Curso de electrónica proyectos No. 3.0 – Fuente conmutada autooscilante con MOSFET
Introducción
Hola amigos sean bienvenidos a este nuevo artículo de profundización sobre el proyecto electrónica la Fuente conmutada autooscilante.
Resumen
Acá veremos los diferentes resultados de los experimentos y la parte teórica sobre este tercer proyecto de este curso de electrónica. este proyecto consiste en la Fuente conmutada autooscilante con mosfet. resumidamente veremos todo sobre este circuito y aparte porque no usa un circuito integrado adicionando además su regulación en voltaje y corriente.
Contenido
Curso de electrónica proyectos No. 3.0 – Fuente conmutada autooscilante con MOSFET
Modelos actuales y sus problemas
Apariencia de la fuente conmutada autooscilante
Plano general de la fuente conmutada autooscilante
Fórmulas y ecuaciones matemáticas
Cálculos del transformador toroidal
Limitador de corriente del Mosfet
Datos adicionales sobre la fuente conmutada autooscilante.
Separación de etapas de la fuente
Limitaciones y dificultades en la fuente conmutada autooscilante
Puesta a punto del experimento
Aspectos prácticos preliminares
Muestra del vídeo experimental
Ventajas de la fuente conmutada autooscilante
Definición
la Fuente conmutada autooscilante es por lo general un convertidor de tipo flyback, ya que este posee la Facultad de ser autooscilatoria, por lo tanto, no usa un circuito integrado por lo general sino un transistor qué se alimenta de un devanado terciario del transformador de pulsos de este convertidor de esta manera cumple la función de ser realimentada positivamente.
Características básicas
Acá resumo las características más relevantes de esta fuente conmutada autooscilante.
- Posee límite de corriente natural a este circuito, quiere decir que este posee un limitador que es obligatorio usarlo en toda la fuente, de lo contrario no funcionaría.
- Realimentación y seteo de voltaje de salida por optoacoplador.
- Esta realizada con mosfet.
- Voltaje de entrada desde los 12V.
Antecedentes
Modelos actuales y sus problemas
- Falta de información referente a este diseño.
- Los pocos modelos que se ven en internet, sólo trabajan con fuentes de 110V o 220V.
Mejoras presentadas
- Verdadera información de diseño acá en este artículo de la fuente conmutada autooscilante.
- Esta fuente trabaja desde los 12V, lo cual puede ser usada para convertir algunos voltajes y aislarlos de las tierras.
- Se puede usar como fuente auxiliar flotante.
Apariencia de la fuente conmutada autooscilante
A continuación, en la imagen esta fuente conmutada autooscilante está montada en un circuito impreso universal lo cual es más cercano a tener un trabajo bien estructurado, ya que si se usa una protoboard, debido a las separaciones y las malas conexiones posibles, tendríamos problemas de funcionamiento.
Figura 1: Circuito impreso de la fuente conmutada autooscilante
Figura 2: Fuente conmutada autooscilante con el mosfet en disipador de calor
Esta es entonces la apariencia de nuestro proyecto en circuito impreso universal.
Plano general de la fuente conmutada autooscilante
Figura 3: Plano general con partes resaltadas de la fuente conmutada autooscilante
Cómo se puede ver en la imagen, este es el plano completo de la Fuente conmutada autooscilante, cómo se puede ver en este diseño no existe circuito integrado que controle la fuente, simplemente la fuente conmutada trabaja en modo autooscilación gracias a una realimentación positiva.
Acá distinguiremos las partes principales de este plano:
La primera parte en rojo nos mostrará el transformador de pulsos, cuyo diseño real es un toroide de 27 espiras en el primario, con 27 espiras en el secundario y 25 espiras en el devanado terciario o de realimentación.
El círculo enmarcado en azul claro es el capacitor de oscilación de la Fuente que estará conectado con el terciario o el devanado de realimentación.
La resistencia R2 con la flecha verde, es la que polarizar a el circuito cuando éste se ha encendido y si hará que el mosfet se suichee.
El mosfet estarán marcado en un recuadro amarillo; abajo de este estará enmarcado en un polígono violeta el circuito de limitación de corriente donde tomará la corriente circundante por el mosfet y lo desconectará cuando llegué a sobrepasar dicha corriente. El zener D2 protegerá a la entrada del mosfet de sobrevoltajes.
El recuadro azul oscuro nos mostrará el circuito de obtención de voltaje Auto acoplado, que con ayuda del TL431 se te hará el voltaje requerido, es decir, que cuando el voltaje sobrepase el umbral, el optoacoplador haciendo que el mosfet se desconecte, lógicamente, la fuente disminuirá su voltaje hasta llegar al necesario. De resto todo en la Fuente es entendible en su funcionamiento.
Fórmulas y ecuaciones matemáticas
En esta parte de acá, vamos a ir por cada parte para realizar su diseño y sus cálculos básicos.
Cálculos del transformador toroidal
Figura 4: Transformador toroidal de la fuente conmutada autooscilante
Estas son las ecuaciones básicas del diseño, partiendo de la primera, que es la más básica para el diseño y análisis de los transformadores.
Saliendo de esta relación y poniendo un devanado primario que apenas es lo que necesitamos, la transformación de voltajes podemos deducir que el secundario es igual al número de espiras del primario, por el voltaje del secundario, todo esto sobre el voltaje del primario, pues acá es de esperarse que sea 27 espiras, ya que es el mismo voltaje del primario.
Para el devanado de feedback o realimentación usamos la misma ecuación, solo que para este solo necesitaremos 11 voltios para la conmutación del mosfet.
Obviamente, este cálculo, solo se realizará con una señal de PWM al 50% o una onda cuadrada simétrica.
Limitador de corriente del Mosfet
Este ya será el circuito para la limitación de corriente en el mosfet, y por lo tanto en todo el circuito
Figura 5: Circuito de limitación de corriente del mosfet
Este circuito se encarga de activarse el al momento de que la corriente supera cierto valor de corriente, a su vez desactivará el mosfet para reiniciar el ciclo.
Las fórmulas que explican su comportamiento serán las siguientes: la primera, nos dará el límite de corriente máximo de circulación de drenador a fuente del mosfet (es de notar acá que se usaron 0.8 voltios para superar el umbral de activación del transistor de base a emisor que es de 0.7 voltios).
Eso nos dará que la corriente estará cerca de los 3.2 amperios.
Para la corriente de base de este transistor, aunque en ciertos casos no es necesario, la describo con esta fórmula.
Acá la corriente de base será entonces 2.13 miliamperios, la cual con el beta de este transistor que estará cerca de 70, es la corriente suficiente para que desactive la compuerta del mosfet. Lo podemos comprobar acá.
Sabiendo esto, verifiquemos con la corriente que circulará por las resistencias R2 y R3 al máximo.
Es de verse acá, que la corriente disponible para el transistor es demasiado superior y suficiente para drenar 4,78uA.
Optoacoplador
Esta parte de acá es muy sencilla de hecho la he explicado en este vídeo.
Sabiendo esto, sólo aplico la fórmula del voltaje en el TL431.
Figura 6: Circuito de control de voltaje por optoacoplador
Datos adicionales sobre la fuente conmutada autooscilante.
Separación de etapas de la fuente
Algo adicional a este diseño es que para tener en cuenta el funcionamiento de esta fuente de entenderse como una separación de etapas de potencia, así como se muestra en este plano.
Figura 7: Organización por etapas de potencia de la fuente conmutada autooscilante
Estas zonas, caliente y fría son las que se diferencian en este circuito. Dónde está primera se encarga de recibir el voltaje alimentación y procesarlo para transmitirlo a la siguiente etapa, que es la zona fría la cual también tiene la función de recibir la energía del transformador, para entregarla rectificada a la salida.
La separación es galvánica por lo tanto las tierras son diferentes de una etapa a otra. la única forma de comunicación que hay de estas etapas es por medio del optoacoplador donde su función, cómo lo había dicho, es de regular el voltaje de salida por medio de la desactivación del transistor mosfet de la etapa de zona caliente.
Limitaciones y dificultades en la fuente conmutada autooscilante
Como todo en el mundo real, tiene dificultades y limitaciones que posee el diseño, es el caso:
- El núcleo del transformador debe ser debidamente seleccionado, para así evitar desgaste de energía, perdidas de disipación de potencia magnética, voltajes parásitos, entre otros.
- El secundario de realimentación es de espiras limitadas, debido a que, si se llega a pasar de número, afecta el funcionamiento de la fuente, y también la frecuencia de oscilación.
Puesta a punto del experimento
Objetivos
- Aprender a diferenciar la zona caliente de la zona fría.
- Detectar la frecuencia de oscilación de la fuente conmutada autooscilante con el osciloscopio.
- Apreciar las ondas que llegan a los diferentes puntos del transformador.
- Observar los cambios de ancho de pulso y fase cuando hay carga.
Aspectos prácticos preliminares
- Se usarán elementos que se explicarán en otros vídeos del canal, tales como el osciloscopio, fuentes y multímetros.
- En este experimento notaremos el uso del circuito impreso universal, la cual estará en los capítulos del curso de electrónica práctica.
- También mostraré otros elementos como es el diodo led, cables, capacitores, Mosfets, transformadores toroidales y fuentes de poder.
Lista de elementos
Figura 8: Lista de elementos del experimento
Procedimientos
Procedimiento No. 1
Mostrar con el multímetro los voltajes de entrada y de salida diferenciando las tierras.
Figura 9: Multímetro
Procedimiento No. 2
Tomar las puntas del osciloscopio y poner la el negativo en tierra de la zona caliente, y la punta de prueba en el Gate o compuerta del Mosfet. Ver que frecuencia de onda cuadrada pasa por acá.
Procedimiento No. 3
Tomar el osciloscopio y mirar que frecuencias está ubicada en el sensor de corriente.
Medir frecuencia y forma de onda.
Figura 10: Punto de prueba
Procedimiento No. 4
Tomar el osciloscopio y sin carga mirar cual es la frecuencia y demás magnitudes en el Gate o compuerta del Mosfet, hacer esto de la misma manera con una carga como es un motor DC de 12V.
Resultados y conclusiones
De acuerdo a este experimento, se encontró lo siguiente.
Lo encontrado
- Los cálculos para los voltajes son exactos.
- Las tierras si están separadas galvánicamente.
- Es de precisarse un buen diseño para el transformador, debido a que no soporta como se espera la carga que se somete, aparte su frecuencia es muy baja.
- La frecuencia de oscilación cambia drásticamente en función de la carga, que es algo normal.
Lo que se concluye
- A pesar de ser útil está fuente. Se necesita precisión en los cálculos de esta fuente.
- Se tiene que elegir sus componentes de una forma cuidadosa.
- Es buena para la aislación de tierras.
Muestra del vídeo experimental
Aplicaciones
- Fuente auxiliar flotante para separación de tierras. Ejemplos: Puente de Mosfets.
- Fuente independizar líneas.
Comparaciones y similitudes
Ventajas y desventajas
Ventajas de la fuente conmutada autooscilante
- Por poseer un Mosfet, la disipación de potencia es muy baja ya que este está saturado o en corte. Aunque para el experimento, no fue tanto así.
- Tiene realimentación precisa con el TL431 y optoacoplador.
- Puede trabajar desde un voltaje bastante bajo (12V).
- Se puede ajustar su límite de corriente.
Desventajas
- El rango de voltajes de entradas, depende mucho del secundario bias o feedback.
- Se debe elegir un buen núcleo para así evitar mayores pérdidas.
Conclusiones
- Fuente versátil y de menor dificultad para construcción, pero es de cuidado y hasta de precisión, ya que un mal cálculo puede generar que la fuente no transmita ben su potencia, ya sea por baja frecuencia o perdidas del transformador.
- Muy útil para las fuentes flotantes.
- Como lo anterior, por separar las tierras entre sí.