relación de voltajes entre el primario y el secundario es: (. =. )/. (2-17). Considerando una caída de voltaje de 0.7 voltios en el diodo D de la figura 15, el voltaje en el secundario seria Vsec=Vout + 0.7, así se tiene que para el secundario de 5Vdc la relación de voltajes seria[30]: =. 140 = 25 5 + 0.7. Ahora (n) también es igual a la relación de espiras entre primario y secundario: =. =. (2-18). Despejando de la ecuación(2-18)se tiene que el número de espiras en el devanado de 5Vdc es: =. 400 = 16 25. El numero de espiras de las otras salidas, pueden ser determinados mediante las relaciones de voltaje existentes entre los secundarios:.

(47) Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio. (2-19). = ∗. =. =. 38. 12.7 ∗ 16 = 22.28 = 36 5.7. De igual manera se puede calcular el enrollado auxiliar (Va) de 20Vdc: = 56. Calibre del conductor: Para dimensionar el calibre del conductor a utilizar en el devanado primario, se debe encontrar la corriente RMS [30] que circula por este, quedando la expresión: (2-20) (. Sustituyendo los valores: (. )=. )=. ( 2 +. 2∗ 1+ 1 ). (0.7 + 0.7 ∗ 0.072 + 0.072 ). 3 0.5 = 0.3 3. Utilizando un conductor con una densidad de corriente de Aj= 450 A/cm², se puede encontrar el calibre del conductor, como función del diámetro del mismo (ø). ø=. 4∗. ∗. =. 4 ∗ 0.3 = 0.03 450 ∗. (2-21) ². Mediante la Tabla 2-1, se elige el conductor cuyo diámetro sea lo más cercano posible al diámetro encontrado, para este caso, se puede elegir conductor de cobre # 30 AWG, de modo que el conductor pueda conducir una cantidad de corriente cercana a la calculada sin la necesidad de emplear un conductor de capacidad excesiva. Para los bobinados secundarios se puede asumir la corriente de salida, como la corriente DC que requiere cada enrollado, con lo que tomamos en cuenta la.

(48) Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio. 39. capacidad de corriente de los conductores como se puede encontrar en la Tabla 2-1se tiene: Ns5 y Ns12= conductor # 23 AWG Na20= conductor# 30 AWG. Una vez definido los calibres del conductor a utilizar, así como el número de espiras que tiene que ser dispuestas, hay que tomar en cuenta, si el espacio disponible en el carrete sobre el cual se construirá loa bobinados, es suficiente como para que la ventana del núcleo pueda contener, tanto al carrete como a los bobinados. Tomando los datos del carrete, se tiene que, el área de la ventana del carrete es de 60mm² En la Tabla 2-1, se tienen los datos del área que ocupa cada conductor.asi que de los conductores empleados se tiene: Conductor. Área del Cobre con Aislamiento. Conductor # 30 AWG. 0.000704 cm². Conductor # 23 AWG. 0.003221 cm². El área total (At) ocupada por los bobinados se puede obtener multiplicando el área de cada conductor por el número de espiras: AtNp = 400 ∗ 0.000704 cm² = 0.281cm². AtNs5 = 16 ∗ 0.003221 cm² = 0.0515cm². AtNs12 = 35 ∗ 0.003221 cm² = 0.1127cm². AtNa20 = 56 ∗ 0.000704 cm² = 0.0394cm². De tal forma que el espacio total ocupado por los conductores es la suma de los valores calculados con anterioridad: At = 0.281cm² + 0.0515cm² + 0.1127cm² + 0.0394cm² = 0.4846cm² = 48.46mm². Como el espacio disponible en el carrete es de 60mm², se puede armar el transformador con total seguridad de que los conductores a ser bobinados alcanzan con holgura en el núcleo a utilizar.

(49) Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio. 40. Tabla 2-1: Tabla de conductores. 2.3.2 Diseño del circuito de control. Para el desarrollo del presente trabajo, se ha considerado la utilización de un circuito integrado, controlador de fuentes de alimentación en modo de conmutación UC3844 [31], especialmente diseñado para conversores off-line como es el caso de un conversor Flyback y conversores DC-DC sin aislamiento, con la necesidad de un mínimo de componentes externos..

(50) Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio. 41. Este circuito integrado (Cl), puede ser utilizado en modo de control de corriente, que tiene algunas ventajas sobre el modo de control de modulación de ancho de pulso PWM, en donde una señal diente de sierra, se compara con un voltaje de error establecido, para obtener los pulsos de salida. La variación de éste voltaje hará que el ancho de los pulsos se modifique. El voltaje de error, se obtiene de la diferencia entre un voltaje de referencia dado, menos el voltaje de la señal de salida. En el modo de control de corriente, además de la utilización del voltaje de error, se toma una muestra de la corriente que atraviesa por el bobinado primario del transformador, que al ser una corriente que crece linealmente, esta señal sería la señal diente de sierra empleada en un PWM. Al ser medida la corriente del inductor, por lo general, mediante una resistencia, en serie con la inductancia, la corriente puede ser limitada con mucha facilidad.. Figura 2-6: Circuito típico de fuente Flyback con UC3844.

(51) Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio. 42. Voltaje de alimentación del UC3844: El voltaje mínimo que requiere el UC3844 [31] para su encendido, es de 16V, mientras no se alcance este voltaje, la corriente que circula por el circuito es menor que 1mA. Una vez que el voltaje es igual o superior a 16V, sólo entonces, el circuito se enciende y empieza a generar los pulsos de salida. Bajo condiciones de normal operación, el Cl consume aproximadamente 17mA, ventaja notable del circuito, que representa bajo consumo de potencia. Una vez encendido, el voltaje de polarización puede disminuir hasta un mínimo de 10V, Este rango de 6V, evita el apagado del circuito, por posibles oscilaciones en el voltaje de polarización. El voltaje de polarización se obtiene mediante la carga del capacitor C1 de la Figura 2-7. A través de la resistencia R1, el capacitor es cargado hasta cuando alcanza un voltaje de 16V, momento en el cual el UC3844 empieza a generar los pulsos aplicados al transistor, haciendo que, en las salidas o secundarios del transformador, se obtenga el voltaje deseado. Como ya se mencionó en el diseño del transformador, se dispone de un devanado auxiliar, desde el. cual se produce un voltaje de 20Vdc, el mismo que bajo. condiciones de operación normal, es el que entrega la corriente necesaria y el voltaje al circuito. Las elección del voltaje de salida del devanado auxiliar permite tener un intervalo desde 20Vdc, hasta los 10Vdc, que es el voltaje mínimo de polarización del UC3844, una vez que está encendido. Teniendo de esta manera, un rango mucho más amplio en el voltaje de polarización, que evitará el apagado del Cl en el caso de existir un bajo voltaje de entrada, que hiciera descender el voltaje de polarización hasta niveles que no permitan el correcto funcionamiento del circuito..

(52) Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio. 43. Figura 2-7 Red RC, para el encendido del UC3844. La máxima resistencia de encendido R1,está dada por: 1. =. √2 ∗. (. _. )−. ℎ. (2-22). De los datos del fabricante tenemos, Vth=17.5V; Icc_on<1mA. Si consideramos Icc_on=1mA y sustituyendo los valores: 1. =. √2 ∗ 98 − 17.5 = 121 Ω 1. Buscando un valor de resistencia comercial se puede elegir R1=120KΩ La potencia máxima disipada en la resistencia de encendido, según el fabricante del Cl, debe ser menor que 350mW. Sin embargo de esta recomendación, una vez que el circuito está encendido, sobre R1 existe un voltaje dado por: 1=. (. )−. (2-23). Ya que el voltaje del devanado auxiliar es de 20 V, entonces Vcc=20V, y Vin(max)=175V despejando en la ecuación nos queda 1 = 175 − 20 = 155. Entonces la potencia disipada por R1tiene un valor de: 1=. 155 = 0.2 120 Ω. Por lo que se puede seleccionar una R1 de 1W de potencia. (2-24).

(53) 44. Capítulo 2 Diseño de la Fuente Conmutada Variable para laboratorio. El valor de C1, determinará el tiempo de encendido, debiendo procurarse que éste sea el suficiente, para permitir el encendido del circuito. Considerando un tiempo de encendido de 0.5 segundos, se tiene en función del tiempo máximo de encendido, la expresión para determinar el valor de C1 [32]: (. 1= 1=. (3 ∗. )= (. 2∗ ℎ∗ 1∗ 1 ( )− ℎ−. (3 ∗ )−. ℎ− ∗ 1) ∗ 2∗ ℎ∗ 1. (2-25) ∗ 1) _. (3 ∗ 140 − 17.5 − 1 ∗ 120 Ω) ∗ 0.5 = 33.6 2 ∗ 17.5 ∗ 120 Ω. Seleccionando un valor comercial C1=33uF. El diodo D1 hace que la corriente de carga sea exclusivamente dirigida hacia el capacitor C1 y el Cl, evitando de esta forma la necesidad de una corriente mayor a la requerida en el encendido. En vista de que este diodo funciona solamente para hacer a la corriente Icc unidireccional, se puede utilizar un diodo de propósito general y por disponibilidad: 1 = 1 4007. (2-26). El capacitor C11 está dispuesto con el objetivo de filtrar la señal de salida del bobinado auxiliar que es rectificada mediante el diodo D4 reduciendo de esta manera el rizado a la salida efectiva de la fuente de 20V, los valores de C11 y D4 serán provistos más adelante cuando se trate el tema de rectificación y filtrado. Frecuencia de operación: El UC3844 es programado mediante una red RC externa, para fijar la frecuencia de los pulsos de salida..