diseño básico de una fuente de alimentación moderna

diseño básico de una fuente de alimentación moderna

Los estabilizadores de tensión lineal con CI fueron la base de los proyectos de suministro durante muchos años ha llegado el momento de modernizar y reemplazarlos con análoga a la de conmutación mucho más eficiente e igualmente fácil de manejar.

Los reguladores de tensión lineal son generalmente mucho más eficiente y más fácil de usar que los circuitos equivalentes de reguladores de tensión realizado con componentes discretos tal como un diodo Zener y un resistor, o incluso transistores y amplificadores operacionales.

Los tipos más populares de los reguladores de tensión en una salida lineal son fijos y, con mucho, la serie de tensiones de salida positivos y la serie 78XX para tensiones de salida negativos 79XX Estos dos tipos de reguladores de voltaje complementarios producen una salida precisa de tensión y estable de aproximadamente 5 voltios hasta cerca 24 voltios para el uso en muchos circuitos electrónicos.

Una amplia gama de estos reguladores de voltaje de fijación ajustable para tres terminales, cada uno con su propia regulación de tensión y de limitación de corriente de los circuitos integrados. Esto nos permite crear toda una serie de diferentes potencias, tanto la fuente de alimentación simple o doble, adecuado para la mayoría de los circuitos y aplicaciones electrónicas.

La mayoría de las fuentes de alimentación de CC incluye un transformador de red grande y pesado reductor, el diodo de rectificación, onda o de onda completa, un circuito de filtrado para eliminar cualquier contenido de la ondulación de la DC rectificada para producir una tensión de CC suficientemente regulares, y un circuito estabilizador, para asegurar el correcto ajuste de la tensión de salida de la fuente de alimentación en condiciones de carga variables. Por lo tanto una potencia de CC típico sería el siguiente:

fuente de alimentación típica DC

Estas fuentes de alimentación típicos contienen un gran transformador de la red (que también proporciona aislamiento entre la entrada y la salida) y una disipativo serie circuito regulador. El circuito regulador puede estar constituido por un solo diodo zener o un regulador serie lineal de tres terminales para producir la tensión de salida requerida. La ventaja de un regulador lineal es que el circuito de alimentación requiere sólo una entrada de condensador, un condensador de salida y algunas resistencias de realimentación para ajustar la tensión de salida.

Los reguladores de tensión lineal producen una salida regulada DC utilizando un transistor de conducción continua en serie entre la entrada y la salida, operandolo en su región lineal.

por lo tanto, el transistor actúa más como una resistencia variable que se adapta continuamente a cualquier valor necesario para mantener la tensión de salida correcta.

Circuito en serie transistor regulador

Aquí este sencillo circuito regulador seguidor de emisor consta de un único transistor NPN, y un voltaje de polarización DC para ajustar el voltaje de salida requerido. Desde un circuito seguidor de emisor tiene una ganancia de tensión unitaria, la aplicación de un voltaje de polarización adecuado a la base de los transistores, se obtiene una salida estabilizada desde el terminal emisor.

Teniendo en cuenta que un transistor proporciona ganancia de corriente, la corriente de carga de salida será mucho mayor que la corriente de base, aún mayor si se utiliza una configuración Darlington.

La única condición es que la tensión de entrada es suficientemente alta para obtener el voltaje de salida deseado, la tensión de salida es controlada por la tensión de base del transistor.

En este ejemplo se trata 5,7 voltios para producir una salida de 5 voltios para la carga, 0.7V adicional sirven para compensar la caída de tensión entre los terminales de la base y el emisor. entonces, basado en el valor de la tensión de base, es posible obtener cualquier valor de la tensión de salida del emisor.

La desventaja de esto es que el transistor regulador serie está sesgada continuamente en su región lineal, disipa energía en forma de calor como resultado de su VxI producto, ya que toda la corriente de carga debe pasar por el transistor, lo que resulta en una pobre eficiencia, generación de energía y calor desperdiciado continúa.

también, una de las desventajas de que los reguladores de voltaje serie tienen es que su corriente nominal de salida continua máxima se limita a unos pocos amperios. Por lo que generalmente se utilizan en aplicaciones donde se requiere baja potencia de salida.

Cuando se le pida varias tensiones de salida o corrientes altas, la práctica normal es utilizar un regulador de conmutación comúnmente conocido como fuente de alimentación de conmutación para convertir la tensión de red a la potencia requerida en cualquier otro.

fuentes de alimentación traspuesta, la SMPS, Se están convirtiendo en algo común y reemplazado en la mayoría de los casos la potencia lineal tradicional como una manera de reducir el consumo energético, reducir la disipación de calor, así como el tamaño y el peso.

Fuentes de alimentación conmutadas ya están disponibles en la mayoría de los PC, amplificadores de potencia, televisión, motores de corriente continua, etcétera. Casi cualquier cosa que requiera alimentación altamente eficiente porque fuentes de alimentación conmutadas se están convirtiendo en una tecnología madura.

por definición, una fuente de alimentación conmutada (SMPS) Es un tipo de fuente de energía que utiliza técnicas de conmutación semiconductor, en lugar de métodos lineales estándar para proporcionar la tensión de salida requerida. El esquema básico consiste en una etapa de conmutación de potencia y un circuito de control. La etapa de conmutación de potencia realiza los circuitos de la tensión de entrada de la conversión de energía, vino a su tensión de salida, Vout que incluye el filtro de salida.

La principal ventaja de conmutación de alimentación es su mayor eficiencia, en comparación con los reguladores lineales estándar, y esto se logra mediante la explotación de un transistor (o MOSFET de potencia) incluyendo su estado “EN” (completo) y su estado “APAGADO” ( cortar), estados que producen una disipación de potencia menor.

Esto significa que cuando el transistor de conmutación es completamente “EN”, la caída de tensión en él está en su valor mínimo y cuando el transistor está totalmente “APAGADO” no hay disipación de energía. Entonces, el transistor se comporta como un conmutador ideal.

A consecuencia, a diferencia de los reguladores lineales que proporcionan única regulación el paso hacia abajo de voltaje, una fuente de alimentación de conmutación puede proporcionar reductor, step-up y la negación de la tensión de entrada utilizando al menos una de las tres topologías básicas circuito conmutador:Dólar, Aumentar mi Buck-Boost. Los tres tipos difieren en la forma en la que el transistor, el inductor y el condensador de filtrado están conectados en el interior del circuito básico.

alimentador de Buck

la regulador Buck Está diseñado para reducir eficazmente la tensión de CC de un voltaje más alto a un menor sin cambiar la polaridad. En otras palabras, el regulador de conmutación buck es un circuito regulador reductor, Así, por ejemplo, un convertidor reductor puede convertir +12 Fue el +5 voltio.

El regulador de conmutación Buck es un convertidor de CC a CC y uno de los más fáciles y más popular. El interruptor regulador reductor utiliza un transistor en serie o un MOSFET de potencia o un IGBT como un dispositivo de conmutación principal como se muestra a continuación, convencionalmente en los siguientes esquemas voy a utilizar un MOSFET como un elemento de conmutación sólo porque utiliza alrededor de la gran mayoría de las personas, pero, el discurso es igualmente cierto para BJT o IGBT.

El regulador de conmutación buck

Podemos ver que la configuración básica del circuito de un convertidor reductor es un interruptor MOSFET en serie,T1 con un circuito de control asociado que mantiene la tensión de salida lo más cerca posible al nivel deseado, un diodo,dl, un inductor,L1E un condensador de filtro,C1. El convertidor reductor tiene dos modos de funcionamiento, dependiendo de si el transistor está en commutazioneT1 “EN” o su “APAGADO”.

Cuando el T1 es “EN” (interruptor cerrado), el diodo D1 está polarizado en sentido inverso y la tensión de entrada Vin provoca que fluya una corriente a través del inductor a la carga conectada a la salida, cargar al mismo tiempo el condensador C1. Cuando una corriente variable a través del inductor, Se produce un voltaje inducido opuesto que se opone al flujo de corriente, de acuerdo con la ley de Faraday, cuando se alcanza un estado de equilibrio crea un campo magnético alrededor de la bobina, L1. Esta situación continúa indefinidamente hasta que T1 es conductor.

Cuando el transistor se apaga y entra en “APAGADO” (interruptor abierto) mandado por el circuito de control, el voltaje de entrada se interrumpe instantáneamente causando el colapso del campo magnético alrededor de la bobina del inductor inducir una tensión inversa con el principio de conservación de la energía. Esta tensión inversa hace que la polarización directa del diodo, Por lo tanto, la energía almacenada en la intensidad de campo magnético de la corriente del inductor para continuar fluyendo a través de la carga en la misma dirección.

Por lo tanto, el inductor L1 devuelve la energía almacenada a la carga actuando como fuente y proporcionar potencia hasta que toda la energía almacenada no se devuelve al circuito o hasta que el interruptor (MOSFET) Se cierra de nuevo. Al mismo tiempo, la descarga del condensador contribuye a la carga. La combinación del inductor y el condensador forman un filtro LC que atenúa cualquier ondulación creada por la acción del transistor de conmutación.

por lo tanto, cuando el interruptor de estado sólido está cerrada, se suministra potencia desde la fuente de alimentación y cuando el interruptor está abierto, se suministra potencia desde el inductor. Tenga en cuenta que la corriente que fluye a través del inductor está siempre en la misma dirección, ya sea directamente o a través de él desde el diodo, pero es evidente que en diferentes momentos dentro del ciclo de conmutación.

Desde el interruptor de transistor se cierra y se abre de forma continua, el valor medio de la tensión de salida será entonces dependiente del ciclo de trabajo D que se define como el tiempo de conducción del transistor interruptor durante un ciclo de conmutación entero. Si hay la tensión de alimentación y el momento “EN” mi “APAGADO” para el interruptor se definen como: Ton e Toff, por lo tanto, la tensión de salida Vout se da como:

El ciclo de trabajo de los convertidores reductores también se puede definir como:

de aquí si aplicamos la fórmula anterior se

Así que cuanto mayor es el ciclo de trabajo D, cuanto mayor es la tensión de salida de fuente de alimentación en modo de conmutación. A partir de esto, también podemos ver que la tensión de salida siempre será menor que la tensión de entrada debido a que el ciclo de trabajo, D nunca puede alcanzar la unidad. La regulación de la tensión se obtiene variando el ciclo de trabajo y alta velocidad de conmutación, fino a 200 kHz, es posible utilizar componentes más pequeños, reduciendo en gran medida el tamaño y peso en el interruptor de fuente de alimentación de modo de, Recientemente este límite se ha superado en gran medida alcanzando Mhz para el montaje SMD en el que la bobina debe tener un tamaño similar a los otros componentes.

Con componentes ideales, o si las pérdidas de conmutación en el estado “EN” eran cero, el convertidor reductor ideal puede tener eficiencias de hasta 100%.

Además del controlador Buck reductor para el diseño básico de una fuente de alimentación de conmutación, Hay otra configuración, a saber, aumentar la Aumentar Convertidor.

aumento de potencia

la Boost regulador de conmutación es otro tipo de circuito de fuente de alimentación en modo de conmutación. Tiene los mismos componentes que el convertidor reductor anterior, pero esta vez en diferentes posiciones. El convertidor elevador está diseñado para aumentar la tensión de CC de un menor a un voltaje más alto, o aumenta la tensión de alimentación, aumentando de este modo la tensión disponible en los terminales de salida sin cambiar la polaridad. En otras palabras, el regulador de conmutación impulso es un circuito regulador intensificador, así por ejemplo un convertidor elevador puede convertir la tensión de estar +5 Fue el +12 voltio.

Hemos visto anteriormente que el dinero regulador de conmutación utilizando un transistor de conmutación en serie dentro de su diseño básico. La diferencia con el diseño de regulador elevador Es que utiliza un transistor de conmutación conectado en paralelo para controlar el voltaje de salida del alimentador de hojas en modo de conmutación. Dado que el interruptor está conectado efectivamente en paralelo con la salida, la energía pasa a través del inductor a la carga sólo cuando el transistor está en “APAGADO” (interruptor abierto) como se muestra.

El regulador traspuesta aumentar

En el circuito de Convertidor de carga , cuando el interruptor está en la posición "ON", el suministro de energía, vino pasa a través del inductor y el transistor y realimentar. En consecuencia nada pasa a la salida porque el conmutador de transistor crea un cortocircuito a la salida. Esto aumenta el flujo de corriente a través del inductor, ya que tiene un camino más corto para volver al poder. mientras tanto, el diodo D1 inversamente polarizada porque su ánodo está conectado a tierra a través del conmutador mientras que el cátodo está en el nivel de tensión en la salida, mientras que el condensador comienza a descargarse a través de la carga.

Cuando el transistor está apagado, la potencia de entrada está ahora conectado a la salida a través del inductor y el diodo conectado en serie. Cuando el campo inductor disminuye, la energía almacenada en el inductor se induce la producción de empuje de Vin, a través del diodo directamente polarizado. El resultado de todo esto es que la tensión inversa inducida por el inductor L1 se añade a la tensión de alimentación mediante el aumento de la tensión de salida total, que se convierte en Vout = Vin + VL.

La corriente del condensador de filtrado, C1 que se usó para alimentar la carga cuando el interruptor se cerró, ahora se proporciona a la entrada desde el condensador a través del diodo. Por lo que la corriente suministrada al condensador es la corriente del diodo, que siempre habrá activado o desactivado desde el diodo se enciende de forma continua entre el estado directa e inversa del valor de las acciones de conmutación de transistores. Entonces, el condensador de filtrado debe ser lo suficientemente grande como para producir una salida ajustar y filtrar estos picos.

Dado que la tensión inducida a través del inductor L1 es negativo, se añade a la tensión de la fuente, vino, obligando a la corriente del inductor en la carga. La tensión de salida de los convertidores elevadores está dada por:

Al igual que con el convertidor reductor anterior, la tensión de salida del convertidor elevador depende de la tensión de entrada y el ciclo de trabajo. por lo tanto, el control del ciclo de trabajo, Usted se obtienen mediante la regulación de la salida. también, esta ecuación no depende del valor del inductor, ment de la corriente de carga o el condensador de salida.

Hemos visto anteriormente que el funcionamiento básico de un circuito de fuente de alimentación conmutada puede utilizar una configuración dinero no aislado, o una configuración de impulso en función de si se requiere una tensión de salida de bajada (dólar) o step-up (aumentar).

Pero también podemos combinar estas dos topologías básicas de conmutación en un solo circuito regulador de conmutación no isolanto no llama, (coincidentemente), con un enorme esfuerzo de la imaginación, Buck-Boost convertidor.

fuente de alimentación máximo-mínimo

la regulador de conmutación Buck-Boost Es una combinación del convertidor buck y el convertidor de impulso que produce una tensión de salida invertida (negativa) que puede ser mayor o menor que la tensión de entrada de acuerdo con el ciclo de trabajo. El convertidor buck-boost es una variante de circuito convertidor de refuerzo en el que el convertidor inversor proporciona sólo para cargar sólo la energía almacenada por el inductor L1.

A continuación se muestra el circuito de suministro de energía en el modo de máximo-mínimo.

El regulador Buck conmutación aumentar

Cuando el interruptor T1 está encendida (cerrado), el voltaje a través del inductor es igual a la tensión de alimentación de modo que la entrada de energía de la tienda inductor desde. No se suministra corriente a la carga conectada en su salida debido a que el diodo, D1 es polarizado en sentido inverso. Cuando el transistor está apagado (abierto), el diodo polarizado directamente y convierte la energía previamente almacenada en el inductor se transfiere a la carga.

En otras palabras, cuando el interruptor está en “EN”, la energía en el inductor se libró de la oferta y no hay ninguna emisión.

Cuando el interruptor está “APAGADO”, la tensión del inductor se invierte y luego el inductor se convierte en una fuente de energía, salida entonces la energía previamente almacenada en el inductor se conecta (a través del diodo), nada viene directamente de la fuente de entrada. Por lo tanto, la tensión suministrada a la carga cuando el transistor de conmutación es “APAGADO” Es igual a la tensión inducida del inductor.

El resultado es que la amplitud de la tensión de salida invertida puede ser mayor que o menor que o igual a la tensión de entrada de acuerdo con el ciclo de trabajo. por ejemplo, un convertidor buck-boost pueden convertir de 5 Fue el 12 voltio (aumentar) da 12 Fue el 5 voltio (paso hacia abajo).

En el buck-boost reguladores de conmutación la Vout se da como:

Por lo que el regulador reductor-elevador tiene este nombre debido a que la tensión de salida que pueden ser más altos (como uno de etapa de potencia de impulso) o menos (como una etapa de potencia Buck) de la tensión de entrada. sin embargo, la tensión de salida tiene polaridad opuesta a la tensión de entrada.

Switch Mode Riepilogo

La fuente de alimentación de conmutación moderna, O SMPS, Se utiliza conmutadores de estado sólido para convertir una tensión de entrada de CC no está regulado en una tensión de salida regulada de CC a diferentes niveles de voltaje. La fuente de alimentación de tensión de corriente continua puede ser un aporte real a partir de una batería o un panel solar, o una tensión de CC rectificado a partir de una fuente de alimentación de CA mediante un puente de diodos junto con algunos filtros capacitivos adicionales.

La principal ventaja de esto es que la eficiencia energética del controlador puede ser bastante alto debido a que el transistor está totalmente encendida y conductor (completo) o completamente fuera (interrupción).

Hay diferentes tipos de convertidor DC a DC disponibles, las topologías de suministro de energía más utilizada tres de conmutación se conocen como Dólar, Aumentar mi Buck-Boost. Los tres de estas topologías no están aislados, es decir, sus tensiones de entrada y de salida comparten una línea de masa común.

El ajuste de la tensión de salida se obtiene controlando el porcentaje de tiempo en el que el transistor de conmutación está en el estado “EN” fuera del tiempo total en ON / APAGADO. Esta relación se denomina el ciclo de trabajo y variando el ciclo de trabajo, D puede ser controlada por la amplitud de la tensión de salida Vout.

El uso de un único inductor y diodo y detectores de estado sólido con el cambio rápido capaz de funcionar a frecuencias de conmutación en el orden de kilohercios puede reducir en gran medida el tamaño y el peso del alimentador. sin embargo, si se requiere el aislamiento entre los terminales de entrada y de salida, es necesario incluir un primer transformador convertidor.

El convertidor reductor está diseñado para convertir la energía eléctrica de una tensión de arranque a una menor. El convertidor reductor opera con un transistor de conmutación conectado en serie. Dado que el ciclo de trabajo, re <1 , la tensión de salida buck es siempre menor que la tensión de entrada.

El convertidor elevador está diseñado para convertir la energía eléctrica de una tensión de arranque a un mayor. El convertidor elevador opera con un transistor de conmutación conectado en paralelo que determina una trayectoria de corriente directa entre Vin y Vout a través de la inductancia L1 y el diodo D1. Esto significa que no hay protección contra cortocircuito de la carga.

Al variar el ciclo de trabajo, (re) un convertidor elevador, la tensión de salida puede ser controlada y con D <1, la salida de CC del convertidor elevador es mayor que la tensión de entrada Vin, como resultado de la tensión de auto-inducido de los inductores .

también, se supone que la salida de suavizado condensadores en las fuentes de alimentación de conmutación Ellos son lo suficientemente grandes, tal como para no ser dado de alta en los períodos de ausencia de energía suministrada por la fuente con la conmutación, lo que se traduce en una tensión de salida constante.

Con esto termino esta discusión sobre los tipos de fuentes de alimentación conmutadas con la esperanza de ser capaz de persuadir a la gente a venir a este tipo en el diseño de la obra a fines hobby o semi-profesional. Básicamente, una vez que entendemos cómo podemos dejar de ver con recelo y totalmente explotarlos para nuestras necesidades.

saludos Amilcare