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Desarrollo de una fuente conmutada....

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO Facultad de Ingeniería

Lara Hernández Eddy Ivan Ingeniería Electrica-Electronica

Proyecto 03: Fuente Conmutada

Proyecto 3 Fuente conmutada Objetivo: Implementar una fuente conmutada con el circuito integrado TL494 con topología tipo BUCK. Introducción Las fuentes de alimentación lineales usan transformadores operando a 60[Hz] y que suelen ser inconvenientes por peso, volumen y costo mayor, así como su rendimiento de conversión y las consiguientes pérdidas de potencia. Por lo que, la alternativa a este tipo de tipo de fuentes ha sido desde hace tiempo el empleo de fuentes de conmutación o fuentes conmutadas Las fuentes conmutadas operan con elevados rendimientos (usualmente mejor del 70% u 80%), de bajo costo y volumen y, usando menos componentes. Los reguladores conmutados disipan menos energía en forma de calor y además son capaces de suministrar voltajes de salida mayores o menores que el voltaje de entrada.

Los reguladores conmutados a diferencia de los reguladores lineales, el elemento de control es operado como un switch lo cual hace que la eficiencia del regulador se incremente, dado que el elemento de control no conduce todo el tiempo y las pérdidas son menores. El transistor de paso es conmutado a frecuencias de 50kHz de saturación a corte. El voltaje de salida se regula mediante la variación del Duty Cicle de la forma de onda que controla el transistor. 1|Página

Durante el tiempo en que el elemento de control conduce, es almacenada la energía en el núcleo del elemento inductivo y conforme se demande más o menos corriente a la salida, la frecuencia cambia. Tanto en las fuentes de alimentación lineales como en las conmutadas existe un elemento llamado controlador, quien es el encargado directo de regular el voltaje a la salida, en el caso de los reguladores lineales, son los llamados simplemente reguladores de tensión, los cuales están activos todo el tiempo, lo que conlleva pérdidas considerables de energía. En los reguladores conmutados el transistor está operando en conmutación, es decir saturación y corte por lo que no conduce todo el tiempo y minimiza las pérdidas y así aumenta su eficiencia. La eficiencia es uno de los parámetros de mayor importancia en una fuente, así como lo son, el tamaño y peso. La frecuencia de conmutación podría estar limitada si se usan transistores BJT pero puede incrementarse hasta 200[kHz] o más usando MOSFET´s. En seguida se muestran los bloques que conforman una fuente conmutada:

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, y un modulador de ancho de pulso (PWM). El modulador recibe el pulso del oscilador y modifica su ciclo de trabajo según la señal de salida del tercer bloque de acuerdo con la tensión de referencia. 2|Página

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. El circuito de una fuente de alimentación conmutada es esencialmente un convertidor de DC a DC, con un voltaje de salida cuya magnitud puede ser controlada. Éste arreglo es el alma de la fuente y está conformado por el switch, un inductor, un diodo y capacitor, el cual tendrá las configuraciones básicas: BUCK, BOOST, BUCK-BOOST.

Circuito Buck (Step-Down) Esta configuración realiza una tarea similar a la de un transformador reductor y el voltaje de salida que éste entrega es siempre menor que el voltaje de entrada. En los reguladores conmutados la regulación de voltaje de salida se logra manipulando el tiempo de conducción del elemento de control. Una de las técnicas más comúnmente usada es controla el tiempo de conducción mediante el uso de una forma de onda PWM.

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Según vemos en la figura anterior, el voltaje de salida Vo es censado por medio del divisor de tensión formado por R1 y R2. Este es comparado con la tensión de referencia por el amplificador de error A1. Al tener en A2 una señal diente de sierra en una de sus terminales se crea un modulador de PWM en el cual el ciclo de trabajo depende dl voltaje de salida. Para lograr una realimentación negativa y por consiguiente regular el voltaje de salida, el interruptor se debe abrir cuando la salida es baja y cerrarse cuando la salida en el comparador es alta.

Desarrollo Características solicitadas Antes de armar la fuente conmutada se debe conocer el circuito integrado que se va a emplear además de fabricar nuestro propio inductor toroidal con el valor en Henry requerido para este trabajo. Circuito Integrado TL494 Es un regulador en conmutación, circuito muy versátil de control usado para fuentes conmutadas. Una de sus características más notables es su modulador de ancho de pulso a una frecuencia que podemos fijar con una red RC. El PWM se lleva a cabo mediante la comparación de forma de onda de diente de sierra creado por el oscilador interno. Un pulso de dirección flip-flop alternativamente dirige el pulso modulado a cada uno de los dos transistores de salida. Referencia de 5[V] El TL494 posee una fuente interna de 5[V] y proporciona un voltaje de referencia estable a la salida de control lógica, el pulso del flipflop, oscilador y el DTC. Además, hay un pin con el cual podemos obtener del propio circuito ese voltaje. Oscilador Proporciona una forma de onda diente de sierra positiva a los comparadores de Dead Time y PWM. La frecuencia del Oscilador se programa mediante la selección de componentes que se conectan a los pines RT y CT. Output Control Nos permite elegir entre la topología Single-Endend y Push Pull.

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Amplificadores de error Un amplificador de error es un amplificador operacional que suele comparar la diferencia entre dos señales. Los amplificadores de error exhiben un rango de voltaje de modo común de -0,3 V a VCC - 2 V. El comparador de control de tiempo muerto tiene una compensación fija que proporciona aproximadamente el 5% del tiempo muerto. Además, de este modo de operación el integrado tiene los pines libres para poder implementar la configuración que se requiera. Una vez conociendo los recursos o la estructura interna del TL494 procedemos realizar el esquemático correspondiente de la fuente.

Buck

Retroalimentación negativa

Compensación

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Diseño del toroide Se consiguió un núcleo toroidal amarillo. El tamaño del toroide según la información del profesor está más que sobrado para la corriente que pasará a través de él ya que la fuente a implementar debe entregar 2[A]. El núcleo del toroide proporciona un factor de

nos

𝑛𝐻 𝐴𝐿 = 100[ ] 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎

según información consultada en la red y también la información proporcionada en clase. Para calcular el número de vueltas requerido primero debemos obtener el valor que debe de tener nuestro inductor según las especificaciones para nuestra fuente. El valor del inductor está dado por 𝐿=

𝑉𝑔 − 𝑉𝑜 30 − 20 = .23[𝑚𝐻] = 230[𝑢𝐻 ] = 2(200[𝑚𝐴]) 2∆𝐼

Por lo que el número de vueltas que se requieren las calculamos como 𝑉𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠 = √

𝐿 230,000 = 47.95 ≈ 50 𝑉𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠 =√ 100 𝐴𝐿

Al realizar aproximadamente 52 vueltas tenemos la siguiente medición:

Lo cual es bastante aproximado al valor calculado. 7|Página

Cálculo del capacitor Ahora ya teniendo el valor del inductor lo que sigue es calcular el valor del capacitor. El capacitor debe tener un valor de preferencia grande ya que así aseguramos que su resistencia ESR sea pequeña. El capacitor entonces, se calcula de la forma siguiente:

𝐶=

∆𝐼 ∗ 𝑇 200[𝑚𝐴] = 35.7[𝜇𝐹] = 8 ∗ ∆𝑉 8 ∗ (70[𝑘𝐻𝑧])(10[𝑚𝑉]

El valor del capacitor no es tan grande como podemos observar, pero podemos colocar un valor más grande así que se decidió que uno de 47[uF] es bastante aceptable. Al medir este capacitor a baja y a alta frecuencia nos dio los siguientes valores de capacitancia y resistencia ESR.

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Cálculo de la frecuencia De acuerdo a las especificaciones solicitadas la frecuencia de conmutación debe de ser de 70[kHz] y para calcular dicha frecuencia se ocupa la ecuación proporcionada en la hoja de datos. Al proponer un valor de capacitor de 22[nF] se despeja la resistencia de la ecuación. 𝑓=

1.1 1.1 1.1 ; 𝑅𝑇 = = = 714.2[Ω] ≈ 680[Ω] 𝑅 𝑇 ∗ 𝐶𝑇 𝐶𝑇 ∗ 𝑓 22[𝑛𝐹] ∗ (70[𝑘𝐻𝑧])

Ésta será la frecuencia del oscilador interno y que claramente también será la frecuencia del PWM.

Una vez teniendo estos valores se procede a seguir el método de diseño visto en clase para así calcular al final los valores del circuito compensador hecho con un Operacional externo. Se usará el valor del capacitor a baja frecuencia para realizar los cálculos. 𝑄=

1 227[𝜇𝐻] 𝐿 1 = 0.18 ∗√ ∗√ = 48.12[𝜇𝐹] 𝐶 . 0056[𝑘Ω] + .0063[𝑘Ω] + 0.04[Ω] 𝑅𝐸𝑆𝑅 + 𝑅𝐿 + 𝑅𝑆𝑊

𝑓𝐸𝑆𝑅 = 𝑓𝐿𝐶 = 𝑓𝑥 =

1 1 = 590.8[𝐻𝑧] = 2𝜋 ∗ 𝑅𝐸𝑆𝑅 ∗ 𝐶 2𝜋 ∗ .0056[𝑘Ω] ∗ 48.1[𝜇𝐹] 1

2𝜋 ∗ √𝐿𝐶

=

1

2𝜋 ∗ √227[𝜇𝐻] ∗ 48.12[𝜇𝐹]

= 1.522[𝑘𝐻𝑧]

𝑓 70[𝑘𝐻𝑧] = 7[𝑘𝐻𝑧] = 10 10 9|Página

590.8[𝐻𝑧] 7[𝑘𝐻𝑧] 7[𝑘𝐻𝑧 1 ]+ 𝑗 2 1 = 0.58⌊−81.7 ≈ 0.6⌊−90° 7[𝑘𝐻𝑧] 1−( + ) +𝑗 ∗ 1.52[𝑘𝐻𝑧] 1.52[𝑘𝐻𝑧] 20[𝑉] 3.13 1 = 1.7 𝐺= 0.58 𝐵=

30[𝑉]

Margen de fase 60°

𝐵𝑜𝑜𝑠𝑡 = 𝑀 − ∅ − 90 = 60° − (−90°) − 90° = 60° 𝐾 = (tan (

𝑏𝑜𝑜𝑠𝑡 + 45°)) 2 = 3 4

Cálculo del circuito de compensación Elegimos R1>10[kOhms] 𝐶1 =

1 1 = 1.33[𝑛𝐹] ≈ 1.2[𝑛𝐹 ] = 2𝜋 ∗ 𝑓𝑥 ∗ 𝐺 ∗ 𝑅1 2𝜋 ∗ 7[𝑘𝐻𝑧] ∗ (1.7) ∗ 10[𝑘𝑂ℎ𝑚𝑠]

𝐶2 = 𝐶1 (𝐾 − 1) = 1.33[𝑛𝐹](3 − 1) = 2.66[𝑛𝐹] ≈ 2.7[𝑛𝐹] 𝑅2 =

𝑅3 = 𝐶3 =

√𝐾 √3 = 1.48[𝑘𝑂ℎ𝑚𝑠] ≈ 1.5[𝑘Ω] = 2𝜋 ∗ 𝑓𝑥 ∗ 𝐶2 2𝜋 ∗ 7[𝑘𝐻𝑧] ∗ 𝐶2

𝑅1 1.48[𝑘𝑂ℎ𝑚𝑠] = = 7.4[𝑘𝑂ℎ𝑚𝑠] ≈ 6.8[𝑘Ω] 𝐾−1 3−1 1

2𝜋 ∗ 𝑓𝑥 ∗ √3 ∗ 𝑅3

=

1 = 1.77[𝑛𝐹] ≈ 1.8[𝑛𝐹 ] 2𝜋 ∗ 7[𝑘𝐻𝑧] ∗ √3 ∗ 𝑅3

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Fotos del circuito armado y prueba realizada.

11 | P á g i n a

Conclusiones El proyecto fue muy interesante ya que armar la fuente fue algo difícil, pero aun así se aprendimos lo fundamental en cuanto a cómo se diseña una fuente conmutada. También aprendimos sobre cómo diseñar un inductor toroidal y de cómo funciona el circuito tipo Buck o bien de los convertidores de DC-DC. También pudimos conocer el funcionamiento del circuito TL494 y cómo utilizarlo para amar fuentes este tipo de fuentes ya que cuenta con varios componentes como el oscilador, el modulador de PWM, una unidad lógica al cual están conectados dos transistores, así como dos amplificadores de error en ese mismo encapsulado. Un detalle en que tuvimos que pensar era colocar un Operacional con alimentación simple para así utilizar solamente una fuente en lugar de una fuente bipolar. En conclusión, para nosotros no fue tan fácil entender cómo funcionaba una fuente conmutada, pero al final se logó hacer funcionar a este circuito y de cómo calcular sus parámetros y valores en los elementos.

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