Este documento presenta un preinforme sobre fuentes de poder conmutadas realizado por estudiantes. El preinforme compara las ventajas de las fuentes reguladas conmutadas versus las lineales, analiza el funcionamiento de convertidores forward y buck, y presenta simulaciones de un convertidor forward usando el software PSIM. El preinforme también explica el uso de transformadores, circuitos de protección y filtros EMI en fuentes conmutadas.

1. UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA
Laboratorio de Electrónica Industrial
PREINFORME
“Fuentes de Poder Conmutadas”
Experiencia
Grupo
Fecha
5
Lautaro Narváez
8
Juan Vargas
23/08/2010
Revisado por
Nota

2. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
5. PREINFORME
5.1
¿Cuáles son las dos principales ventajas de las fuentes reguladas conmutadas respecto
a las fuentes reguladas lineales?
La primera ventaja es la eficiencia, pues las fuentes reguladas lineales operan a los
semiconductores como reóstatos ajustables en su zona lineal, esto hace que la potencia disipada
por el semiconductor sea considerable (
). Mientras que en las fuentes conmutadas los
semiconductores operan en corte y saturación donde la única perdida se debe a la caída en
saturación del semiconductor que es notablemente menor que las caídas en zona lineal. No solo
esto implica un ahorro en el costo de la potencia (eficiencia entre 70% y 90%) sino también en
los disipadores de calor que son necesarios acoplar a los semiconductores.
La otra ventaja es que un transformador de aislación operando a frecuencia de conmutación es
mas pequeño y liviano que los transformadores utilizados para las fuentes lineales que operan a
frecuencia de la red de suministro a 50 hz.
5.2
Nombre tres ventajas del uso del transformador en este tipo de convertidores.
Una función de un transformador que conecta una fuente alterna con una carga es permitir la
máxima transmisión de potencia logrando que la impedancia que vea la fuente real sea el
conjugado de la impedancia de la fuente. para lograr este efecto se fija la razón del numero de
vueltas N1/N2 como :
Otro uso es para la aislación utilizando la ventaja de que el primario y el secundario del
transformador están acoplados de forma magnética y no física. la fuente puede estar conectada a
la tierra física y si un hipotético instrumento de medición también lo estuviera, ocurriría el
siguiente caso:
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3. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
Acá ocurre que se saca el mosfet y todo el circuito queda energizado con CC, y si alguien llegara
a tocar el chasis del instrumento de medición y a la vez algún punto energizado podría incurrir en
un choque eléctrico.
Esto se soluciona aislando el circuito como se presenta en el convertidor forward.
Otro caso de aislación ocurre si tenemos un adaptador de 2 terminales para el equipo y cortamos
una de las patitas del enchufe para conectarlo pero accidentalmente se invierte una fase con la
tierra física y se deja energizado el chasis, con el transformador este peligro se evita
El transformador funciona también como una primera etapa de filtro por sus componentes
inductivas elimina el ruido de alta frecuencia de la fuente.
5.3
Considerando el convertidor buck en vez del convertidor forward, encuentre la
expresión de la tensión promedio en la salida (Vo) en función de la tensión de entrada
(Vi) y el ciclo de trabajo (d) de la señal de encendido-apagado del semiconductor,
tomando en cuenta que el sistema se encuentra en estado estacionario y opera en
régimen de conducción continua. Demuestre matemáticamente, y comente las
diferencias con la expresión para la tensión de salida en el convertidor forward
mostrada en los apuntes anexos de esta experiencia.
En estado estacionario la inductancia y el condensador funcionan como pasa bajos y la expresión
para el voltaje de salida esta dada por:
por otro lado el convertidor foward:
2

4. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
Y cuando esta el interruptor apagado:
Entonces cuando la inductancia se comporta como corto circuito y el condensador como circuito
abierto para bajas frecuencias:
Se puede observar que básicamente la diferencia es que el voltaje de salida en el convertidor buck
depende solo de la entrada y el ciclo de trabajo, mientras que en el convertidor forward se tiene
otro grado de libertad pudiendo manejar la salida también con la relación de vueltas del
transformador.
5.4
Comparando las topologías de los convertidores forward y buck en la figura 1, el
primero posee como agregado, además del transformador, el diodo D1 en serie con el
secundario del transformador. ¿Cuál es la finalidad de ese diodo?
El diodo permite que durante el periodo de corte del semiconductor la inductancia descargue su
corriente a través del diodo D2 y no por el secundario del transformador, pues cuando se
desmagnetiza el transformador el voltaje de el secundario se invierte y polariza inversamente a el
diodo D1 . Una corriente por el secundario durante el corte implicaría mayores pérdidas y una
perturbación para el primario.
5.5
Simule, utilizando el software PSIM®, el convertidor forward, considerando los
valores de vi = 30[V], C = 470[µF], R = 3[Ω], L = 500[µH]. Utilice un transformador
ideal con una razón de vueltas entre el secundario y el primario de N s/Np = 1,3, y
controle el semiconductor S con un tren de pulsos de 60[kHz] de frecuencia y ciclo de
trabajo de 1/6. Grafique, en estado estacionario, las señales vo, vp, vs, vL, iL e ip, además
de las corrientes que circulan por los diodos D1 y D2. Repita las mismas mediciones
usando un tren de pulsos con ciclos de trabajo de 1/2 y 2/3. Comente.
Considerando el circuito del convertidor forward implementado en PSIM, se obtienen las
siguientes formas de onda en estado estacionario para distintos valores del ciclo de trabajo de la
señal de control del MOSFET
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Ciclo de trabajo 1/6:
Figura 1. Voltajes vo, vL, vp y vs para ciclo de trabajo d=1/6
Figura 2. Corrientes iL, ip, iD1 e iD2 para ciclo de trabajo d=1/6
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6. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
Ciclo de trabajo 1/2:
Figura 3. Voltajes vo, vL, vp y vs para ciclo de trabajo d=1/2
Figura 4. Corrientes iL, ip, iD1 e iD2 para ciclo de trabajo d=1/2
5

7. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
Ciclo de trabajo 2/3:
Figura 5. Voltajes vo, vL, vp y vs para ciclo de trabajo d=2/3
Figura 6. Corrientes iL, ip, iD1 e iD2 para ciclo de trabajo d=2/3
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Se observa que en todos los casos se cumple la relación para el voltaje de salida del convertidor,
debido a que este se encuentra operando en modo de conducción continua. Otra característica que
no se aprecia, pero que está levemente presente es el riple. Debido a la característica filtrante en
la carga, esta distorsión bordea niveles de mili Volts.
Las demás formas de onda son muy similares en cada caso, siendo alteradas principalmente por
el ciclo de trabajo de la señal de control del MOSFET. Al aumentar el tiempo en alto de la señal
de control, los niveles de tensión y corriente se escalan adaptándose a los valores
correspondientes.
Aunque no se presenta en las imágenes, en el estado transitorio existe un comportamiento
oscilatorio que genera magnitudes de la señal, que en algunos casos, alcanzan a casi el doble de
su valor en estado estacionario. Si bien en la simulación no se presentan problemas, en una
implementación real podrían causar ciertos problemas en los dispositivos, dependiendo de su
tolerancia a valores muy altos.
5.6
Modifique el circuito de la figura 1a, reemplazando el transformador ideal por un
modelo real del transformador (en PSIM® existe directamente este modelo de
transformador), además del circuito de protección compuesto por D m, Rm y Cm y
considerando los valores de Rp = 1[mΩ], R′s = 1[mΩ], Llp = 1[µH], L′ls = 1[µH], Lm =
2[mH], Cm = 100[nF], Rm = 1,5[kΩ]. Simule y repita las mediciones pedidas en la
pregunta anterior con un ciclo de trabajo de 1/6. Comente, y explique cuál es la
finalidad del circuito de protección mencionado anteriormente.
En este caso se utiliza un modelo de transformador real y también, se incluye el circuito de
protección mencionado en la guía. Simulando resultan las siguientes señales
Figura 7. Voltajes vo, vL, vp y vs para ciclo de trabajo d=1/6.
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9. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
Figura 8. Corrientes iL, ip, iD1 e iD2 para ciclo de trabajo d=1/6
Al considerarse un modelo de transformador más real, hay que tener en cuenta nuevos
componentes en el circuito. En este caso, la inductancia Lm acumula carga mientras el MOSFET
se encuentra activo. Al conmutar, esta corriente debe ser disipada por el circuito de protección. Si
no se tuviera ese circuito, en el transformador se inducirían tensiones de magnitudes muy
grandes, lo que destruiría la mayoría de los componentes la red.
5.7
De la simulación anterior, cambie R de 3[Ω] a 100[Ω], dejando todos los demás
parámetros sin cambiar, incluyendo el ciclo de trabajo de la señal de control.
Grafique, en estado estacionario, las señales vo, e iL, y verifique si se cumple la
expresión teórica para la tensión de salida en este convertidor. De no ser así, explique
por qué no se cumplió.
Modificando el valor de la resistencia y simulando se obtienen las siguientes formas de onda
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10. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
Figura 9. Voltaje vo con ciclo de trabajo d=1/6.
Figura 10. Corriente iL. a) Señal completa b) Zoom de la señal en estado estacionario
Evaluando la expresión para la tensión de salida del convertidor
vo
Ns
d vi
Np
1,3
1
30 6,5[V ]
6
Midiendo de la simulación la tensión vo en estado estacionario (a partir de app. 130[ms]), se
obtiene un valor de vo 7, 49[V ] . Por lo tanto, no se cumple la relación teórica. Esta diferencia se
debe a que al aumentar el valor de la resistencia R, se pasa al modo de conducción discontinua y
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11. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
por ende, no se tiene una relación lineal entre el voltaje de entrada y salida. Analizando la figura
10b) se puede apreciar que durante el ciclo de descarga del inductor se alcanza una
discontinuidad. Mientras la corriente del inductor es 0, la potencia de la resistencia de carga se
alimenta únicamente por el condensador de filtrado.
5.8
Considerando el circuito del convertidor de la figura 3, explique en breves palabras la
función de los opto-acopladores OC1 y OC2 en el circuito de realimentación de la
medición de tensión (No es necesario explicar en detalle el funcionamiento de esos
circuitos).
Un optoacoplador es un dispositivo de emisión y recepción que funciona como un interruptor
excitado mediante luz. Dado que el transformador aisla la fuente de entrada con las distintas
señales de salida (permitiendo que puedan utilizarse tierras distintas), los optoacopladores son
usados para separar eléctricamente el circuito de realimentación de tensión (medición de voltaje
de salida del secundario) con el control del semiconductor que se encuentra en el primario del
transformador. De esta manera se adapta la señal de 5V a la de 12V. Si no utilizaran los
optoacopladores, no tendría mucho sentido el uso del transformador en esta aplicación.
5.9
El convertidor de la figura 3 es alimentado con una fuente alterna de 24[VAC], la cual
es rectificada con el puente de diodos monofásico B1. A la entrada de ese rectificador
hay montado un circuito compuesto por los condensadores C1, C2 y C3, y por las
inductancias L1 y L2, el cual es llamado comúnmente como “filtro EMI”. Explique
brevemente lo que son las interferencias electromagnéticas (EMI) y describa la
función e importancia de ese filtro
Las interferencias electromagnéticas (EMI, electromagnetic interference) son perturbaciones
generadas por un circuito en el que ocurran rápidos cambios de voltaje o corriente, estas
perturbaciones pueden ser un problema para el sistema de control u otros circuitos adyacentes
sensibles a pequeñas perturbaciones. En los convertidores conmutados el ruido se transmite en
modo diferencial a través de las capacitancias parasitas entre las líneas, la línea de entrada al
subministro de energía y a través de la red del lado CC a la carga sobre el convertidor de
potencia. Las perturbaciones de modo común se transmiten únicamente por las capacitancias
parasitas entre las líneas y la tierra.
Una forma de evitar las EMI es la implementación de un amortiguador que reduzca los
como el que está presente a la entrada del rectificador.
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