• Author / Uploaded
• Raúl Rocha

• Categories
• Ingenieria Eléctrica
• Electricidad
• Electromagnetismo
• Electrónica
• Fuerza

Citation preview

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE DEPARTAMENTO: ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CÓDIGO: SGC.DI.505 VERSIÓN: 1.0 FECHA ULTIMA REVISIÓN: 26/10/16

CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN

INFORME DE PROYECTO DE FIN DE UNIDAD ASIGNATURA: DOCENTE:

TEMA:

CONTROL ELECTRÓNICO DE POTENCIA ING. FRANKLIN SILVA

DISEÑO DE UN CONVERSOR DC-DC REDUCTOR (BUCK)

PERIODO LECTIVO:

OCTUBR 2018 FEBRERO 2019

VII

2726

NRC:

NOMBRE:

NIVEL:

BONILLA EDISON FLORES FRANCISCO ROCHA VÍCTOR ROCHA KEVIN

OBJETIVOS: OBJETIVO GENERAL: Diseñar e implementar un conversor DC-DC Reductor (Buck) para comparar las formas de onda del voltaje del interruptor, bobina y salida obtenidas en la práctica con las señales simuladas.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS: 

Investigar acerca de circuitos conversores DC-DC y recolectar información para el diseño de un circuito reductor de voltaje.



Realizar los cálculos matemáticos para dimensionar y elegir los elementos adecuados para la implementación del proyecto.



Implementar el circuito oscilador con una frecuencia en el orden de los KHz y el circuito de reductor.



Escoger un transistor adecuado que conmute a altas velocidades.



Comparar los resultados obtenidos con los resultados simulados esperados para poder determinar la eficiencia de funcionamiento del proyecto.



Emitir un informe con los resultados obtenidos

RESUMEN: El presente proyecto describe e intenta mostrar la metodología básica para diseñar e implementar un convertidor Buck basado en un conjunto de ecuaciones que permiten realizar dicha labor, logrando de esta forma disponer de una herramienta útil para el diseño de fuentes DC reguladas. Se trata de mostrar las formas de onda utilizando un De modo a comprobar el funcionamiento teórico del convertidor, se hace empleo del programa de simulación Proteus. Palabras Clave: Convertidor DC/DC, Convertidor Buck, Electrónica de Potencia.

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE DEPARTAMENTO: ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CÓDIGO: SGC.DI.505 VERSIÓN: 1.0 FECHA ULTIMA REVISIÓN: 26/10/16

CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN

ABSTRACT: The present project describes and tries to show the basic methodology to design and implement a Buck converter based on a set of equations that allow to perform this task, thus achieving a useful tool for the design of regulated DC sources. It tries to show the waveforms using a To check the theoretical operation of the converter, it makes use of the simulation program Proteus. Keywords:

DC

/

DC

converter,

Buck

converter,

Power

Electronics.

INTRODUCCIÓN:

Los convertidores DC/DC son circuitos capaces de transformar niveles de voltaje en otros usando elementos como bobinas y capacitores, almacenando temporalmente energía en ellos y descargándola de tal forma que los niveles de voltaje final son los buscados. La forma en cómo se convierte el voltaje es forzando a que se almacene la suficiente energía en la bobina o capacitor y después, a otro tiempo se cambie la polaridad o la disposición de dicho elemento para descargar esa misma energía acumulada en la salida. Esto se hace una y otra vez. De hecho, por eso se les llama circuitos de conmutación.

-

Los convertidores reductores (Buck o step down) son parte integral de muchos equipos electrónicos actuales. Estos permiten reducir un voltaje continuo (generalmente no regulado) a otro de menor magnitud (regulado). Básicamente están formados por una fuente DC, un dispositivo de conmutación y un filtro pasabajos que alimentan a una determinada carga.

MARCO TEÓRICO:

CONVERTIDOR BUCK (O REDUCTOR) El convertidor Buck (o reductor) es un convertidor de potencia, DC/DC sin aislamiento galvánico, que obtiene a su salida un voltaje continuo menor que a su entrada. El diseño es similar a un convertidor elevador o Boost, también es una fuente conmutada con dos dispositivos semiconductores (transistor S y diodo D), un inductor L y opcionalmente un condensador C a la salida. La forma más simple de reducir una tensión continua (DC) es usar un circuito divisor de tensión, pero los divisores gastan mucha energía en forma de calor. Por otra parte, un convertidor Buck puede tener una alta eficiencia (superior al 95% con

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE DEPARTAMENTO: ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CÓDIGO: SGC.DI.505 VERSIÓN: 1.0 FECHA ULTIMA REVISIÓN: 26/10/16

CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN

circuitos integrados) y autoregulación. En la figura 1 se puede apreciar la forma convencional de un convertidor reductor.

Fig. 1. Forma convencional de un convertidor reductor. Fuente: “Marcela González, 2006”

ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO El funcionamiento del conversor Buck es sencillo, consta de un inductor controlado por dos dispositivos semiconductores los cuales alternan la conexión del inductor bien a la fuente de alimentación o bien a la carga. En la figura 2 se visualiza el comportamiento del circuito en sus dos estados.

Fig. 2. Las dos configuraciones de un Buck. (a) La energía se transfiere de la fuente a la bobina al condensador y a la carga. (b) la energía se transfiere de la bobina y el condensador a la carga. Fuente: “Marcela González, 2006”

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE DEPARTAMENTO: ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CÓDIGO: SGC.DI.505 VERSIÓN: 1.0 FECHA ULTIMA REVISIÓN: 26/10/16

CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN

ANÁLISIS MODO CONTINUO El convertidor se dice que está modo continuo si la corriente que pasa a través del inductor (IL) nunca baja a cero durante el ciclo de conmutación. En este modo, el principio de funcionamiento es descrito por el cronógrama de la figura 3: Con el interruptor cerrado la tensión en el inductor es VL = Vi − Vo y la corriente aumenta linealmente. El diodo está en inversa por lo que no fluye corriente por él. Con el interruptor abierto el diodo está conduciendo en directa. La tensión en el inductor es VL = − Vo y la corriente disminuye.

Fig. 3. Evolución de las tensiones y corrientes con el tiempo en un convertidor Buck ideal en modo continuo. Fuente: “Marcela González, 2006”

MODO DISCONTINUO En algunos casos la cantidad de energía requerida por la carga es tan pequeña que puede ser transferida en un tiempo menor que el periodo de conmutación; en este caso la corriente a través de la bobina cae a cero durante una parte del periodo. La única diferencia con el funcionamiento descrito antes es que el inductor está completamente descargado al final del ciclo de conmutación (ver figura 4). Esto tiene algunos efectos sobre las ecuaciones anteriores.

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE DEPARTAMENTO: ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CÓDIGO: SGC.DI.505 VERSIÓN: 1.0 FECHA ULTIMA REVISIÓN: 26/10/16

CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN

La energía en el inductor sigue siendo la misma al principio y al final del ciclo (esta vez de valor cero). Esto significa que el valor medio de la tensión del inductor (VL) es cero (el área de los recuadros amarillos y naranjas de la figura 4 es igual)

Fig. 4. Evolución de las tensiones y corrientes con el tiempo en un convertidor Buck ideal en modo discontinuo. Fuente: “Marcela González, 2006”

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE DEPARTAMENTO: ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CÓDIGO: SGC.DI.505 VERSIÓN: 1.0 FECHA ULTIMA REVISIÓN: 26/10/16

CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN

DESARROLLO: 1. CÁLCULOS DEL CIRCUITO OSCILADOR DE 8.5 KHz: Para realizar los cálculos del oscilador se necesita asumir el valor del capacitor = 0.1uf y una resistencia de 10Ω, donde se tiene las siguientes ecuaciones: T𝐴 = 0.69𝐶(𝑅 + 𝑃1) T𝐵 = 0.69𝐶 ∗ 𝑃2 𝑇 = 0.69𝐶(𝑅 + 𝑃) 𝑇=

1 𝑓

𝑇=

1 8.5 𝐾𝐻𝑧

𝑇 = 1.17𝑥10 − 4 𝑠𝑒𝑔 0.69𝐶 −𝑅 𝑇 1.17𝑥10 − 4 𝑃= − 10 0.69 ∗ 0.1𝑢𝑓 𝑃=

𝑃 = 1.685 𝐾Ω

2. CÁLCULOS DEL CIRCUITO DEL REDUCTOR: Cálculos Con una relación de trabajo de 0,7 y una frecuencia de 8.5 KHz se obtiene Voltaje de salida. 𝑉𝑜 = Vin ∗ 𝜏 Vo = 3.3V ∗

8.23 𝑥10 − 5 1.17𝑥10 − 4

𝐕𝐨 = 2.32 V

Cálculo de la resistencia de la carga, para lo cual se asume de una bobina de 10 mH 𝐿𝑚𝑖𝑛 =

(1 − 𝐷)𝑅 2𝑓

2𝑓 ∗ 𝐿𝑚𝑖𝑛 1−𝐷 (2 ∗ 8.5𝐾𝐻𝑧) ∗ (10𝑚𝐻) 𝑅= 1 − 0.7 𝑅=

𝑹 = 566.66 Ω ≈ 580 Ω

Cálculo del capacitor óptimo:

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE DEPARTAMENTO: ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN ∆𝑉𝑜 1−𝐷 = 𝑉𝑜 8𝐿𝐶𝑓2 C=

C=

1−𝐷 ∆𝑉 8𝐿𝑓2 ∗ 𝑉 𝑜 𝑜 1 − 0.7

8(10𝑚𝐻)(8.5𝐾)2 ∗

3.30 − 2.32 2.32

𝐂 = 1.22 uF ≈ 1uF

RESULTADOS:

Fig. 5. Circuito reductor simulado en simulink de Matlab Fuente: “Grupo de trabajo 4, 2018”

CÓDIGO: SGC.DI.505 VERSIÓN: 1.0 FECHA ULTIMA REVISIÓN: 26/10/16

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE DEPARTAMENTO: ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN

OBTENIDOS EN SIMULACIÓN:

Fig. 6. Formas de onda de un circuito reductor. Fuente: “Grupo de trabajo 4, 2018”

CÓDIGO: SGC.DI.505 VERSIÓN: 1.0 FECHA ULTIMA REVISIÓN: 26/10/16

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE DEPARTAMENTO: ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN

Fig. 7. Formas de onda de un circuito reductor. Fuente: “Grupo de trabajo 4, 2018” OBTENIDOS EN EL LABORATORIO: Vout

Fig. 8. Onda tomada del osciloscopio, en el laboratorio de Electrónica. Fuente: “Grupo de trabajo 4, 2018”

CÓDIGO: SGC.DI.505 VERSIÓN: 1.0 FECHA ULTIMA REVISIÓN: 26/10/16

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE DEPARTAMENTO: ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN

VIN

Fig. 9. Onda tomada del osciloscopio, en el laboratorio de Electrónica. Fuente: “Grupo de trabajo 4, 2018”

VL

Fig. 10. Onda tomada del osciloscopio, en el laboratorio de Electrónica. Fuente: “Grupo de trabajo 4, 2018”

CÓDIGO: SGC.DI.505 VERSIÓN: 1.0 FECHA ULTIMA REVISIÓN: 26/10/16

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE DEPARTAMENTO: ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CÓDIGO: SGC.DI.505 VERSIÓN: 1.0 FECHA ULTIMA REVISIÓN: 26/10/16

CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN

ANÁLISIS DE RESULTADOS: SIMULACIÒN

LABORATORIO

ANÀLISIS En la gráfica se puede observar el voltaje que existe después del switch Vd. El cual está a un ciclo de trabajo de 70%. Existe un voltaje máximo de 3.36V y un mínimo de aproximadamente 0V.

Aquí podemos observar como se ha reducido el voltaje con el circuito buck a 2.32V aproximadamente. En las dos graficas podemos verificar el funcionamiento de este circuito y como estas se asemejan tanto en la simulación como en la práctica del laboratorio. En esta grafica podemos observar el voltaje existente en la bobina, en su parte más alta se tiene el voltaje que resultado de restar el voltaje Vd –Vo y que es igual a 1.16V, y en la parte inferior no es más que el voltaje de salida pero en negativo es decir –Vo, (-2.32). Tanto en la simulación como en la práctica se tienen datos similares lo que nos permite verificar el funcionamiento de este circuito.

CONCLUSIONES:  Se concluye que el valor de la bobina debe ser grande, de manera que se pueda tener una conducción continua todo el tiempo.  Se concluye que la frecuencia de troceo debe ser alta, en el orden de los kilohertzios, esta a su vez debe ser constante.  Se concluye que el circuito genera una caída de tensión en la fuente Vd, puesto que al conectar se evidencia una disminución del voltaje de entrada.  Se concluye que un circuito PWM (modulador por ancho de pulso) es el adecuado para trocear la

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE DEPARTAMENTO: ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CÓDIGO: SGC.DI.505 VERSIÓN: 1.0 FECHA ULTIMA REVISIÓN: 26/10/16

CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN



señal, debido a que este circuito nos permite variar el ciclo de trabajo manteniendo el período. Se concluye que para el troceo de la señal es necesario utilizar un dispositivo o “switch” de alta frecuencia, caso contrario se corre el riesgo de no trocear correctamente la señal.

RECOMENDACIONES:  Se recomienda utilizar un valor de bobina grande, de manera que se pueda tener una conducción continua durante todo el tiempo de funcionamiento.  Se recomienda utilizar una frecuencia de troceo alta, por encima de los 10 kilohertzios, esta a su vez debe ser constante.  Se recomienda fijar el valor de la fuente Vd después de conectar el circuito, puesto que al conectar se evidencia una disminución del voltaje de entrada.  Se recomienda utilizar un circuito PWM en base a un microcontrolador, de manera que se pueda variar la frecuencia y el ciclo de trabajo, esta sería la manera más adecuada, en este caso se utilizó un circuito PWM en base a un integrado NE555 el cual resulta complejo el diseño.  Se recomienda utilizar un dispositivo o “switch” de alta frecuencia, caso contrario se corre el riesgo de no trocear correctamente la señal. BIBLIOGRAFÍA

- Paredes, -

A. (2018). Explicación Control de fase directo. Retrieved from http://axdesarrollos.blogspot.com/2013/09/explicacion-control-de-fase-directo.html. “Electrónica de Potencia”, D. W. Hart, Valparaíso University, Valparaíso Indiana. Prentice Hall.

-

“Eletrónica de Potência”, J. A. Pomilio, Universidade Estadual de Campinas, SP - Brasil. Automation, R. (2014). Como utilizar un arrancador suave . 150-WP007A-ES-P, 2 - 10. W., I. (Febrero de 2012). ABB. Obtenido de Datum : https://iguren.es/blog/como-funciona-unarrancador-suave/

-

Mora, F. (2000). Máquinas eléctricas . Madrid : Pearson Prentice .

-

Yanez, P. (03 de 2014). Unicrom. Obtenido de https://unicrom.com/motor-universalfuncionamiento-velocidad/

-

- GONZÁLEZ

VALENCIA, M. (2006). http://www.scielo.org.co/pdf/tecn/v14n26/v14n26a02.pdf

F: …………………………………………. Nombre: Ing. Franklin Silva DOCENTE

Electrónica.

Retrieved

F: ………………………………………… Nombres: Edison Luciano Bonilla

from

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE DEPARTAMENTO: ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN Francisco Ismael Flores Víctor Israel Rocha Kevin Raúl Rocha ESTUDIANTES.

ANEXOS:

- https://www.youtube.com/watch?v=ubh0uRG7_V0&t=2s

CÓDIGO: SGC.DI.505 VERSIÓN: 1.0 FECHA ULTIMA REVISIÓN: 26/10/16