ELECTRONICAAPLICADA 2011docentes.uni.edu.ni/fec/Alejandro.Mendez/ELKAAPLICADAActividad3.… · UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Electrotecnia y Computación A MØndez

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 APLICADA2011


A Méndez Dpto. Electrónica

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

EFFICEINCY 35-50 % YES 78-92 % 78-92 %

MULTIPLE OUTPUTS NO YES YES YES

DEVELOPMENT TIME TOPRODUCTION 1 WEEK 8 PERSON-MONTHS

5 PERSON-MONTHS10 PERSON-MONTHS8 PERSON-MONTHS

10 PERSON-MONTHS8 PERSON-MONTHS



1. From what power source must the system draw its power?

2. What safety and radio frequency interference and electromagnetic interference(RFI/EMI) regulations must the system meet to be able to be sold into the targetmarket?

3. What is the maintenance philosophy of the system?

4. What are the environment conditions in which the product must operate?

5. What type of graceful degradation of product performance is desired when portions ofthe product fail?

From the marketing department

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



1. What are the technologies of the integrated circuits that are being used within the design of thesystem?

2. What are the best guess maximum and minimum limits of the load current and are there anyintermittent characteristics in its current demand such as those presented by motors, videomonitors, pulse loads, and so forth

3. Are there any circuits that are particularly noise-sensitive (ADC, DAC, video monitors, etc)?

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

5. How much physical space and what shape is allocated for the power supply within the enclosure?

From the designers

6. Are there any special interfaces required of the power supply?



Integrated Power System

Distributed Power System

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..



Selecting the appropriate power supply technology

Cost

Weight and Space

How much heat can be generated within the product

The input power source (s)

The noise tolerance of the loads circuits

Battery life (if the product is to be portable)

The number of output voltages required and their particularcharacteristics



Vin Cin

Headroom Voltage

Compensación

Vref

VoutCarga

Cout

Error de voltaje

REGULADOR LINEAL BÁSICO

El lazo de retroalimentaciónnegativa determina el gradode conductividad que launidad de paso debeasumir para mantener elvoltaje de salida.

Si la carga se incrementa, el voltaje de salidacaerá. Lo anterior incrementará la salida delamplificador, suministrando de esta forma máscorriente a la carga.

Similarmente, si la carga decrece, el voltaje desalida se incrementará, haciendo que elamplificador de error responda disminuyendo lacorriente a través de la unidad de paso hacia lacarga.



TRANSISTOR BJT



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:

El diferencial mínimo (Vdc - Vo) , el headroom, es tipicamente 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.

Sinembargo, 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.

loadoutmaxin,HR IV-VP



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 perdida 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



El voltaje de dropout se vuelve importante cuando la entrada al regulador lineal durante su operaciónnormal le es permitido caer cerca del voltaje de salida. Si se opera desde un transformador AC, loanterior podría ocurrir cuando se presenta la condición de brown-out (voltaje de AC mínimo)

+ VinHeadroom Voltage

+ Vout

Base Bias Voltage&

Rb

+ Vin Headroom Voltage

Vout

Base Bias Voltage

Rb

Rd



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



MC 7805CTFU1

1A

Vin +5 V

+ +

_ _

10 uF100 uF

20 V10 V

1N4001

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



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.



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



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

IV-VP maxload,outmaxin,

Sin disipador de calor

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

TRPT

o

o

maxA,JADJ

C/W6.5RconsiliciodeaislanteunyC/W14RcondisipadorunUsando oCS

oSA

C84.4C50C/W)14C/W6.5C/W(5C/W)(1.75

T)RR(RPT

o

ooooo

ASACSJCDJ(max)



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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