Las fuentes switching o fuentes conmutadas son dispositivos que nos permiten transformar energía eléctrica mediante el uso de transistores de conmutación. Para la regulación de tensión utilizan transistores polarizados en su región activa de amplificación, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutándolos activamente a altas frecuencias (20-100 Kilociclos típicamente) entre corte (abiertos) y saturación (Cerrados). La forma de onda cuadrada resultante es aplicada a transformadores con núcleo de ferrita (Los núcleos de hierro no son adecuados para estas altas frecuencias) para obtener uno o varios voltajes de salida de corriente alterna (CA) que luego son rectificados (Con diodos rápidos) y filtrados (Inductores y condensadores)para obtener los voltajes de salida de corriente continua (CC).
2 - Pico de arranque:
Al arrancar una fuente conmutada, la impedancia presentada a la red es muy baja al encontrarse los condensadores descargados, sin una resistencia en serie adicional la corriente inicial sería excesivamente alta. Para ello la implementación de resistencias NTC (coeficiente negativo de temperatura), que limitan esta corriente a un valor aceptable. Las fuentes de media y gran potencia disponen de circuitos activos con resistencia limitadora que se cortocircuita por medio de relés o de conmutadores estáticos cuando ya están los condensadores cargados. En el caso de las fuentes de AMV se utiliza un transistor MOS-FET de potencia.
3 - Protección contra transitorios:
Aclaración: ciclo de trabajo es la relación entre el estado de encendido y el estado de apagado de una onda cuadrada.
Buck:
Boost: 
Iw = 2 Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 5.5 Pout / Vin (FLYBACK)
Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 2.25 Pout / Vin (FORWARD)
En el regulador flyback se puede variar sutilmente el modo de trabajo, contínuo o discontinuo.
b) Modo Contínuo: antes que la bobina se vacié enciende nuevamente el transistor. La ventaja de este modo radica en que el transistor sólo necesita conmutar la mitad de un gran pico de corriente para entregar la misma potencia a la carga.
Push-Pull:
Ruido electrónico: en los terminales de salida de fuentes de alimentación lineales baratas con pobre regulación se puede experimentar un voltaje de CA Pequeño “montado” sobre la CC. de dos veces la frecuencia de alimentación (100/120 Ciclos). Esta “ondulación” (Ripple en Inglés) está generalmente en el orden de varios milivoltios, y puede ser suprimido con condensadores de filtro más grandes o mejores reguladores de voltaje. Este voltaje de CA Pequeño puede causar problemas o interferencias en algunos circuitos; por ejemplo, cámaras fotográficas análogas de seguridad alimentadas con este tipo de fuentes pueden tener la modulación indeseada del brillo y distorsiones en el sonido que produce zumbido audible. Las fuentes de alimentación lineales de calidad suprimirán la ondulación mucho mejor. En cambio las Fuentes conmutadas no exhiben generalmente la ondulación en la frecuencia de la alimentación, sino salidas generalmente más ruidosas a altas frecuencias. El ruido está generalmente relacionado con la frecuencia de la conmutación.
Ruido acústico: Las fuentes de alimentación lineales emiten típicamente un zumbido débil, en la baja frecuencia de alimentación, pero ésta es raramente audible (la vibración de las bobinas y las chapas del núcleo del transformador suelen ser las causas). Las Fuentes conmutadas con su funcionamiento mucho más alto en frecuencia, no son generalmente audibles por los seres humanos (a menos que tengan un ventilador, como en la mayoría de las computadoras personales). El funcionamiento incorrecto de las fuentes conmutadas puede generar sonidos agudos, ya que genera ruido acústico en frecuencia subarmónico del oscilador.
Factor de Potencia: las Fuentes lineales tienen bajo factor de potencia porque la energía es obtenida en los picos de voltaje de la línea de alimentación. La corriente en las fuentes conmutadas simples no sigue la forma de onda del voltaje, sino que en forma similar a las fuentes lineales la energía es obtenida solo de la parte más alta de la onda sinusoidal, por lo que su uso cada vez más frecuente en computadoras personales y lámparas fluorescentes se constituyó en un problema creciente para la distribución de energía. Existen fuentes conmutadas con una etapa previa de corrección del factor de potencia que reduce grandemente este problema y son de uso obligatorio en algunos países particularmente europeos a partir de determinadas potencias.
Ruido eléctrico: sobre la línea de la alimentación principal puede aparecer ruido electrónico de conmutación que puede causar interferencia con equipos de A/V conectados en la misma fase. Las fuentes de alimentación lineales raramente presentan este efecto. Las fuentes conmutadas bien diseñadas poseen filtros a la entrada que minimizan la interferencia causada en la línea de alimentación principal.
Nota:
Este informe sobre fuentes Switching es una recopilación de información de diferentes sitios webs. Cada sitio de donde se tomo la información ha sido mencionado al final de la publicación.
Toda la información se ha leído previamente, para poder realizar un informe de lo más completo posible.
Fuentes:http://es.wikipedia.org/wiki/Fuente_conmutada
http://html.rincondelvago.com/fuentes-conmutadas.html
http://www.dbup.com.ar/fuentes_conmutadas.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Convertidor_Boost
http://es.wikipedia.org/wiki/Convertidor_Buck
http://es.wikipedia.org/wiki/Convertidor_Buck-Boost
Otros sitios recomendables para más información sobre este tema:
http://www.jaqtek.com.ar/docs/an_acsps.pdf%20
http://es.scribd.com/doc/48289635/Convetidores-DC-DC
Diferentes etapas de una fuente switching.
- Rectificado y filtro de entrada.
- Pico de arranque.
- Protección contra transistores.
Las fuentes conmutadas son convertidores DC-DC, por lo que la red debe ser previamente rectificada y filtrada con una amplitud de rizado aceptable. La mayoría de las fuentes operaran desde los 90 a 132 VAC o de los 180 a 260 VAC, según sea la posición del conmutador.
En la posición de abierto se configura como rectificador de onda completa obteniéndose aproximadamente 310 VDC desde la red de 220 VAC. En la posición de cerrado el circuito funciona como rectificador doblador de tensión, obteniéndose también 310 VDC a partir de 110 VAC.
Para evitar sobrecalentamientos los condensadores electrolíticos de filtro deben ser de baja resistencia interna y de la tensión adecuada. Es conveniente conectarlos en paralelo con estos, otros condensadores tipo MKP para mejor desacoplo de alta frecuencia de conmutación. Los rectificadores deben soportar una tensión inversa de 600v.
2 - Pico de arranque:
Al arrancar una fuente conmutada, la impedancia presentada a la red es muy baja al encontrarse los condensadores descargados, sin una resistencia en serie adicional la corriente inicial sería excesivamente alta. Para ello la implementación de resistencias NTC (coeficiente negativo de temperatura), que limitan esta corriente a un valor aceptable. Las fuentes de media y gran potencia disponen de circuitos activos con resistencia limitadora que se cortocircuita por medio de relés o de conmutadores estáticos cuando ya están los condensadores cargados. En el caso de las fuentes de AMV se utiliza un transistor MOS-FET de potencia.
3 - Protección contra transitorios:
Además del filtrado de ruidos reinyectados a la red que incorporan las fuentes conmutadas, es aconsejable la utilización de un varistor conectado a la entrada para proteger contra picos de tensión generados por la conmutación en circuitos inductivos de las proximidades o por tormentas eléctricas.
Configuraciones Básicas.
Imagen 1.
En el primer bloque rectificamos y filtramos la tensión alterna de entrada convirtiéndola en una tensión continua pulsante. El segundo bloque se encarga de convertir esa continua en una onda cuadrada de alta frecuencia (10 a 200 kHz.), La cual es aplicada a una bobina o al primario de un transformador. Luego el segundo bloque rectifica y filtra la salida de alta frecuencia del bloque anterior, entregando así una continua pura.
El cuarto bloque se encarga de comandar la oscilación del segundo bloque. Este bloque consiste de un oscilador de frecuencia fija, una tensión de referencia, un comparador de tensión y un modulador de ancho de pulso (PWM). El modulador recibe el pulso del oscilador y modifica su ciclo de trabajo según la señal del comparador, el cual coteja la tensión continua de salida del tercer bloque con la tensión de referencia.
Aclaración: ciclo de trabajo es la relación entre el estado de encendido y el estado de apagado de una onda cuadrada.
En la mayoría de los circuitos de fuentes conmutadas encontraremos el primer y el cuarto bloque como elementos invariables, en cambio el cuarto y el segundo tendrán diferentes tipos de configuraciones. A veces el cuarto bloque será hecho con integrados y otras veces nos encontraremos con circuitos totalmente transistorizados.
El segundo bloque es realmente el alma de la fuente y tendrá configuraciones básicas: BUCK , BOOST, BUCK-BOOST.
Imagen 2.
El convertidor Buck (o reductor) es un convertidor de potencia que obtiene a su salida un voltaje continuo menor que a su entrada. El diseño es similar a un convertidor elevador o Boost, también es una fuente conmutada con dos dispositivos semiconductores (transistor y diodo), un inductor y opcionalmente un condensador a la salida.
El circuito interrumpe la alimentación y provee una onda cuadrada de ancho de pulso variable a un simple filtro LC. La tensión aproximada es Vo = Vi * CICLO DE TRABAJO, la regulación se ejecuta mediante la simple variación del ciclo de trabajo. En la mayoría de los casos esta regulación es suficiente y sólo se deberá ajustar levemente la relación de vueltas en el transformador para compensar las pérdidas por acción resistiva, la caída en los diodos y la tensión de saturación de los transistores de conmutación.
Imagen 3.
Boost:
El convertidor Boost (o elevador) es un convertidor de potencia que obtiene a su salida una tensión continua mayor que a su entrada. Es un tipo de fuente de alimentación conmutada que contiene al menos dos interruptores semiconductores y al menos un elemento para almacenar energía. Frecuentemente se añaden filtros construidos con inductores y condensadores para mejorar el rendimiento.
Imagen 4.
Buck-Boost:
El convertidor buck–boost es un tipo de convertidor DC-DC que tiene una magnitud de voltaje de salida que puede ser mayor o menor que la magnitud del voltaje de entrada. Esta es switch mode power supply o fuente de alimentación conmutada con una forma parecida a la del convertidor boost y el convertidor buck. El voltaje de salida es ajustable variando el ciclo de trabajo del transistor de conmutación. Un posible inconveniente de este convertidor es que el interruptor no tiene un terminal conectado a tierra; esto complica el circuito. Además, la polaridad del voltaje de salida es opuesta al voltaje de entrada. Ninguno de los anteriores inconvenientes tiene consecuencias si la fuente de suministro está aislada del circuito de carga. (si, por ejemplo, la fuente es una batería) ya que la polaridad de la fuente y el diodo pueden simplemente cambiarse. El interruptor puede colocarse tanto en el lado de la tierra como en el lado de la fuente.
El principio básico de funcionamiento del convertidor buck–boost es muy sencillo (ver Imagen 5).
Durante el estado ON, la fuente de entrada de voltaje está directamente conectada al inductor (L). Por lo que se almacena la energía en L. En este paso, el condensador proporciona corriente a la carga de salida; durante el estado OFF, el inductor está conectado a la carga de salida y el condensador, por lo que la energía es transferida de L a C y R.
Comparado a los convertidores buck y boost , las características del convertidor buck–boost son principalmente:
- La polaridad del voltaje de salida es inverso al de entrada.
- El voltaje de salida puede variar linealmente desde 0 a (para un convertidor ideal).
- Los rangos de voltaje de salida para un convertidor buck y boost son respectivamente 0 a Vi y Vi hasta infinito.
Imagen 5.
Existen a su vez diferentes configuraciones de fuentes las cuales detallamos a continuación:
Flyback y Forward:
- Rango desde 50 hasta 250 vatios.
- Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%
- Eficiencia del convertidor: h = 80%
- Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.4
- Máx. corriente de trabajo en el transistor:
Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 2.25 Pout / Vin (FORWARD)
- Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = 2 Vin(max) 1.41 + tensión de protección.
Imagen 6.
a) Modo Discontínuo: es el modo Boost estrictamente, donde la energía se vacía completamente del inductor antes de que el transistor vuelva a encenderse.
b) Modo Contínuo: antes que la bobina se vacié enciende nuevamente el transistor. La ventaja de este modo radica en que el transistor sólo necesita conmutar la mitad de un gran pico de corriente para entregar la misma potencia a la carga.
Imagen 7.
El regulador Forward difiere del Flyback en que agrega un diodo más para ser usado como diodo de libre rodado en el filtro LC y un devanado más en el transformador para lograr el reestablecimiento. Gracias a todo esto puede entregar potencia a la carga mientras el transistor está encendido. El ciclo de trabajo no puede superar el 50%.
Imagen 8.
- Rango desde 100 hasta 500 vatios.
- Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%
- Eficiencia del convertidor: h = 80%
- Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8
- Máx. corriente de trabajo en el transistor:
- Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = 2 Vin(max) 1.41 + tensión de protección
Imagen 9.
Esta topología se desarrolló para aprovechar mejor los núcleos magnéticos. En esencia consisten en dos convertidores Forward controlados por dos entradas en contrafase. Los diodos en el secundario, actúan como dos diodos de recuperación. Idealmente los períodos de conducción de los transistores deben ser iguales, el transformador se excita simétricamente y al contrario de la topología Forward no es preciso prever entrehierro en el circuito magnético, ya que no existe asimetría en el flujo magnético y por tanto componente continua. Ello se traduce en una reducción del volumen del núcleo del orden del 50% para una misma potencia.
Una precaución que debe tenerse en cuanta en este tipo de circuitos es que las características de conmutación de los transistores deben ser muy similares, y los devanados tanto en primario como en secundario han de ser perfectamente simétricos, incluso en su disposición física en el núcleo.
También se ha de tener en cuenta, que los transistores conmutadores soportan en estado «OFF» una tensión doble de la tensión de entrada.
Half-Bridge:
- Rango desde 100 hasta 500 vatios.
- Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%
- Eficiencia del convertidor: h = 80%
- Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8
- Máx. corriente de trabajo en el transistor:
- Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = Vin(max) 1.41 + tensión de protección
Imagen 10.
Full-Bridge:
- Rango desde 500 hasta 1000 vatios.
- Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%
- Eficiencia del convertidor: h = 80%
- Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8
- Máx. corriente de trabajo en el transistor:
- Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = Vin(max) 1.41 + tensión de protección
Configuración básica:
Imagen 11.
Cuadro comparativo de los diferentes modelos de fuentes switching.
Imagen 12. Hacer click en la imagen para agrandarlo.
Diferencias entre una fuente switching y una lineal.
Tamaño y peso: las fuentes de alimentación lineales utilizan un transformador funcionando a la frecuencia de 50 o 60 hertzios. Este transformador de baja frecuencia es varias veces más grande y más pesado que un transformador correspondiente de fuente conmutada, el cual funciona en frecuencias típicas de 50 kilociclos a 1 megaciclo. La tendencia de diseño es de utilizar frecuencias cada vez más altas mientras los transistores lo permitan para disminuir el tamaño de los componentes pasivos (condensadores, inductores, transformadores).
Voltaje de la salida: las fuentes de alimentación lineales regulan la salida usando un voltaje más alto en las etapas previas y luego disipando energía como calor para producir un voltaje más bajo, regulado. Esta caída de voltaje es necesaria y no puede ser eliminada mejorando el diseño. Las fuentes conmutadas pueden producir voltajes de salida que son más bajos que el voltaje de entrada, más altos que el voltaje e incluso inversos al voltaje de entrada, haciéndolos versátiles y mejor adaptables a voltajes de entrada variables.
Eficiencia, calor, y energía disipada: Una fuente lineal regula el voltaje o la corriente de la salida disipando el exceso de energía como calor, lo cual es ineficaz. Una fuente conmutada usa la señal de control para variar el ancho de pulso, tomando de la alimentación solamente la energía requerida por la carga. En todas las topologías de fuentes conmutadas, se apagan y se encienden los transistores completamente. Así, idealmente, las fuentes conmutadas son 100% eficientes. El único calor generado se da por las características no ideales de los componentes. Pérdidas en la conmutación en los transistores, resistencia directa de los transistores saturados, resistencia serie equivalente en el inductor y los condensadores, y la caída de voltaje por el rectificador bajan la eficiencia. Sin embargo, optimizando el diseño, la cantidad de energía disipada y calor pueden ser reducidos al mínimo. Un buen diseño puede tener una eficiencia de conversión de 95%. Típicamente 75-85% en fuentes de entre 10-50W. Las fuentes conmutadas más eficientes utilizan rectificación síncrona (transistores Mosfet saturados durante el semiciclo adecuado reemplazando diodos).
Complejidad: un regulador lineal consiste en última instancia un transistor de potencia, un CI de regulación de voltaje y un condensador de filtro de ruido. En cambio una fuente conmutada contiene típicamente un CI regulador, uno o varios transistores y diodos de potencia como así también un transformador, inductores, y condensadores de filtro. Múltiples voltajes se pueden generar a partir del mismo núcleo de transformador. Para ello se utiliza el control por ancho de pulso de entrada aunque las diferentes salidas pueden tener dificultades para la regulación de carga. Ambos necesitan una selección cuidadosa de sus transformadores. En las fuentes conmutadas debido al funcionamiento a altas frecuencias las pérdidas en las pistas del circuito impreso por inductancia de perdida y las capacidades parásitas llegan a ser importantes.
Interferencia por radiofrecuencia: La corriente en las fuentes conmutadas tiene cambios abruptos, y contiene una proporción grande de componentes espectrales de alta frecuencia. Cables o pistas largas entre los componentes pueden reducir la eficacia de alta frecuencia de los filtros a condensadores en la entrada y salida. Esta corriente de alta frecuencia puede generar interferencia electromagnética indeseable. Filtros EMI y blindajes de RF son necesarios para reducir la interferencia. Las fuentes de alimentación lineales no producen generalmente interferencia, y se utilizan para proveer de energía donde la interferencia de radio no debe ocurrir.
Ruido electrónico: en los terminales de salida de fuentes de alimentación lineales baratas con pobre regulación se puede experimentar un voltaje de CA Pequeño “montado” sobre la CC. de dos veces la frecuencia de alimentación (100/120 Ciclos). Esta “ondulación” (Ripple en Inglés) está generalmente en el orden de varios milivoltios, y puede ser suprimido con condensadores de filtro más grandes o mejores reguladores de voltaje. Este voltaje de CA Pequeño puede causar problemas o interferencias en algunos circuitos; por ejemplo, cámaras fotográficas análogas de seguridad alimentadas con este tipo de fuentes pueden tener la modulación indeseada del brillo y distorsiones en el sonido que produce zumbido audible. Las fuentes de alimentación lineales de calidad suprimirán la ondulación mucho mejor. En cambio las Fuentes conmutadas no exhiben generalmente la ondulación en la frecuencia de la alimentación, sino salidas generalmente más ruidosas a altas frecuencias. El ruido está generalmente relacionado con la frecuencia de la conmutación.
Ruido acústico: Las fuentes de alimentación lineales emiten típicamente un zumbido débil, en la baja frecuencia de alimentación, pero ésta es raramente audible (la vibración de las bobinas y las chapas del núcleo del transformador suelen ser las causas). Las Fuentes conmutadas con su funcionamiento mucho más alto en frecuencia, no son generalmente audibles por los seres humanos (a menos que tengan un ventilador, como en la mayoría de las computadoras personales). El funcionamiento incorrecto de las fuentes conmutadas puede generar sonidos agudos, ya que genera ruido acústico en frecuencia subarmónico del oscilador.
Factor de Potencia: las Fuentes lineales tienen bajo factor de potencia porque la energía es obtenida en los picos de voltaje de la línea de alimentación. La corriente en las fuentes conmutadas simples no sigue la forma de onda del voltaje, sino que en forma similar a las fuentes lineales la energía es obtenida solo de la parte más alta de la onda sinusoidal, por lo que su uso cada vez más frecuente en computadoras personales y lámparas fluorescentes se constituyó en un problema creciente para la distribución de energía. Existen fuentes conmutadas con una etapa previa de corrección del factor de potencia que reduce grandemente este problema y son de uso obligatorio en algunos países particularmente europeos a partir de determinadas potencias.
Ruido eléctrico: sobre la línea de la alimentación principal puede aparecer ruido electrónico de conmutación que puede causar interferencia con equipos de A/V conectados en la misma fase. Las fuentes de alimentación lineales raramente presentan este efecto. Las fuentes conmutadas bien diseñadas poseen filtros a la entrada que minimizan la interferencia causada en la línea de alimentación principal.
Este informe sobre fuentes Switching es una recopilación de información de diferentes sitios webs. Cada sitio de donde se tomo la información ha sido mencionado al final de la publicación.
Toda la información se ha leído previamente, para poder realizar un informe de lo más completo posible.
Fuentes:
http://html.rincondelvago.com/fuentes-conmutadas.html
http://www.dbup.com.ar/fuentes_conmutadas.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Convertidor_Boost
http://es.wikipedia.org/wiki/Convertidor_Buck
http://es.wikipedia.org/wiki/Convertidor_Buck-Boost
Otros sitios recomendables para más información sobre este tema:
http://www.jaqtek.com.ar/docs/an_acsps.pdf%20
http://es.scribd.com/doc/48289635/Convetidores-DC-DC