Fuente Conmutada Tipo Convertidor Directo

Fuentes de alimentación conmutadas En las fuentes conmutadas la transformación del voltaje se consigue por medio de circuitos convertidores de CC-CC. Los circuitos de los convertidores CC-CC utilizan dispositivos semiconductores a modo de interruptor de alta frecuencia. Estos dispositivos de potencia no operan en su región activa, lo cual permite una menor disipación de potencia, además de reducir el tamaño de los dispositivos. Al operar a frecuencias altas son capaces de manejar grandes potencias y otorga a las fuentes de alimentación conmutadas una mayor eficiencia de energía, del rango de 70% a 90%. De forma general las fuentes conmutadas se dividen en diferentes bloques, el siguiente diagrama muestra la configuración general de una fuente de alimentación conmutada.

Figura 1. Fuente de alimentación en modo conmutado.

En la entrada se usa un filtro EMI con el fin de prevenir el EMI conducido. El EMI conducido es un fenómeno que ocurre naturalmente cuando el campo electromagnético de un dispositivo o aparato interrumpe, degrada o impide el campo electromagnético de otro dispositivo. El voltaje CA de entrada es rectificado por medio de un rectificador de diodos que lo convierte en un voltaje CC no regulado. El bloque del convertidor de CC-CC convierte el voltaje CC no regulado en un voltaje CC de salida regulado. Esto se logra mediante la conmutación de uno o varios interruptores de alta frecuencia, lo cual produce una CA de alta frecuencia a través del transformador de aislamiento. La salida del secundario del transformador es rectificada y filtrada para producir Vo. La salida de la fuente conmutada de la figura 1 se regula a través de un control de realimentación que utiliza un controlador PWM. El controlador PWM compara el voltaje de control con una forma de onda de dientes de sierra en la frecuencia de conmutación. Para aislar el bucle de realimentación se puede usar un transformador de aislamiento como se muestra en la figura 1 o por medio de un optocoplador.

Convertidor Directo El convertidor directo es un convertidor en modo de conmutación CC-CC. Los convertidores de CC-CC se usan en sistemas de suministro de energía CC regulados de modo de conmutación y en aplicaciones de accionamiento de motores. Los convertidores CC-CC utilizan uno o más interruptores de alta frecuencia para transformar la corriente continua de un nivel a otro. La entrada de estos convertidores suele ser un voltaje CC no regulado, el cual se obtiene rectificando el voltaje CA de línea, por lo tanto fluctuara debido a los cambios en la magnitud del voltaje de línea. Los convertidores CC-CC se encargan de convertir la entrada CC no regulada en una salida CC regulada. Los sistemas de suministro de energía CC regulados de modo conmutación suelen añadir un transformador de aislamiento eléctrico como modificación adicional. Control de convertidores de CC-CC El voltaje medio de los convertidores de CC-CC debe regularse para que iguale el nivel deseado, esto se consigue mediante el control de de los tiempos de encendido y apagado.

Figura 2. Modulador de anchura de pulsos.

La figura 2 muestra el método de control llamado conmutación por modulación de anchura de pulsos (PWM, pulse-width modulation). Este método de control emplea una frecuencia de conmutación constante (Ts= tenc + tapag) y ajusta la duración del tiempo de encendido del interruptor de alta frecuencia para controlar el voltaje medio de salida.

La señal de control del interruptor es generada por medio de la comparación de un voltaje de control en el nivel de señales vcontrol con una forma de onda repetitiva, como ilustra la figura 2. La señal de voltaje de control se obtiene mediante la amplificación del error que se genera cuando existe diferencia entre el voltaje deseado y el voltaje real. La frecuencia de la forma de onda repetitiva con un pico constate, que se muestra en la figura 2 como diente de sierra, determina la frecuencia de conmutación. En un control PWM esta frecuencia se mantiene

constante. Cuando la señal de error amplificada es mayor que la forma de onda de diente de sierra, la señal de control del interruptor se vuelve alta, lo cual provoca el encendido del interruptor. De lo contrario el interruptor está apagado.

Convertidor Directo

Figura 3. Circuito de Convertidor Directo.

El convertidor directo es una topología aislada de un solo interruptor. Es una derivación del convertidor reductor (Buck), al cual se le ha añadido un transformador de alta frecuencia de tres devanados para dotarle de aislamiento galvánico, y un diodo en el circuito de salida.

Basándonos en la figura 3, cuando el interruptor S está conduciendo el transformador transmite la energía hacia la salida. El diodo D1 comienza a conducir y la corriente que fluye provoca que la inductancia de salida L se cargue.

Cuando el interruptor deja de conducir, la tensión del secundario se invierte bloqueando el D1 y D2 comienza a conducir proporcionando la ruta necesaria para que la corriente acumulada en L siga circulando hacia la carga. En este estado es necesario evacuar la energía magnetizante almacenada en el transformador para no provocar una saturación en los siguientes ciclos. De esto se encarga el tercer devanado nt, el cual está conectado en serie con el diodo D3 que crea un camino de descarga.

La inductancia de salida L junto con el condensador de salida C forman el filtro de salida que da paso a una corriente con un rizado muy pequeño hacia la carga.

Fuente conmutada tipo convertidor directo

Figura 4. Diseño de Bloques de una Fuente Conmutada tipo Convertidor Directo La figura 4 muestra el diseño de bloques de una fuente de alimentación conmutada tipo convertidor directo. A continuación se explican las características de los bloques hasta ahora no mencionados: Filtro de entrada

Figura 5. Filtro de entrada

Consiste en un filtro de una sola etapa formado por L y por C, como podemos apreciar en la figura 5. Este filtro sirve para mejorar el factor de potencia de operación de la fuente conmutada y reducir el EMI conducido. El filtro debe tener la menor perdida posible de potencia para garantizar la eficiencia energética. La fuente de alimentación conmutada aparece como una resistencia negativa a través del condensador filtrante de entrada, ya que un creciente voltaje de entrada disminuye la corriente de entrada, pues el voltaje de salida esta regulado y permanece constante. La corriente de entrada decreciente con el voltaje de entrada creciente implica una resistencia de entrada

negativa. Si la amortiguación no es adecuada, es posible que aparezca una oscilación sostenida. Para evitar este fenómeno es útil que la frecuencia resonante del filtro de entrada sea una década más baja que la frecuencia resonante del filtro de salida a fin de evitar la interacción entre las dos. El condensador filtrante de entrada debe ser lo más grande posible y se deben incluir elementos amortiguadores adicionales. Puente rectificador El puente rectificador es el encargado de transformar la corriente alterna en corriente continua. Para ello utiliza un puente de diodos que obliga a la corriente a circular siempre en el mismo sentido.

Figura 6. Puente rectificador idealizado.

En la figura 6 podemos observar un puente de rectificador de diodos idealizado en el cual podemos observar como los diodos están agrupados en parejas, la pareja superior esta formada por D1 y D3, y la pareja inferior por D4 y D2. La corriente siempre avanzara por uno de los diodos del grupo superior y regresara por uno del grupo inferior. Cuando la corriente es positiva D1 comenzara a conducir quedando bloqueados D3 y D4, por lo tanto la corriente regresara por D2. Cuando la corriente es negativa D3 comenzara a conducir quedando bloqueados D1 y D2, la corriente regresara por D4. De esta forma la corriente siempre avanzara por P y regresara por N, convirtiendo la CA en CC no regulada.

Condensador volumétrico (Cd) El condensador volumétrico reduce la ondulación de voltaje en la entrada al convertidor y proporciona un tiempo de retención durante el cual, en ausencia del voltaje de entrada CA, la alimentación sigue proporcionando un voltaje de salida regulado. El condensador volumétrico Cd se calcula en función del tiempo de detención deseado:

Control PWM de Alimentación directa de voltaje En el control PWM previamente visto, si cambia el voltaje de entrada se produce un error en el voltaje de salida que se corrige por el control de realimentación. Esto genera un desempeño dinámico lento en la regulación de la salida en respuesta a los cambios en la entrada. Si se ajusta la relación de trabajo en forma directa la salida del convertidor permanecería constante. La estrategia para conseguir esto es hacer que la rampa de la forma de onda de dientes de sierra no permanezca constante, sino hacerla variar en proporción directa al voltaje de entrada.

Figura 7. Alimentación directa de voltaje. En la figura 7 se puede apreciar cómo un voltaje de entrada incrementado Vr genera una disminución de la relación de trabajo. Este tipo de control en convertidores derivados de los reductores (como el convertidor directo) da por resultado vo(s)/vd(s) igual a cero y, por consiguiente, una regulación excelente inherente para los cambios de entrada.