FUENTES CONMUTADAS

Introducción:

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 Kilohertz 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) para obtener uno o varios voltajes de salida de

corriente alterna (CA) que luego son rectificados (Con diodos rápidos)y filtrados

(Inductores y Capacitores)para obtener los voltajes de salida de corriente

continua (CC). Las ventajas de este método incluyen menor tamaño y peso del

núcleo, mayor eficiencia 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.

Objetivo:

Construir una fuente conmutada implementando los conocimientos de

electrónica 2 y dinámica de sistemas, esto aplicado en el diseño de la fuente y

sus etapas de control, además de observar el funcionamiento de una fuente

conmutada.

Las fuentes conmutadas… el cuco temido por muchos de los aficionados a la

electrónica. Si bien es cierto que el diseño de una fuente conmutada presenta

una dificultad mayor al de las fuentes lineales, no son imposibles de encarar,

solo hay que buscar algún diseño del cual poder guiarse para poder empezar.

Ese es el objetivo de este post, dejarles una copia de un informe de diseño de

una fuente conmutadaque me toco realizar recientemente para la facultad, asi

el que quiera entrar a este mundo tiene de donde guiarse… obviamente

recomiendo conseguir un libro especifico que trate el diseño de las fuentes

conmutadas.

Una vez que construyan una van a notar que no existen grandes diferencias

entre una pequeña fuentede 20 W (como la de la foto) y una fuente de PC de

500 W, muchas de los componentes los pueden robar de alguna ATX que no

funcione, al transformador de ferrita es mejor comprarlo asi nos evitamos el

tener que andar realizando pruebas para ver si lo saturamos o no. Es de mucha

ayuda utilizar elprograma para el diseño de núcleos magnético.

Las fuentes conmutadas tienen las siguientes ventajas:

La eficiencia de las fuentes conmutadas está comprendida entre el 68 y

el 90%. Esto hace reducir el costo de los dispositivos de potencia. Además, los

dispositivos de potencia funcionan en el régimen de corte y saturación,

haciendo el uso más eficiente de un dispositivo de potencia.

Debido a que la tensión de entrada es conmutada en un forma de alterna

y ubicada en un elemento magnético, se puede variar la relación de

transformación pudiendo funcionar como reductor, elevador, o inversor de

tensión con múltiples salidas.

No es necesario el uso del transformador de línea, ya que el elemento

magnético de transferencia de energía lo puede reemplazar, funcionando no en

50/60 Hz, sino en alta frecuencia de conmutación, reduciendo el tamaño del

transformador y en consecuencia, de la fuente; reduciendo el peso, y el coste.

Un transformador de energía de 50/60 Hz tiene un volumen efectivo

significativamente mayor que uno aplicado en una fuente conmutada, cuya

frecuencia es típicamente mayor que 15 kHz.

La desventajas de las fuentes conmutadas es su diseño más elaborado. Un

diseño de una fuente conmutada puede llevar varias semanas o meses de

desarrollo y puesta a punto, dependiendo de los requerimientos.

Segundo, el ruido es mayor que el de las fuentes lineales. En la salida y

entrada, radia interferencia electromagnética y de radiofrecuencia. Esto puede

dificultar el control y no deberá ser ignorado durante la fase de diseño. Por éste

motivo se deberán agregar de protección, de arranque suave, y filtros de línea

adicionales como etapas previas.

Tercero, la fuente conmutada toma proporciones de energía de la entrada en

pulsos de tiempos limitados para transferirlo a la salida en otras condiciones de

corriente y tensión, por lo que le llevará mayor tiempo de restablecimiento al

circuito para soportar variaciones en la entrada. Esto se llama “respuesta

transitoria en el tiempo“. Para compensar este funcionamiento lento, los

capacitores de filtro de salida se deberán incrementar para almacenar la

energía necesaria por la carga durante el tiempo en que la fuente conmutada

se está ajustando.

Fuentes Lineales vs Fuentes Conmutadas

La elección del uso de una fuente de alimentación conmutada, o una fuente

lineal en un diseño particular está basada en las necesidades de la aplicación.

Ambos tipos de fuentes de alimentacióntienen sus ventajas y desventajas.

Fuentes Lineales

La fuente lineal ofrece al diseñador tres ventajas principales:

Simplicidad de diseño.

Operación suave y capacidad de manejar cargas. Bajo ruido de salida y

una respuesta dinámica muy rápida.

Para potencias menores a 10W, el costo de los componentes es mucho

menor que el de las fuentes conmutadas.

Las desventajas del regulador lineal es su límite de aplicación. Sólo pueden ser

reductores de tensión, lo que significa que se necesitará una caída de tensión

aceptable para poder controlar la polarización de la etapa de potencia lineal y la

regulación en la línea. En aplicaciones de línea de 50Hz, deberán utilizarse

transformadores de linea adicionales de gran volumen, condicionando su

versatilidad y practicidad.

Segundo, cada regulador lineal puede tener sólo una salida. Por esto, para

cada salida regulada adicional necesaria, deberá incrementarse el circuito de

potencia.

Tercero, y quizas el más importante es su eficiencia. En aplicaciones normales,

los reguladores lineales tienen una eficiencia del 30 al 60%. Esto significa que

por cada Watt los costos se irán incrementando. Esta pérdida llamada

“headroom loss“, ocurre en el transistor de paso y, desafortunadamente es

necesaria para polarizar la etapa de potencia y para cumplir con

lasespecificaciones de regulación de línea, cuando la mayoría del tiempo el

regulador no funcionará en esas condiciones.

FUENTE DE PODER 12 VOLTIOS 200 MA LNK304, SIN TRANSFORMADOR

"Circuito transformador Switch Mode Power Supply"

12V/120mA modo de alimentación del circuito.

Transformador menos fuentes de alimentación conmutadas se han convertido

en muy popular en estos días.El circuito que se muestra a continuación es de

una salida de 12V/120mA, 85 a 230V AC interruptor de alimentación de entrada

sin transformador de energía en modo LNK304 con IC. Las aplicaciones de una

fuente de alimentación basada en este circuito incluye dispositivos portátiles,

relojes, pequeños electrodomésticos, conductores de LED, aparatos

industriales, etc

LNK304 es un componente de bajo conteo eficiente fuera de línea IC

conmutador que soporte buck, buck-boost y topologías flyback. El CI ha

construido en un circuito de auto inicio para protección contra cortocircuitos y

circuito abierto culpa. Otras características de LNK304 incluye la variación de

temperatura baja, térmico cerrado, ruptura de alto voltaje de la línea hacia

abajo, bueno y regulación de la carga, el ancho de banda alto, amplio rango de

tensión de entrada (85 a 230 V AC), etc En general, el LNK304 tiene un mejor

desempeño en comparación a los muchos otros reguladores buck discretos.

LNK304 pin configuración y aplicación típica

La configuración de pines y el diagrama de aplicaciones típicas de LNK304 se

muestra arriba. Escurra (D) el pin de la conexión de drenaje de los

incorporados en MOSFET de potencia. El condensador externo por pasar (0,1

uF) está conectado a la derivación (BP) terminal. COMENTARIOS (FB) pin

controla la conmutación del MOSFET de potencia incorporado. Una corriente

arriba de 49UA entregados a este pin inhibirá la conmutación. La fuente de

alimentación interna MOSFET está conectado a la fuente (S) pin.

LNK304 MODO BASADO INTERRUPTOR DE CIRCUITO DE SUMINISTRO

DE ENERGÍA.

El diagrama del circuito de un práctico interruptor de alimentación 12V/120mA

transformador de alimentación de modo que se muestra arriba. La resistencia

R1, los condensadores C1 y C2, los diodos D1 y D2 y la inductancia L1 forma

la etapa de entrada. D1 y D2 forma la sección de rectificador, mientras que C1

y C2 son filtros de entrada. Resistencia R1 que es un resistor fusible limita la

corriente de arranque, se incrementa la atenuación de ruido en modo

diferencial y también sirve como un fusible de seguridad de entrada.

La siguiente etapa es la etapa del regulador que consta de IC LNK304, diodos

D3 y D4, condensadores C3, C4 y C5, las resistencias R3, R4 y R5 y el

inductor L2. D3 es el diodo de rueda libre, mientras que L2 es la reactancia de

salida. C5 es el condensador de filtro de salida que limita la tensión de rizado

de salida a un valor tan bajo como sea posible. El LNK304 IC está configurado

de manera que la fuente de alimentación funciona en el modo más discontinua

y es por eso que un diodo de recuperación rápida (UF4005) se utiliza como el

diodo de rueda libre (D3). UF4005 tiene un tiempo de recuperación inversa de

alrededor 75nS y es lo suficientemente bien como para la situación dada.

La caída de voltaje a través de los diodos D3 y D4 son prácticamente iguales y

de modo que el voltaje a través de C4 seguimiento de la tensión de salida y

este voltaje es recogido por la red que comprende de resistencias R2, R3 y se

alimenta a la clavija de realimentación. R2 y R3 establece el voltaje de salida y

para la salida de 12 V del voltaje en el pin de realimentación debe ser DC

1.65V. El circuito de regulación alcanza saltándose los ciclos de conmutación.

Cuando el aumento de tensión de salida, la corriente en la patilla de

realimentación también se eleva y cuando la corriente aumenta por encima del

valor umbral, los ciclos posteriores se omiten hasta que la corriente en la patilla

de realimentación está por debajo del umbral y por lo tanto una tensión de

salida constante se mantiene.

El IC de reinicio automático si no hay ciclos se saltan durante un período de

tiempo de 50ms y esto limita la potencia de salida máxima de 6% de la máxima

potencia durante la carga. Es así como sobre la protección de la carga se logra.

La resistencia R4 sirve como una pequeña precarga que anula los efectos del

error de seguimiento.

MATERIALES CON CONSIDERACIONES TECNICAS

• Arme el circuito en una buena calidad PCB.

• LNK304 es una muy alta eficiencia de conmutación IC regulador que

tiene una mano llena de aplicaciones.

• LNK304 está comúnmente disponible en el paquete de SMD (DIP

también está disponible) y se debe tener cuidado mientras se suelda.

• D1 y D2 son estándar 1N4007 diodos rectificadores de silicio.

• D3 (UF4005) es un diodo de recuperación rápida.

• D4 (1N4005GP) es un diodo de cristal pasivado.

• C3 puede ser un condensador cerámico.

• C1, C2 y C4 son condensadores de poliéster.

• C5 puede ser electrolítico o condensador de poliéster.

• Las tensiones nominales de los condensadores se muestra en el

diagrama del circuito.

• R1 es una resistencia fusible, a prueba de fuego.

• La corriente máxima de salida posible es 120mA.

• Rango de tensión de entrada es de 85 a 230 V AC.