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Temario.
4.- Fuentes de Alimentación Conmutadas. 4h 4.1.- Introducción. 4.2.- Modelos de transformadores. 4.3.- Convertidor flyback. 4.4.- Convertidor forward. 4.5.- Convertidor push-pull. 4.6.- Convertidores CC-CC en puente completo y en semipuente. 4.7.- Convertidores con múltiples salidas. 4.8.- Control de fuentes de alimentación.
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Introducción.
• Aislar galvánicamente la conexión eléctrica entre la entrada y la salida.
• Reducir peso. Un transformador aislador conectado directamente a la red es muy pesado, voluminoso y caro.
• Primero se realizar una conversión CA-CC antes de conmutar la tensión continua a decenas o centenares de kilohercios.
• Permite transformadores de múltiples devanados.
• Mucho mayor rendimiento que las fuentes de alimentación lineales.
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Introducción. Diagrama de Bloques.
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Introducción. Ventajas y desventajas.
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Modelos de Transformadores.
- Proporcionar aislamiento galvánico.- Incrementar o reducir tensiones y corrientes variables en el tiempo.
v1v2=N 1
N 2
i 1
i 2
=N 2
N 1
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Modelos de Transformadores.
• R1 y R2: resistencias de los devanados primario y secundario.• L1 y L2: inductancias de dispersión de los devanados. Importante cuando se consideran los transitorios de conmutación.• Lm: inductancia magnetizante. Parámetro importante en el convertidor flyback• Rm: pérdidas en el núcleo.
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Convertidor Flyback.
• La energía se almacena en Lm cuando el interruptor está cerrado. La corriente sube linealmente. Diodo de salida polarizado inversamente.• La energía se transfiere a la carga cuando el interruptor se abre debido a que el diodo estará polarizado directamente.
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Convertidor Flyback. Análisis.
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Convertidor Flyback. Análisis.
• C es muy grande.• Régimen permanente. Corrientes y tensiones periódicas.• Ciclo de trabajo del conmutador es D. Estará cerrado el interruptor DT y abierto (1-D)T.• Interruptor y diodo son ideales.
Interruptor cerrado:
V 1=V S=L m .d I Lm
dtd I Lm
dt= i Lm
t= i Lm
DT=V S
L m
i Lm cerrado=V SDT
L m
v2=V S N 2
N 1
V D=−V O−V S N 2
N 10
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Convertidor Flyback. Análisis.
Interruptor abierto:
V 1=−V O .N 1
N 2
V 2=−V O
L m .d i Lm
dt=
i Lm
1−D T=−V O .
N 1
N 2
i Lm ,abierto=−V O 1−D T
Lm.N 1
N 2
Régimen permanente:
i Lm ,cerrado i Lm ,abierto=0V S .DT
Lm−V O 1−D T
Lm
N 1
N 2
=0
V O=V S .D1−D
.N 2
N 1
P S= P O
V S . I S=V O2
RI S=I LmD
I Lm=V O2
V S .DR
I Lm ,máx ,mín=I Lm±i Lm
2=
V SD
1−D 2R N 2
N 12
±V SDT
2.L m
I Lm ,mín=0
L m.mín=1−D 2R2 f N 1
N 22
V O=V O .DRCf
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Convertidor Flyback. Modo corriente discontinua.
I S= 12 V SDT
L m DT 1T =V SD
2T
2L m
V S2D 2T
2L m
=V O2
R
V O=V SD TR2L m
=V SD R2L m f
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Convertidor Forward.
• Devanados 1 y 2 transfieren energía de la fuente a la carga.• Devanado 3, proporciona un camino a la corriente magnetizante cuando el interruptor está abierto y reducirla a 0 antes de la siguiente conmutación.
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Convertidor Forward. Análisis.
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Convertidor Forward. Análisis.
Interruptor cerrado:
V 2=V S . N 2
N 1
V 3=V S N 3
N 1
V D3=−V S−V 30
V Lx=V 2−V O=V S N 2
N 1−V O=L X
d I Lx
dt
I Lx , cerrado=[V S N 2
N 1−V O ]DTL X
I Lm=V SDT
L m
Interruptor abierto:
V 1=−V S N 1
N 3
V 2=−V S N 2
N 3
I Lx , abierto I Lx , cerrado=0
[V S N 2
N 1−V O ]DTL −
V O 1−D TL
=0
V O=V SD N 2
N 1
T x=DT N 3
N 1
t 0=DT T x=DT DT N 3
N 1=DT 1N 3
N 1 , t 0T
D 1N 3
N 11
V O=V O .1−D
8L X C f 2
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Convertidor Forward con dos interruptores.
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Convertidor Push-Pull.
• Al conmutar S1 y S2 se producen pulsos de polaridad opuesta en los devanados primario y secundario del transformador.• Los diodos del secundario rectifican la forma de onda que será filtrada por el circuito LC.
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Convertidor Push-Pull. Análisis.
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Convertidor Push-Pull. Análisis.
Interruptor S1 cerrado:
V S1=V S N S
N P=V S2
V Lx=V S N S
N P−V O
I Lx ,cerrado=V S N S
N P−V O
L XDT
Interruptor S2 cerrado:
V P2=−V S
V S1=V S2=−V S N S
N P
V Lx=V S N S
N P−V O
Ambos interruptores abiertos:
V Lx=−V O
I Lx
t=V O
L X
I Lx , cerrado I Lx ,abierto=0
V O=2V S N S
N PD
V O=V O .1−2D
32L X C f 2
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Convertidor en puente completo.
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Convertidor en puente completo. Análisis.
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Convertidor en medio puente.
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Convertidor en medio puente. Análisis.
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Convertidor alimentado en corriente.
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Convertidor alimentado en corriente. Análisis.
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Convertidor con múltiples salidas.
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Elección de convertidores.
✔ Flyback: Sencillas. Núcleo del transformador debe ser grande. Tensión en bornas del interruptor es 2Vs. Potencias inferiores a 150W.✔ Forward: Núcleo del transformador más pequeño. Elevador estrés de tensión en el transistor. Coste añadido de la bobina de filtrado. Potencia entre 150W y 500W.✔ Push-Pull. Núcleo del transformador relativamente pequeño. Posibles problemas de saturación del núcleo por desequilibrio de la corriente continua en circuitos no ideales. Potencia igual que el Forward.✔ Medio Puente: Mejor que el Push-Pull porque los interruptores sólo soportan 1Vs.✔ Puente completo: Potencia entre 500 y 1500W. Tiene como desventaja que los circuitos de excitación deben ser flotantes.
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Control de las fuentes de alimentación.
Estabilidad del bucle de control.
• Ganancia a frecuencias bajas debe ser grande para que el error entre la salida y la señal de referencia sea pequeño.• Ganancia a la frecuencia de conmutación debe ser pequeña.• Desplazamiento de fase en bucle abierto a la frecuencia de cruce (ganancia unidad) debe tener un retardo menor de 180º. Margen de fase al menos de 45º
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Control de las fuentes de alimentación.
Estabilidad del bucle de control.
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Control de las fuentes de alimentación.
Función de transferencia del filtro.
V O sd s
=V s
LC [ 1sr CR
s2s 1RCr C
L 1LC ]
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Control de las fuentes de alimentación.
Amplificador de error con compensación.
C 2≪C1
F s=−s 1
R 2C 1
R 1C 2 s s 1R 2C 2
w z=1
R 2 .C1
w p=1
R 2 .C 2
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Control de las fuentes de alimentación.
Funciones de transferencia.