Post on 29-Dec-2015
Universidad Tecnológica Nacional
Facultad Regional Bahía Blanca
TRABAJO PPRACTICO DE
LABORATORIO N°1
Diseño de fuente de alimentación
“Step down conmutada”
GASTÓN S GALLEGO
ALBERTO SQUADRONI
LUCIANO VISINTIN
Electrónica de Potencia
Agosto, 2010
Trabajo practico de laboratorio Nª1
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Bahía Blanca
RESUMEN
Se realizo el diseño y ensayo de una fuente de alimentación conmutada tipo “Step Down“
utilizando como base el circuito integrado “TL494” cuya hoja de datos se adjunta con el
presente .La mencionada fuente deberá poseer las siguientes características:
Tensión de entrada (Vin) = 12 V [Volts]
Tensión de salida (Vout) = 5 V [Volts]
Corriente de carga máxima (Imax)= 200 mA [mili Amperes]
Corriente de carga mínima (Imin)= 10mA [mili Amperes]
Frecuencia de oscilación (Fa)= 20 KHz [Kilo Hertz]
Tensión de ripple esperado (Vr)= 5V [mili Volts]
Los ensayos de laboratorios constaron de:
Medición del ripple de salida
Medición de la forma de onda en la inductancia
Estimación del tiempo de recuperación del diodo
Estimación experimental de la inductancia
Medición del rendimiento del circuito con un diodo rápido y con un diodo rectificador
Grafico de Vo en función del tiempo
Trabajo practico de laboratorio Nª1
-1-
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Bahía Blanca
1-INTRODUCCION
1-1 DESCRIPCION FUNCIONAL DEL TL494
La base del diseño fue el circuito integrado TL494 utilizado para el control de la
conmutación en la gran mayoría de las fuentes conmutadas, también denominadas
convertidores de cc-cc.
Dicho circuito realiza un control por “Modulación por ancho de pulso” (PWM por sus siglas
en inglés) haciendo uso de un oscilador interno de onda “diente de sierra” comparando la
salida mediante unos amplificadores de error, proporcionando así la señal necesaria para
lograr el 100% de la modulación.
En la siguiente figura se muestra lo explicado en el párrafo anterior:
Además los amplificadores de error son utilizados también para supervisar la corriente de
salida y proporcionan la limitación de la misma en la carga
Posee también un regulador interno de tensión que se usa como referencia de (5 Volts)
utilizado para la aplicaciones en la lógica de control de salida.
Trabajo practico de laboratorio Nª1
-2-
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Bahía Blanca
Para el diseño de un convertidor de cc-cc se utiliza como base el siguiente circuito elemental:
Al cual se le deberán agregar los componentes necesarios tales como un transistor conmutador
y el TL494 descripto en los párrafos anteriores.
2-OBJETIVO FINAL
El objetivo final del proyecto es evaluar el funcionamiento de una fuente de alimentación
conmutada e interpretar la respuesta real de la misma con respecto a lo esperado en los
cálculos teóricos.
3-DISEÑO DEL CIRCUITO
Condiciones:
Vin = 12 V
Vout= 5V
Imax= 200mA
Imin = 5mA
Fosc=20Kz
Trabajo practico de laboratorio Nª1
-3-
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Bahía Blanca
El circuito que se implementó fue el siguiente:
3-1 Cálculo de los parámetros del circuito:
3-1-2Oscilador:
1
( )
1
1
( 2 0 1 )
5 0
F o s cR t C t
C t n F
R tk H z n F
R t k
=+
∴ =
=+
→ = Ω
Rt=47kΩ
Trabajo practico de laboratorio Nª1
-4-
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Bahía Blanca
3-1-3 Sección amplificador de error
Se debe dividir la tensión de referencia interna de 5V a 2.5V esto lo realizan R3 y R4
R3=R4=5,6 kΩ
La señal de error se divide a 2.5V utilizando un potenciómetro P de 10kΩ (se coloca una
resistencia en serie para limitar la corriente que circule por P si este llegase a 0 Ω)
Para reducir la ganancia del amplificador de error se coloca una resistencia de 56 kΩ (R7)
Considerando R5=560 Ω
3-1-4 Limitación de la corriente del amplificador
En el pin 15 del TL494 le entregamos una referencia al amplificador:
Vpin15≈ 1.2V
Se deberá calcular el valor de R11 para que cuando la corriente de carga sea máxima la
entrada (+) del amplificador (pin 16) tenga una tensión ≈1 V (por razones prácticas se toma
un valor un tanto menor)
0.611
max
VR
I=
0.611
200
VR
mA=
R11= 2,7Ω VALOR COMERCIAL
3-1-5 Circuito de arranque
Para una frecuencia de 20kHz el periodo 1 1
20T T
Fosc kHz= → =
T=50µs
El Tl494 generalmente trabaja con ciclos de entre 25 y 100, considerando 50 ciclos y con la
R6=1kΩ, se tiene:
Trabajo practico de laboratorio Nª1
-5-
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Bahía Blanca
50 502 2 2.5
1
sx ciclosC C F
k
µ µ= → =Ω
C2=2.2 µF VALOR COMERCIAL
3-1-6 Calculo del inductor L
( )
I
Vin VoutL xton
l
−≈∆
Tomando ΛIl como un 25% de la corriente de carga máxima
ΛIl = 0.25x200mA
ΛIl = 50mA
5
12
Vout Vd d
Vin V= → =
d=0.42 .
Donde d es el ciclo de trabajo de la onda cuadrada (Mientras estamos en ton)
1 10.42
20ton xd ton x
Fosc kHz∴ = → =
ton =2 µs
(12 5 )2
50
V VL x s
mAµ−=
L≈ 2.8mHy
Trabajo practico de laboratorio Nª1
-6-
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Bahía Blanca
La inductancia se construyo sobre un núcleo toroidal según el siguiente desarrollo
De donde:
R=1.025 cm
a=0.25 cm
µ=10 x µo con µo=4 Пx 10-7
Podremos así despejar el valor de N
N=10 vueltas aproximadamente
A los fines de la implementación se utilizaron choques de Rf para evitar la complicaron del
armado y medicion de la bobina, temas que escapan del alcance de este curso.
El valor comercial más grande de los choque es de 1mHy con lo cual se utilizaron 2 choques
de este valor en serie:
L1=L2=1mHy
3-1-7 Calculo del capacitor de carga
8 ( )3
8 3
Ilf V
C
IlV
fxc
∆∆ =
∆∆ =
Trabajo practico de laboratorio Nª1
-7-
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Bahía Blanca
Se asume un valor de capacidad para mantener un compromiso para mantener el valor del
ripple en un valor no muy lejano al propuesto, pero sin usar un capacitor excesivamente
grande.
Considerando C3=10 µF
50
8 20 10
mAV
x kHzx Fµ∆ =
31.25V mV∆ =
El valor del ripple teórico es del orden de los 31mV como se ve es bastante mayor que los
5mV esperados. Aunque para los requerimientos de la fuente esto no afecta notablemente su
funcionamiento.
3-1-8 Calculo de la etapa de salida
Si bien para los requerimientos de diseño adoptados, la corriente que manejaran los
transistores de l TL494 no supera el valor establecido como limite por el fabricante
(Icmax=500mA), es recomendable utilizar un transistor de paso para evitar inconvenientes
sobre todo si se produce algún corto circuito a la salida evitando así la destrucción del
integrado.
El circuito se muestra en la figura:
RE
Circuitodefuente
Entradapin 8tl494
RB
Vin= 12VQ1
TIP32
Trabajo practico de laboratorio Nª1
-8-
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Bahía Blanca
Así calculamos los valores de RB y RE para que el elemento de paso el TIP32 este saturado
cuando estamos con una corriente de carga de 200mA (Corriente máxima adoptada de diseño)
100
( / 2)
(200 (50 ))2.5
100
( ( 32) ( 494))R
12 1.5 0.7R
2.5
hFE
Io IlIb
hFE
mA mAIb mA
Vi Vbe Tip VCE Tlb
Ib
Vb
mA
=+≥
+≥ → ≈
− +→ ≤
− −=
R 3.9b k= Ω
4-Ensayos de laboratorio
Se realizaron una serie de ensayos de laboratorio los cuales se describen a continuación:
4-1 Prueba de funcionamiento del oscilador interno del tl 494.
Se midió entre los pines 5 y 6 del circuito integrado y se produjo la siguiente forma de onda:
Trabajo practico de laboratorio Nª1
-9-
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Bahía Blanca
4-2 Medición de la señal modulada antes del diodo
Para probar el correcto funcionamiento se midió la salida del TL494 levantando el circuito de
carga. La siguiente figura muestra la forma de onda obtenida:
Claramente vemos la señal modulada en ancho de pulso
4-2-1 Ensayos del tiempo de respuesta de los diodos
Según la consigna propuesta por la cátedra se realizo una prueba para la medición del tiempo
de respuesta de los diodos. En primer lugar se utilizo un diodo de conmutación el 1N4148 el
cual será utilizado en el circuito final por las razones que se expondrán mas adelante
La medición se realizo como se muestra a continuación:
Trabajo practico de laboratorio Nª1
-10-
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Bahía Blanca
La forma de onda obtenida con este diodo fue la siguiente:
Posteriormente se cambio el diodo de conmutación por un diodo rectificador el 1N4004.
La señal obtenida fue la siguiente:
Trabajo practico de laboratorio Nª1
-11-
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Bahía Blanca
Claramente se observa la degradación del tiempo de respuesta del diodo a 20kHz y por
consiguiente la degradación de la forma de onda y la performance del circuito. Con lo cual se
justifica ampliamente la utilización de un diodo de conmutación para este circuito.
4-3 Medición de la corriente sobre la bobina
Se midió la corriente sobre las bobinas por método indirecto. Midiendo la tensión entre los
bornes de la misma con una resistencia como se muestra a continuación:
Trabajo practico de laboratorio Nª1
-12-
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Bahía Blanca
De este modo teniendo la tensión sobre R=1 Ω se puede mediante la ley de ohm calcular el
valor de la corriente.
VI
R=
La forma de onda obtenida fue:
Trabajo practico de laboratorio Nª1
-13-
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Bahía Blanca
4-4 Medición del ripple
4-4-1 Sin carga
4-4-2Utilizando una carga de 47 Ω
Trabajo practico de laboratorio Nª1
-14-
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Bahía Blanca
4-5 Curva de Vo en función de la carga
Se realizo la medición de la tensión de salida utilizando un reóstato variable
como carga para observar como se comporta el circuito ante las diversas
condiciones de carga. Los valores obtenidos fueron:
Medicion1 Medicion2 Medicion3 Medicion4 Medicion5 Mediicon6 Mediicon7
Vi=12V Vi=12V Vi=12V Vi=12V Vi=12V Vi=12 Vi=12V
R=100Ω R=86 Ω R=65 Ω R=50 Ω R=35 Ω R=20 Ω R=10
Vo=5V Vo=5V Vo=4.85V Vo=4.85V Vo=4.6 Vo=3.8V Vo=2.5
I=40mA I=58.1mA I=73.8mA I=97mA I=131.42mA I=190mA I=250mA
Como se ve en la tabla al variar la carga nos acercamos al límite de corriente.
En teoría la fuente debería mantener el valor de tensión de salida en 5V hasta el
valor de corriente de 200mA. La realidad marca que a partir de los 50 Ω de
carga, la fuente diseñada comienza a perder tensión hasta que al aproximarnos a
la corriente máxima cae abruptamente.
A continuación se presentan dos gráficas, corriente de carga en función de la
carga y tensión de salida en función de la carga donde se aprecia lo detallado
anteriormente.
Io en función de RL
0
50
100
150
200
250
300
100 86 65 50 35 20 10
Carga [Ω]
Io [m
A]
Trabajo practico de laboratorio Nª1
-15-
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Bahía Blanca
5 Diseño final
Se realizo el diseño de la placa utilizando un software de diseño cuyo resultado fue:
Vo en función de RL
0
1
2
3
4
5
6
100 86 65 50 35 20 10
Carga [Ω]
Vo
[vol
ts]
Trabajo practico de laboratorio Nª1
-16-
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Bahía Blanca
PLAN DE TRABAJO
El presente plan de trabajo se llevó a cabo en el laboratorio de Electrónica Básica de la
Universidad tecnológica Nacional facultad regional Bahía Blanca, y el mismo consistió en:
1) Calculo teórico de los componentes del circuito
2) Armado e implantación del mismo
3) Pruebas de Laboratorio
4) Entrega del presente Informe
LUGAR DE TRABAJO
El lugar de trabajo fue en el Laboratorio de Electrónica Básica de la Universidad Tecnológica
Nacional Regional Bahía Blanca
BIBLIOGRAFIA DE REFERENCIA
Nota técnica de Motorolla “SvA-001D”
Apuntes de la catedra
Ned Mohan , Power Electronics