ES2254346T3 - Fuente de alimentacion conmutada. - Google Patents
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Abstract
Fuente de alimentación conmutada con un transformador (TR) con un devanado primario (W1a, W1b) y un devanado secundario (W2), un condensador de almacenamiento (C1) conectado al devanado primario, y un transistor de conmutación (T1) conectado en serie con el devanado primario, estando el devanado primario subdividido en subdevanados (W1a, W1b) con, por lo menos, una toma de derivación (A) y estando un condensador (C2, C3) conectado en cada caso en paralelo con, por lo menos, dos subdevanados (W1a, W1b), caracterizada porque las capacidades de los condensadores (C2, C3) dispuestos en paralelo con los subdevanados (W1a, W1b) y el número de espiras de los subdevanados se seleccionan de tal manera que las oscilaciones producidas cuando el transistor de conmutación (T1) se desactiva, tienen diferentes frecuencias de resonancias y, debido a esto, se anulan, por lo menos parcialmente, entre sí.
Description
Fuente de alimentación conmutada.
La invención se basa en una fuente de
alimentación conmutada con un condensador de almacenamiento, un
transformador con un devanado primario y un devanado secundario, y
un transistor de conmutación, que se conecta en serie con el
devanado primario. Las fuentes de alimentación de este tipo se
utilizan especialmente como convertidores de transferencia inversa
en equipos electrónicos de entretenimiento, por ejemplo en aparatos
de televisión y grabadoras de vídeo.
El transistor de conmutación utilizado en una
fuente de alimentación conmutada de este tipo se utiliza en un modo
de conmutación con los tiempos de conmutación y de bloqueo más
cortos posibles, para minimizar las pérdidas en el transistor de
conmutación. Las interrupciones de corriente resultantes en el
tiempo de bloqueo, la elevada di/dt provocada debido a esto y las
inductancias del transformador al comienzo de la fase de bloqueo de
la fuente de alimentación conmutada producen un pico de alta
tensión en el transistor de conmutación que excede
significativamente el valor de tensión de régimen permanente
definido por el condensador de almacenamiento. Si la fuente de
alimentación conmutada se hace funcionar en una red de CA de 230 V,
por lo tanto, pueden tener lugar picos de tensión de hasta 1000 V,
que representan un riesgo para el transistor de conmutación, o este
último debe diseñarse, en consecuencia, para este margen de
tensión.
Para este propósito, es conocido disponer para
una red de amortiguación, también denominada red de protección, que
suprime, por lo menos parcialmente, estos picos de tensión. Una red
de amortiguación de este tipo utilizada con frecuencia es conocida,
por ejemplo, por el documento DE 40 29 221 A1. En este documento,
una red, que comprende un condensador conectado en serie con un
diodo al que se conecta una resistencia en paralelo, se dispone en
paralelo con el devanado primario del transformador. Por medio de
esta red de amortiguación, el pico de tensión que tiene lugar en el
transistor de conmutación es suprimido, por lo menos parcialmente,
por el condensador, o se almacena y posteriormente se deriva a
través del diodo al condensador de almacenamiento, o se consume a
través de la resistencia cuando se descarga el condensador.
En fuentes de alimentación conmutadas más
pequeñas también es conocido utilizar como red de amortiguación un
único condensador conectado en paralelo con el devanado primario.
Sin embargo, esta variante del circuito produce una carga de
corriente más elevada del transistor de conmutación en el tiempo de
activación. Se conocen otras variantes de circuitos para amortiguar
picos de tensión, por ejemplo, del documento
EP-A-0 279 335.
Una fuente de alimentación conmutada según el
preámbulo de la reivindicación 1 se da a conocer en el documento US
6.061.253.
El objetivo de la invención es indicar una red de
amortiguación para una fuente de alimentación conmutada del tipo
mencionado al principio, que sólo tiene unos pocos componentes y
produce bajas pérdidas en la fuente de alimentación conmutada.
Este objetivo se consigue para una fuente de
alimentación conmutada por medio de las características indicadas
en la reivindicación 1. Desarrollos ventajosos adicionales se
indican en las reivindicaciones subordinadas.
La fuente de alimentación conmutada según la
invención tiene un condensador de almacenamiento, un transformador
con un devanado primario y, por lo menos, un devanado secundario y
también un transistor de conmutación, que se conecta en serie con
el devanado primario. El devanado primario se subdivide en este
documento en subdevanados con, por lo menos, una toma de derivación
y, como red de amortiguación, se dispone en cada caso un
condensador en paralelo con un subdevanado, preferentemente con
cada subdevanado. Por medio de esta medida, los subdevanados de un
devanado primario, y no el devanado primario propiamente dicho, se
amortiguan individualmente.
El número de espiras de los subdevanados y las
capacidades de los condensadores dispuestos en paralelo con los
subdevanados se seleccionan de tal manera que las oscilaciones
producidas cuando el transistor de conmutación se desactiva, tienen
frecuencias de resonancia diferentes y, debido a esto, se anulan
entre sí, por lo menos parcialmente. Esto da lugar a una
amortiguación eficaz de la tensión de desactivación sobre el
transistor de conmutación. Sin embargo, puesto que los
condensadores se conectan en serie en este documento, la capacidad
total resultante es pequeña, de manera que la corriente de descarga
correspondiente es comparativamente baja en el tiempo de activación
del transistor de conmutación.
Un "transformador de cámara" en particular
puede utilizarse como el transformador, del tipo conocido, por
ejemplo, a partir del documento
EP-A-0 071 008, en el que el
devanado primario se subdivide en subdevanados que se disponen en
cámaras individuales de un armazón bobinado, por lo cual una toma de
derivación puede derivarse a cada subdevanado con un desembolso
insignificante.
La invención se explica en más detalle más
adelante con referencia a ejemplos y dibujos esquemáticos, en los
que:
Figura 1 muestra un diagrama de circuito
simplificado de una fuente de alimentación conmutada según el
principio de la conversión de transferencia inversa,
Figura 2 muestra un diagrama de tensión y
corriente de una fuente de alimentación conmutada según la Figura
1, y
Figura 3 muestra un diagrama de tensión y
corriente de una fuente de alimentación conmutada con un único
condensador conectado en paralelo con el devanado primario según el
estado de la técnica.
La fuente de alimentación conmutada según la
Figura 1 tiene un condensador de almacenamiento C1 que se conecta a
un devanado primario de un transformador TR y cuya tensión U1 o
carga proporciona la potencia necesaria para la fuente de
alimentación conmutada. El devanado primario, que se conecta en
serie con las conexiones de alimentación 1 y 2 de un transistor de
conmutación T1, se subdivide en este documento en dos subdevanados
W1a y W1b y tiene una toma de derivación A entre los dos
subdevanados W1a y W1b. Un condensador C2 o C3 se conecta en cada
caso en paralelo con estos dos subdevanados W1a, W1b como una red
de amortiguación.
El transformador TR tiene un devanado W2 en el
lado secundario para suministrar a un consumidor; en realizaciones
prácticas, normalmente contiene devanados secundarios adicionales y
devanados auxiliares en el lado primario para el funcionamiento de
la fuente de alimentación conmutada. Si la fuente de alimentación
conmutada se hace funcionar en una red de alimentación de 230 V, se
diseña con aislamiento de red. En este documento, el condensador de
almacenamiento C1 se conecta a través de un rectificador al sistema
de la red de alimentación para suministrar potencia a la fuente de
alimentación conmutada. Sin embargo, la fuente de alimentación
conmutada también puede ser provista con un transformador sin
aislamiento de red, por ejemplo utilizando un convertidor
CC-CC en combinación con una batería.
El transformador TR es, en particular, un
transformador de cámara, tal como se conoce a partir del documento
EP-A-0 071 008, cuyo devanado
primario y devanado secundario se subdividen en una serie de
subdevanados que están situados en cámaras de un armazón bobinado
de cámara, estando intercalados los subdevanados del lado primario
y del lado secundario. En esta realización, las capacidades de los
condensadores C2, C3 son 2,2 nF y 1 nF.
En la realización mostrada en la figura 1, el
transistor de conmutación T1 funciona como un convertidor de
transferencia inversa y se controla de manera conocida a través de
una conexión de control 3 mediante una etapa de excitación D. En
este documento, el transistor de conmutación T1 es, en particular,
un MOSFET.
En este documento, los condensadores C2 y C3 de
la red de amortiguación, junto con los subdevanados
correspondientes W1a, W1b, forman sistemas con capacidad de
oscilación que son independientes entre sí y que se excitan cuando
el transistor de conmutación T1 se desactiva. Puesto que el
transistor de conmutación T1 toma una corriente correspondiente en
la fase conductiva, a través del devanado primario W1a, W1b, del
condensador de almacenamiento C1, los condensadores C2 y C3 se
cargan cuando el transistor de conmutación T1 se desactiva, por
medio de las inductancias de los subdevanados correspondientes W1a
y W1b. La tensión presente en la entrada 1 del transistor de
conmutación T1 es, por lo tanto, derivada a partir de la suma de
las tensiones transmitidas a través de los condensadores C2 y C3 en
relación a la tensión U1, a través del condensador de
almacenamiento C1. Las dos resonancias de la red de amortiguación se
seleccionan en este documento de tal manera que las oscilaciones
se anulan entre sí, por ejemplo, si la proporción de las frecuencias
de resonancia es 1:3, de manera que se garantiza una amortiguación
eficaz de la oscilación. Puesto que los condensadores C2 y C3 se
conectan en serie, la capacidad total de la red de amortiguación es
relativamente baja, de manera que la corriente de descarga también
es relativamente baja en el tiempo en el que el transistor T1 se
activa.
La respuesta de la red de amortiguación se
describirá ahora en detalle con referencia a los diagramas de
corriente y tensión tal como se muestran en la figura 2. En este
documento, el canal 1, CH1, muestra la tensión U2 presente en la
conexión de drenador 1 del transistor de conmutación T1, y el canal
4, CH4, muestra la corriente a través del transistor de conmutación
en funcionamiento normal de la fuente de alimentación conmutada. El
transistor de conmutación se encuentra en cada caso conectado en
los tiempos t1 y t3 y se encuentra en cada caso bloqueado en los
tiempos t2 y t4.
En los tiempos t1 y t3, tiene lugar una
correspondiente corriente de sobretensión I1 cuando el transistor
de conmutación T1 se activa a través de la descarga de los dos
condensadores C2 y C3 (ver canal CH4). La corriente a través del
transistor de conmutación entonces aumenta continuamente, conforme a
la inductancia del transformador TR. En los tiempos t2 y t4, cuando
el transistor de conmutación se bloquea, la corriente en cada caso
disminuye a cero. La tensión U2 en consecuencia aumenta bruscamente
en los tiempos t2 y t4 y entonces lentamente decae. En el primer
pico, una interferencia es claramente evidente, provocada por las
diferentes frecuencias de resonancia. El pico es relativamente
pequeño y no representa ningún riesgo para el transistor de
conmutación. Un tipo con una correspondientemente baja rigidez
dieléctrica puede, en consecuencia, seleccionarse como la fuente de
alimentación conmutada.
Las proporciones de corriente y tensión
correspondientes se muestran en la figura 3 para una red de
amortiguación que tiene un único condensador conectado en paralelo
con el devanado primario, tal como se conoce según el estado de la
técnica. En este documento, el condensador tiene una capacidad de
2,2 nF. En este documento, el pico de tensión U4 es comparable en
nivel al pico de tensión U1, la corriente de sobretensión I2 en el
tiempo en el que el transistor de conmutación se activa, t1 y t3,
pero es considerablemente más elevado y, en especial,
considerablemente más ancho. Esto daría lugar a una elevada carga
térmica en el transistor de conmutación, puesto que el transistor de
conmutación todavía no está completamente conectado durante este
periodo de tiempo y, por lo tanto, una tensión considerable todavía
se encuentra presente en la conexión de corriente 1 del transistor
de conmutación, de manera que el producto
corriente-tensión sería comparablemente elevado.
Una red de amortiguación eficaz puede, por lo
tanto, ya estar indicada con un devanado primario, que se subdivide
en sólo dos subdevanados y un condensador adicional. En particular,
no se necesita ninguna resistencia para descargar un condensador,
que normalmente debe diseñarse para una pérdida de potencia más
elevada.
La fuente de alimentación conmutada de la figura
1 tiene un transformador con dos subdevanados y también dos
condensadores conectados en paralelo, pero también puede
utilizarse, por consiguiente, con un transformador con más de dos
subdevanados. Con dos subdevanados, es adecuada, en particular, como
un convertidor de transferencia inversa con un margen de potencia
por debajo de los 100 vatios, con un MOSFET como transistor de
conmutación.
Claims (5)
1. Fuente de alimentación conmutada con un
transformador (TR) con un devanado primario (W1a, W1b) y un
devanado secundario (W_{2}), un condensador de almacenamiento
(C1) conectado al devanado primario, y un transistor de conmutación
(T1) conectado en serie con el devanado primario, estando el
devanado primario subdividido en subdevanados (W1a, W1b) con, por lo
menos, una toma de derivación (A) y estando un condensador (C2, C3)
conectado en cada caso en paralelo con, por lo menos, dos
subdevanados (W1a, W1b), caracterizada porque
las capacidades de los condensadores (C2, C3)
dispuestos en paralelo con los subdevanados (W1a, W1b) y el número
de espiras de los subdevanados se seleccionan de tal manera que las
oscilaciones producidas cuando el transistor de conmutación (T1) se
desactiva, tienen diferentes frecuencias de resonancias y, debido a
esto, se anulan, por lo menos parcialmente, entre sí.
2. Fuente de alimentación conmutada según la
reivindicación 1, caracterizada porque el condensador (C3),
que se conecta en paralelo con el subdevanado (W1b) y se conecta al
transistor de conmutación (T1), es más pequeño que el segundo
condensador (C2) que se conecta en paralelo con el segundo
subdevanado (W1a).
3. Fuente de alimentación conmutada según la
reivindicación 1 o 2, caracterizada porque el transformador
(TR) tiene dos subdevanados (W1a, W1b) y dos condensadores (C1,
C2), y porque las capacidades de los dos condensadores (C2, C3) y
el número de espiras de los dos subdevanados (W1a, W1b) se
seleccionan de tal manera que la proporción de las frecuencias de
resonancia es aproximadamente 1:3.
4. Fuente de alimentación conmutada según una de
las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el
transformador (TR) es un transformador de cámara cuyos subdevanados
(W1a, W1b) en el lado primario tienen a la salida una toma de
derivación (A).
5. Fuente de alimentación conmutada según una de
las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque
funciona como un convertidor de transferencia inversa con un MOSFET
como transistor de conmutación (T1) dentro de un margen de potencia
por debajo de los 100 vatios.
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