Preinforme fuente switching

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

Laboratorio de Electrónica Industrial

PREINFORME

“Fuentes de Poder Conmutadas”

Experiencia 5

Grupo 8 Lautaro Narváez

Juan Vargas

Fecha 23/08/2010

Revisado por Nota

Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010

1

5. PREINFORME

5.1 ¿Cuáles son las dos principales ventajas de las fuentes reguladas conmutadas respecto

a las fuentes reguladas lineales?

La primera ventaja es la eficiencia, pues las fuentes reguladas lineales operan a los

semiconductores como reóstatos ajustables en su zona lineal, esto hace que la potencia disipada

por el semiconductor sea considerable ( ). Mientras que en las fuentes conmutadas los

semiconductores operan en corte y saturación donde la única perdida se debe a la caída en

saturación del semiconductor que es notablemente menor que las caídas en zona lineal. No solo

esto implica un ahorro en el costo de la potencia (eficiencia entre 70% y 90%) sino también en

los disipadores de calor que son necesarios acoplar a los semiconductores.

La otra ventaja es que un transformador de aislación operando a frecuencia de conmutación es

mas pequeño y liviano que los transformadores utilizados para las fuentes lineales que operan a

frecuencia de la red de suministro a 50 hz.

5.2 Nombre tres ventajas del uso del transformador en este tipo de convertidores.

Una función de un transformador que conecta una fuente alterna con una carga es permitir la

máxima transmisión de potencia logrando que la impedancia que vea la fuente real sea el

conjugado de la impedancia de la fuente. para lograr este efecto se fija la razón del numero de

vueltas N1/N2 como :

Otro uso es para la aislación utilizando la ventaja de que el primario y el secundario del

transformador están acoplados de forma magnética y no física. la fuente puede estar conectada a

la tierra física y si un hipotético instrumento de medición también lo estuviera, ocurriría el

siguiente caso:


2

Acá ocurre que se saca el mosfet y todo el circuito queda energizado con CC, y si alguien llegara

a tocar el chasis del instrumento de medición y a la vez algún punto energizado podría incurrir en

un choque eléctrico.

Esto se soluciona aislando el circuito como se presenta en el convertidor forward.

Otro caso de aislación ocurre si tenemos un adaptador de 2 terminales para el equipo y cortamos

una de las patitas del enchufe para conectarlo pero accidentalmente se invierte una fase con la

tierra física y se deja energizado el chasis, con el transformador este peligro se evita

El transformador funciona también como una primera etapa de filtro por sus componentes

inductivas elimina el ruido de alta frecuencia de la fuente.

5.3 Considerando el convertidor buck en vez del convertidor forward, encuentre la

expresión de la tensión promedio en la salida (Vo) en función de la tensión de entrada

(Vi) y el ciclo de trabajo (d) de la señal de encendido-apagado del semiconductor,

tomando en cuenta que el sistema se encuentra en estado estacionario y opera en

régimen de conducción continua. Demuestre matemáticamente, y comente las

diferencias con la expresión para la tensión de salida en el convertidor forward

mostrada en los apuntes anexos de esta experiencia.

En estado estacionario la inductancia y el condensador funcionan como pasa bajos y la expresión

para el voltaje de salida esta dada por:

por otro lado el convertidor foward:


3

Y cuando esta el interruptor apagado:

Entonces cuando la inductancia se comporta como corto circuito y el condensador como circuito

abierto para bajas frecuencias:

Se puede observar que básicamente la diferencia es que el voltaje de salida en el convertidor buck

depende solo de la entrada y el ciclo de trabajo, mientras que en el convertidor forward se tiene

otro grado de libertad pudiendo manejar la salida también con la relación de vueltas del

transformador.

5.4 Comparando las topologías de los convertidores forward y buck en la figura 1, el

primero posee como agregado, además del transformador, el diodo D1 en serie con el

secundario del transformador. ¿Cuál es la finalidad de ese diodo?

El diodo permite que durante el periodo de corte del semiconductor la inductancia descargue su

corriente a través del diodo D2 y no por el secundario del transformador, pues cuando se

desmagnetiza el transformador el voltaje de el secundario se invierte y polariza inversamente a el

diodo D1 . Una corriente por el secundario durante el corte implicaría mayores pérdidas y una

perturbación para el primario.

5.5 Simule, utilizando el software PSIM®, el convertidor forward, considerando los

valores de vi = 30[V], C = 470[µF], R = 3[Ω], L = 500[µH]. Utilice un transformador

ideal con una razón de vueltas entre el secundario y el primario de Ns/Np = 1,3, y

controle el semiconductor S con un tren de pulsos de 60[kHz] de frecuencia y ciclo de

trabajo de 1/6. Grafique, en estado estacionario, las señales vo, vp, vs, vL, iL e ip, además

de las corrientes que circulan por los diodos D1 y D2. Repita las mismas mediciones

usando un tren de pulsos con ciclos de trabajo de 1/2 y 2/3. Comente.

Considerando el circuito del convertidor forward implementado en PSIM, se obtienen las

siguientes formas de onda en estado estacionario para distintos valores del ciclo de trabajo de la

señal de control del MOSFET


4

Ciclo de trabajo 1/6:

Figura 1. Voltajes vo, vL, vp y vs para ciclo de trabajo d=1/6

Figura 2. Corrientes iL, ip, iD1 e iD2 para ciclo de trabajo d=1/6


5





6





7

Se observa que en todos los casos se cumple la relación para el voltaje de salida del convertidor,

debido a que este se encuentra operando en modo de conducción continua. Otra característica que

no se aprecia, pero que está levemente presente es el riple. Debido a la característica filtrante en

la carga, esta distorsión bordea niveles de mili Volts.

Las demás formas de onda son muy similares en cada caso, siendo alteradas principalmente por

el ciclo de trabajo de la señal de control del MOSFET. Al aumentar el tiempo en alto de la señal

de control, los niveles de tensión y corriente se escalan adaptándose a los valores

correspondientes.

Aunque no se presenta en las imágenes, en el estado transitorio existe un comportamiento

oscilatorio que genera magnitudes de la señal, que en algunos casos, alcanzan a casi el doble de

su valor en estado estacionario. Si bien en la simulación no se presentan problemas, en una

implementación real podrían causar ciertos problemas en los dispositivos, dependiendo de su

tolerancia a valores muy altos.

5.6 Modifique el circuito de la figura 1a, reemplazando el transformador ideal por un

modelo real del transformador (en PSIM® existe directamente este modelo de

transformador), además del circuito de protección compuesto por Dm, Rm y Cm y

considerando los valores de Rp = 1[mΩ], R′s = 1[mΩ], Llp = 1[µH], L′ls = 1[µH], Lm =

2[mH], Cm = 100[nF], Rm = 1,5[kΩ]. Simule y repita las mediciones pedidas en la

pregunta anterior con un ciclo de trabajo de 1/6. Comente, y explique cuál es la

finalidad del circuito de protección mencionado anteriormente.

En este caso se utiliza un modelo de transformador real y también, se incluye el circuito de

protección mencionado en la guía. Simulando resultan las siguientes señales

Figura 7. Voltajes vo, vL, vp y vs para ciclo de trabajo d=1/6.


8


Al considerarse un modelo de transformador más real, hay que tener en cuenta nuevos

componentes en el circuito. En este caso, la inductancia Lm acumula carga mientras el MOSFET

se encuentra activo. Al conmutar, esta corriente debe ser disipada por el circuito de protección. Si

no se tuviera ese circuito, en el transformador se inducirían tensiones de magnitudes muy

grandes, lo que destruiría la mayoría de los componentes la red.

5.7 De la simulación anterior, cambie R de 3[Ω] a 100[Ω], dejando todos los demás

parámetros sin cambiar, incluyendo el ciclo de trabajo de la señal de control.

Grafique, en estado estacionario, las señales vo, e iL, y verifique si se cumple la

expresión teórica para la tensión de salida en este convertidor. De no ser así, explique

por qué no se cumplió.

Modificando el valor de la resistencia y simulando se obtienen las siguientes formas de onda


9

Figura 9. Voltaje vo con ciclo de trabajo d=1/6.

Figura 10. Corriente iL. a) Señal completa b) Zoom de la señal en estado estacionario

Evaluando la expresión para la tensión de salida del convertidor

11,3 30 6,5[ ]

6

so i

p

Nv d v V

N

Midiendo de la simulación la tensión vo en estado estacionario (a partir de app. 130[ms]), se

obtiene un valor de 7,49[ ]ov V . Por lo tanto, no se cumple la relación teórica. Esta diferencia se

debe a que al aumentar el valor de la resistencia R, se pasa al modo de conducción discontinua y


10

por ende, no se tiene una relación lineal entre el voltaje de entrada y salida. Analizando la figura

10b) se puede apreciar que durante el ciclo de descarga del inductor se alcanza una

discontinuidad. Mientras la corriente del inductor es 0, la potencia de la resistencia de carga se

alimenta únicamente por el condensador de filtrado.

5.8 Considerando el circuito del convertidor de la figura 3, explique en breves palabras la

función de los opto-acopladores OC1 y OC2 en el circuito de realimentación de la

medición de tensión (No es necesario explicar en detalle el funcionamiento de esos

circuitos).

Un optoacoplador es un dispositivo de emisión y recepción que funciona como un interruptor

excitado mediante luz. Dado que el transformador aisla la fuente de entrada con las distintas

señales de salida (permitiendo que puedan utilizarse tierras distintas), los optoacopladores son

usados para separar eléctricamente el circuito de realimentación de tensión (medición de voltaje

de salida del secundario) con el control del semiconductor que se encuentra en el primario del

transformador. De esta manera se adapta la señal de 5V a la de 12V. Si no utilizaran los

optoacopladores, no tendría mucho sentido el uso del transformador en esta aplicación.

5.9 El convertidor de la figura 3 es alimentado con una fuente alterna de 24[VAC], la cual

es rectificada con el puente de diodos monofásico B1. A la entrada de ese rectificador

hay montado un circuito compuesto por los condensadores C1, C2 y C3, y por las

inductancias L1 y L2, el cual es llamado comúnmente como “filtro EMI”. Explique

brevemente lo que son las interferencias electromagnéticas (EMI) y describa la

función e importancia de ese filtro

Las interferencias electromagnéticas (EMI, electromagnetic interference) son perturbaciones

generadas por un circuito en el que ocurran rápidos cambios de voltaje o corriente, estas

perturbaciones pueden ser un problema para el sistema de control u otros circuitos adyacentes

sensibles a pequeñas perturbaciones. En los convertidores conmutados el ruido se transmite en

modo diferencial a través de las capacitancias parasitas entre las líneas, la línea de entrada al

subministro de energía y a través de la red del lado CC a la carga sobre el convertidor de

potencia. Las perturbaciones de modo común se transmiten únicamente por las capacitancias

parasitas entre las líneas y la tierra.

Una forma de evitar las EMI es la implementación de un amortiguador que reduzca los

como el que está presente a la entrada del rectificador.

Preinforme fuente switching

Documents

Transcript of Preinforme fuente switching