FUENTE CONMUTADA TIPO CONVERTIDOR DIRECTO CC-CC CON AISLAMIENTO GALVANICO TOPOLOGIA FORWARD

FUENTE CONMUTADA TIPO

CONVERTIDOR DIRECTO CC-CC CON AISLAMIENTO GALVANICO

TOPOLOGIA FORWARD

Realizado por:

Antonio Alcázar Pliego

La topología FORWARD es derivada del convertidor reductor Buck. Un convertidor con topología FORWARD es utilizado en cargas de 100 a 300 vatios. El cual como todas las fuentes conmutadas tiene por objeto principal, adaptar la energía eléctrica a las necesidades de la carga.

La fuente primaria de alimentación puede provenir de una batería o de la red eléctrica. En este último caso, es necesaria una etapa previa CA-CC. Por lo tanto la corriente de entrada debe ser previamente rectificada y filtrada con una amplitud de ondulación adecuada.

La entrega de energía se hace a través de transistores de potencia, trabajando en conmutación a altas frecuencias. Los voltajes de salida son controlados por el circuito de control que opera sobre el ciclo de trabajo. Por lo tanto la transferencia de tensión, desde la entrada a la salida, no se realiza en forma continua, sino en intervalos de conducción del conmutador y mediante un acumulador de corriente se hace que sea de nuevo continua al valor deseado.

Como las magnitudes de entrada al convertidor de realimentación regulada cc-cc no están reguladas es aconsejable que la entrada y la salida estén aisladas de forma galvánica, está fusión la realiza un transformador de alta frecuencia, con la particularidad que el tamaño de los materiales magnéticos disminuye cuanto más alta sea la frecuencia.

El esquema de bloques con topología FORWARD se puede representar de la siguiente forma:

.

Ve Vo

.

Descripción de las distintas etapas

Fuente primaria proporciona energía para el funcionamiento del circuito, bien desde una fuente continua como una batería o directamente de la red eléctrica a través de una fuente rectificadora.

Conmutador de impulsos encargado de regular la tensión de salida conmutando un transistor de potencia o MOSFET entre corte y saturación, que opera como interruptor: o completamente apagado o completamente encendido. Por lo que la forma de regular la tensión continua que obtenemos a la salida, es únicamente por medio del control de frecuencia de conmutación y del ciclo de servicio del conmutador, de esta forma siempre se obtendrá una tensión menor a la salida que la existente en la entrada.

Transformador de alta frecuencia proporciona aislamiento galvánico y una función de elevador o reductor.

Filtro pasa bajo compuesto de bobina y condensador rectifica la señal de impulsos para obtener una corriente casi continua

Circuito de control se encarga de regular los cambios de estado del conmutador, compensando las perturbaciones de la línea y la carga, compara la tensión de salida con la señal rampa creada por un generador de impulso para obtener una salida constante variando el ciclo de trabajo.

Amplificador de error compara el volteje de realimentación con el voltaje de referencia para adaptarlo. Reduciendo de escala a la tensión de salida para poder compararla en un mismo rango con la señal dientes de sierra proporcionada por un reloj

Comparador su objetivo es comparar la señal del amplificador de error junto con la seña de diente de sierra para tener el tiempo que ha de estar el transistor encendido.

Carga resistencia equivalente al dispositivo a conectar, con la precaución a tener en cuenta, si la resistencia es muy alta, la intensidad que circula por la bobina es cercana al límite de continuidad, obtendremos una respuesta no programada.

Calidad del sistema los indicadores fundamentales para la calidad relativa del sistema son:

Ciclo de trabajo relación existente entre el tiempo que está activo o en modo de conducción y el tiempo total del periodo de conmutación con el que actúa. Se da en tanto por uno. Mientras El periodo T es el tiempo que tarda la onda en ir de un punto de máxima amplitud al siguiente. Durante un tiempo igual a DT la señal de control del conmutador estará a nivel alto, y por tanto el conmutador conducirá. Durante el tiempo T (1-D), la señal estará a nivel bajo, y el conmutador no conducirá, como se muestra en la señal de entrada al conmutador

Sí. T=1/frecuencia ; T= t_on+ t_off

Tendremos que:

D=t_on*f_s ; D=t_on/(t_on+ t_off )

Luego D=t_on/T

D=V_O/V_i

Factor de regulación o regulación de línea rechazo del sistema a variaciones de la tensión de entrada para temperatura y corriente constante o el cambio en el voltaje de salida cuando se realiza un cambio en al voltaje de entrada

〖 F〗_reg=〖∆V〗_s/〖∆V〗_e

Regulación de carga cociente resultante al producirse un cambio en la tensión de salida para una determinada intensidad en la carga

F_carga=〖∆V〗_s/〖∆I〗_e

Resistencia de salida variación de la tensión de salida en cc en función de la corriente cc en la carga para temperatura y tensión constantes

R_s=〖∆V〗_s/〖∆I〗_s

Impedancia de salida variación de la corriente de salida por cambios rápidos queda definida en función de la frecuencia, para reducirla se utiliza condensadores

Z_s=(〖∆V〗_s (ω))/(〖∆I〗_s (ω))

Factor de rizado indica cuando la tensión no es constante

F_r=V_ef/〖∆V〗_med

Rendimiento es la potencia de entrada a la carga entre potencia suministrada por la fuente primaria como valor ideal =1

η=P_s/P_E

Esquema de potencia con topología FORWARD

Está formado por un conmutador S, puede ser un MOSFET, un IGBT, un transistor bipolar BJT, un Tiristor o un GTO, cualquier semiconductor, 3 diodos para regular la circulación de corriente D1,D2,Dt ,un filtro LC en la salida Lo, Co y un transformador de alta frecuencia Tr formado por tres devanados diferentes N1,N2,Nt.

Descripción

El aislamiento galvánico lo proporciona un transformador de alta frecuencia Tr colocado entre el voltaje de entrada y el convertidor de salida. De esta forma se consigue separar la masa del circuito primario del secundario, formando parte directamente del circuito de conmutación. Está compuesto de tres devanados N1 y N2 se encargan de transferir la energía de la fuente a la carga cuando el interruptor está cerrado. Nt proporciona un camino a la corriente magnetizante, cuando el conmutador está abierto con el fin de reducirla a cero antes del inicio de cada periodo. Normalmente, este devanado se elige con un número de espiras igual al primario. Con lo cual el ciclo de trabajo esta reducido alrededor de un 50% pues si excitamos unidireccionalmente el núcleo tendremos que descargarlo antes de comenzar con el siguiente ciclo. La corriente proveniente del devanado de desmagnetización puede ser retornada al condensador de entrada y reutilizada durante el próximo ciclo de operación, El transformador debe ser capaz de transferir valores máximos del primario al secundario a la frecuencia fundamental de conmutación la inductancia de magnetización deberá ser lo mayor posible y de ese modo obtener la mínima corriente posible.

Las inductancias de pérdida suelen ser pequeñas e incluso despreciables si existe un buen acoplamiento entre devanados.

Su curva de histéresis y su modo de funcionamiento, nos darán datos sobre cómo debe ser dicho transformador.

Bm es la máxima densidad de flujo, más allá de la cual pasa a saturación, y Br es la densidad de flujo remanente, lo que nos demuestra que la repetición de pulsos de tensión por parte del transformador son asimétricos en alta frecuencia, provocando que el punto magnético de operación esté siempre en el primer cuadrante del lazo de histéresis, teniendo que restablecer el núcleo magnético en cada ciclo de trabajo, para impedir la saturación del transformador.

S es el interruptor de potencia (transistor) que funciona en corte y saturación, produciendo un voltaje pulsante con onda cuadrada, cuya amplitud es la del voltaje de entrada y su ciclo de trabajo es la variable controlable. Cuando conduce, se energiza el filtro de salida a través del transformador, la corriente primaria es la corriente de salida por la razón de vueltas del transformador (N1/N2), provocando el almacenamiento de energía en el inductor de salida Lo. Cuando S no conduce, la tensión del secundario invierte su polaridad. Como consecuencia D1 se bloquea, y D2 es polarizado directo proporcionando el camino necesario para que la corriente almacenada en Nt sea liberada en la carga durante el tiempo de no conducción del interruptor.

Opera en modo de conducción continua, con lo cual, presenta bajos máximos de corriente en la entrada y en la salida.

Modo ON

Cuando el interruptor S conduce, está cerrado, o en modo ON, la corriente crece

...