Fuente Conmutada Electronica.docx.docx

República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vicerrectorado “Luis Caballero Mejías” Departamento de ingeniería de Sistemas Sistemas Electrónicos II Sección 01

FUENTES CONMUTADAS TIPO: STEP DOWN

Profesor:

Integrantes:

Ing. Francisco Ledo

Apiscope Jon Exp. 2014203017 Romero Omar Exp. 2014203027

Julio de 2017

Introducción En este trabajo analizáremos las características más representativas del circuito integrado LM 3524, con el cual se realizara el diseño del circuito de control para el elemento de suicheo, además de esto se analizarán las características del sistema de conmutación que se utilizara, la finalidad de este trabajo es hacer una fuente conmutada tipo Step Down con los parámetros asignados y entre otras aprender a manejar el LM3524.

Fuente conmutada STEP DOWN La Fuente conmutada STEP DOWN es capaz de regular un voltaje de entrada mayor y convertirlo en uno menor a su salida. Es un tipo de regulador que realiza una tarea similar a la de un transformador reductor y el voltaje de salida que este entrega es siempre menor que el voltaje de entrada La forma más simple de reducir una tensión continua (DC) es usar un circuito divisor de tensión, pero los divisores gastan mucha energía en forma de calor. Por otra parte, una fuente conmutada STEP DOWN puede tener una alta eficiencia (superior al 95% con circuitos integrados) y autorregulación.

Funcionamiento Básico Es un tipo de regulador que realiza una tarea similar a la de un transformador reductor y el voltaje de salida que este entrega es siempre menor que el voltaje de entrada. En la siguiente figura se muestra el esquema básico

Cuando el interruptor "S"(transistor operando como switch) se cierra T ON, una corriente fluye a través del inductor L. Una parte de esta corriente va a la carga y la otra sirve como corriente de carga del condensador C. Durante TON debido a la polaridad del voltaje entre los extremos de la bobina, el diodo D esta polarizado en inversa y no conduce. Cuando el interruptor se abre TOFF, el inductor L invierte la polaridad del voltaje entre sus extremos para mantener el flujo de la corriente en el mismo sentido, como consecuencia el diodo ahora queda polarizado directamente, evitando que altos voltajes sean inducidos en el inductor y habilitando un camino para el paso de corriente, en consecuencia durante TOFF la corriente que circula a través de la carga es suministrada tanto por el inductor como por el condensador.

Configuraciones Básicas Las fuentes conmutadas son de circuitos relativamente complejos, pero podemos siempre diferenciar cuatro bloques constructivos básicos

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, un comparador de tensión y un modulador de ancho de pulso (PWM). El modulador recibe el pulso del oscilador y modifica su ciclo de trabajo según la señal del comparador, el cual coteja la tensión continua de salida del tercer bloque con la tensión de referencia. 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 y otras veces nos encontraremos con circuitos totalmente transistorizados. DESCRIPCIÓN DEL LM3524 El LM 3524 posee dos salidas estas salidas son dos transistores, cada transistor puede ser trabajado por separado es decir cada salida es independiente la una de la otra, si se utilizan las dos salidas el sistema trabaja con un ciclo de dureza máximo de 0.9 o del 90 % ósea que cada uno de los transistores trabaja con un ciclo de

dureza de 0.45 los transistores no trabajan al 50% porque posee un 5 % en el cual no conducen, esto es para que los transistores no conduzcan al mismo tiempo los dos. Posee un oscilador que se puede programar para una frecuencia deseada, los parámetros para la programación del oscilador son simples pues se debe tener en cuenta la resistencia mínima a la cual puede trabajar el oscilador la cual es de 1.8K y la máxima la cual es de 100k, así mismo el condensador también posee un rango el menor es de 0.001F y el mayor es de 0.1F. Este integrado posee dos pines que se utilizan para censar la corriente, estos pines son el 4 y 5 del integrado, el censado de la corriente se usa para proteger el dispositivo de suicheo. El integrado cuenta con un voltaje de referencia interno de 5 v el cual sirve con el pin 2 y 1 para la realimentación del sistema. Para generar el PWM se necesita un comparador en el en su entrada no inversora haya una señal dientes de sierra o triangular, como la que es generada por el oscilador interno, y además que haya un y en la entrada inversora haya una señal de referencia como la generada por las entradas de compensación, el shutdown, el amplificador de error y el control de corriente. Las salidas del LM3524 son transistores NPN, capaces de un máximo de corriente de 200 mA. Estos transistores conducen 180° fuera de fase y no tienen comprometidos colectores y emisores abiertos; los pulsos de control de cada transistor de salida empiezan con la rampa de sincronización (entrada no inversora), y terminan cuando esta se hace mayor al voltaje de la entrada inversora del comparador.

El LM3524 tiene en el pin 16 un chip 5V 50maA, el cual es un regulador de voltaje protector de cortocircuitos, este regulador de voltaje alimenta los componentes internos del circuito, además puede ser usado como una referencia externa. Este integrado además tiene un oscilador el cual se encarga de generar una señal triangular estable, lo cual es necesario para generar pulsos de sincronización que obliguen al PWM a trabajar a esa frecuencia, la frecuencia de este viene dada por una resistencia externa en el pin 7, y un condensador externo en el pin 8. Además de esto la salida del oscilador provee de las señales de triggering para un flip-flop interno, que dirige la información del PWM a las salidas, y un pulso ocultador que apaga ambas salidas de los transistores para que la conducción no ocurra, el ancho de este pulso está determinado por CT pin 7. Para los pines 1 y 2 se encuentra un amplificador de error, que compara en voltaje en estas dos entradas, la ganancia de este amplificador depende de la frecuencia de entrada además de la resistencia entre el pin 9 y tierra. Para que la señal de salida sea cero el voltaje de entrada entre 1 y 2 deben ser iguales. En la salida 4 y 5 se encuentra un limitador de corriente, la función de este es anular al amplificador de error y tomar el control del ancho de banda, esto lo hace cuando haya una diferencia mayor o igual de 200mV entre la entrada no inversora e inversora de este amplificador.

El pin 10 o shutdown pone el voltaje de la entrada inversora del comparador interno en cero cuando hay una señal alta en su entrada sin importar que halla en las otras ramas, obligando a apagar la salida del control.

Figura 5: esquema del LM3524

DESCRIPCIÓN DEL LM3524 COMO PARTE DE UNA FUENTE CONMUTADA “STEP-DOWN” El pin 16 (VR) tiene una tensión de 5V, alimenta por medio de un divisor de tensión al pin 2 (entrada NI del comparador de ERROR), a una tensión de 2,5V. El pin 1 (entrada INV del comparador de ERROR) se alimenta por un divisor de tensión formador por una resistencia de 5k OHM y Rf, alimentado por la tensión de salida Vo. El valor de Rf es aquel que establezca en el pin 1 la tensión de 2,5V, si Vo es el nivel de tensión de diseño.

Circuito equivalente:

¿CÓMO FUNCIONA EL CIRCUITO? El circuito trabaja de la siguiente manera: Q1 es usado como interruptor, estará algunas veces ENCENDIDO y otras veces APAGADO controlado por el modulador por ancho de pulso. Cuando Q1 está encendido, la energía se extrae de VIN y se suministra a la carga a través de L1; VA es aproximadamente VIN, D1 esta inversamente polarizado, y Co se está cargando. Cuando Q1 se APAGA el inductor L1 forzara a VA a tomar un potencial negativo para mantener la corriente que fluye en él, D1 comenzará a conducir y la corriente de carga fluye a través de D1 y L1. La tensión en Va es suavizada por la bobina L1,

el filtro Co dará una salida de corriente continua limpia. La corriente que fluye a través de la bobina L1 es igual a la corriente de carga nominal DC más algunos ΔIL que se deben a los cambios de tensión a través de ella. Una buena regla general es establecer ΔILP-P. ≈ 40% de Io. FÓRMULAS PARA CALCULAR LOS COMPONENTES DEL “STEP-DOWN”

L1 =

2.5. Vo ∙ (VIN − Vo ) 𝑓. VIN ∙ IoDC

Co =

(VIN − Vo ) ∙ Vo ∙ T 2 8 ∙ ∆Vo ∙ L1 ∙ VIN

Rf = 5k ∙ (

Vo − 1) 2,5

La constante de tiempo dada por el resistor RT y el capacitor CT establece la frecuencia del oscilador del sistema, ecuación suministrada por el fabricante. fOSC =

1 R T ∙ CT

BOBINA L1 (demostración) De las relaciones de ∆IL =

VL ∙∆T

∆IL +=

L1

se obtienent ON y t OFF de los parámetros del circuito.

(VIN − Vo ) ∙ t ON (∆IL +) ∙ L1 → t ON = (VIN − Vo ) L1

∆IL −=

(∆IL −) ∙ L1 Vo ∙ t OFF → t OFF = L1 Vo

T = t ON + t OFF =

(∆IL +) ∙ L1 (∆IL −) ∙ L1 + (VIN − Vo ) Vo

Para ∆IL = 0.4 ∙ IoDC →

T=

(0.4∙IoDC )∙L1 (VIN −Vo )

+

(0.4∙IoDC )∙L1

Vo

L1 =

2.5. Vo ∙ (VIN − Vo ) 𝑓. VIN ∙ IoDC

CAPACITOR Co El capacitor absorbe el exceso de corriente que fluye por L1 cuando IL es mayor a IoDC , y aporta la corriente faltante cuando IL es menor a IoDC a la carga. Por tanto:

ICo = IL − IoDC Como ∆IL += ∆IL −, la corriente de carga y descarga del capacitor, es igual a un cuarto de la variación de corriente del inductor L1, medio del tiempo activo,

tON 2

∆IL 4

. La carga se produce en un

. Y la descarga en un medio inactivo,

tOFF 2

.

La diferencia de potencial en el capacitor es:

∆Vop−p =

1 ∆IL t ON t OFF 1 ∆IL ∙ T (VIN − Vo ) ∙ t ON T ∫ i ∙ dt = ∙( + )∙ = = ∙ Co 4 2 2 Co 8 ∙ Co L1 8 ∙ Co

∆Vop−p =

(VIN − Vo ) ∙ t ON ∙ T Vo ∙ T (VIN − Vo ) ∙ T (VIN − Vo ) ∙ Vo ∙ T 2 = ∙ = 8 ∙ Co ∙ L1 VIN 8 ∙ Co ∙ L1 8 ∙ Co ∙ L1 ∙ VIN Co =

(VIN − Vo ) ∙ Vo ∙ T 2 8 ∙△ Vo ∙ L1 ∙ VIN

Datos de diseño Vin: 48v Vout: 24v Iout: 10A Vr: 1% f: 100kHz (debido a que los transistores trabajan bien a esta frecuencia) Determinamos CT y RT fOSC =

1 R T ∙ CT

Para este caso se escoge con una frecuencia de trabajo de 100Khz: RT= 10KΩ

CT= 0.001 uF

Para obtener L1 tenemos:

𝐿1 =

2.5.Vo ∙(VIN −Vo )

→ 𝐿1 =

𝑓.VIN ∙IoDC

2.5.24v∙(48v−24v) =0.03mH 100𝑘𝐻𝑧48𝑣∙10A

Para Co tenemos:

Co =

(VIN −Vo )∙Vo ∙T2 8∙△Vo∙L1 ∙VIN

=> △ Vo = Vr. Vo=0.24v 1%

Vr = 100% = 0.01

Co =

(48𝑣−24v)∙24v∙10us2 8∙0.24v∙0.03mH∙48v

=20,83uF

Para Rf Vo Rf = 5k ∙ ( − 1) 2,5 24 Rf = 5k ∙ ( − 1) 2,5 Rf = 43KΩ

Debido a que las especificaciones del diseño propuesto exceden el voltaje del LM3524, en este caso: