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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