SASE 2010SASE 2010
CONVERTIDORES DE CORRIENTE CONTINUA CORRIENTE CONTINUA Y TÉCNICAS DE BAJO Y TÉCNICAS DE BAJO
CONSUMO
H á E THernán E. Tacca
UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRESÍFACULTAD DE INGENIERÍA
1
TEMARIO
1. Estructuras de conversión y modos de operacióny p
2. Circuitos habituales
3. Almacenamiento de energía
4 Técnicas de bajo consumo y retención de la información4. Técnicas de bajo consumo, y retención de la información
5. Relevadores y ahorro de energía
2
REGULADOR ANALÓGICO SERIE
IO RS
VOV VOVE
3
REGULADOR CONMUTADO
iO
S
vO VE
0 1
E
2 2
V
vO
1 2
0
2 2
VE
√
t D T (1-D) T
4 T
filtrado resistivo
iO = IOS
PLS
R iO IO
iC
RSS
vO VE RO
iS
CF
1 11
1 00
5
BOMBAS DE CARGA + VCC
D
V+ inversora
VE - VCC
(1- D)
inversora
masa
+ 2 VE2 VE
D +
VE
masa
(1- D)
bootstrap
6
masa
limitación de corriente no disipativa
VO V
S
RvL
iL L
primera opción
VE RO CF
sobretensión destructiva en la llave !!!
segunda opción
S iL
DL
¿puede funcionar?VO VE RO
vL
iL
CF
+
CF
S iLL
tercera opciónVO VE RO
vL
L
CF
DL
7
CF
TROCEADOR SERIE
VO
S
vL
iL L
VOVE RO
L
CF
DL
tensión media nula sobre el inductor
(VE - VO)
vL
tensión media nula sobre el inductor
1
( E O)
t
D T (1 - D) T
- VO
8T
D T (1 D) T
APLICACIÓN DE REGLAS DE TRANSFORMACIÓN DE CARGA A UN TROCEADOR SERIE
VEVO
VE VO
VEIO PODRÍA SER UN MOTOR DE
CORRIENTE CONTINUA
9
LFTr
BUCKCFDL VoVi
LBDB
Tr CF VoVi
BOOST
Tr
LB
CF
DBVo
Vi BUCK - BOOST
TOPOLOGÍAS BÁSICAS SIN AISLACIÓNTOPOLOGÍAS BÁSICAS SIN AISLACIÓN
iOiS D + Vp
nP nS CF Vo
iP RL
Vo
iB
TTr
VERSIONES CON AISLACIÓN: CONVERTIDOR FLYBACK
V
DFB2
nS2
IO2RS2VO2
VP
I
S2
VO1
DFB1
nS1
nP
IO1RS1
iP(t)
RP
DOBLE CONVERTIDOR FLYBACK
Troceador elevador con rectificación sincrónica
VCC(a la carga)
C
Bat
TROCEADOR SERIE MULTIPLEXADOVCC
VCC VO
VCC
14
V
VCE
iC
VOVE VR
iCCONMUTACIONES
inductivaresistiva
VCE
suave
15
PÉRDIDAS DE CONMUTACIÓN
iCi
vCE iCi
vCEresistiva inductiva
vCE
iCvCE
iC
t ttrv tfi
trvtfi
tq
t tC offtC off C off
( ) swoffConCCCEC fttIVp += max61 ( ) swoffConCCCEC fttIVp += max2
1( ) swoffConCCCEC fp max6( ) swoffConCCCEC fp max2
16
CONVERTIDORES CUASI RESONANTESInterruptor ZCS monocomandado unidireccional en corriente, (a) secuencia
de fases de operación, (b) diagrama de tiempos de las variables de estado, (c) tipo de interruptor clásico utilizado.
Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4
C
L
is
VC
L
vs
is
VC
L
vs
is
VC
L
vs
is
VvC
vs
L
IO
Vi
IO
ViL
IO
ViL
IO
Vi
(a)
Vdt
diLV L
i =0
2
2=+
dtvd
LCv CC
Idt
dvCI
O
CO =
iC
L
Vvi
== 0
( )
tL
Vi iL =
dtt
CI
v OC =
17
iL
CL
vs
is
VvCI
L
L
IO
Vi
t
IO
0
is
Vi
vC
vs
disparot
- Vi
TIRISTOR
1 2 3 4
disparo bloqueo
(b) (c)
Interruptor ZCS monocomandado unidireccional en corriente, (b) diagrama de
(b) (c)
p , ( ) gtiempos de las variables de estado, (c) tipo de interruptor clásico utilizado.
18
C
L
LViC IOVi
IO
(a) (b)
Variantes topológicas, (a) estructura tipo M , (b) estructura tipo L.p g ( ) p ( ) p
19
FLYBACK ZCS MULTIPULSO
VO
Circuito básico con LZCS CzcsVi
interruptor ZCS de tipo M
lf S
Ci i b d i
Czcs P VO
Vi
LM
Circuito basado en un interruptor ZCS de tipo L, aprovechando los elementos parásitos
lf P i
CP
20
elementos parásitos
FLYBACK ZVS MULTIPULSOST L6565 - NOTA DE APLICACIÓN AN 1326ST L6565 - NOTA DE APLICACIÓN AN 1326
21
AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO CON MICROTRANSFORMADORESMICROTRANSFORMADORES
22
CIRCUITOS CON MICROTRANSFORMADORES INTEGRADOS
23
COMPONENTES PARA COMPONENTES PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
• PILAS PRIMARIAS
• PILAS SECUNDARIAS (baterías) densidad( )
• SUPERCAPACITORESdensidad de energía
• CAPACITORES ELECTROLÍTICOS
24
COMPARACIÓN DE COSTOS ENTRE DIFERENTES Í ÍTECNOLOGÍAS DE BATERÍAS
PlTIPO Plomo –ácido Ni-MH Litio - Ion
VIDA MEDIA(años) 2,5 – 4 5 - 7 5 -10
COSTO(U S $/ kWh) 100 – 150 300 - 500 >> 1000(U.S. $/ kWh) 100 150 300 500 >> 1000
COSTO ANUALCOSTO ANUAL(costo / vida
media)25 – 60 43 - 100 100 - >> 200
Type Zinc Air Battery
Coin type Manganese
Dioxide Lithium Battery
Wound type Manganese
Dioxide Lithium Battery
Thionyl Chloride
Lithium Batteryy yDesignation PR CR CR ER
Nominal Voltage 1.4V 3V 3V 3.6V
Positive Electrode Air Manganese Dioxide Manganese Dioxide Thionyl Chloride
Electrolyte Solution Potassium Hydroxide Organic Electrolyte Organic Electrolyte Non aqueous Inorganic
N ti El t d Zi Lithi Lithi LithiNegative Electrode Zinc Lithium Lithium Lithium
Discharge Characteristics
V l t i 1150Wh/l 750Wh/l 670Wh/l 900Wh/lEnergy Density
Volumetric 1150Wh/l 750Wh/l 670Wh/l 900Wh/l
Gravimetric 390Wh/kg 260Wh/kg 330Wh/kg 500Wh/kg
Temp. Range -10 to 60 deg.C -20 to 85 deg.C -40 to 60 deg.C -55 to 85 deg.C
•For Heavy and Continuous Use• Stable
•High 3V Voltage • Stable
•For Heavy Duty Use • Wide Usable
•High 3.6V Voltage • Flat
Strong Points
• Stable Discharge Curve • Excellent Anti-leakage • High Energy Density
• Stable Discharge Curve • High Energy Density • Wide Usable Temperature
• Wide Usable Temperature • Stable Discharge Curve • Low Self-discharge
• Flat Discharge Performance • High Energy Density • Wide Usable TemperatureDensity Temperature.
• Superior Long-term Reliability
discharge• Excellent Anti-leakage
Temperature.• Superior Long-term Reliability
•Hearing Aids • Pagers
•Memory Backup
•Cameras • Automatic
•Automatic Meter Reading
Applications
• Wrist Watches • PDAs • Electric Games • Cameras
Meter Reading• Measuring Instruments
• Memory Backup • Security/Alarm System • RF-ID Tag
26
• Thermometers
• Digital Set Top Boxes • Measuring Instruments
Type Sealed Lead Acid Battery
Nickel-Cadmium Battery
Nickel-Metal Hydride BatteryBattery Battery Hydride Battery
Designation — — —
Nominal Voltage 2V 1.2V 1.2V
Positive Electrode Lead Dioxide Nickel Hydroxide Nickel Hydroxide
Electrolyte Solution Dilute Sulfuric acid Potassium Hydroxide Potassium Hydroxide Hydrogen AbsorbingNegative Electrode Lead Cadmium Hydrogen Absorbing
Alloy
Discharge Characteristics
Energy Density
Volumetric 100Wh/l 100Wh/l 260Wh/l
Gravimetric 30Wh/kg 30Wh/kg 80Wh/kg
Temp. Range -20 to 60 deg.C -20 to 60 deg.C -20 to 60 deg.C
•For Heavy Duty Use
•For Heavy Duty Use
•For Heavy Duty Use
Strong Points
Use• Superior Long-term Reliability • Economical • Easy to recycle
Use• High Mechanical Strength • High Efficiency Charge • Charge cycle:
Use• No Heavy metal Use • High Capacity • Charge cycle: 500 times
500 times• Easy to recycle
•Radiotelegraphic Apparatus • Portable AV Equipment
•Portable OA Equipment • Portable AV Equipment
•Portable OA Equipment • Portable AV Equipment
Applications
Equipment• Vacuum Cleaners• Power Tools • Medical Instruments • Electric
Equipment• Walkie-talkies • Power Tools • Medical Instruments • Electric Bicycles
Equipment• Walkie-talkies • Power Tools • Medical Instruments • Electric
27
Motorcars Motorcars
Type
Manganese Dioxide Lithium Rechargeable
Titanium Carbon Lithium
Rechargeable Lithium ion
Battery Battery Battery
Designation ML TC —
Nominal Voltage 3V 1.5V 3.7V
Positive Electrode Manganese Dioxide Lithium Titanium Oxide Lithium Cobalt Oxide
Electrolyte Solution Organic Electrolyte Organic Electrolyte Organic ElectrolyteElectrolyte Solution Organic Electrolyte Organic Electrolyte Organic Electrolyte
Negative Electrode Lithium-Aluminum Carbon Carbon
Discharge Characteristics
Energy Density
Volumetric 160Wh/l 50Wh/l 370Wh/l
Gravimetric 54Wh/kg 18Wh/kg 170Wh/kg
Temp. Range -20 to 60 deg.C -20 to 60 deg.C -20 to 60 deg.C
Strong Points
•For Back-up Use• Stable Discharge Curve • Excellent Anti-leakage
L Lif
•Excellent Cycle Performance • Wide Chargeable Voltage • Excellent E d f
•For Heavy Duty Use • High 3.7V Voltage • No Memory Eff t• Long Life Endurance for
Overcharge Effect• Low Self-discharge
•Mobile Phones • Memory Backup f N t PC
•Wrist Watches • PDAs
RTC B k
•Portable OA Equipment
P t bl AV
Applications
for Note PCs• AV, OA Equipment • Wrist Watches
• RTC Backup• Mobile Phones
• Portable AV Equipment • Radiotelegraphic Apparatus • Cameras
28
• Cameras• Electric Motorcars
DESCARGA DE BATERÍAS DE PLOMO ÁCIDODESCARGA DE BATERÍAS DE PLOMO-ÁCIDO
DESCARGA DE BATERÍAS DE NIQUEL CADMIODESCARGA DE BATERÍAS DE NIQUEL-CADMIO
Ragone Plots and Specific Energy If Specific Energy in either Wh kg-1 or Wh m-3 is plotted against Specific Power in either W kg-1 or Wh m-3 using logarithmic scales comparisons can be made over a much wider rangekg or Wh m , using logarithmic scales, comparisons can be made over a much wider range.
31Ragone plot illustrating the energy-power characteristics of various electrochemical power sources.
CARGA A TENSIÓN CONSTANTECARGA A TENSIÓN CONSTANTE
CARGA A INTENSIDAD CONSTANTE
CARGA A INTENSIDAD Y TENSIÓN CONSTANTECARGA A INTENSIDAD Y TENSIÓN CONSTANTE
Supercapacitor y convertidor integrado
35
36
BLINDAJES
CONEXIÓN DE LA PANTALLA ELECTROESTÁTICA
DISPOSICIÓN DE LADISPOSICIÓN DE LA PANTALLA ELECTROMAGNÉTICA
AHORRO DE ENERGÍA• Desconexión de subsistemas (modo “sleep”)
(considerar la acción del “watch-dog”)
R d ió d l ió d li ió• Reducción de la tensión de alimentacióna los valores mínimos suficientes para retener la información
R d ió d l f i d l l k• Reducción de la frecuencia del clock- conmutar de oscilador a cristal a oscilador de relajación- intercalar un contador divisor de frecuencia en la salida del oscilador a cristal - intercalar un contador divisor de frecuencia en la salida del oscilador a cristal externo
• Almacenamiento en memoria no volátilNVRAM, EEPROM, FLASH, FRAM (memorias ferroeléctricas)
• Uso de dispositivos electromecánicospContadores electromecánicos, llaves BCD, potenciómetros y relés biestables
• Empleo de LEDs en modo pulsado (alimentarlos con p pconvertidores conmutados de alto rendimiento)
38
EMPLEO DE RELEVADORES
relé clásicorelé clásico
contactos
39
relé biestable polarizado
40
41
vista del relé tipo C switchingvista del relé tipo C-switching
42
RECOMENDACIONES ÚTILES• Colocar el convertidor próximo a la carga• Emplear convertidores encapsulados con blindaje yEmplear convertidores encapsulados con blindaje y
emplear planos de tierra donde sea posible• Para cargas pulsantes debe utilizarse reguladores g p g
rápidos• Con baterías de electrolito orgánico (inflamables) debe
c idarse especialmente la protección contracuidarse especialmente la protección contra cortocircuitos
• Se debe prestar especial atención a la colocación de lasSe debe prestar especial atención a la colocación de las pantallas vinculándolas siempre a la masa del sistema o circuito que puede ser perturbado
• Para cargas y conexiones externas, verificar siempre que existan protecciones de fuerza bruta (crowbar, protección de batería inversa, etc.).protección de batería inversa, etc.).