Título: Elaboración de recursos para el aprendizaje de

Pensamiento

Título: Elaboración de recursos para el aprendizaje de fuentes conmutadas en

asignaturas afines a la Electrónica Analógica III

Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

Autor: Luis Manuel Rodríguez de la Torre

Tutor: Dr.C. Carlos Roche Beltrán

Cotutor: Dr.C. Alberto Taboada Crispí

.

2

Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de

Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui

Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la

mencionada casa de altos estudios.

Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente:

Atribución- No Comercial- Compartir Igual

Para cualquier información contacte con:

Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las

Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830

Teléfonos.: +53 01 42281503-1419

.

3

Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad

Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de

la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando

a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime

conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser

presentado en eventos, ni publicado sin autorización de la Universidad.

________________________

Firma del Autor

Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según

acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos

que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.

________________________

Firma del Tutor

________________________

Firma del Jefe de Departamento

donde se defiende el trabajo

________________________

Firma del Responsable de

Información Científico-Técnica

Pensamiento

Pensamiento

“Nunca consideres el estudio como una obligación, sino como la

oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del

saber”.

Albert Einstein

Dedicatoria

5

Dedicatoria

A mi tío Arnaldo José, aunque descansa en paz ha sido mi mayor inspiración

A mi madre y a mi padre por siempre darme fuerzas para seguir luchando

A mi hermana, novia y familia por la constancia y el cariño

A mi tutor, cotutor y compañeros de estudio por todo su apoyo

A todas aquellas personas que me han apoyado a lo largo de mi carrera

Agradecimientos

6

Agradecimientos

A mi madre por creer en mí y siempre estar presente en los momentos más

importantes

A mi padre por ser mi ejemplo y enseñarme siempre el camino correcto

A mi hermana por su perseverancia y cariño

A mis Abuelos por toda su fe en mí

A mis tutores por sus conocimientos y ayuda

A mis amigos y compañeros de estudio

A los compañeros de trabajo del taller PC-H y Copextel

A mi familia

A los profesores y todas las personas que de una forma u otra me han guiado hasta

aquí

Resumen

7

Resumen

Las fuentes conmutadas han tenido un desarrollo permanente en los últimos

tiempos, debido a la utilización de nuevas tecnologías con el fin de mejorar las

características de las mismas, en cuanto a rendimiento, regulación, tamaño, peso y

costo, por ello, hoy en día las fuentes conmutadas son un objetivo muy importante

de estudio para el futuro Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica.

En el presente trabajo se enriquece el estudio de las fuentes conmutadas debido a

su deficiente impartición en asignaturas a fines a la Electrónica Analógica III, con el

objetivo de crear recursos que faciliten el aprendizaje de las mismas. Para lograr el

objetivo anterior, se realizó una revisión bibliográfica minuciosa de programas de

estudio en otras universidades de referencia, y poder así insertar las generalidades

de esos planes al programa de estudio actual de la FIE (Facultad de Ingeniería

Eléctrica), perteneciente a la Universidad Central ‘’Marta Abreu’’ de Las Villas. Para

fomentar esta estrategia de estudio es importante incentivar al estudiante mediante

diferentes formas acudiendo a criterios de diseño y programas de simulación más

eficientes. Por tanto, como producto de este trabajo se ha construido un tutorial de

Fuentes Conmutadas (FC) y la entrega de una carpeta digital con bibliografía

complementaria sobre esta temática.

Índice

8

Índice

Pensamiento ........................................................................................................... 4

Dedicatoria .............................................................................................................. 5

Agradecimientos ...................................................................................................... 6

Resumen ................................................................................................................. 7

Índice ....................................................................................................................... 8

Introducción ........................................................................................................... 10

Capítulo 1: Introducción a las fuentes conmutadas ............................................... 13

1.1 Historia y evolución de las fuentes conmutadas ...................................... 13

1.1.1 Concepto de fuente conmutada ............................................................ 15

1.2.1 Tendencias actuales de desarrollo de las FC, de acuerdo a sus

fabricantes y aplicaciones .............................................................................. 17

1.2 La temática de Fuentes Conmutadas en asignaturas afines a la

Electrónica Analógica III .................................................................................... 21

1.2.1 Mahatma Gandhi ............................................................................... 21

1.2.2 Universidad Nacional Técnica de Buenos Aires .................................... 24

1.2.3 Instituto Técnico de Massachusetts (MIT) ............................................. 25

1.2.4 Universidad de Texas ............................................................................ 26

1.3 Generalidades de los contenidos de FC en universidades de referencia .... 27

1.4 ¿Cómo se trata el tema de FC en la Universidad Central ‘’Marta Abreu’’ de

Las Villas? ......................................................................................................... 28

Capítulo 2 Fuentes conmutadas y herramientas de simulación ............................ 29

2.1 Régimen de operación ................................................................................. 29

2.2 Aislamiento .................................................................................................. 30

2.2.1 Topología de fuentes conmutadas sin aislamiento galvánico ............... 30

2.2.2 Topología de fuentes conmutadas con aislamiento galvánico ........... 30

2.3 Etapa de control ........................................................................................... 34

2.3.1 Lazo abierto .......................................................................................... 34

2.4 Comparativa de simuladores ....................................................................... 35

2.5 Simulación de una fuente Flyback típica a lazo abierto. Análisis y diseño de

sus parámetros .................................................................................................. 37

2.5.1 Especificaciones y preguntas del primer convertidor ............................ 38

2.5.2 Especificaciones y preguntas del segundo convertidor ......................... 40

Índice

9

Capítulo 3 Diseño del Tutorial ............................................................................... 46

3.1 Estructura del Tutorial .................................................................................. 46

3.2 Resultados y discusión ................................................................................ 48

3.2.1 Resultados del primer convertidor Flyback ........................................... 48

3.2.2 Resultados del segundo convertidor Flyback ........................................ 53

3.3 Análisis Económico ...................................................................................... 58

Conclusiones y Recomendaciones ....................................................................... 59

Conclusiones ..................................................................................................... 59

Recomendaciones ............................................................................................. 59

Bibliografía ............................................................................................................ 60

Anexos .................................................................................................................. 64

Introducción

10

Introducción

Los equipos electrónicos, para su funcionamiento necesitan de una fuente de

alimentación que convierta el voltaje de la red (CA) a un voltaje menor (CD), al cual

operan los mismos, incluso aquellos que para su uso dependen de una batería

necesitan ser recargados al menos una vez, esto se logra a través de un adaptador

conectado a la red eléctrica u otro medio de suministro como paneles solares o

acumuladores.

La electrónica de potencia se define como la parte de la electrónica encargada de

transformar y adaptar la energía eléctrica para su utilización en cualquier sistema o

circuito. Esto se realiza por medio de la aplicación de componentes electrónicos,

generalmente semiconductores para realizar el control y transferencia de la

energía[1]–[4].

Dentro del campo de la electrónica el estudio de las fuentes de alimentación es un

tema de suma importancia debido a la incontable cantidad de aplicaciones que

necesitan del uso de estos dispositivos para su funcionamiento. Estas fuentes no

se alimentan con un único tipo y nivel de energía, para solucionar éste problema se

utilizan los convertidores, adaptando la distribución de voltaje y corriente al

necesitado por la carga. Por tanto, los circuitos electrónicos de potencia son los

encargados de transformar la energía eléctrica de un tipo a otro, o dentro del mismo

tipo, modificando alguno de sus rangos o características por medio de la utilización

de elementos electrónicos (semiconductores), buscando adaptar la energía

aplicada a las necesidades de la carga.

Dentro de este sinfín de aplicaciones los convertidores conmutados de alta

frecuencia toman un papel de suma importancia debido a las características

eléctricas y físicas de los dispositivos, ya que presentan mejores características en

variables como lo son las conversiones de voltaje, las características del rizado de

salida y la naturaleza de las corrientes de entrada y de salida, entre otras. Su

principio básico de funcionamiento se da por medio de la conmutación rápida de

Introducción

11

los elementos interruptores, los cuales modifican las formas de ondas de corriente

a través del convertidor, principio que permite al circuito obtener un nivel de tensión

promedio en sus terminales de salida que coincida con la tensión de referencia

planteada[1], [3], [5].

El control de la magnitud de tensión de salida se da por medio de un lazo de control,

el cual muestrea la tensión de salida del convertidor y realiza acciones de control

sobre los elementos internos del convertidor. Por tanto, regula el tiempo de

encendido de un transistor de paso (modulación por ancho de pulso) o modifica el

tiempo de conmutación del convertidor manteniendo un tiempo de encendido del

transistor fijo (frecuencia variable).

La utilización de fuentes lineales en los inicios del desarrollo de la electrónica fue

muy necesaria, sin embargo, existen gran cantidad de inconvenientes al utilizar este

tipo de fuentes, ya que tienen un gran tamaño y disipan la mayor parte de la energía

en forma de calor, además de que presentan características muy pobres de

regulación de tensión que afectan el funcionamiento del equipo [1], [2], [6].

Conforme se dio el avance de la electrónica los equipos se fueron tornando más

susceptibles a variables como sobre-tensiones, cambios bruscos o ruido en las

tensiones de alimentación, haciendo esto imprescindible el uso de fuentes

conmutadas reguladas que garanticen características más adecuadas de la tensión

que alimenta el dispositivo electrónico.

Por tanto, debido a las exigencias actuales que demanda la implementación de esta

temática en la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, o como

asignatura complementaria en el postgrado dentro de la Maestría de Señales y

Sistemas, se hace necesario un profundo análisis de este tema para mejorar la

impartición de este contenido como asignatura optativa dentro del curso regular

diurno, debido a las tendencias actuales que genera su estudio y cómo aplicarla en

otras disciplinas de la carrera tales como: Televisión Analógica, Televisión Digital,

Radioelectrónica y la Práctica Laboral correspondiente al 3er año de la carrera, por

tanto, se formula el siguiente problema de investigación: ¿Cómo elaborar recursos

Introducción

12

que faciliten el aprendizaje de Fuentes Conmutadas(FC), de utilidad tanto para el

pregrado como el postgrado?

La investigación tiene como objetivo general elaborar recursos que faciliten el

aprendizaje de las Fuentes Conmutadas en asignaturas a fines a la electrónica. De

este objetivo general, se derivan los objetivos específicos siguientes:

1. Identificar tendencias asociadas con el desarrollo de las FC y sus

aplicaciones.

2. Determinar las herramientas de simulación a emplear en el análisis de

fuentes conmutadas, destacando posibilidades y limitaciones.

3. Definir los criterios para la elaboración de los recursos.

4. Diseñar un Tutorial sobre fuentes conmutadas.

El informe de esta investigación se estructura de la siguiente forma:

Una introducción donde se precisa el diseño teórico y metodológico, y tres

capítulos. El Capítulo I se titula: Introducción a las fuentes conmutadas, en él se

trata la historia, evolución, conceptualización y diagrama en bloques de las FC, así

como sus tendencias actuales de desarrollo, de acuerdo a sus fabricantes y

aplicaciones. Con el objetivo de fomentar la temática de FC en la docencia de la

FIE (Facultad de Ingeniería Eléctrica), en este capítulo se hace una recogida

bibliográfica en varias universidades de referencia y los recursos que emplean para

su impartición. En el Capítulo II se enuncian las topologías de fuentes conmutadas

estándar ATX más utilizadas y se hace énfasis en el convertidor Flyback. Se realiza

un análisis de las herramientas de simulación y se describe la estrategia de empleo

de los simuladores Multisim , Psim y LTSpice, en el análisis y diseño de las FC. En

este apartado también se diseñan y elaboran los recursos, así como la definición

de los criterios a tomar en cuenta. Durante el Capítulo 3 se aborda lo referente a la

elaboración del Tutorial y a la discusión de los resultados obtenidos, estableciendo

comparaciones entre teoría y simulación. También se tiene en cuenta una

valoración económica de los recursos empleados para el diseño.

Capítulo 1: Introducción a las fuentes conmutadas

13


1.1 Historia y evolución de las fuentes conmutadas

Las fuentes de alimentación en modo conmutado o SMPS ( Switching Mode Power

Supplies) por sus siglas en inglés, fueron desarrolladas inicialmente para

aplicaciones en la carrera militar y aeroespacial, con el objetivo de reducir peso y

consumo de toda la electrónica llevando al primer desarrollo de fuentes de

alimentación conmutadas. Así en los años cuarenta se dieron los primeros pasos

en sistemas conmutados por parte de la NASA. En 1977 se introduce la regulación

en la modalidad de conmutación. Con las fuentes de conmutación se viene a

mejorar el factor de eficiencia hasta en un 95% teóricamente, por lo cual su

implementación en equipos de computación y video a lo largo de los años[1]–[5],

[7], [8].

Muchos equipos electrodomésticos que funcionaban con corriente directa (CA) en

aquella época, eran muy sensibles a las sobretensiones, con el avance de la

tecnología fueron poco a poco bajando el voltaje de alimentación para estos

dispositivos electrónicos haciendo equipos más sofisticados y desde este punto de

vista fueron surgiendo las fuentes conmutadas.

En principio era una tecnología muy cara y desconocida. Paulatinamente, el

abaratamiento de la electrónica y la miniaturización, ha logrado que se abaraten

considerablemente, ofreciendo mayor estabilidad, seguridad, eficiencia y a un

precio similar a las fuentes lineales. Al principio todos los convertidores trabajaban

con sus componentes en la parte lineal de la curva característica. Como es

conocido, es muy fácil obtener de una tensión continua, otra tensión continua

inferior por medio de componentes lineales a través de una resistencia variable

entre la entrada y la carga.

El problema principal de las fuentes lineales consiste en que al trabajar los

elementos de potencia (transistores bipolares) en su zona activa, se obtienen

elevadas pérdidas de potencia, llegando a picos de hasta el 60% de pérdidas,


14

estando comprendidas éstas en el intervalo (30,60) %, (esto significa que de cada

10 watts entregados por la fuente 6 watts son disipados en forma de calor). Como

es lógico no es un rendimiento o unas pérdidas de potencia asumibles por la

industria, añadido a este inconveniente aparece el tamaño y el peso de dichos

convertidores, debido a que todos los componentes inductivos y capacitivos del

convertidor trabajan a la frecuencia de red; por todo esto la industria electrónica

buscó la forma de obtener conversión de energía a través de convertidores, más

pequeños, ligeros y sobre todo con un mejor rendimiento[3], [9]. A pesar de que a

nivel industrial los reguladores lineales no son viables económicamente por su

reducido rendimiento, se siguen empleando en aplicaciones de pequeña potencia

y bajo coste, por sus ventajas:

1. Emplea circuitos más baratos y simples que el resto de convertidores.

2. Existen, en el mercado, un gran número de circuitos integrados, bien

ajustados y optimizados; por lo que no hace falta diseñarlos.

3. Éste tipo de reguladores no produce interferencias electromagnéticas (EMI)

con otros equipos.

Tras el uso de reguladores lineales en la industria, se comenzó a estudiar la

aplicación de los transistores de tipo MOSFET (transistor de efecto de campo metal-

óxido semiconductor), IGBT (transistor bipolar de compuerta aislada), SIT

(transistor de inducción estática), GTO (tiristor de apagado por compuerta), para

ser utilizados como elementos de potencia en los convertidores, haciéndoles

trabajar en las zonas no lineales de sus características, en saturación o en corte

(cerrado o abierto). Al no operar en la región activa, tienen una menor disipación de

potencia, por lo que, se pueden aproximar a interruptores ideales; a este tipo de

convertidores se les conoce como Convertidores de Modos Conmutados. Como

sería lógico esperar, este tipo de convertidores tiene ventajas sobre los

Convertidores Lineales:

1. Al trabajar los transistores de potencia en conmutación, (OFF u ON) se

obtiene un mayor rendimiento que en el caso anterior, en el intervalo (70,90)


15

%; por lo que para realizar la misma conversión de potencia se necesitan

transistores de características menos estrictas[10].

2. Se pueden obtener tensiones de salida mayores a las de entrada y con

polaridad distinta[2].

3. Se puede diseñar los elementos inductivos o capacitivos a una frecuencia

mucho mayor que la de red, lo que provoca una disminución más que notable

de su tamaño y peso.

Por lógica no todo resulta ventajas en éste salto de calidad, apareciendo las

siguientes desventajas:

1. Dichos convertidores son más complejos de diseñar, controlar, reparar etc.

2. Generan interferencias electromagnéticas (EMI) que son debidas a la

conmutación de sus transistores de potencia a frecuencias elevadas[9].

3. El coste de los dispositivos controladores es más elevado.

1.1.1 Concepto de fuente conmutada

Es un dispositivo electrónico que produce energía eléctrica mediante elementos

activos potentes en conmutación, tales elementos conmutan la red de CA a altas

frecuencias trabajando a ambos extremos de su curva característica de corte a

saturación y viceversa. La onda de alta frecuencia aplicada al transformador de

ferrita es de forma cuadrada logrando uno o varios voltajes de CA que luego se

transforman a corriente directa mediante un filtro y rectificación de salida[1]–[14].

Por tanto, para comprender mejor el concepto se analiza su funcionamiento a través

del diagrama en bloques de la Figura 1.1:

http://es.wikipedia.org/wiki/Dispositivo_electr%C3%B3nico

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Conmutaci%C3%B3n_%28V%C3%A1lvulas%29


16

Figura 1. 1 Diagrama en bloques de una fuente conmutada.

En este diagrama se muestran varias etapas que están presentes en el

funcionamiento de una fuente conmutada regulada. Primeramente, se toma la

alimentación de la red industrial que es una corriente alterna (CA) la cual se

convierte a directa mediante un rectificador y filtro de entrada resultando una señal

de corriente directa.

En el segundo bloque se tiene la parte de potencia en modo conmutado la cual se

realiza mediante un MOSFET a una frecuencia elevada empleando dos técnicas de

modulación, una puede ser inducida por pulsos de frecuencia variable en caso que

la fuente sea autoscilante (PFM) o por modulación por ancho de pulso (PWM), esta

última con su ciclo útil de trabajo funciona de manera casi ideal, cuando el voltaje

de salida baje amplía su ancho de pulso corrigiéndolo a un nivel normal y lo mismo

si se eleva este ancho de pulso disminuye hasta el punto que se estabilice de

nuevo.

En la etapa de potencia también se utilizan métodos para reducir las pérdidas por

conmutación, las redes Snubber y Clamp minimizan los niveles de voltajes picos y

disminuyen la razón de cambio de la forma de onda de voltaje, esto reduce la

cantidad de solapamientos entre las formas de onda de corriente y voltaje durante

una transición beneficiando el área de operación segura (SOA-Safe Operating

Area) de los semiconductores y eliminando el contenido espectral de cualquier

interferencia por radiofrecuencia.


17

Mediante el elemento aislante, en este caso el transformador, se logra obtener uno

a varios voltajes a la salida a partir del voltaje de entrada dependiendo de las

necesidades del diseño y el núcleo debe trabajar a altas frecuencias por lo que se

utilizan núcleos de ferrita.

Después de obtener el voltaje alterno requerido a la salida se vuelve a rectificar a

directa y se filtra con un filtro paso bajo para evitar el ripple de alta frecuencia no

deseado en la carga. La red de realimentación supervisa la tensión de salida ante

variaciones en la carga o el voltaje de entrada comparando la salida con una

referencia y activa el control del interruptor (control diseñado a PWM o PFM) en

caso de detección de alguna falla.

1.2.1 Tendencias actuales de desarrollo de las FC, de acuerdo a sus

fabricantes y aplicaciones

La industria actual de los componentes electrónicos se inscribe en un marco más

amplio que es el de la industria de los sistemas electrónicos, cuyo alcance sólo

puede definirse por extensión a partir de la consideración de un amplio conjunto de

productos intermedios y finales. Dentro de esos sistemas electrónicos las fuentes

de alimentación conmutadas juegan un papel muy importante creando una

competencia en la industria actual, siempre tratando de satisfacer las necesidades

energéticas de los consumidores, haciéndose aún más difícil su diseño por lo que

cientos de fabricantes ya se han sumado a este mercado tan competitivo.

Muestra de ello, son los productos lanzados actualmente en el mercado por algunos

fabricantes, específicamente dirigidos al mercado comercial de fuentes para

ordenadores personales estándar ATX y al desarrollo de fuentes de alimentación

modulares para equipos médicos.

Fuente de alimentación modular inteligente Serie NMP de MEAN WELL

NMP es un modelo de MEAN WELL de fuente de alimentación modular inteligente

de última generación, que ofrece diseños en tres módulos de salida diferentes:

NMP-1K2 (1200 W), NMP-650 (650 W) y NMS-240 (240 W)[15], [16]. Esta familia

de productos ofrece la máxima flexibilidad en el voltaje y la potencia de salida

configurables, lo que permite a los usuarios personalizar completamente los


18

voltajes de salida eligiendo módulos de salida de 5 V, 12 V, 24 V y 48 V. Además,

el usuario puede aumentar la corriente de salida a través de la conexión en paralelo

de los módulos de potencia o aumentar el voltaje de salida a través de la conexión

en serie (ver Anexo 1. 1).

La familia NMP también proporciona funciones de control inteligentes que incluyen:

Encendido / apagado remoto (control global / local de encendido / apagado), que

puede encender / apagar todo el sistema de energía a la vez o activar / desactivar

el módulo específico por elección.

Programación de Voltaje de Salida (PV), usando voltaje de señal externa para afinar

o subir la tensión de salida. Programación de nivel de corriente constante (PC),

utilizando voltaje de señal externo para afinar o descontar el punto de disparo de

protección de sobrecarga (OLP).

La salida de señal DC OK permite que el sistema controle el estado de la fuente de

alimentación. Salida auxiliar de 5 V para controlar dispositivos dentro del sistema

que recibe alimentación de NMP.

NMP ofrece la máxima flexibilidad y funciones de control inteligente, especialmente

se adapta a varios tipos de aplicaciones en dominios médicos e industriales.

Fuente de alimentación ATX Corsair Professional Series de CX 750W/850W

Las fuentes de alimentación Corsair Professional Series establecen un nuevo nivel

de calidad que constituye un referente para las fuentes de alimentación de gama

alta. Diseñadas y fabricadas utilizando tecnología de vanguardia, cuentan con los

niveles de calidad más elevados del sector.

Siguen un riguroso programa de control de calidad en el que se prueban bajo una

carga del 100% y una temperatura ambiente de 50 ºC, lo que garantiza la máxima

estabilidad y fiabilidad incluso al utilizarlas con los sistemas más exigentes, con

microprocesadores de varios núcleos y equipados con varias tarjetas gráficas[17]–

[19]. También reducen al mínimo el consumo y la generación de calor, así como,

se encuentran entre las mejores del mundo, con un funcionamiento silencioso y una

baja temperatura operativa, gracias a su elevada eficiencia energética y a la


19

incorporación de ventiladores de alta calidad y gran diámetro controlados por

temperatura.

La fuente CX 750W/850W Corsair Professional (ver Anexo 1. 2) viene equipada con

las funciones más actuales e incorpora lo último en tecnología:

Garantía de suministro de la potencia máxima especificada a una

temperatura

ambiente de 50°C.

Hasta un 90% de eficiencia energética en condiciones reales de carga.

Diseño de raíl simple de +12 V capaz de suministrar hasta 70 A (60 A

para 750

W)

Compatible con GPU múltiple

Condensadores sólidos con temperatura máx. operativa de 105 °C.

Factor de corrección activa de corriente con un valor de corrección de

0,99.

Compatible con los estándares ATX12V 2.3 y EPS12V 2.91, así como con

equipos ATX12V 2.01.

Entrada de CA universal de 90 a 264 V equipada con circuito de

conmutación

Automática.

Protección frente a sobrecorriente, sobrevoltaje, sobrepotencia,

cortocircuitos y

Caídas de voltaje que garantiza la máxima seguridad de los

componentes.

Dimensiones: 150 mm (ancho) x 86 mm (alto) x 180 mm (fondo).

Tiempo medio entre fallos (MTBF): 100 000 horas.

Condensadores de estado sólido de 105 °C condensadores de estado

sólido

con una temperatura máxima de funcionamiento de 105 ºC, para un

rendimiento perfecto y fiabilidad total a largo plazo.


20

• Conversión eficiente de CC a CC para líneas de voltaje de 3,3 V y 5 V a

partir de la línea principal generada de 12V.

La serie Snow Silent de Seasonic

Esta serie(ver Anexo 1. 3) ha sido una de las más aceptadas

en el mercado y en los conocedores de la tecnología, con su aspecto elegante y

minimalista. La serie continúa como miembro de la nueva familia PRIME con tres

modelos: Snow Silent 750 Titanium, Snow Silent 650 Platinum y Snow Silent 550

Gold[4], [20].

Con estos nuevos modelos, Seasonic atiende a clientes que aprecian los

componentes confiables y de alta tecnología en sus compilaciones de

computadoras. Los resultados de la investigación avanzada de Seasonic se reflejan

en la salida de potencia de alta calidad, donde la regulación de la carga se mantiene

por debajo del 0,5% y el ruido de ondulación por debajo de los 20 mV.

Los cables completamente modulares se han convertido en el estándar para

fuentes de alimentación de alta calidad y las unidades Snow Silent vienen

equipadas con cables sueltos con conectores enchapados en oro que se pueden

usar individualmente según sea necesario para aliviar el aspecto desordenado

dentro de la carcasa de la PC. La solución de conexión sin cable dentro de la unidad

aumenta aún más la eficiencia y la calidad de la producción de potencia y, por

derecho, da testimonio de la innovación del equipo de ingeniería de Seasonic.

La combinación de diseño, precio, calidad y garantía de 12 años líder en la industria,

establece estas fuentes de alimentación muy por delante de la competencia.

Las unidades PRIME Snow Silent vienen con un conector SATA 3.3 y un probador

de PSU incluido en la caja. El comprobador de PSU proporciona una manera rápida

y fácil de verificar si la fuente de alimentación está funcionando correctamente.

También los niveles de sonido y las características de refrigeración de las fuentes

de alimentación Snow Silent de PRIME. El control de ventilador híbrido Premium


21

de Seasonic se complementa con un ventilador robusto y silencioso de rodamientos

de flujo dinámico de 135 mm, que no gira por debajo del 50% de la carga máxima.

Dependiendo de sus preferencias personales y requisitos de refrigeración, los

usuarios finales tienen la capacidad de cambiar manualmente entre dos modos de

control de ventilador.

1.2 La temática de Fuentes Conmutadas en asignaturas afines a la Electrónica

Analógica III

De acuerdo a la búsqueda realizada se encontraron varios artículos referentes a

este tema, no todos los sitios web correspondientes a las universidades de

referencia investigadas permiten acceder libremente a sus programas de

estudio[15], [21]–[25]. Como resultado de la investigación se comprobó que esta

temática no se imparte como contenido de Electrónica Analógica III sino como parte

implícita de la asignatura Electrónica de Potencia.

Por consiguiente, la selección de estas universidades tomó en cuenta también el

nivel actual de desarrollo en el proceso de formación profesional del estudiante. Las

universidades escogidas se exponen a continuación:

Mahatma Gandhi

Universidad Nacional Técnica de Buenos Aires

Instituto Técnico de Massachusetts (MIT)

Universidad de Texas

1.2.1 Mahatma Gandhi

En el segundo semestre del 3er año vienen incluidos varios cursos referidos a la

formación del ingeniero electrónico y eléctrico en la especialización de electrónica

de potencia y control[21]. Los cursos que imparten que tienen relación con la

Electrónica Analógica III están divididos por módulos, los cuales se relatan a

continuación:

El primer curso: Modos conmutados y Convertidores Resonantes, el cual incluye 4

módulos que se muestran a continuación:

Módulo 1:


22

Topologías Buck, Boost, Buck-Boost, operación básica de SMPS formas de onda,

modos de operación pérdidas por conmutación y conducción, frecuencia de

conmutación optima, límites prácticos de voltaje, corriente y potencia, relaciones de

diseño, principios de control del modo de voltaje. Topologías de Convertidor Push-

Pull y Forward, funcionamiento básico, formas de onda. Problema y soluciones de

desequilibrio de flujo. Diseño de transformador. Diseño de filtro de salida. Cambios

de tensiones y pérdidas. Magnetismo de conversión hacia adelante. Control de

modo de voltaje. Conversor de puente completo y completo. Operación básica y

formas de onda. Magnéticos. Filtro de salida. Desequilibrio de flujo. Cambio de

tensiones y pérdidas. Límites de potencia. Modo de control por voltaje. Convertidor

Flyback. Operación en modo discontinuo. Formas de onda y Control. Magnetismo.

Tensiones y Pérdidas. Desventajas. Operación en modo continuo. Formas de onda

Control. Relaciones de diseño.

Módulo 2:

Control del modo de voltaje de SMPS. Lazos de ganancia y consideraciones de

estabilidad. Respuesta de frecuencia del amplificador de error. Función de

transferencia de amplificador de error. Transconductancia del amplificador de error.

Estudio de circuitos integrados de control a PWM más populares (SG 3525, TL 494,

MC34060 etc.). Control de modo actual de SMPS. Ventajas de control de modo

actual. Modo actual Vs Modo de voltaje. Deficiencias de modo actual.

Compensación de pendiente. Estudio de un circuito integrado de control de PWM

de modo actual típico UC3842.

Módulo 3:

Modelado de SMPS. Promediado del espacio estatal y linealización. Aproximación

del promedio del espacio del estado para la continuidad. Modos de conducción

continuos y discontinuos. Aproximación de señal pequeña: Circuitos Equivalentes

Lineales Generales de segundo orden. Consideraciones generales de la ley de

control. Función de transferencia de fuente a estado. Función de transferencia de

origen a salida. Estabilidad Compensación de bucle. Generación y filtrado de la

Interferencia Electromagnética (EMI, por sus siglas en inglés) en SMPS.


23

Mecanismos de emisión conducidos y radiados en SMPS. Técnicas para reducir

las emisiones. Blindaje y conexión a tierra. Disposición del circuito de potencia para

EMI mínimo. Filtrado EMI en el efecto de entrada y salida.

Módulo 4:

Convertidores resonantes. Introducción a los Convertidores Resonantes.

Clasificación de Convertidores Resonantes. Conceptos del Circuito Resonante

Básico. Conversor resonante de carga. Conversor de Conmutador Resonante.

Topologías de conmutación a cero voltajes (ZVS). Inversores CD. Enlaces

resonantes con cambio de voltaje cero. Convertidor de medio ciclo integral de

enlace de alta frecuencia.

El segundo curso se denomina Calidad de Poder y contiene tres módulos.

Módulo 1:

Introducción, calidad de la energía, calidad del voltaje, visión general de los

fenómenos de calidad de energía. Clasificación de problemas de calidad de

energía, medidas y estándares de calidad de energía THD-TIF-DIN-C. Aparición de

problemas de calidad de energía. Curvas de poder de aceptabilidad: guías IEEE,

estándares y prácticas recomendadas.

Módulo 2:

Armónicos. Distorsión armónica individual y total. Valor RMS de armónicos.

Dispositivos importantes de introducción de armónicos. SMPS. Convertidores de

potencia trifásicos. Dispositivos de arco. Dispositivos saturables. Distorsión

armónica de lámparas fluorescentes. Efecto de los armónicos del sistema de

potencia en el sistema de potencia equipo y cargas.

Modelado de redes y componentes en condiciones no sinusoidales. Sistemas de

transmisión y distribución. Condensadores en derivación. Transformadores.

Máquinas eléctricas. Sistemas de tierra, cargas que causan problemas de calidad

de energía. Problemas de calidad de energía creados por las unidades y su impacto

en las mismas.

Módulo 3:


24

Mejora del factor de potencia. Compensación pasiva. Filtrado pasivo. Resonancia

armónica. Frente de fase monofásico corregido del factor de potencia activa,

métodos de control para APFC monofásico, APFC trifásico y técnicas de control,

PFC basado en convertidor trifásico y monofásico bilaterales.

1.2.2 Universidad Nacional Técnica de Buenos Aires

En esta universidad de acuerdo al Plan 95 Adecuado la asignatura Electrónica de

Potencia, perteneciente a la cátedra 128 en el bloque de tecnología básica, es

cursada de forma obligatoria por los estudiantes de 5to año de Ingeniería

Electrónica e incluye las siguientes temáticas:

Unidad Temática 1: Generalidades

El medio industrial. Características ambientales y de utilización para los equipos.

Descripción y análisis de equipos de potencia. Tendencias actuales de la técnica y

de los dispositivos electrónicos de potencia. Diferencias con componentes

electrónicos de señales de bajo nivel[22].

Temática 2: Dispositivos de cuatro capas

Funcionamiento y características técnicas de dispositivos de cuatro capas: SCR,

TRIAC, MCT y GTO. Manejo de hojas de datos, montajes y cálculo. Tendencias de

la técnica.

Unidad Temática 3: Rectificadores

Rectificadores con diodos y tiristores. Monofásicos, semi y totalmente controlados,

con carga resistiva e inductiva. Control de fase. Selección de tiristores y diodos.

Métodos de cálculo.

Unidad Temática 4: Protección de semiconductores

Protección de dispositivos semiconductores. Fuentes de transitorios de tensión.

Selección de componentes de protección.

Unidad Temática 7: Inversores

Inversores de tiristores. Interferencias, Armónicos (THD), Factor de potencia.

Fuentes de alimentación ininterrumpibles (UPS).


25

Unidad Temática 8: Transistores

Transistores de potencia: Bipolares, CMOS, GTR e IGBT. Características y análisis

comparativo entre ellos. Comportamiento en conmutación con carga inductiva. Área

de operación segura(SOA). Tiempos de conmutación. Potencia disipada en

conmutación. Redes de anti saturación y de protección.

Unidad Temática 9: Reguladores en modo conmutados

Topología de reguladores conmutados sin aislamiento: Buck, Boost, Buck - Boost

y Cuk. Análisis de funcionamiento de los mismos. Cálculo y selección de

componentes.

Unidad Temática 10: Convertidores conmutados aislados

Convertidores Forward y Fly-Back. Convertidores Push - Pull, Semi-puente y

Puente. Análisis de funcionamiento de los mismos. Cálculo y selección de

componentes[10].

Modulación por ancho de pulso (PWM). Selección de los transistores.

1.2.3 Instituto Técnico de Massachusetts (MIT)

Este instituto ofrece el estudio de la Electrónica de Potencia a través de un curso

abierto conocido como MIT Open Course Ware donde los temas abordados

incluyen: modelación, análisis y técnicas de control, diseño de circuitos de potencia

incluyendo inversores, rectificadores y convertidores CD-CD, análisis y diseño de

componentes magnéticos y filtros, así como las características de los dispositivos

semiconductores de potencia. Numerosos ejemplos de aplicaciones se presentan

para tener nociones de los sistemas de control en fuentes de alimentación. El orden

de los contenidos está ordenado por capítulos, según se muestra en la Tabla 1.1:

Tabla 1. 1 Capítulos abordados en la Electrónica de Potencia del MIT Open Course Ware

Capítulos Temas

1. Introducción y análisis de los métodos.

2. Introducción a los rectificadores.

3. Rectificadores con control de fase.


26

4. Introducción a los convertidores CD-CD.

5. Introducción a magnéticos.

6. Convertidores aislados.

7. Modelación y control.

8. Inversores (convertidores CD-CA).

9. Rectificadores en modo conmutado.

10. Circuito amortiguador y pérdidas por conmutación.

11. Técnicas de conmutación suave.

12. Modelaje térmico y disipación de potencia

13. Filtro EMI (interferencia electromagnética)

14. Factor de potencia y medición de armónicos

15. Sistemas trifásicos

16. Convertidores Resonantes

1.2.4 Universidad de Texas

De acuerdo al Plan de Estudio EE362L de la asignatura Electrónica de Potencia de

la Universidad de Texas, el estudiante de tercer año de la carrera de Ingeniería

Electrónica debe ser capaz de analizar, diseñar y operar con circuitos electrónicos

de potencia. Debe hacer énfasis en la conversión de potencia monofásica de CA-

CD, CD-CD, CD-CA, y maximizarla en celdas fotovoltaicas[24], [25]. Según el

programa de estudio esta materia concluye con el diseño y construcción de un

circuito electrónico de potencia de 150W en el laboratorio de potencia estableciendo

una comparación en cuanto a rendimiento entre teoría y práctica.

En la Tabla 1. 2 se observa el plan de clases EE362Lcon los temas asociados a la

electrónica de potencia.

Tabla 1. 2 Orden de los contenidos correspondientes al programa EE362L de la Universidad de Texas.

# de clases Tema

1. Componentes básicos del circuito. SCR, TRIAC, MOSFET, IGBT,


27

2. Transformadores, puente rectificador a diodos (DBR). Formas de onda y definiciones.

3. Convertidores Buck CD-CD

4. Convertidores Boost CD-CD.

5. Convertidores SEPIC CD-CD. Control a PIC para Convertidores Boost CD-CD .

6. Inversor a Half-bridge – básicos y controlador PWM unipolar.

7. Inversor a Half-bridge – circuito de disparo aislado.

8. Inversor a Half-bridge – sección de rectificación y filtro de salida.

1.3 Generalidades de los contenidos de FC en universidades de referencia

Después de comparar los planes de estudio en las universidades de referencia se

elaboró un resumen que incluye las generalidades de los contenidos de la

Electrónica de Potencia, así como, los antecedentes del tema de FC en Electrónica

Analógica III[10], [15], [21]–[27].

1.Introducción a los componentes asociados a una fuente conmutada. Dispositivos

semiconductores: MOSFET, BJT, FET, IGBT. Dispositivos de cuatro capas: SCR,

TRIAC, MCT y GTO.

2.Rectificadores con diodos y tiristores. Monofásicos, semi y totalmente

controlados, con carga resistiva e inductiva. Control de fase. Selección de tiristores

y diodos. Métodos de cálculo.

3.Introducción a magnéticos, principio de funcionamiento, cálculo y selección de los

mismos.

4.Topologías de convertidores conmutados no aislados: Buck, Boost, Buck-Boost,

SEPIC, Cuk. Análisis de funcionamiento de los mismos. Cálculo y selección de

componentes.


28

5.Topologías de convertidores conmutados aislados: Flyback, Forward, Half-

Forward, Push-Pull, Medio Puente y Puente Completo. Análisis de funcionamiento

de los mismos. Cálculo y selección de componentes.

6.Métodos de control a lazo cerrado de las distintas topologías de convertidores

conmutados a PWM y PFM.

7.Mejora del factor de potencia. Compensación pasiva. Filtrado pasivo. Resonancia

armónica.

1.4 ¿Cómo se trata el tema de FC en la Universidad Central ‘’Marta Abreu’’ de Las

Villas?

El tema de las FC se imparte en la Universidad Central ‘’Marta Abreu’’ de Las Villas

en todas las carreras de la Facultad de Ingeniería Eléctrica (FIE). En la carrera de

Ingeniería Automática e Ingeniería Eléctrica se aborda en la asignatura de

Accionamiento Eléctrico. En la carrera Ingeniería en Telecomunicaciones y

Electrónica se estudia a través de la Electrónica Analógica III, en la cual se imparte

en la segunda conferencia y en laboratorios simulados de la misma. La conferencia

abarca las fuentes conmutadas sin aislamiento galvánico (tipo Buck, Boost y Buck-

Boost) así como aplicaciones de los mismas utilizando circuitos integrados como

LM 2574/76 (convertidor Buck), donde se calculan, evalúan y simulan parámetros

eléctricos utilizando la herramienta de simulación Multisim (de National

Instruments). Dentro de la carpeta (10.12.1.68) correspondiente a las conferencias

hay un video que trata sobre las aplicaciones de fuentes conmutadas y

fundamentalmente ligado a la Televisión Analógica, por lo demás hay poca

disponibilidad de material bibliográfico en la carpeta de la asignatura sobre este

tópico[28].

Capítulo 2 Fuentes conmutadas y herramientas de simulación

29


De forma general en este capítulo se mencionan la FC más utilizadas en estándar

ATX, pero particularmente se hace hincapié en el convertidor Flyback en cuanto a

topología, modos de trabajo, aislamiento, funcionamiento, etapa de control,

ecuaciones de diseño y formas de onda. También se hace un análisis de la

herramienta de simulación a emplear teniendo en cuenta posibilidades y

limitaciones. Como criterio para la elaboración de los recursos se plantean dos

ejercicios de diseño y simulación, mediante los cuales se podrá establecer

comparación entre teoría y práctica, teniendo en cuenta variación de parámetros

con análisis transitorio. Además, se tienen en cuenta análisis de temperatura y de

Montecarlo debido a la implementación real de un módulo de componentes para el

laboratorio de Electrónica Analógica de la FIE.

2.1 Régimen de operación

Todos los convertidores conmutados presentan dos tipos de conducción, los cuales

se deben al tiempo en que el elemento almacenador de energía realiza sus ciclos

de carga y descarga de la misma. Analizando estas variables propiciadas por la

topología y el valor de los componentes electrónicos del circuito se definen dos

modos distintos de conducción del convertidor, los cuales se clasifican de acuerdo

a las condiciones de la magnitud de la corriente de salida del circuito. Estos modos

de conducción son:

Modo continuo

Modo discontinuo

En el modo continuo la corriente fluye por el elemento almacenador de energía

durante todo el ciclo de control, llegando a puntos donde se obtiene una intensidad

de corriente máxima o mínima, pero que nunca llega a anularse; en cambio en el

modo discontinuo, la magnitud de la corriente de salida del convertidor cae a cero

en una porción del ciclo, de manera que el valor de la intensidad de corriente

comienza en cero, llega a un valor pico y retorna a cero en cada ciclo. A la hora de


30

realizar el diseño de un convertidor se debe tener muy en cuenta el tipo de

aplicación para el cual va a trabajar la fuente, ya que existen aplicaciones que no

soportan una fuente trabajando en modo discontinuo. De igual manera el diseño

debe ser capaz de asegurar que la fuente no cambie su régimen de operación en

ningún momento[1], [2], [4], [7], [8], [10], [12], [14], [29], [30].

2.2 Aislamiento

Según la topología de conexión del convertidor se pueden clasificar en:

1. Sin aislamiento galvánico.

2. Con aislamiento galvánico.

El aislamiento es una característica de importancia según sea la aplicación que se

va a dar al circuito, por ejemplo, en una aplicación donde la regulación de voltaje

se hace a partir de la red de suministro obtener un aislamiento entre la red y el

dispositivo es una característica deseable[18].

2.2.1 Topología de fuentes conmutadas sin aislamiento galvánico

Buck

Boost

Buck-Boost

2.2.2 Topología de fuentes conmutadas con aislamiento galvánico

Con respecto a este tema, a continuación, se señalan las más utilizadas en los

diseños de fuentes conmutadas, estándar ATX comerciales del mercado. Solo se

describe la topología Flyback desde su principio de funcionamiento hasta sus

ecuaciones de diseño, ya que es el tipo de fuente con la cual se trabaja en esta

investigación.

Flyback

Forward

Half-Forward

Push-Pull

Half-Bridge

2.2.2.1 Flyback


31

La topología del circuito para el convertidor Flyback se muestra en la Figura 1.2:

Figura 1. 2 Convertidor Flyback

𝑉𝐷𝐶 es el voltaje que proviene de la red industrial con la particularidad que ya viene

como corriente directa debido a que fue rectificado y filtrado. Cuando el transistor

Q1 se activa, el voltaje de alimentación aparece a través del primario del

transformador y se induce un voltaje correspondiente en el secundario. Cuando Q1

está apagado, se induce un voltaje de polaridad opuesta en el primario por el

secundario, debido a la acción de transformación. El voltaje mínimo del circuito

abierto del transistor es

𝑉𝑂𝐶 = 𝑉𝐷𝐶 (Ecuación 1.1)

. La corriente de entrada es pulsante y discontinua. Sin la presencia del diodo D2,

fluirá una corriente de CD a través del transformador. Cuando Q1 está apagado, el

diodo D2 y el condensador C1 restablecen el núcleo del transformador. C1 se

descarga a través de R1, cuando D2 está apagado y en cada ciclo se pierde

energía. Este circuito es muy sencillo y está restringido a aplicaciones por debajo

de 500 W. Se trata de un convertidor directo que requiere de un lazo de

retroalimentación de control de voltaje[1], [2], [4], [9], [10], [14], [29], [30].

Las señales del convertidor se muestran a continuación tanto para MCC (Modo de

corriente continua) como para MCD (Modo de corriente discontinua) según las

Figuras 1.3 y 1.4 respectivamente.


32

Flyback MCC:

Figura 1. 3 Formas de onda del convertidor Flyback en modo de conducción

continuo.

Flyback MCD

Figura 1. 4 Formas de onda del convertidor Flyback en modo de conducción

discontinuo

Por tanto las ecuaciones de diseño para MCC son:

Estableciendo las relaciones terminales del convertidor:

sNV 0 (Ecuación 1.2)

𝑉0 =𝑁𝑆

𝑁𝑃∗ (

𝐷

1−𝐷) ∗ 𝑉𝐷𝐶 (Ecuación 1.3)

𝐼𝐷𝐶 =𝐷2∗𝑉𝐷𝐶∗𝑇𝑆

𝐿𝑚 (Ecuación 1.4)


33

Para el transistor:

𝑉𝐷𝑆 = 𝑉𝐷𝐶 + 𝑉0 ∗ (𝑁𝑃

𝑁𝑆) + 𝑉𝑠𝑝𝑖𝑘𝑒 (Ecuación 1.5)

𝐼𝑄𝑝𝑒𝑎𝑘= (

𝑁𝑆

𝑁𝑃) ∗ (

𝐼0

(1−𝐷)+

∆𝐼

2) (Ecuación 1.6)

Del diodo se tiene:

𝐼𝐷 = (𝐼0

(1−𝐷)+

∆𝐼

2) (Ecuación 1.7)

𝑉𝐷 = 𝑉𝑂 + (𝑁𝑆

𝑁𝑃) ∗ 𝑉𝐷𝐶 (Ecuación 1.8)

Para el inductor:

𝐿𝑚𝑚𝑖𝑛=

(1−𝐷)2∗𝑅

2∗𝑓𝑠∗ (

𝑁𝑃

𝑁𝑆)2 (Ecuación 1.9)

Para el MCD:

Estableciendo las relaciones terminales del convertidor:

𝑉0 =𝑁𝑆

𝑁𝑃∗ 𝐷 ∗ √

𝑅∗𝑇𝑆

2∗𝐿𝑚 (Ecuación 1.10)

Para el transistor:

𝑉𝐷𝑆 = 𝑉𝐷𝐶 + 𝑉0 ∗ (𝑁𝑃

𝑁𝑆) + 𝑉𝑠𝑝𝑖𝑘𝑒 (Ecuación 1.11)

𝐼𝑄𝑝𝑒𝑎𝑘=

𝑉𝐷𝐶∗𝑡𝑜𝑛


Del diodo:

𝐼𝐷 = (𝑉𝐷𝐶∗𝑡𝑜𝑛

𝐿𝑚) ∗ (

𝑁𝑃

𝑁𝑆) (Ecuación 1.13)

𝑉𝐷 = 𝑉𝑂 + (𝑁𝑆

𝑁𝑃) ∗ 𝑉𝐷𝐶 (Ecuación 1.14)

Para el inductor:

𝐿𝑚𝑚𝑎𝑥=

𝑉𝐷𝐶∗𝑇𝑠∗𝐷



34

2.3 Etapa de control

De cierta manera, se puede clasificar el método de control según la existencia de

un lazo de realimentación, de esta manera el tipo de control se puede clasificar

como de lazo abierto o de lazo cerrado. A continuación, se presenta una descripción

del método de control a lazo abierto, en este caso el control a utilizarse en las

simulaciones.

2.3.1 Lazo abierto

Tal como intuitivamente se puede pensar, el convertidor trabajando con un lazo de

realimentación abierto no tiene ningún tipo de control sobre la señal de salida del

convertidor más allá del control que ejerce sobre la señal de conmutación, señal

que es la que se encarga de realizar el control de apertura y cierre del elemento

conmutador, que en la aplicación estudiada corresponde al transistor. La señal de

conmutación se encuentra determinada por comparación directa entre una señal

de referencia con una señal de frecuencia fija procedente de un oscilador que es la

encargada de fijar la frecuencia de operación del convertidor.

El diagrama esquemático de este tipo de control se muestra en la Figura 1.11:

Figura 1.5 Etapa de control a lazo abierto

Este método de control del convertidor en muchas aplicaciones no resulta eficiente

debido a la imposibilidad de ejercer algún tipo de control sobre la tensión de la señal

de salida variables, que es de gran relevancia en múltiples aplicaciones.

La imposibilidad ya mencionada de realizar control sobre la tensión de salida del

convertidor se debe a que para esta topología de control el ciclo de trabajo

permanece constante y delimitado según los valores de la tensión de referencia.


35

2.4 Comparativa de simuladores

Actualmente en cualquiera de las ramas de la ingeniería, y sobre todo en la rama

de la electrónica, debido a su rápido avance, los proyectos realizados son cada vez

más complejos, costosos y difíciles de ejecutar. Debido a que la complejidad

matemática de gran parte de los procesos de diseño, en todos los ámbitos de la

Ingeniería, crece de forma exponencial se hace más que necesario la realización

de los circuitos con programas especializados en Simulación y Modelado de

sistemas a través de una computadora, siendo cada vez más importante su

conocimiento de uso, aplicación y funcionalidades para los ingenieros actuales.

Estos programas de simulación de sistemas también son utilizados en el área de la

Electrónica de Potencia, principalmente se usan porque facilitan el trabajo directo

con prototipos y se necesita capacidad gráfica para comprobar las variaciones de

las señales a estudiar en las estaciones de trabajo, y las tabulaciones numéricas

son difícilmente utilizables debido a su complejidad de comprensión[10], [14], [31].

Para resolver esta problemática se hace necesario un profundo análisis de las

posibles herramientas de simulación a utilizar y los recursos informáticos con los

cuales se cuenta, tal que facilite el aprendizaje de fuentes conmutadas para la

asignatura Electrónica Analógica III. Para ello se accedió a investigar la situación

actual de los módulos existentes en cada puesto de trabajo del laboratorio de

computación correspondiente a la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y

Electrónica.

Tras la investigación se obtuvieron los siguientes datos:

En cuanto a microprocesador:

- 12 ordenadores con microprocesador Intel Celeron Dual Core 3.10

GHz.

- 6 ordenadores con microprocesador Intel i3 de 4ta generación

Dual Core 3.4 GHz.

- 2 ordenadores con microprocesador Intel i5 de 3era generación

Quad Core 3.0 GHz.

En cuanto a memoria RAM:


36

- Excepto 2 ordenadores que tienen 4GB, los demás tienen 2GB

En cuanto a sistema operativo:

- Todas tienen instalado Linux Versión 16.4 y Windows 7 Ultimate

de 64 bits.

En cuanto a almacenamiento interno:

- Todas tienen 1TB de disco duro.

Los simuladores escogidos para realizar esta comparación se señalan a

continuación:

Multisim 14.0 (de National Instruments)

LTSpice XVII (de Linear Technology)

Psim 11.1.3 (de PowersimTech)

Para lograr establecer una comparación entre los tres simuladores es necesario

observar los requisitos mínimos que exige cada uno.

Multisim 14.0 (de National Instruments)[12], [28], [32]

Microprocesador clase Pentium 4/M o equivalente

1 GB de memoria

2 GB de espacio libre en disco

Tarjeta de gráficos en 3D Open GL recomendada (adaptador de

resolución de video SVGA con resolución de video mínima de 800 x 600,

1024 x 768 o mayor)

LabVIEW 2015 o 2016 (para desarrollar instrumentos

personalizados basados en LabVIEW para uso en Multisim)

LA versión 14.0 es compatible con Windows 7 Ultimate de 64 bits,

pero no con Linux.

Psim Demo 11.1.3 (de PowersimTech)[3], [10], [14], [33]

Psim corre en Microsoft Windows 7, 8, o 10 en cualquiera de sus

versiones, y está disponible tanto para 32-bit como 64-bit.

Un mínimo de 500MB de RAM.

El programa ocupa cerca de 560MB de disco duro.


37

Microprocesador clase Pentium 4 o equivalente.

LTSpice XVII (de Linear Technology)[10], [34], [35]

Corre para todas las versiones de Windows 7, 8 y 10 y tanto 64

bits como 32 bits. Para poder instalarlo en Linux tiene que ser la versión

XVII y mediante un enlace llamado WINE y según los analistas del

programa corre mejor en Windows.

Para la versión de 64 bits, LTSpice XVII (XVIIx64.exe) puede usar

toda la memoria que esté habilitada por el usuario, pero aún conserva la

mayoría de los datos en el disco para permitirle al usuario ver los datos

de forma de onda que exceden la memoria física.

Observados los requisitos mínimos que exige cada programa se llega a la

conclusión de que tanto LTSpice XVII como Psim están aptos para ser instalados

en los ordenadores del laboratorio y correr sin ningún problema. Pero esto no es

suficiente para lograr la calidad que realmente requiere el aprendizaje de fuentes

conmutadas en la asignatura Electrónica Analógica III, ya que de los software

seleccionados solo Psim está diseñado específicamente para la electrónica de

potencia. Al solo tener acceso a la versión Demo es más engorroso a la hora de

trabajar con circuitos integrados por subcircuitos. Sin embargo, LTSpice XVII a

pesar que es poco interactivo es un software muy preciso en las simulaciones. Su

único inconveniente es que a la hora de analizar el subcircuito del integrado se debe

consultar la hoja de datos del mismo mediante la navegación por Internet.

2.5 Simulación de una fuente Flyback típica a lazo abierto. Análisis y diseño de sus

parámetros

En este epígrafe se toman en cuenta dos ejercicios de diseño y montaje virtual de

circuitos Flyback, con el objetivo de incentivar al estudiante de 3er año de la carrera

Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica en el estudio de las FC, y qué mejor

ejemplo que una topología Flyback que es la más empleada de todas en fuentes

Stand By. El primer ejercicio incluye fundamentalmente la simulación del circuito y

a partir de ahí comprobar todas las variaciones de parámetros en la salida que se

generan a través de cambios en las propiedades de los componentes. Por otra


38

parte, en el segundo ejercicio se plantean las especificaciones del circuito y

aplicando las ecuaciones de diseño, se calculan los valores de los elementos y se

compila, llegando a conclusiones entre teoría y simulación[1], [10], [14], [30]. El

diseño también implica una particularidad, ya que a la hora de implementar el

circuito de forma real se hace necesario un análisis tanto económico como

cualitativo para la elección de cada componente del circuito. Los resultados de los

ejercicios se muestran en el epígrafe 3.2.1 y 3.2.2 respectivamente.

2.5.1 Especificaciones y preguntas del primer convertidor

Las especificaciones del convertidor Flyback a lazo abierto son las siguientes.

- Voltaje de entrada: 120 V

- Frecuencia de conmutación: 200 KHz

- Relación de transformación: 7

- Inductancia magnetizante: 50 µH

- Resistencia de carga: 2,22 Ω

- Capacitor de salida: 22,5 µF

- Ciclo útil: 0,3

- Voltaje de salida: 12 V

- Rango de potencia: 40-100 W

- Rizado de voltaje de salida: < 7 %

1. Se realiza el circuito de la figura con los valores anteriores en el entorno LTSpice

XVII.


39

Figura 1. 6 Circuito Flyback a lazo abierto en ambiente LTSpice XVII

Preguntas relacionadas con el convertidor.

.1. Simular la señal de salida y la de la corriente por la inductancia. ¿Se corresponde

el valor de la salida con el especificado anteriormente? ¿Y su rizado? ¿El circuito

está funcionando en modo de conducción continua o discontinua?

1.1 Si se aumenta el valor del condensador a 100 µF, ¿Qué valor del rizado

¿Se muestra en la nueva simulación? ¿Se corresponde el valor obtenido con el

teórico?

1.2. De acuerdo con la región de funcionamiento en la que trabaja la fuente, ¿cuál

es el valor límite de la inductancia magnetizante con el cual se trabaja en ésta

región?

1.3. Atendiendo al rango de potencias especificado, cómo determinar los valores

de la carga que aseguren el trabajo del convertidor en este rango de potencia.

1.4. Simular ahora la intensidad en el conmutador y la tensión en sus terminales y

qué relación tiene ambas señales con la corriente de la inductancia magnetizante.

1.5. Mostrar en la misma gráfica la tensión en los terminales del conmutador y la


40

tensión de salida. Con las conclusiones obtenidas en el apartado anterior, ¿qué

relación se puede apreciar entre estas dos señales? ¿Cuál es el motivo de ésta

relación?

2.5.2 Especificaciones y preguntas del segundo convertidor

La fuente a realizar deberá cumplir las siguientes especificaciones:

- Tensión de entrada nominal: 400 V

- Potencia de salida nominal: 50 W

- Tensión de salida nominal: 27V

- Frecuencia de conmutación: 50 kHz

- Inductancia magnetizante: 8 mH

- Corriente media por la inductancia magnetizante: 0,300 A

- Rizado de la tensión de salida: ≤ 20 mV

- Factor de transformación: 10

1. Realizar los cálculos necesarios partiendo de las fórmulas específicas.

1.1. Si se supone que la transferencia de potencia es ideal, y se transfiere la

potencia máxima, calcular el ciclo de trabajo partiendo de la corriente media de

entrada.

1.2. Entregando la máxima potencia, ¿Qué valor tendrá la carga alimentada por el

convertidor?

1.3 Calcular el valor mínimo de la inductancia magnetizante que asegura

conducción continua. En vista del resultado, ¿En qué modo de conducción trabaja

el circuito anterior?

1.4 Para obtener el rizado especificado, ¿Qué capacidad debe tener el

condensador del filtro de salida?

2. Con los datos calculados anteriormente realizar la simulación y verificar que se

cumplen las especificaciones pedidas.

2.1 Simule dos veces el voltaje de salida teniendo en cuenta:


41

- la tolerancia de los componentes mediante un Análisis de Montecarlo.

- Un análisis de temperatura desde −5𝑜𝐶 hasta 85𝑜𝐶.

Describa los cambios provocados por las variaciones anteriormente planteadas.

3. A partir de los datos que se muestran en las especificaciones y los obtenidos en

los cálculos realizados, escoger los distintos componentes cuyas hojas de datos se

adjuntan en los anexos (teniendo en cuenta sus características principales), los más

indicados para que el Flyback trabaje en las condiciones simuladas. Es importante

asegurar para esta elección, indicar de forma clara todos los cálculos realizados

para la elección de cada uno de los componentes.

Los componentes a elegir se muestran ordenados por tipo y modelo:

MOSFET:

1) IRFGB20 de International Rectifiers[36]

2) SPD02N60C3 Infineon Technologies[37]

3) STD1NK80Z de STMicroelectronics[38]

Diodo rectificador:

1) 1N34A de Microsemi[39]

2) SS38 de Fairchild Semiconductor[40]

3) 8TQ080PbF de International Rectifiers[41]

Capacitor Electrolítico:

1) SERIE TP TIPO A de Panasonic[42]

2) ZLH SERIES de Rubycon[43]

3) PEG 226 de Kemet[44]

2.5.2.1 Cálculos correspondientes al segundo convertidor

1.Atendiendo al formulario de diseño mostrado en el epígrafe 2.2.2.1 se procede a

realizar el dimensionamiento del convertidor Flyback.

1.1. Si la transferencia de potencia es ideal, toda la potencia que entrega la fuente

al convertidor se transmite a la carga. Como se conoce la corriente media de

entrada y la potencia de salida se aplica:


42

𝑃𝑠 = 𝑃0 = 50 (Ecuación 1.16)

Al conocer la corriente media de entrada[3]:

𝐼𝐿𝑚=

𝑉02

𝑉𝐷𝐶∗𝐷∗𝑅=

𝑃0

𝑃𝑠∗𝐷 (Ecuación 1.17)

Si de la fórmula anterior se despeja D, queda:

𝐷 =𝑃0

𝑉𝐷𝐶∗𝐼𝐿𝑚

=50

400∗300= 0,40192926 (Ecuación 1.18)

Si no se conoce 𝐼𝐿𝑚ni todos los valores de esta fórmula, se puede obtener de una

forma mucho más fácil[1]:

𝐼𝑠 = 𝐼𝐿𝑚∗ 𝐷 (Ecuación 1.19)

1.2 Si el circuito entrega la máxima potencia, el valor de la carga a la que alimenta

el convertidor será:

𝑃0 =𝑉0

2

𝑅 (Ecuación 1.20)

Por lo que despejando la carga resulta:

𝑅 =𝑉0

2

𝑃0=

4002

50= 14,58 (Ecuación 1.21)

1.3 Atendiendo a los cálculos anteriores, se puede calcular el valor mínimo de la

inductancia magnetizante haciendo uso de la Ecuación 1.9, que asegura

conducción continua al circuito:


(1−𝐷)2∗𝑅

2∗𝑓𝑠∗ (

𝑁𝑃

𝑁𝑆)2 =

(1−0,402)2∗14,58

2∗50000∗ 102 = 5,21𝑚𝐻 (Ecuación 1.22)

Como se puede observar, la inductancia magnetizante tiene un valor mínimo de

5,21 mH, que garantiza conducción continua, por lo que dado que en este circuito

la inductancia magnetizante instalada es de 8 mH esto quiere decir que se trabaja

en conducción continua[10].

1.4 Con todos los parámetros anteriores y dado que se conoce el rizado deseado

de salida del convertidor, se calcula el valor de la capacidad del filtro del circuito

con la siguiente fórmula:


43

∆𝑉0

𝑉0=

𝐷

𝑓𝑠𝑤∗𝑅∗𝐶 (Ecuación 1.23)

Despejando de la formula anterior se obtiene:

𝐶 =𝑉0∗𝐷

𝑓𝑠𝑤∗∆𝑉0∗𝑅=

0,402∗27

14,58∗50000∗20∗10−3 = 744,444 𝜇𝐹 (Ecuación 1.24)

Por lo que el valor de la capacidad del condensador del filtro de salida es 750 µF.

3.Para realizar la elección correcta de los componentes reales, es necesario

efectuar algunos cálculos. De esta forma se asegura que el circuito Flyback trabaje

en condiciones similares a las especificadas en su diseño en el apartado anterior.

Uno de los parámetros necesarios para lograr calcular otros (que se piden más

adelante) es la variación de corriente por la inductancia magnetizante[4]

∆𝐼𝐿𝑚𝑚𝑎𝑥=

𝑉𝑠∗𝐷

(1−𝐷)2∗𝑅∗ (

𝑁𝑝

𝑁𝑠)

2

±𝑉𝑠∗𝐷∗𝑇

2∗𝐿𝑚 (Ecuación 1.25)

Sustituyendo los valores:

∆𝐼𝐿𝑚𝑚𝑎𝑥=

400∗0,4019

(1−0.,019)2∗14,8∗ (10)2 ±

400∗0,4019∗20∗10−6

2∗8∗10−3 (Ecuación 1.26)

Concluyendo:

∆𝐼𝐿𝑚𝑚𝑎𝑥= (3036,468 + 0,2) − (3036,468 − 0,2) = 400 𝑚𝐴. (Ecuación 1.27)

Haciendo uso de las Ecuaciones(1.5 y 1.6) se halla los parámetros necesarios para

elegir el elemento conmutador que son 𝑉𝐷𝑆 y 𝐼𝑄𝑝𝑒𝑎𝑘respectivamente.

En la Ecuación 1.5 ,𝑉𝑠𝑝𝑖𝑘𝑒 no es más que el pico máximo de voltaje que alcanza 𝑉𝐷𝑆

antes que se estabilice[30]. Este se halla mediante los cursores del simulador y se

muestra en el Anexo 1. 4:

𝑉𝐷𝑆 = 400 + (27 ∗ 10) + 91,429 = 761,429 𝑉 (Ecuación 1.28)

Para calcular 𝐼𝑄𝑝𝑒𝑎𝑘 es necesario saber el valor de 𝐼0:


44

Por ley de Ohm queda como:

𝐼0 =𝑉0

𝑅=

27

14,81,824𝐴 (Ecuación 1.29)

sustituyendo:

𝐼𝑄𝑝𝑒𝑎𝑘= (

1

10) ∗ (

1,824

(1−0,4019)+

0,4

2) = 0,324 𝐴 (Ecuación 1.30)

Para seleccionar los parámetros del diodo es necesario conocer 𝐼𝐷 y 𝑉𝐷, los cuales

se pueden calcular usando las expresiones 1.7 y 1.8 respectivamente. Por tanto,

sustituyendo en la ecuación 1.7 queda:

𝐼𝐷 = (1,824

(1−0,4019)+

0,4

2) = 3,249𝐴 (Ecuación 1.31)

𝑉𝐷 = 27 + (1

10) ∗ 400 = 67 𝑉 (Ecuación 1.32)

Los parámetros a tener en cuenta para el capacitor son su capacidad y voltaje. La

capacidad fue calculada en el apartado 1.4 y el voltaje se puede deducir

seleccionando un voltaje 1,3 veces mayor que el de salida del convertidor. Como

se puede observar el valor de capacidad calculado debe ser ajustado a un valor

comercial superior[1], [10], [14], [30]

𝐶 = 750 𝜇𝐹 (Ecuación 1.33)

𝑉𝑐 = 35𝑉 (Ecuación 1.34)

De acuerdo a la revisión en las hojas de datos de los componentes, se extrajo los

parámetros exigidos y se seleccionan teniendo en cuenta los cálculos realizados.

La tabla 1.3 muestra lo corroborado anteriormente:

Tabla 1. 3 Selección de componentes reales

Componente

y selección

Fabricante Modelo 𝑉𝐷𝑆

(V)

𝐼𝑄𝑝𝑒𝑎𝑘

(A)

𝑉𝐷

(V)

𝐼𝐷

(A)

𝑉𝑐

(V)

𝐶

(𝜇𝐹)

MOSFET International

Rectifiers

IRFBG20 1000 ,.4 - - - -


45

MOSFET Infineon

Technologies

SPD02N60C3 650 1,8 - - - -

MOSFET

(X)

STMicro

electronics

STD1NK80Z 800 1 - - - -

Diodo Microsemi 1N34A - - 65 0,2 - -

Diodo Fairchild

Semiconductor

SS38 - - 80 3 - -

Diodo (X) International

Rectifier

8TQ080PbF - - 80 8 - -

Capacitor PANASONIC SERIE TP

TIPO A

- - - - 25 510

Capacitor Rubycon ZLH SERIES - - - - 35 1200

Capacitor

(X)

Kemet PEG 226 - - - - 40 800

Capítulo 3 Diseño del Tutorial

46


Como producto de esta investigación para facilitar el aprendizaje de fuentes

conmutadas en asignaturas a fines a la Electrónica Analógica III, se ha construido

un tutorial y una carpeta con material bibliográfico complementario sobre este

tema[17], [27], [32], [34], [35], [45]–[50]. Los resultados mencionados anteriormente

son recursos que facilitan al estudiante de 3er año en adelante, correspondiente a

la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, profundizar los

conocimientos adquiridos en Electrónica Analógica III e implementarlos en materias

posteriores como Radioelectrónica y Televisión Analógica. Además, no solo el

estudiante, sino también el profesor puede contar con acceso al tutorial lo que

posibilita una mejor preparación del profesor al impartir sus clases

3.1 Estructura del Tutorial

Para crear el tutorial se hace necesario cumplir con una estructura que condicione

los objetivos referentes a la elaboración de los recursos. Para ello se diseñó

tomando en cuenta la siguiente estructura:

Presentación

Índice

Desarrollo

Conclusiones

Bibliografía

El desarrollo de este trabajo incluye una recopilación de información de diferentes

fuentes bibliográficas, que va desde la web hasta lo físico, proporcionando

diversidad de contenidos que enriquecen la elaboración del tutorial y un mejor

entendimiento por parte del estudiante. El contenido de este desarrollo abarca en

sentido general las fuentes conmutadas, vistas desde un pequeño concepto hasta

lograr entender su funcionamiento en la práctica, basado en el uso de los nuevos

dispositivos de control y supervisión. Los componentes asociados a las FC, las

topologías de FC con y sin aislamiento más utilizadas en fuentes estándar ATX,

todos están incluidos también en el desarrollo. Como novedades se describe el


47

funcionamiento de una fuente ATX con fuente auxiliar autoscilante y modulador por

ancho de pulso a TL494. También se da introducción a la mejora del factor de

potencia, cuestión que genera cada vez más interés por su estudio debido a su

influencia en el perfeccionamiento de la eficiencia en las FC. Los métodos de control

tanto a lazo abierto como de lazo cerrado y su elección, de acuerdo al tipo de

aplicación se explican a través de esquemas eléctricos simulados en el software

Psim, pero también se podrá observar el uso de otros simuladores como LTSpice

XVII y Multisim compilando FC.

Durante la realización de este documento se investigó sobre las prácticas laborales

que desarrolla el estudiante de 3er año al concluir sus estudios. Las prácticas se

realizan en un taller de Copextel correspondiente a su localidad. Se ha podido

comprobar que la gran mayoría no tienen las habilidades que se necesitan para

reparar una fuente de alimentación conmutada, que en este caso es la que traen los

televisores Atec Panda y Atec Haier portando el 70 % de las fallas generales.

También se indagó en los problemas que presentan los estudiantes de 4to y 5to año

con la interpretación de planos eléctricos que describen el funcionamiento interno

de cualquier dispositivo electrónico. Por tanto, con el objetivo de erradicar estas

dificultades se crearon 4 videos tutoriales, tres de ellos dedicados a la simulación

de FC con programas diferentes y uno dedicado a realizar mediciones eléctricas en

fuentes conmutadas estándar ATX y detección de fallas con la ayuda de planos

eléctricos.

Al inicio del capítulo 3 se especifica otro resultado de esta investigación, que es la

entrega de una carpeta con recopilación de información digital basada en esta

temática, la cual se sumaría a la bibliografía actual de las asignaturas a fines a la

electrónica dispuestas en la red, pero específicamente subir esta carpeta al sitio

(10.12.1.68) de la Universidad Central ‘’Marta Abreu’’ de Las Villas lo que facilitaría

el acceso para los estudiantes, ya que al resolver actividades independientes la

colección de estos documentos puede resultar un recurso adicional. Esta recogida

está compuesta por:

Documentos PDF.


48

Dentro de estos documentos se pueden apreciar Proyectos finales de Electrónica,

Tesis de pregrado y postgrado en Electromedicina, laboratorios de

bioinstrumentación avanzada, tutoriales de electrónica, hojas de datos de

componentes y de fuentes de alimentación conmutadas comerciales, así como

notas de diseño y aplicación tomadas de diferentes fabricantes mundiales de

semiconductores.

Páginas Web.

Como web grafía se accedió a múltiples páginas web de fabricantes y distribuidores

de componentes semiconductores tales como Digi-Key, Mouser y Farnell. Se

describen sitios de fabricantes de elementos de potencia y circuitos integrados

específicos que se utilizan en FC como: Linear Technology, On semiconductor,

International Rectifiers, Infineon y STMicrolectronics. Con respecto a cursos

virtuales en plataforma o cursos on-line se encontró el MIT Open Course Ware de

Electrónica de Potencia que ofrece el Instituto de Massachusetts.

Videos tutoriales de reparación y simulación de FC.

Estos videos sobre reparación de FC algunos se descargaron de Youtube y otros

fueron experimentados en el laboratorio de la FIE. Estos cortometrajes posibilitan al

estudiante de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica acercarse al mundo

práctico de la electrónica, cuestión que le servirá en asignaturas posteriores. Para

lograr la realización de los videos fue indispensable el trabajo con planos eléctricos

y las hojas de datos de los componentes a través de sus fabricantes.

3.2 Resultados y discusión

En vistas a construir un tutorial de FC la discusión de estos resultados podrá

demostrar al estudiante de la carrera Ingeniería en Telecomunicaciones y

Electrónica, establecer una comparación entre teoría, simulación y cómo

seleccionar el componente más ideal para el montaje práctico de la fuente.

3.2.1 Resultados del primer convertidor Flyback

1.El resultado de la señal de tensión de salida es:


49

Figura 1. 7 Forma de onda del voltaje de salida del primer convertidor Flyback

Y el de la intensidad por la inductancia es:

Figura 1. 8 Forma de onda de corriente por la inductancia magnetizante en MCD

del primer convertidor Flyback.

El voltaje de salida es prácticamente igual al teórico, de alrededor de unos 12V

𝑅𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 =∆𝑉0

𝑉0∗ 100 (Ecuación 1.35).

Su rizado, según las especificaciones debe ser menor del 7 %, y en la simulación

es:


50

𝑉0𝑚𝑎𝑥−𝑉0𝑚𝑖𝑛

𝑉0𝐴𝑉𝐺

∗ 100 =11,76−10,98

11,36∗ 100 = 6,86% (Ecuación 1.36).

Se observa que se cumple la especificación, siendo el rizado menor que el 7%.

Si se aprecia la forma de onda de la corriente por la inductancia, se observa que su

valor llega a 0 A antes de que vuelva a aumentar al inicio del siguiente ciclo. Por lo

tanto, el convertidor está trabajando en modo de conducción discontinua.

1.1 Con el condensador de 100 µF, el valor del rizado es de:

11,47−11,33

11,36∗ 100 = 1,23 % (Ecuación 1.37)

Según la fórmula del rizado, éste debería valer teóricamente:

𝐷

𝑓𝑠𝑤∗𝑅∗𝐶∗ 100 =

0,3

2,22∗20∗103∗100∗10−6∗2∗ 100 = 0,337 % (Ecuación 1.38)

Por lo que aproximadamente, ambos valores, teórico y real, se corresponden.

También se ve que la relación entre el condensador de salida y el rizado es inversa,

ya que al aumentar de 22,5 µF a 100 µF el valor del condensador, el valor del nuevo

rizado es casi 6 veces menor que el inicial.

Figura 1. 9 Forma de onda del voltaje de salida del primer convertidor Flyback con

un capacitor de 100 µF.


51

1.2 El valor límite de la inductancia es el siguiente:


(1−𝐷)2∗𝑅

2∗𝑓𝑠∗ (

𝑁𝑃

𝑁𝑆)2 =

(1−0,3)2∗2,22

2∗200000∗ 72 = 133,26 𝜇𝐻 (Ecuación 1.39)

Operando, se obtiene que 𝐿𝑚𝑚𝑖𝑛= 133,26 𝜇𝐻. Simulando con éste nuevo valor de

inductancia magnetizante, se aprecia que la corriente por dicha inductancia

Figura 1. 10 Forma de onda de corriente por la inductancia magnetizante en MCC

del primer convertidor Flyback.

se encuentra justo en la frontera de funcionamiento entre corriente continua y

discontinua. Por lo tanto, valores menores de la inductancia aseguran modo de

conducción discontinua.

1.3 Si se observa en las especificaciones que el rango de potencia del convertidor

es de 40-100 W. Fijando estos valores y teniendo en cuenta la tensión de salida de

12V, si se utiliza la Ecuación 1.39, se puede decir que el valor de la carga debe

encontrarse en el rango de 1,44-3,6 Ω.

1.4 Al simular las señales, se observa en la Figura 1.19 que pasa corriente cuando

no hay caída de tensión en el conmutador. Esto es lógico, ya que, por lo explicado

en el apartado anterior, pasa corriente por el conmutador cuando éste se encuentra

en conducción, y por lo tanto no hay caída de tensión entre sus terminales. La


52

relación que tienen ambas señales, es que la corriente que pasa por la inductancia

magnetizante es la misma que pasa por el conmutador.

Figura 1. 11 Formas de onda de tensión(en verde) y corriente(en rojo) en el

conmutador del primer convertidor Flyback.

1.5 En la Figura 1.12 se observa que la tensión de salida aumenta su valor durante

una parte de 𝑡𝑜𝑓𝑓, y disminuye la parte restante de 𝑡𝑜𝑓𝑓 y todo 𝑡𝑜𝑛. Esto se produce

porque cuando el conmutador conduce, no hay corriente en el primario del

transformador, por lo que no hay transferencia de energía.


53

Figura 1. 12 Formas de onda de tensión en el conmutador(en azul) y voltaje de

salida(verde) del primer convertidor Flyback.

Es al comienzo de 𝑡𝑜𝑓𝑓, cuando la energía por la bobina comienza a descargarse a

través del primario del transformador, transfiriendo así energía a la salida, hasta

que, como se está en modo de conducción discontinua, la energía por la bobina se

termina antes de terminar 𝑡𝑜𝑓𝑓. A partir de este punto es cuando la tensión de salida

comienza a disminuir.

Respecto al epígrafe 2.5.2, las simulaciones correspondientes al ejercicio 2,

demuestran que el diseño hecho coincide con los resultados de la simulación. Tales

respuestas se adhieren en el siguiente apartado.

3.2.2 Resultados del segundo convertidor Flyback

Primeramente, el circuito queda implementado como muestra la Figura 1.21:


54

Figura 1. 13 Circuito Eléctrico del segundo convertidor Flyback

Según la Figura 1.14 se puede deducir que el voltaje de salida nominal es el

especificado en el diseño y comienza a estabilizarse sobre los 8 ms.

Figura 1. 14 Forma de onda del voltaje de salida del segundo convertidor Flyback


55

Figura 1. 15 Forma de onda de tensión de salida con uso de cursores para facilitar

el cálculo de rizado del segundo convertidor Flyback

Observando la Figura 1. 15 y haciendo uso de la ventana que muestra los cursores

para facilitar el cálculo de voltaje del rizado se deduce que:

𝑉0𝐴𝑉𝐺=

𝑉0𝑚𝑎𝑥+𝑉0𝑚𝑖𝑛

2=

27,284+27,263

2= 27,274 𝑉 (Ecuación 1.40)

como:

𝑉𝑅𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 =𝑉0𝑚𝑎𝑥−𝑉0𝑚𝑖𝑛

𝑉0𝐴𝑉𝐺

=27,284−27,263

27,274= 0,769 𝑚𝑉 (Ecuación 1.41)


56

Por tanto, se puede decir que las especificaciones de rizado se satisfacen

ampliamente, ya que 0,769 𝑚𝑉 ≪ 20 𝑚𝑉, así como, la corriente en la carga según

ilustra Figura 1.16.

Figura 1. 16 Forma de onda de la corriente en la carga del segundo convertidor

Flyback

Figura 1. 17 Forma de onda de la corriente media por la inductancia del segundo

convertidor Flyback

Para concluir, en la Figura 1.17 se muestra la corriente media por la inductancia, la

cual es aproximadamente igual a la calculada.


57

Para simular las variaciones provocadas por las tolerancias de los componentes en

el circuito se realizó un análisis de Montecarlo con variaciones de ±5% y se

programó una cantidad de 50 simulaciones con barrido lineal e incremento 1.

Figura 1. 18 Análisis de Montecarlo del segundo convertidor Flyback

Analizando el gráfico anterior se puede añadir que, al variar las tolerancias, el voltaje

de salida varía 1 V por debajo del voltaje nominal y 1,5 V por encima.

Figura 1. 19 Análisis de temperatura del segundo convertidor Flyback.

58

Corroborando lo descrito en el párrafo anterior, en la Figura 1.27 se muestra un

análisis de temperatura desde −5𝑜𝐶 hasta 85𝑜𝐶 con una variación en la salida de ±

0,2 V.

3.3 Análisis Económico

A partir del diseño correspondiente al segundo convertidor Flyback se realizó una

valoración económica sobre el mismo, con el objetivo de poder suministrar un

módulo para laboratorio, lo cual sería vital para la impartición de FC en asignaturas

a fines a la Electrónica Analógica III[36]–[44], [51]. Despreciando la resistencia de

carga, la fuente de alimentación CD y el transformador de ferrita (medios con los

cuales cuenta la FIE), se accede al análisis en la Tabla 1. 4:

Tabla 1. 4 Tabla de precios de los componentes del Convertidor Flyback

Elemento Modelo Fabricante Precio Unitario

(€)

MOSFET STD1NK80Z STMicroelectronics 0,41

Diodo

Rectificador

8TQ080PbF International

Rectifiers

2,61

Capacitor

Electrolítico

PEG226KF3800QE1

Kemet 3,89

Total - - 6,91

Conclusiones y Recomendaciones

59

Conclusiones y Recomendaciones

Conclusiones

En este trabajo de diploma se arribó a las siguientes conclusiones:

1. La corrección de factor de potencia (PFC) constituye una tendencia en

las FC estándar ATX más comerciales del mercado y fuentes de

equipos electromédicos.

2. LTSpice XVII resulta apropiado para simular FC en las condiciones de

la FIE en la UCLV.

3. Como criterios para la elaboración de los recursos del tutorial, se

desarrollaron dos ejercicios de diseño sobre el convertidor Flyback.

4. Se diseñó un tutorial sobre FC, incorporando análisis teórico y práctico

de una fuente estándar ATX, apoyada en simulaciones y videos

tutoriales.

Recomendaciones

Se recomienda:

1. Utilizar el tutorial para la impartición de FC en asignaturas afines a la

Electrónica Analógica III, tanto en el pregrado como en el postgrado.

2. Usar el material como fuente de consulta para la práctica laboral

correspondiente al tercer año de la carrera Ingeniería en

Telecomunicaciones y Electrónica.

3. Profundizar sobre los temas de rectificadores sincrónicos y redes de

amortiguamiento.

Bibliografía

60

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Anexos

64

Anexos

C

Anexo 1. 1Serie NMP de MEAN WELL, Fuentes de Alimentación Modular Medica

Inteligente.

Anexo 1. 2 Serie Corsair CX-750W/850W.

Anexos

65

Anexo 1. 3 Fuente ATX de la Serie Seasonic Snow Silent

Anexo 1. 4 Determinación de Vspike mediante LTSpice XVII.

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Título: Elaboración de recursos para el aprendizaje de