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Las fuentes conmutadas vienen para cubrir la necesidad de la disminución de tamaño de las fuentes lineales y para tener un control más exhaustivo sobre la señal de continua en la salida, requerimiento cada vez más buscado debido a las complejidades de los equipos digitales. A su vez, la necesidad de rendimiento energético imponen el requerimiento del control sobre la potencia.
Debido a la frecuencia fija de la red de distribución (50 o 60 [Hz]) es necesario el aumento en la amplitud de la corriente y por lo tanto de la sección de los conductores a su vez como el número de vueltas de los bobinados para obtener la fuerza contraelectromotriz y electromotriz requerida. De esta manera aumenta la sección del núcleo así como el camino magnético
Para disminuir , y no pudiendo tocar el módulo de la corriente (ya sea por la saturación magnética y las pérdidas en las resistencia de los conductores) solo nos queda aumentar la frecuencia, es decir, la variación de la corriente. Y como el suministro eléctrico nos impone una variación de tendremos que empezar a jugar con las señales y entrar en la conmutación.
La solución está en generar trenes de pulsos de corriente de alta frecuencia:
Ahora bien si hacemos zoom, tenemos que en las transiciones de alto a bajo y de bajo a alto no son instantáneas sino que hay una variación lineal conocido como slew rate.
Lamentablemente es imposible obtener un cambio instantáneo de tensión o corriente. Debido a las capacitancias y las inductancias siempre presentes:
y
Una variación instantánea implica una deriva que tiende a infinito y por lo tanto sería infinita la corriente en un capacitor o inifinita la caída de tensión en el inductor, lo que no es posible físicamente y por lo tanto un capacitor impone "inercia" al cambio de tension y el inductor impone "inercia" al cambio de corriente.
Otro aspecto a tener en cuenta es que la fuerza electromotriz y contraelectromotriz son proporcionales al cambio de corriente. En la figura anterior existe un tren de pulsos con valor medio, es decir, valor de continua mayor a cero. Siendo este un valor que no tiene implicancia sobre el funcionamiento de un transformador.
para un tren de pulsos con 50% de ciclo de trabajo (duty cicly) tenemos que el valor medio es:
Es decir, se disipará una potencia de , donde R es la resistencia del cobre del bobinado, que es inútil.
Si el ciclo de trabajo es 25%, en vez de 50% como anteriormente:
(disminuye el valor de continua de la corriente)
Aquí tenemos dos soluciones, o disminuimos el ciclo de trabajo o generamos un tren de pulsos con valor medio igual a cero.
Como veremos adelante, obtener un valor medio cero es un poco más dificultoso circuitalmente que un tren de pulsos con valor medio y con un ciclo de trabajo pequeño pero el concepto de la conmutación llega para cubrir la necesidad de rendimiento.
El siguiente aspecto es la elección del transformador (o el núcleo para la construcción del transformador). El material más usado es la ferrita debido a que tiene menor resistencia de pérdida que el acero al silicio en alta frecuencia. Nuevamente la limitación que tendremos en cuanto a potencia es el valor de saturación del campo magnético y la sección de los conductores.
Existe innumerables aspectos para la construcción. Empezando por la potencia que disipa el núcleo en función del volumen del mismo y de la frecuencia de operación, siguiendo con las inductancias de los bobinados primarios y secundarios, el número de vueltas, etc. Todo esto teniendo en cuenta de no superar el valor de saturación magnética. Generalmente los fabricantes de núcleos nos brindan toda la información.
echemos un vistaso a http://www.ferroxcube.com/Ferroxcube...asheet/3f3.pdf
Con eso ya tenemos todos los datos necesarios para nuestro núcleo.
¿Cómo podemos generar un tren de pulsos en el primario de un transformador? Controlando una resistencia ¿cómo se controla una resistencia? la respuesta es transistor (transfer resistor). Utilizaremos transistores mosfet donde la resistencia del canal (drenador - surtidor) es proporcional a la tensión puerta surtidor (Vgs).
La siguiente es una fuente de conmutación simple, con trenes de pulso de valor medio.
Una señal PWM (pulse width modulation) es una señal de conmutación, donde se modula el ancho del pulso. Son utilizadas debido a que el ancho de un pulso modifica el valor medio y eficaz y por lo tanto es posible hacer un control de la potencia.
Ya se verá como implementar el tren de pulsos en la base del mosfet, por ahora se utilizó una fuente independiente. A su vez en la imagen anterior solo se agregó un capacitor para filtrar. Sin lugar a dudas es necesario un filtro de orden superior a 3 para mantener constante no solo la tensión sino también la corriente en la rama del transformador - transistor.
El MOSFET IRFPG40 tiene una resistencia aproximada de en saturación a una tensión aproximada de 311[V]. Teniendo una inductancia de primario de (parámetro constructivo del transformador elegido), se tiene que la corriente en el flanco ascendente del pulso es:
Como el tren de pulsos tiene una duración de 10 microsegundos (periodo de la señal elegido), el crecimiento de la corriente es casi lineal en ese pequeño margen temporal, como se puede apreciar en la gráfica siguiente:
Sin lugar a dudas esto permiten linearizar el comportamiento de la corriente.
Luego el IRFPG40 tiene una resistencia entre drenador-surtidor en corte es aproximadamente 100K, con la condición inicial de que la corriente alcanzó 0.05[A], en el flanco descendente sigue la siguiente expresión:
de esta manera el pulso de corriente en el primario tiene la forma de:
Ahora bien, si consideramos una señal cuadrada (sin valor de continua), en vez de trenes de pulsos (con valores de continua). El ciclo ascendente tendrá la misma forma pero el ciclo descendente tendrá la forma:
De esta manera la forma de la señal de corriente es:
Un importante hecho a resaltar es que en la conmutación, el régimen permanentes es una serie de regímenes transitorios, como han visto.
Por lo tanto, si utilizaríamos la primera señal, el tren de pulsos, este tiene un valor medio de corriente (que disminuye a medida que disminuye el ancho del mismo, es decir, el ciclo de trabajo) y por lo tanto, es potencia que se disiparía en los resistores y que no sería útil para el transformador. De esta manera en cuanto al diseño es recomendable la segunda señal. Una señal periódica de valor medio igual a cero.
La fuente para una forma de señal sin valor medio tendrá la siguiente topología (simétrica).
En la configuración simétrica se enciende un transistor en un semiperíodo y el otro en el siguiente. De esta manera los pulsos son en contrafase.
La siguiente es la configuración que maneja más potencia y utiliza un puente H para realizar los pulsos. Consiste en "encender" el transistor Q1 y Q4 en el primer semiciclo y el Q2 y Q3 en el siguiente. De esta manera es necesario 2 señales de control. Por cierto, modifiqué el filtro a un filtro tipo PI en la entrada para ir cambiando un poco.
Aspectos sobre el transformador
De esta manera el flujo magnético en el núcleo será:
ahora podemos sacar el tamaño del nucleo considerando un camino magnético de 0.2[m] (nuevamente un parámetro elegido). Sabiendo que la relación de transformación para obtener 12[V] en el secundario es de 26.
,
Considerando un núcleo rectangular, sus dimensiones serán en cuanto a sección 11[mm]x 5[mm]. Muy bueno no?
Veamos el valor de flujo si no satura:
(no satura.)
Son necesarias 5 vueltas en el secundario para obtener 12[V] pico de señal. Por lo tanto la inductancia en el secundario es:
Donde la ecuación del transformador:
Pues bien la limitación de potencia estará en cuanta corriente podran soportar los conductores.
Si pretendemos que el secundario entregue 20[A], eso implica que la corriente en el primario sea 0.72[A]. Para 20[A] la sección del conductor del secundario debe ser 1.2 mm de diámetro y por lo tanto a 5 vueltas es necesario tener presente en la columna central 10 [cm] de largo para el bobinado.
Volviendo a la ecuación del transformador para el secundario:
Para una corriente pico de secundario de 20[A]
Por lo tanto:
La siguiente es la imagen del bobinado del secundario de un transformador de ferrita de fuente conmutada de 12[V], se observa la pequeña cantidad de vueltas en el secundario, 14 en el caso de la imagen.
Rectificado y filtro en el secundario
Pues hemos visto las formas de señales en el secundario del transformador, donde el flujo sigue una onda cuadrada y la fem en el secundario una forma triangular (misma que la corriente). Pero es una fuente lo que estamos haciendo por lo tanto debemos rectificar y filtrar para obtener una señal continua.
Nuevamente ese sería un filtro bastante burdo, un solo capacitor, un filtro de primer orden. Podemos mejorar los filtros haciendo filtros de mayores ordenes. A su vez podemos hacer un punto medio en el bobinado secundario para usar solo 2 diodos en la rectificación.
Mejoremos los filtros pero usando la configuración Puente:
Generación del tren de pulso en la base de los transistores
La etapa de generación de los pulsos a los transistores da la posibilidad del control de la tensión en el secundario modificando el ancho de los mismos a su vez como la frecuencia. Como se vio anteriormente, mientras más se retrase el flanco descendente del pulso, la corriente crece más. Siempre teniendo en cuenta que no se alcance el punto de saturación magnética del núcleo. El control del pulso dió la posibilidad de las fuentes universales (ya no importa si la tensión de red es 110 o 220 total lo acomodamos en la marcha)
Un integrado interesante para la generación de los pulsos es el NCP1200A. Como verán, en el datasheet da un ejemplo para la utilización de una fuente conmutada. Lamentablemente es la fuente con el tren de pulsos con valor medio pero es útil en cuento a ejemplo y si la potencia de la fuente es pequeña (página 2). http://www.promelec.ru/pdf/NCP1200A.pdf
Como se observa se sensa la tensión de salida, donde se utiliza un optoacoplador para aislar electricamente el secundario con el primario.
FILTRO EMC
Son filtros que se colocan en la entrada de la señal de red, antes de la rectificación y cuyo propósito es un filtrado de manera tal que solo se obtenga una señal senoidal lo más perfecta de frecuencia 50 o 60 Hz. Es decir, se deben eliminar todos los armónicos parásistos.
Dejé de lado la parte de control y de generación de pulsos en el esquemático anterior para no cargar el circuito. Se observa en la imagen el filtro antes de la rectificación. Es para no tener armónicos de corriente provenientes de la red. Fijarse que existe un punto medio que va al chasis de la fuente como protección, de manera de que descargue a la tierra de la red si se llega a poner a potencial la carcasa de la fuente. De la misma manera poniendo ese punto a chasis, aumenta la protección contra la radiación electromagnética externa debido a que toda señal que incida sobre la carcasa se va a referenciar con tierra. Es por esto que estos filtros reciben el nombre de EMC (electromagnetic compatibility). Por cierto ese potencial que va a la carcasa indudablemente debe estar puesto a la tierra de la red domiciliaria.
Iba a dejar de lado lo del filtro EMC en este blog pero en los esquemáticos siempre está. ¿por qué iba a dejar de lado? pues porque no muchos lo hacen por más que esté en el esquemático de la fuente. ¿Han visto una fuente conmutada? y ¿vieron que muchas veces le faltan componentes (están puentiados)? Bueno generalmente son los componentes del filtro EMC que como es una medida de seguridad no está.
Pueden apreciar en la siguiente fuente, donde no le han puesto lo que deberían.
Por cierto estos filtros no son solo para fuentes conmutadas sino para cualquier fuente, ya que la red eléctrica es un mar de armónicos. No existe tal cosa como señal senoidal perfecta. Y mientras más cargas no lineales como las fuentes conmutadas que generan trenes de pulso o señales triangulares de corriente (de bastante amplitud) plagadas de armónicos, peor.
Una cuestión no menor a tener en cuenta, se observa el punto puesto a tierra en los filtros EMC, si es alto el contenido armónico y si hay una considerable cantidad de fuentes conmutadas en una red domiciliaria o industrial es posible que la corriente que deriven a la tierra de la red sea de un valor tal que produzcan que actúen los interruptores diferenciales.
Diagrama en bloque de fuente conmutada
Esa imagen anterior la encontré en la red, es solo para dar una idea del diagrama de bloque general de una fuente conmutada. En la siguiente imagen se pueden apreciar en una fuente comercial.
En violeta, el filtro EMC. Anaranjado, rectificación y filtrado para continua. Amarrillo, generador de tren de pulsos para el transistor de potencia (MOSFET). Verde, sistema de control que sensa la salida para comandar el generador del tren de pulsos, acoplado mediante los optoocopladores(parte inferior). El sensado en este ejemplo, toma la señal de control de un bobinado del transformador. Marrón, filtrado, rectificación y regulación para la señal de continua. La regulación, es un punto que no he hecho incapié anteriormente.
El siguiente circuito es una fuente de una notebook (90W)
Tenemos el filtro EMC, los diodos de rectificación y el filtro de rectificación. Un solo MOSFET de potencia (acá no se busca tanto un rendimiento, por eso un solo MOSFET pero el oscilador genera pulsos con pequeños ciclos de trabajo). El tren de pulsos es generado por el integrado NCP1651, la alimentación de dicho integrado (pin 13) es tomada del secundario (del diodo zener D13), donde ya se ha rectificado con D9 y filtrado con C21. ¿Cómo enciende el integrado si en un principio no hay tensión en el secundario, ya que nunca entró en conducción el transistor? Pues dicho integrado tiene un circuito de arranque (pin 16), que toma tensión del capacitor C16. Una vez encendido el integrado, habilita la alimentación por el pin13 y desactiva la del pin16. ¿por qué no se toma la tensión directamente de los 311[V] si ya está rectificado? La respuesta es simple y es que para reducir, implica diodos zeners y resistores o solamente resistores y donde hay resistores hay pérdida. De esta manera en el arranque es necesario, reducir y luego se trabaja con la tensión continua en el secundario. Muchos circuitos de electrónica de potencia trabajan con cebadores en el arranque.
Luego está en el segundo bobinado del secundario, la señal que se retificará con los diodos D5 y se filtrará con los capacitores C22 y C23. Dicha tensión de continua es la salida (19V dc).
Lo demás es el regulador, para mantener constante los 19Vdc y el sensado, donde el optoocoplador U4, aplica la tensión sensada en el pin 8 (FB/SD) del NCP1651, que actuará en el ancho del pulso según dicha tensión y la configuración en los demás pines.
Este es la hoja de datos del NCP1651 para que vean la configuración, como enciende, como controla el ancho de los pulsos según el sensado y las configuraciones en los pines 9 10 11 y 12
http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/NCP1651-D.PDF
Por cierto, en paralelo con el bobinado primario, tenemos una configuración con diodos zener, capacitores y resistores. Esto es debido a que cuando el transistor entre de conducción a corte, la fuerza contraelectromotriz de los bobinados primarios se descargue por esa rama. En caso contrario el transistor debería soportar más tensión en sus bornes. El diodo D6 impide que la corriente circule por esa rama y lo haga por el bobinado cuando el transistor entre en conducción.
Inversor (Inverter)
Se ha visto que a partir de una tensión continua es posible obtener una señal alterna mediante la conmutación. Pues bien, la señal continua puede venir de la rectificación de la señal de red o simplemente una tensión que resulta de un proceso electroquímico como una batería.
Cabe resaltar,como se vio anteriormente, la señal de corriente tiene una forma triangular, por lo tanto, el campo magnético tendrá una forma rectangular y la fem, en el secundario nuevamente triangular.
Si queremos tener una tensión de 220[V] ac con una frecuencia de 50 Hz, pues en cuanto a amplitud dependerá de los parámetros del transformador, número de vueltas, amplitud de la señal de corriente, etc, es decir todo lo que se vio anteriormente. Pero ¿en cuanto a frecuencia? Se sabe que toda señal periódica es representada por una sumatoria de señales senoidales:
Para una señal triangular sin valor medio:
Se observa en la siguiente imagen el primer armónico en una señal triangular
Por lo tanto para tener una señal senoidal de una triangular, hay que filtrar un armónico. Nada mejor que el primer armónico. El primer armónico tiene la misma frecuencia que la señal triangular y una amplitud aproximada al pico de esta.
De esta manera es necesario generar un tren de pulsos en la base del transistor con una frecuencia de 50 Hz, y en el secundario poner un filtro pasabajos con una frecuencia de corte de 75[Hz]- 80[Hz] (recordando que el siguiente armónico estará en 100[Hz] y si lo dejamos pasar tendremos la suma de los armónicos pasantes y por lo tanto una señal deformada.
La misma alternativa es filtrar antes del primario del transformador.
El inversor toma una tensión de 12 V continua. El integrado CD4047 genera 2 trenes de pulso en contrafase, que van a la base de los MOSFET (el funcionamiento es lo mismo que una fuente conmutada). En el secundario C3, C4 y el varistor hacen de filtro pasabajos (para el primer armónico). El RD240 es un varistor (resistencia variable con tensión). Para tensiones menores a 230 V tiene un valor resistivo de 500K (a mayor tensión baja el valor resistivo por lo que mantiene constante la tensión)
Estamos ante un filtro pasabajos.
Sin lugar a dudas ese inversor funciona ¿Cual es el problema? Que la carga que le conectemos modifica el filtro. Y más si no son cargas resistivas puras sino resistivas-inductivas. Por lo tanto es necesario un sistema de control que sense la tensión, la fase y la frecuencia de la señal de secundario y actué sobre los pulsos.
El siguiente circuito es un inversor, donde se sensa la señal senoidal de salida mediante el divisor resistivo de alta impedancia y un optoacoplador. Se toma la señal en el pin RA0 (entrada del conversor analógico digital) del microcontrolador. En función de lo obtenido se trabaja sobre las señales de los pulsos. Al incluir un microcontrolador, el control se realiza por software. Pudiendo no solo modificar el ancho de los pulsos sino que también su frecuencia y fase (en caso de trabajar con inversores acoplados a redes trifásicas). Por cierto en cuando a la configuración circuital del microcontrolador solo consideré los pines de control hacia el inversor y no tuve en cuente pines como el MCLR, etc. A su vez es necesario otro optoacoplador para sensar la parte "negativa de la señal" y de esa manera tener una mejor "visión" de la señal en el secundario.
Consideraciones
Es necesario un conocimiento de materiales, tanto del núcleo de ferrita así como también de los semiconductores como lo son los transistores MOSFET.
El avance en semiconductores permite la optimización de los equipos de conmutación. Considerando que la inclusión de los MOSFET a los equipos de electrónica de potencia en gran escala comenzó a medidos de la década del 90, anteriormente se utilizaban para circuitos digitales exclusivamente. Hoy en día están en vilo tecnologías como los IGBT para las conmutaciones. Sin lugar a dudas toda tecnología tienes sus pro y contra y si bien los IGBT son mejores en cuanto al manejo de potencia que los MOSFETs, estos últimos tienen frecuencias de operación superiores.
Tener en cuenta que cuando el transistor pasa de saturación a corte, la tensión entre drenador - surtido (o emisor colector en el caso de IGBT o BJT) llega a ser el doble del valor de la tensión de continua debido a la fuerza contraelectromotriz.
Por recomendación se debe considerar que las frecuencias de funcionamiento de las fuentes no superen los 150 KHz, para evitar la radiación en los conductores e interferir con sistemas de comunicaciones.
Los armónicos de corriente que presenta una señal triangular (triangular en el mejor de los casos) implica que las fuentes conmutadas de alta potencia tengan una etapa de corrección del factor de potencia. Que se basa en el sensado de la señal de corriente y generar una señal de la misma forma y amplitud pero en contrafase, de manera de anular los armónicos. Efectivamente dicha corrección aumenta la energía consumida por el equipo pero es más perjudicial armónicos en la red que un mayor consumo.
En el siguiente blog hablaré como afectan estas cargas no lineales a los sistemas de distribución eléctrica. Tengo que admitir es que un área en investigación y un campo amplio a futuro, lo que se sabe actualmente es muy poco; siendo que la inclusión de cargas no lineales al sistema en gran escala es un fenómenos relativamente nuevo con menos de 15 años.
Es un campo que tendrá gran inserción profesional de ingenieros y físicos y es un campo de investigación. Alemania actualmente es la que lleva la punta en el desarrollo energético y de investiguación. Tengo que admitir a su vez que lo que conozco es relativamente poco pero la mayoría de los profesionales eléctricos, electrónicos, en sistemas de comunicaciones y físicos están en la misma situación.
Con solo decir que se han observado solitones en las redes de distribución es apasionante y lo que se conoce actualmente en cuanto a como se comportan los mismos y como afectan a las cargas en la red y a los transformadores en las mismas es poco. Lo sabremos en las siguientes décadas, debido a que el rendimiento energético mundial debe tenerse mucho en consideración y la inclusión de cargas inteligentes como fuentes conmutadas con mayor control crecerá enormemente. A su vez, la utilización de energía solar y el uso de baterías como elemento de almacenamiento, incluirá la utilización de inversores cada vez más.
