tema 3tema 3- alimentación dealimentación de sss sistemas · qué alternativas existen para el...

Tema 3- Alimentación deTema 3- Alimentación de sistemass s s

D O Ló L ñDr. Oscar López LapeñaSeptiembre 2007

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Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López

3 1 Introducción3.1- Introducción.

• Requisitos para la alimentación de i it l t ó icircuitos electrónicos:

• Fuentes de tensió continuas.• Niveles de tensión entre 3 V y 48 V.

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De qué fuentes de energía disponemos?

• Red eléctrica:Europa: 220V 50 Hz• Europa: 220Vrms, 50 Hz

• Estados Unidos: 120Vrms, 60 Hz

• Baterias:• Baterias primarias (no recargables).• Baterias secundarias (recargables).

• Otras fuentes:Otras fuentes:• Celulas solares, celulas piezoeléctricas,...

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Qué son las fuentes de alimentación?

Si i l i lé i d l dSistemas que convierten la corriente eléctrica de la red en otro tipo corriente eléctrica adecuado al uso que se le vaya a dar (fuente tensión continua).

Red Eléctrica(220 V 50 Hz)

Circuito electrónico(TTL 5 V )

FUENTE

(220 Vrms, 50 Hz) (TTL 5 Vdc)

FUENTE DE

ALIMENTACIÓN

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Qué alternativas existen para el diseño de una fuente?

ó1. Fuentes de alimentación lineales (convencionales).• Elementos funcionando en la régimen lineal.• Rendimiento bajos• Rendimiento bajos.• Bajo ruido.• Densidad de potencia pequeña. Grandes y pesadas.p p q y p

2. Fuentes de alimentación conmutadas.• Elementos funcionando en conmutació ON/OFF.• Rendimiento altos.

R id d ió• Ruido de conmutación.• Densidad de potencia elevada. Pequeñas y ligeras.

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Como funciona una fuente lineal?Como funciona una fuente lineal?

DIAGRAMA DE BLOQUES

REGULADOR FUNCIONA EN RÉGIMEN LINEAL

-V

+io

OOIN i).VV(Disipada.Pot

+VIN

- Vo= VRef

+

-Vref

+-

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Como funciona una fuente conmutada?

REGULACIÓN CONMUTADA

CARACTERÍSTICAS:• ELEMENTOS IDEALMENTE NO DISIPATIVOS. (Pot. Disipada aprox. nula) • FRECUENCIAS ELEVADAS. (Elementos reactivos pequeños)

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Ejemplo de regulación conmutadaEjemplo de regulación conmutadaD.TC

21 n:nCONVERTIDOR FORDWARE

T1 D2

T1

+ +ON

C

VIND1 D3 VIF

+

-VO

+

- VIF

OFF

TC

1 1

CIRCUITO EQUIVALENTE0

IN1

2 Vnn

VIN

1 1

2 2VIF

+

-VO

+

-TC :Período de conmutaciónD :Ciclo de trabajo

DVnnV IN

1

2O

ESTADOS1. T1 ON → D1, D3 OFF, D2 ON2. T1 OFF → D1, D3 ON, D2 OFF

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1 1, 3 , 2

3.2- Diseño de fuentes de alimentación lineales.

Especificaciones del diseño:• VIN → VIN RMS=220 V±10V , fin= 50 Hz • Carga → V =5 V P (W) vulnerabilidad al ruido transitorios de carga• Carga → VO=5 V, Po(W), vulnerabilidad al ruido, transitorios de carga,….• Cond. Contorno → Temp. ambiente, Humedad, Armónicos en la red,….

+

Transformador Rectificador Filtro Regulador

+

-OV

+

-INV

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Qué conocemos de las fuentes lineales?

A i t “L b t i d l t ó i ”

inT

Asignatura: “Laboratorio de electrónica”

t

inVinpV

IoutTransformer Bridge Rectifier

i

IDEALTRANSFORMER

CVV

t+

C RVout

+Active

Regulator

di

CV

t

CVCMaxV

CV

CARACTERISTICAS IDEALESMa or capacidad (C) Menor ri ado (∆V )

-

2T

CIV inout

C t1DidmaxI

• Mayor capacidad (C) → Menor rizado (∆VC)

t2Di

dmaxI• Mayor capacidad (C) → Mayor corriente (Idmax)

C

CMaxdMaxV11fCV2I

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CMax

CMaxdMax V

Qué conocemos de las fuentes lineales?

A i t “L b t i d l t ó i ”Asignatura: “Laboratorio de electrónica”

Tensión no regulada Tensión regulada idealg g

Tensión regulada real

Reguladores estudiados: • Reguladores integrados de tensión fija: 7805, 7809, ..., 7905,7909,...• Reguladores integrados de tensión variable: LM117.

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Qué necesitamos para hacer un diseño?

ESPECIFICACIONES

• Qué transformador? • Relación Vin : Vo ?• Potencia (VA) ?

ESPECIFICACIONES

• Qué puente rectificador?

( )

• Tensión de bloqueo ?• Corriente media?• Corriente de pico repetitiva?

• Qué condensador?

• Corriente de pico repetitiva?• Corriente de pico no repetitiva?• Capacidad ?• Tensión ?Qué condensador?

• Qué regulador?

• Tensión ?

• Tensión de salida?• Tensión de dropout?

R l ió d li ?

• Es necesario utilizar radiadores?

• Regulación de linea? • Regulación de carga?

• Resistencia térmica ?

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• Es necesario utilizar radiadores? • Resistencia térmica ?

Limitaciones de los transformadoresLimitaciones de los transformadores

LIMITACIONES EN EL FUNCIONAMIENTO• Calentamiento por disipación de energia.

aargConCaargSinCDispada PPP

• Regulación de carga• Regulación de carga.

aargPlenaCS

aargPlenaCSaargSinCS

VVV

100.(%)gRe

Pi.Vi.VPVNNV OSSPPINP

SS

CARACTERÍSTICAS IDEALES

P

S

VV

SIN PLENA 0Pi

NNi

N

DisipadaPS

PS

P

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CARGA CARGA

Disipación sin carga?Disipación sin carga?

+

PÉRDIDAS DE ENERGIA

• Corrientes de Foucoult (Eddy)

INP VV

+INV

Corrientes de Foucoult (Eddy)

MAGNETIZACIÓN DEL NUCLEO • Ciclo de histéresis (Orientación dipolos) • Ley de Faraday y curva de histéresis

P

P

NS

dV

SB

B

0iV PP • Ley de Ampere

P

ldH

H

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PP N

i

Disipación debida a la carga?Disipación debida a la carga?

+

EFECTO JOULE EN EL BOBINADOIP 2

SRMSS2

PRMSpJoule.Disp IRIRP

NP: NS

+INV

Is 2SRMSS

2

P

SP

SRMSSPRMSpJoule.Disp

IRNNR

R R

MODELO LINEAL

NP: NSLIMITACIONES EN LA CARGA

IP Is

RP RSNP: NS

MaxRMSSRMSMaxJoule.Disp IIPP

Trf. Ideal

ESPECIFICACIONES DEL FABRICANTE.A.VIV SRMSSRMS

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Limitaciones de los rectificadoresLimitaciones de los rectificadores

T it i dTransitorio de arranqueTensión en

la redIout

+

Transformer Bridge Rectifier

di

Corrienteen el

rectificador

+C RVout

+

-

ActiveRegulatorCV

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Limitaciones de los reguladores (I)Limitaciones de los reguladores (I)

Regulador

inVoV

Regulador

Reg. línea outv

v

Regulación de línea:

inv

Reg. carga out

out

vI

Regulación de carga:

outI

RRR 20log rivv

Relación de rechazo al rizado:

rovTensión de Dropout:Diferencia de tensión mínima entre Viny Vo para el correcto funcionamiento

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del regulador

Limitaciones de los reguladores (II)Limitaciones de los reguladores (II)

TEMPERATURAS MÁXIMAS TOLERABLESRegulador

Regulador

+ +i T

oVinV- -

inioiTj

ooinDisp

Q i ti

ooininDispi.VVP

iiii0i.Vi.VP

ambientejoQuiescentoin TT

iiii

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Cálculos en el diseño?Cálculos en el diseño?

Como afecta la regulación de carga del transformador?

Como cálculo las corrientes en los diodos?

Que capacidad en VA necesito en el transformador?

Cual es la temperatura del regulador?

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Cálculo de la tensión de entrada al regulador (regulación de carga)


di

N1: N2Rp Rs

FUENTE LINEAL

INV +C RVout

+

-

ActiveRegulator

di

CV

+L

RS

CIRCUITO EQUIVALENTE

iFVm

+C RLVC

+

-2

P

2

1

2SS R

NNR'R

)wt(senVVNV MIN2

m

20


)(N MIN

1m

)DC(V)DC(VR'R

O

CLL

Rizado de la tensión de entrada al regulador


di

N1: N2Rp Rs

FUENTE LINEAL

)DC(V

)DC(VVFactorRipple

C

2CC

INV +C RVout

+

-

ActiveRegulator

di

CV

+L

RS


iFVm

+C RLVC

+

-2

P

2

1

2SS R

NNR'R

)wt(senVVNV MIN2

m

21


)(N MIN

1m

)DC(V)DC(VR'R

O

CLL

Cálculo de las corrientes en el puente rectificador


di

N1: N2Rp Rs

FUENTE LINEAL

INV +C RVout

+

-

ActiveRegulator

di

CV

+L

RS


iFVm

+C RLVC

+

-2

P

2

1

2SS R

NNR'R

)wt(senVVNV MIN2

m

22


)(N MIN

1m

)DC(V)DC(VR'R

O

CLL

Cálculo de la temperatura del regulador

Tj : Temperatura de la unión.Ta: Temperatura ambiente.

Tj

Regulador

jaTa

jResist. Térmica de la unión alambiente

PDispoV

-

inioiTj

+inV

-

+

Dispjaaj PTT ooinDisp i.VVP

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Calentamiento con radiadorCalentamiento con radiador

Tj Dispjcmraaj PTT jc

TC

Resist. Térmica de la unión alencapsulado

mPDisp

Tr

Resist. Térmica de la mica

raTa

r

Temperatura Unión (Tj)

Resist. Térmica del Radiadoral ambiente

TemperaturaAmbiente (Ta)

TemperaturaRadiador (Tr)

Temperatura EncapsuladorTransistor (TC)

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