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2015-B

FUENTES CONMUTADAS AISLADAS

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL QUITO-ECUADOR

Resumen En el presente documento se muestra el desarrollo de 5 fuentes conmutadas aisladas usadas para el disparo de elementos semiconductores de potencia, se va a usar una de sus configuraciones básicas como el convertidor aislado tipo Flyback. Debido a las limitaciones intrínsecas este convertidor solo se usa en aplicaciones de baja potencia. Un convertidor Flyback es una fuente conmutada la cual reduce o eleva el voltaje de salida con respecto al voltaje de entrada, estabilizándolo en un punto de voltaje especifico, todas estas especificaciones las realizaremos pero con varias salidas, por medio del uso de varios devanados a la salida del transformador, pero el análisis y diseño de estos circuitos resulta complejo desde el punto de vista del aislamiento galvánico, sin embargo si se realiza un análisis detallado y se explica de manera clara la obtención de un transformador adecuado, analizar y diseñar estos circuitos se convierte en algo muy elemental y fácil de realizar. El aislamiento galvánico exige un análisis de teoría electromagnética para fabricar el transformador requerido en el circuito, ya que no existe en el mercado un estándar para adquirirlo.

1.

Objetivos:

General: 

Diseñar e implementar una fuente conmutada con 2 salidas aisladas.

Específicos:  

2.

Determinar las características de un Conversor DC/DC aislado tipo Flyback su diseño y su calibración para su óptimo funcionamiento. Diseñar e implementar diferentes tipos de circuitos de control, potencia y de protección para un conversor DC/DC tipo Flyback.

Marco Teórico

Las fuentes de Alimentación Switching o Conmutadas son producto de técnicas no lineales más potentes y evolucionadas que permiten los notables avances tecnológicos en cuanto a velocidad y manejos de grandes corrientes y voltajes en transistores, diodos, drivers y transformadores de alta frecuencia. Las principales ventajas de esta tecnología son la importante reducción de los tamaños y pesos de las fuentes, junto con un relevante incremento en la eficiencia de las mismas. Permiten materializar dispositivos muy versátiles que con otras técnicas son muy difíciles de implementar, por ejemplo Generadores de Funciones en Potencia con formas de ondas tradicionales como; senoidales, triangulares, cuadradas o de la forma que el cliente lo requiera, con potencias de 1000 Watts a 10.000 Watts y mucho más, lo que resulta impensable con las técnicas lineales. Otras de las características importantes es el ancho rango de variación del voltaje de entrada conservando intacto el voltaje de salida. La principal desventaja de las fuentes switching es la generación de ruido de alta frecuencia que debe tenerse en cuenta al momento de su diseño de modo de ser minimizado mediante un buen layout.

Fig. 1 Fuente conmutada, ref. [1]

Por otro lado, los elementos activos que componen a una fuente, como transistores y diodos también tienen reducciones en tamaño importantes debido a que el calor que disipan (producto de las técnicas de conmutación o switching) es muchísimo menor en comparación a las técnicas lineales utilizadas para la misma potencia. En los elementos pasivos

almacenadores de energía como condensadores y bobinas también presentan reducciones en tamaño importante a medida que la frecuencia de trabajo es mayor.

3. Descripción: La fuente construida se va a conectar a la red, para lo cual se utilizó un transformador de 110 a 12 VAC, y después de ello mediante un puente rectificador obtendremos el voltaje DC de entrada para nuestro conversor DC/DC. A la salida de la fuente, se deben disponer de 2 salidas aisladas entre sí de 5 VDC cada una, que servirán para polarizar los elementos de conmutación de un circuito de control cualquiera. Para el control de esta fuente se utilizó un Microcontrolador Atiny13 ya que no se necesita de un control más robusto para el funcionamiento de esta fuente.

Fig. 2 Microcontrolador Atiny13, ref. [4]

Fig. 3 Distribución de pines de ATtiny13, ref. [4]

El switch elegido es un TIP 122 para realizar la conmutación en el circuito implementado, ya que soporta la corriente y voltaje necesario para nuestra aplicación.

Fig. 4 Tip122 Para aislar la señal de control enviada desde el microcontrolador se colocó un circuito Darlington diseñado con dos TBJ de señal (2N3904), los cuales amplifican la corriente enviada a

la base del transistor de potencia para su correcto switcheo, este circuito posee una fuente de Alimentación de 5V obtenido de los 16,97 VDC del circuito principal, mediante la regulación obtenida de un 7805 (Regulador).

Fig. 5 Configuracion Darlington con TBJs NPN

4.

Diseño:

Transformador Se ocupa un transformador de alta frecuencia, para reducir el tamaño del transformador y de los componentes, como en el mercado no encontramos este tipo de transformador con las características que deseamos (una entrada y 5 salidas, corriente máxima circulante 100 [mA]), procedemos a realizar nuestro propio transformador, para lo cual consideramos:

  

Núcleo de ferrita, tipo E Bobinado con alambre de cobre Chasis metálico

Fig. 6 Figura del núcleo de ferrita tipo E ref. [3]

A=5,8cm B=2,5cm C=1,8cm D=3,8cm E=1,8cm F=1,5cm

Para el diseño del transformador se consideró una entrada de 12 VAC que rectificada la onda nos da aproximadamente 16.97 VDC, proveniente de otro transformador que se conectado a la red.

Se busca tener 4 salidas de 5[v] y una salida de 12[v], el diseño se lo realiza considerando un número referencial de vueltas ref. [3].

Fig. 7 Diseño del transformador ref. [3]

Se deseaba tener 4 salidas para fuentes aisladas y una quinta para ocuparla para la señal de control, por lo tanto la corriente que circulará por el cable es cercana a 100mA por cada fuente en los secundarios, y cerca de 1 A en el lado del primario para estas especificaciones consideramos:

Vin= 17[v] # espiras primario=141 Cable conductor=#30AWG Para fuentes conmutadas 1-4 Vo=5[v] # espiras c/secundario=50 Cable conductor=#30AWG

Para fuente de 12[v] Vo=12[v] # espiras c/secundario=95 Para el diseño, la frecuencia de switcheo que se considero fue de 30 [KHz], pero en la implementación, se lo realizó a una frecuencia de 37 [KHz].

El aislamiento de los devanados se lo realizo con cinta adhesiva taipe, la cual separó bobinados primario y los devanados del secundario.

Circuito: Para el diseño de este convertidor se tendrá en cuenta el siguiente planteamiento: Diseñar e imple- mentar un conversor Flyback regulado que mantenga dos tensiones de salida de 5 [V] en a una, teniendo como fuente primaria de tensión continua regulada de 12 [V].

Fig. 8 Esquema de un circuito tipo Flyback

Para empezar, se definirá una frecuencia de conmutación que depende de la inductancia mutua del transformador. Ahora se utilizan las ecuaciones generales para el diseño de este tipo de convertidores, la cuales se presentan a continuación:

Frecuencia de operación=37 [KHz] Se considera la ecuación de un convertidor Flyback: (1) 𝑉𝑜 =

𝛿1.𝑉𝑖 𝑁.(1−𝛿1)

Se despeja el delta para obtener el valor deseado en cada uno de los casos. El valor teórico nos difirió en cierta cantidad pero el ocupado en la implementación fue de:

Delta=0,3; para obtener un valor de Vo=5[V], en las 4 fuentes conmutadas y en la quinta fuente un valor Vo=12[V]

Delta=0,67; para obtener un valor de Vo=12[v], en las 4 fuentes conmutadas y en la quinta fuente un valor Vo=24[V]

Control: El control se lo realiza con un ATtiny13, ya que tiene tamaño práctico, ver fig. (3) y solo necesitamos sacar una señal PWM que me permita tener un delta variable el cual va a ser de 0,3 y 0,67. Para que por medio de este PWM se pueda disparar el semiconductor de potencia se ocupó un arreglo tipo Darlington, ver fig. (9).

Al comienzo se deseaba sacar el circuito de control para realizar el control del semiconductor S (TIP122) mostrado en la fig. (8) con una de las fuentes aisladas Fig. (7), la Ns5 que me entregaba 12[v], nos tocaba aislar las tierras con un optoacoplador, pero tuvimos el problema de que a altas frecuencias no funcionaba de una forma correcta ya que era muy lento. Por esa razón se decidió utilizar el voltaje de entrada corregido y regularlo a 5(v) por medio de un lm7805, para de esta forma poder alimentar al microcontrolador ATtiny13.

D1 U1

1N4007

C4

2 1

VI

VO

TBLOCK-I2

TBLOCK-I2

12VIN-T

D2

2 1

OUT2

2

BR1

1 2

10u

3

GND

1

OUT1

TS1

7805

T-120-12V

TS2

12Vin -T

3 2 1

C1

C2

C3

1000u

10u

10u

1N4007

C5

2 1

1 2

10u

TBLOCK-I2

TBLOCK-I2 T-120-12

2W10G

D3 R3

Q1 TIP122

5k6

1N4007

C6

2 1

10k

R1

OUT3

TS3

1 2

10u

TBLOCK-I2

TBLOCK-I2

D4 U2 PB0/MOSI/AIN0/OC0A/TXD/PCINT0 PB1/MISO/INT0/AIN1/OC0B/INT0/RXD/PCINT1 PB2/SCK/ADC1/T0/PCINT2 PB3/ADC3/CLKI/PCINT3 PB4/ADC2/PCINT4 PB5/ADC0/RESET/PCINT5

5 6 7 2 3 1

OUT4

TS4

R2

Q2

1N4007

C7

2 1

2N3904

10k

Q3

TBLOCK-I2

D5

2N3904

POT

ATTINY13 1 2 3

OUT5

TS5

1N4007 2 1

POT 1K

C8 10u

TBLOCK-I2

Fig. 9 Circuito a implementarse

5.

1 2

10u

TBLOCK-I2

Simulación:

El circuito presenta la siguiente simulación para luego proceder a armar.

1 2 TBLOCK-I2

Fig. 10 Circuito y simulación

Simulación #include unsigned int Pot; unsigned char aux; void conf_timer0(); void conf_puertos(); void conf_adc(); void pwm_conf(); int pot_read(char); int main(void) { conf_puertos(); conf_timer0(); conf_adc(); while(1) { pwm_conf(); } } void pwm_conf() { Pot=(pot_read(1)/4); if (Pot242) { Pot=242;

} OCR0A=Pot; conf_timer0(); } void conf_puertos() { DDRB|=(0