Fuentes Switching, conmutadas o SMPS
Introducción a las fuentes de alimentación
Básicamente todo equipo electrónico, Ej.; Computadoras y sus periféricos, calculadoras,
equipos de alta fidelidad, instrumentos, etc. necesitan de una tensión continua para
funcionar; esta puede ser entregada tanto por una batería como por una fuente de
alimentación DC. Esta tensión debe estar filtrada y regulada apropiadamente.
Hay tres tipos de conversiones a lo que tensión y corriente se refiere.
1. DC/DC
2. AC/DC
3. DC/AC (inversor)
Para el caso 2. una fuente que convierte la tensión AC de línea en una tensión DC debe
realizar las siguientes funciones con una alta eficiencia y a bajo costo.
2. Rectificación: Convertir la tensión de entrada AC en una tensión DC.
2. Modificar el valor de tensión DC según requerimientos, elevar la tensión o
bajarla según se necesite en las aplicaciones.
2. Filtrado para obtener una tensión DC con la menor variación posible.
2. Regulación: Mantener el valor de salida constante, independientemente de las
variaciones en tensión de línea, la carga o la temperatura.
2. Aislación: Separar eléctricamente la entrada de la salida.
2. Protección ante cortocircuitos, carga excesiva o tensiones de entrada elevadas.
Fig. 1.A la izquierda grafico de regulación, como varia la tensión de salida Vo a
cierto valor de corriente de salido Io.
A la derecha tensión de salida real de una fuente con excesivo ripple.
Conceptos básicos fuentes lineales
En la Fig. 2. se muestra una fuente lineal básica. Consiste en un trasformador que recibe
la tensión AC de línea y la reduce en valor. Luego nos encontramos con los diodos
rectificadores(puede ser un puente rectificador) los cuales rectifican la tensión y lo
convierten en una continua pulsante. Luego esta el capacitor de filtro que elimina las
bruscas variaciones de tensión. A continuación tenemos “regulador lineal”, en este caso
lo representamos con una caja porque el circuito puede diferir según el diseño pero
todos se comportan básicamente de la misma manera.
El regulador lineal se comporta como una resistencia variable entre la entrada y al salida
la cual varia su caída de tensión para ajustar de esta forma la tensión de salida y obtener
así el valor deseado.
La GRAN LIMITACION que existe en estos circuitos es la potencia disipada(energía
perdida) en el regulador lineal ya que en el mismo habrá una caída de tensión y por el
también circulara la corriente de salida por lo tanto Pd = (Vi − Vo) × Io y además ocupan
mucho espacio debido al transformador y al disipador básicamente.
Sin embargo tiene ciertas características deseables tales como simplicidad, ripple
reducido, excelente regulación de línea y carga, rápida respuesta a cambios de carga,
baja emisiones EMI
Fig. 2
Tomemos el siguiente ejemplo de una fuente lineal realizada con LM7805 al cual lo
alimentamos con 12V y le pedimos una corriente de salida de 1A. En estas condiciones
Po=5W y Pi=12W. En consecuencia el rendimiento es de 41.66%.
Ahora el fabricante dice que la tensión sobre el regulador debe ser de 2.5V entonces en
el mejor de los casos Vi=7.5V por ende el rendimiento seria 66.66%.
Fuentes conmutadas
Para elevar la eficiencia lo ideal es minimizar las perdidas en el elemento regulador para
esto lo que se hace es utilizar un transistor en corte y saturación, de esta forma se tiene
periodos de tiempo en la que Io=0A o Vce=0V. Esto es muy básicamente el concepto de
una fuente conmutada más adelante en el presente documento detallaremos este
procedimiento.
Fig. 3 tenemos una tabla comparativa entre fuentes conmutadas y lineales.
Fig. 3
Luego de esta pequeña introducción a las fuentes de alimentación
podemos comenzar con lo que a fuentes conmutadas se refiere.
Diagrama en bloques de una fuente conmutada.
A diferencia de los reguladores lineales, las fuentes conmutadas operan con los
transistores de potencia en corte y saturación. En este estado la potencia disipada es
minima dado que para saturación tenemos baja tensión y corrientes elevadas y lo
contrario para corte. De esta forma la potencia VxI se mantiene lo más cercano a cero
posible.
Esto se logra convirtiendo la tensión de entrada en una señal cuadrada.
Veamos un circuito. En el tiempo que el transistor esta saturado y despreciando la
Vcesat tendremos E sobre RL y mientras el transistor este cortado no habrá tensión
sobre al carga. En forma periódica tendremos una tensión cuya forma será cuadrada
sobre la carga.
Fig. 4
T
El valor medio de la tensión sobre RL será Vmed =
cuadrada será Vmed = E ×
Ton
T
1
v(t )dt cuyo resultado para la
T ∫0
. Esto nos dice que podemos variar la tensión de
salida de la fuente ajustando el ciclo de actividad de la señal cuadrada, es decir variando
el tiempo que el transistor permanece saturado.
La frecuencia de trabajo de las fuentes swtiching ronda los 50Khz permitiendo esto el
uso de transformadores más pequeños.
Este seria el concepto básico de las fuentes conmutadas, ahora ampliemos esto a las
distintas configuraciones
Configuración Buck
Estas es una configuración reductora, ya que la tensión de salida Serra menor que la
tensión de entrada.
Vo = Vin ×
Ton
T
Fig.5
Pueden ser reconocidas por tener un filtro LC inmediatamente después del transistor de
conmutación o después de un transformador.
Analicemos su funcionamiento. El filtro LC almacena energía entre los pulsos de la
tensión cuadrada de entrada. Luego la tensión de salida de ese filtro será el valor medio
de la tensión de entrada.
Para mantener la tensión constante abra un regulador que comparara la tensión de salida
con una de referencia y de acuerdo a esto variara el ciclo de actividad(duty cicle) para
aumentar o disminuir la tensión de salida y así mantenerla constante.
Podemos separar el funcionamiento de la fuente en dos periodos.
En el primero tenemos el transistor de conmutación en saturación, es decir switch
cerrado.(Recordemos Vce=0). La corriente en el inductor aumenta linealmente.
il =
(Vin − Vout ) × Tin
+ iini
L
Fig. 6
En este periodo la corriente que circula por el inductor carga el capacitor y además
alimenta la carga.
La energía almacenada en el inductor es:
E=
1
L(ipk − i min) 2
2
En el segundo periodo de tiempo el transistor de conmutación se abre y sucede lo
sisuigente. La tensión de alimentación Vin desaparece y entonces el inductor genera una
tensión inversa para poder mantener la corriente circulando a través de el. Esto hace que
el diodo se polarice en directa y cierre el circuito formado por inductor, capacitor carga
y diodo.
Fig. 7
De esta manera a pesar de estar abierto el switch la carga sigue recibiendo corriente. Y
la misma esta determinada por la siguiente ecuación.
il (off ) = ipk −
Vout
Toff
L
Como se puede ver ahora la corriente decrece linealmente con una pendiente de –
Vout/L.
Una vez que el switch se vuelve a cerrar(transistor en saturación) el diodo vuelve a estar
en inversa y se repite el periodo 1.
Fig. 8
Generalmente a las fuentes se les agrega un transformador entre el transistor de
conmutación y el filtro LC, este funciona como un reductor o elevador de tensión. El
transformador tiene las ventajas de aislar eléctricamente la salida de la entrada y la
opción de agregar tensiones de salida adicionales.
Configuración Boost
Esta segunda configuración permite obtener una tensión de salida mayor a la tensión de
entrada. Como se puede ver contiene los mismos componentes que la configuración
Buck pero reordenados.
Fig. 9
Para esta configuración.
Vo = Vin ×
T
T − Ton
En esta configuración cuando el switch esta cerrado(transistor en saturación) la
corriente solo circula por la bobina y el transistor ya que el diodo estará en inversa. Esta
corriente crecerá linealmente.
Vin × Ton
il (ton) =
L
De esta forma el inductor almacena energía en forma de campo magnético.
Fig. 10
Cuando el switch se abre(transistor en corte) el circuito queda de la siguiente manera
Fig. 11
En este momento el inductor invierte la polaridad de su caída de tensión para poder
mantener la misma corriente, de esta forma esta tensión se suma a la Vin y así se vemos
que la tensión de salida será mayor que la tensión de entrada. Durante este periodo el
capacitor es cargado y a su vez la carga es alimentada. Cuando se pasa a saturación
nuevamente es el capacitor quien alimenta la carga.
La corriente mientras el transistor esta en corte es:
il (toff ) = ipk −
(Vout − Vin) × Toff
L
Fig. 12
A modo de comentario quiero agregar que hay dos modos de funcionamiento de estas
fuentes. Modo discontinuo y modo continuo (también escuche que les dicen modo
indirecto o directo).
Modo discontinuo es cuando la energía almacenada en el inductor se usa
completamente. En el grafico de arriba la corriente variaría entre Ipk y 0A.
Modo continuo es cuando en el inductor queda una pequeña cantidad de energía, es el
grafico mostrado.
A esta configuración también se le puede agregar un transformador para obtener ciertas
ventajas tales como aislación entre entrada y salida y varias tensiones de salida.
Configuración Buck-Boost
Esta configuración toma la tensión de entrada y produce una tensión de salida opuesta
en polaridad la cual puede ser de una magnitud mayor o menor que la entrada.
Fig. 13
Cuando el switch esta cerrada (transistor saturado) la corriente circula únicamente por el
inductor produciendo una corriente que aumenta linealmente. Durante este tiempo el
capacitor es quien suministra la corriente a la carga. Esta energía entregada por el
capacitar debe ser recuperada mientras el switch esta abierto.
Fig. 14
Cuando el switch se abre (transistor en corte) la corriente sobre el inductor decrece
haciendo que este genere una tensión inversa la cual hará que se polarice en directa el
diodo y cerrara el circuito teniendo al inductor como generador, el cual suministrara
corriente al capacitor y a la carga.
Fig. 15
Configuración Flyback
La configuración Flyback es muy versátil permitiendo varias salidas y hasta tensiones
negativas. El circuito básico es el sig.
Fig. 16
Cuando el switch se cierra la tensión Vin es aplicada al primario del transformador
produciendo un incremento de corriente en el mismo. Prestar atención a la polaridad de
los bobinados(los puntos en el diagrama, están invertidos quiere decir que cunado una
tensión aumenta la otra disminuye) de esta forma el diodo se encuentra en inversa en
este momento. La carga es alimentada por el capacitor.
Fig. 17
Cuando el switch se abre la corriente por el primario disminuye pero el mismo se opone
a esto y genera una tensión inversa que mantiene la corriente circulando por el. Esta
inversión también produce que la tensión en el secundario se invierta polarizando en
directa el diodo y haciendo que el bobinado del secundario cargue el capacitor y
alimente la carga.
Fig. 18
La tensión de salida será:
Vo = Vin ×
Ton
N2
×
T − Ton N1
La configuración flyback también puede funcionar en modo continuo o discontinuo.
Fig. 19 Configuración flyback con varias salidas.
Bueno hasta acá creo yo que tenemos el concepto básico de
funcionamiento de las fuentes switching y de algunas sus
configuraciones. En este documento no pretendo que sepamos
diseñarlas pero si pretendo que sepamos como funcionan.
Controlador
Hasta ahora se ha hablado de las fuentes switching y sus configuraciones pero no hemos
mencionado el controlador, una parte importante de las fuentes, sin el las tensiones de
salida darían cualquier valor.
La función principal del controlador es mantener la tensión de salida en un valor
constante para un rango amplio de corrientes. Para esto se utiliza la famosa
realimentación negativa. Básicamente se toma una muestra de la tensión de salida y se
la introduce en un amplificador operacional mediante la entrada inversora, mientras que
en la entrada no inversora hay una tensión de referencia. La salida del operacional
presenta la diferencia de estas dos tensiones. Luego esta tensión de error se utiliza para
variar la tensión de salida mediante una variación del Ton de la señal cuadrada
producida por el transistor de conmutación.(Acá vemos como el ciclo de actividad es
manejado para controlar la tensión de salida.)
También se hace un monitoreo de la corriente de salida, se utiliza básicamente el mismo
principio pero para tener una muestra de la corriente se mide la caída de tensión sobre
una resistencia de bajo valor que se encuentra en serie con la carga. Esta tensión se
compara con una referencia y así obtenemos una tensión de error para controlar el ciclo
de actividad.
Anteriormente mencionamos que la tensión de muestra se introduce en un operacional,
esto es cierto pero no es un OPAMP discreto, no veremos el integrado, sino que muchas
veces encontraremos un IC que cumplirá las funciones antes descriptas. Esto a modo de
aclaración.
Ahora pasemos a ver algo un poco más real, algo que si veremos en el
laboratorio o en nuestros trabajos.
Veremos un poco como es una fuente switching con configuración Flyback real. Esto
nos dará una idea de con que nos encontraremos cunado tengamos una de estas en
nuestras manos.
Como guía pueden usar el diagrama en bloques de una fuente presentado al comienzo
de este documento.
1. Filtro de entrada: El filtro de línea tiene como función bloquear transitorios
provenientes de la red, y a la vez evitar la inserción de interferencias (EMI)
por parte de la fuente a la red.
Para el bloque de EMI es usual la inclusión de un filtro basado en un
pequeño inductor y tres capacitares; además para protegerse e los transitorios
de la red y del transitorio (surge current) de carga de los capacitares de filtro
en el momento de conexión a la red, se incluye una resistencia limitadora
(valor típico 10ohm, 1W, NTC) y un eventual varistor.
Fig. 20 Filtro de entrada
2. Rectificador y filtro alta tensión: Este genera una tensión continua a partir de
la alterna presente en la red. En este filtro es aceptable tener una considerable
tensión de ripple, dado que luego el circuito de conmutación compensa las
variaciones de tensión de entrada.
Queda clara la función de la resistencia limitadora. Si la fuente es conectada a la
red una gran corriente no repetitiva producida por la carga de los capacitares
circulara por los diodos, la resistencia limita esta corriente.
A su vez si aparece un transitorio de alta tensión, esta resistencia en conjunto
con los capacitares de filtro generan un filtro pasabajos que impide que ese pico
de tensión llegue al circuito flyback.
Fig. 21 Rectificador y filtro alta tensión
Los capacitares de filtro deben resistir la tensión de pico de la red (alrededor de
311V para 220Vac) por estos su tensión de trabajo debe ser de 400V o mas. Y su
capacidad debe ser tal que con tensión de red minima satisfaga las necesidades
energéticas de la fuente a máxima potencia.
3. Circuito de conmutación: Aquí mostrare los diferentes circuitos de
conmutación. Aunque algunos parezcan complicados recuerden que su función
es simplemente la de un switch, abrir y cerrar, funcionar en corte y saturación y
de esta forma hacer circular una corriente por la bobina.
Con un solo transistor
A simple vistea este es el mas simple, el transistor funciona como llave. A la base del
transistor iría conectado la salida del circuito integrado de control. Este circuito también
se puede implementar con MOSFET.
Fig. 21
Push-Pull dos transistores
Este circuito pone en saturación alternadamente cada transistor. Se utiliza en circuitos
de baja tensión y baja potencia. La frecuencia en el secundario será el doble de la
frecuencia en el primario.
Fig. 22
Half-Bridge
Se utiliza para potencias que van desde los 500W hasta los 1500W obteniendo la
tensión necesaria directamente de la red. Su frecuencia de oscilación ronda los 50Khz
posibilitando así el uso de componentes más pequeños.
El circuito de control se alimenta desde una fuente aparte, de esta manera se aísla
eléctricamente el circuito de conmutación de el circuito de control.
Fig. 23
4. Snnuber o clamping: La tensión(cuadrada) aplicada al transformador hará que
el bobinado del primario genere picos de tensión que podrían dañar nuestro
transistor/es de conmutación. Además esta inductancia junto con capacidades
parasitas puede generar oscilaciones indeseadas. Para solucionar esto se agregan
circuitos amortiguadores.
Fig. 24
Cada uno de estos circuitos tiene ventajas y desventajas pero me parece innecesario
describirlos, creo que lo importante es la función que cumplen descripta brevemente
mas arriba.
5. Rectificador de salida: Recibe la energía almacenada en el inductor para luego
transferirla a la carga y a los capacitares.
Fig. 25
Fuente de PC, reparación y algunas consideraciones
Ahora veremos algunos conceptos a la hora de reparar fuentes de PC y algunas
consideraciones que deberemos tener en cuenta, muchas provenientes de mi reciente
experiencia con las mismas.
Nos traen una fuente de PC y nos dicen que no funciona lo que debemos hacer es lo
siguiente:
1. La conectamos a la red (tener especial cuidado con el selector de tensión
de alimentación!!!) y la encendemos, eso se hace haciendo un puente entre
el cable verde y masa en el conector de 20/24 pines. No pasa nada, no da
ninguna señal de vida, procedemos a probarla con alguna carga, si sigue sin
funcionar procedemos a abrirla.
2. Abierta la fuente y sacada del gabinete (así lo hago yo, desatornillo el cooler
y desmonto completamente la fuente) procedemos a verificar las conexiones
que llevan la tensión de red a la placa por si no hay algún falso contacto y a
hacer una inspección visual de las soldaduras y de los componentes por si
vemos algún daño muy evidente.
3. Luego verificamos que el fusible no este quemado y que la resistencia NTC
este en condiciones, debe medir un bajo valor de resistencia.
4. Ahora pasamos a la etapa de rectificación y filtro. Verificamos el estado del
puente de diodos y el estado de los capacitares de filtro. He visto capacitores
hinchados y hasta reventados. Recordar al cambiarlos su polaridad y su
tensión de trabajo.
5. Acto seguido verificamos el circuito de conmutación. Se verifica el estado de
los transistores o del transistor según el caso. Puede ser Mosfet o bipolar.
En el caso de ser bipolar revisar unas resistencias de de bajo valor(2.2ohm) y
unos capacitares de 1uf aprox. Conectados a la base de los transistores. Hay
dos de cada componente, uno por transistor para las configuraciones que yo
vi.
Fig. 25
En el caso de ser Mosfet en serie con la pata Source habrá unas resistencias
de bajo valor que generalmente se queman junto con el transistor. Al Gate de
este transistor estarán conectadas unas resistencias de 100ohm aprox. y las
mismas estarán conectadas a la salida del controlador.
En ambos casos verificar también los diodos de protección ante picos
inversos del inductor.
6. Hasta ahora trabajamos con la fuente desconectada, pero ahora si es posible
conectamos la fuente, MEDIR CON CUIDADO.
Dependiendo de la fuente nos encontraremos con un trasformador mas
chiquito cuyo primario estará conectado directamente a un integrado (en mi
caso un DM311), pero no siempre será así. El integrado será el encargado de
realizar la conmutación y de controlar la tensión de salida del transformador.
Esta pequeña fuente nos dará la tensión de standby que alimentara a un
integrado(WT7252) o a los OPAMP en el secundario de la fuente los cuales
estarán testeando continuamente los valores de salida. Verificar que esta
tensión exista, su valor es de 5V. Si no esta presente el problema ronda las
cercanías del DM311.
La realimentación negativa se hace a través de optoacopladores que envían
la información hacia el controlador situado en el primario de la fuente, de
esta manera se mantiene primario y secundario aislado eléctricamente.
También hay un optoacoplador que maneja un transistor y este transistor
maneja la alimentación del controlador de la fuente principal. El controlador
puede ser un CI modelo UC3843, o parecido, alguno de la familia Viper de
ST o NCP1200 de ON Semiconductors.
Si la fuente hacer ruido como un chillido verificar los capacitares que
definen la frecuencia de oscilación, para ubicarlos buscar el circuito en el
datasheet del controlador.
7. Verificar visualmente los inductores de salida, he encontrado algunos
quemados con el aislante deteriorado. Verificar que no haya capacitares de
salida hinchados o reventados.
Si la fuente enciende pero se apaga rápidamente puede ser causado por
capacitares de filtro de salida en malas condiciones pero que no presenten
ningún dalo visual ni al medirlos.
Bibliografía:
Switching Power Supply introduction (no tiene autor ni editorial)
Power Supply Cookbook, Marty Brown
Elko fuentes conmutadas (Elko es una empresa argentina de venta
de componentes)
AN-556 - Application Note 556 Introduction to Power Supplies
Apunte de Laboratorio EET Nº9 Lanus, Prof. Fernandez.
Autor:
Damian Matías Caputo, Técnico Electrónico, estudiante de Ing. Electrónica
en la UTN FRA.