Fuentes de Alimentacin

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Fuentes de Alimentación

• Juan Manuel Hernández Cid

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Problema sencillo de conversión c.d.-c.d.
Voltage de entrada 100V Carga 50V, 10A,
500W Cómo se puede realizar este convertidor?
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1a. posible solución
Divisor de tensión
I 10A
50V - Pperdida 500W
V 50V -
Vin 100V Pin 1000W
R 5 Ohms
Psalida 500W
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2a. posible solución
Utilizando un transistor en modo lineal
I 10A
V 50V -
Vin 100V Pin 1000W
R 5Ohms
-
Vref
Amplificador lineal y driver para la base

Pperdida 500W
Psalida 500W
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Elementos disponibles para el diseñador
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Interruptores para control de potencia
Características de potencia Interruptor
cerrado v(t) 0 Interruptor abierto i(t)
0 En cualquier caso p(t) v(t) i(t) 0 El
interruptor ideal consume cero potencia
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Solución mediante interruptor
D ciclo de trabajo ton/Ts Ts periodo
de operación
Posición del interruptor
Ts
ton
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Valor promedio de tensión
D ciclo de trabajo ton/Ts Ts periodo
de operación
Posición del interruptor
La componente de directa Vs(t) valor promedio
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Filtro de salida
Si agregamos un filtro pasa-bajas para retirar
los armónicos y dejar pasar la componente de
directa.
Pérdida pequeña

• Este convertidor es conocido como convertidor
  Buck
• Se elige la frecuencia de corte del filtro
  pasa-bajas más pequeña que la frecuencia de
  conmutación.

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Fuente regulada
potencia de entrada
Convertidor de CD-CD
carga
ganancia del sensor
driver para el gate
señal de error
PWM
compensador
señal de referencia
Si agregamos un control para regular la tensión
de salida
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Ejemplo
Cuánto dura operando el equipo con una batería
plenamente cargada?
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Eficiencia o rendimiento
Alta eficiencia es esencial en el convertidor
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Algunas aplicaciones de los convertidores

• Niveles de potencia encontrados en convertidores
  de alta eficiencia
• Menos de 1W en dispositivos portátiles con
  batería.
• Decenas, cientos o miles de watts en fuentes de
  poder para computadoras o equipo de oficina.
• Desde kW a MW en drivers para motores de
  velocidad variable.
• 1000 MW en rectificadores e inversores para
  líneas de transmisión de corriente directa.

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Convertidores DC-DC
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Fuente de alimentación ideal

• Tensión de salida constante a pesar de las
  variaciones de la tensión de entrada, corriente
  de carga, temperatura o tiempo de operación.
• Impedancia de salida nula para toda frecuencia.
• Eficiencia o rendimiento del 100.
• Sin ruido o rizado en la tensión de salida

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Especificaciones típicas (I)

• Regulación de tensión estática variación de la
  tensión de salida porcentual de la nominal
• Margen de tensión de entrada (line regulation
• Margen de corriente de carga (load regulation)
• Margen de temperatura de operación
• Regulación de tensión dinámica
• Respuesta a escalón de corriente (load transient
  response)
• Respuesta a escalón de tensión de entrada (line
  transient response)

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Especificaciones típicas (II)

• Protección de sobre-tensión
• Desconexión por baja tensión
• Corriente con límite (protección de sobrecarga)
• Desconexión por temperatura

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Especificaciones típicas (III)

• Sincronización externa
• Encendido suave (soft start)
• Apagado remoto y modo de control (PWM, PFM, LDO)
• Ajuste de la tensión de salida mediante
• Divisor de tensión resistivo
• Control analógico de tensión externo
• Control digital

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Parámetros de diseño de fuentes de alimentación

• Ciclo de trabajo (D)
• Corriente máxima o pico
• Inductancia
• Capacitancia
• Especificaciones de los semiconductores
• Frecuencia de operación

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Fuentes según el regulador

• Fuentes de alimentación con regulador lineal
• Fuentes de alimentación con regulador conmutado

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Fuente de alimentación lineal

• Funciones
• Transformación de tensión
• Rectificación
• Filtrado
• Regulación
• Aislamiento
• Protección

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Circuitos básicos
C1 se determina del rizado de tensión permitido.
C2 permite una impedancia de salida baja.
El regulador lineal permite una regulación de
línea y de carga precisas. También elimina el
rizado de tensión de salida.
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Tensión de entrada

• Tensión eficaz de 220 V, 50Hz
• Argentina, Australia, Europa, China
• Tensión eficaz de 127 V, 60Hz
• Brasil, Canadá, México, EUA, Venezuela
• Tensión eficaz de 100 V, 60 Hz
• Japón

• Para disminuir el acoplamiento capacitivo, el
  transformador lleva una jaula de Faraday entre
  primario y secundario que debe aterrizarse.

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Filtro Capacitor
Calcular C para una fuente de 50 W conectada a
115 V , 60 Hz
Europa C1 µF/W, 400 V América C2 µF/W, 200
V Japón C3 µF/W, 200 V
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Regulador lineal
Protección contra sobretensión crowbar
El 7805 tiene 60 dB de ripple rejection
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Reguladores lineales típicos
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Regulación lineal

• Simples
• Operación silenciosa
• Económicas (Pgt10W)

• Sólo es reductora
• Cada regulador maneja sólo una salida
• Bajo rendimiento (30 a 60)
• Requiere disipador

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Regulador LDO (Low Dropout Voltage Regulator)
El LDO TC1016, permite reemplazar los reguladores
en SOT-23 por estos dispositivos, que son un 50
mas pequeños y tienen las mismas características
de funcionamiento. El TC1016 tiene muy baja caída
de tensión, 200mV a 80mA y una baja corriente de
alimentación de 60uA (0,05uA en modo reposo ). Es
el regulador LDO más pequeño del mercado
(Feb.02). Con una alta precisión de voltage a la
salida (- 2.5 max.) y un excelente
comportamiento dinámico cubre los requisitos más
demandados en fuentes de alimentación.
50 500 mA
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Regulación conmutada

• Elevado rendimiento (68 a más de 90)
• Disipador menos voluminoso
• Puede proveer más de una salida
• Volumen y costo menor a mayor potencia

• Compleja
• Genera ruido que es irradiado
• Respuesta dinámica en función de la frecuencia de
  operación

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Comparación
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Cuándo usar fuentes conmutadas?

• Cuando se requiere rendimientos elevados
• Cuando la disipación de calor es problema
• Cuando la potencia es elevada (gt10W)
• Cuando se necesita prolongar el uso de la energía
  disponible (equipos portátiles)
• Cuando, en general, la relación costo/beneficio
  es favorable

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Secciones básicas

• Filtro EMI
• Capacitor de filtrado
• Transformador
• Interruptores de potencia
• Rectificadores de salida
• Filtro de salida
• Elementos de retroalimentación de corriente y de
  tensión
• Control

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Filtro EMI
Filtro de propósito general, 120/250VAC, 1-10A,
VDE, UL, CSA, CE
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Circuito típico de alimentación universal
Limita la corriente y el triac actúa
Supresor de transientes de tensión por varistor
MOV
Limita la corriente por termistor NTC
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Reguladores conmutados
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Convertidor directo
Es convertidor directo (forward) porque la
fuente de energía alimenta directamente tanto al
inductor, que almacena energía, como a la carga.
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Convertidores Indirectos
Convertidor elevador
Convertidor reductor-elevador o inversor de
tensión
El convertidor indirecto (o inverso flyback) se
distingue por que el inductor almacena energía
antes de alimentar la carga.
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Parámetros de los reguladores conmutados básicos
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Convertidores con aislamiento
Directo o forward
Inverso o flyback
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Convertidor Flyback
Pérdidas 1 W/A
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Convertidor auto-oscilante
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Convertidor contrafase
Formado por dos convertidores forward en
contrafase, conocido también como pushpull
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Convertidores contrafase con montaje en puente
Medio puente
Puente completo
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Topologías
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Configuraciones industriales y su área de empleo
46
Tipos de control
47
Control PWM
48
Circuito integrado de control
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Convertidor Push-pull
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Controlador de motor C.D.
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Ejemplo práctico 1
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Ejemplo de control de un motor c.d.
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Núcleo magnético
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Tipos de núcleos
1. Acero saturación 1.2 1.8 T (2 a 1000 Hz) 2.
Polvo de hierro saturación 1.2 T 3.
Micro-metales Kool-Mu sat. 1 T (punto de Curie
2500C) 4. Ferritas saturación 0.2 0.4 T
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Transformador
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Sistema eléctrico automotriz