Curso completo sobre fuentes conmutadas

Este curso es ideal para cualquier persona

Remontándonos un poco en la historia describiremos que en la industria no se contaba con equipos eléctricos, luego se empezaron a introducir dispositivos eléctricos no muy sofisticados por lo que no eran muy sensibles a sobretensiones, luego llegaron los equipo más modernos que necesitaban de bajos voltajes por lo que se inició la construcción de fuentes de alimentación que proporcionaran el voltaje suficiente de estos dispositivos.

Una fuente conmutada es un dispositivo electrónico que transforma energía eléctrica mediante transistores en conmutación. Mientras que un regulador de tensión utiliza transistores polarizados en su región activa de amplificación, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutándolos activamente a altas frecuencias (20-100 Kilociclos) entre corte (abiertos) y saturación (Cerrados). La forma de onda cuadrada resultante es aplicada a transformadores con núcleo de ferrita (Los núcleos de hierro no son adecuados para estas altas frecuencias) para obtener uno o varios voltajes de salida de corriente alterna (CA) que luego son rectificados (Con diodos rápidos) y filtrados (Inductores y condensadores) para obtener los voltajes de salida de corriente continua (CC).

Las fuentes conmutadas pueden ser clasificadas en cuatro tipos:

• Alimentación CA, salida CC: rectificador, conmutador, transformador, rectificador de salida, filtro.

(Ej.: fuente de alimentación de ordenador de mesa)

• Alimentación CA, salida CA: Variador de frecuencia, conversor de Frecuencia.

(Ej., variador de motor)

• Alimentación CC, salida CA: Inversor

(Ej.: generar 220v/50ciclos a partir de una batería de 12v)

• Alimentación CC, salida CC: conversor de voltaje o de corriente.

(Ej.: cargador de baterías de celulares para auto)

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 continua de salida del tercer bloque con la tensión de referencia. 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.

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.

Las fuentes conmutadas existen en diferentes topologías con características particulares en cada una.

Topología	Potencia (W)	Eficiencia (típica)	Costo relativo	Tensiones (V)	Aislamiento	Almacenaje de energía	Relación de tensión	Características
2  Buck	0–1000	75%	1.0	5–1000*	No	Inductor Simple	V salida < V entrada	Disminuir Tensión
Boost	0–150	78%	1.0	5–600*	No	Inductor Simple	V salida > V entrada	Aumentar Tensión
Buck-boost	0–150	78%	1.0	5–600*	No	Inductor Simple	V salida mayor o menor que V entrada	Permite invertir la salida
Flyback	0–150	78%	1.0	5–600	Si	Transformador	V salida mayor o menor que V entrada	Salidas Múltiples
Half-Forward	0–250	75%	1.2	5-500	Si	Transformador + inductor
Forward					Si	Transformador + inductor		Salidas Múltiples
Push-Pull	100–1000	72%	1.75	50–1000	Si
Semipuente Half-bridge	0–500	72%	1.9	50–1000	Si
Puente H completo	400–2000	69%	>2.0	50–1000	Si
Resonante, conmutada en cruce por cero	>1000		>2.0
Ćuk					No	Condensador + dos inductores		–
SEPIC					No	Dos inductores	V salida mayor o menor que V entrada
Multiplicador de tensión	0.1-1	90%	0.2	500-100000	No	Condensador	V salida>>V entrada	Los multiplicadores de tensión se utilizan para generar muy altas tensiones.

 

Las fuentes conmutadas tienen las siguientes ventajas:

• La eficiencia de las fuentes conmutadas está comprendida entre el 68 y el 90%. Esto hace reducir el costo de los dispositivos de potencia. Además, los dispositivos de potencia funcionan en el régimen de corte y saturación, haciendo el uso más eficiente de un dispositivo de potencia.
• Debido a que la tensión de entrada es conmutada en una forma de alterna y ubicada en un elemento magnético, se puede variar la relación de transformación pudiendo funcionar como reductor, elevador, o inversor de tensión con múltiples salidas.
• No es necesario el uso del transformador de línea, ya que el elemento magnético de transferencia de energía lo puede reemplazar, funcionando no en 50/60 Hz, sino en alta frecuencia de conmutación, reduciendo el tamaño del transformador y en consecuencia, de la fuente; reduciendo el peso, y el coste.

La desventaja de las fuentes conmutadas es su diseño más elaborado. Un diseño de una fuente conmutada puede llevar varias semanas o meses de desarrollo y puesta a punto, dependiendo de los requerimientos.

CONFIGURACIONES BÁSICAS RECOMENDADAS

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: 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, continuo 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:

• 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:

Tipos de fuentes conmutadas

En la Fig.2 se muestran los principios de esta topología de fuente conmutada. Cuando «T» conduce, la corriente crece linealmente en el primario del transformador, diseñado con alta inductancia para almacenar energía a medida que el flujo magnético aumenta.

La disposición del devanado asegura que el diodo «D» está polarizado en sentido inverso durante este período, por lo que no circula corriente en el secundario. Cuando «T» se bloquea, el flujo en el transformador cesa generando una corriente inversa en el secundario que carga el condensador a través del diodo alimentando la carga. Es decir, en el campo magnético del transformador se almacena la energía durante el período «ON» del transistor y se transfiere a la carga durante el período «OFF» (FLYBACK). El condensador mantiene la tensión en la carga durante el período «ON».

La regulación de tensión en la salida se obtiene mediante comparación con una referencia fija, actuando sobre el tiempo «ON» del transistor, por tanto la energía transferida a la salida mantiene la tensión constante independientemente del valor de la carga o del valor de la tensión de entrada.
La variación del período «ON» se controla por modulación de ancho de pulso (PWM) a frecuencia fija, o en algunos sistemas más sencillos por autooscilación variando la frecuencia en función de la carga.

Figura 2

FLYBACK de salidas múltiples

La Fig.3 muestra la simplicidad con que pueden añadirse salidas aisladas a un convertidor Flyback. Los requisitos para cada salida adicional son un secundario auxiliar, un diodo rápido y un condensador. Para la regulación de las salidas auxiliares suele utilizarse un estabilizador lineal de tres terminales a costa de una pérdida en el rendimiento.

Figura; 3

Directo (FORWARD): Es algo más complejo que el sistema Flyback aunque razonablemente sencillo y rentable en cuanto a costes para potencias de 100 a 250w.Cuando el transistor conmutador «T» está conduciendo «ON», la corriente crece en el primario del transformador transfiriendo energía al secundario. Como quiera que el sentido de los devanados el diodo D2 está polarizado directamente, la corriente pasa a través de la inductancia L a la carga, acumulándose energía magnética en L Cuando «T» se apaga «OFF», la corriente en el primario cesa invirtiendo la tensión en el secundario. En este momento D2 queda polarizado inversamente bloqueando la corriente de secundario, pero D3 conduce permitiendo que la energía almacenada en L se descargue alimentando a la carga. El tercer devanado, llamado de recuperación, permite aprovechar la energía que queda en el transformador durante el ciclo «OFF» devolviéndola a la entrada, vía D1.
Contrariamente al método Flyback, la inductancia cede energía a la carga durante los períodos «ON» y «OFF», esto hace que los diodos soporten la mitad de la corriente y los niveles de rizado de salida sean más bajos.

Figura; 4

FORWARD de salidas múltiples

Por cada salida adicional es necesario un secundario auxiliar, dos diodos rápidos, una inductancia y un condensador de filtro. Esto hace que sea más costoso que el Flyback.
Para mejorar la regulación en las salidas auxiliares se utilizan estabilizadores lineales.

Figura 5

Contrafase (PUSH-PULL)

Esta topología se desarrolló para aprovechar mejor los núcleos magnéticos. En esencia consisten en dos convertidores Forward controlados por dos entradas en contrafase. Los diodos D1 y D2 en el secundario, actúan como dos diodos de recuperación. Idealmente los períodos de conducción de los transistores deben ser iguales, el transformador se excita simétricamente y al contrario de la topología Forward no es preciso prever entrehierro en el circuito magnético, ya que no existe asimetría en el flujo magnético y por tanto componente continua. Una precaución que debe tenerse en cuanta en este tipo de circuitos es que las características de conmutación de los transistores deben ser muy similares, y los devanados tanto en primario como en secundario han de ser perfectamente simétricos, incluso en su disposición física en el núcleo.
También se ha de tener en cuenta, que los transistores conmutadores soportan en estado «OFF» una tensión doble de la tensión de entrada.

Figura 6

Semipuente

Es la topología más utilizada para tensiones de entrada altas (de 200 a 400v) y para potencias de hasta 2000w. En la Fig.7 se aprecia que el primario del transformador está conectado entre la unión central de los condensadores del desacoplo de entrada y la unión de la fuente de T1 y el drenador de T2. Si se dispara alternativamente los transistores T1 y T2 conecta el extremo del primario a +300v y a 0v según corresponda, generando una onda cuadrada de 155v de valor máximo, la cual con una adecuada relación de espiras, rectificada y filtrada se obtiene la tensión de salida deseada.
Una ventaja de este sistema es que los transistores soportan como máximo la tensión de entrada cuando están en «OFF», mientras que en los sistemas Flyback, Push-Pull y Forward, esta tensión es cuando menos el doble. Ello permite, cuando la tensión de entrada es la red rectificada, la utilización de transistores de 400 a 500v, mientras que en las otras configuraciones se requerirían transistores de 800 a 1000v.La regulación se logra comparando una muestra de la salida con una tensión de referencia para controlar el ancho del estado de conducción de los transistores.

Algunas de las ventajas del semipuente son: Núcleos más pequeños. Baja dispersión de flujo magnético. La frecuencia en los filtros de salida es el doble de la frecuencia de conmutación.

Filtro de reducidas dimensiones. Bajo ruido y rizado de salida. Fácil configuración como salidas múltiples. Ruido radiado relativamente bajo.

Figura 7

Puente (Bridge)

Para potencias superiores a 2000w, las corrientes en los transistores de conmutación son excesivas. La Fig. 8 muestra la topología básica de un convertidor puente, donde los transistores en ramas opuestas del puente T1 y T4 son disparados en fase y T2 y T4 en contrafase. La amplitud de la onda cuadrada en el primario del transformador es por tanto de 310v, doble que en la topología semipuente y por tanto mitad de corriente para una misma potencia.

Figura 8

Control de modo corriente

El sistema de control en modo corriente utiliza doble bucle de realimentación. Uno es el clásico vía amplificador de error y el segundo bucle toma una muestra de la corriente de la inductancia de salida en el primario del transformador y lacompara con la salida del amplificar de error. El transistor de conmutación se activa mediante pulso de reloj interno pero deja de conducir cuando la corriente de la inductancia anula la salida del amplificar de error. Las ventajas de esta topología son:

Una mejor respuesta a demandas transitorias. Mayor estabilidad dinámica.

Fácil limitación de la corriente

Figura 9

Fuentes Resonantes

Para mejorar la relación Potencia/Volumen de los equipos, se han incrementado las frecuencias de conmutación. Por encima de los 100KHz las pérdidas en la conmutación así como las interferencias electromagnéticas suponen problemas difíciles de resolver a un coste razonable.

Fig. 10 y 11

Cuando el procedimiento se combina con control PWM a frecuencia constante el sistema se denomina «Cuasi-resonante», aunque la mayoría de los diseños regulan fijando los tiempos ON-OFF del conmutador y modulando en frecuencia.
Como puede apreciarse en las Fig.10 y 11, existen dos topologías fundamentales: Serie y Paralelo. La combinación R-C es conocida como tanque resonante y puede estar en el primario o en el secundario del transformador.

Figura 12

En la Fig.12 el tanque resonante está colocado en el primario que es lo más común.
Las ventajas de las técnicas resonantes

 

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