1. UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA
Laboratorio de Electrónica Industrial
INFORME FINAL
“Experiencia 5: Fuentes de Poder Conmutadas
:
Conmutadas”
Experiencia
Grupo
Fecha
5
Lautaro Narváez
5
Juan Vargas
31/08/2010
Revisado por
Nota

2. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
En la actualidad existe una gran cantidad de equipos y dispositivos electrónicos, los cuales tienen
como parte esencial su sistema de alimentación. En el caso de suministros de tensión continua se
cuenta con dos tipos de fuentes, las lineales y las conmutadas.
A diferencia de las fuentes de tipo lineal que operan con sus semiconductores en zona lineal, las
conmutadas utilizan estos componentes en zona de corte y saturación. Esto permite una menor
disipación de potencia, y a su vez un aumento significativo en la eficiencia. Otra de las ventajas
que presenta las fuentes conmutadas es su operación a altas frecuencias, lo que permite el uso de
transformadores de menor tamaño, traduciéndose en un menor dimensionamiento, peso y costo.
Como no todo es perfecto, estas fuentes poseen la desventaja (respecto de la fuente lineal) de
introducir interferencia electromagnética, EMI, por el switcheo de los semiconductores, lo que
eventualmente podría afectar la red de suministro, y por ende, a otros dispositivos cercanos. A
pesar de esto, las ventajas son predominantes y el uso de las fuentes conmutadas se ha masificado
en gran medida.
En esta experiencia del laboratorio se busca conocer y comprender el uso y funcionamiento de
una fuente de poder conmutada. En específico, se trabaja con un convertidor Forward, el cual se
compone de un convertidor Buck más un transformador. Además, se desea comparar y contrastar
los resultados del preinforme de la experiencia con las distintas mediciones realizadas en el
laboratorio y así poder analizar prácticamente el desempeño y eficiencia de las fuentes.
Figura 1. Esquema de un convertidor Forward
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3. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
5. INFORME FINAL
A continuación se presentan las mediciones y resultados obtenidos en la experiencia. Lo que se
incluye en este informe no sigue exactamente la línea expuesta en la guía de la experiencia, pero
se trató de ir de forma ordenada en la presentación.
5.1 Mediciones
Antes de iniciar las distintas mediciones y experimentos, es necesario tener la certeza de la
correcta alimentación que será aplicada al convertidor. Para ello se verifica la señal proveniente
de la red. La Figura 2 muestra el voltaje de alimentación, el que claramente presenta distorsiones
debido a la existencia de los armónicos 5 y 7, además del tercero y por ende, sus múltiplos. Fuera
de eso, cumple con un valor efectivo de tensión de aproximadamente 24[V] a una frecuencia de
red 50[Hz].
Figura 2. Voltaje de alimentación
Una vez comprobado el voltaje de alimentación, se encendió el convertidor (interruptor en
ENABLE), pudiéndose comenzar a realizar las mediciones. Teniendo la fuente sin carga, se
midió la señal de disparo del Mosfet junto con el voltaje en el primario del transformador.
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4. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
Figura 3. Señal de disparo (amarillo) y Voltaje en el primario del transformador (verde)
En la figura anterior se observa que la señal PWM que controla el switcheo del semiconductor,
posee un ciclo de trabajo muy bajo, alrededor del 3.4%. Esto se debe a que al no tenerse una
carga, la corriente de salida es casi nula (distinta de cero porque se entrega energía a los led y a
otros elementos del convertidor, ajenos a la carga) y por ende, no debe más que regularse la
tensión de salida. Por su parte, la tensión del primario del transformador presenta una
característica similar a la obtenida en la simulación para el preinforme. El peak de voltaje
corresponde al instante de conmutación del Mosfet, los cuales coinciden temporalmente. El valor
negativo que adopta la forma de onda se debe a la desmagnetización del núcleo del
transformador, donde se descarga la inductancia de magnetización (Lm en el modelo) generando
un voltaje negativo entre los terminales del primario.
Para las siguientes mediciones, se conecta una carga (reóstato) en los terminales de salida de 5V.
De esta forma se puede verificar el funcionamiento del control sobre el disparo del Mosfet, ya
que esta salida se utiliza como referencia.
Figura 4. Señal de disparo (amarillo) y Voltaje en el primario (verde) en M.C.D.
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En la figura 4 se tiene la misma medición anterior, pero con carga. Se aprecia que el ciclo de
trabajo aumentó levemente (8.1%), lo que coincide con el requerimiento de corriente que genera
la carga. La distorsión presente en la valor positivo del voltaje en el primario denota la operación
en Modo de Conducción Discontinuo. A pesar de que no se aprecia la corriente del
transformador, esta posee pasa por un valor 0, lo que hace trabajar en MCD. Se explicará un poco
más en detalle en la sección 5.3.
La siguiente figura considera el Modo de Conducción Continuo, lo que se logró al variar la
resistencia del reóstato. Claramente hubo un aumento del ciclo de trabajo de la señal de disparo a
un 16.8%, con lo cual el semiconductor se encuentra conduciendo durante más tiempo de modo
de suplir la necesidad de la carga. El voltaje del primario tiene una forma de onda mucho más
parecida a la obtenida en la simulación, y sólo se ve afectada por la descarga más lenta de la
inductancia de magnetización, que genera el tiempo con voltaje negativo. Al operar en MCC, se
cumple la relación lineal entre el voltaje de salida y entrada, a diferencia del caso anterior donde
esto no era válido.
Figura 5. Señal de disparo (amarillo) y Voltaje en el primario (verde) en M.C.C
5.2 Estimación razón de vueltas de transformador
Para determinar la razón de número de vueltas entre los devanados del transformador se midieron
en conjunto los voltajes del primario (Vp) y del secundario en cuestión (Vs). Como referencia se
utilizaron dos puntos similares de cada señal, que obviamente presentan un escalamiento debido
al número de vueltas.
4

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Figura 6. Tensiones: a) Primario y 2do devanado b) Primario y 3er devanado
A partir de las tensiones, se puede determinar la relación del número de vueltas según la siguiente
fórmula
N 2 Vs
=
N1 V p
Primer devanado (salida de 12V):
N 2 Vs 68.25
=
=
≈ 2.5
N1 V p 27.25
Segundo devanado (salida de 12V):
N 2 Vs 70
=
=
≈ 2.5
N1 V p 28
Tercer devanado (salida de 5V):
N 2 Vs
27
=
=
≈ 1.09
N1 V p 24.75
La relación de vueltas del primer y segundo devanado es prácticamente idéntica, lo que
concuerda con el hecho de que en sus salidas entregan una tensión nominal igual (12V). En el
caso del tercer devanado (el que cuenta con el circuito de realimentación de tensión), se tiene una
razón de vueltas cercana a 1, dado que a su salida necesita una tensión menor a las anteriores.
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5.3 Tensión de carga a partir de D, Vi y N1:N2
Un tema a considerar fue el diodo conectado en serie con el secundario del transformador para
evitar que la corriente se devolviera por este. Se observa una caída en este diodo considerable de
alrededor de 5 volts. Además en la imagen se puede notar como bloquea el voltaje inverso que
viene de la desmagnetización del transformador en el secundario.
Figura 7. Voltaje D11 (amarillo), Secundario (verde), Disparo (rojo), corriente (morado)
Figura 8. Voltaje D11 (amarillo), Secundario (verde), Disparo (rojo), corriente (morado)
A medida que vamos aumentando la resistencia a la salida controlada a través del reóstato
eventualmente se llega a un punto donde la corriente en la bobina durante el periodo de apagado
del mosfet se hace 0, pasando al modo de conducción discontinuo, en ese momento el diodo 11
tiene el mismo voltaje que el condensador 16:
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Figura 9. Circuito de salida en tercer secundario
Y es este último el que entrega corriente a la salida durante un breve tiempo en el cual se
mantiene en mcd. El voltaje en el diodo 11 que está cortado es el mismo que el de la salida 5[v] y
se induce al primario atravez del diodo 10, induciendo el mismo voltaje a su vez en el primario
del transformador, invirtiéndose la causalidad del sistema.
Figura 10. Voltaje D11 (amarillo), Secundario (verde), Disparo (rojo), corriente (morado)
A su vez el ancho del pulso disminuye gracias al control. Este control permite que tengamos 5 [v]
a la salida siempre sin importar si estamos en mcc o mcd, siempre que aguante la fuente te
tensión DC sin caerse.
Figura 11. Límite entre M.C.D. y M.C.C.
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Una de las mediciones se realizó con carga y en modo de conducción continua con una salida de
5[v]. El ciclo de trabajo medido fue cercano a un 20%, la relación de vueltas del transformador
fue 1.09 y el Vcc de alimentación a la salida del rectificador de 27[V].
Ocupando la fórmula teórica obtenida del análisis del convertidor foward en el preinforme se
obtiene el siguiente resultado:
ܸ =‫∗ܦ‬
௢
ܰ2
∗ ܸܿܿ = 0.2 ∗ 1.09 ∗ 27 = 5.886
ܰ1
La diferencia se puede explicar por la caída que ocurre en el dodo 10 tomado como ideal en la
fórmula.
5.4 Eficiencia del Convertidor
Con respecto a la eficiencia se tomaron las siguientes mediciones utilizando el Fluke Power
Meter:
Tabla 1. Valores para cálculo de eficiencia del convertidor
Io [A]
Vo [V]
Po [W]
Pi [W]
η [%]
MCC
3.6
5
18
34.9
51.4
MCD
1.15
5
5.75
14.4
39.9
Figura 12. Medición de potencia con Fluke Power Meter
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Se observa una eficiencia muy baja, muy por debajo de la esperada para un convertidor forward
(70% a 90%). la explicación es principalmente la caída en el circuito amortiguador que permite la
desmagnetización del núcleo, en el libro Mohan Power Electronics proponen un tercer devanado
en el transformador que permitiría devolver parte de esa energía que se disipa al sistema
reduciendo las perdidas. Otras perdidas se deben a los reguladores lineales y los leds. Este bajo
rendimiento sigue estando muy por encima del rendimiento de un regulador lineal.
5.5 Componentes de alta frecuencia
Una de las desventajas de este tipo de regulador es su alta frecuencia de conmutación (62.5 kHz)
estas conmutaciones de alta frecuencia producen emisiones electromagnéticas que se irradian al
ambiente y a través de la red. En el preinforme mencionamos una de las soluciones
implementadas para reducir estas emisiones que provocan interferencias a otros quipos
electrónicos, la estrategia fue instalar un filtro EMI a la entrada del rectificador para amortiguar
estas emisiones. Realizadas algunas mediciones nos pudimos percatar que las emisiones siguen
presentes y causando interferencias en los instrumentos de medición.
Figura 13. Voltaje de alimentación (verde) y salida de 5V (morado)
Acá se puede observar que tanto la entrada como la salida del convertidor presentan
perturbaciones considerables debidas a las conmutaciones del semiconductor.
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CONCLUSIONES
En esta experiencia pudimos observar el comportamiento de un convertidor forward con 3
salidas, 2 con reguladores lineales y 1 salida regulada a través de un sistema de control
realimentado. Fue interesante notar que durante el modo de conducción continua se cumple casi
perfectamente la relación voltaje de entrada, numero de vueltas, ciclo de trabajo, voltaje de
salida. Y como durante el modo de conducción discontinua esta relación se rompe, pero gracias al
sistema de control la salida se mantiene en el valor deseado. la eficiencia del convertidor no fue
la esperada pero la explicación proviene de la corriente desmagnetizante del transformador que es
amortiguada por un circuito del cual proviene gran parte de las perdidas del sistema, esto es
solucionable con un tercer devanado en el transformador que devolvería la potencia al sistema.
Además de la eficiencia este convertidor tiene la ventaja del pequeño tamaño del transformador
de desacople gracias a su alta frecuencia de conmutación. Las desventajas principales serian las
emisiones electromagnéticas que son muy potentes e interfieren en el propio quipo y en los
equipos electrónicos adyacentes, a través del aire y la red. Esto es en parte pero no totalmente
solucionado a través del filtro EMI.
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