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Conmutación o Suicheo
iuc.r:lri lle Cr;frffrulaclólr Sulcrrer Introducción conceptos básicos
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GoruzÁr-rz S.
onzale z@ mail. om
Todo sistema electrónico necesita una iffente de alimentación para poder operar la cual puede ser una batería un circuito electrónico llamado fuente de poder Power Supply, de las cuales hay dos tipos principales: las lineales las de conmutación o suicheo. En este artículo vamos hablar de estas últimas, las cuales se encuentran en la mayoría de los aparatos modernos. Pretendemos aquí hacer una introducción explicar los conceptos básicos para que el lector pueda abordar bibliografía especializada en el tema si le interesa profundizar más. técnica tradicional más sencil1a para alimentar un aparato es usar una fuente regulada lineal de voltaje, Estas fuentes están con-
formadas por unos bloques básicos como lo muestra la figura 1. Estos son:
un transformador que se encarga de bajar el voltaje alto AC, un rectificador que con-
viefte en corriente continua la corriente altema, un filtro que eliminael rizado después de la rectificación, luego está el legulador compuesto por un elemento
;¡iivo
de potencia una malla de reali::¡ilt:rción que corrige las variaciones en lr .¡.i¡., nara obtener un voltaje estable conrel:¡ndrt lariaciones ya sea en la carS.r r. ei j¡ línea de entrada de voltaje.
Con un: iu¡nte de conmutación, se
pueden oL,rener nir:i:: de et'iciencia basfante altos: ntr e¡ diñcil llecar a] 80-r de eficiencia contra un -li,r'? de una tuente lineal: también se pueden logriir densidades de potencia mu¡ altas. es deci¡. en un Electrónica
C0mputad0¡,es
área muy pequeña, obtener dispositivos capaces de entregar mucha potencia. Todas estas ventajas se obtienen costa de otros factores como por ejemplo la complejidad electrónica de éstas, un proceso de diseño más extenso exigente además la dependencia de los componentes es mayor ya que éstos son mucho más críticos en especificaciones y por lo tanto su precio aumenta de igual forma.
Estructura básica
Las fuentes de conmutación tienen una estructura básica como la que se muestra la figura 2, que difiere mucho del esquema de una fuente lineal. El funcionamiento de una fuente de conmutación tiene su esencia en un circuito compuesto por una bobina que se carga
por medio de un voltaje DC aplicado
directamente sobre sus terminales durante un tiempo específico luego, cuando se abren sus terminales, ésta entre-ga su energía a una carga que no
N' 85 eEiIr<ñT
resistiva ya que contiene un condensador como elemento de filtrado la salida un diodo. Esto puede variar ligeramente ya que depende del es puramente
tipo de configuración que se utilice, pues existen diferentes topologías.
Cuando aplicamos un voltaje directa-
mente sobre una bobina, ésta empieza incrementar su corriente de forma constante medida que el tiempo aumenta. Si controlamos el tiempo durante el cual la bobina almacena energía, podemos tener un control que se refleja directamente sobre el voltaje de la salida.
Conf iguraciones básicas (Flyback Forward)
Veamos inicialmente dos confi guraciones básicas para las fuentes de conmutación: las fuentes tipo Flyback fipo Forward. En la figura podemos ver cómo se comportan las corrientes los voltajes toman-
do como elemento de conmutación un
intemrptor manual sólo con fines ilustra-
67
rEGIr0t0Etr Entrada
D+ Línea AC
Figura 1. Alimentación de un aparato, utilizando una fuente regulada lineal de voltaje
tivos, ya que el papel que juega éste lo
desempeña un transistor que se enciende apaga de acuerdo al control que se haga sobre la salida de la fuente. Observando la figura 3.la podemos ver que si el interruptor eslá cerrado, la corriente fluye directamente sobre la bobina almacenando energía. Con esta polaridad de voltaje, el diodo estí polarizado inversamente, por lo cual no hay ningún voltaje presente
lacargaRL. En el caso de lafigura 3.lb, se abre el intemrptoq la bobina invierte instantiíneamente su polaridad debido al campo magnético presente y el diodo D2 queda polarizado directamente, es decir, conduce haciendo circular la corriente almacenada en el inductor üavés del condensadorC con lapolaridad que muestra la figura, haciendo entonces que apanezcavn voltaje de polaridad inversa al de la enfrada, sobre la carga RL.
cerrado, la corriente fluye directamente hacia delante; de allí el nombre de la to-
pología atravesando el inductor produ-
ciendo entonces un voltaje sobre la carga RL; en este caso el diodo está abierto dada la polaridad del voltaje sobre sus terminales. Si el intemrptor se abre, como se muestra en la figura 3.2b, el campo magnético presente en el inductor invierte la polaridad del voltaje sobre la bobina haciendo conducir al diodo también empieza pasar corriente través del condensador; la polaridad del voltaje sobre RL se mantiene igual haciendo entonces que la corriente de salida sea continua diferencia de la corriente de entrada que es pulsatoria ya que fluye cuando el intemrptor está cerrado es cortada abruptamente cuando éste se abre.
en
El intemrptor se abre cierra continuamente como se describió anteriormente, de manera que durante el tiempo
que está encendido, la energía es almacenada en el inductor bobina cuando el interruptor se abre, la energía se transfiere hacia la carga. Es por esto que este tipo de circuito recibe el nombre de fuente de suicheo o de conmutación ya que la carga no se alimenta en forma continua sino intermitentemente.
En la figura 3.2 podemos ver la topología Forward, que aunque posee los mismos componentes, su funcionamien-
to es diferente. Cuando el intemrptorestá
se desea tener varias
tierras puntos flo-
tantes en un sistema. Para solucionar este inconveniente obtener una fuente aislada, se introduce un elemento que permita hacer esto como 1o haría un transformador aunque en la topología Flyback, por ejemplo, este no actúa como tal sino como choke.
En la fi_eura -la podemos ver la fuente tipo Fh'back aislada en donde reemplazamos el interruptor por un transistor para hacer la conmutación; nótese la polaridad del choke que es inversa en el primario el secundario: de esta forma la corriente varía de forma inversa. así. cuando el transistor se enciende. empieza cargarse el primario
Estos dos esquemas básicos corres-
no hay transferencia de potenD1
lz
-s1
los más utilizados en fuentes conmutación existen muchos otros que generalmente son variaciones que parten de uno de ellos. Esta parte de la fuente que se muestra en la figura corresponde sólo la teoría básica de funcionamiento como parte esencial para generar un voltaje en la salida; el resto de módulos los explicaremos más adelante de forma general. ya que éste tema es bastante extenso es prácticamente imposible entregar la teoría criterios de diseño suficientes en un solo artículo para que se haga el diseño completo de una fuente de conmutación de buenas especificaciones. Más adelante publicaremos un ejemplo de diseño de ponden de
RI
3.1a D2
un circuito real. En la figura
se puede observar que
tanto el modelo Flyback como el
Forward, no tienen ningún aislamiento eléctrico entre la entrada la salida lo cual es muy aconsejable hacer en términos de seguridad también para aislar el sistema con respecto una línea de alimentación común por ejemplo si
*.....*IL
v)
os
,"11" +T Figura 2.
Diagrama de bloques básico de una fuente de conmutación
68
3.2b Figura 3. Topologías básicas. (1) Flyback
Efectrón¡Ga
(2) Forward
Computadones
NoSS @EjKfi1tr
:.::===:BffiFu cia la carga y'a que el diodo se encuentra abierto. Cuendo el transistor se apaga corta. se ini'rerte la polaridad en el bobinado dado el campo ma,enético, el diodo conduce enviando corriente la car-sa. \-a que el elemento de aisla-
miento a!'túa como transformador
choke. no es necesario tener una bobina adi.'ional en la etapa de salida como 1a del caso no aislado.
Criterios básicos de diseño
El transistor, como elemento de conmu-
tación, debe soportar varias características para suplir las necesidades de la fuente como por ejemplo su respuesta en frecuencia, los tiempos de apagado encendido, etc. En la figura 4b se pueden observar las formas de onda de los voltajes corrientes sobre el transistor sobre los bobinados del transformador. Desarrollando las ecuaciones, llegamos que el voltaje colector-emisor máximo sobre el transistor está dado por la expresión:
VCEMAX=Vin/(1-dmax) Este valor es el máximo que caerá sobre el transistor por ello, la hora de escogerlo para un diseño. es muy importante tener en cuenta este parámetro. Vin es el voltaje máximo de entrada de la línea. Aquí estamos hablando de un voltaje DC que en una fuente conmutada es
el voitaje de la línea rectificado, es decir 120VAC l.4l42lo que nos da el valor RMS sea el valor DC pico después de
rectificado. Esto es aproximadamente 170V lo que nos da una idea de 1o exigente en componentes que son éstas fuentes. El valor dmax corresponde al máximo ciclo útil de la onda cuadrada que controla el encendido
apagado del
transistor de conmutación; si tomamos un ciclo útil máximo menor al 50Vo,po-
demos tener un voltaje VCEvex del orden de 800 que debe ser soportado por
el transistor.
Ot¡o factor importante en cuanto al
transistrrr es la corriente máxima que éste debe soportar al no salirse del área de operacitín sesura SOA (Safe Operatitrg .1rL,r que permiie tener corrientes muv grandes durante intervalos de
tiempo lo suiicientemente pequeños
como para no c;lu:ar daños pernranentes al elemento semiconductor. En este Electrónica
Computadores
caso. la corriente en el colector durante el tiempo de encendido está dada por:
lC=lL/n Donde IL es la corriente pico en el primario del transformador es la relación de vueltas del primario con el secundario.
La escogencia del transistor no sólo
depende de estos dos parámetros, aunque son muy importantes; también se deben tener en cuenta otros aspectos como por ejemplo la decisión de usar un transistor bipolar o BJT o un MOSFET; cada uno tiene sus ventajas desventajas sobre el otro siendo el BJT más económico mientras que el MOSFET pennite una simplificación de los ckcuitos ya que requiere
menos componentes para manejarlo. La frecuencia de operación es otro factor importante puesto que transistores de alto voltaje alta corriente frecuencias altas son más difíciles de consftuir haciendo que los BJTs difícilmente lleguen los 50KHz mientras que los MOSFETS se han desarrollado masivamente para este tipo de aplicaciones encontrándolos fácilmente para frecuencias del orden de 200KHz. En este tipo de circuitos hay que tener en cuenta que entre más alta la frecuencia se tienen componentes más exigentes más costosos pero también más pequeños por 1o tanto fuentes de ma-
yor potencia menor tamaño. Ahora
bien, si se utiliza un BJT o un MOSFET como elemento de conmutación, se debe utilizar tn driver apropiado para la base o el gate de cada transistor para hacer mínimos los tiempos de apagado encendido también para asegurarse que el transistor se haya encendido completamente durante el tiempo apropiado. Los diodos en la etapa de salida también deben soportar los voltajes las corrientes pico apropiadas deben ser escogidos con igual precaución que los transistores; su velocidad de conmutación es crítica ya que deben operar a altas frecuencias por lo que un diodo popular de rectificación no servirá en ésta etapa. Los diodos que se utilizan aquí son de tipo Schotth' Fast Recot ert.
El transformador es otro compo-
nente clave para el buen funcionamiento
N' 85 eEKiiT
C0nmutac¡ón
$uicheo
a) V¡n (dc)
",H
b)
,"
oN
f-'--
oN
[\
rL
Figura 4. Fuente aislada tipo Flyback. (a) Diagrama esquemático Voltajes corrientes
(b)
de una fuente de conmutación, ya que debe ser diseñado calculado específi-
camente para cada aplicación; de lo
contrario, el sistema no funcionará
como se desea. En una fuente regulada lineal. los transformadores consiguen en el mercado de forma genérica con características dadas básicamente por' potencia por niveles de voltaje co-
rriente. Estos transformadores están
construidos con un núcleo base de lámina de hierro superpuestas unas sobre otras alrededor de éstas se hacen los bobinados. Este tipo de transformadores funcionan muy bien para fuentes liel núcleo es relativamente ecodesempeño limita señales de baja frecuencia como lo es el fluido eléctrico de la línea de 60H2. neales
nómico
Figura 5. Transformador con núcleo de ferrita en una fuente de su¡cheo
69
rEGil0t0Ell
Lilrtrig.f,F j4itli¡rf:É¡¡:i.'1
remitir un manual de un fabricante
Figura 6. Diferentes salidas de PWM En unafuente de conmutación, como pudimos observar, la esencia radica en la
rápida conmutación sobre un inductor;
frecuencias que desde 5KHz hasta 200KHz
esto usualmente se hace
pueden ir
300KHz fácilmente. Al trabajar éstas frecuencias no se puede siquiera pensar en un transformador cuyo núcleo está
contruido abase de láminas puesto que la respuesta en frecuencia es muy pobre nula estos valores haciéndolo inutilizables para este tipo de aplicaciones' Es necesario entonces utilizar un transfotmador especial que pueda soportar las altas frecuencias que requiere una fuente de conmutación esto lo determina el núcleo sus características. En el caso de las fuentes de suicheo, se utilizan transformadores bobinas con núcleo de fen'ita debido sus buenas caracteústicas de operación en altas frecuencias, figura 5. Además. al trabajar con frecuencias más altas. el tamaño del núcleo es mucho menor para una misma Potencia. Cada matedal magnético está caracter-izado por una curva de histéresis es gráfica en un plano B-H, siendo la
densidad de
podemos observar varias ondas cuadradas de la misma frecuencia pero con diferente ciclo útil.
En la figura
fuente en frecuencia en energía, se debe
flujo magnético dada en
la fuerza del campo magnétiGauss co dada en Oersteds; la relación de éstas dos variables nos da la permeabilidad del material cuyo significado radica en la t'a-
cilidad que tiene un material de un nú-
cleo pala ser magnetizado por una inducida. Dadas las características de la
de
núcleos de fen'ita para escoger apropiadamente el núcleo para cada aplicación así proceder con el diseño del transformador que de no resultar apropiado, normalmente termina con la saturación del núcleo dejándolo inservible para siempre' En cuanto costos, un núcleo de fenita de álta frecuencia es más costoso que un núcleo base de lámina de hierro. ya éstos núcleos garantizan un material con las características especiales citadas anteriormente.
controlador
trol se establece tomando una muestra de la salida realimentándola al PWM para que éste genere un ciclo útil apropiado
para llegar tener el I'oltaje de salida deseado ajustado en el PWM como un s¿l
point. (Punto de ajuste). La salida de la
fuente está aislada elécnicarnente por transformador, es decir. ha1' tienas diferentes en la salida en la entrada por lo que no se puede conectar directamente la salida de voltaje de la fuente con la entraambas partes están da del PWM, ya ret'erenciadas tienas diferentes' Para tomar una muestra de la salida, se utiliza ott'o elemento aislante que puede ser otro
El rango de voltaje de entrada' el factol de regulación, el voltaje de salida, la corriente de salida e\ ri¡t¡tle rizado se relacionan en todas éstas ecua-
ciones para-hallar los valores óptimos de rango de operación que dan los valores apropiados para la frecuencia de operación, rango de ciclo útil carac-
transformador
En la figura se Puede observar un diaglan.ra de bloques completo de una tuente de conmutación tipo .fl ,-b ac inchtComo l,enclo el PWM el optoacoplador' podenros er. el PWM está situado al mismo ladc¡ que el primario del transformador ertá confbnnado por un circuito inteE-aclo que requiere una alimentación DC que se obtiene cle ull bobinado adicional no regulado sobre el ttanstbrmador' proporcionando éste la polarización inicial
EtaPa de control
Como vimos en los diagramas antel'iofes' el transistor, como elemento de conmutación. necesita un control en la base en el gcrte sies un MOSFET para encenderapagarse apropiadamente'
más común en las fuentes de conmutación es utilizando PWM (Pulse Width Mochlcttiott) modulación por ancho de
pulso que consiste en tener una onda cuadrada de frecuencia constante que vaúa el ciclo útil de encendido del transistol"
De esta fbrma, dependiendo del nivel de entrada de PWM, éste producirá Llna salida siempre de la misma fiecuencia pero con un ciclo útil proporcional al nivel de entrada que puede ser voltaje con iente'
Driver Transistor
un optoacoplador; de ésta
manera obtengo el voltaje aislado lo puedo conectar al PWM para cerrar la r.r.ralla de control.
terísticas del transformador para un proceso de diseño que involucre todas las características de los componentes'
se
se conviefte entonces en el de la t-uente la malla de con-
El PWM
para que la fuente ¿uranqlle luego, cuando l¿r salida sea estable, su alimentación se conecta la salida de la fuente' E'ste circuito es conocido como "circuito de an'anque" opera sólo cuando se enciende la ñlente su salida alcanza el valor deseado'
Aplicaciones
Por sus grandes ventajas eficiencia, las fuentes de conmutación tienen actualmente muchísimas más aplicaciones que las fuentes lineales. Además de los usos tradicionales. hay otros especiales como por ejemplo conversores DC-DC para voltajes negativos, para obtener niveles de muy altos como miles de voltios paftir de una bateía de bajo voltaje, fuentes de múltiples salidas, etc. Ademeas, debido
la producción masiva, el precio para las fuentes de suicheo
FiguraT.Diagramadebloquescompletodeunafuentedeconmutacióntipoflyback.
70
conmutación se ha
rebajado considerablemente'
Electnónica
Computadones
N'85 @EKñT