Monday, September 8, 2008

FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS

Las fuentes conmutadas fueron desarrolladas inicialmente para aplicaciones militares y aeroespaciales en los años 60’s, por ser inaceptable el peso y volumen de las lineales, se han desarrollado desde entonces diversas topologías y circuitos de control, algunas de ellas exponemos ya que son de uso común en fuentes conmutadas para aplicaciones industriales y comerciales. Las fuentes conmutadas son convertidores cc-cc, por lo que la red debe ser previamente rectificada y filtrada con una amplitud de rizado aceptable. La mayoría de las fuentes utilizan un circuito complejo para operar desde 90 a 132 Vac o de 180 a 260 Vac según sea la posición del conmutador.
Las fuentes conmutadas presentan ciertas características que las hacen ser recomendadas con respecto de las lineales; como son la mayor eficiencia (superior al 90% comparada con el 70% de las lineales), transformadores de menor tamaño y costo (en algunos casos se puede omitir el uso de transformador usando la línea de C.A.) El principal inconveniente es que como trabaja con alta frecuencia (superior a los 50 KHz) puede ocasionar interferencia a otros circuitos.


-Principio básico de funcionamiento:

Una fuente conmutada trabaja en base al principio del interruptor, es decir, cerrando y abriendo un interruptor podemos controlar la cantidad de energía entregada a la carga. Cuando el interruptor "I" se encuentra cerrado, el voltaje de la batería V es entregado a la carga R, y por lo tanto, en R se desarrolla una potencia (energía) igual al producto de voltaje V por la corriente IR que circula por R. Si el interruptor "I" se encuentra abierto entonces la potencia que se disipa(desarrolla) en R es cero. Es decir, si abrimos y cerramos el interruptor varias veces seguidas (frecuencia) en la carga se estará desarrollando una potencia promedio; por supuesto que en el interruptor I no se desarrolla ninguna potencia, por lo tanto toda la potencia entregada por la batería V es aprovechada por R. Existen dos tipos de fuentes conmutadas aquellas que varían el tiempo en que el interruptor está cerrado manteniendo la frecuencia de conmutación constante, y aquellas que varían la frecuencia manteniendo fijo o constante el tiempo en que el interruptor se encuentra cerrado.


Las fuentes conmutadas son de circuitos relativamente complejos, pero podemos siempre diferenciar según su arquitectura o los cuatro bloques constructivos básicos:



1. Rectificación y filtro de entrada


En el primer bloque rectificamos y filtramos la tensión alterna de entrada convirtiéndola en una directa pulsante.
Las fuentes conmutadas son convertidores cc-cc, por lo que la red debe ser previamente rectificada y filtrada con una amplitud de rizado aceptable. La mayoría de las fuentes utilizan el circuito de la grafica para operar desde 90 a 132 Vac o de 180 a 260 Vac según sea la posición del conmutador.
En la posición de abierto se configura como rectificador de onda completa obteniéndose aproximadamente 310 Vcc desde, la red de 220 Vac. En la posición de cerrado el circuito funciona como rectificador doblador de tensión, obteniéndose también 310 Vcc a partir de 110 Vac.
Para evitar sobrecalentamientos los condensadores electrolíticos de filtro (C1 y C2) deben ser de bajo ESR (baja resistencia interna) y de la tensión adecuada. Es conveniente conectar en paralelo con estos otros condensadores tipo MKP de papel de aluminio para mejor desacoplo de alta frecuencia de conmutación. Los rectificadores deben soportar una tensión inversa de 600v.


2. Inversor de alta frecuencia


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.


3. Rectificador y filtro de salida


En el tercer bloque se rectifica y filtra la tension continua para ser distribuida en la salida de la fuente de alimentacion conmutada. Es realmente el alma de la fuente y tendrá tres 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. 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 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 se debe conocer muy bien el valor de resistencia para poder calcular el valor de la tensión de salida.


4. Controlador


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 funciona o compara la tensión contínua de salida del tercer bloque con la tensión de referencia.

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