6 Captulo 2 2.1Teora de operacin de rectificacin/filtrado Puente de diodos de onda completa LaseccindeentradadeunafuentedepoderconectadadirectamentealalneadeAC, convierte el voltaje de AC senoidal a un voltaje DC no regulado, sin necesidad de requerir untransformadordeaislamientodebajafrecuencia.Enlamayoradelosequipos electrnicosenelmercadointernacionalactual,eldiseadordebeutilizaruncircuito universalenlaentrada,capazdemanejartodoslosvoltajesusadosenelmundo, normalmente de 90 a 130 VAC o 180 a 260 VAC. La configuracin tpica de este circuito se muestra en la Figura 2.1. Estetipodeconfiguracinsellamapuenterectificadordeondacompleta,queesla configuracin utilizada para este diseo. Operacin del puente de diodos de onda completa HaciendoreferenciaalasFiguras2.1y2.2,elcapacitordeentradaCn secargaalvoltaje picodelneacadamediociclo; Cnsedescargaentregandotodalaenerganecesariaala carga, hasta que se vuelve a recargar al siguiente medio ciclo. La energa de Cnen cada medio ciclo de lnea se representa por la siguiente ecuacin: En2 = Cn(Ipk2-Imn2) 2 En donde la capacitancia de entrada est dada por la ecuacin: Figura 2.1 Circuito puente rectificador de onda completa. 2.1) 7 Cn =EnIpk2-Imn2 2.2Criterio para la seccin de componentes Diodos rectificadores de entrada Lasconsideracionesmsimportantesquesedebentomarencuentaparaseleccionarlos diodos de entrada son: 1.Mxima capacidad de corriente.Esta especificacin depende de la mxima potencia de la fuente de poder, el diodo debe manejar cuando menos 2 veces ms corriente que IC mux cuando lapotencia de salida de la fuente de poder se exige al mximo. 2.Voltaje Inverso Pico (PIV). Cuando la fuente de poder maneja voltajes de entrada de 264 VAC, es recomendable que el diodo soporte 600 V (PIV) como mnimo. 3.Inrush current.Debe de ser capaz de soportar grandes corrientes al encendido, las especificaciones delproductoparaseleccionarelpuentedediodosadecuadosemencionana continuacin: Figura 2.2 Formas de onda del voltaje de entrada en Cn. 2.1a) 8 Considerando que la potencia de salida de la fuente es de 60 W, y tiene una eficienciadel 65%, la potencia de entrada es: Pn = Poutp= 6u wu.6S= 92.S w La mxima corriente de entrada se presentacuando el voltaje de entrada es mnimo Inmn = 8S IAC , por lo tanto la corriente de entrada In es: In =PnInmn = 92.S8S= 1.u9 Esto quiere decir que el puente de diodos debe ser capaz de manejar al menos dos veces la corrientedeentradade1.09A,esteparmetroesidentificadocomoI0enelmanualdel fabricante. Paraestediseo, se seleccion un puente de diodos que soporta600 voltsde pico inverso (PIV), 4 amperes de corriente promedio y 120 amperes de corriente pico. 2.3Ecuaciones de diseo y seleccin del capacitor de entrada Elvoltajedeentradamnimoesunaconsideracinmuyimportanteeneldiseodeuna fuentedepoder.Cuandoelniveldelvoltajedeentradaesbajo,elvoltajederizo determinar el voltaje de entrada mnimo, debido a que ste define la relacin de vueltas del transformadorrequeridoparapoderconseguirelvoltajedesalidadeseadocuandoelciclo de servicio es mximo. Si elcapacitorde entradaesmuypequeo, sernecesario incrementarel ciclo de servicio del modulador (PWM) al mximo y el control de lazo de ganancia, debido a que el voltaje derizo(ripple)sersignificativo,yaquelapeorcondicindevoltajederizomximoocurrecuandoelvoltajedeentradaInesmnimoylapotenciadesalidaesmxima.En estascondicioneselvoltajedeentradaInsermenor,dandocomoresultadounbajo aprovechamientodelarelacindevueltasdeltransformador,demandandocorrientepico muygrandeeneltransistordeconmutacindelprimario,yademsvoltajesdepicoinversos(PIV) muy grandes a travs de los rectificadores de salida. Ahorabien,sielcapacitordeentradaesmuygrande,ademsdequecuestams,la corriente pulsante en el capacitor tendr una amplitud muy grande y el pulso muy angosto. EstoocasionaqueelfactordepotenciaseamuypobreeincrementaelEMI(Electro-Magnetic-Interference). Una recomendacin razonable es tomar el voltaje de rizo del 25-30 %delvoltajedelneapicomnimo,estodaporresultadocapacitoresmsadecuadosen tamao, peso y costo. 9 Criteriosdeseleccin:Paraelclculodelcapacitordeentradasetomanlossiguientes4 criterios: 1.Capacitancia mnima requerida, Cmn 2.Mxima corriente de rizo,IRMS 3.Mximo y mnimo voltaje de entrada, Ipk, Imn 4.Temperatura mxima de operacin Especificaciones de producto: La fuente debe operar en unrangode voltaje de entrada de 90-260 volts ACy un holdup time de 10 ms. Encontrar los valores siguientes: En = Energa almacenada Cnmn = Capacitancia mnima Ipk = Voltaje pico Imn = Voltaje mnimo Clculo de voltajes Fpk yFm|n ParaelclculodevoltajepicoIpk = 9uIAC 2 = 127.SV.Conservadoramente,se asumeIpk=120Vdebidoalascadasdevoltajeenlosdiodosdelcircuitopuenteydel filtro de la lnea de entrada. Tomando en consideracin que elvoltaje de rizo aceptado es el 30% del voltaje mnimo, se obtiene:Imn = 12u u.7 = 84 I. Clculo del capacitor Cn La energa almacenada en un capacitor est dada por la ecuacin: En = CI22 La ecuacin para calcular la capacitancia de entrada mnima por cada watt es: Cnmn =2EnIpk2- Imn2 Donde: En = Energa almacenada = watts * segundos = joules 2.2) 2.3) 10 Ipk= 120 V Imn = 12u u.7 = 84 V Incu = Frecuencia de lnea (60 Hz) th = Hold up time (segundos), por especificacin de producto = 10 ms Sustituyendo los valores en la ecuacin: Cmn = 2 wotts scgunJos12u2 -842= 2 1 16.66 1u-312u2 -842= 4.S pFw Por lo tanto esto significa que por cadawatt se necesitan 4.5pF, y tomando en cuenta que la potencia de entrada es 92 W y el valor de la frecuencia de lnea es 60 Hz: Cmn = 4.SpFw92w1= 414pF 2.4Hold up time Definicin de hold up time: Es el tiempo mnimo en el cual el voltaje de salida se mantiene en regulacin, cuando el voltaje de entrada es removido. La especificacin para esta fuente de alimentacin es que tenga un hold up time de 10 ms. Recalculando para este tiempo se obtiene el siguiente valor de capacitor: Cmn = 2 wotts scgunJos Ipk2- Imn2= 2 1 1u 1u-312u2 -842= 2.7pFw Por lo tanto esto significa que por cada watt se necesitan 2.7pF, y tomando en cuenta que la potencia de entrada es 92 Wy el valor de th (hold up time) es 10 ms

Cmn =2.7P wutts 92 wutts1= 248pFUtilizar 22upF La Figura 2.3 muestra la medicin del hold up time con un voltaje de entrada de 100VAC y la potencia mxima de salida @ 60 W.

EnlaFiguraseobservaquealtiempoderemoverelvoltajedeentradaVAC,lasalidade voltajepermaneceenregulacindurante16.4milisegundos,elcualestdentrodela especificacin del producto, ya que este debe ser 10 milisegundos mnimo. 11 Clculo de la Corriente ichg, Ichg, Icup ComosemuestraenlaFigura2.2,eltiempoderecarga,tC,ocurrecuandoelvoltajede lnea AC es rectificado en el segmento tC, entre Imn y Ipk. sta interseccin est dada por las ecuaciones: Imn= Ipkcos(2n(tC)) tC= cos-1 (ImnIpk )2n Asumiendo un pulso rectangular decorriente decarga de amplitudpico de ichg (corriente constante durante el intervalo de carga) se tiene: = ichgt = C I ichg = C(Ipk -Imn)tC La componente RMS de AC de la corriente de carga, ichg, contribuye a que el capacitor se caliente debido a laresistencia serieefectiva(ESR).Lacomponente deDC del total de la Figura 2.3 Forma de onda del hold up time. 2.4) 2.5) 2.6) 2.7) 12 corriente de carga RMS no fluye a travs del capacitor y por lo tanto sta no contribuye al calentamiento del capacitor, ver Figura 2.2 LacorrientedeprimarioRMS(componentedeACsolamente),ichg,estdefinidaporla ecuacin siguiente: Ichg=ICHu2-IC2=_ichg2[tc21 - ichg2[tc212

Ichg=ichgtc2 - (tc2) 2 LacomponenteRMSdeACdelacorrientededescarga,idstambincontribuyeaqueel capacitor se caliente. El capacitor debe ser seleccionado de tal forma que la corriente RMS sea mayor que el total delascomponentesdecorrienteRMSdeAC.Estaesunaconsideracinmuyimportante para la confiabilidad del capacitor. La corriente total que debe manejar el capacitor est definida por la ecuacin siguiente: ICAP 1otuI=_Ichg2+Ids2 El ancho del pulso de carga tC se calcula a continuacin. tC=cos-1 (84 / 12u)2n (6u)= 2.1 ms2n = S6u La corriente pico de carga ichg se calcula a continuacin: ichg=CmIn (Ipk-Imn)tc=22u 1u-6(12u - 84)2.1 1u-3= S.77 La corriente de carga RMS Ichg se calcula a continuacin: Ichg=ichgtc2 -(tc2) 2 = S.772.1 1u-3 2(6u) - (2.1 1u-3 2(6u)) 2= 1.64A 2.8) 2.9) 2.10) 13 Preparado por: Jess Snchez. Ingeniero en Comunicaciones y Electrnica egresado de la universidad de Guadalajara