final fuente switching

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

Laboratorio de

INFORME FINAL

“Experiencia 5: Fuentes de Poder Conmutadas


DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

Laboratorio de Electrónica Industrial

INFORME FINAL

: Fuentes de Poder Conmutadas

Experiencia 5

Grupo 5 Lautaro Narváez

Juan Vargas

Fecha 31/08/2010

Revisado por


Industrial

: Fuentes de Poder Conmutadas”

Lautaro Narváez

Nota

Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010

1

INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

En la actualidad existe una gran cantidad de equipos y dispositivos electrónicos, los cuales tienen como parte esencial su sistema de alimentación. En el caso de suministros de tensión continua se cuenta con dos tipos de fuentes, las lineales y las conmutadas. A diferencia de las fuentes de tipo lineal que operan con sus semiconductores en zona lineal, las conmutadas utilizan estos componentes en zona de corte y saturación. Esto permite una menor disipación de potencia, y a su vez un aumento significativo en la eficiencia. Otra de las ventajas que presenta las fuentes conmutadas es su operación a altas frecuencias, lo que permite el uso de transformadores de menor tamaño, traduciéndose en un menor dimensionamiento, peso y costo. Como no todo es perfecto, estas fuentes poseen la desventaja (respecto de la fuente lineal) de introducir interferencia electromagnética, EMI, por el switcheo de los semiconductores, lo que eventualmente podría afectar la red de suministro, y por ende, a otros dispositivos cercanos. A pesar de esto, las ventajas son predominantes y el uso de las fuentes conmutadas se ha masificado en gran medida. En esta experiencia del laboratorio se busca conocer y comprender el uso y funcionamiento de una fuente de poder conmutada. En específico, se trabaja con un convertidor Forward, el cual se compone de un convertidor Buck más un transformador. Además, se desea comparar y contrastar los resultados del preinforme de la experiencia con las distintas mediciones realizadas en el laboratorio y así poder analizar prácticamente el desempeño y eficiencia de las fuentes.

Figura 1. Esquema de un convertidor Forward


2

5. INFORME FINAL

A continuación se presentan las mediciones y resultados obtenidos en la experiencia. Lo que se incluye en este informe no sigue exactamente la línea expuesta en la guía de la experiencia, pero se trató de ir de forma ordenada en la presentación.

5.1 Mediciones

Antes de iniciar las distintas mediciones y experimentos, es necesario tener la certeza de la correcta alimentación que será aplicada al convertidor. Para ello se verifica la señal proveniente de la red. La Figura 2 muestra el voltaje de alimentación, el que claramente presenta distorsiones debido a la existencia de los armónicos 5 y 7, además del tercero y por ende, sus múltiplos. Fuera de eso, cumple con un valor efectivo de tensión de aproximadamente 24[V] a una frecuencia de red 50[Hz].

Figura 2. Voltaje de alimentación

Una vez comprobado el voltaje de alimentación, se encendió el convertidor (interruptor en ENABLE), pudiéndose comenzar a realizar las mediciones. Teniendo la fuente sin carga, se midió la señal de disparo del Mosfet junto con el voltaje en el primario del transformador.


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Figura 3. Señal de disparo (amarillo) y Voltaje en el primario del transformador (verde)

En la figura anterior se observa que la señal PWM que controla el switcheo del semiconductor, posee un ciclo de trabajo muy bajo, alrededor del 3.4%. Esto se debe a que al no tenerse una carga, la corriente de salida es casi nula (distinta de cero porque se entrega energía a los led y a otros elementos del convertidor, ajenos a la carga) y por ende, no debe más que regularse la tensión de salida. Por su parte, la tensión del primario del transformador presenta una característica similar a la obtenida en la simulación para el preinforme. El peak de voltaje corresponde al instante de conmutación del Mosfet, los cuales coinciden temporalmente. El valor negativo que adopta la forma de onda se debe a la desmagnetización del núcleo del transformador, donde se descarga la inductancia de magnetización (Lm en el modelo) generando un voltaje negativo entre los terminales del primario. Para las siguientes mediciones, se conecta una carga (reóstato) en los terminales de salida de 5V. De esta forma se puede verificar el funcionamiento del control sobre el disparo del Mosfet, ya que esta salida se utiliza como referencia.

Figura 4. Señal de disparo (amarillo) y Voltaje en el primario (verde) en M.C.D.


4

En la figura 4 se tiene la misma medición anterior, pero con carga. Se aprecia que el ciclo de trabajo aumentó levemente (8.1%), lo que coincide con el requerimiento de corriente que genera la carga. La distorsión presente en la valor positivo del voltaje en el primario denota la operación en Modo de Conducción Discontinuo. A pesar de que no se aprecia la corriente del transformador, esta posee pasa por un valor 0, lo que hace trabajar en MCD. Se explicará un poco más en detalle en la sección 5.3. La siguiente figura considera el Modo de Conducción Continuo, lo que se logró al variar la resistencia del reóstato. Claramente hubo un aumento del ciclo de trabajo de la señal de disparo a un 16.8%, con lo cual el semiconductor se encuentra conduciendo durante más tiempo de modo de suplir la necesidad de la carga. El voltaje del primario tiene una forma de onda mucho más parecida a la obtenida en la simulación, y sólo se ve afectada por la descarga más lenta de la inductancia de magnetización, que genera el tiempo con voltaje negativo. Al operar en MCC, se cumple la relación lineal entre el voltaje de salida y entrada, a diferencia del caso anterior donde esto no era válido.

Figura 5. Señal de disparo (amarillo) y Voltaje en el primario (verde) en M.C.C

5.2 Estimación razón de vueltas de transformador

Para determinar la razón de número de vueltas entre los devanados del transformador se midieron en conjunto los voltajes del primario (Vp) y del secundario en cuestión (Vs). Como referencia se utilizaron dos puntos similares de cada señal, que obviamente presentan un escalamiento debido al número de vueltas.


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Figura 6. Tensiones: a) Primario y 2do devanado b) Primario y 3er devanado

A partir de las tensiones, se puede determinar la relación del número de vueltas según la siguiente fórmula

2

1

s

p

VN

N V=

Primer devanado (salida de 12V):

2

1

68.252.5

27.25s

p

VN

N V= = ≈

Segundo devanado (salida de 12V):

2

1

702.5

28s

p

VN

N V= = ≈

Tercer devanado (salida de 5V):

2

1

271.09

24.75s

p

VN

N V= = ≈

La relación de vueltas del primer y segundo devanado es prácticamente idéntica, lo que concuerda con el hecho de que en sus salidas entregan una tensión nominal igual (12V). En el caso del tercer devanado (el que cuenta con el circuito de realimentación de tensión), se tiene una razón de vueltas cercana a 1, dado que a su salida necesita una tensión menor a las anteriores.


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5.3 Tensión de carga a partir de D, Vi y N1:N2

Un tema a considerar fue el diodo conectado en serie con el secundario del transformador para evitar que la corriente se devolviera por este. Se observa una caída en este diodo considerable de alrededor de 5 volts. Además en la imagen se puede notar como bloquea el voltaje inverso que viene de la desmagnetización del transformador en el secundario.

Figura 7. Voltaje D11 (amarillo), Secundario (verde), Disparo (rojo), corriente (morado)


A medida que vamos aumentando la resistencia a la salida controlada a través del reóstato eventualmente se llega a un punto donde la corriente en la bobina durante el periodo de apagado del mosfet se hace 0, pasando al modo de conducción discontinuo, en ese momento el diodo 11 tiene el mismo voltaje que el condensador 16:


7

Figura 9. Circuito de salida en tercer secundario

Y es este último el que entrega corriente a la salida durante un breve tiempo en el cual se mantiene en mcd. El voltaje en el diodo 11 que está cortado es el mismo que el de la salida 5[v] y se induce al primario atravez del diodo 10, induciendo el mismo voltaje a su vez en el primario del transformador, invirtiéndose la causalidad del sistema.


A su vez el ancho del pulso disminuye gracias al control. Este control permite que tengamos 5 [v] a la salida siempre sin importar si estamos en mcc o mcd, siempre que aguante la fuente te tensión DC sin caerse.

Figura 11. Límite entre M.C.D. y M.C.C.


8

Una de las mediciones se realizó con carga y en modo de conducción continua con una salida de 5[v]. El ciclo de trabajo medido fue cercano a un 20%, la relación de vueltas del transformador fue 1.09 y el Vcc de alimentación a la salida del rectificador de 27[V]. Ocupando la fórmula teórica obtenida del análisis del convertidor foward en el preinforme se obtiene el siguiente resultado:

�� = � ∗�2

�1∗ � = 0.2 ∗ 1.09 ∗ 27 = 5.886

La diferencia se puede explicar por la caída que ocurre en el dodo 10 tomado como ideal en la fórmula.

5.4 Eficiencia del Convertidor

Con respecto a la eficiencia se tomaron las siguientes mediciones utilizando el Fluke Power Meter:

Tabla 1. Valores para cálculo de eficiencia del convertidor

MCC MCD Io [A] 3.6 1.15 Vo [V] 5 5 Po [W] 18 5.75 Pi [W] 34.9 14.4 η [%] 51.4 39.9

Figura 12. Medición de potencia con Fluke Power Meter


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Se observa una eficiencia muy baja, muy por debajo de la esperada para un convertidor forward (70% a 90%). la explicación es principalmente la caída en el circuito amortiguador que permite la desmagnetización del núcleo, en el libro Mohan Power Electronics proponen un tercer devanado en el transformador que permitiría devolver parte de esa energía que se disipa al sistema reduciendo las perdidas. Otras perdidas se deben a los reguladores lineales y los leds. Este bajo rendimiento sigue estando muy por encima del rendimiento de un regulador lineal.

5.5 Componentes de alta frecuencia

Una de las desventajas de este tipo de regulador es su alta frecuencia de conmutación (62.5 kHz) estas conmutaciones de alta frecuencia producen emisiones electromagnéticas que se irradian al ambiente y a través de la red. En el preinforme mencionamos una de las soluciones implementadas para reducir estas emisiones que provocan interferencias a otros quipos electrónicos, la estrategia fue instalar un filtro EMI a la entrada del rectificador para amortiguar estas emisiones. Realizadas algunas mediciones nos pudimos percatar que las emisiones siguen presentes y causando interferencias en los instrumentos de medición.

Figura 13. Voltaje de alimentación (verde) y salida de 5V (morado)

Acá se puede observar que tanto la entrada como la salida del convertidor presentan perturbaciones considerables debidas a las conmutaciones del semiconductor.


10

CONCLUSIONES

En esta experiencia pudimos observar el comportamiento de un convertidor forward con 3 salidas, 2 con reguladores lineales y 1 salida regulada a través de un sistema de control realimentado. Fue interesante notar que durante el modo de conducción continua se cumple casi perfectamente la relación voltaje de entrada, numero de vueltas, ciclo de trabajo, voltaje de salida. Y como durante el modo de conducción discontinua esta relación se rompe, pero gracias al sistema de control la salida se mantiene en el valor deseado. la eficiencia del convertidor no fue la esperada pero la explicación proviene de la corriente desmagnetizante del transformador que es amortiguada por un circuito del cual proviene gran parte de las perdidas del sistema, esto es solucionable con un tercer devanado en el transformador que devolvería la potencia al sistema. Además de la eficiencia este convertidor tiene la ventaja del pequeño tamaño del transformador de desacople gracias a su alta frecuencia de conmutación. Las desventajas principales serian las emisiones electromagnéticas que son muy potentes e interfieren en el propio quipo y en los equipos electrónicos adyacentes, a través del aire y la red. Esto es en parte pero no totalmente solucionado a través del filtro EMI.

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