Por Osvaldo LW1DSE

Vamos a analizar ahora, c¢mo reordenando los mismos materiales de la Buck y de la Boost, podemos construir un inversor de polaridad. Nuevamente, redibujo la Buck, base de las topologias no aisladas, para poder ver las diferencias con mas claridad.

Se puede observar que el MOSFET, se encuentra conectado al positivo de la tensi¢n de entrada, y que en la salida, el posistivo de la misma se ha conectado a masa, GND.

Vamos a ver como opera esta configuracion. Empecemos teniendo todos los materiales desde 0Km. Conectamos la fuente de tension de entrada, Ei, y empezamos a switchear (si se me permite el termino) el MOSFET. Cuando este se activa, conecta la fuente de entrada Ei, directamente sobre el inductor L. No vamos a reiterar las condiciones que deben reunir MOSFET, y exitador para no aburrir. El diodo ultrafast se halla bloqueado, pues una tension positiva en su catodo provista por el MOSFET, asi lo impone. La tension impuesta por el MOSFET se aplica con la polaridad expresada sin parentesis, positiva por el lado del MOSFET, y negativa por el borne de masa. Esto crea una corriente que crece linealmente al ritmo determinado por el valor de inductancia, y la tension de la fuente primaria.

La inductancia, responde oponiendose a la tension que intenta aumentar la corriente en su devanado, para ello crea una DDP entra sus terminales expresada por la polaridad sin parentesis. Una vez que se ha cargado de energ¡a en forma de campo magnetico en el gap del nucleo de la inductancia, anulamos el funcionamiento del MOSFET, con lo cual la corriente colapsa. Como el inductor es reaccionario ante un cambio en las condiciones de trabajo, responde creando entre sus bornes, una FEM que se indica con la polaridad mostrada con los parentesis. Es decir, aparece una DDP negativa por el lado del diodo, con lo cual este se ve forzado a entrar en conduccion, cargando al capacitor C, con la polaridad indicada en la figura 2 y proveyendo de energia electrica a nuestra carga, Rc.

Al igual que en la topologia Boost, no hay entrega simultanea de energia por parte de la inductancia y el capacitor, por lo tanto son validos todos los conceptos vertidos en el cap. #4 con respecto a las exigencias del capacitor, inductor, MOSFET, y diodo. Inclusive, sigue teniendo validez lo alli expuesto respecto al ripple de la tension de salida, y de un eventual filtrado posterior, como lo vemos en la figura 3.

Para concluir con la parte referida las topologias que no poseen aislamiento galvanico entre la salida y la entrada, voy a presentar un par de ligeras modificaciones basadas en la Buck. Una de ellas, corresponde a una mejora en el rendimiento, y la otra a un refinamiento.

Este circuito tiene la ventaja de que no existe diodo de recirculacion, el cual ha sido reemplazado por otro MOSFET de potencia. Como puede observarse, el MOSFET 2 efectivamente sustituye al diodo rapido que alli teniamos colocado. Para que sirva, es necesario que ese MOSFET se lo exite con una señal de compuerta invertida con respecto a la del MOSFET 1 (indicado en la figura 4 como +PWM y -PWM), y que no todos los circuitos de PWM son capaces de generar.

No obstante esta pequeña dificultad, esta configuracion es hoy en dia muy utilizada en motherboards de PC para generar las muy bajas tensiones requeridas por el "core" del CPU, donde las corrientes son muy altas, y es imprescindible minimizar las perdidas. Por ejemplo, en un mother destinado a funcionar con un microprocesador PIII o PIV, la tensi¢n del core oscila entre 1.8 y 2.2 Volts. En estas condiciones, un diodo shotky con una caida de .3 o .4 de Volt, representan aproximadamente un 25% de la tension de salida.
Obvio, que esa perdida se transforma en calor, que debe evacuarse del sistema mediante discipadores, y eventualmente ventiladores (coolers), aumentando el costo, tamaño, peso, e incomodidad de todos esos elementos, junto a una marcada merma en la confiabilidad y eficiencia del sistema. Un MOSFET tipico para este servicio, posee una tension de avalancha de unos 30V (mas que suficiente teniendo en cuenta que se parte desde la iinea de 5V), una corriente admisible de unos 70 u 80 amper, y resistencia de encendido por debajo del mohms (miliohm). Entoces, la caida interna en este caso es de unas pocas decenas de mV (milivolts) contra los .4V del diodo. Y es asi como lasperdidas no llegan al watt.

En este esquematico puede verse que se ha adicionado un devanado (o mas, de ser necesarios), del cual se puede extraer energia del inductor en el momento en que el MOSFET no conduce y si lo hace el diodo D1, cosa que se puede apreciar al analizar las polaridades relativas de esos bobinados (lo cual se indica con el s¡mbolo ø , y que explicita lo que se llama bornes o terminales homonimos). En efecto, como durante este intervalo de tiempo tenemos en el inductor un campo magnetico que esta  decreciendo en amplitud, y es por lo tanto, variable, podemos inducir una FEM en otro bobinado que se halle intimamente acoplado al nucleo. En estas condiciones, como la tension de salida esta  siendo controlada por el lazo de realimentacion negativa que controla al PWM (no mostrado hasta ahora en ninguna figura por motivos de simplicidad), la tension de salida sobre la carga Rc2 puede evaluarse:

Es decir, que a la tension de salida sobre Rc1, sumada la caida en directa del diodo D1, y multiplicada por la relacion de espiras entre estos bobinados, y restando la caida del diodo D2, nos da la tension disponible para la carga Rc2. La tensi¢n as¡ obtenida, est  bien regulada por linea, pero no tanto por carga, por lo tanto si es importante una buena estabilidad por carga de ese voltaje, deber  ser post-regulado. Tambien podria tomarse energia del inductor en el per¡odo en que esta  conduciendo el MOSFET, pero dicha tension no esta  controlada, y es proporcional a la tension de entrada sin regular, por lo tanto no es conveniente esta conexion, y normalente nunca se la utiliza. Por otro lado no es necesario que las masas esten unidas, mientras la aislacion entre bobinas lo permita. Inclusive, puede tener su polo positivo unido a masa, para lo cual basta con invertir la polaridad del devanado auxiliar, diodo, y capacitores electroliticos referidos a esta salida.

Un pequeño detalle a tener en cuenta: NO DEBE CREERSE QUE EL INDUCTOR SE HA CONVERTIDO EN UN TRANSFORMADOR, pues no lo es. En cambio, debe decirse que son INDUCTORES MUTUAMENTE ACOPLADOS. Para considerarse transformador, debe entregarse potencia al secundario en todo el ciclo, mientras que en este caso se hace el pasaje solo durante el tiempo que dura la recuperacion de energia del inductor. De hecho, este segundo devanado "roba" energia de recuperacion durante este periodo, y debe ser repuesto en el siguiente proceso de carga cuando se encienda el MOSFET. O sea, que la potencia que se extraiga por el o los devanados adicionales a L, deben ser sumados a la potencia consumida desde la salida principal de la fuente, para entonces considerar la potencia que debe ser capaz de manipular el MOSFET. Seguramente, este detalle lo ha tenido en cuenta el Ingeniero que desarrollo el sistema, por cuanto ante una eventual reparacion, siempre debe buscarse un MOSFET de caracteristicas iguales o mejores que el original.

Fin capItulo #5

FUNCIONAMIENTO
Todos los tipos de fuentes de alimentación que mencionamos tienen el mismo principio de funcionamiento y dos partes principales: etapa
primaria y etapa secundaria.
La etapa primaria es la parte del circuito donde ingresan los 220 voltios de corriente alterna de la línea eléctrica. Por seguridad posee un fusible, y aquí es donde se encuentran los diodos rectificadores que convierten la corriente alterna en continua (utilizable por todos los equipos electrónicos).
En el centro del circuito se encuentran los transformadores de tensión, que son justamente los que dividen la etapa primaria de la secundaria y se encargan de transformar los 220 voltios en 12v, 5vy3,3v.

La etapa secundaria se encarga de filtrar y rectificar la corriente que irá a los componentes internos de la PC.
Ciertos elementos de la fuente producen calor excesivo, por lo cual poseen disipadores y un ventilador para extraer el aire caliente hacia el exterior de la PC.
Veamos cuáles son las fases o procesos que atraviesa la corriente antes de llegar a los dispositivos por alimentar. Transformación
Este proceso tiene su función en la etapa primaria, y se encarga de reducir la tensión de línea (220 o 110 voltios) mediante transformadores de bobina. Los voltajes resultantes son de 12 y 5 voltios.
Rectificación
La línea eléctrica domiciliaria es una red de distribución, y las compañías eléctricas utilizan corriente alterna para lograr esto con mayor efectividad. Por otra parte, todos los componentes electrónicos (ya sean televisores, minicomponentes o computadoras) emplean corriente continua.
Esta fase de la fuente de alimentación es la encargada de convertir la corriente alterna entrante en continua, utilizable por el motherboard, los discos y demás componentes de la PC. Esta tarea se efectúa gracias a un puente rectificador de diodos ubicado en la etapa secundaria. Filtrado
Una vez que la corriente ha sido convertida en continua, es muy variable, ya que posee fluctuaciones o pulsos de tensión resultantes del proceso anterior y que pueden dañar los dispositivos de la computadora.
El proceso de filtrado se encarga de eliminar esas oscilaciones utilizando un par de capacitores, lo que suaviza la señal.
Estabilización
La señal eléctrica ya está continua y sin variaciones.
Sólo resta estabilizarla para que las variaciones de tensión externa no afecten el valor de voltaje saliente. Esto se realiza gracias a un pequeño dispositivo llamado regulador.
Igualmente, siempre se recomienda el uso de un estabilizador de tensión externo para proteger la fuente en sí y los demás componentes de la PC.

CONECTORES
Las fichas que las fuentes poseen a la salida fueron cambiando con el tiempo. En la época de las fuentes XT y AT se utilizaban los conectores P8 y P9 para alimentar el motherboard.

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Por Osvaldo LW1DSE

Hasta aca  hemos visto los tres tipos basicos de fuentes conmutadas, del tipo que no tienen ni pueden tener aislacion galvanica entre la entrada y la salida. Esto es un problema que se puede salvar, mediante el uso de las topologias que si poseen aislacion entre entrada y salida, lo cual conlleva, ademas, un grado muy alto de confiabilidad, principalmente en cuanto hace a la seguridad de nuestra carga ante eventuales fallas en la fuente, siempre posibles.

Pero, vamos a posponer el desarrollo de las fuentes aisladas, para hacer una descripcion de un elemento que vimos en estos 3 tiposde fuentes, y que no explicamos deliberadamente, por una cuestion de no complicar al lector, y dado que en cuanto hace a los graficos, estando severamente limitados a los 256 caracteres ASCII. Se trata del PWM (Pulse Width Modulator, o modulador de ancho de pulsos), y que es el encargado de generar las señales que comandan a los elementos de potencia que ya hemos visto.

Normalmente, esta parte del circuito, esta contenida dentro de un circuito integrado, a veces con una potencia, otras veces sin ella.

Las partes escenciales de un circuito destinado al control de fuentes conmutadas, tienen, por lo menos, las siguientes funciones:

1) Un oscilador: normalmente un circuito RC, que genera la frecuencia de operacion de la fuente; la mayoria de las veces su forma de onda es del tipo diente de sierra o triangular;

2) Un comparador de tension: el cual debe ser capaz de conmutar en tiempos muy breves entre el estado alto y el bajo y viceversa, y operar a la frecuencia que impone el oscilador;

3) Un amplificador operacional: destinado a amplificar la señal de error de la fuente, cuanto mejor sea la estabilidad y el ancho de banda, mejor;

4) Una referencia de tension: de ella dependeran las caracteristicas de nuestra fuente, y nos servira de base para saber que hacer con la tension de salida;

5) Un flip-flop: encargado de asegurarnos el no funcionamiento erratico del circuito;

6) Un circuito de OVP y/o UVP: over y under voltage protection (protecciones por sobre y baja tensiOn) destinado a protegerse a si mismo, a la potencia y a la carga contra exceso o falta de tension adecuada para funcionar con seguridad;

7) Una etapa de salida, capaz de comandar directa o indirectamente, a la etapa de potencia del conversor.

8) Una logica: encargada de superivsar y enrutar las señales internas a la(s) salida(s).

A su vez, algunos de ellos pueden incorporar funciones auxiliares, destinadas a mejorar el comportamiento, pero que no son imprescindibles. Entre ellos podemos mencionar:

9) Un mecanismo de apagado remoto (remote shutdown): que permita apagar la fuente sin necesidad de desconectarla de la l¡nea mediante un interruptor;

10) Circuitos de "power good": destinados a señalizar a un dispositivo externo si la fuente est  en falla (por ejemplo, porque perdio el control de lazo, porque esta  sobrecargada, etc.);

11) Circuito de sincronizacion: para `enganchar' a la fuente a una señal exterior, y trabajar sincopadamente con ella; por ejemplo, otra fuente;

12) Sistema de deteccion de sobretemperatura del integrado: apagan la fuente si se sobrepasa una temperatura interna del chip que puede tornar insegura su operatividad;

13) Un circuito programable de deteccion de sobreconsumo en la etapa de potencia debido a una sobrecarga de la fuente o un mal funcionamiento de la fuente misma;

14) Una salida de compensacion: para poder estabilizar a la fuente en lazo cerrado y definir la respuesta en frecuencia de la fuente;

15) Una salida demorada de reset: si la fuente ha de ser utilizada para alimentar un sistema que incorpora un microprocesador, el PWM le genera una salida de reset para restituir los registros internos del procesador a condicione iniciales normales una vez que paso el transitorio de encendido de la fuente, etc.

Vamos entonces, a describir un contrlador de PWM generico, es decir, ninguno de los que estan actualmente en plaza, sino uno que solamente contiene los elementos del 1 al 8, a fin de entender su funcionamiento basico unicamente, y dejando de lado todas las funciones accesorias, y que complicaria la explicacion.

En el dibujo muestra un CI generico destinado a una fuente de alimentacion conmutada. El oscilador provee dos señales internas diferentes. Una salida diente de sierra destinada a la generacion del PWM, y un clock de onda rectangular destinada a comandar el flip flop. La frecuencia de trabajo se fija mediante dos componentes pasivos conectados a dos pines `ad hoc' en el IC, ellos son un capacitor (CT) y un resistor (RT). El funcionamiento de este oscilador no es complicado, pero se aleja mucho de la intension de estearticulo. Nos conformamos con saber que opera como un oscilador de relajacion controlado por la corriente drenada por RT.

Por otro lado, un amplificador operacional, de alta calidad (esto implica buen ancho de banda, alta ganacia y bajo ruido), se encarga de amplificar la diferencia entre una muestra de la salida de la fuente (cerca de la carga, despues de atravesar la etapa de potencia) atenuada mediante un divisor de tension; y una referencia obtenida a partir de la salida dispuesta a tal efecto. Ese error entra en el comparador donde se contrasta contra el diente de sierra. Si la señal de error es mas grande que la tension instantanea provista por el oscilador, su salida es maxima (unos 5 Volt) y nula a la inversa. A la salida del comparador no se admiten valores de tension que no sean 0 o 5 Volts (es decir, esta "digitalizada"). Imaginemos esto como un "sube y baja", donde la salida pasa a 1 si el sube y baja esta por encima de un cierto nivel, o 0 si esta por debajo.

La salida del comparador entra a un flip flop en donde ocurren 2 cosas: por un lado, el flip flop se dispara con cada ascenso de la tension del comparador, y es reseteado por el oscilador (esto se hace a efectos de garantizar que no existan salidas erraticas, por efecto de ruidos captados por la circuiteria interna del CI, sus conexiones, o inducidos desde los circuitos de potencia), y por otro lado se divide la salida a la mitad de la frecuencia a efectos de proveer salida push pull (en las topologias ya analizadas no es necesario, pero en otras aisladas, si).

Un regulador lineal interno acepta la tension de alimentacion (+Vcc), y la estabiliza a unos 5V para que funcionen las secciones internas del CI. Si +Vcc es muy bajo o muy alto (esto surge de comparar la +Vcc con dos señales derivadas de la referencia, se genera una señal de baja o alta tension, que se conduce hacia la l¢gica. Si esta salida est  activa, se anula la salida del CI para evitar da¤os a la etapa de potencia o una perdida de regulacion.

Finalmente, una etapa de baja potencia, eleva la corriente para las salidas de control, hasta niveles de 1 amper con el objeto de poder controlar directamente la compuerta de un MOSFET. Otros CI mas antiguos, solo poseen una o dos salidas a colector abierto (tipo TDA 1060 o TL494 respectivamente). Otros mas actuales, presentan una configuracion "Totem Pole" que entrega tensines de cero o positivo a su salida, tambien en una o dos salidas (UC3842 y UC3524 resp.)

Fin capitulo #6