FUENTES CONMUTADAS (SWITCHING)

03/12/2014
REGULADOR DE TENSION
CONMUTADO
(FUENTE SWITCHING)
Cátedra de Dispositivos Electrónicos
Departamento de Electricidad, Electrónica y Computación (DEEC)
FACET - UNT
Fuente de tensión continua
IL
V
Fuente ideal de tensión
V = cte.
+
VL = cte.
VL
IL sin limitación de valor
_
RS
V
Fuente real de tensión
IL
V ≠ cte.
+
VL
 Vripp
VLripp
_
VLripp
TAMB < TMAX
IL < IMAX
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Fuente de tensión continua regulada
RS
V
IL
IL
+
VL

+
V
REGULADOR
VL
_
VLripp
Vripp
_
Disminuir Rs
Disminuir Vripp
REGULADOR
Estabilizar VL
Esquema Fuente Regulada Lineal
Vi
TRAFO
AC
AC
RECTIFICADOR
+
FILTRO
REGULADOR
LINEAL
CC
PROTECCION
CC
VL
CC
Vo
Ri
R1
-
Vi+Viripp
R2
+
Vref
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Convertidores de Energía
Entrada
Salida
Alterna
Continua
Continua
Alterna
Alterna
Alterna
Continua
Continua
FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS
(SWITCHING)
• También llamadas Fuentes Switching.
• Se distinguen con ese nombre a los convertidores de
Corriente alterna (AC) a corriente continua (DC) o los
convertidores
DC/DC,
cuyo
principio
de
funcionamiento se basa en la conmutación de una
llave mas que en un circuito lineal.
• Las fuentes conmutadas fueron desarrolladas como
consecuencia de los problemas de disipación
térmica, peso y volumen de los reguladores lineales.
• Hoy en día son de uso común en aplicaciones
industriales y comerciales.
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FUENTE REGULADA SWITCHING
Vi
AC
RECTIFICADOR +
FILTRO
CC
CONVERTIDOR
CC/AC
RECTIFICADOR +
FILTRO SALIDA
PROTECCION
CC
AC
VL
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
Pulsante (continua +
ripple)
RECTIFICADOR
Y FILTRO
RECTIFICADOR Y FILTRO
DE SALIDA
- La tensión alterna de alta
frecuencia permite reducir
el tamaño del
transformador y del filtro
de salida
Alta frecuencia
(cuadrada)
PWM
OSC
REF
- 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
CONTROLADOR
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REGULADOR CONMUTADO
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Vo
𝑉𝑚𝑒𝑑 =
𝑇
1
𝑇
𝑉𝑚𝑒𝑑 =
0
𝑣0 𝑡 𝑑𝑡
1
𝑉𝑡
𝑇 0 𝑜𝑛
𝑉𝑚𝑒𝑑 =
1
𝑇
𝑡𝑜𝑛
0
𝑉0 𝑑𝑡
𝑇 = 𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑜𝑓𝑓 =
1
𝑓
𝑉𝑚𝑒𝑑 = 𝑉0 𝑡𝑜𝑛 f
𝑉𝑚𝑒𝑑 = 𝑉0
Vo
𝑡𝑜𝑛
𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑜𝑓𝑓
𝐷=
𝑡𝑜𝑛
𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑜𝑓𝑓
D = 𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜
𝑉𝑚𝑒𝑑 = 𝑉0 𝐷
Si R << R0
V0 ≈ VCC
𝑉𝑚𝑒𝑑 = 𝑉𝐶𝐶 𝑡𝑜𝑛 f = 𝑉𝐶𝐶 𝐷
Circuitos Inversores
V0
BUCK (V0 < V)
V0
BOOST (V0 > V)
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INVERSOR CC → AC
Circuito propuesto (Reductor BUCK)
Vo
Inversor Buck con el interruptor cerrado
𝑉 = 𝑉𝐿 + 𝑉0
𝑉=𝐿
𝑑𝑖𝐿
+ 𝑉0
𝑑𝑡
𝑑𝑖𝐿 𝑉 − 𝑉0 𝛥𝐼𝐿
=
=
𝑑𝑡
𝐿
𝑡𝑜𝑛
∆𝐼𝐿 =
𝑉 − 𝑉0
𝑡𝑜𝑛
𝐿
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Inversor Buck con el interruptor abierto
𝑉0 = −𝑉𝐿 = −𝐿
𝑑𝑖𝐿
𝑑𝑡
𝑑𝑖𝐿 𝑉0
𝛥𝐼𝐿
=
=−
𝑑𝑡
𝐿
𝑡𝑜𝑓𝑓
La disminución de
corriente será:
𝛥𝐼𝐿 = −
𝑉0
𝑡
𝐿 𝑜𝑓𝑓
Tensión continua de salida del convertidor Buck
Energía almacenada en el inductor
Energía almacenada
durante ton
Energía entregada
durante toff
𝑉 − 𝑉0
𝑉0
𝑡𝑜𝑛 =
𝑡
𝐿
𝐿 𝑜𝑓𝑓
Tensión continua
de salida
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Tensión de ripple de salida
La 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<<Ro).
El ripple de la tensión de salida es la tensión en el capacitor
consecuencia de ΔiL:
iL t = −iC t
𝑖1𝐶 𝑡 = −
1
𝑣𝐶 𝑡 =
𝑖 𝑡 dt
C 𝐶
𝑖2𝐶 𝑡 =
∆𝐼𝐿
∆𝐼𝐿
𝑡 − 𝑡𝑂𝑁 −
𝑡𝑂𝑁
2
∆𝐼𝐿
∆𝐼𝐿
𝑡−𝑇 +
𝑡𝑂𝐹𝐹
2
𝑣1𝐶 𝑡 → 0 < 𝑡 < 𝑡𝑂𝑁
𝑣2𝐶 𝑡 → 𝑡𝑂𝑁 < 𝑡 <T
IC
ΔIL
vC
VCP(+)
VCP(-)
0
𝑉𝐶𝑃
ton
−
= 𝑣1𝐶 𝑡 𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑡 =
t OFF
𝑡𝑂𝑁
2
T
𝑉𝐶𝑃
+
= 𝑣2𝐶 𝑡 𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑡 = 𝑡𝑂𝑁 +
𝑡𝑂𝐹𝐹
2
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Vpp =
Vpp = Vcp(+) + Vcp(−)
1 ∆𝐼𝐿
𝑇
𝐶 8
ΔIL
𝐕𝐩𝐩
ton
0
T
Vcp(−) =
1 ∆IL
D. T
C 8
Vcp(+) =
1 ∆IL
1−D T
C 8
Circuito de Prueba (Simulador)
Filtro Fuente SW
𝐷 = 0.5
∆𝐼𝐿 =
𝑇 = 20 𝜇𝑠
𝑡𝑜𝑛 = 10𝜇𝑠
𝑉1 = 20𝑉
𝑉0 = 10𝑉
𝑉1 − 𝑉0
𝑡𝑜𝑛
𝐿
∆𝐼𝐿 =
20 − 10
10 × 10−6
300 10−6
∆𝐼𝐿 =
1
𝐴 (333 𝑚𝐴)
3
1 ∆𝐼𝐿
𝑇
𝐶 8
Vpp =
1
1
3 20 × 10−6
20 × 10−6 8
𝑉𝑝𝑝 =
1
𝑉 (42 𝑚𝑉)
24
Vpp =
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Esquema de la Fuente Regulada con el
circuito de Control
Icc
Vo
IL
V
Ic
ID
Amp. Error
Comparador
R1
-
+
R2
+
-
Vref
Gen. Rampa
PWM Modulador de ancho de Pulso
Generador Diente
de Sierra
Verror
VOUT
VOUT
Verror
Verror
VOUT
Verror
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PWM
VCONT
V1
VERROR
t
VCONT
t
Simulación Modulador Ancho de Pulso
(PWM)
Diente de Sierra V1
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Simulación Fuente SWITCHING
Diente de Sierra V2
ESQUEMA GENERAL DE UNA FUENTE
CONMUTADA:
Vo
IL
V
Ic
ID
R4
Amp. Error
Comparador
+
R1
-
R2
+
-
R3
Vref
Gen. Rampa
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TL494
Circuito 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.
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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)
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TL494: Diagrama interno
PRINCIPIO DE OPERACIÓN
La 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.
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PRINCIPIO DE OPERACIÓN
TL494: Esquema de pines
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Ejemplo de aplicación TL494
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03/12/2014
Ejemplo de aplicación TL494
CIRCUITO REDUCTOR/ELEVADOR
BUCK/BOOST
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• Con el interruptor cerrado: V1=Vcc
La tensión V2 tiene la polaridad invertida con respecto a V1, por lo
tanto el diodo no conduce : I2=0. Además:
• Con el interruptor abierto: V2=-V0
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03/12/2014
𝑉1
𝑡
𝐿 𝑂𝑁
𝑉1
𝑡
𝐿 𝑂𝑁
𝑡𝑂𝑁
𝑡𝑂𝐹𝐹
T
En régimen estacionario se cumple que la
energía almacenada por L1 durante ton es
igual a la energía liberada en el tiempo toff.
Por lo tanto:
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REDUCTOR BUCK
CIRCUITO
REDUCTOR/ELEVADOR
BUCK/BOOST
ESQUEMA GENERAL DE UNA FUENTE CONMUTADA
TIPO DIRECTA (Forward)
D1
Vcc
Ip
Rectific.
Puente
V1
V0
Lo
D2
Io
V2
n1
R0
Co
n2
D3
n3
Amp. Error
R1
Comparador
+
+
R2
Vref
Gen.
Rampa
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FIN
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