Fuente conmutada (switching)

[noctur]

Hola, estoy leyendo cada hoja de este importante y nutritivo foro.
Tratare de resumir a ver si alguien puede sacarme estas dudas puntuales. Perdón si alguna parece primitiva.
La primera duda es sobre CCM (modo continuo) y DCM (modo discontinuo).
-El modo CCM se logra solo con los calculos o el IC que maneja el control es especial??.
-Puedo hacer una fuente auto-oscilante con simple transistores y que sea CCM o siempre son todas DCM??.
-Ej el IC 3842 y su familia trabajan en CCM o en DCM??(al margen que sea para manejar modo de control por corriente).

Si yo saco pwm de un ucontrolador ( 0<=pwm-duty<=83% para no llegar a saturar el mosfet) y los paso por un mosfet y toda su red, para controlar una transformador flyback y obtener una salida de 30v/3A seria posible???. Esto quiero llegar a hacer.

Les comento lo que tengo funcionando:
Un pic16f73(que tenia de sobra) trabajando con un duty entre 0 y 83% en 10bits de pwm. Conectado a un driver discreto con transistores, que manejan un IRF840 conectado a un toroide reciclado en topologia flyback ( en el primario tiene 22 vueltas y el secundario unas 13 vueltas). Lo alimento con 12v y saco a la salida 6v regulandolo con un pote en el ADC0 sin problemas de 0 a 6v. Le puse una carga de 10ohms.

Ahora midiendo con osciloscopio la tension en el mosfet entre D y S tengo 150vDC y midiendo con osciloscopio en el transformador toroidal tengo entre 60 y 100vDC segun el duty. Es normal estas tensiones???
NO le puse ninguna red de SNUBBER, ni CLAMPING, sera por eso que se va tan alta la tension???.
Todo funciona bien, y el mosfet no calienta!!!, pero quisiera conectarlo a la red de 220vAC--->311VDC luego de rectificarlo.
Claro que me conviene usar otro nucleo tipo EE segun vi ya en el foro.
Espero que me puedan ayudar con esos detalles!!
Muchas gracias!!

 

[DJ T3]

Primero te recomiendo leer COMPLETAMENTE, incluyendo los enlaces, este tópico;
El ABC de lo que hay y no hacer antes de postear

Segundo, y por lo que leí sin ver el circuito, no tienes diodo de protección, importantisimo para evitar lo que te está pasando. La conmutación sobre una bobina, genera en la desconexión una tensión altísima en inversa, por lo que se le coloca un diodo en "antiparalelo" o algún circuito que amortigüe y aproveche esa tensión.
El ejemplo mas común es cuando se usa un transistor para conmutar un relé.

Tercero (espero hayas leído el primer punto), publica los diagramas, esquemas, fotos, etc., incluyendo la idea final del proyecto, porque así como lo comentas es una locura...

 

[vrainom]

Las fuentes en topología flyback tienen un tiempo de carga o magnetización y tiempo de transferencia o descarga que es cuando la inductancia primaria invierte su polaridad y se acopla a la inductancia del secundario. La diferencia entre modo discontinuo y continuo es si la inductancia primaria se desmagnetiza completamente o no durante la etapa de transferencia.

La desventaja del modo discontinuo es desaprovechamiento del ciclo de trabajo y mayor cantidad de interferencia electromagnética (EMI) por la resonancia que se genera al desmagnetizar.


Las desventajas del modo continuo es que se desaprovecha parte de la magnetización y mayores pérdidas en transistor y diodos al forzar el cambio de polaridad en la magnetización.

Una fuente flyback bien diseñada a plena carga se encuentra al borde de ambos modos, llamada border conduction mode (BCM).

-Puedo hacer una fuente auto-oscilante con simple transistores y que sea CCM o siempre son todas DCM??

Son BCM o border conduction mode dado que la bobina auxiliar refuerza o apaga el transistor del primario según se esté magnetizando o desmagnetizando, la desventaja es que varía su frecuencia de trabajo según la carga que tenga.

-Ej el IC 3842 y su familia trabajan en CCM o en DCM??(al margen que sea para manejar modo de control por corriente).

El UC3842 y el UC3843 tienen un ciclo de trabajo de hasta 100%, el UC3844 y el UC3845 tienen un ciclo de trabajo de hasta 50%.

Ahora, una fuente con ciclo de trabajo de 50% también puede entrar en modo CCM, dependiendo del diseño de la inductancia del transformador y la carga de salida.

Si yo saco pwm de un ucontrolador ( 0<=pwm-duty<=83% para no llegar a saturar el mosfet) y los paso por un mosfet y toda su red, para controlar una transformador flyback y obtener una salida de 30v/3A seria posible???. Esto quiero llegar a hacer.

El problema de manejar un ciclo de trabajo mayor al 50% en fuentes boost y flyback es el surgimiento del llamado cero en el semiplano derecho, que es un desfase entre la corriente de entrada y salida por lo que el lazo de control se vuelve forzosamente o inestable o lento.

Otra desventaja de usar un ciclo de trabajo tan disparejo aparte del cero en el semiplano derecho es que toda la corriente de transferencia se tiene que lograr en el 17% del ciclo de trabajo restante por lo que aumentan las pérdidas en el rectificador y capacitores del secundario.

Ahora midiendo con osciloscopio la tension en el mosfet entre D y S tengo 150vDC y midiendo con osciloscopio en el transformador toroidal tengo entre 60 y 100vDC segun el duty. Es normal estas tensiones???
NO le puse ninguna red de SNUBBER, ni CLAMPING, sera por eso que se va tan alta la tension???.
Todo funciona bien, y el mosfet no calienta!!!, pero quisiera conectarlo a la red de 220vAC--->311VDC luego de rectificarlo.
Claro que me conviene usar otro nucleo tipo EE segun vi ya en el foro.

Los picos de voltaje los causan tanto la falta de snubber como la inductancia de fuga por desacople entre los devanados primario y secundario, que en un toroide se supone que no debería ser mucho desacople. Pero sí es necesario un núcleo distinto para una fuente flyback porque se necesita entrehierro para generar la reluctancia necesaria para su funcionamiento, pero al mismo tiempo la reluctancia aumenta la inductancia de fuga, por lo que el diseño del transformador necesita ser prolijo.

 

[noctur]

Primero te recomiendo leer COMPLETAMENTE, incluyendo los enlaces, este tópico;
El ABC de lo que hay y no hacer antes de postear

Segundo, y por lo que leí sin ver el circuito, no tienes diodo de protección, importantisimo para evitar lo que te está pasando. La conmutación sobre una bobina, genera en la desconexión una tensión altísima en inversa, por lo que se le coloca un diodo en "antiparalelo" o algún circuito que amortigüe y aproveche esa tensión.
El ejemplo mas común es cuando se usa un transistor para conmutar un relé.

Tercero (espero hayas leído el primer punto), publica los diagramas, esquemas, fotos, etc., incluyendo la idea final del proyecto, porque así como lo comentas es una locura...

Hola,
Muchas gracias por responder!!.
Lei lo que me indicaste y espero no olvidarme nada!!.

Adjunto el esquema simplificado espero que se entienda. Despues le agrego un filtro EMI y la etapa rectificadora..
Aclaro que esto esta funcionando con una tension de entrada 12VDC y tension de salida 6v. PWM 10bits entre 0 y 80%.
Lo que en el esquema figura en AZUL es lo que esta funcionando actualmente.
Yo quisiera poder alimentarlo directo de la red 311VDC. Y sacarle un poco mas de potencia 90w. Y unos 30v.
Vin=311VDC
Vo=30VDC
Io=3A
Po=90w
F=20khz

Creo que se me va a hacer muy grande el transformador en 20khz, el problema es que esa frecuencia es la maxima para 10bits del microcontrolador que tengo.

Me faltarian saber como se calcula bien el transformador flyback para esos valores y los que seria la red de SNUBBER.
Me recomendarias seguir estos calculos para el transformador??, seria la hoja 3 de este mismo tema, los calculos de Juan Romero:

Fuente conmutada (switching)

Hola amigo coquino, todas las fuentes conmutadas tienen que llevar un filtro de entrada asi como un filtro de salida; al de entrada se le denomina filtro EMI (electromagnetics interference) y sirve para suprimir la frecuencia generada por el ckto oscilador y que este no pase a la linea de...

www.forosdeelectronica.com

Muchas gracias!!

Las fuentes en topología flyback tienen un tiempo de carga o magnetización y tiempo de transferencia o descarga que es cuando la inductancia primaria invierte su polaridad y se acopla a la inductancia del secundario. La diferencia entre modo discontinuo y continuo es si la inductancia primaria se desmagnetiza completamente o no durante la etapa de transferencia.
Ver el archivo adjunto 321865
La desventaja del modo discontinuo es desaprovechamiento del ciclo de trabajo y mayor cantidad de interferencia electromagnética (EMI) por la resonancia que se genera al desmagnetizar.

Ver el archivo adjunto 321866
Las desventajas del modo continuo es que se desaprovecha parte de la magnetización y mayores pérdidas en transistor y diodos al forzar el cambio de polaridad en la magnetización.

Una fuente flyback bien diseñada a plena carga se encuentra al borde de ambos modos, llamada border conduction mode (BCM).


Son BCM o border conduction mode dado que la bobina auxiliar refuerza o apaga el transistor del primario según se esté magnetizando o desmagnetizando, la desventaja es que varía su frecuencia de trabajo según la carga que tenga.



El UC3842 y el UC3843 tienen un ciclo de trabajo de hasta 100%, el UC3844 y el UC3845 tienen un ciclo de trabajo de hasta 50%.

Ahora, una fuente con ciclo de trabajo de 50% también puede entrar en modo CCM, dependiendo del diseño de la inductancia del transformador y la carga de salida.


El problema de manejar un ciclo de trabajo mayor al 50% en fuentes boost y flyback es el surgimiento del llamado cero en el semiplano derecho, que es un desfase entre la corriente de entrada y salida por lo que el lazo de control se vuelve forzosamente o inestable o lento.

Otra desventaja de usar un ciclo de trabajo tan disparejo aparte del cero en el semiplano derecho es que toda la corriente de transferencia se tiene que lograr en el 17% del ciclo de trabajo restante por lo que aumentan las pérdidas en el rectificador y capacitores del secundario.


Los picos de voltaje los causan tanto la falta de snubber como la inductancia de fuga por desacople entre los devanados primario y secundario, que en un toroide se supone que no debería ser mucho desacople. Pero sí es necesario un núcleo distinto para una fuente flyback porque se necesita entrehierro para generar la reluctancia necesaria para su funcionamiento, pero al mismo tiempo la reluctancia aumenta la inductancia de fuga, por lo que el diseño del transformador necesita ser prolijo.

Hola,
Muchas gracias por responder!! y muy clara la teoría.

En el msj agregue el esquema simplificado, tendría que hacer algo particular en el codigo del microcontrolador para trabajar en BCM??.
Claro que tengo que agregarle una realimentacion desde Vo hacia alguna entrada adc para retroalimentar el pwm y estabilizar el lazo. Eso lo entiendo perfecto. Pero entiendo que simplemente seria DCM o me equivoco??.
Quiero tratar de usar un microcontrolador para hacer una especie de fuente regulada y sacarle varios modos de operacion (fuente regulada y cargador de baterias chicas.

Una Frecuencia de 20khz me va a dar una transformador muy grande calculo (capaz me convenga usarlo a 8 bits y sacarle 78khz), ahora necesitara calcular el transformador y la red de snubber.
Muchas gracias.

 

[noctur]

Buen dia.
Ayer pase el ucontrolador a 8 bits y 78khz y todo bien respecto a visualizar provisoriamente los valores de 0 a 5v del ADC0 en un LCD 2X16 que puse momentaneamente. 5v/256=0.0195
Si tuviera 30v/256=0.117 ( claro que no se puede llegar a 256 max de pwm x saturacion del transistor), pero no esta tan mal para una fuente regulada y cargador de baterias de gel.

Podria dejarlo asi para que el transformador sea mas chico, que les parece?.
Igual ahora ya el opto PC817 no trabaja a esa frecuencia. Tendria que buscar un opto gate driver mejor. Que les parece un tlp350?. Me parece economico, los tiempos de respuesta seran buenos?.

Y sino ya tendria que descartar este diseño y cortrolar el feedback optoacoplado de un uc3842 con el microcontrolador. Tambien podria hacer asi. Y desactivo el pwm del μcontrolador.

 

[DJ T3]

Yo descartaría totalmente el microcontrolador para éste proposito, podrías seguir utilizandolo para controlar la frecuencia/tensión de salida, pero no de esa forma, ya que si por alguna razón un ruido parásito o un error del mismo hace que se "cuelgue", el mosfet quedaría conduciendo, y chau todo.

Depende la complejidad, la estabilidad de la salida, y si va a ser variable te conviene uno u otro.

Mira circuitos con TL494 o KA7500 que son usados en fuentes de PC mayormente (puedes conseguir todo de una en desuso).

Y ten cuidado con la carga, ya que las cargas inductivas tienen algunas complicaciones, y peor si es para alimentar un motor.

Y antes que sigas;

ADVERTENCIA:

Vas a diseñar un circuito que se conecta directamente a la red eléctrica de 220Vca, por lo que es MUY PELIGROSO y ni los foristas ni forosdeelectronica.com se hacen responsables por el mal manejo o problemas que puedan surgir por mal manipulación del aparato.

 

[noctur]

Yo descartaría totalmente el microcontrolador para éste proposito, podrías seguir utilizandolo para controlar la frecuencia/tensión de salida, pero no de esa forma, ya que si por alguna razón un ruido parásito o un error del mismo hace que se "cuelgue", el mosfet quedaría conduciendo, y chau todo.

Depende la complejidad, la estabilidad de la salida, y si va a ser variable te conviene uno u otro.

Mira circuitos con TL494 o KA7500 que son usados en fuentes de PC mayormente (puedes conseguir todo de una en desuso).

Y ten cuidado con la carga, ya que las cargas inductivas tienen algunas complicaciones, y peor si es para alimentar un motor.

Y antes que sigas;

ADVERTENCIA:

Vas a diseñar un circuito que se conecta directamente a la red eléctrica de 220Vca, por lo que es MUY PELIGROSO y ni los foristas ni forosdeelectronica.com se hacen responsables por el mal manejo o problemas que puedan surgir por mal manipulación del aparato.

Hola,
Muchas gracias por responder y la explicación.

Habia pensado el detalle que se cuelgue el pic y por eso habia hecho el driver discreto que de tal modo conecte el mosfet a masa y el pwm quede en 0.

De estos 2 esquemas que subo cual me recomendarias??. Al del PIC me falto un potenciometro para la fuente regulada. En ADC1 Y comparo ADC0 con ADC1. Cuando son iguales activo TL431. YA casi lo tenia hecho.
Yo necesitaba que la fuente tenga 3 modos
1)tension fija 7.5v (cargar baterias de 6v)
2)tension fija 13.8v (cargar baterias de 12v)
3)fuente regulada de 0 a 30v

Tengo 12 fuentes de pc tiradas y tengo 50 IC UC3843 y por tal motivo puedo usarlos.
De los 2 esquemas cual te parece mejor para darle las directivas al tl494 o uc3842?. Y hacer el control digital (queria manejarlo de 2 botones select y ENTER. Y 1 LCD para visualizar I y V. Ya lo tengo funcionando).

Si tendria que diseñar la fuente que esquema podria desarrollar que sea simple para sacarle 30v/3A??.
Este que te parece?:

o

Muchas gracias!

 

[noctur]

Bueno no me deja editar el comentario anterior.
El ultimo video que puse me equivoque.
El primero llega hasta 15v. (rebobinando el secundario creo que se podria llegar a 30v).
este era el segundo link:

 

[Don Plaquetin]

Yo necesitaba que la fuente tenga 3 modos
1)tension fija 7.5v (cargar baterias de 6v)
2)tension fija 13.8v (cargar baterias de 12v)
3)fuente regulada de 0 a 30v

Error La tensión para cargar baterías no es lo que tiene que ser estable la que debe ser fijada es la corriente y siempre es el 10% de la Ah o mAh
ejemplo: si es de 7Ah la corriente debe ser 700mA fijos.

 

[noctur]

Error La tensión para cargar baterías no es lo que tiene que ser estable la que debe ser fijada es la corriente y siempre es el 10% de la Ah o mAh
ejemplo: si es de 7Ah la corriente debe ser 700mA fijos.

Hola.
Tenes razon lo que decis de la corriente.
Pero todos los cargadores que tengo en vacio tienen esa tension de flote.
A eso me referia.
Gracias por responder

 

[DJ T3]

Muchas gracias por responder y la explicación.

De nada

De estos 2 esquemas que subo cual me recomendarias??.

Sin mirar el video, ninguno. Mejor busca en el foro que hay fuentes probadas y aprobadas, con comentarios y sugerencias.
Aparte hay fuentes reguladas excelentes.

Yo miraría mejor las opciones del foro...

 

[vrainom]

En el msj agregue el esquema simplificado, tendría que hacer algo particular en el codigo del microcontrolador para trabajar en BCM??. Claro que tengo que agregarle una realimentacion desde Vo hacia alguna entrada adc para retroalimentar el pwm y estabilizar el lazo. Eso lo entiendo perfecto. Pero entiendo que simplemente seria DCM o me equivoco??.

Solo trabajará en BCM si se cumplen las condiciones del diseño: voltaje de entrada nominal y carga nominal, si disminuye la carga o aumenta el voltaje de entrada pues la estabilización del voltaje de salida forzará que entre en DCM.

Quiero tratar de usar un microcontrolador para hacer una especie de fuente regulada y sacarle varios modos de operacion (fuente regulada y cargador de baterias chicas.

Una Frecuencia de 20khz me va a dar una transformador muy grande calculo (capaz me convenga usarlo a 8 bits y sacarle 78khz), ahora necesitara calcular el transformador y la red de snubber.
Muchas gracias.

La fórmula para calcular las vueltas mínimas de un transformador de ferrita es igual que para los transformadores laminados EXCEPTO que se elimina la constante 4.44 porque la forma de onda es cuadrada y la polarización es DC por lo que queda: NP = V ÷ (Hz × m² × T) o sea el número mínimo de vueltas del primario es igual al voltaje máximo de entrada dividido por la sección del transformador en m² multiplicado por frecuencia de trabajo y por la magnetización en Teslas. Los núcleos de ferrita saturan alrededor de los 300mT (0.3T) y este valor baja al subir la frecuencia, hay que revisar la hoja de datos del núcleo.

Después de eso debe tenerse en cuenta la inductancia resultante porque las fuentes flyback no son de transferencia directa y la magnetización almacenada en la inductancia tiene cierta velocidad de subida dada por la fórmula v = Ldi ÷ dt, resolviendo para encontrar la inductancia necesaria: L = vdt ÷ di, donde dt es la inversa de la frecuencia de trabajo multiplicada por el ciclo de trabajo, v el voltaje de entrada e i sería la corriente maxima de entrada dividida entre el ciclo máximo de trabajo y la eficiencia de la fuente. Se puede disminuir la inductancia añadiéndole separación a la sección central del transformador, pero sin abusar ya que eso también aumenta la inductancia de fuga y por lo tanto la resonancia y los picos inversos del primario.

El snubber pues idealmente se diseña según la resonancia del primario cuando se apaga el transistor, para eso necesitas un osciloscopio (y tener cuidado con no dañarlo por medir voltaje de casa) aunque cualquier snubber copiado de otra fuente similar es mejor que no tener ningún snubber.

Te recomiendo agregarle una protección por saturación del transformador con una resistencia sensora de corriente y un transistor que al alcanzar cierta corriente apague el mosfet automáticamente sin la intervención del microcontrolador.

La manera en que los chips de SMPS trabajan es aumentar gradualmente el PWM hasta que el optoacoplador del secundario indica que alcanzó el voltaje y entonces disminuye el PWM y así sucesivamente, podrías utilizar tres optos, uno para cada caso de los voltajes que quieres. Excepto que para variar el voltaje de salida hasta cero se complica un poco porque ¿cómo se excitaría el opto con cero voltios? Quizá necesitarías una fuente secundaria que sea la que alimente al opto con un comparador.

 

[noctur]

Solo trabajará en BCM si se cumplen las condiciones del diseño: voltaje de entrada nominal y carga nominal, si disminuye la carga o aumenta el voltaje de entrada pues la estabilización del voltaje de salida forzará que entre en DCM.

La fórmula para calcular las vueltas mínimas de un transformador de ferrita es igual que para los transformadores laminados EXCEPTO que se elimina la constante 4.44 porque la forma de onda es cuadrada y la polarización es DC por lo que queda: NP = V ÷ (Hz × m² × T) o sea el número mínimo de vueltas del primario es igual al voltaje máximo de entrada dividido por la sección del transformador en m² multiplicado por frecuencia de trabajo y por la magnetización en Teslas. Los núcleos de ferrita saturan alrededor de los 300mT (0.3T) y este valor baja al subir la frecuencia, hay que revisar la hoja de datos del núcleo.

Después de eso debe tenerse en cuenta la inductancia resultante porque las fuentes flyback no son de transferencia directa y la magnetización almacenada en la inductancia tiene cierta velocidad de subida dada por la fórmula v = Ldi ÷ dt, resolviendo para encontrar la inductancia necesaria: L = vdt ÷ di, donde dt es la inversa de la frecuencia de trabajo multiplicada por el ciclo de trabajo, v el voltaje de entrada e i sería la corriente maxima de entrada dividida entre el ciclo máximo de trabajo y la eficiencia de la fuente. Se puede disminuir la inductancia añadiéndole separación a la sección central del transformador, pero sin abusar ya que eso también aumenta la inductancia de fuga y por lo tanto la resonancia y los picos inversos del primario.

El snubber pues idealmente se diseña según la resonancia del primario cuando se apaga el transistor, para eso necesitas un osciloscopio (y tener cuidado con no dañarlo por medir voltaje de casa) aunque cualquier snubber copiado de otra fuente similar es mejor que no tener ningún snubber.

Te recomiendo agregarle una protección por saturación del transformador con una resistencia sensora de corriente y un transistor que al alcanzar cierta corriente apague el mosfet automáticamente sin la intervención del microcontrolador.

La manera en que los chips de SMPS trabajan es aumentar gradualmente el PWM hasta que el optoacoplador del secundario indica que alcanzó el voltaje y entonces disminuye el PWM y así sucesivamente, podrías utilizar tres optos, uno para cada caso de los voltajes que quieres. Excepto que para variar el voltaje de salida hasta cero se complica un poco porque ¿cómo se excitaría el opto con cero voltios? Quizá necesitarías una fuente secundaria que sea la que alimente al opto con un comparador.

Hola vrainom,
Muchas gracias por toda la teoría!!!
Excelente, ahí me dejaste esas dudad aclaradas.

Te recomiendo agregarle una protección por saturación del transformador con una resistencia sensora de corriente y un transistor que al alcanzar cierta corriente apague el mosfet automáticamente sin la intervención del microcontrolador.

Perfecto, voy a adregarle una R sense entre el pin S del mosfet y GND, para realimentar disminuyendo el pin G con un transistor NPN y algun capacitor para que no oscile de algunos pf.
Vamos a ver que sale de las ideas a realizar.
Muchas gracias!!
Saludos!