Ejercicio X

OLIVER ESPARZA SANDOVAL

Ejercicio Feedback N1. Unidad 3Realizar el diseo de bloques de una fuente conmutada tipo convertidor directo. Explicando el funcionamiento general y las caractersticas del filtro de entrada, puente rectificador y condensador volumtrico.FUENTE CONMUTADA TIPO CONVERTIDOR DIRECTO

Una fuente conmutada es un dispositivo electrnico que transforma la energa elctrica de un nivel a otro mediante la conmutacin de dispositivos de estado slido (transistores, MOSFET, etc.), que operan como interruptores: completamente apagados o completamente encendidos.

Las fuentes tipo convertidor directo, son fuentes con aislamiento elctrico entre la entrada y la salida. El aislamiento es proporcionado por un trasformador de alta frecuencia, el cual utiliza una excitacin unidireccional en su ncleo. Otra caracterstica del convertidor es su construccin, esta ser explicada ms adelante.

El objetivo principal de la fuente es rectificar la corriente de entrada CA y darle una salida CC/CC regulada para dicha carga. La fuente est dividida en bloques (figura 1), donde cada uno de estos cumple una funcin.

Figura 1. Diagrama de bloques de una fuente conmutada tipo directoFiltro de entrada

El filtro de entrada tiene por funcin proteger la fuente y circuitos de posibles transitorios u otras seales interferentes provenientes de la red, y a la vez bloquear la insercin en la red de seales de alta frecuencia generadas por la propia fuente (EMI conducido).

La mayora de las fuentes conmutadas incorporanfiltros EMI para suprimir en su mayora los ruidos y estn basados en sencillos circuitos inductivos que trabajan junto a capacitores que se colocan en paralelo con la lnea de alimentacin (figura 2).

Desde el punto de vista de eficiencia energtica, este filtro debe tener la menor perdida de potencia posible. No obstante, se debe tomar en cuenta la posibilidad de oscilaciones en presencia de estos filtros de perdidas bajas.

Un criterio til de diseo requiere que la frecuencia resonante del filtro de entrada sea una dcada ms baja que la frecuencia resonante del filtro de salida a fin de evitar la interaccin entre las dos.

Figura 2. Filtro de entrada simple.

Puente rectificador

El puente rectificador convierte la onda alterna de entrada en una seal positiva pulsante, este es el primer paso para obtener una seal continua a partir de una alterna. El rectificador con puente de diodos, est conformado por 4 diodos (figura 3).

Figura 3. Rectificador monofsico con puente de diodos.

Si se considera un circuito idealizado con Ls = 0, como en la figura 4, se puede observar fcilmente el funcionamiento de los diodos. Este circuito consiste en dos grupos de diodos: el grupo superior con los diodos 1 y 3, y el grupo inferior con los diodos 2 y 4.

En el grupo superior, los ctodos de los diodos tienen un potencial comn, por lo tanto, el diodo con su nodo en el potencial ms alto conducir id. En el grupo inferior, los nodos de los dos diodos tienen un potencial comn. Por lo tanto, el diodo con su ctodo en el potencial ms bajo conducir id.

Figura 4. Rectificador idealizado.Es decir, cuando vs es positivo, los diodos 1 y 2 conducirn id, y los diodos 3 y 4 aparecern con una polarizacin inversa. Cuando vs se convierte en negativo, la corriente id cambia (conmuta) en forma instantnea a los diodos 3 y 4, pues Ls = 0, y los diodos 1 y 2 aparecern con una polarizacin inversa. Las formas de onda de voltaje y corriente de salida del rectificador idealizado se muestran en la figura 5.

Figura 5. Forma de onda del rectificador idealizado.

Cabe mencionar que el comportamiento de los rectificadores en los convertidores reales no es idealizado, y por lo tanto, la conmutacin de los diodos y las formas de onda estar sujeta al valor de Ls.

En muchas aplicaciones tal vez se requiera que el equipo opere con un voltaje de lnea de 115 V y 230 V. Por tanto, un rectificador duplicador de voltaje, como se muestra en la figura 6, sirve para evitar un trasformador de subida de tensin.

Figura 6. Rectificador duplicador.

Condensador volumtrico

El condensador volumtrico o condensador de enlace se encarga de disminuir el rizado de la seal proveniente del puente rectificador, obteniendo una seal casi continua. Para hacer esto, almacenan la carga elctrica y la entrega cuando es necesario.

Tambin proporciona un tiempo de retencin del voltaje de salida regulado durante apagones momentneos de la energa de la red. El capacitor volumtrico se calcula como funcin de tiempo de detencin deseado:

Donde Vd,mn se elige en el rango de 60% a 75% del voltaje de entrada nominal Vd,nominal y es la eficiencia energtica de la fuente de alimentacin.El volumen del capacitor es aproximadamente proporcional al voltaje nominal, y la mxima capacidad de almacenamiento de energa es proporcional al cuadrado del voltaje nominal. Este condensador se debe seleccionar lo ms grande posible, para disminuir lo mximo el rizado de la seal.Convertidor CC-CC directo

Este convierte el voltaje de CC no controlado proveniente del capacitor volumtrico de un nivel a otro nivel de CC controlado (figura 7).

Figura 7. Convertidor directo idealizado.

La conversin CC-CC, inicia con la conmutacin del interruptor a alta frecuencia, generando as un voltaje CA de alta frecuencia a travs de la bobina del lado primario del trasformador de aislamiento. El voltaje del lado primario induce un voltaje CA de alta frecuencia al lado secundario del trasformador. La magnitud del voltaje de salida del trasformador y el voltaje medio V0 se muestran en la figura 8.

Figura 8. Modulacin de anchura de pulso

El voltaje inducido es:

Por lo tanto, el voltaje medio de salida V0 ser:

Por lo tanto para controlar el voltaje medio de salida V0, es necesario variar la relacin de trabajo tenc/Ts del interruptor.

La salida del trasformador es rectificada y filtrada. El filtro est compuesto por dos diodos con sus ctodos en un potencial comn, y el filtro de salida, es un filtro pasa bajas LC. (Figura 7)

En el periodo de encendido del interruptor, el diodo D1 se vuelve de polarizacin directa, y la entrada proporciona energa tanto hacia la carga como hacia el inductor (Figura 8a). Figura 8. Circuito del convertidor directo a) tenc b) tapag Por lo tanto:

Este voltaje causa un aumento lineal en la corriente del inductor iL. Cuando se apaga el interruptor, debido al almacenamiento de energa inductiva, iL fluye a travs del diodo D2, y trasfiere una parte de su energa a la carga (Figura 8b). Por lo tanto:

Este voltaje causa que iL disminuya en forma lineal. Haciendo el desarrollo matemtico se obtiene:

La figura 9 muestra el comportamiento del voltaje y la corriente mencionado anteriormente. Se observa que la corriente media del inductor id es igual a la corriente media de salida i0, pues la corriente media del condensador en estado permanente es cero. Es importante que el capacitor sea lo ms grande posible.

Figura 9. Modulacin de anchura de pulso.En operacin de estado permanente la forma de onda se debe repetir de un periodo a otro, por lo tanto, implica que el rea A y B deben ser iguales:

O bien mediante la relacin de trabajo D:

Sistema de control

Los sistemas de control regulan el voltaje de salida de la fuente, con una banda de tolerancia de especificada, en respuesta a cambios en la carga de salida y los voltajes de la lnea de entrada. Esto se logra mediante un sistema de retroalimentacin negativa que se muestra en la figura 10 y donde la salida del convertidor V0 se compara con su valor de referencia V0,ref. El amplificador de errores produce el voltaje de control c con que se ajusta la relacin de trabajo D del interruptor. Figura 10. Sistema de controlEl controlador PWM genera la seal de control del interruptor, mediante la comparacin de la seal vc con una forma de onda repetitiva, como se muestra en la figura 11. La frecuencia de la forma de onda repetitiva, la cual se muestra como diente de sierra, establece la frecuencia de conmutacin.

Figura 11. Modulador de anchura de impulsosCuando la seal de error amplificada, es ms grande que la forma de onda de dientes de sierra, la seal de control del interruptor se vuelve alta, lo cual causa que el interruptor se encienda. De lo contrario, el interruptor est apagado. Por lo tanto la relacin de trabajo del interruptor se expresa como:

Como se explic anteriormente, al variar la relacin de trabajo se vara el voltaje medio de salida en la fuente conmutada.Por lo tanto, si la carga varia o el voltaje de entrada vara, el voltaje de salida tambin lo har, el cual se comparara con el voltaje de referencia, produciendo una seal de error (Vcontrol), esta seal de error se comparara con la seal de onda repetitiva de dientes de sierra, cambiando as la relacin de trabajo del interruptor, regulando nuevamente el voltaje de salida. Cabe mencionar que el desempeo dinmico de regulacin de realimentacin a la salida es lento ante los cambios de voltaje de entrada. No obstante, existen diferentes mtodos de regulacin hoy en da. NOTA IMPORTANTE:

Esta nota es para recordarte los problemas que tuve con los test.

La errata del test en el tema 3, la pregunta: Es un circuito convertidor de CC-CC (sin aislamiento) con excitacin bidireccional:.

Al igual el problema que tuve con el test del tema 2, donde al calificar el test una pregunta apareci sin respuesta.

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