Tema 3- Alimentación deTema 3- Alimentación de sistemass s s
D O Ló L ñDr. Oscar López LapeñaSeptiembre 2007
1
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
3 1 Introducción3.1- Introducción.
• Requisitos para la alimentación de i it l t ó icircuitos electrónicos:
• Fuentes de tensió continuas.• Niveles de tensión entre 3 V y 48 V.
2
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
De qué fuentes de energía disponemos?
• Red eléctrica:Europa: 220V 50 Hz• Europa: 220Vrms, 50 Hz
• Estados Unidos: 120Vrms, 60 Hz
• Baterias:• Baterias primarias (no recargables).• Baterias secundarias (recargables).
• Otras fuentes:Otras fuentes:• Celulas solares, celulas piezoeléctricas,...
3
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
Qué son las fuentes de alimentación?
Si i l i lé i d l dSistemas que convierten la corriente eléctrica de la red en otro tipo corriente eléctrica adecuado al uso que se le vaya a dar (fuente tensión continua).
Red Eléctrica(220 V 50 Hz)
Circuito electrónico(TTL 5 V )
FUENTE
(220 Vrms, 50 Hz) (TTL 5 Vdc)
FUENTE DE
ALIMENTACIÓN
4
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
Qué alternativas existen para el diseño de una fuente?
ó1. Fuentes de alimentación lineales (convencionales).• Elementos funcionando en la régimen lineal.• Rendimiento bajos• Rendimiento bajos.• Bajo ruido.• Densidad de potencia pequeña. Grandes y pesadas.p p q y p
2. Fuentes de alimentación conmutadas.• Elementos funcionando en conmutació ON/OFF.• Rendimiento altos.
R id d ió• Ruido de conmutación.• Densidad de potencia elevada. Pequeñas y ligeras.
5
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
Como funciona una fuente lineal?Como funciona una fuente lineal?
DIAGRAMA DE BLOQUES
REGULADOR FUNCIONA EN RÉGIMEN LINEAL
-V
+io
OOIN i).VV(Disipada.Pot
+VIN
- Vo= VRef
+
-Vref
+-
6
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
Como funciona una fuente conmutada?
REGULACIÓN CONMUTADA
CARACTERÍSTICAS:• ELEMENTOS IDEALMENTE NO DISIPATIVOS. (Pot. Disipada aprox. nula) • FRECUENCIAS ELEVADAS. (Elementos reactivos pequeños)
7
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
Ejemplo de regulación conmutadaEjemplo de regulación conmutadaD.TC
21 n:nCONVERTIDOR FORDWARE
T1 D2
T1
+ +ON
C
VIND1 D3 VIF
+
-VO
+
- VIF
OFF
TC
1 1
CIRCUITO EQUIVALENTE0
IN1
2 Vnn
VIN
1 1
2 2VIF
+
-VO
+
-TC :Período de conmutaciónD :Ciclo de trabajo
DVnnV IN
1
2O
ESTADOS1. T1 ON → D1, D3 OFF, D2 ON2. T1 OFF → D1, D3 ON, D2 OFF
8
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
1 1, 3 , 2
3.2- Diseño de fuentes de alimentación lineales.
Especificaciones del diseño:• VIN → VIN RMS=220 V±10V , fin= 50 Hz • Carga → V =5 V P (W) vulnerabilidad al ruido transitorios de carga• Carga → VO=5 V, Po(W), vulnerabilidad al ruido, transitorios de carga,….• Cond. Contorno → Temp. ambiente, Humedad, Armónicos en la red,….
+
Transformador Rectificador Filtro Regulador
+
-OV
+
-INV
9
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
Qué conocemos de las fuentes lineales?
A i t “L b t i d l t ó i ”
inT
Asignatura: “Laboratorio de electrónica”
t
inVinpV
IoutTransformer Bridge Rectifier
i
IDEALTRANSFORMER
CVV
t+
C RVout
+Active
Regulator
di
CV
t
CVCMaxV
CV
CARACTERISTICAS IDEALESMa or capacidad (C) Menor ri ado (∆V )
-
2T
CIV inout
C t1DidmaxI
• Mayor capacidad (C) → Menor rizado (∆VC)
t2Di
dmaxI• Mayor capacidad (C) → Mayor corriente (Idmax)
C
CMaxdMaxV11fCV2I
10
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
CMax
CMaxdMax V
Qué conocemos de las fuentes lineales?
A i t “L b t i d l t ó i ”Asignatura: “Laboratorio de electrónica”
Tensión no regulada Tensión regulada idealg g
Tensión regulada real
Reguladores estudiados: • Reguladores integrados de tensión fija: 7805, 7809, ..., 7905,7909,...• Reguladores integrados de tensión variable: LM117.
11
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
Qué necesitamos para hacer un diseño?
ESPECIFICACIONES
• Qué transformador? • Relación Vin : Vo ?• Potencia (VA) ?
ESPECIFICACIONES
• Qué puente rectificador?
( )
• Tensión de bloqueo ?• Corriente media?• Corriente de pico repetitiva?
• Qué condensador?
• Corriente de pico repetitiva?• Corriente de pico no repetitiva?• Capacidad ?• Tensión ?Qué condensador?
• Qué regulador?
• Tensión ?
• Tensión de salida?• Tensión de dropout?
R l ió d li ?
• Es necesario utilizar radiadores?
• Regulación de linea? • Regulación de carga?
• Resistencia térmica ?
12
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
• Es necesario utilizar radiadores? • Resistencia térmica ?
Limitaciones de los transformadoresLimitaciones de los transformadores
LIMITACIONES EN EL FUNCIONAMIENTO• Calentamiento por disipación de energia.
aargConCaargSinCDispada PPP
• Regulación de carga• Regulación de carga.
aargPlenaCS
aargPlenaCSaargSinCS
VVV
100.(%)gRe
Pi.Vi.VPVNNV OSSPPINP
SS
CARACTERÍSTICAS IDEALES
P
S
VV
SIN PLENA 0Pi
NNi
N
DisipadaPS
PS
P
13
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
CARGA CARGA
Disipación sin carga?Disipación sin carga?
+
PÉRDIDAS DE ENERGIA
• Corrientes de Foucoult (Eddy)
INP VV
+INV
Corrientes de Foucoult (Eddy)
MAGNETIZACIÓN DEL NUCLEO • Ciclo de histéresis (Orientación dipolos) • Ley de Faraday y curva de histéresis
P
P
NS
dV
SB
B
0iV PP • Ley de Ampere
P
ldH
H
14
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
PP N
i
Disipación debida a la carga?Disipación debida a la carga?
+
EFECTO JOULE EN EL BOBINADOIP 2
SRMSS2
PRMSpJoule.Disp IRIRP
NP: NS
+INV
Is 2SRMSS
2
P
SP
SRMSSPRMSpJoule.Disp
IRNNR
R R
MODELO LINEAL
NP: NSLIMITACIONES EN LA CARGA
IP Is
RP RSNP: NS
MaxRMSSRMSMaxJoule.Disp IIPP
Trf. Ideal
ESPECIFICACIONES DEL FABRICANTE.A.VIV SRMSSRMS
15
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
Limitaciones de los rectificadoresLimitaciones de los rectificadores
T it i dTransitorio de arranqueTensión en
la redIout
+
Transformer Bridge Rectifier
di
Corrienteen el
rectificador
+C RVout
+
-
ActiveRegulatorCV
16
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
Limitaciones de los reguladores (I)Limitaciones de los reguladores (I)
Regulador
inVoV
Regulador
Reg. línea outv
v
Regulación de línea:
inv
Reg. carga out
out
vI
Regulación de carga:
outI
RRR 20log rivv
Relación de rechazo al rizado:
rovTensión de Dropout:Diferencia de tensión mínima entre Viny Vo para el correcto funcionamiento
17
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
del regulador
Limitaciones de los reguladores (II)Limitaciones de los reguladores (II)
TEMPERATURAS MÁXIMAS TOLERABLESRegulador
Regulador
+ +i T
oVinV- -
inioiTj
ooinDisp
Q i ti
ooininDispi.VVP
iiii0i.Vi.VP
ambientejoQuiescentoin TT
iiii
18
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
Cálculos en el diseño?Cálculos en el diseño?
Como afecta la regulación de carga del transformador?
Como cálculo las corrientes en los diodos?
Que capacidad en VA necesito en el transformador?
Cual es la temperatura del regulador?
19
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
Cálculo de la tensión de entrada al regulador (regulación de carga)
IoutTransformer Bridge Rectifier
di
N1: N2Rp Rs
FUENTE LINEAL
INV +C RVout
+
-
ActiveRegulator
di
CV
+L
RS
CIRCUITO EQUIVALENTE
iFVm
+C RLVC
+
-2
P
2
1
2SS R
NNR'R
)wt(senVVNV MIN2
m
20
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
)(N MIN
1m
)DC(V)DC(VR'R
O
CLL
Rizado de la tensión de entrada al regulador
IoutTransformer Bridge Rectifier
di
N1: N2Rp Rs
FUENTE LINEAL
)DC(V
)DC(VVFactorRipple
C
2CC
INV +C RVout
+
-
ActiveRegulator
di
CV
+L
RS
CIRCUITO EQUIVALENTE
iFVm
+C RLVC
+
-2
P
2
1
2SS R
NNR'R
)wt(senVVNV MIN2
m
21
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
)(N MIN
1m
)DC(V)DC(VR'R
O
CLL
Cálculo de las corrientes en el puente rectificador
IoutTransformer Bridge Rectifier
di
N1: N2Rp Rs
FUENTE LINEAL
INV +C RVout
+
-
ActiveRegulator
di
CV
+L
RS
CIRCUITO EQUIVALENTE
iFVm
+C RLVC
+
-2
P
2
1
2SS R
NNR'R
)wt(senVVNV MIN2
m
22
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
)(N MIN
1m
)DC(V)DC(VR'R
O
CLL
Cálculo de la temperatura del regulador
Tj : Temperatura de la unión.Ta: Temperatura ambiente.
Tj
Regulador
jaTa
jResist. Térmica de la unión alambiente
PDispoV
-
inioiTj
+inV
-
+
Dispjaaj PTT ooinDisp i.VVP
23
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López
Calentamiento con radiadorCalentamiento con radiador
Tj Dispjcmraaj PTT jc
TC
Resist. Térmica de la unión alencapsulado
mPDisp
Tr
Resist. Térmica de la mica
raTa
r
Temperatura Unión (Tj)
Resist. Térmica del Radiadoral ambiente
TemperaturaAmbiente (Ta)
TemperaturaRadiador (Tr)
Temperatura EncapsuladorTransistor (TC)
24
Sistemes Electrònics – Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC) Profesor: Oscar López