REGULADOR DE TENSION CONMUTADO (FUENTE SWITCHING)

REGULADOR DE TENSION

CONMUTADO

(FUENTE SWITCHING)

Cátedra de Dispositivos Electrónicos

Departamento de Electricidad, Electrónica y Computación (DEEC)

FACET - UNT

Fuente de tensión continua regulada

+ _ V_L I_L V I_L V V_ripp



R_S + _ V_L V_Lripp REGULADOR REGULADOR Disminuir Rs Disminuir V_ripp Estabilizar V_L

REGULADOR LINEAL SERIE

(PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO)

Para que V_L = cte.

V V_ripp



R_{S R} R_L V_L I_L Fuente No regulada Controlador

Esquema Fuente Regulada Lineal

TRAFO V_i AC RECTIFICADOR + FILTRO AC REGULADOR LINEAL CC PROTECCION VL CC CC -+ R2 R₁ V_ref Vo Vi+Viripp R_i

REGULADOR CONMUTADO

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Vo

𝑉

_𝑚𝑒𝑑

=

1

𝑇

₀ 𝑇

𝑣

₀

𝑡 𝑑𝑡

𝑉

_𝑚𝑒𝑑

=

1

𝑇

₀ 𝑡_𝑜𝑛

𝑉

₀

𝑑𝑡

𝑉

_𝑚𝑒𝑑

=

1

𝑇

𝑉

0

𝑡

𝑜𝑛

Vo 𝑇 = 𝑡_𝑜𝑛 + 𝑡_𝑜𝑓𝑓 = 1 𝑓 𝑉_𝑚𝑒𝑑 = 𝑉₀ 𝑡𝑜𝑛 𝑡_𝑜𝑛 + 𝑡_𝑜𝑓𝑓 D = 𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝐷 = 𝑡𝑜𝑛 𝑡_𝑜𝑛 + 𝑡_𝑜𝑓𝑓

𝑉

_𝑚𝑒𝑑

= 𝑉

₀

𝐷

𝑉

_𝑚𝑒𝑑

= 𝑉

₀

𝑡

_𝑜𝑛

f

Si R << R

₀

V

₀

≈ V

_CC

𝑉

_𝑚𝑒𝑑

= 𝑉

_𝐶𝐶

𝑡

_𝑜𝑛

f = 𝑉

_𝐶𝐶

𝐷

𝑉

_𝑚𝑒𝑑

=

1

𝑇

𝑉

0

𝑡

𝑜𝑛

FUENTE REGULADA SWITCHING

RECTIFICADOR + FILTRO V_i AC CONVERTIDOR CC/AC CC TRAFO+RECTIFICADOR + FILTRO SALIDA AC PROTECCION VL CC CC CONTROLADOR AC CC

• Vi normalmente red de distribución 220 V → 50Hz

• Convertidor CC/AC → entrega una tensión de frecuencia ≥ 20 KHz

• A frecuencia elevada el filtro de salida utiliza componentes de menor valor y se utiliza una configuración L – C

• Se puede además utilizar transformadores de menor peso y volumen

• El CONTROLADOR puede variar alguna característica de la tensión alterna de alta frecuencia para compensar las variaciones de la tensión de salida V_L

ESQUEMA GENERAL DE UNA FUENTE CONMUTADA

- La tensión de entrada V_i se rectifica y se filtra directamente

de la red

- La tensión continua obtenida se convierte en alterna de alta

frecuencia - Mediante un circuito de control se varia alguna característica de la tensión alterna de alta frecuencia para compensar las variaciones de la tensión de salida V_L - La tensión alterna de alta

frecuencia permite reducir el tamaño del

transformador y del filtro de salida RECTIFICADOR Y FILTRO REF PWM OSC Pulsante (continua + ripple) Alta frecuencia (cuadrada) CONTROLADOR RECTIFICADOR Y FILTRO DE SALIDA

Convertidores de Energía

Entrada

Salida

Alterna Continua Continua Alterna Alterna Alterna Continua Continua C O N V E R T I D O R Salida Entrada

FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS

(SWITCHING)

•

También llamadas Fuentes Switching.

•

Se distinguen con ese nombre a los convertidores de

Corriente alterna (AC) a corriente continua (DC) o los

convertidores

DC/DC,

cuyo

principio

de

funcionamiento se basa en la conmutación de una

llave mas que en un circuito lineal.

•

Las fuentes conmutadas fueron desarrolladas como

consecuencia de los problemas de

disipación

térmica, peso y volumen de los reguladores lineales

.

•

Hoy en día son de uso común en aplicaciones

Circuitos Inversores

BUCK (V₀ < V)

BOOST (V₀ > V)

V₀

Circuito propuesto (Reductor BUCK)

Vo

Inversor Buck con el interruptor cerrado

𝑉 = 𝑉

_𝐿

+ 𝑉

₀

_{𝑉 = 𝐿}

𝑑𝑖

𝐿

𝑑𝑡

+ 𝑉

0

𝑑𝑖

_𝐿

𝑑𝑡

=

𝑉 − 𝑉

₀

𝐿

=

𝛥𝐼

_𝐿

𝑡

_𝑜𝑛

∆𝐼

_𝐿

=

𝑉 − 𝑉

0

𝐿

𝑡

𝑜𝑛

Inversor Buck con el interruptor abierto

𝑉

₀

= −𝑉

_𝐿

= −𝐿

𝑑𝑖

𝐿

𝑑𝑡

𝑑𝑖

_𝐿

𝑑𝑡

= −

𝑉

₀

𝐿

=

𝛥𝐼

_𝐿

𝑡

_𝑜𝑓𝑓

La disminución de

corriente será:

𝛥𝐼

_𝐿

= −

𝑉

0

𝐿

𝑡

𝑜𝑓𝑓

Tensión continua de salida del convertidor Buck

Energía almacenada en el inductor

Energía almacenada

durante t

_on

Energía entregada

durante t

_off

Tensión continua

de salida

𝑉 − 𝑉

₀

𝐿

𝑡

𝑜𝑛

=

𝑉

₀

𝐿

𝑡

𝑜𝑓𝑓 𝑉 − 𝑉0 𝑡𝑜𝑛 = 𝑉0𝑡𝑜𝑓𝑓 𝑉 = 𝑉₀ + 𝑉₀ 𝑡_𝑜𝑓𝑓 𝑡_𝑜𝑛 𝑉 = 𝑉₀ 1 + 𝑡𝑜𝑓𝑓 𝑡_𝑜𝑛 𝑉 = 𝑉0 𝑡_𝑜𝑛 + 𝑡_𝑜𝑓𝑓 𝑡_𝑜𝑛 𝑉 = 𝑉₀ 𝐷

El ripple de la tensión de salida es la tensión en el capacitor

consecuencia de Δ

i

L:

Tensión de ripple de salida

La tensión de salida tiene una componente de alterna, producto de la corriente variacional ΔiL (zumbido de corriente en el inductor) que circula por el capacitor

suponiendo (Xc<<RL).

i

_L

t = −i

_C

t

ΔI

_L

v

_C t_on T 0

I

_C t_off V_CP(-) V_CP(+) 𝑖2_𝐶 𝑡 = − ∆𝐼𝐿 𝑡_𝑜𝑓𝑓 𝑡 + ∆𝐼_𝐿 2 𝑖1_𝐶 𝑡 = ∆𝐼𝐿 𝑡_𝑜𝑛𝑡 − ∆𝐼_𝐿 2 𝑣_𝐶 𝑡 = 1 C 𝑖𝐶 𝑡 dt 𝑉_{𝐶𝑃 −} = 𝑣1_𝐶 𝑡 𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑡 = 𝑡𝑜𝑛 2 𝑉𝐶𝑃 + = 𝑣2𝐶 𝑡 𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑡 = 𝑡𝑜𝑛 + 𝑡_𝑜𝑓𝑓 2 𝑡_𝑜𝑛 = 𝐷𝑇 𝑡_𝑜𝑓𝑓 = 1 − 𝐷 𝑇

𝑉

_{𝑐𝑝 −}

=

1

𝐶

𝑖

1𝑐

𝑡 𝑑𝑡

𝑡 =

𝑡

_𝑜𝑛

2

𝑉𝑐𝑝 − = 1 𝑐 ∆𝐼_𝐿 𝐷𝑇𝑡 − ∆𝐼_𝐿 2 𝑑𝑡 𝑡 = 𝐷𝑇 2

𝑉

_{𝑐𝑝 −}

=

1

𝐶

∆𝐼

_𝐿

8

𝐷𝑇

𝑉

_{𝑐𝑝 +}

=

1

𝐶

𝑖

2𝑐

𝑡 𝑑𝑡

𝑉𝑐𝑝 + = 1 𝑐 − ∆𝐼_𝐿 1 − 𝐷 𝑇𝑡 + ∆𝐼_𝐿 2 𝑑𝑡 𝑡 = 1 − 𝐷 𝑇 2

𝑉

_{𝑐𝑝 +}

=

1

𝐶

∆𝐼

_𝐿

8

1 − 𝐷 𝑇

V

_pp

= V

_cp(+)

+ V

_cp(−)

V

_pp

=

1

𝐶

∆𝐼

_𝐿

8

𝑇

V

_pp

= V

_cp(+)

+ V

_cp(−)

V

_pp

=

1

𝐶

∆𝐼

_𝐿

8

𝑇

V

_cp(−)

=

1

C

∆I

_L

8

D. T

V

cp(+)

=

1

C

∆I

_L

8

1 − D T

t_on T 0 ΔI_L 𝐕_𝐩𝐩

Circuito de Prueba (Simulador)

Filtro Fuente SW 𝐷 = 0.5 𝑇 = 20 𝜇𝑠 ∆𝐼_𝐿 = 𝑉1 − 𝑉0 𝐿 𝑡𝑜𝑛 𝑡_𝑜𝑛 = 10𝜇𝑠 𝑉₁ = 20𝑉 𝑉₀ = 10𝑉 ∆𝐼_𝐿 = 20 − 10 300 10−6 10 × 10 −6

_∆𝐼

𝐿

=

1

3

𝐴 (333 𝑚𝐴)

V_pp = 1 𝐶 ∆𝐼_𝐿 8 𝑇 Vpp = 1 20 × 10−6 1 3 8 20 × 10 −6

_𝑉

𝑝𝑝

=

1

24

𝑉 (42 𝑚𝑉)

V I_cc I_L I_c I_D V_o Gen. Rampa Comparador + -+ R2 R₁ V_ref Amp. Error

Esquema de la Fuente Regulada con el

circuito de Control

PWM Modulador de ancho de Pulso

Generador Diente de Sierra Verror V_OUT Verror V_OUT Verror Verror V_OUT

VCONT VCONT VERROR V1 t t

PWM

Simulación Modulador Ancho de Pulso

(PWM)

Simulación Fuente SWITCHING

ESQUEMA GENERAL DE UNA FUENTE

CONMUTADA:

Comparador V I_L I_c I_D V_o + -+ R2 R₁ V_ref Gen. Rampa Amp. Error R₃ R₄

D1 D2 D3 + -+ R₂ R₁ Lo C_o Rectific. Puente n₁ n₃ n₂ R₀ Vcc Ip Io V₁ V₂ V₀ V_ref Gen. Rampa Amp. Error Comparador

ESQUEMA GENERAL DE UNA FUENTE CONMUTADA

TIPO DIRECTA (Forward)

TL494

Circuito de control por PWM

•

El TL494 incorpora en un solo chip todas las

funciones requeridas para la construcción de

un circuito de control por modulación de

ancho de pulso (PWM)

•

Diseñado principalmente para el control de

fuentes de alimentación.

Características

•

Frecuencia fija (R

T

y C

T

).

•

_{Dos amplificadores de error.}

•

Oscilador de frecuencia ajustable

•

_{Comparador para el control de tiempo muerto (DTC).}

•

Flip flop D para el control de los transistores de salida.

•

Dos transistores de salida.

•

Rango de temperatura: 0 a 70°C (TL494C) o

-15 a 85°C (TL494I)

PRINCIPIO DE OPERACIÓN

La modulación de los pulsos de salida se logra

mediante la comparación de una forma de onda

diente de sierra (creada internamente por el CI)

con las señales de control: DTC y la salida de los

amplificadores de error.

La etapa de salida se habilita durante el tiempo

en el cual el voltaje de la diente de sierra es