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Lección 10

Universidad de Oviedo. Lección 10. Arquitecturas de Sistemas de Alimentación. Sistemas Electrónicos de Alimentación 5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación. Introducción.

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Lección 10

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  1. Universidad de Oviedo Lección 10 Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Sistemas Electrónicos de Alimentación 5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación

  2. Introducción • Para alimentar un equipo electrónico o un sistema más complejo compuesto por varios sub-equipos suelen ser necesarias varias tensiones de alimentación: +5, +12, -12 etc. • Para conseguir suministrar estas tensiones siempre hay múltiples opciones y en cada caso será necesario estudiar cuál es la mejor • Hay varias opciones básicas: - Convertidores independientes - Conexión de varias etapas en cascada - Uso de convertidores multisalida Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • También es necesario tener en cuenta cómo distribuir la energía por el sistema. Existen dos posibilidades: - Alimentación concentrada: existe un único punto de distribución de energía ya transformada - Alimentación distribuida: se alimenta cada carga en su punto de uso llevando la energía sin transformar hasta allí

  3. Vg V1 CC/CC 1 CC/CC 2 V2 Conexión de varias etapas en cascada Es un sistema sencillo para poder alimentar equipos que necesiten de varias tensiones distintas. También es útil para conseguir mejorar determinadas características globales, que se van atribuyendo a cada uno de los convertidores conectados en cascada Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • Si CC/CC 1 es el convertidor principal, CC/CC 2 es un “posregulador” (caso habitual en sistemas multisalida). Puede ser incluso un regulador lineal • Si CC/CC 2 es el convertidor principal, CC/CC 1 es un “prerregulador” (caso habitual en conversiones “difíciles”) • Al ser dos convertidores completos e independientes, es interesante minimizar su complejidad (uno de ellos puede carecer de aislamiento galvánico)

  4. Vg 400 V CA/CC 1 CC/CC 2 Conexión de varias etapas en cascada Ejemplos Alimentación de sistemas de potencias por encima de 500 - 700 W con corrección de factor de potencia Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • Elevador con CFP • Sin aislamiento • Tensión universal • Buen rendimiento • Cumple IEC 61000-3-2 • Convertidor con aislamiento • Circuito de control independiente • Tensión de entrada casi fija • Buen rendimiento En este caso el convertidor de entrada (front-end) es un preregulador

  5. CC/CC 1 CC/CC 2 48 V 5 V 3,3 V Conexión de varias etapas en cascada Ejemplos • En telecomunicaciones es habitual el uso de dos tensiones bajas en las tarjetas: 5 V y 3,3 V • La tensión de entrada suele ser de 48 V Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • Convertidor en Medio Puente • Proporciona aislamiento • Buena dinámica • Buen rendimiento • Reductor síncrono • Muy buen rendimiento • Buena dinámica • Tensión de salida cercana a la de entrada

  6. Convertidores multisalida • Una opción muy utilizada es la de implementar convertidores con varias salidas • En la opción básica, sólo se regula la salida principal. n1:1 El ciclo de trabajo D se modula para que V1 esté regulada: V1 Arquitecturas de Sistemas de Alimentación V2 La salida auxiliar ve las misma tensión en el primario que la principal. Por tanto: n2:1 Control A este tipo de regulación se le llama regulación cruzada

  7. Sub-equipo 1 Sub-equipo 2 Bus de 12 V CC/CC 230 – 12V Sub-equipo n Alimentación concentrada versus alimentación distribuida • En sistemas complejos compuestos por múltiples subsistemas, es importante pensar detenidamente el esquema de alimentación • Supongamos una serie de equipos que necesiten una tensión de 12 V para funcionar Alimentación concentrada: Podemos utilizar un único convertidor con 12 V de salida que maneje la suma de potencias de todos los sub-equipos Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • Características: • El convertidor maneja toda la potencia • El bus debe estar muy bien diseñado para que tenga pocas pérdidas y poca componente inductiva • Si cae el convertidor, cae el sistema completo

  8. CC/CC 230 – 12V Sub-equipo 1 Sub-equipo 2 CC/CC 230 – 12V 230 V CC/CC 230 – 12V Sub-equipo n Alimentación concentrada versus alimentación distribuida Alimentación distribuida:Otra opción es llevar la energía en alterna directamente hasta cada carga y utilizar pequeños convertidores específicos para cada una de ellas Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • Características: • Hay muchos convertidores • Cada uno maneja poca potencia • No hay problemas con el bus de distribución • Cada carga es autónoma

  9. Ejemplo de arquitectura de sistema de alimentación: Centralita telefónica Vg: 48 V V0: 72 V Esquema clásico Vg: 48 V V0: 12 V, 5V Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Nuevo esquema patentado por Alcatel Vg: 230V V0: 72 V Vg: 230 V V0: 12 V, 5V

  10. Ejemplo de arquitectura de sistema de alimentación:nuevo esquema de alimentación para automóviles • Los automóviles han venido sufriendo grandes cambios en los últimos años. Cada vez tienen más sistemas electrónicos: ABS, ESP, CD, DVD, navegador GPS, ordenador de a bordo, faros de Xenon, elevalunas, cierres, espejos, etc • Como consecuencia, la potencia eléctrica consumida ha aumentado espectacularmente Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • Obtener 2kW desde la batería de 12 V resulta muy complicado: 166 A • El grosor de los cables necesarios es enorme, lo que implica mucho coste, mucho peso, etc

  11. Nuevo esquema de alimentación para automóviles • Se creó el consorcio 42 V Powernet con el fin de cambiar el estándar de alimentación. • La nueva batería propuesta es de 42 V • Con ella, el nivel de corriente sería de “sólo” unos 47 A • Al aumentar la tensión, aumenta la capacidad de dar potencia y posibilita la implantación de nuevos sistemas, como la suspensión eléctrica Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • Transitoriamente se deberían mantener las dos baterías con el fin de dar salida a todos los equipos eléctricos para coches que existen en la actualidad (receptores de radio, equipos de música, sistemas electrónicos diversos, etc.)

  12. Nuevo esquema de alimentación para automóviles Nuevo esquema propuesto: Bus de 14 V Bus de 42 V Alternador CC/CC Bidireccional Radio, CD, etc... CC/CC Nuevas Cargas Arquitecturas de Sistemas de Alimentación CC/CC Bidireccional CC/CC Bidireccional 36V 12V Carga/Descarga de Baterías Carga/Descarga de Baterías Nuevas cargas: dirección eléctrica, válvulas eléctricas, suspensiones eléctricas, ordenadores, GPS, etc.

  13. Ejemplo de arquitectura de sistema de alimentación:fuente de alimentación de un PC • Los ordenadores necesitan varias tensiones internas para funcionar • La potencia máxima especificada oscila entre 200 y 300 W, dependiendo de la potencia del propio PC Especificación ATX 200 W Arquitecturas de Sistemas de Alimentación • Se suele implementar con convertidores multisalida y posreguladores • La tensión +5VSB se implementa en un convertidor aparte. Es la tensión de standby que debe estar activa cuando el PC está dormido

  14. Posible esquema de la fuente: 12 V Si la regulación cruzada no es suficiente, se puede utilizar un reductor como posregulador 5 V 3,3 V Filtro EMI -15 V -12 V Reg. Lineal Reg. Lineal -5 V Rectificador + filtro LC (para cumplir con la EN 61000-3-2) 5 VSB Fuente independiente para +5 VSB Fuente de alimentación de un PC Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

  15. Alimentación de un Pentium IV • La alimentación eficientemente de microprocesadores de última generación es un reto tecnológico de primera magnitud • Para reducir las pérdidas en el micro, Intel ha optado por bajar la tensión de alimentación • Como contrapartida, la corriente que debe manejar aumenta proporcionalmente. Además, en el funcionamiento del micro hay cambios de potencia enormes y las demandas de energía son muy rápidas Arquitecturas de Sistemas de Alimentación 1V 100A, 300 A/us ¡Esto resulta muy complicado para la fuente de alimentación!

  16. Alimentación de un Pentium IV • El esquema actual se basa en el uso del convertidor reductor síncrono • Se utilizan 4 (n) de ellos en paralelo desfasados 90º (360º/n) para conseguir las prestaciones deseadas. Para conseguir dar las derivadas de corrientes tan fuertes como las que va a haber, se conectan condensadores especiales a la salida (de OSCON). Son muy costosos. Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Se puede reducir el tamaño de estos condensadores aumentando la frecuencia de conmutación (1-2 MHz)

  17. Alimentación de procesadores GigaByte GA-MA78GM-S2H Motherboard Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

  18. Alimentación de procesadores GigaByte GA-EP45-DS3L Motherboard Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

  19. Alimentación de procesadores Asus Rampage Formula Motherboard Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

  20. Alimentación de procesadores Albatron PX845PEV Pro Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

  21. Sistemas de alimentación ininterrumpida • Un SAI (Sistema de Alimentación Ininterrumpida) es un sistema de potencia que es capaz de generar la tensión de red durante un cierto tiempo en ausencia de ésta. Sirve para proteger frente a fallos de la red de distribución a determinados sistemas críticos: - Quirófanos - Sistemas de almacenamiento de datos críticos - Aeropuertos • Están compuestos por varios convertidores, utilizan baterías para almacenar la energía y suelen requerir de un sistema de control y supervisión • Existen diversos esquemas básicos con diferentes características: • - SAI on-line o de doble conversión • - SAI off-line o pasivo • - SAI interactivo o híbrido Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

  22. Sistemas de alimentación ininterrumpida • Topología On-line o Doble Conversión Funcionamiento normal desde la red Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Funcionamiento en modo respaldo desde las baterías

  23. Sistemas de alimentación ininterrumpida • Topología Off-Line o pasiva Funcionamiento normal desde la red Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Funcionamiento en modo respaldo desde las baterías

  24. Sistemas de alimentación ininterrumpida • Topología Interactiva o Híbrida Funcionamiento normal desde la red Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Funcionamiento en modo respaldo desde las baterías

  25. Alimentación de un Satélite • En un satélite la energía se obtiene de paneles solares • La energía obtenida se utiliza para alimentar los equipos que lleva a bordo y para cargar las baterías • Cuando el satélite entra en zona de sombra, no hay energía en los paneles y debe extraerse de las baterías Bus (100 V) Arquitecturas de Sistemas de Alimentación Equipo CC/CC CC/CC CC/CC En realidad, el panel trabaja como fuente de corriente CC/CC Cargador de baterías • Es fundamental que el sistema de potencia tenga un peso mínimo, un gran rendimiento y una gran fiabilidad • Si se puede, se intenta evitar el uso de topologías con bobinas (por peso)

  26. Alimentación de un Satélite • En la Agencia Espacial Europea (ESA) se utiliza, por cada bloque de paneles, un sistema de regulación de potencia llamado S4R (Sequential Switching Shunt Regulator) con tres funciones: • - Mantiene estable la tensión del bus de potencia (a unos 100 V) • - Carga las baterías (36 V) • - Cortocircuita los paneles que no están en uso Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

  27. Alimentación de un Satélite: ejemplo de la alimentación de un TWT • Uno de los equipos que pueden ir a bordo de un satélite de comunicaciones es un TWT (Travelling Wave Tube). Este equipo se alimenta a alta tensión (p.ej 3kV). • Un posible esquema de alimentación sería el siguiente: Arquitecturas de Sistemas de Alimentación

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