Fuentes DC reguladas conmutadas

Son fuentes DC que aprovechan el aumento de eficiencia en el elemento

regulador al funcionar este, en régimen de conmutación

Regulador conmutado básico:Los dos tipos de reguladores lineales, serie y paralelo, tienen elementos de control (transistores) que conducen la corriente todo el tiempo, en donde la cantidad de conducción varía según sea requerida por cambios en el voltaje o corriente de salida.El regulador conmutado es diferente: el elemento de control opera como un interruptor. Con este tipo de regulador de voltaje es posible obtener mayor eficiencia que con los tipos lineales, debido a que el transistor no conduce todo el tiempo. Por tanto, los reguladores conmutados pueden proporcionar mayores corrientes de carga a bajos voltajes que los reguladores lineales, debido a que el transistor de control no disipa tanta potencia.Existen tres configuraciones básicas, de ascenso, de descenso e inversor de voltaje.

Configuración de descenso de voltaje:En esta configuración, el voltaje de salida siempre es menor que el de entrada. En la fig. 1(a) se muestra un regulador conmutado básico de descenso de voltaje, y en la fig. 1(b) se muestra el circuito equivalente simplificado.

L

P W M

R L

D e t e c t o r d e e r r o r

D 1

R 2

12

C o

+

-

3

26

74

E l e m e n t o d eC o n t r o l 1

2

R 3

V s a l

1

2 3

F i g . 1 ( a )

R 1

V e n t Q 1

D 2V r e f C t o d e

m u e s t r e o

V e n t L

C o n t r o l d e lI n t e r r u p t o r

V s a l

F i g . 1 ( b )

++

R LC oD 1

El transistor Q1 (bipolar o FET) se usa para conmutar el voltaje de entrada a un ciclo de operación basado en el requerimiento de carga del regulador. A continuación se usa un filtro LC para promediar el voltaje conmutado. Como Q1 está encendido (saturado) o apagado (cortado), la perdida de potencia en el elemento de control es relativamente pequeña. Por consiguiente, el regulador conmutado se usa esencialmente en aplicaciones de alta potencia o en aquellas en donde la eficiencia es de prImordial importancia.

Los intervalos de apagado y encendido de Q1 se muestran en la forma de onda de la fig. 2. El capacitor se carga durante el tiempo de encendido (tenc), y se descarga durante el tiempo de apagado (tapag). Cuando el tiempo de encendido se incrementa con respecto al de apagado, el capacitor se carga en exceso, aumentando así el voltaje de salida. En caso contrario, el capacitor se descarga en exceso, reduciendo así el voltaje de salida.

t a

F i g . 2

t a t a t at e t a

>

t at et e t e t e t e t e t e t e t et a t a t a

Por tanto, ajustando el ciclo de trabajo (tenc/tenc +tapg) de Q1 es posible variar el voltaje de salida. El inductor aplana más las fluctuaciones del voltaje de salida originadas por la acción de carga y descarga. Cuando el pulso está en nivel alto, el conmutador está cerrado. Esto polariza en inverso el diodo, con lo que toda la corriente de entrada circula a través de la autoinducción. La cantidad de energía almacenada en el campo magnético viene dada por:

25,0 LiEnergía =

C

+

V r e f

R 2

-

D

( d )

-

( b )

+

+ V i n+ V d c( c )

<

L

<

( a )

V o u t

V f b R 3<

V i n+

V i nR L

F i g 3

M o d u l a d o rp o r a n c h od e p u l s o

-

0 V

La corriente que atraviesa la autoinducción también carga el capacitor y proporciona corriente a la carga. Mientras el conmutador esté cerrad, el voltaje en la autoinducción tiene la polaridad como en la figura 3(b). Como ya la corriente en la bobina aumenta, se va almacenando más energía en el campo magnético. Cuando cae el pulso, se abre el conmutador. En este instante, el campo

magnético en torno a la autoinducción comienza a caer e induce un voltaje inverso en la misma, como en la figura 3(c). Este voltaje inverso se llama golpe inductivo. Debido a este golpe inductivo el diodo se polariza en directo y la corriente que circula por la autoinducción continúa haciéndolo en el mismo sentido. En este momento, la bobina está devolviendo al circuito la energía almacenada. En otras palabras, la autoinducción actúa como una fuente y continúa suministrando corriente a la carga.La corriente circulará por la bobina hasta que ésta entregue toda la energía al circuito. (funcionamiento discontinuo) o hasta que el conmutador se cierre de nuevo (funcionamiento continuo), con lo que se volverá al principio. En cualquier caso, el capacitor proporcionará también corriente a la carga durante parte del tiempo que el conmutador esté abierto. De esta forma, se minimiza el rizado en la carga. El conmutador está abriéndose y cerrándose continuamente. La frecuencia de conmutación va desde los 10 Khz a más de 100 Khz (algunos reguladores integrados lo hacen a más de 1 Mhz). La corriente circula por la autoinducción siempre en el mismo sentido saliendo del diodo o del conmutador en momentos diferentes del ciclo.

Con el voltaje de entrada fijo y un diodo ideal, llegará un voltaje de forma rectangular a la entrada del filtro de choque (inductivo), ver la figura 3(d). Como se vio en Clase anterior, la salida de un filtro de choque (inductivo) es igual a la corriente continua o valor medio de la entrada. El valor medio está relacionado con el ciclo de trabajo de la forma.El voltaje de salida se expresa como:

Donde T es el periodo del ciclo encendido-apagado de Q1 y se relaciona con la frecuencia mediante la expresión T = 1/f. El periodo es la suma de los tiempos de encendido y apaga

La razón DC = tenc/T se denomina ciclo de trabajo.Cuanto mayor sea el ciclo de trabajo, mayor será el voltaje continuo de salida.

entenc

Sal VT

tV

=

apgenc ttT +=

Cuando la fuente se enciende por primera vez, no hay voltaje en la salida que realimente el divisor de voltaje formado por R2 y R3. Entonces la salida del comparador es muy alta y el ciclo de trabajo se aproxima al 100%. Como el voltaje de salida aumenta, el voltaje de realimentación VFB aumenta haciendo que disminuya la salida del comparador con lo que se reduce el ciclo de trabajo. En algún punto, el voltaje de salida alcanzará el equilibrio en el cual el voltaje de realimentación produzca un ciclo de trabajo que tenga el mismo voltaje de salida.Debido a la alta ganancia del comparador, una especie de cortocircuito virtual hay entre los dos terminales del comparador significando que: REFFB VV =

REFFB VV =De aquí se puede obtener la siguiente ecuación para el voltaje de salida:

REFSal VR

RRV

3

32 +=

Después de establecer el equilibrio cualquier intento de cambio en el voltaje de salida, ya sea debido a cambios en la red o en la carga, serán completamente compensados por la realimentación negativa.