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 IoVoViPd ×−= )( 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

El valor medio de la tensión sobre RL será ∫=T

dttvT

Vmed0

)(1

cuyo resultado para la

cuadrada será T

TonEVmed ×= . 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.

T

TonVinVo ×=

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.

iiniL

TinVoutVinil +×−= )(

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:

2min)(2

1iipkLE −=

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.

ToffL

Voutipkoffil −=)(

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.

TonT

TVinVo

−×=

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.

L

TonVintonil

×=)(

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:

L

ToffVinVoutipktoffil

×−−= )()(

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:

1

2

N

N

TonT

TonVinVo ×

−×=

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.