Fuentes DC conmutadas elevadoras e inversoras

Son fuentes DC reguladas conmutadas que por su topología elevan el voltaje de entrada o invierten su polaridad de

salida.

Las fuentes reguladas DC conmutada elevadoras e inversoras, son dos de las tres topologías más comunes, que se tienen al usar la conmutación como sistema de regulación y de control del elemento regulador.Como se estudió en la clase anterior, al variar la disposición de los dispositivos básicos (L, D, C y QD) la fuente puede cambiar su funcionamiento y entregar un voltaje regulado DC menor, mayor o de polaridad inversa al voltaje de entrada.Veamos en esta clase los dos último tipos de fuente, su configuración y salida.

Configuración elevadora o de ascenso:En la figura 1 se muestra un regulador elevador, otro regulador conmutado de topología básica. Ete tipo de reguladores siempre aumentan el voltaje. La teoría de su funcionamiento es similar a la del regulador reductor en algunos aspectos, pero muy diferentes en otros. Por ejemplo, el pulso está en nivel alto, el conmutador está cerrado (Q1 encendido). El voltaje en L crece de manera instantánea hasta Vent – VCE(sat) y el campo magnético del inductor se extiende rápidamente como se ve en la figura. Almacenando energía como se vio anteriormente (E = 0,5Li2).

+

( c )

D

R 2C

+ V p

R 1

C

R L ( b )

V s a l

V z

L+ V e n t

V r e f

-

+ V g o l p e

R 3

Q

+V e n t

-

1

2

+ V s a l V p+

t a p g

2

F i g 1

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

0

( a )

D

V e n t - V c e

1

t e n c

Durante el tiempo de encendido (tenc) de Q, VL decrece desde un máximo inicial como se indica. Mientras más dure encendido Q, menor será VL. Cuando Q se apaga, el pulso pasa a un nivel bajo, se abre el conmutador. El campo magnético del inductor cae rápidamente y su polaridad se invierte. O sea el campo magnético inducido en la bobina comienza a disminuir y provoca un voltaje inverso en la bovina como se ve en la figura 1(b).

De modo que su voltaje se suma al Vent . Este voltaje producido por la inductancia se lo llama algunas veces “golpe inductivo” o “fuerza contra electromotriz inducida”. Esto significa que el pico de voltaje en el extremo derecho de la inductancia es:

golpeinp VVV +=

golpeinp VVV +=

El golpe inductivo depende de la cantidad de energía que se halla almacenado en el campo magnético. Dicho de otra manera, el Vgolpe es proporcional al ciclo de trabajo. Con un voltaje fijo de entrada, llegará un voltaje de forma rectangular a la entrada del filtro con condensador de la figura 1(c). Durante el tiempo de apagado de Q el diodo se polariza en directo permitiendo que el capacitor se cargue. Entonces las variaciones en el voltaje de salida debidas a la acción de carga y descarga se aplanan lo suficiente por la acción de filtrado L y C.De esta forma, el voltaje de salida regulado es aproximadamente igual al pico de voltaje dado por la ecuación anterior. Al reducir el tiempo de encendido de Q se incrementa el voltaje del inductor, por lo que crece el voltaje de salida (un VL mayor se suma al Vent). Al crecer el tiempo de encendido de Q menor será el voltaje del inductor y el voltaje de salida.

(un VL pequeño se suma a Vent). Como Vgolpe es siempre mayor que cero, VP es siempre mayor que Vent. Es por esto que un regulador elevador siempre aumenta el voltaje.Aparte de usar un filtro con capacitor en vez de un filtro de choque (inductivo), la regulación con topología elevadora es similar a al topología reductora. Debido a la alta ganancia del comparador, la realimentación es casi igual al voltaje de referencia. De forma, el voltaje de salida regulada también viene dado por la ecuación:

refsal VR

RRV

3

32 +=

Si el voltaje de salida trata de aumentar, hay menor realimentación, menor salida del comparador, un ciclo de trabajo menor y un menor golpe inductivo. Esto disminuye el pico de voltaje, lo que compensa el intento de aumento del voltaje de salida.Si el voltaje de salida trata de disminuir, el aumento del voltaje de realimentación aumentará el pico de voltaje, lo que compensa este intento de disminución. El voltaje de salida se relaciona inversamente con el ciclo de trabajo de Q y puede expresarse como:

entenc

Sal Vt

TV

=

Configuración del inversor de Voltaje Un tercer tipo de regulador conmutado produce un voltaje de salida opuesto en polaridad con respecto a la entrada. Es la tercer topología básica de los reguladores conmutados. Un regulador inversor siempre produce un voltaje negativo de salida cuando es alimentado con un voltaje positivo. En la figura 2(a) se ve el diagrama básico.

-

( b )

+ V e n t

-

( c )

- V s a l

-

- V p

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

-

0

V r e f

+

-

<

1

+

+2

- V s a lZ-

+

C

R 1

D

L

+

( d )

D

+

F i g 2

C

1

R 2+

-

R 3

2

V i nR L

+

V g o l p eQ

Cuando el modulador por ancho de pulso tiene su salida en nivel alto, Q está encendido y el voltaje en el inductor sube a Vent – VCE(sat). El campo magnético almacena energía en el campo magnético que crece rápidamente, y VL tiene la polaridad que aparece en la figura 2(b), el diodo D está polarizado en inverso, y el voltaje en el inductor decrece desde el valor inicial.Cuando el pulso del modulador por ancho de pulso pasa a nivel bajo, Q se apaga. El campo magnético de la bobina comienza a disminuir y esto induce un voltaje de golpe en la bobina de polaridad inversa proporcional a la energía almacenada en el campo magnético, como se ve en la figura 2(c). Esto polariza en directo el diodo cargando a C con un voltaje negativo y cuyo valor es proporcional a la energía almacenada en el campo magnético y controlada por el ciclo útil de trabajo. La acción repetitiva encendido apagado de Q origina un cargado y descargado que se aplana debido a la acción de filtrado de LC. Si el ciclo útil de trabajo es alto, el voltaje del golpe inductivo puede inclusive ser mayor que Vent dependiendo de la energía almacenada. En la figura 2(d) el valor absoluto del pico de voltaje puede ser mayor o menor que el voltaje de entrada. El diodo y el filtro por condensador producirá entonces un voltaje de salida de – VP.

Como el valor absoluto del voltaje de salida puede ser mayor o menor que el voltaje de entrada, se puede llamar una topología reductora-elevadora.