Diseño de una fuente conmutada

Diseño de una fuente conmutada
Las fuentes conmutadas presentan ciertas características que las hacen ser recomendadas con respecto de las lineales; como son la mayor eficiencia (superior al 90% comparada con el 70% de las lineales), transformadores de menor tamaño y costo (en algunos casos se puede omitir el uso de transformador usando la línea de C.A.) El principal inconveniente es que comotrabaja con alta frecuencia (superior a los 50 KHz) puede ocasionar interferencia a otros circuitos.
Principio básico de funcionamiento
Una fuente conmutada trabaja en base al principio del interruptor, es decir, cerrando y abriendo un interruptor podemos controlar la cantidad de energía entregada a la carga.
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Cuando el interruptor "I" se encuentra cerrado, el voltaje de la batería V esentregado a la carga R, y por lo tanto, en R se desarrolla una potencia (energía) igual al producto de voltaje V por la corriente IR que circula por R. Si el interruptor "I" se encuentra abierto entonces la potencia que se disipa (desarrolla) en R es cero. Es decir, si abrimos y cerramos el interruptor varias veces seguidas (frecuencia) en la carga se estará desarrollando una potencia promedio; porsupuesto que en el interruptor I no se desarrolla ninguna potencia, por lo tanto toda la potencia entregada por la batería V es aprovechada por R. Existen dos tipos de fuentes conmutadas aquellas que varían el tiempo en que el interruptor esta cerrado manteniendo la frecuencia de conmutación constante, y aquellas que varían la frecuencia manteniendo fijo o constante el tiempo en que el interruptorse encuentra cerrado.
Modulador de ancho de pulso
La fuente conmutada que describo se construye alrededor del circuito integrado modulador de ancho de pulso (la fuente es de frecuencia fija y ciclo de trabajo variable) TL494 de Texas Instruments. La frecuencia de oscilación del circuito integrado se calcula con la siguiente fórmula.
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Siempre debemos de usar una frecuencia mayor a 50 K[Hz], ya que entre mayor sea la frecuencia de conmutación menores serán el rizo y el valor del inductor (se refleja en un tamaño pequeño) del filtro de salida. El TL494 cuenta con dos transistores, que pueden ser conectados en configuración push pull o en paralelo para manejar hasta 500 m[A], esta selección se hace conectando la terminal 13 a 5 [V] (el voltaje de referencia de la terminal 14 es de 5[V]) o a 0 [V] respectivamente. Elegimos conectarlos en paralelo para que funcionen como controlador (driver en inglés) del transistor de potencia; se conectan como transistores complementarios cuando deseamos controlar algún transformador (por ejemplo en un inversor convertidor de CC a CA) la única restricción es calcular la resistencia que va a los colector de los transistores internos (que esla de la base del transistor de potencia), para limitar la corriente a un valor menor del máximo que pueden soportar (500 m [A]).
Transistor de conmutación
El transistor seleccionado debe de trabajar a frecuencias altas (consulte manuales de fabricantes) como el MJE15031, que es un transistor PNP de alta frecuencia de conmutación y de media potencia, para mayor información refiérase a las hojastécnicas del fabricante (Motorola). Este transistor es el que interrumpe o no la circulación de corriente hacia la etapa de salida, según la señal presente en su base, si es tierra cerrará sus terminales colector y emisor, cualquier voltaje diferente de tierra (aproximadamente 1 [V] menos que el de emisor) abrirá al transistor.
Etapa de salida
La etapa de salida formada por el diodo derecuperación rápida (MR850), el capacitor y el inductor forman un filtro pasivo (sólo necesitan la señal a filtrar para trabajar); sin estos componentes lo que hay en el colector sería una señal cuadrada con frecuencia y ciclo de trabajo fijadas por el TL494, dicha señal puede servir para alimentar a una carga, pero el ruido generado sería grande debido a que la señal cuadrada esta formada por un número...