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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFacultad de Electrotecnia y Computación

Docente:Alejandro A Méndez TProf. Titular Dpto. ElectrónicaFEC – [email protected]

Departamento de Electrónica

The difference between a successful person and others is not a lack of strength, not a lack ofknowledge, but a lack of will.

Vince Lambardi

ELECTRONICA APLICADA2012


A Méndez Dpto. Electrónica

1. Desde cuál fuente de energía debe el sistema obtener su potencia?

2. Cuáles regulaciones de seguridad, interferencia de radio frecuencia e interferenciaelectromagnética (RFI/EMI) debe el sistema cumplir para que el mismo pueda servendido en el mercado?

3. Cuál es la filosofía de mantenimiento del sistema?

4. Cuáles son las condiciones ambientales en las cuales debe operar el producto?

5. Qué tipo de degradación en el desempeño del producto es deseado cuando fallenpartes del producto?

Desde el departamento de mercadeo

Elementos a tener en cuenta en el desarrollo de una fuente de alimentación



1. Cuáles son las tecnologías de circuitos integrados que están siendo utilizadas en el diseño delsistema?

2. Cuáles son las mejores aproximaciones para los límites mínimo y máximo de la corriente de cargay si existen algunas características intermitentes en su demanda de corriente tales como laspresentadas por motores, monitores de video, cargas pulsantes, etc.?

3. Existen circuitos que son particularmente sensitivos al ruido (ADC, DAC, monitores de video, etc)?

4. Are there any special requirements of power sequencing that are necessary for each respectivecircuit to operate reliably?

5. Qué tanto, y cuál es la forma, espacio físico ha sido asignado para la fuente de alimentación en lacaja del sistema?

Desde el punto de vista de los diseñadores

6. Existen algunas interfaces especiales requeridas para la fuente de alimentación?



Sistema de potencia integrado

Sistema de potencia distribuido

La meta del sistema de potencia es distribuir la energía efectivamente a cadasección del producto y hacerlo en una forma que satisfaga las necesidades decada subsección en el producto..



Seleccionando la tecnología apropiada para la fuente de alimentación

Costo

Peso y espacio

Qué tanto calor puede ser generado por el producto

La fuente (s) de entrada de energía

La tolerancia al ruido de los circuitos de carga

Vida de la batería (si el producto será portátil)

El número de voltajes de salida requeridos y sus característicasparticulares



FUENTES DE ALIMENTACIÓN

LINEAR REGULATORS

HIGH EFFICIENCY RESONANTTECHNOLOGY SWITCHING

POWER SUPPLIES

PULSE WIDTH MODULATED(PWM) SWITCHING POWER

SUPPLIES



Comparison of the four Power Supply Technologies

Linear regulator PWM switchingregulator

Resonant Transition Switchingregulator

Quasi-Resonant SwitchingRegulator

COST LOW HIGH HIGH HIGHEST

MASS HIGH LOW-MEDIUM LOW-MEDIUM LOW-MEDIUM

RF NOISE NONE 70-85 % MEDIUM MEDIUM

EFFICIENCY 35-50 % YES 78-92 % 78-92 %

MULTIPLE OUTPUTS NO YES YES YES



REGULADOR LINEAL BÁSICO

+

--

HR: Es la caída devoltaje entre la entrada yla salida duranteoperación

El RL descansa en la conductividad variable de un dispositivo electrónico activo paradisminuir voltaje desde un voltaje de entrada hacia un voltaje de salida regulado.

El RL desperdicia mucha energía en forma de calor, y por consiguiente el mismo secalienta.

El RL es muy útil para aquellas aplicaciones que requieren menos de 10W de salida.




Todas las fuentes de alimentación tienen en su corazón un lazo cerrado con retroalimentaciónnegativa. El trabajo del lazo de retroalimentación es mantener constante el voltaje de salida,lo cual logra variando la conductividad del transistor de paso.

+

--

Si la carga se incrementa, el voltajede salida caerá. Lo anteriorincrementará la salida delamplificador, suministrando de estaforma más corriente a la carga.

Similarmente, si la carga decrece, el voltajede salida se incrementará, haciendo que elamplificador de error responda disminuyendola corriente a través de la unidad de pasohacia la carga.



TRANSISTOR BJT

Si RL ↑ entonces IC ↓ y VCE ↑

Si RL ↓ entonces IC ↑ y VCE ↓




La velocidad con la cual responde el amplificador de erro r a los cambios en la salida y laexactitud con que es mantenido el voltaje de salida dependen de la compensación en el lazo deretroalimentación del amplificador de error.

La compensación define que tanta ganancia DC es alcanzada, lo cual define que tan exactoserá el voltaje de salida.

La compensación también determina que tanta ganancia a alta frecuencia y ancho de bandaexhibe el amplificador, la cual define el tiempo de respuesta ante los cambios en la salida.



ALGUNAS LIMITACIONES DEL REGULADOR LINEAL

El regulador lineal está limitado a producir solamente un voltaje regulado más bajo apartir de una entrada no-regulada con un voltaje mayor.

La salida siempre tiene una terminal que es común con la entrada. Esto puede ser unproblema, complicando el diseño cuando se requiere un aislamiento DC entre laentrada y la salida o entre múltiples salidas.

El voltaje de entrada es usualmente obtenido del voltaje rectificado del secundario deun transformador de 60 Hz cuyo peso y volumen siempre ha sido una restricción seriapara el sistema.

La eficiencia del regulador lineal es muy baja, lo cual resulta en grandes perdidas depotencia necesitando grandes disipadores de calor en unidades de potenciarelativamente grandes y pesadas.



Disipación de potencia en el Series – Pass Transistor

Una de las mayores limitaciones del regulador lineal es la grande e inevitable disipación en el elementode paso. Es claro que toda la corriente debe pasar a través del transistor , y su disipación será:

PHR = (Vin,max – Vout) ILoad

Vin12 - 16 V

Vout7. 7 V regulado

3 Amp

_

+ +

_

220

1N757

TIP41A

2N3055



Análisis y diseño térmico

Metas en el diseño del sistema térmico

1. Nunca permitir que un componente excedasu máxima temperatura de operacion de launión.

2. Mantener los componentes tan frescos comosea posible dadas las restricciones deespacio y peso.

La vida de un componente se reduce a la mitad cada vez que latemperatura se eleve +10 oC por encima de la temperatura ambiente.



Modelo térmico

El análisis del sistema térmico es una variación de la ley de Ohm. Hay elementos del circuitoequivalente que se corresponden directamente con los elementos en el dominio eléctrico.

Elemento eléctrico Equivalente térmicoFuente de voltaje Fuente energía (calor)

Resistencia Resistencia térmica

Voltaje de nodo Temperatura del elemento

Corriente de lazo Lazo térmico

Tierra del circuito Temperatura ambiente (aire)

Los nodos en el modelo son las superficies respectivas de los cuerpos a lo largo del camino delflujo de calor.

Superficie de los transistores

Superficie de los disipadores de calor



Modelo térmico

1. RθJA Resistencia térmica desde la unión al medio ambiente (aire)2. RθJC Resistencia térmica desde la unión al case3. RθCS Resistencia térmica desde case al disipador de calor4. RθSA Resistencia térmica desde el disipador de calor al aire

TJ(max) = PD (RθJC + RθCS + RθSA) + TA

Componentes en un disipador:

Componentes sin disipador:

TJ(max) = PD RθJA + TA,max



1. Input: 12Vdc (max)8.5Vdc (min)

2. Ouput: 5.0 Vdc0.1 A – 0.25 A

3. Temperatura: -40 a +50 CelciusC150T

C/W65R

C/W5R

oJ(max)

o

o

JA

JC

MC 7805CTFU11A

Vin +5 V

+ +

_ _

10 uF100 uF

20 V10 V

1N4001



loss)(headroom W1.75A0,255)-(12

IV-VP maxload,outmaxin,D

Sin disipador de calor

C163.7550C/W)(65 W)(1.75

TRPT

o

o

maxA,JADJ

C/W.65RconsiliciodeaislanteunyC/W14RcondisipadorunUsando oCS

oSA

C84.4C50C/W)14C/W.65C/W(5)(1.75

T)RR(RPT

o

oooo

ASACSJCDJ(max)



Disipación de potencia en el Series – Pass Transistor

El diferencial mínimo (Vdc - Vo) , el headroom, es típicamente 2.5 V para transistores de paso NPN

Si el voltaje de entrada viene del secundario de un transformador, las vueltas del secundario debenser escogidas de forma tal que el voltaje rectificado del secundario sea próximo a Vo + 2.5 cuando laentrada AC se encuentra en el límite inferior de su tolerancia. En este punto la disipación en Q1 serábaja.

Sin embargo, cuando el voltaje de entrada AC se encuentra en el límite máximo de su tolerancia, elvoltaje a través de Q1 será mucho mayor, y su disipación será mucho mayor, reduciendo de éstaforma la eficiencia de la fuente de alimentación.

Debido a los requerimientos de mínimo headroom (2.5 V para NPN), el efecto es mucho máspronunciado para bajos voltajes de salida.



1. La primera consideración es el “headroom voltage”. El voltaje de HR es la caida de voltajeactual entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida durante la operación. Más del 95% detodas las perdidas de potencia en un regulador lineal es a través de ésta caida de voltaje.

Si el sistema no puede manejar el calor disipado por esta pérdida a su máximatemperatura ambiente de operación especificada, entonces otro procedimientode diseño debe considerarse. Esta pérdida determina que tan grande debe serel disipador de calor que el regulador lineal debe tener en el transistor depaso.

2. La segunda mayor consideración el voltaje de dropout mínimo de una determinada topologíapara un regulador lineal. Este voltaje es el voltaje de headroom mínimo que puede serexperimentado por el regulador lineal, por debajo del cual sale de regulación. Esto esdeterminado por la forma en que el transistor de paso obtiene sus voltajes y corrientes depolarización.

Algunas consideraciones



FUENTE LINEAL REGULADA

Currentlimit

Overloadsaturation

sensor

Overtemperatsensor

Shutdowncontrol

Pass device

ErrorAMP

Vref

Common

R1

R2

Iref

Vdropout = Vmin = Vin - Vout

Vin

Vout

2

1REFOUT R

R1VV



Vin12 - 16 V

Vout8.4 V regulado

0.5 Amp

+

_

+ +

_

220

1N757

TIP41A

Vin,min Iout,max hFE,min



Vin12 - 16 V

Vout7.7 V regulado

3 Amp

_

+ +

_

220

1N757

TIP41A

2N3055



Vin16 - 24 V

Vout13.2 V regulado

+

_

+ +

_

220

1N757

TIP41A

1K

2N3904

680

1K



Vin16 - 24 V Vout

13.2 V regulado

+

_

+ +

_

2201N757

TIP41A

1K

2N3904

680

1K

1.5

2N3906



Vin16 - 24 V

Vout13.2 V regulado

_

+ +

_

1N757

TIP41A

680

1K

1.5

2N3906

6.8K 1K

1N914



Reguladores Lineales

Los reguladores lineales son usados predominantemente en equipos ground-based donde la generación de calor y la baja eficiencia no son una preocupacióny también donde el costo y un periodo de diseño corto son deseados. Son muypopulares como reguladores board-level en sistemas de potencia distribuidosdonde el voltaje distribuido es menor de 40 VDC. Los reguladores linealessolamente pueden producir voltajes de salida menores que el voltaje de entraday cada regulador lineal puede producir solamente un voltaje de salida.

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PWM switching power supplies

Las fuentes de alimentación conmutadas son mucho más eficientes y flexiblesen su uso que los reguladores lineales. Comúnmente las encontramos enproductos portables, aviones y productos automotrices, pequeños instrumentos,aplicaciones off-line, y generalmente en aquellas aplicaciones donde una altaeficiencia y múltiples salidas de voltaje son requeridas. Su peso es muchomenor que los reguladores lineales ya que requieren menos disipadores de calorpara los mismos niveles de salida. Son más costosas y requieren más tiempopara el desarrollo de ingeniería.

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High efficiency resonant technology switching power supplies

Esta variación de la fuente conmutada (PWM) encuentra su lugar enaplicaciones donde tamaños y pesos aún más pequeños son deseados, ymás importante, donde una cantidad reducida de ruido radiado (interferencia)es requerido. Los productos más comunes donde estas fuentes dealimentación son usadas son aviones, spacecraft electronics, y módulos yequipos portables de bajo peso. Las desventajas son que ésta tecnología defuente de alimentación requiere una gran cantidad de diseño de ingeniería yusualmente cuesta más que las otras dos tecnologías.

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