fuente conmutada

CONFIGURACIONES BÁSICAS: Las fuentes conmutadas son de circuitos relativamente complejos, pero podemos siempre diferenciar cuatro bloques constructivos básicos:

En el primer bloque rectificamos y filtramos la tensión alterna de entrada convirtiéndola en una continua pulsante. El segundo bloque se encarga de convertir esa continua en una onda cuadrada de alta frecuencia (10 a 200 kHz.), La cual es aplicada a una bobina o al primario de un transformador. Luego el segundo bloque rectifica y filtra la salida de alta frecuencia del bloque anterior, entregando así una continua pura. El cuarto bloque se encarga de comandar la oscilación del segundo bloque. Este bloque consiste de un oscilador de frecuencia fija, una tensión de referencia, un comparador de tensión y un modulador de ancho de pulso (PWM). El modulador recibe el pulso del oscilador y modifica su ciclo de trabajo según la señal del comparador, el cual coteja la tensión contínua de salida del tercer bloque con la tensión de referencia. Aclaración: ciclo de trabajo es la relación entre el estado de encendido y el estado de apagado de una onda cuadrada. En la mayoría de los circuitos de fuentes conmutadas encontraremos el primer y el cuarto bloque como elementos invariables, en cambio el cuarto y en segundo tendrán diferentes tipos de configuraciones. A veces el cuarto bloque será hecho con integrados y otras veces nos encontraremos con circuitos totalmente transistorizados. El segundo bloque es realmente el alma de la fuente y tendrá configuraciones básicas: BUCK , BOOST, BUCK-BOOST.

Buck: el circuito interrumpe la alimentación y provee una onda cuadrada de ancho de pulso variable a un simple filtro LC. La tensión aproximada es Vout = Vin * ciclo de trabajo y la regulación se ejecuta mediante la simple variación del ciclo de trabajo. En la mayoría de los casos esta regulación es suficiente y sólo se deberá ajustar levemente la relación de vueltas en el transformador para compensar las pérdidas por acción resistiva, la caída en los diodos y la tensión de saturación de los transistores de conmutación. Boost: el funcionamiento es más complejo. Mientras el Buck almacena la energía en una bobina y éste entrega la energía almacenada más la tensión de alimentación a la carga. Buck-Boost: los sistemas conocidos como Flyback son una evolución de los sistemas anteriores y la diferencia fundamental es que éste entrada a la carga sólo la energía almacenada en la inductancia. El verdadero sistema Boost sólo puede regular siendo Vout mayor que Vin, mientras que el Flyback puede regular siendo menor o mayor la tensión de salida que la de entrada. En el análisis de los sistemas Boost comenzamos por saber que la energía que se almacena en la inductancia es entregada como una cantidad fija de potencia a la carga: Po = ( L I² fo) / 2 ; I es la corriente de pico en la bobina, fo es la frecuencia de trabajo, L es el valor de la inductancia. Este sistema entrega siempre una cantidad fija de potencia a la carga sin fijarse en la impedancia de la carga, por eso es que el Boost es muy usado en sistemas de flash fotográficos o en sistemas de ignición del automotor para recargar la carga capacitiva, también es usado como un muy buen cargador de baterías. Pero cuando necesitamos alimentar un sistema electrónico con carga resistiva debemos conocer muy bien el valor de resistencia para poder calcular el valor de la tensión de salida: Vo = ( Po.Rl )^½ = I ( ½ L fo Rl )^½, donde Rl es el valor de resistencia del circuito. En este caso la corriente de la bobina es proporcional al tiempo de conectado o al ciclo de trabajo del conmutador y la regulación para cargas fijas se realiza por variación del ciclo de trabajo.

CONFIGURACIONES BÁSICAS RECOMENDADAS Las configuraciones más recomendadas por los fabricantes se diferencian en potencia, modo, precio, utilidad y calidad. Son muy comunes las siguientes configuraciones: CIRCUITO - POTENCIA 

Convertidores DC (Buck) - 5 Watts



Flyback - 50 Watts



Forward (Boost) - 100 Watts



Half-Bridge - 200 Watts



Full-Bridge - 500 Watts

FLYBACK Y FORWARD (BOOST): 

Rango desde 50 hasta 250 vatios.



Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%



Eficiencia del convertidor: h = 80%



Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.4



Máx. corriente de trabajo en el transistor:

Iw = 2 Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 5.5 Pout / Vin (FLYBACK) Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 2.25 Pout / Vin (FORWARD) 

Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = 2 Vin(max) 1.41 + tensión de protección

Configuración básica:

En el regulador flyback se puede variar sutilmente el modo de trabajo, contínuo o discontinuo. Modo Discontínuo: es el modo Boost estrictamente, donde la energía se vacía completamente del inductor antes de que el transistor vuelva a encenderse. Modo Contínuo: antes que la bobina se vacié enciende nuevamente el transistor. La ventaja de este modo radica en que el transistor sólo necesita conmutar la mitad de un gran pico de corriente para entregar la misma potencia a la carga.

El regulador Forward difiere del Flyback en que agrega un diodo más para ser usado como diodo de libre rodado en el filtro LC y un devanado más en el transformador para lograr el reestablecimiento. Gracias a todo esto puede entregar potencia a la carga mientras el transistor está encendido. El ciclo de trabajo no puede superar el 50%.

PUSH-PULL: 

Rango desde 100 hasta 500 vatios.



Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%



Eficiencia del convertidor: h = 80%



Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8



Máx. corriente de trabajo en el transistor:

Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 1.4 Pout / Vin (FORWARD) 

Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = 2 Vin(max) 1.41 + tensión de protección

Configuración básica:

HALF-BRIDGE: 

Rango desde 100 hasta 500 vatios.



Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%



Eficiencia del convertidor: h = 80%



Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8



Máx. corriente de trabajo en el transistor:

Iw = 2 Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 2.8 Pout / Vin (FORWARD) 

Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = Vin(max) 1.41 + tensión de protección

Configuración básica:

Opcionalmente agregando un capacitor de acoplamiento:

FULL-BRIDGE: 

Rango desde 500 hasta 1000 vatios.



Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%



Eficiencia del convertidor: h = 80%



Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8



Máx. corriente de trabajo en el transistor:

Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 1.4 Pout / Vin (FORWARD) 

Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = Vin(max) 1.41 + tensión de protección

Configuración básica:

Fuentes conmutadas vs. fuentes lineales Básicamente existen dos formas de realizar una fuente de alimentación regulada. Una de ellas consiste en hacer una fuente que entregue mayor tensión de la requerida a la salida. Entre la fuente y la carga se coloca un dispositivo regulador que no hace otra cosa que disminuir la tensión de la fuente hasta un valor deseado manteniéndolo constante. Para lograr esto, se utilizan transistores que trabajan como resistencias variables. De esta manera, parte de la potencia de la fuente llega a la carga y parte se transforma en calor que se disipa luego en el aire. A estos dispositivos se los denomina reguladores lineales y se caracterizan por generar bastante calor para potencias medianas y altas (figura 1).

Otro tipo de reguladores son capaces de tomar de la fuente sólo la potencia que la carga requiere. De esta manera, prácticamente no hay potencia disipada en forma de calor y por ello su eficiencia es mucho mayor. El principio de funcionamiento de estos reguladores consiste en transformar la tensión continua de la fuente en una serie de pulsos que tienen un ancho determinado. Estos pulsos son luego integrados y transformados nuevamente en una tensión continua. Variando el ancho de los pulsos es posible controlar la tensión de salida. A los reguladores que emplean este principio se los denomina reguladores conmutados (figura 2).

Como podrán imaginar la complejidad circuital de los reguladores conmutados había relegado su uso, hasta no hace mucho tiempo, al campo de las altas potencias o aplicaciones especiales. Sin embargo ahora se cuenta con circuitos integrados que facilitan y reducen los costos de este tipo de reguladores con lo cual su uso se ha extendido enormemente en los últimos años.

Fuentes de alimentación para PCs Toda PC actual cuenta con una fuente de alimentación regulada conmutada de gran calidad y rendimiento.

Estas fuentes, se pueden obtener como un componente separado en los negocios del ramo. Existen distintas versiones que proporcionan distintas potencias de salida siendo las más usuales las de 200 y 250 Wats. Cada fuente cuenta con conectores para el cable de entrada de 220V o 110V y un ventilador. Todo en una pequeña cajita metálica con abundantes orificios de ventilación. Estas fuentes son en realidad fuentes conmutadas que utilizan un muy conocido circuito integrado especialmente diseñado para este fin, el TL494. Gracias a este integrado, se pueden hacer fuentes conmutadas a un bajo costo ya que en él están presentes todos los circuitos de control necesarios y sólo es necesario agregar algunos componentes pasivos (resistencias y capacitores) y transistores de potencia. Ocho (8) pasos en la Reparacion de la Fuente-PC IMPORTANTE: Se deja constancia de que las fuentes de alimentación trabajan con tensiones peligrosas que pueden producir descargas eléctricas fatales si no se toman los recaudos necesarios. La

reparación

debe

ser

encarada

por personal capacitado.

Para reparar la fuente es necesario trabajar con un transformador aislador de la línea de alimentación para protección y de ser posible tener instalado un protector de tipo diferencial. Elementos

necesarios:

1.- Multimetro 2.-

o Transformador

3.4.5.- Estaño y

"tester"

220V-220V

Lampara Soldador demás

o

o

110V-110V

serie cautin

elementos

aproximadamente para

desoldar

100w. de y

30w. soldar.

1.- Si el fusible está quemado, antes de reeplazarlo por otro comenzar midiendo los diodos o el puente rectificador. Los diodos conducen corriente en 1 solo sentido. Si al invertir las puntas del ohmetro conducen en los dos sentidos es que están en corto y hay que reemplazarlos. Nunca se debe soldar un alambre en lugar del fusible, esto puede producir que la fuente se deteriore

aun

más.

2.- Continuamos desoldando y midiendo los transistores de conmutación de entrada de línea. La mayoría de ellos son NPN, al medirlos recordar las junturas de base-colector o base-emisor deben conducir en 1 solo sentido, si marcan muy bajaresistencia deben ser reemplazados. En la mayoría de fuentes incluidas las ATX funcionan bien los del tipo BUT11 .

3.- Corroborar que los "filtros" o condensadores electroliticos no estén defectuosos. Visualmente se puede ver si derramaron aceite , si estallaron, o(con el ohmetro) si están en cortocircuito. 4.- Existen 4 resistencias asociadas a los transistores de potencia que suelen deteriorarse, especialmente si estos se ponen en corto. Los valores varían entre las distintas marcas pero se identifican pues 2 de ella se conectan a las bases de dichos transistores y rondan en los 330k Ohms mientras que las otras dos son de aproximadamente 2,2 Ohms y se conectan a los emisores de los transistores. 5.- El "arranque" de la fuente se obtiene por un condensador del tipo poliester en serie con el transformador de entrada y una resistencia de aproximadamente 10 Ohms. Si se abre alguno de estos

componentes

la

fuente

no

"arranca".

6.- ATENCION: Al momento de probar la fuente, ya que estas funcionan directamente con tensión de línea,es recomendable conectarla con un transformador aislador de línea del tipo 220v-220v o 110v-110v. Esto evitará riesgos innecesarios y peligro de electrocución. También se puede conectar

una

lampara

en

serie

de

100w

por

si

existe

algún

cortocircuito.

7.- Las fuentes ATX necesitan un pulso de arranque para iniciar. Se puede conectar la alimentación a

una

carga

(resistencia

de

carga;para simular la presencia de la Mother Board). Pero esto solo se hará después de haber comprobado que la fuente no esta en corto, con elprocedimiento del punto 6. 8.- Si después de aplicar estos procedimientos sigue sin funcionar ya seria necesario comprobar el oscilador y para ello se debe contar por lo menos con un osciloscopio de 20 Mhz. También la inversión de tiempo y

el costo de

la

fuente

nos

harán

decidir

si

seguir

adelante.

Los integrados moduladores de pulsos de las mayoría de fuentes están en los manuales de circuito tipo

el

ECG

de

Philips

o

similares.

Se comienza por verificar la alimentación de dicho integrado y las tensiones en las distintas patas. También se pueden verificar "en frío"(es decir sin estar conectada la fuente) que no halla diodos en

corto.

En estas fuentes suelen utilizarse diodos del tipo 1N4148 de baja señal que suelen estropearse con facilidad (se miden con el ohmetro) y diodos zener que suelen ponerse en corto si se cambio accidentalmente

la

tensión

de

alimentación

de

la

fuente.

En la mayoría de fuentes hay rectificadores integrados que físicamente se parecen a los

transistores pero internamente son solo 2 diodos. Se pueden retirar y medirlos fuera del circuito pues el transformador con el cual trabajan hará parecer, al medirlos, que están en corto.

2. Amplificador de error Se encarga de comparar al voltaje del sensor con el voltaje de referencia que está dado por un diodo Zener de 4.9V, utilizando un amplificador operacional 741. Con el fin de mantener la salida de la fuente en 5V. Cuando el voltaje es mayor, la salida es positiva y va al modulador de pulsos. Los

cálculos

para

los

elementos

externos

son:

•Iz

=

0.5mA

•Rz

=

33koh

•Amplificador •Vo = 10 (Vi - 4.9)

3. Convertidor

restador

El convertidor es la sección donde se lleva a cabo la conversión de la energía de variable a constante.

Está

directamente

conectado

a

la

carga.

El que se ve en la figura es un convertidor "flyback" tipo reductor directo. Los diodos usados son de alta frecuencia y el inductor y el capacitor se van turnando el almacenamiento de energía, a la frecuencia

del

modulador

de

pulsos.

De la salida del convertidor se toma una muestra para el circuito de control y la comparación con la El cálculo del

referencia. inductor

y

del

•L

capacitor

se

hace

con

las

siguientes ecuaciones:

=

(Vi-Vo)ton/diL

•C = Ic toff/Vmax

4. Etapa de potencia Este arreglo constituye la etapa de potencia para el transistor de conmutación. Es necesario puesto que la corriente que pasa por el circuito de entrada a esta etapa no es suficiente para alimentar

al

transistor

Darlington

que

efectúa

la

conmutación.

Los capacitores de 470pF son para sobreexitar la base al principio de la conmutación. •Dos amplificadores inversores transistorizados. Cumplen la función de lógica no inversora. •Amplifican •Bajo •Alta corriente

la

corriente

necesaria

para

el

transistor

de

conmutación ruido

5. Modulador de pulsos El modulador de pulsos está compuesto por dos cuartas partes de un 339 y por un 741. El primer 1/4 339 compara el nivel dc entre el oscilador y el sensor. Da una salida alta si el error es menor. El segundo amplificador 339 deja pasar la señal solo si la pendiente es positiva. Para eso se usa el derivador inversor implementado con un 741. Para lograr una onda creciente y decreciente, con el fin de compararla con la del otro operacional. De esta manera se logra una frecuencia variable

dependiendo

•dVi/dt

=

del

nivel

del

20E+4

•Vo

=

•RC •C •R = 2.5koh

= =

voltaje

en =

la

salida. Vo/RC 5V 25E-6 0.01mcF

6. Oscilador El oscilador es el encargado de producir la frecuencia de oscilación, la cual será la referencia para la oscilación de la fuente, en caso de que sea necesario un ajuste en el nivel del voltaje. Esta oscilación se produce mediante un VCO (566). La frecuencia y los elementos externos se calculan de

la

siguiente

•f

=

•3Vcc/4

2(Vcc-Vc)/RCVcc

<

•2koh

Vc

<

<

R

•C’

Vcc

<

20koh

=

•f •R1

manera:

0.001mcF =

=

1.2koh,

R2

•Vc •C

50kHz

= =

=

4.7koh 0.8Vcc 0.001mcF

•R = 4.52koh El capacitor C', que se coloca entre las patillas 6 y 5, elimina posibles oscilaciones en la fuente de control

de

corriente.

La frecuencia de salida es de aproximadamente 50kHz, dependiendo del voltaje de entrada y va directamente al modulador de pulsos.

7. Protección de sobrecorriente •Le da un camino rápido a la corriente proveniente del inductor en el momento del corte. Tal y como sabeos, los devanados de un transformador cumplen la misma función y contienen los

mismos fenómenos que una inductancia. Las inductancias tienen la característica de que cuando sufren un cambio repentino en el sentido del voltaje, se dan picos grandes de corriente. Estos cambios ocurren con más razón en una fuente conmutada en donde el principio fundamental es precisamente ese. Es con el fin de proteger al transistor de potencia de esos picos de corriente que se coloca un diodo Zener en paralelo con una resistencia y con dicho transistor. De esta manera se provee un camino directo a la tierra del circuito, por donde pasará toda la corriente proveniente del transformador de conmutación.

8. Rectificación y filtrado •Transformador

de

•Puente

entrada

de

•Capacitores

diodos de

•Transformador

rizado

de

conmutación

Gracias al puente de diodos el rizado es menor y el valor del capacitor disminuye. El divisor de voltaje sirve para obtener la fuente de voltaje de 20V, para alimentar a todos los integrados del circuito de control, este voltaje de 20V se mantiene a un nivel por medio de la referencia

del

Zener

1N860.

El capacitor de rizado reduce el rizado y previene el paso de residuos de conmutación a través de los

diodos

y

hacia

la

fuente

ac.

La componente de pérdidas es el principal problema, debe estar bajo cierto nivel para evitar el sobrecalentamiento. El devanado auxiliar sirve para darle potencia a la carga con el transistor en saturación. Cuando este entra en corte el diodo se polariza en directo y mantiene la corriente hacia la carga. Sin este tercer devanado se perdería la eficiencia a altas frecuencias. Su función es retornar la energía almacenada en el trafo a la línea y resetea el núcleo del trafo en cada ciclo. Es popular en aplicaciones menores a 200W y es prácticamente inmune a la saturación.

9. Sensor •Un buffer para aislar cargas de control y potencia y disminuir la impedancia de entrada. •Un amplificador no inversor con ganancia variable por si el voltaje de salida requerido es diferente

a

5V

En caso de que el voltaje de salida requerido sea diferente a 5V no solo se debe variar la ganancia de el amplificador (por medio de las resistencias), sino que también se debe cambiar la referencia de voltaje en el amplificador de error

10. Transistor de potencia El transistor de potencia usado es un arreglo Darlington que viene en un circuito integrado de la Texas

Instrument®,

el

TIP120.

TIP120: •Amplificador no inversor •Configuración Darlington •Alta ganancia de corriente •Corto tiempo de Ventajas

saturación del

Darlington

•conmutación más rápida •se maneja directamente •menor corriente y menor potencia de manejo