REGULADOR DE TENSION CONMUTADO (FUENTE … · PWM OSC Pulsante (continua + ripple) Alta frecuencia...
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REGULADOR DE TENSION CONMUTADO
(FUENTE SWITCHING)
Cátedra de Dispositivos ElectrónicosDepartamento de Electricidad, Electrónica y Computación (DEEC)
FACET - UNT
Fuente de tensión continua regulada
+
_
VL
IL
V
IL
V
Vripp
RS
+
_
VL
VLripp
REGULADOR
REGULADOR
Disminuir Rs
Disminuir Vripp
Estabilizar VL
REGULADOR LINEAL SERIE(PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO)
Para que VL = cte.
V
Vripp
RS R
RLVL
IL
Fuente No regulada
Controlador
Esquema Fuente Regulada Lineal
TRAFO
Vi
AC
RECTIFICADOR+
FILTROAC
REGULADORLINEAL
CC
PROTECCIONVL
CC CC
-
+ R2
R1
Vref
Vo
Vi+Viripp
Ri
REGULADOR CONMUTADOPRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Vo
𝑉𝑚𝑒𝑑 =1
𝑇 0
𝑇
𝑣0 𝑡 𝑑𝑡
𝑉𝑚𝑒𝑑 =1
𝑇 0
𝑡𝑜𝑛
𝑉0 𝑑𝑡
𝑉𝑚𝑒𝑑 =1
𝑇𝑉0𝑡𝑜𝑛
Vo
𝑇 = 𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑜𝑓𝑓 =1
𝑓
𝑉𝑚𝑒𝑑 = 𝑉0
𝑡𝑜𝑛
𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑜𝑓𝑓
D = 𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜
𝐷 =𝑡𝑜𝑛
𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑜𝑓𝑓
𝑉𝑚𝑒𝑑 = 𝑉0 𝐷
𝑉𝑚𝑒𝑑 = 𝑉0𝑡𝑜𝑛f
Si R << R0 V0 ≈ VCC 𝑉𝑚𝑒𝑑 = 𝑉𝐶𝐶𝑡𝑜𝑛f = 𝑉𝐶𝐶𝐷
𝑉𝑚𝑒𝑑 =1
𝑇𝑉0𝑡𝑜𝑛
FUENTE REGULADA SWITCHING
RECTIFICADOR + FILTRO
Vi
AC
CONVERTIDOR CC/AC
CC
TRAFO+RECTIFICADOR + FILTRO SALIDA
AC
PROTECCIONVL
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 VL
ESQUEMA GENERAL DE UNA FUENTE CONMUTADA
- La tensión de entrada Vi 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 VL
- 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 SalidaEntrada
FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS(SWITCHING)
• También llamadas Fuentes Switching.
• Se distinguen con ese nombre a los convertidores deCorriente alterna (AC) a corriente continua (DC) o losconvertidores DC/DC, cuyo principio defuncionamiento se basa en la conmutación de unallave mas que en un circuito lineal.
• Las fuentes conmutadas fueron desarrolladas comoconsecuencia de los problemas de disipacióntérmica, peso y volumen de los reguladores lineales.
• Hoy en día son de uso común en aplicacionesindustriales y comerciales.
Inversor Buck con el interruptor cerrado
𝑉 = 𝑉𝐿 + 𝑉0 𝑉 = 𝐿𝑑𝑖𝐿𝑑𝑡
+ 𝑉0
𝑑𝑖𝐿𝑑𝑡
=𝑉 − 𝑉0
𝐿=
𝛥𝐼𝐿𝑡𝑜𝑛
∆𝐼𝐿 =𝑉 − 𝑉0
𝐿𝑡𝑜𝑛
Inversor Buck con el interruptor abierto
𝑉0 = −𝑉𝐿 = −𝐿𝑑𝑖𝐿𝑑𝑡
𝑑𝑖𝐿𝑑𝑡
= −𝑉0
𝐿=
𝛥𝐼𝐿𝑡𝑜𝑓𝑓
La disminución de corriente será:
𝛥𝐼𝐿 = −𝑉0
𝐿𝑡𝑜𝑓𝑓
Tensión continua de salida del convertidor Buck
Energía almacenada en el inductor
Energía almacenada durante ton
Energía entregada durante toff
Tensión continua de salida
𝑉 − 𝑉0
𝐿𝑡𝑜𝑛 =
𝑉0
𝐿𝑡𝑜𝑓𝑓 𝑉 − 𝑉0 𝑡𝑜𝑛 = 𝑉0𝑡𝑜𝑓𝑓 𝑉 = 𝑉0 + 𝑉0
𝑡𝑜𝑓𝑓
𝑡𝑜𝑛
𝑉 = 𝑉0 1 +𝑡𝑜𝑓𝑓
𝑡𝑜𝑛𝑉 = 𝑉0
𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑜𝑓𝑓
𝑡𝑜𝑛
𝑉 =𝑉0
𝐷
El ripple de la tensión de salida es la tensión en el capacitor consecuencia de ΔiL:
Tensión de ripple de salidaLa 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).
iL t = −iC t
V0
ΔIL
vC
ton T0
IC
toff
VCP(-)
VCP(+)
𝑖2𝐶 𝑡 = −∆𝐼𝐿𝑡𝑜𝑓𝑓
𝑡 +∆𝐼𝐿2
𝑖1𝐶 𝑡 =∆𝐼𝐿𝑡𝑜𝑛
𝑡 −∆𝐼𝐿2
𝑣𝐶 𝑡 =1
C 𝑖𝐶 𝑡 dt
𝑉𝐶𝑃 − = 𝑣1𝐶 𝑡 𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑡 =𝑡𝑜𝑛
2𝑉𝐶𝑃 + = 𝑣2𝐶 𝑡 𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑡 = 𝑡𝑜𝑛 +
𝑡𝑜𝑓𝑓
2
𝑡𝑜𝑛 = 𝐷𝑇 𝑡𝑜𝑓𝑓 = 1 − 𝐷 𝑇
𝑉𝑐𝑝 − =1
𝐶 𝑖1𝑐 𝑡 𝑑𝑡 𝑡 =
𝑡𝑜𝑛
2𝑉𝑐𝑝 − =
1
𝑐
∆𝐼𝐿𝐷𝑇
𝑡 −∆𝐼𝐿2
𝑑𝑡 𝑡 =𝐷𝑇
2
𝑉𝑐𝑝 − =1
𝐶
∆𝐼𝐿8
𝐷𝑇
𝑉𝑐𝑝 + =1
𝐶 𝑖2𝑐 𝑡 𝑑𝑡 𝑉𝑐𝑝 + =
1
𝑐 −
∆𝐼𝐿1 − 𝐷 𝑇
𝑡 +∆𝐼𝐿2
𝑑𝑡 𝑡 =1 − 𝐷 𝑇
2
𝑉𝑐𝑝 + =1
𝐶
∆𝐼𝐿8
1 − 𝐷 𝑇
Vpp = Vcp(+) + Vcp(−) Vpp =1
𝐶
∆𝐼𝐿8
𝑇
Circuito de Prueba (Simulador)Filtro Fuente SW
𝐷 = 0.5 𝑇 = 20 𝜇𝑠
∆𝐼𝐿 =𝑉1 − 𝑉0
𝐿𝑡𝑜𝑛
𝑡𝑜𝑛 = 10𝜇𝑠 𝑉1 = 20𝑉 𝑉0 = 10𝑉
∆𝐼𝐿 =20 − 10
300 10−6 10 × 10−6 ∆𝐼𝐿 =1
3𝐴 (333 𝑚𝐴)
Vpp =1
𝐶
∆𝐼𝐿8
𝑇 Vpp =1
20 × 10−6
1 38
20 × 10−6 𝑉𝑝𝑝 =1
24𝑉 (42 𝑚𝑉)
V
Icc IL
IcID
Vo
Gen. Rampa
Comparador
+
-
-
+ R2
R1
Vref
Amp. Error
Esquema de la Fuente Regulada con el circuito de Control
PWM Modulador de ancho de Pulso
Generador Diente
de Sierra
Verror
VOUT
Verror
VOUT
Verror
Verror
VOUT
ESQUEMA GENERAL DE UNA FUENTE CONMUTADA:
Comparador
V
IL
IcID
Vo
+
-
-
+ R2
R1
Vref
Gen. Rampa
Amp. Error
R3
R4
D1
D2
D3
+
-
-
+R2
R1
Lo
Co
Rectific.
Puente
n1
n3
n2
R0
Vcc
Ip
Io
V1
V2
V0
Vref
Gen.
Rampa
Amp. Error
Comparador
ESQUEMA GENERAL DE UNA FUENTE CONMUTADA TIPO DIRECTA (Forward)
TL494Circuito 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 (RT y CT).
• 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 OPERACIÓNLa 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 mayor que el de las señales de control.