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∆i L VS δT 12 ⋅ 0,6 = 1,2 A = = −6 2 DE POTENCIA 2L 2 ⋅ 120 LABORATORIO DE ELECTRÓNICA 2 ⋅ 10 ⋅ 25000 SEPTIMO NIVEL

I max = 1,5 + 1,2 = 2,7 A ELECTRÓNICA I min DE = 1,5 POTENCIA − 1,2 = 0,3 A

LABORATORIO DE PRACTICA N#2 Calculamos el rizado de la tensión de salida

2

1. TEMA

∆VO δ = < 1% VO RCf DISEÑO DE UN CONVERTIDOR DC/DC REDUCTOR ELEVADOR δ 0,6 C> = = 48 µF 3 ( ) Rf ∆V /V 50 ⋅ 25 ⋅ 10 ⋅ 0,01 O O 2. OBJETIVOS

2.1. Diseñar un convertidor dc-dc de potencia para obteer diferentes voltajes. 10.2.3 CONVERTIDOR BUCK-BOOST (ELEVADOR-REDUCTOR) 2.2. Conocer las características de este tipo de convertiores. 2.3. Establecer losIntroducción limites de conduccion continua y discontinua

En esta configuración básica, la salida del convertidor puede ser mayor o menor que la tensión 3. INFORMACIÓN entrada.

Fig. 10. 21 Convertidor BUCK-BOOST.

VO δ = E 1−δ

E1

TEMA 10: INTRODUCCIÓN A LAS CONFIGURACIONES BÁSICAS DE LAS FUENTES DE Modo de operación ALIMENTACIÓN CONMUTADAS Figura 1: convertiddor boos t& buck.

En la figura 10.22 se ofrece los dos modos de funcionamiento en los que puede operar convertidor. Cuando el interruptor S se cierra (figura 10.22.a), la fuente primaria de tensión conecta a la bobina, al mismo tiempo que el diodo D queda polarizado en inverso. Co consecuencia de esto, la intensidad que circula por la inductancia crece linealmente, almacenand bobina energía. Transcurrido el TON del convertidor, el interruptor se abre (figura 10.22.b), co que la energía almacenada previamente en la bobina se transfiere a través del diodo, al resto circuito. Durante este intervalo, TOFF del convertidor, la fuente no suministra ningún tipo de energ Régimen C.C.

Figura 2: convertiddor boost Relación de tensiones. Razón de conversión. & buck modo de operación

Como ya se ha dicho, al cerrarse el interruptor, la tensión de la fuente se refleja sobre la bobina, lo que la intensidad circulante por esta misma quedará definida por la siguiente ecuación:

di L E = dt L

E1

Fig. 10. 22 Tensión e intensidad en la bobina. Circuito equivalente para cada estado del interruptor: a) cerrado y b) abierto.

© Universidad de Jaén; J. D. Aguilar; M. Olid

Integrando entre 0 y TON:

I L ( MAX ) − I L ( MIN )

E = δT L

Leopoldo Urquiza

Por otro lado, cuando el interruptor se abre, la pendiente de iL vendrá dada por:

1 E 10. 39

18

di L

VC

=− E IntegrandoI entre dt 0 y TON L: δT L ( MAX ) − I L ( MIN ) =

E 10. 40 E 10.Por 39

tanto, la potencia media entregada por la fuente puede e

L E I L ( MAXde δ por: T ) −iLI Lvendrá ( MIN ) =dada ndo el interruptor se abre, la VCpendiente POTENCIA 2 L DE ELECTRÓNICAE DE I L ( MIN ) − I L ( MAX ) = − (1 − δ ) T LABORATORIO 10. 41 Por otro lado, cuando el interruptor se abre, la pendiente de i vendrá dada por: L L V di L =− C E 10. 40 dt últimaL resulta la ón [E 10.39] con esta VC relación de voltajes que di Lsiguiente =− ormente: dt L V δ C y por tanto: I L ( MIN ) − IVLC( MAX = V) O= =− (1 −Eδ ) T E 10.E4210. 41 1L− δ VC (1 − δ ) TDE LAS FUENTES DE I L ( MIN ) − I L ( MAX ) = −BÁSICAS TRODUCCIÓN A LAS CONFIGURACIONES L N CONMUTADAS

E 10. 39

SEPTIMO NIVEL

⎛ I L (MIN ) + I L PE = E I E = ⎜⎜ 2 ⎝

E 10. 40

E 10. 41

ación que [E 10.39] estadeúltima resulta la siguiente de avoltajes extrae para con valores δ < 0.5, la tensión de salidarelación es inferior la de al que eriormente: δIgualando > 0.5, la tensión de salida[Eserá superior. 10.39] con estamedia última resulta por la elsiguiente relación misma figuralaseecuación puede deducir la δcorriente circulante interruptor S, que de voltajes que adelantábamos anteriormente: VC = VO = E e la entregada por la fuente. E 10. 42 a potencia entregada por la fuente a la salida del 1 −esδ equivalente a la existente δ

= )V⎞O = E E 10. 42 ⎛ I L (MIN ) + IVL (CMAX ⎟⎟ δ 1 − δ I S = IPE == ⎜⎜P se extrae que para valoresE de⎝ δO < 0.5,2 la tensión ⎠ de salida es inferior a la de al e si δ > 0.5, la tensión de salida será superior. 1 −que δ para valores de δ < 0.5, la tensión de salida es inferior a la de al O De esta ecuación se Iextrae =la fuente E 10. 43 tencia media entregada por puede expresarse como: salida, mientras que si δ > 0.5, la tensión de salida será superior. e la potencia entregadaI Epor laδfuente es equivalente a la existente a la salida del

ces:

Fig. 10. 23 ⎛ I L (MIN RODUCCIÓN A LAS BÁSICAS DE LAS características FUENTES DE que laCONFIGURACIONES potencia entregada por es equivalente a la existente a la salida del ) + I L ( MAX ) ⎞la fuenteIntensidades de un convertidor BUCKes Si porseelconsidera circuito. ⎜ ⎟ = = P E I δ E P = P E E CONMUTADAS E⎜ O ⎟ convertidor, entonces: BOOST.

2

⎝

⎠

1 −corrientes δ = PO por cada uno de los ofrecen las formas de ondaI Ode las quePEcirculan 10.que 43 misma figura se puede deducir = la corriente media circulante por el interruptorES, el con la entregada a la . Como puede observarse, es preciso calcular I L(MIN) δ I O e1I−L(MAX) δ para determinar E la potencia se iguala de entrada, expresada anteriormente, a Si entregada porlalaexpresión fuente. I de = E 10. 43 salida del convertidor, y utilizando la ecuaciónI [E 10.42]δ, entonces se puede deducir el valor de IL(MIN) + E I I + ⎞ ⎛ L ( MIN ) L ( MAX ) IL(MAX) : el circuito. antes por ⎟δ I =I =⎜ S

E

⎜

2

⎟

2δ E

⎠ ⎝ el circuito. Corrientes circulantes por = ( MIN10: ) + IINTRODUCCIÓN L (que MAX ) circulan Aguilar; M. Olid las formas de onda de TEMA se ofrecen lasI Lcorrientes por2 cada 19 uno de los R(1 − δ ) A LAS CONFIGURACIONES BÁSICAS DE LAS FUENTES DE eI para determinar el uito. media Como entregada puede observarse, es preciso calcular IL(MIN) ncia porofrecen la fuente expresarse como: ALIMENTACIÓN CONMUTADAS En la figura 10.23 se laspuede formas de onda de lasL(MAX) corrientes que circulan por cada uno de los s. Leopoldo Urquiza IL(MAX) para determinar el elementos del circuito. Como puede observarse, es con preciso calcularseIL(MIN) Aprovechando la ecuación [E 10.41] y combinándola la anterior puedeedecir: Condición de corriente continuada. + I I ⎛ ⎞ L ( MIN ) L ( MAX ) valor de las mismas.

Fig Inte BO

⎟⎟ δ E PE = E I E = ⎜⎜ 2 ∆I δ δT E E ⎝ de corriente la corriente no debe Si se iguala la expresión de la potencia de entrada, expre D. Aguilar; M. Olid E 10. 44continuada, I L (MIN ) = Como 2ya− se⎠ ha indicado, L = I L − para2 asegurar19el régimen : INTRODUCCIÓN A LAS CONFIGURACIONES BÁSICAS FUENTES DEconvertidor, del periodo convertidor. El del caso crítico, quey configura entre[Eambos 2 2DEdelLAS salida utilizandofrontera la ecuación 10.42], ento (1 − δ ) cero dentro Rhacerse

© Universidad de Jaén; J. D. Aguilar; M. Olidmodos de operación, vendrá determinado por Ila anulación ACIÓN CONMUTADAS de19la corriente en el mismo instante en el L(MAX): Leopoldo Urquiza

que concluye el periodo del∆Iconvertidor. Por lo tanto, a partir de la ecuación [E 10.44] se puede 2 δ E Leopoldo E δ TUrquiza de corriente continuada. calcular el+ valor de C.C. I L ( MIN ) + I L ( MAX ) = 10. operación 45 I L ( MAX ) = Linductancia = I L + 2mínima para asegurar un modoEde 2

R(1 − δ )

2

R(1

2

se ha indicado, para asegurar el régimen de corriente continuada, la corriente noδ debe E δ ET =Aprovechando L [E 10.41] y combinándola con la a ro dentro del periodo del convertidor. El caso crítico, que configuraI Lfrontera ambos2 − la ecuación ( MIN ) = 0entre 2 ( ) − δ 1 R operación, vendrá determinado por la anulación de la corriente en el mismo instante en el © Universidad de Jaén; J. D. Aguilar; M. Olid 20 RT se puede uye el periodo del convertidor. Por lo tanto, a partir de la ecuación [E 10.44] δE Eδ T 2 (1 − δ ) E 10. LCRITICA = I L (MIN ) = − L =46 I L 2 valor de inductanciaLimite mínimade para asegurar un modo de operación C.C. conduccion continua Leopoldo Urquiza 2 2

R(1 − δ )

δE δ ET I L ( MIN ) = 0 =Rizado de2la−tensión Lde salida. 2 R(1 − δ ) Fig. 10. 23 ∆VdeO un convertidor δ RT 2 demostrar características que: = ) − δIntensidades LCRITICA = Se(1puede BOOST. VO RCf 2

I L ( MAX ) = BUCKE 10. 46

δE Eδ T + L = IL 2 2 R(1 − δ )

© Universidad de Jaén; J. D. Aguilar; M. Olid

la tensiónde de la salida. PROBLEMA 10.5 con la entregada a la expresión potencia de entrada, expresada anteriormente, ertidor, y utilizando la ecuación [E 10.42], entonces se puede deducir el valor de IL(MIN) +

Leopoldo Urquiza

∆VO δ Sea el convertidor de la figura, que se usa para obtener un voltaje negativo V0 desde una fuente emostrar que: = 2 δ E Vg. Datos: V0=60V.; L=400µH; f=1KHz. Determinar: positiva VO I RCf+ I L ( MIN ) L ( MAX ) = (1 −Expresar RA) δ )2 V /V en función de t /T y dibujar la tensión en extremos de la bobina para V = 0 g on g 2 ROBLEMA 10.5 40V, sabiendo que el valor medio de la corriente por la bobina es de 100A.

la ecuación [E 10.41] y combinándola conFig. laB)10. anterior se decir: Dibujar la puede corriente instantánea a través del transistor y del diodo. 23

de un BUCKC) Valor medio la corriente por eluna transistor. el convertidor de la figura, que se usa paraIntensidades obtener uncaracterísticas voltajedenegativo V0 convertidor desde fuente BOOST. Calcular ∆I 2 la corriente de salida δ E L=400µH; Eδ T f=1KHz. D) Determinar: tiva Vg. Datos: V0=60V.;

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA 2

SEPTIMO NIVEL

4. TRABAJO PREPARATORIO 4.1. DISEÑAR, simular e implementar un control PWM en base a los integrados ya utilizados. Que varie la relacion de trabajo desde el 10% hasta el 90% la frecuencia es de 1kHz hasta 20kHz escoger a su criterio, 4.2. DISEÑAR y simular el circuito de la Figura 1, si la fuente de potencia a usarse es de 12 V y que el voltaje de salida varie desde 3V hasta 48V. 4.3. Considerar para el diseño el dimensionamiento del valor critico de inductancia para trabajar con conduccion continua y luego con discontinua. 4.4. Traer armados todos los circuitos solicitados.

EQUIPO Y MATERIALES • • • • • •

Fuente de poder DC. Osciloscopio. Puente de diodos. Puntas de prueba. Cables. Bombilla adecuada como carga + boquilla (traer por cada grupo)

5. PROCEDIMIENTO 6.1. Para los circuito diseñados en el trabajo preparatorio , observar formas de onda y comprobar que el elemento esté trabajando en conduccion continua 6.2. Para diferentes relaciones de trabajo definidas por el instructor (una baja y una alta dentro del rango establecido) obtener formas de onda de voltaje a la salida para poder determinar las formas de onda de corriente y voltaje

en los difrentes

elementos. Tomar tiempos de encendido y apagado del MOSFET 6.3. Cambiar el valor de la inductancia y repetir el literal anterior para trabajar en conduccion discontinua

7. INFORME

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SEPTIMO NIVEL

7.1. Presentar las respectivas imágenes obtenidas en el osciloscopio para los diferentes literales del procedimiento. 7.2. Calcular la potencia y eficiencia del circuito, determinar el limite de conduccion continua y discontinua con tabla de valores de corriente y voltaje 7.3. Comparar los resultados obtenidos para las diferentes relaciones de trabajo. 7.4 simular el circuito implementado en laboratorio con el respectivocalulo de errores reales y teoricos 7.5. Conclusiones. 7.6. Bibliografía 8. REFERENCIAS [1] Batarseh, I., Power Electronics Handbook, The Power MOSFET, 2011. [2] P. S. Abedinpour and P. K. Shenai, Power Electronics Handbook, Insulated Gate Bipolar Transistor, 2011. [3] C. J. Savant and G. L. Carpenter, Diseño electrónico circuitos y sistemas.

Nota: El trabajo preparatorio es individual El informe será grupal y debe contener conclusiones de cada integrante del grupo

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