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REGULADOR DE TENSIÓN CONMUTADO.
Queremos construir un regulador conmutado, no síncrono, que tome una tensión
continua de 24 V y nos dé en su salida 12 V. Buscando en la web de un distribuidor,
encontramos el LM5088, que nos parece apropiado.
Figura 1. Circuito de aplicación del LM5088.
Observamos el circuito de aplicación que se incluye en el datasheet del chip, en
el que el circuito de salida consta de un transistor MOS-FET, que será el que conmute,
un diodo Schottky realiza la conmutación pasiva a masa y una bobina, en conjunción
con un condensador (un par) se encarga de filtrar la salida. El voltaje, a través de un
divisor de tensión, se realimenta, para conseguir la regulación.
La carga, conectada en la salida del circuito, constará de una resistencia de
medio ohmio (0,5 Ω), que absorberá una corriente de 24 A. El reguador conmutará a
una frecuencia de 100 kHz (período de 10 µs). Puesto que la tensión a la salida (12 V)
representa la mitad de la que tenemos en la entrada (24 V), se estima un duty cycle de
0,5 (50 %).
Dada la intensidad que deberá suministrar la fuente, elegimos un transistor que
con capacidad suficiente para esta tarea, el FQA36P15, un MOS-FET de canal P, dada
la configuración del circuito de aplicación indicado por el fabricante, y un diodo
Schottky NTST40120CTG.
El resto del circuito (bobina y condensador) condicionan que en la salida se
presente una tensión triangular (superpuesta a la nominal de 12 V) de 2 V pico-a-pico,
lo que supone que la tensión real variará entre 11 y 13 V, siendo la intensidad que corre
por la carga de 22 a 26 A. Para calcular la potencia disipada por los componentes que
realizan la conmutación (transistor y diodo) nos referimos a sus características, sacadas
de cada datasheet.
Transistor (FQA36P15):
0,51 ºC/W
0,24 ºC/W
40 ºC/W (sin disipador)
-55 a +175 ºC
0,09 Ω
110 ns (valor máximo)
710 ns (valor máximo)
320 ns (valor máximo)
310 ns (valor máximo)
Diodo (NTST40120CTG):
1,3 ºC/W
70 ºC/W
-40 a +150 ºC
0,78 V
A partir de estos datos, calculamos las pérdidas en los componentes que
conmutan, que se calcularán como la suma de las pérdidas durante el tiempo en el que
conducen (producto de la corriente que circula por la tensión entre los extremos, para el
diodo, o resistencia por el cuadrado de la corriente, para el transistor) más las que se
producen en el momento de la conumtación (de OFF a ON, durante
y
, y de
ON a OFF, durante
y
). Para estos cálculos debemos conocer el valor de la
corriente, pero ésta no es constante, por lo que debemos elegir entre la intensidad de
pico (máxima), la eficaz y la media; se debe seleccionar la corriente eficaz, a pesar de
que ello exija integrar el cuadrado de la intensidad instantánea, si bien en casos en los
que el cálculo no es crítico se puede trabajar con la media, siempre que sepamos que no
nos acercamos demasiado a los límites del componente.
Ahora procedemos a calcular la potencia perdida en cada componente,
comenzando por el transistor, sumando la pérdida en conducción y en conmutación:
Las pérdidas en el diodo las calculamos teniendo en cuenta sólo los tiempos de
conducción. Tomamos como duty cycle el 50%, por ser la tensión de salida la mitad de
la de entrada, a pesar de que esta estimación desprecia las pérdidas; estas imprecisiones
nos obligarán después a ceder unos márgenes de seguridad en las conclusiones finales.
Lo que hace un total de:
Calculamos la temperatura alcanzada por los componentes si hiciéramos
funcionar el montaje sin añadir disipador :
Es obvio que no podemos hacerlo funcionar sin radiador; calculamos la
resistencia térmica necesaria para que funcione correctamente.
Para poder disipar dicha potencia perdida necesitaremos al menos un radiador
con la resistencia térmica calculada. Para nuestro caso serviría uno de menos 0,27 ºC/W,
de los que hay diversosos tipos; nos decidimos por el modelo P3-180B, con
,
que puede disminuir hasta 0,132 ºC/W, con el ventilador recomendado por el
fabricante.
Figura2. Disipador P3-180B, de 0,39 ºC/W.