Funtes Conmutadas En Venom 302j5d

República Bolivariana de Venezuela Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vice-Rectorado “Luis Caballero Mejías” Especialidad: Ingeniería en Sistemas Cátedra: LAB de Sistemas electrónicos II

DISEÑO DE FUENTE CONMUTADA

Prof: Francisco Ledo Alumnos: Dayana Jaimes exp 201310054 Maira Olazabal exp 2013203105 Humberto Raniolo exp 2014203031

Caracas, 20 de julio de 2017

tenerse en cuenta al momento de su diseño de modo

Introducción Se conoce que la mayoría de dispositivos que

de ser minimizado mediante un buen layout.

utilizamos de manera cotidiana necesitan de un

Ventajas

voltaje constante, y una de las maneras más eficientes

Alimentacion Conmutada

de obtener estos voltajes es a través de las fuentes de switcheo gracias a su capacidad de entregar voltajes bastantes estables a y mucho más eficientes que las

Desventajas

De

Una

Fuente

De

Las fuentes conmutadas tienen las siguientes ventajas:

fuentes lineales y que tienen la capacidad de

· La eficiencia de las fuentes conmutadas está

suministrar mucha más corriente por el orden de los

comprendida entre el 68 y el 90%. Esto hace reducir

amperios sin necesidad un gran transformador, como

el costo de los dispositivos de potencia. Además, los

ocurre en el caso de las fuentes lineales.

dispositivos de potencia funcionan en el régimen de corte y saturación, haciendo el uso más eficiente de

¿Que son las fuentes de conmutación? Las

fuentes

de

Alimentación

un dispositivo de potencia.

Switching

o

· Debido a que la tensión de entrada es conmutada en

Conmutadas son producto de técnicas no lineales más

una forma de alterna y ubicada en un elemento

potentes y evolucionadas que permiten los notables

magnético,

avances tecnológicos en cuanto a velocidad y

transformación pudiendo funcionar como reductor,

manejos de grandes corrientes y voltajes en

elevador, o inversor de tensión con múltiples salidas.

se

puede

variar

la

relación

de

transistores, diodos, drivers y transformadores de alta esta

· No es necesario el uso del transformador de línea,

tecnología son la importante reducción de los

ya que el elemento magnético de transferencia de

tamaños y pesos de las fuentes, junto con un relevante

energía lo puede

incremento en la eficiencia de las mismas. Permiten

Reemplazar, funcionando no en 50/60 Hz, sino en

materializar dispositivos muy versátiles que con otras

alta frecuencia de conmutación, reduciendo el tamaño

técnicas son muy difíciles de implementar, por

del transformador y en consecuencia, de la fuente;

ejemplo Generadores de Funciones en Potencia con

reduciendo el peso, y el coste.

frecuencia.

Las

principales

ventajas

de

formas de ondas tradicionales como senoidales, triangulares, cuadradas o de la forma que el cliente lo

Un transformador de energía de 50/60 Hz tiene un

requiera, con potencias de 1000 Watts a 10.000 Watts

volumen efectivo significativamente mayor que uno

y mucho más, lo que resulta impensable con las

aplicado en una fuente conmutada, cuya frecuencia es

técnicas lineales. Otras de las características

típicamente mayor que 15 kHz.

importantes es el ancho rango de variación del voltaje de entrada conservando intacto el voltaje de salida. La principal desventaja de las fuentes switching es la generación de ruido de alta frecuencia que debe

La desventaja de las fuentes conmutadas es su

Las fuentes de conmutación tienen una

diseño más elaborado. Un diseño de una fuente

estructura básica como la que se muestra la figura,

conmutada puede llevar varias semanas o meses de

que difiere mucho del esquema de una fuente lineal.

desarrollo y puesta a punto, dependiendo de los

El funcionamiento de una fuente de conmutación

requerimientos.

tiene su esencia en un circuito compuesto por una

Segundo, el ruido es mayor que el de las fuentes

bobina que se carga por medio de un voltaje DC

lineales. En la salida y entrada, radia interferencia

aplicado directamente sobre sus terminales durante

electromagnética y de radiofrecuencia. Esto puede

un tiempo específico y luego, cuando se abren sus

dificultar el control y no deberá ser ignorado durante

terminales, ésta entrega su energía a una carga que no

la fase de diseño. Por éste motivo se deberán agregar

es

de protección, de arranque suave, y filtros de línea

condensador como elemento de filtrado a la salida y

adicionales como etapas previas.

un diodo. Esto puede variar ligeramente ya que

Tercero, la fuente conmutada toma proporciones de energía de la entrada en pulsos de tiempos limitados para transferirlo a la salida en otras condiciones de corriente y tensión, por lo que le llevará mayor tiempo de restablecimiento al circuito para soportar variaciones en la entrada. Esto se llama “respuesta transitoria en el tiempo“. Para compensar este funcionamiento lento, los capacitores de filtro de salida se deberán incrementar para almacenar la

puramente

corriente de forma constante a medida que el tiempo aumenta. Si controlamos el tiempo durante el cual la bobina almacena energía, podemos tener un control que se refleja directamente sobre el voltaje de la salida. CONFIGURACIONES BASICAS Existen distintas configuraciones: 

Buck / step down: la tensión de salida es menor que la tensión de entrada.



Boost / step up: la tensión de salida es mayor que la tensión de entrada.



Buck-Boost / inverter: la tensión de salida es opuesta a la tensión de entrada.

 ESTRUCTURA BÁSICA

un

sobre una bobina, ésta empieza a incrementar su

insertar una fuente lineal en serie con la fuente conmutada.

contiene

Cuando aplicamos un voltaje directamente

aplicaciones. En baja potencia, donde es necesario una mejor característica de rizado se está optando por

que

existen diferentes topologías.

Generalmente, la industria está optando por el uso de fuentes conmutadas en la mayoría de las

ya

depende del tipo de configuración que se utilice, pues

energía necesaria por la carga durante el tiempo en que la fuente conmutada se está ajustando.

resistiva

Flyback: posee una configuración similar que el inverter pero su funcionamiento se basa en 2 o varios inductores acoplados, posee la ventaja de permitir obtener varias salidas de tensión.

FUNCIONAMIENTO BUCK/STEP-



Amplificador de error

DOWN



Control de corriente

Primero tenemos el transistor de conmutación en saturación, es decir switch cerrado. La corriente en el inductor aumenta en forma lineal. En este periodo la corriente que circula por el inductor carga el capacitor y además alimenta la carga.

En el segundo periodo de tiempo el transistor de conmutación se abre y la tensión de alimentación Vin desaparece y entonces el inductor genera una tensión inversa para poder mantener la corriente circulando a través de él. Esto hace que el diodo se polarice en directa y cierre el circuito formado por inductor, capacitor carga y diodo.

DESCRIPCIÓN DEL LM3524 Este circuito integrado se encarga de generar pulsos de voltaje de ancho variable, es decir es un circuito tipo PWM, este tiene dos transistores de salida en colector abierto, su función es entregar un voltaje de base alternadamente durante cada semiciclo. El tiempo que dura el pulso del voltaje de base de cada uno de los transistores depende de la señal de la salida de un comparador de voltaje, el cual compara la rampa de sincronismo, que está en la entrada no inversora, con un voltaje en la entrada inversora proveniente de cuatro pines diferentes: 

Compensación



Shutdown

El LM3524 tiene en el pin 16 un chip 5V 50maA, el cual es un regulador de voltaje protector de cortocircuitos, este regulador de voltaje alimenta los componentes internos del circuito, además puede ser usado como una referencia externa. Este integrado además tiene un oscilador el cual se encarga de generar una señal triangular estable, lo cual es necesario para generar pulsos de sincronización que obliguen al PWM a trabajar a esa frecuencia, la frecuencia de este viene dada por una resistencia externa en el pin 7, y un condensador externo en el pin 8. Además de esto la salida del oscilador provee de las señales de triggering para un flip-flop interno, que dirige la información del PWM a las salidas, y un pulso ocultador que apaga ambas salidas de los transistores para que la conducción no ocurra, el ancho de este pulso está determinado por CT pin 7. Para los pines 1 y 2 se encuentra un amplificador de error, que compara en voltaje en estas dos entradas, la ganancia de este amplificador depende de la frecuencia de entrada además de la

resistencia entre el pin 9 y tierra .Para que la señal de salida sea cero el voltaje de entrada entre 1 y 2 deben ser iguales.

DESCRIPCIÓN DEL LM3524 COMO PARTE DE UNA FUENTE CONMUTADA STEPDOWN

En la salida 4 y 5 se encuentra un limitador de corriente, la función de este es anular al amplificador de error y tomar el control del ancho de banda, esto lo hace cuando haya una diferencia mayor o igual de 200mV entre la entrada no inversora e inversora de este amplificador. El pin 10 o shutdown pone el voltaje de la entrada inversora del comparador interno en cero cuando hay una señal alta en su entrada sin importar que halla en las otras ramas, obligando a apagar la salida del control. Para generar el PWM se necesita un comparador en el en su entrada no inversora haya una señal dientes de sierra o triangular, como la que es generada por el oscilador interno, y además que haya un y en la entrada inversora haya una señal de referencia como la generada por las entradas de compensación, el shutdown, el amplificador de error y el control de corriente. Las salidas del LM3524 son transistores NPN, capaces de un máximo de corriente de 200 mA. Estos transistores conducen 180° fuera de fase y no tienen comprometidos colectores y emisores abiertos; los pulsos de control de cada transistor de salida empiezan con la rampa de sincronización (entrada no inversora), y terminan cuando esta se hace mayor al voltaje de la entrada inversora del comparador.

El pin 16 (VR) tiene una tensión de 5V, alimenta por medio de un divisor de tensión al pin 2 (entrada NI del comparador de ERROR), a una tensión de 2,5V. El pin 1 (entrada INV del comparador de ERROR) se alimenta por un divisor de tensión formador por una resistencia de 5k OHM y Rf, alimentado por la tensión de salida Vo. El valor de Rf es aquel que establezca en el pin 1 la tensión de 2,5V, si Vo es el nivel de tensión de diseño. En caso de una desviación positiva en la tensión de salida Vo, el error será negativo, haciendo que el comparador de ERROR tenga una salida 0V, esto a su vez, hará que el COMPARADOR tenga una salida en 5V, Q del flip-flop SR también será 5V; forzando a las compuertas NOR tener una salida de 0V, entrando los transistores en corte, disminuyendo la

tensión media Vo. En caso de una desviación negativa en la tensión de salida, el error será positivo, no alterando el ciclo de trabajo de la salida. VINV

5k ∙ Vo Vo = = 2,5V ⇒ Rf = 5k ∙ ( − 1) 5k + Rf 2,5

Las entradas del comparador de Corriente limite (Current Limit) están cortocircuitadas, no actúa. Fórmula para calcular los componentes de una fuente Step down 

Formulas

Capacitor Co. El condensador absorbe el exceso de corriente que fluye por la bobina L1 cuando IL es mayor a IoDC , y aporta la corriente faltante cuando IL es menor a IoDC a la carga. Por tanto: ICo = IL − IoDC Como ∆IL += ∆IL −, la corriente de carga y descarga del capacitor, es igual a un cuarto de la variación de

2.5 ∙ (VIN − Vo ) ∙ Vo ∙ T L1 = VIN ∙ IoDC

medio inactivo,

∆Vop−p =

La constante de tiempo está fijada por la resistencia RT y el condensador CT la cual nos permite fijar la frecuencia del oscilador del sistema, la cual se puede hallar con la siguiente ecuación.

2

tON 2

. Y la descarga en un

.

1 ∆IL t ON t OFF 1 ∫ i ∙ dt = ∙( + )∙ Co 4 2 2 Co ∆IL ∙ T (VIN − Vo ) ∙ t ON T = = ∙ 8 ∙ Co L1 8 ∙ Co (VIN − Vo ) ∙ t ON ∙ T 8 ∙ Co ∙ L1 (V Vo ∙ T IN − Vo ) ∙ T = ∙ VIN 8 ∙ Co ∙ L1 (VIN − Vo ) ∙ Vo ∙ T 2 = 8 ∙ Co ∙ L1 ∙ VIN

∆Vop−p =

1 R T ∙ CT

Demostración de fórmulas. Bobina L1

De las relaciones de ∆IL =

tOFF

. La carga se produce en

La diferencia de potencial en el capacitor es:

Vo Rf = 5k ∙ ( − 1) 2,5



4

un medio del tiempo activo,

(VIN − Vo ) ∙ Vo ∙ T 2 Co = 8 ∙ ∆Vo ∙ L1 ∙ VIN

fOSC =

∆IL

corriente del inductor L1,

Co =

VL ∙∆T L1

podemos obtener

(VIN − Vo ) ∙ Vo ∙ T 2 8 ∙△ Vo ∙ L1 ∙ VIN

t ON y t OFF de los parámetros del circuito. (VIN − Vo ) ∙ t ON (∆IL +) ∙ L1 ∆IL += → t ON = (VIN − Vo ) L1 Vo ∙ t OFF ∆IL −= L1

→

T = t ON + t OFF =

t OFF

(∆IL −) ∙ L1 = Vo

(∆IL +) ∙ L1 (∆IL −) ∙ L1 + (VIN − Vo ) Vo ∆IL = 0.4 ∙ IoDC

Para →

T=

(0.4∙IoDC )∙L1 (VIN −Vo )

+

(0.4∙IoDC )∙L1

→ L1 =

Vo 2.5∙(VIN −Vo )∙Vo ∙T VIN ∙IoDC

Cálculos y valores para el diseño de una fuente step down VIN(Volt) 60

VO(Volt) 12

IO(A) 5

Vr(%) 1

F(kHz) 100

Se procederá a utilizar una frecuencia de 100 kHZ debido a que el integrado que se va a utilizar (LM3524) es de alta frecuencia y su respuestas será mejor a esta alta frecuencia.

Cálculos para la bobina L1 L1 = L1 =

Cabe señalar que según el data sheet

2.5 ∙ (VIN − Vo ) ∙ Vo ∙ T VIN ∙ IoDC

2.5 ∙ (60V − 12V) ∙ 12V ∙ 10us 60V. 5A L1 = 48uH

Cálculos para el condensador Co Co =

(VIN − Vo ) ∙ Vo ∙ T 2 8 ∙△ Vo ∙ L1 ∙ VIN

(60V − 12V) ∙ 12V ∙ (10us)2 Co = 8 ∙ 0.12 ∙ 48uH ∙ 60V Co = 20uF

Se sabe que las especificaciones de diseño del integrado específica que el voltaje de entrada es de 60v y como el voltaje máximo que a el Lm3524 es de 40 se debe proceder a reducir este voltaje para ellos se utilizara una resistencia para limitar la corriente y luego un diodo zener para regular el voltaje de entrada del integrado. Se procedió a utilizar el BZY93C39 que tiene un voltaje de regulación de 39v y una disipación de 20w ya que la potencia disipada por el zener es de: Pz1 = Vo ∙ Imax = 60v . 200mA = 12W

Cálculos para la resistencia RF Rf = 5k ∙ (

Vo − 1) 2,5

Rf = 5k ∙ (

12 − 1) 2,5

Rf = 19KΩ Cálculos para el factor de risado Vo Vo = Vr. Vo

Para seleccionar el transistor se sabe que IC,MAX = 200mA, e IO = 5A, se debe usar un transistor externo Q1 con un β > 5A/ 0.2A = 25 Potencia disipada por transistor de salida:

Fr =Vr/Vmax x 100% Pero se sabe que Fr = 1% 𝐹𝑟 ∗ 𝑉𝑚𝑎𝑥 Vr = 100 Vr =

1% ∗ 12𝑉 100%

Vr = 0.12 Vo = 0.12V.

PQ1 = Vo ∙ IoDC = 12V ∙ 5A = 60W El transistor Q1 debe tener unas características Pmax > 125W Imax > 5A β > 25 Ya se necesita un transistor de alta potencia para Q1, escogemos el 2N4399 o su equivalente 2N5745 por ser un transistor que en cuanto buscamos entre los distintos transistores que encontramos, nos pareció

por sus características que era el más adecuado para lo que estábamos buscando

2) Definimos una frecuencia a trabajar y por medio de una recta de manera vertical hallamos un punto en común 3) Observamos el punto y escogemos el valor de condensador que está más cerca de dicho punto Para nuestro caso se escoge con una frecuencia de trabajo de 100Khz: RT= 10KΩ

Las características del 2N4399 son:

Transistor

Tipo

2n4399

PNP

Corriente IC(min) (A) 60

HFE a IC=15A

Potencia (W)

15-60

200

Para el diodo se procedió a elegir un Diodo Shockley, específicamente el MBR40250, el cual tiene las siguientes caracteristicas: Diodo

Tipo

MBR40250

Shockley

Corriente máxima (A) 40

Voltaje pico inverso 250v

Potencia (W) 60

Cálculos para obtener el valor de Ct y Rt Utilizando el grafico que está en el datasheet del LM3524 se procede a ubicar de manera gráfica los valores más adecuados para nuestro diseño. De la siguiente grafica se procedió a realizar la selección

1) Nos ubicamos arbitrariamente en un valor de resistencia y pasamos una resta de manera horizontal

CT= 0.001 uF

Conclusiones Al diseñar la fuente conmutada se procedieron a realizar los cálculos y cabe resaltar que estos son meramente ideales por el hecho que en la realidad existen factores que uno no puede controlar como los errores en la precisión en la fabricación de los componentes. Como por ejemplo al montar el circuito en la vida real es muy difícil hallar el valor de la bobina que se calculó y se debe tener en cuenta la inductancia y también el material con el cual se fabrica loa bobina y las especificaciones del nucleo, entre otros detalles que hacen el montado del circuito complicado. En la parte de potencia en la conmutación la función de la bobina es almacenar energía y esto lo hacen mediante su corriente que circula a través de él, entre sus funciones también está la de lograr mantener la corriente constante. El valor de la bobina en las fuentes conmutadas tipo BUCK se halla para limitar la corriente de rizado que está viajando a través del circuito, La corriente de rizado del inductor es directamente proporcional al voltaje aplicado y al momento en que se aplica el voltaje , y es inversamente proporcional a su inductancia. Debido a que es complicado comprar un inductor hay diseñadores que prefieren fabricarlos ellos mismos pero debido a que es de fabricación cacera existen muchos factores en el mismo que hacen que se deben analizar de manera minuciosa, entre estos detalles se tiene frecuencia de operación y el mínimo y máximo en modo continuo de la corriente. Cuando el inductor se encuentra dentro de su corriente normal o a la cual se realizaron los cálculos para su construcción asegura evitar que no se caliente o se valla a saturar, de la misma forma al momento de verificar su frecuencia máxima de operación asegura que la perdida máxima del núcleo no supere ocasionando su umbral evitando calentamiento y saturación. Cabe señalar que no se pudo simular el circuto en Multisim, ni en orcad ni en proteus ya que ningunos

de estos simuladores cuentan con un modelo del integrado LM3524. Para poder diseñar el circuito en proteus se procedió a buscar un integrado equivalente SG3525 para poder mostrar el montaje del circuito ya que este integrado posee el mismo número de conectores del LM3524.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Fuentes

Switching

Electrosoft.

Fuentes

de

Alimentación Switching o Conmutadas Ingeniería .2012. Consulta en línea realizada el 22 de julio de 2017,

disponible

en:

http://www.fuentes-

switching.electrosoft.cl/ Electrocomponentes SA. Fuentes de alimentación. Consulta en línea realizada el 22 de julio de 2017, disponible en: http://www.sase.com.ar/2011/files/2010/11/SASE20 11-Fuentes_de_alimentacion.pdf Fuentes de alimentación.2011. Consulta en línea realizada el 22 de julio de 2017, disponible en: http://tiposdefuentesdealimentacion.blogspot.com/2 011/05/tipos-de-fuentes-de-alimentacion.html

DISEÑO ESQUEMATICO