Ejercicio Feedback N1. Unidad 3

INTRODUCCIN

Una fuente conmutada es un dispositivo electrnico que transforma la energa elctrica de un nivel a otro mediante la conmutacin de dispositivos de estado slido que operan como interruptores: completamente apagados o completamente encendidos.

Aunque en general suelen ser circuitos relativamente complejos, se pueden diferenciar 4 bloques constructivos bsicos:

Bloque del rectificador y filtro de entrada; donde se convierte la CA en CCBloque inversor; donde la CC se convierte en una onda cuadrada de alta frecuencia que es aplicada a una bobina o a un transformador.Bloque del rectificador y filtro de salida; donde se rectifica y filtra la salida de alta frecuencia (10 a 200kHz) y se obtiene CC puraBloque controlador; donde mediante un oscilador de frecuencia fija, un comparador de tensin y un PWM se controla la oscilacin del segundo bloque usando una tensin de referencia.

Un esquema bsico de fuente conmutada podra ser el siguiente:

El segundo bloque es la parte fundamental de la fuente, y puede tener distintas configuraciones bsicas. En nuestro caso, al ser tipo convertidor directo, el segundo bloque tendr configuracin BUCK; donde el circuito interrumpe la alimentacin y provee una onda cuadrada de ancho de pulso variable a unsimple filtro LC. La tensin aproximada es Vout = Vin * ciclo de trabajo y la regulacin se ejecuta mediante la simple variacin del ciclo de trabajo.

FUENTE CONMUTADA TIPO CONVERTIDOR DIRECTO

Las fuentes tipo convertidor directo, son fuentes con aislamiento elctrico entre la entrada y la salida; proporcionado por un trasformador de alta frecuencia, que utiliza una excitacin unidireccional en su ncleo.

El objetivo principal de la fuente es rectificar la corriente de entrada CA y darle una salida CC/CC regulada para dicha carga. Como todas las fuentes, est dividida en bloques donde cada uno de estos cumple una funcin.

A continuacin profundizaremos en cada uno de los bloques centrndonos en los 3 que solicita el ejercicio:

Filtro de entrada

El filtro de entrada tiene por funcin proteger la fuente y sus circuitos de posibles transitorios u otras seales interferentes provenientes de la red, as mismo el filtro debe bloquear la insercin en la red de seales de alta frecuencia generadas por la propia fuente (EMI conducido).

Desde el punto de vista de eficiencia energtica, este filtro debe tener la menor perdida de potencia posible; siempre teniendo en cuenta la posibilidad de oscilaciones en presencia de estos filtros de perdidas bajas.

Un criterio til de diseo requiereque la frecuencia resonante del filtro de entrada sea una dcada ms baja que la frecuencia resonante del filtro de salida a fin de evitar la interaccin entre las dos.

Por lo general estos los filtros suelen basarse en sencillos circuitos inductivos que trabajan junto a capacitores que se colocan en paralelo con la lnea de alimentacin. Se deben seleccionar un capacitador lo ms grande posible y adems incluir elementos amortiguadores adicionales.

Puente rectificador

El puente rectificador convierte la onda alterna de entrada en una seal positiva pulsante, que viene a ser el primer paso para obtener una seal continua a partir de una alterna.

Si se considera un circuito idealizado con Ls = 0, se puede observar fcilmente el funcionamiento de los diodos. Este circuito consiste en dos grupos de diodos: el grupo superior con los diodos 1 y 3, y el grupo inferior con los diodos 2 y 4.

En el grupo superior, los ctodos de los diodos tienen un potencial comn, por lo tanto, el diodo con su nodo en el potencial ms alto conducir id. En el grupo inferior, los nodos de los dos diodos tienen un potencial comn. Por lo tanto, el diodo con su ctodo en el potencial ms bajo conducir id.

Es decir, cuando vs es positivo, los diodos 1 y 2 conducirn id, y los diodos 3y 4 aparecern con una polarizacin inversa. Cuando vs se convierte en negativo, la corriente id cambia (conmuta) en forma instantnea a los diodos 3 y 4, pues Ls = 0, y los diodos 1 y 2 aparecern con una polarizacin inversa.

Cabe mencionar que el comportamiento de los rectificadores en los convertidores reales no es idealizado, y por lo tanto, la conmutacin de los diodos y las formas de onda estar sujeta al valor de Ls.

Por ltimo, indicar que en muchas aplicaciones tal vez se requiera que el equipo opere con un voltaje de lnea de 115 V y 230 V. Por tanto, un rectificador duplicador de voltaje como el de la siguiente figura servira para evitar un trasformador de subida de tensin.

Condensador volumtrico

El condensador de enlace de CC Cd, ms conocido como Condensador (o capacitador) Volumtrico es el encargado de reducir la ondulacin de voltaje en la entrada al convertidor de CC-CC.

Tambin proporciona un tiempo de retencin del voltaje de salida regulado durante apagones momentneos de la energa de la red.El capacitor volumtrico se calcula como funcin de tiempo de detencin deseado:

Donde Vd,mn se elige en el rango de 60% a 75% del voltaje de entrada nominal Vd,nominal y es la eficiencia energtica de la fuente de alimentacin.

Para una capacitancia dada, elvolumen del capacitor es aproximadamente proporcional al voltaje nominal, y la mxima capacidad de almacenamiento de energa es proporcional al cuadrado del voltaje nominal.

Convertidor CC-CC directo

Este convierte el voltaje de CC no controlado proveniente del capacitor volumtrico de un nivel a otro nivel de CC controlado

La conversin CC-CC, inicia con la conmutacin del interruptor a alta frecuencia, generando as un voltaje CA de alta frecuencia a travs de la bobina del lado primario del trasformador de aislamiento. El voltaje del lado primario induce un voltaje CA de alta frecuencia al lado secundario del trasformador.

El voltaje inducido es:

Por lo tanto, el voltaje medio de salida V0 ser:

Y para controlar el voltaje medio de salida V0, es necesario variar la relacin de trabajo tenc/Ts del interruptor.

La salida del trasformador es rectificada y filtrada. El filtro est compuesto por dos diodos con sus ctodos en un potencial comn, y el filtro de salida, es un filtro pasa bajas LC.

En el periodo de encendido del interruptor, el diodo D1 se vuelve de polarizacin directa, y la entrada proporciona energa tanto hacia la carga como hacia el inductor.

Por ello:

Este voltaje causa un aumento lineal en la corriente del inductor iL. Cuando se apaga elinterruptor, debido al almacenamiento de energa inductiva, iL fluye a travs del diodo D2, y trasfiere una parte de su energa a la carga. Resultando entonces que:

Este voltaje causa que iL disminuya en forma lineal. Haciendo el desarrollo matemtico se obtiene:

La siguiente figura muestra el comportamiento del voltaje y la corriente mencionado anteriormente. Se observa que la corriente media del inductor id es igual a la corriente media de salida i0, pues la corriente media del condensador en estado permanente es cero. Es importante que el capacitor sea lo ms grande posible.

En operacin de estado permanente la forma de onda se debe repetir de un periodo a otro, por lo tanto, implica que el rea A y B deben ser iguales:

O bien mediante la relacin de trabajo D:

Sistema de control

Los sistemas de control regulan el voltaje de salida de la fuente, con una banda de tolerancia especificada, en respuesta a cambios en la carga de salida y los voltajes de la lnea de entrada. Esto se logra mediante un sistema de retroalimentacin negativa que se muestra a continuacin, donde la salida del convertidor V0 se compara con su valor de referencia V0,ref. El amplificador de errores produce el voltaje de control c con que se ajusta la relacin de trabajo D del interruptor.