TL494

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


-1-


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.


-2-


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


-3-


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


-4-


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:


-5-


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


-6-


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

∆∆ =

∆∆ =


-7-


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


-8-


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:


-9-


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:


-10-


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:


-11-


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:


-12-


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:


-13-


4-4 Medición del ripple

4-4-1 Sin carga

4-4-2Utilizando una carga de 47 Ω


-14-


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]


-15-


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]


-16-


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

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