Tema 5. Fuentes de alimentación lineales y conmutadas (PDF)

ELECTRÓNICA ANALÓGICA MÁSTER UNIVERSITARIO EN SEMICONDUCTORES Y TECNOLOGÍAS ELECTRÓNICAS 1 María Jesús Martín Martínez: [email protected] Catedrática del ár...

ELECTRÓNICA ANALÓGICA MÁSTER UNIVERSITARIO EN SEMICONDUCTORES Y TECNOLOGÍAS ELECTRÓNICAS 1 María Jesús Martín Martínez: [email protected] Catedrática del área de electrónica de la Universidad de Salamanca.  TEMA 5. Fuentes de alimentación/ Power Supply María María Jesús Jesús Martín Martín Martínez Martínez: [email protected] [email protected] 2 Catedrática del área de electrónica de la Universidad de Salamanca. Tema 5. Fuentes de alimentación Objetivos del tema 1. Teóricos Transporte y generación de energía eléctrica y tipos de conversión Necesidad de los diferentes tipos de fuentes de alimentación en función de las necesidades de cada sistema. Saber diseñar fuentes de alimentación lineales básicas: características de los bloques de rectificación, filtrado y regulación Conocer el diagrama de bloques de las fuentes de alimentación conmutadas y contrastar las diferencias con las fuentes lineales Aplicaciones y tendencias futuras María Jesús Martín Martínez [email protected] 3 Tema 5. Fuentes de alimentación 1. Transporte de energía eléctrica 2. Tipos de fuentes de alimentación AC/DC 1. Fuentes de alimentación lineales. Ventajas e inconvenientes 2. Fuentes de alimentación conmutadas. Ventajas e inconvenientes 3. Fuentes de alimentación lineales 1. Bloques: Transformación Rectificación Filtrado Regulación 2. Diseño de fuente de alimentación lineal 4. Fuentes de alimentación conmutadas 1. Bloques funcionales: rectificador, transistor switch, bloque de control, circuito de salida con rectificador y filtro, convertidor cc-cc… 2. Limitaciones. Aplicaciones. María Jesús Martín Martínez [email protected] 4 Tema 5. Fuentes de alimentación Generación, usos y transporte de la energía eléctrica  5.1. Corriente DC y corriente AC: María Jesús Martín Martínez [email protected] 5 Tema 5. Fuentes de alimentación Generación, usos y transporte de la energía eléctrica  5.2. Corriente DC y corriente AC: conversores  Símbolos circuitales Conversor genérico AC  AC DC  DC DC AC (Inversor) AC  DC (Fuente de Fuente de alimentación alimentación) + Inversor María Jesús Martín Martínez [email protected] 6 Tema 5. Fuentes de alimentación Generación, usos y transporte de la energía eléctrica  5.3. Transporte de la energía eléctrica + Voltaje  - corriente  - pérdidas Los transformadores permiten aumentar o disminuir el voltaje AC de forma sencilla lo que hace posible el transporte a muy alta tensión y con pocas pérdidas María Jesús Martín Martínez [email protected] 7 Tema 5. Fuentes de alimentación Usos y generación de la energía eléctrica  5.4. Tipos de consumo Vida cotidiana: Cargadores de baterías, Aire acondicionado, Cocción por inducción, Aspiradoras… Transporte: Vehículos eléctricos (con sus cargadores), Trenes… Industria: Motores, Soldadura, Maquinaria de construcción… Energías Renovables: Conversores DC-AC para Placas Solares y Aerogeneradores Generación y Transporte de Energía: HVDC (transporte de corriente DC), Regulación, Redes inteligentes… Centros de Proceso de Datos y Telecomunicaciones, Estaciones Base de Telefonía María Jesús Martín Martínez [email protected] 8 Tema 5. Fuentes de alimentación Generación, usos y transporte de la energía eléctrica  5.5. Transporte de electricidad en DC comparado con AC El coste de las estaciones de conversión es muy elevado (y tiene mayores pérdidas en torno al 1%, comparado con el 3% del HVAC- high voltage AC), pero las pérdidas y el coste por km es mucho menor ya que hace falta menor cantidad de material conductor ya que no es necesario soportar tres fases y no hay skin effect, además se necesita menor aislamiento ya que el voltaje de pico es menor HVAC- high voltage AC HVDC- high voltage DC Transformador convertidor para un sistema de transmisión bipolar en DC: ± 800.000 V María Jesús Martín Martínez [email protected] 6,400 MW 9 2.071 km Tema 5. Fuentes de alimentación 1. Transporte de energía eléctrica 2. Tipos de fuentes de alimentación AC/DC 1. Fuentes de alimentación lineales. Ventajas e inconvenientes 2. Fuentes de alimentación conmutadas. Ventajas e inconvenientes 3. Fuentes de alimentación lineales 1. Bloques: Transformación Rectificación Filtrado Regulación 2. Diseño de fuente de alimentación lineal 4. Fuentes de alimentación conmutadas 1. Bloques funcionales: rectificador, transistor switch, bloque de control, circuito de salida con rectificador y filtro, convertidor cc-cc… 2. Limitaciones. Aplicaciones. María Jesús Martín Martínez [email protected] 10 Tema 5. Fuentes de alimentación Generación, usos y transporte de la energía eléctrica  5.6. Conversión, control y procesado de la electricidad AC  DC Conversión, control y Cargadores de móviles, procesado de la electricidad portátiles, etc. DC  AC AC  DC Fuentes de alimentación de servidores AC  AC AC  AC Motores AC  DC DC  AC Transporte de electricidad en DC Vehículos En AC se transporta potencia activa y eléctricos reactiva En DC sólo se transporta potencia activa Cargadores de a bordo María Jesús Martín Martínez [email protected] 11 Tema 5. Fuentes de alimentación Tipos de Fuentes de alimentación  5.7. Tipos de fuentes de alimentación (Power Supply Unit: PSU)  Los diferentes tipos de fuentes de alimentación son:  Fuente de alimentación AD/AC: próximo a nuestros hogares permiten transformar la alta tensión de la subestación que distribuye la energía eléctrica a 110 o 220V AC.  Fuente de alimentación AC/DC: Es la más utilizada. Transformar la corriente alterna (AC) en corriente directa o continua (DC) que es el tipo de tensión que necesitan todos los equipos electrónicos.  Ejemplo: Fuente de alimentación para ordenador  Fuente de alimentación DC/AC: En instalaciones que aprovechan la energía solar se necesita esta conversión.  Fuente de alimentación DC/DC: Para aumentar o disminuir la tensión DC a valores fijos o variablesconvertidor de tensión DC/DC. María Jesús Martín Martínez [email protected] 12 Tema 5. Fuentes de alimentación Tipos de Fuentes de alimentación  5.8. Fuentes de alimentación AC/DC (Power Supply Unit: PSU)  Fuente de alimentación AC/DC: convierten la corriente alterna de 110 o 240 V de AC en corriente continua (DC) que puede ser utilizada por los circuitos electrónicos comunes, como los que se encuentran en teléfonos móviles, radios, televisores, amplificadores, etc. AC DC 220 V María Jesús Martín Martínez [email protected] 13 Tema 5. Fuentes de alimentación Tipos de Fuentes de alimentación  5.9. Tipos de fuentes de alimentación AC/DC (PSU)  Fuente de alimentación AC/DC: Hay diversos tipos de fuentes de alimentación (nos centraremos en las dos primeras):  Fuente de alimentación lineal  Fuente de alimentación conmutada (SMPS): Switched-Mode Power Supply  Fuente de alimentación programable (PPS)  Fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) María Jesús Martín Martínez [email protected] 14 Tema 5. Fuentes de alimentación Tipos de Fuentes de alimentación  5.10. Tipos de fuentes de alimentación  Las fuentes pueden contar con dos sistemas diferentes de funcionamiento:  Monofásico. Se trata de un método de producción, distribución y consumo de energía eléctrica formado por una única corriente alterna. Su uso está destinado para iluminación, calefacción y pequeños motores eléctricos.  Para aplicaciones de baja potencia nos interesan este tipo de fuentes  Trifásico. El circuito trifásico es un sistema formado por tres corrientes alternas monofásicas de igual frecuencia y amplitud. Se utiliza en elementos que necesitan consumir mucha energía como pueden ser ascensores, escaleras mecánicas o locales comerciales de gran tamaño. María Jesús Martín Martínez [email protected] 15 Tema 5. Fuentes de alimentación 1. Transporte de energía eléctrica 2. Tipos de fuentes de alimentación AC/DC 1. Fuentes de alimentación lineales. Ventajas e inconvenientes 2. Fuentes de alimentación conmutadas. Ventajas e inconvenientes 3. Fuentes de alimentación lineales 1. Bloques: Transformación Rectificación Filtrado Regulación 2. Diseño de fuente de alimentación lineal 4. Fuentes de alimentación conmutadas 1. Bloques funcionales: rectificador, transistor switch, bloque de control, circuito de salida con rectificador y filtro, convertidor cc-cc… 2. Limitaciones. Aplicaciones. María Jesús Martín Martínez [email protected] 16 Tema 5. Fuentes de alimentación Tipos de Fuentes de alimentación  5.11. Fuentes de alimentación lineales  Los primeros cargadores para teléfonos eran mucho más pesados que los actuales  utilizaban fuentes de alimentación lineales en las que:  Se reduce la tensión mediante un transformador, y posteriormente se rectifica con diodos.  Para obtener una tensión estable se filtra con condensadores electrolíticos, y en algunos casos se añaden estabilizadores para que la tensión de salida tenga un valor exacto.  Este tipo de fuentes tiene una gran pérdida de energía en el gran transformador toroidal.  Para conseguir corrientes de salida muy altas, el transformador debe tener estar bobinado con hilo de cobre muy grueso, lo que hace que sea muy grande y pesado. María Jesús Martín Martínez [email protected] 17 Tema 5. Fuentes de alimentación Tipos de Fuentes de alimentación  5.11. Fuentes de alimentación lineales  Bloques básicos de las fuentes de alimentación lineales :  Transformador: Se reduce la tensión  Rectificador: mediante diodos.  Filtrado: se pueden utilizar condensadores electrolíticos,  Regulación o estabilización: uso de diodo Zener.  Dependiendo del uso, la fuente puede tener solamente 3 de estos pasos y en algunos casos incluso dos. Repasaremos por separado cada uno de los pasos hasta llegar a una fuente de alimentación completa. María Jesús Martín Martínez [email protected] 18 Tema 5. Fuentes de alimentación Tipos de Fuentes de alimentación  5.11. Fuentes de alimentación lineales  Las fuentes lineales son de diseño simple para poca potencia y regulación poco eficiente. Tienden ser más complejas en la medida que deban suministrar mayor corriente. María Jesús Martín Martínez [email protected] 19 Tema 5. Fuentes de alimentación 1. Transporte de energía eléctrica 2. Tipos de fuentes de alimentación AC/DC 1. Fuentes de alimentación lineales. Ventajas e inconvenientes 2. Fuentes de alimentación conmutadas. Ventajas e inconvenientes 3. Fuentes de alimentación lineales 1. Bloques: Transformación Rectificación Filtrado Regulación 2. Diseño de fuente de alimentación lineal 4. Fuentes de alimentación conmutadas 1. Bloques funcionales: rectificador, transistor switch, bloque de control, circuito de salida con rectificador y filtro, convertidor cc-cc… 2. Limitaciones. Aplicaciones. María Jesús Martín Martínez [email protected] 20 Tema 5. Fuentes de alimentación Tipos de Fuentes de alimentación  5.12. Fuentes de alimentación conmutadas (SMPS)  La SMPS es más pequeña, compacta, sin ruido y eficiente que una fuente lineal, pero es más compleja y susceptible a mayor número de averías.  Transforma de dc a dc la energía mediante transistores o reguladores en conmutación.  La regulación en voltaje se lleva a cabo mediante la conmutación de un transistor  Un transistor de potencia conmuta entre saturación y corte a frecuencias superiores (de KHz hasta MHz) a la frecuencia de la red eléctrica (50Hz-60Hz según países). María Jesús Martín Martínez [email protected] 21 Tema 5. Fuentes de alimentación Tipos de Fuentes de alimentación  5.13. Fuentes de alimentación conmutadas  Formatos disponibles en las fuentes de alimentación  Las medidas de estas están estandarizadas y reguladas para que haya compatibilidad total entre sistemas:  AT: apagado manual (Advanced Tecnology). En desuso.  ATX: El estándar actual desde finales de los años 90 (Advanced Tecnology eXtended). Dimensiones 150 (ancho) x variable (largo) x 86 (alto) mm.  SFX: (100 x 125 x 63,5 mm) diseñadas para sistemas de factor de forma pequeño (ventilador pequeño y adaptador para cajas ATX).  SFX-L: (130 x 125 x 63,5 mm) variante con ventilador de mayor tamaño.  TFX: (85 x 65 x 185 mm) pensadas para equipos especiales y servidores.  Flex ATX (150 x 81,5 x 40,5 mm): variante para servidores con «plug and play» en caliente (dos fuentes redundantes se pueden quitar una e instalar otra sin apagar el sistema). María Jesús Martín Martínez [email protected] 22 Tema 5. Fuentes de alimentación Tipos de Fuentes de alimentación  5.14. Fuentes de alimentación conmutadas  Categorías estándar según eficiencia energética  Hay unos baremos estándares en la industria regulados por el certificado 80 PLUS. Este certificado mide el nivel de eficiencia de una fuente de alimentación a diferentes cargas. Podemos ver a continuación los valores mínimos para cada nivel: María Jesús Martín Martínez [email protected] 23 Tema 5. Fuentes de alimentación 1. Transporte de energía eléctrica 2. Tipos de fuentes de alimentación AC/DC 1. Fuentes de alimentación lineales. Ventajas e inconvenientes 2. Fuentes de alimentación conmutadas. Ventajas e inconvenientes 3. Fuentes de alimentación lineales 1. Bloques: Transformación Rectificación Filtrado Regulación 2. Diseño de fuente de alimentación lineal 4. Fuentes de alimentación conmutadas 1. Bloques funcionales: rectificador, transistor switch, bloque de control, circuito de salida con rectificador y filtro, convertidor cc-cc… 2. Limitaciones. Aplicaciones. María Jesús Martín Martínez [email protected] 24 Tema 5. Fuentes de alimentación 1. Transporte de energía eléctrica 2. Tipos de fuentes de alimentación AC/DC 1. Fuentes de alimentación lineales. Ventajas e inconvenientes 2. Fuentes de alimentación conmutadas. Ventajas e inconvenientes 3. Fuentes de alimentación lineales 1. Bloques: Transformación Rectificación Filtrado Regulación 2. Diseño de fuente de alimentación lineal 4. Fuentes de alimentación conmutadas 1. Bloques funcionales: rectificador, transistor switch, bloque de control, circuito de salida con rectificador y filtro, convertidor cc-cc… 2. Limitaciones. Aplicaciones. María Jesús Martín Martínez [email protected] 25 Tema 5. Fuentes de alimentación Fuentes de alimentación lineales  5.15. Bloques de fuente de alimentación lineal  Circuito que convierte la tensión alterna (red industrial) en una tensión prácticamente continua  Características y utilidad:  Casi todos los circuitos electrónicos necesitan una fuente de alimentación continua.  En sistemas portátiles (poca potencia) batería  Bloques constituyentes: a grandes rasgos la fuente de alimentación consta de tres bloques fuente de alimentación regulada o estabilizada  Rectificador:  Transformador  Rectificador  Bloque de filtrado  Bloque estabilizador o regulador María Jesús Martín Martínez [email protected] 26 Tema 5. Fuentes de alimentación Fuentes de alimentación  5.15. Fuentes de alimentación lineales  Las fuentes lineales son de diseño simple para poca potencia y regulación poco eficiente. Tienden ser más complejas en la medida que deban suministrar mayor corriente. María Jesús Martín Martínez [email protected] 27 Tema 5. Fuentes de alimentación Fuentes de alimentación  5.16. Fuentes de alimentación lineales  Siguen el esquema: transformador, rectificador, filtro, regulación y salida. El transformador adapta los niveles de tensión y proporciona aislamiento galvánico. El transformador se utiliza para convertir el voltaje de CA de línea en un voltaje pico más pequeño. María Jesús Martín Martínez [email protected] 28 Tema 5. Fuentes de alimentación Fuentes de alimentación lineales  5.16. Transformador  Bloque de Rectificación: formado por un transformador y un elemento rectificador Transformador:  Adecua la tensión alterna a valores apropiados a la tensión de continua que se desea obtener al final de la fuente de alimentación:  Aumenta o reduce la tensión de forma adecuada para nuestros propósitos Primario Secundario  Esta formado, básicamente por dos arrollamientos:  Primario: nº de espiras n1  Secundario: nº de espiras n2  Dependiendo de n1, n2 Vo ≶ Vi c.a. Vi V0  La potencia es la misma, no se amplifica ni se reduce como en divisores de tensión) V=Vmáxsenω María Jesús Martín Martínez [email protected] 29 Tema 5. Fuentes de alimentación Fuentes de alimentación lineales  5.16. Transformador  Bloque de Rectificación:  Transformador Ejemplo numérico:  Bobinado primario: 1 000 vueltas de alambre de cobre en su bobinado primario y le aplicamos 110 V.  Para obtener una tensión en el secundario será de 11 V, debemos ajustar el segundo bobinado a 100 vueltas o espiras.  Importante tener en cuenta el grosor del alambre utilizado en el secundariomás grueso que el primario.  Reducimos la tensión, pero aumentamos la corriente  Si la corriente en el primario es 100 mA, la corriente máxima que obtenemos en la secundaria será de 1 amperio.  Considerar la fase, porque hay aplicaciones donde interesa tener la fase invertida en el secundario respecto del primario María Jesús Martín Martínez [email protected] 30 Tema 5. Fuentes de alimentación 1. Transporte de energía eléctrica 2. Tipos de fuentes de alimentación AC/DC 1. Fuentes de alimentación lineales. Ventajas e inconvenientes 2. Fuentes de alimentación conmutadas. Ventajas e inconvenientes 3. Fuentes de alimentación lineales 1. Bloques: Transformación Rectificación Filtrado Regulación 2. Diseño de fuente de alimentación lineal 4. Fuentes de alimentación conmutadas 1. Bloques funcionales: rectificador, transistor switch, bloque de control, circuito de salida con rectificador y filtro, convertidor cc-cc… 2. Limitaciones. Aplicaciones. María Jesús Martín Martínez [email protected] 31 Tema 5. Fuentes de alimentación Tipos de Fuentes de alimentación  5.17. Fuentes de alimentación lineales  Siguen el esquema: transformador, rectificador, filtro, regulación y salida.  El circuito que convierte la corriente alterna en corriente continua pulsante se llama rectificador y mantiene el voltaje por encima de 0 V.  La rectificación de la señal de CA produce formas de onda grandes pero positivas María Jesús Martín Martínez [email protected] 32 Tema 5. Fuentes de alimentación Fuentes de alimentación lineales  5.17. Bloque de rectificación.  Rectificador:  Transforma en unidireccional la tensión bidireccional (o alterna)  Es válido como rectificador cualquier elemento que :  Presente una gran resistencia (ideal R= ∞) al paso de la corriente en un sentido  Presente una resistencia muy pequeña ((ideal R= 0) ) en el sentido opuesto Dispositivo electrónico que cumple estos requerimientos: diodo (unión p-n)  Característica del diodo Diodo Característica del Diodo  Si V >0  I ≠ 0 (R=0): V ID cortocircuito  Si V 0 ID VD Vγ V 0 V0= + Vin V V Vin < 0 V0 = - Vin V0 V0 No perdemos potencia RL RL María Jesús Martín Martínez [email protected] 36 Tema 5. Fuentes de alimentación Fuentes de alimentación lineales  5.18. Rectificación de precisión  Rectificadores de media onda  Utilizan únicamente los diodos en circuitos que incluyen además AO R V0 R Rectificador de precisión: Vi RL AO + 2 diodos v de media onda R= 5.6 KΩ  Tensiones en la entrada y en RL RL= 5.6 KΩ V Las corrientes en cada semiciclo: Vmáx t Vi >0 V0= 0 tensión nula en el semiciclo positivo V0 (elimina problemas Vγ) Vi 0 V0= + Vin Vmáx t Vi < 0 V0 = - Vin: María Jesús Martín Martínez [email protected] 38 38 Tema 5. Fuentes de alimentación Fuentes de alimentación lineales  5.19. Fuentes sin transformador  Divisor de tensión + bloque de Rectificación: El transformador es un elemento pesado y costoso (tanto mayor cuanto mayor sea la potencia requerida por el circuito que vamos a alimentar).  Para eliminar el transformador  se podría realizar un divisor de tensión resistivo, de modo que la tensión de la red se reduzca para luego rectificar y filtrar.  PROBLEMAS de este divisor de tensión: R1 >>>R2. Por lo que en R1 se disipa mucha energía que se desperdicia por efeto Joule  Además, la tensión en el divisor depende también del consumo de la carga cuando la carga se conecta, que va a hacer que la tensión a la salida caiga María Jesús Martín Martínez [email protected] 39 Tema 5. Fuentes de alimentación Fuentes de alimentación lineales  5.19. Fuentes sin transformador  Condensador + bloque de Rectificación:  El condensador C no disipa energía en forma de calor, sino que funciona cargando y descargando (salvo su pequeña resistencia parásita pequeña pérdida de energía).  Calcular el valor del condensador en la configuración básica que se observa en función de la tensión y la corriente que deseamos a la salida. Ejemplo: Vout=6V e I=20mA.  Resistencia de la carga R=6V/0.02A=300 Ω  Impedancia en la entrada Z=110V/0.02 A=5500 Ω  Reactancia capacitiva (3002