Fuentes conmutadas - resumen de clases y libros PDF

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Fuente conmutada

Vista por dentro de una fuente conmutadaATX.. A - Puente rectificador B - Condensador de entrada C - Transformador D - Bobina del filtro de salida E - Condensadores del filtro de salida

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 típicamente) 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 porque tienen muchas pérdidas debido a corrientes de Foucault y sobre todo por las grandes pérdidas por histéresis; hay que recordar que una curva de saturación normal de acero cocido corresponde a un material con característica dura y alta densidad de flujo) 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 ventajas de este método incluyen menor tamaño y peso del núcleo, mayor eficiencia y por lo tanto menor calentamiento. Las desventajas comparándolas con fuentes lineales es que son más complejas y generan ruido eléctrico de alta frecuencia que debe ser cuidadosamente minimizado para no causar interferencias a equipos próximos a estas fuentes.

Clasificación 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 220 v/50 ciclos a partir de una batería de 12 v)  alimentación CC, salida CC: conversor de voltaje o de corriente. (Ej.: cargador de baterías de celulares para auto)

Esquema de una fuente conmutada de un PC

Comparación entre Fuentes de alimentación conmutadas y lineales Hay dos tipos principales de fuentes de alimentación reguladas disponibles: conmutadas y lineales. Las razones por las cuales elegir un tipo o el otro se pueden resumir como sigue. 

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Tamaño y peso – las fuentes de alimentación lineales utilizan un transformador funcionando a la frecuencia de 50 o 60 Hz. Este transformador de baja frecuencia es varias veces más grande y más pesado que un transformador correspondiente de fuente conmutada, el cual funciona en frecuencias típicas de 50 KHz a 1 MHz. La tendencia de diseño es de utilizar frecuencias cada vez más altas mientras los transistores lo permitan para disminuir el tamaño de los componentes pasivos (condensadores, inductores, transformadores). Voltaje de la salida – las fuentes de alimentación lineales regulan la salida usando un voltaje más alto en las etapas previas y luego disipando energía como calor para producir un voltaje más bajo, regulado. Esta caída de voltaje es necesaria y no puede ser eliminada mejorando el diseño. Las fuentes conmutadas pueden producir voltajes de salida que son más bajos que el voltaje de entrada, más altos que el voltaje e incluso inversos al voltaje de entrada, haciéndolos versátiles y mejor adaptables a voltajes de entrada variables.

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Eficiencia, calor, y energía disipada - Una fuente lineal regula el voltaje o la corriente de la salida disipando el exceso de energía como calor, lo cual es ineficaz. Una fuente conmutada usa la señal de control para variar el ancho de pulso, tomando de la alimentación solamente la energía requerida por la carga. En todas las topologías de fuentes conmutadas, se apagan y se encienden los transistores completamente. Así, idealmente, las fuentes conmutadas son 100 % eficientes. El único calor generado se da por las características no ideales de los componentes. Pérdidas en la conmutación en los transistores, resistencia directa de los transistores saturados, resistencia serie equivalente en el inductor y los condensadores, y la caída de voltaje por el rectificador bajan la eficiencia. Sin embargo, optimizando el diseño, la cantidad de energía disipada y calor pueden ser reducidos al mínimo. Un buen diseño puede tener una eficiencia de conversión de 95 %. Típicamente 75-85 % en fuentes de entre 10-50 W. Las fuentes conmutadas más eficientes utilizan rectificación síncrona (transistores Mosfet saturados durante el semiciclo adecuado reemplazando diodos).

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Complejidad - un regulador lineal consiste en última instancia en un transistor de potencia, un CI de regulación de voltaje y un condensador de filtro de ruido. En cambio una fuente conmutada contiene típicamente un CI regulador, uno o varios transistores y diodos de potencia como así también un transformador, inductores, y condensadores de filtro. Múltiples voltajes se pueden generar a partir del mismo núcleo de transformador. Para ello se utiliza el control por ancho de pulso de entrada aunque las diferentes salidas pueden tener dificultades para la regulación de carga. Ambos necesitan una selección cuidadosa de sus transformadores. En las fuentes conmutadas debido al funcionamiento a altas frecuencias las pérdidas en las pistas del circuito impreso por inductancia de perdida y las capacidades parásitas llegan a ser importantes.

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Interferencia por radiofrecuencia - La corriente en las fuentes conmutadas tiene cambios abruptos, y contiene una proporción grande de componentes espectrales de alta frecuencia. Cables o pistas largas entre los componentes pueden reducir la eficacia de alta frecuencia de los filtros a condensadores en la entrada y salida. Esta corriente de alta frecuencia puede generar interferencia electromagnética indeseable. Filtros EMI y blindajes de RF son necesarios para reducir la interferencia. Las fuentes de alimentación lineales no producen generalmente interferencia, y se utilizan para proveer de energía donde la interferencia de radio no debe ocurrir.

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Ruido electrónico en los terminales de salida de fuentes de alimentación lineales baratas con pobre regulación se puede experimentar un voltaje de CA pequeño “montado” sobre la CC de dos veces la frecuencia de alimentación (100/120 ciclos). Esta “ondulación” (ripple en inglés) está generalmente en el orden de varios milivoltios, y puede ser suprimida con condensadores de filtro más grandes o mejores reguladores de voltaje. Este voltaje de CA pequeño puede causar problemas o interferencias en algunos circuitos; por ejemplo, cámaras fotográficas análogas de seguridad alimentadas con este tipo de fuentes pueden tener la modulación indeseada del brillo y distorsiones en el sonido que produce zumbido audible. Las fuentes de alimentación lineales de calidad

suprimirán la ondulación mucho mejor. En cambio las fuentes conmutadas no exhiben generalmente la ondulación en la frecuencia de la alimentación, sino salidas generalmente más ruidosas a altas frecuencias. El ruido está generalmente relacionado con la frecuencia de la conmutación. 

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Ruido acústico - Las fuentes de alimentación lineales emiten típicamente un zumbido débil, en la baja frecuencia de alimentación, pero ésta es raramente audible (la vibración de las bobinas y las chapas del núcleo del transformador suelen ser las causas). Las Fuentes conmutadas con su funcionamiento mucho más alto en frecuencia, no son generalmente audibles por los seres humanos (a menos que tengan un ventilador, como en la mayoría de las computadoras personales). El funcionamiento incorrecto de las fuentes conmutadas puede generar sonidos agudos, ya que genera ruido acústico en frecuencia subarmónico del oscilador. Factor de potencia las fuentes lineales tienen bajo factor de potencia porque la energía es obtenida en los picos de voltaje de la línea de alimentación. La corriente en las fuentes conmutadas simples no sigue la forma de onda del voltaje, sino que en forma similar a las fuentes lineales la energía es obtenida solo de la parte más alta de la onda sinusoidal, por lo que su uso cada vez más frecuente en computadoras personales y lámparas fluorescentes se constituyó en un problema creciente para la distribución de energía. Existen fuentes conmutadas con una etapa previa de corrección del factor de potencia que reduce grandemente este problema y son de uso obligatorio en algunos países particularmente europeos a partir de determinadas potencias. Ruido eléctrico sobre la línea de la alimentación principal puede aparecer ruido electrónico de conmutación que puede causar interferencia con equipos de A/V conectados en la misma fase. Las fuentes de alimentación lineales raramente presentan este efecto. Las fuentes conmutadas bien diseñadas poseen filtros a la entrada que minimizan la interferencia causada en la línea de alimentación principal.

Cómof unci onanl asf uent esde al i ment aci ónconmut adasI Lasf uent esdeal i ment aci ónconmut adas,t ambi énconoci das comoSMPS( swi t c hmodepowers uppl y)sonesenci al esennuest r avi da,yporl o t ant oennues t r ot r abaj ocomot écni cos. Enel ect r óni ca,l amayor í adeaver í asest ánr el aci onadasconl asf uent esde al i ment aci ón.Poreso,conoci éndol asysabi endor epar ar l as,podemosr esol v erun gr anpor cent aj edepr obl emas . Conocerl asf uent esdeal i ment aci ónconmut adasnos ol ament esi r v epar a r epar ar l as .Hayunagr ancant i daddeequi posqueut i l i z anel ect r óni cadepot enci a, comol osvar i ador esdef r ecuenci aquer egul anl av el oci daddel osmot or es ,l as máqui nasdesol dadur a,ol ossi s t emasdeal i ment aci óni ni nt er r umpi da( SAI ) . Poresoqui er odedi carunaser i edear t í cul osaest et ema.Además,dependi endo del i nt er ésquedespi er t e,es t oyv al or andol ai deadecr earunl i br oounv i deocur so s obr er epar aci óndef uent esdeal i ment aci ónconmut adas. Si t i enesbast ant esconoci mi ent osenel ect r óni ca,qui z ásal gunasex pl i caci onest e par ezcanmuybási cas ,per opr efier ohacer l odeest af or mapar aquesea compr ens i bl eport odos .

Quéesunaf uent edeal i ment aci ón Lacor r i ent eel éct r i caquel l egaal osedi fici osei ndust r i ast i eneunas c ar act er í st i casdet er mi nadas.Lamay or í ader ecept or esqueseconect anal ar ed

el éct r i canopuedent r abaj ardi r ect ament econest acor r i ent e,esnecesar i o modi ficar l a. Lar edel éct r i casumi ni st r acor r i ent eal t er na,quei nvi er t es upol ar i dadunas100o 120v ecesporsegundo,dependi endodel est ándarsegui doencadapaí s. Losequi posel ect r óni cost r abaj anconcor r i ent econt i nua,quet i eneunv al or fi j o,s i empr econl ami s mapol ar i dad.

Par aconv er t i rl acor r i ent eal t er naencor r i ent econt i nuaes necesar i or ect i ficar l ayest abi l i z ar l a. Lat ensi óndel ar edel éct r i capuedeserdeent r e110Vy400V,dependi endodel paí s. Losequi posconect adospuedent r abaj arac ual qui ert ensi ón,dependi endodesu apl i caci ón.Porej empl o,unt el evi sort r abaj ai nt er nament econv ar i ast ensi ones , quepuedeni rdesdepocomásde1Vdchast amásde50000Venel casodel os t el evi sor esCRT( l osdet uboder ay oscat ódi cos,quey ahansi dosust i t ui dospor l aspant al l aspl anas) . El ej empl omásbási codef uent edeal i ment aci ónquet odosconocemosser í ael c ar gadorpar ael t el éf onomóv i l ( cel ul ar ) .Ést econvi er t el acor r i ent edel ar ed el éct r i ca,quepuedeserde100…240Vacaunv al orqueenl amay or í adel os c asosesde5Vdc .

Fuent esl i neal esyf uent esconmut adas Segur ament er ecuer dasquel ospr i mer oscar gador espar at el éf onospesaban muchomásquel osact ual es . Losmáspesadosut i l i z abanf uent esdeal i ment aci ónl i neal es,mi ent r asque l osmásl i ger osusanf uent esdeal i ment aci ónconmut adas. Enunaf uent edeal i ment aci ónl i nealser educel at ens i ónmedi ant eun t r ansf or mador ,ysegui dament eser ect i ficacondi odos .Par aquel acor r i ent esea másest abl es efil t r aconcondensador esel ect r ol í t i cos,yenal gunoscasosse añadenest abi l i z ador espar aquel at ensi óndes al i dat engaunv al orex act o.

Est et i podef uent est i eneunagr anpér di dadeener gí aenel t r ansf or mador . Además,par aconsegui rcor r i ent esdesal i damuyal t as ,el t r ans f or madordebe t enerest arbobi nadoconhi l odecobr emuygr ueso,l oquehacequesea muygr andeypesado. Lasf uent esdeal i ment aci ónconmut adasut i l i z anunpr i nc i pi osi mi l ar ,per oc on di f er enci asmuyi mpor t ant es.Bási cament e,aument anl af r ecuenci adel a

cor r i ent e,quepasadeosci l ar50/ 60Hzamásde100kHz ,dependi endodel si st ema ut i l i z ado.

Al aument art ant ol af r ec uenci a,r educi mosl aspér di dasyconsegui mosr educi r el t amañodelt r ansf or mador ,yconel l osupesoyv ol umen. Enest et i podef uent es,l acor r i ent eseconvi er t edeal t er naacont i nua,después ot r av ezaal t er naconunaf r ec uenci adi st i nt aal aant er i or ,ysegui dament evuel v e at r ansf or mar seencont i nua.Poresomuchosequi posbasadosenf uent es conmut adassonconoc i dascomoi nver sor esoi nver t er s. Uncl ar oej empl oser í anl asmáqui nasdesol dadur aalar co.Losequi posque usant r ans f or mador esl i neal es( pr áct i cament ehandes apar ec i do)pesan muchí si momásquel osdet i poi nver t er ,quenoesmásqueunaf uent ede al i ment aci ónconmut ada,adapt adaal ascar act er í st i casdeest et i pode máqui nas . Enunvar i adordevel oci dad,el f unci 0nami ent oesmuysi mi l ar .Regul ando l af r ecuenci adel modi fi camosl avel oci daddel mot or .

Cómof unci onaunaf uent edeal i ment aci ón conmut ada Par aent enderelf unci onami ent odeunaf uent econmut ada,debemossepar ar l a enbl oques,yanal i z ar l ospasoapas o.Demoment ov amosar esumi r l os ,par ai r pr of undi z andoenl ossi gui ent esar t í cul os. Ex i st enmuchost i posdi st i nt osdef uent es,yser í ai mposi bl eex pl i carl osdet al l esde c adauno.Poreso,hecr eí doquel omásconv eni ent eescent r ar nosen l ossi st emasmáscomunes.

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Fi l t r oEMC.Suf unci ónesabs or berl ospr obl emasel éct r i cosdel ar ed, comor ui dos,har móni cos ,t r ansi t or i os,et c.Tambi énevi t aquel apr opi a f uent eenví ei nt er f er enci asal ar ed.

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Puent er ect i ficador .Sol odej apasarl acor r i ent eenunsent i do,demodo queconvi er t el acor r i ent eal t er naencor r i ent epul sant e,esdeci rqueosc i l a i gual quel acor r i ent eal t er na,aunqueúni cament eenunsent i do.

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Cor r ect ordelf act ordepot enci a.Endet er mi nadasc i r cunst anc i as,l a cor r i ent esedes f asar espect oal at ens i ón,l oquepr ov ocaquenose

apr ov echet odal apot enci adel ar ed.Puedesv erunaexpl i caci ón ear t í cul odeXaviVent ur a.El cor r ect ors eencar gade compl et aenest s ol v ent arest epr obl ema. 

Condensador .Amor t i gual acor r i ent epul sant epar ac onv er t i r l aencor r i ent e cont i nuaconunv al orest abl e.

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Tr ansi st or .Seencar gadecor t aryact i v arel pasodel acor r i ent e.Dees t e modoseconvi er t eal acor r i ent econt i nuaencor r i ent epul sant e.

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Cont r ol ador .Act i v aydesact i v ael t r ansi st or .Est apar t edel ci r cui t os uel e t enerv ar i asf unci ones ,comopr ot ecci óncont r ac or t oci r c ui t os ,s obr ecar gas , s obr et ensi ones… Tambi éncont r ol aal ci r cui t odecor r ecci óndel f act orde pot enci a.Además ,mi del at ensi óndesal i dadel af uent e,ymodi fi cal aseñal ent r egadaal t r ans i st or ,par ar egul arl at ensi ónymant enerest abl el asal i da.

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Tr ansf or mador .Reducel at ensi ón,yademásaí sl af í s i cament el aent r ada del asal i da.

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Di odo.Convi er t el acor r i ent eal t er nadel t r ans f or madoracor r i ent epul sant e.

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Fi l t r o.Convi er t el acor r i ent epul sant eencont i nua.

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Opt oacopl ador .Enl azal asal i dadel af uent econel ci r c ui t odecont r ol ,per o mant eni éndol osf í si cament esepar ados .

3. FUENTES CONMUTADAS:

Las fuentes conmutadas fueron desarrolladas inicialmente para aplicaciones militares y aerospaciales en los años 60, por ser inaceptable el peso y volumen de las lineales, se han desarrollado desde entonces diversas topología y circuitos de control, algunas de ellas son de uso común en fuentes conmutadas para aplicaciones industriales y comerciales 3.1.1 Rectificación y filtro de entrada 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 figura 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 electrolitos 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 para mejor desacoplo de alta frecuencia de conmutación. Los rectificadores deben soportar una tensión inversa de 600v.

3.1.2 Pico de arranque

Al arrancar una fuente conmutada, la impedancia presentada a la red es muy baja al encontrarse los condensadores descargados, sin una resistencia en serie adicional la corriente inicial sería excesivamente alta. En la Fig.1, TH1 y TH2 son resistencias NTC (coeficiente negativo de temperatura), que limitan esta corriente a un valor aceptable. Las fuentes de media y gran potencia disponen de circuitos activos con resistencia limitadora que se cortocircuito por medio de relés o de conmutadores estáticos cuando ya están los condensadores cargados. En el caso de las fuentes de AMV se utiliza un transistor MOS-FET de potencia. 3.1.3 Protección contra transitorios Además del filtrado de ruidos reinyectados a la red que incorporan las fuentes conmutadas, es aconsejable la utilización de un varistor conectado a la entrada para proteger contra picos de tensión generados por la conmutación en circuitos inductivos de las proximidades o por tormentas eléctricas. 3.1.4 CONFIGURACIONES BÁSICAS Las fuentes conmutadas son de circuitos relativamente complejos, pero podemos siempre diferenciar cuatro bloques constructivos básicos:

1) En el primer bloque rectificamos y filtramos la tensión alterna de entrada convirtiéndola en una continua pulsante. 2) 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.

3) El tercer bloque rectifica y filtra la salida de alta frecuencia del bloque anterior, entregando así una corriente continua pura. 4) 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. - 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 tercer bloque como elementos invariables, en cambio el cuarto y el segundo tendrán diferentes tipos de configuraciones. A veces el cuarto bloque será hecho con integrados y otras veces n...