Fuentes Conmutadas

Fuentes de alimentación conmutadas

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 kHz típicamente) entre corte (abiertos) y saturación (cerrados). La forma de onda cuadrada resultante se aplica 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 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.

Las fuentes conmutadas tienen por esquema: rectificador, conmutador, transformador, otro rectificador y salida.

La regulación se obtiene con el conmutador, normalmente un circuito PWM (Pulse Width Modulation) que cambia el ciclo de trabajo. Aquí las funciones del transformador son las mismas que para fuentes lineales pero su posición es diferente. El segundo rectificador convierte la señal alterna pulsante que llega del transformador en un valor continuo. La salida puede ser también un filtro de condensador o uno del tipo LC.

Las ventajas de las fuentes lineales son una mejor regulación, velocidad y mejores características EMC. Por otra parte las conmutadas obtienen un mejor rendimiento, menor coste y tamaño.

Transformador

El transformador entrega en su secundario una señal con una amplitud menor a la señal de entrada

La señal que se entrega en el secundario del transformador deberá tener un valor acorde a latensión (voltaje) final, decorriente continua, que se desea obtener.

Por ejemplo:

Si se desea obtener una fuente de poder con un voltaje final en corriente directa de 12 Voltios, el secundario del transformador deberá tener un voltaje encorriente alterna no menor a los 9 voltios, quedando este valor muy ajustado (recordar que el valor pico el el secundario es: Vp = 1.41 x Vrms = 1.41 x 9 = 12.69 Voltios).

Si se toman en cuenta las caídas de voltaje en las diferentes etapas (bloques) de la fuente de poder, posiblemente ya no se puedan obtener los 12 voltios esperados.

En este caso se escogería un transformador con un voltaje en el secundario de 12 voltios c.a.. Con este voltaje en c.a. se obtiene un voltaje pico: Vp = 1.41 x 12 = 16.92 voltios.

Rectificador

- El rectificador convierte la señal anterior en una onda de corriente continua pulsante, y en el caso del diagrama, se utiliza un rectificador de 1/2 onda (elimina la parte negativa de la onda.)

Filtro

- El filtro, formado por uno o más condensadores (capacitores), alisa o aplana la onda anterior eliminando el componente de corriente alterna (c.a.) que entregó el rectificador.

Los capacitores se cargan al valor máximo de voltaje entregado por el rectificador y se descargan lentamente cuando la señal pulsante del desaparece. Ver el diagrama anterior yproceso de descarga de un capacitor

Regulador

- El regulador recibe la señal proveniente del filtro y entrega un voltaje constante sin importar las variaciones en la carga o del voltaje de alimentación.

En otras palabras:

- Los transformadores se utilizan para disminuir o elevar voltajes de corriente alterna. En nuestro caso para disminuir el voltaje.

- Los rectificadores están formados por diodos y se utilizan el proceso de transformación de una señal de corriente alterna a corriente continua, permitiendo el paso o no de los semiciclos de ondas de corriente alterna.

- Los filtros, pueden ser de varios tipos y se utilizan para eliminar los componentes de C.A. no deseados.

- Los reguladores son un grupo de elementos o un elemento electrónico, que se encarga de que el voltaje de salida no varíe de su valor nominal en cualquier condición.

Etapas de una Fuente de AlimentaciónTransformación: Convierte la tensión de entra de 220 v en tensión de salida de 5 a 12 vRectificación: Hace que la corriente sea constante, continua y no sufra variaciones de voltaje que puedan dañar a los componentes del PCFiltrado Trabaja la señal para que no tenga oscilaciones (aplanar al máximo la señal).Estabilización: Mediante un regulador conseguimos que cuando aumente o disminuya la señal de entra no afecte a la tensión de salida

como funciona una fuente de voltaje variable ?

La primera etapa está compuesta por un transformador, rectificador y un filtro. El transformador tiene voltaje alterno. El voltaje alterno, cambia su cantidad de salida, o sea, puede reducir o aumentar el voltaje. También tenemos los diodos, que hacen que solo pase voltaje si es positivo siempre que sea mayor a 0.7v (en caso de tratarse de diodos de silicio) o 0.3v (en caso de tratarse de diodos de germanio) e impiden el paso en sentido contrario, ya que son dispositivos unidireccionales. Y hablando de diodos, otro de los componentes que se usa es un puente de diodos, que son cuatro diodos que generan una salida de voltaje positivo y una salida de voltaje negativo. Después se pueden añadir transistores (que pueden ser los filtros) que hacen el voltaje constante y unos cuantos transistores más para regularlo. Enseguida se pone el circuito limitador de corriente para seleccionar la intensidad máxima que puede entregar la fuente, y por último sigue el circuito de ajuste de tensión, en el que mediante un potenciómetro, se variará el voltaje de salida.

No sé de cuánto pretendas hacer tu fuente, pero para que te des una idea te dejo un circuito (que acabo de sacar) de una fuente de alimentación de voltaje variable de 1 a 25 volts:

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:

Iw = 2 Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 5.5 Pout / Vin (FLYBACK)

Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 2.25 Pout / Vin (FORWARD)

• 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, contínuo 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%.

Figura 2 – Tipo de Retroceso

De retroceso (Flyback)

Dada su sencillez y bajo costo, es la topología preferida en la mayoría de los convertidores de baja potencia (hasta 100 w).

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 3 – Tipo Flyback de salidas múltiples

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 4 – Tipo Directo

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