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• Karen Angulo

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LABORATORIO DE ELECTRONICA DE POTENCIA 1 CONVERSOR DC-DC

ESCUELA POLITECNICA DEL EJERCITO INGENIERIA EN MECATRONICA ELECTRONICA DE POTENCIA

1. TEMA

2.

“CONTROL DE VELOCIDAD DE UN MOTOR MEDIANTE UN CONVERSOR DC DC”

OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL 

Diseñar una guía detallada para la implementación de un convertidor DC-DC de topología Buck funcionando en Modo de Conducción Continuo, con el fin de utilizarla para el control de celocidad de un motor DC.

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 

Realizar el diseño básico del convertidor Buck de 12 V de entrada a un rango de 14 a 3 V de salida, para así hacer la especificación adecuada de los elementos a utilizar.



Determinar las ecuaciones fundamentales que permitan describir el comportamiento de los circuitos.



Construir el circuito de prueba en el laboratorio y validar los resultados obtenidos.

3. METODOLOGIA



Diseño e implementación. Se realizará el diseño del circuito y la especificación de los componentes electrónicos a utilizar. Luego de esto se procederá a implementar la topología propuesta, utilizando para esto una placa de pruebas, conocida como Protoboard.



Puesta en marcha y análisis de resultados. Una vez montado el circuito se procederá a comprobar su funcionamiento y se realizaran las modificaciones en caso de ser necesarias. Luego se documentarán los resultados y se hará una validación de los mismos.

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4. MARCO TEORICO Como explicamos en la exposicion existen varios tipos de convertidores DC-DC, dependiendo del requerimiento que se requiera a la salida; para realizar un resumen de las diferentes topologias de los convertidores se ha realizado el siguiente esquema.

Figura 1. Topologia de los conversores DC DC

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Como el objetivo del laboratorio es de implementar el circuito del convertidor Buck, se detallará el funcionamiento de este como también su circuito de prueba y el analisis matematico que se utilizo para su diseño.

4.1 CONVERTIDOR TIPO BUCK (REDUCTOR) El convertidor tipo Buck, es el que obtiene a su salida una tensión continua menor que a su entrada. El diseño es similar a un convertidor elevador o Boost, es una fuente conmutada con dos dispositivos semiconductores (transistor S y diodo D), un inductor L y opcionalmente un condensador C a la salida. El funcionamiento del conversor Buck, 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. 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 circuitos integrados) y autorregulación. 4.1.1 ANÁLISIS DEL CIRCUITO 

Conmutador Cerrado

Figura 2: Circuito Buck Conmutador Cerrado La energía se transfiere de la fuente a la bobina al condensador y a la carga.

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

Conmutador Abierto

Figura 3: Circuito Buck conmutador abierto La energía se transfiere de la bobina y el condensador a la carga. 4.1.2

MODOS DE TRABAJO El modo de trabajo de nuestro circuito es de manera continua asi que se explicara de forma detallada solo este modo ya que en la exposicion se explico el modo discontinuo

4.1.2.1 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 la siguiente figura:

Figura 5 Evolución de las tensiones y corrientes con el tiempo en un convertidor Buck ideal en modo continuo.

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

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.

La energía almacenada en el inductor es:

Como puede verse la energía almacenada en la bobina se incrementa en estado ON (interruptor cerrado) y se decrementa durante el estado OFF (interruptor abierto). La bobina se usa para transferir energía desde la entrada a la salida. La variación de IL viene dada por:

Con VL igual a Vi − Vo durante el estado a ON y a − Vo durante el estado OFF. El incremento de corriente en ON es:

De la misma forma el decremento de corriente en OFF es:

Si se asume que el convertidor opera en un estado estable, la energía almacenada en cada componente al final del ciclo de conmutación T es igual a que había al principio del ciclo. Esto significa que la corriente IL es igual en t=0 y en t=T.

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Por lo tanto, De las ecuaciones anteriores se obtiene:

Como se puede ver en la Figura 18

and

. D es un escalar

llamado ciclo de trabajo (“duty cycle”) cuyo valor está comprendido entre 0 y 1:

Esta ecuación puede ser reescrita como:

De esta ecuación se puede observar como la tensión de salida del convertidor varía linealmente con el ciclo de trabajo para una tensión de entrada dada. Como el ciclo de trabajo D es igual al cociente entre tOn y el periodo T no puede ser mayor a 1. Por consiguiente

, de ahí su

nombre de reductor. 5. CONTROLADORES DE VELOCIDAD DE MOTORES

El control de velocidad, también conocido como regulador de velocidad o autocrucero (o cruise control en inglés y tempomat en alemán) es un sistema que controla de forma automática el factor de movimiento de un vehículo a motor. El conductor configura la velocidad y el sistema controlará la válvula de acelaración o throttle del vehículo para mantener la velocidad de forma continua. 6. EJEMPLO DE APLICACIÓN 6.1 CONVERTIDOR REDUCTOR

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Se requiere realizar un convertidor Buck reductor que cumpla con las siguientes características: Vin

Vout

L1

Q1

Cout

Cin

D1

Controlador

Figura 6 . Circuito Convertidor Buck Reductor. 6.2 SELECCIÓN DEL INDUCTOR

El cálculo del inductor es la parte más crítica diseñando el convertidor Buck, seleccionamos para trabajar en modo continuo por lo que la corriente del inductor nunca llegará a ser cero entonces se puede utilizar la siguiente fórmula:

Donde: fsw: frecuencia de conmutación del convertidor buck (en este caso del transistor ) LIR: factor de rizado El pico de corriente a través del inductor determina la saturación de corriente necesaria por el inductor, que a su vez determina el tamaño de la bobina. Saturar el núcleo inductor disminuye el rendimiento del convertidor, mientras que aumenta de la temperatura de la bobina, el transistor y del diodo. Se puede calcular el máximo de funcionamiento del inductor actual como sigue:

(42)

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(

)

Entonces si se desea implementar el reductor expuesto anteriormente: Se debe conocer el facto de LIR previamente escogido según la necesidad, en este caso se utilizará 0.3 6.3 SELECCIÓN DE CAPACITOR DE ENTRADA El rango del rizo de corriente del capacitor determina su valor y su tamaño físico, y mediante la siguiente ecuación permite calcular la cantidad de rizo que el capacitor debe manejar: (

√

√ (

)

)

Para analizar los posibles casos que se podrían presentar se debe analizar la razón entre el voltaje de salida y entrada (Vout/Vin), el peor caso que se podría presentar para este análisis es que Vin=2Vout, lo que nos generaría Vout/Vin=0.5, obteniendo como resultado Ioutmax/2 es decir nuestro circuito tiene una complicación por lo que se debe evitar este caso. La capacitancia de entrada requerida para un convertidor stepdown depende mucho de la impedancia de entrada de la fuente de alimentación, generalmente en las fuentes utilizadas en los laboratorios se encuentran dentro de los 10uF hasta los 22uF por amperio de salida. Con esto, se puede empezar con un capacitancia de entrada total de 40uF y según se necesite se puede ajustar este valor de acuerdo a pruebas posteriores.

LABORATORIO DE ELECTRONICA DE POTENCIA 9 CONVERSOR DC-DC

No es recomendable utilizar capacitores de tantalio para la capacitancia ya que puede producirse un error en el capacitor, lo que puede generar un corto circuito entre sus terminales, lo recomendable es utilizar capacitores cerámicos o de aluminio electrolíticos. Sin embargo, los capacitores cerámicos a pesar de que son muy prácticos por su pequeño espacio para ser utilizados en una placa de baquelita, pueden generar un ruido acústico que pueda alterar el voltaje de rizo. La mejor solución es utilizar capacitores de polímero para solucionar este problema. 6.3 SELECCIÓN DE DIODO La disipación de potencia es el factor limitante en la elección de un diodo. El peor caso de la potencia media se puede calcular como la siguiente ecuación:

diodo

(1

diodo

2 ) 7 07 24 4 49

donde Vd es la caída de tensión en el diodo en la salida dada por IOUTMAX actual. (Los valores típicos son de 0,7 V para un diodo de silicio y 0,3 V para un diodo Schottky.) Asegúrese de que el diodo seleccionado será capaz de disipar tanto poder. Para un funcionamiento fiable durante la entrada de voltaje de rango, también debemos asegurarnos de que la inversa de tensión má ima repetitiva es mayor que la tensión de entrada má ima (VRRM ≥ V IN MAX). El diodo de corriente continua debe cumplir o e ceder el má imo de salida de corriente (es decir, IFAV ≥ IOUTMAX).

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SELECCIÓN DE CONDENSADOR DE SALIDA La capacidad de salida es necesaria para reducir al mínimo el overshoot de voltaje y rizado presente en la salida de un convertidor de reducción. Rebasamientos grandes son causados por insuficiente capacidad de salida y el rizado de la tensión es causada por la gran capacidad insuficiente, así como un equivalente de alta resistencia en serie (ESR) en el condensador de salida. El máximo permitido de salida de voltaje y overshoot de onda son generalmente especificaciones del momento del diseño. Así, para satisfacer las especificaciones de cationes la ondulación de un circuito convertidor de STEPDOWN, debe incluir un condensador de salida con capacidad suficiente y bajo ESR. El problema de la superación, es regular su valor para una carga completa de salida, requiere que el condensador de salida sea lo suficientemente grande para impedir que la energía almacenada en el inductor del lanzamiento pase por encima de las especificaciones de voltaje de salida máximo. El overshoot de voltaje de salida se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

Reorganizando la ecuación nos queda:

Co

2 8E (100E

6

(7

3

21 2 2) 2 2) 22

441 46 uF

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Donde CO es igual a capacidad de producción y ΔV es igual a la potencia máxima de overshoot. Ajuste de la salida máxima de overshoot de tensión a 100 mV y la solución de la ecuación produce un rendimiento calculado a una capacitancia de 442 uF. Agregar el condensador típico de tolerancia del valor (20%) da un valor práctico para la capacitancia de salida de unos 530 uF. El valor estándar más cercano es de 560 uF. La salida de onda debido a la capacidad solo está dada por:

Vout cap

1 2 560E

6

24 2 2 1 2 ( ) 2 8E 6 24 300E3

Vout cap El ESR del condensador de salida domina la producción de rizado de la tensión. El importe se calcula como: (48) Vout E

2 1 18 8E

R

Vout E

R

3

39 48mV

Tenga en cuenta que la elección de un condensador con muy baja ESR puede hacer que el convertidor de potencia tienda a ser inestable. Los factores que afectan la estabilidad varían de IC a IC, de modo que a la hora de elegir un condensador de salida, asegúrese de leer la hoja de datos y prestar especial atención a las secciones que tratan con la estabilidad de convertidor.

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La adición de la salida de rizado de la tensión debido al valor de la capacitancia y el condensador de salida ESR (el segundo término de la ecuación), los rendimientos de la producción total de la tensión de rizado para el convertidor STEPDOWN se determinan asi:

Despejamos ESR sabiendo que V de ripple = 40mv (2% de V de salida) E RCo

18 79m

Reorganización de la ecuación para resolver los rendimientos ESR:

Un convertidor de STEPDOWN decente por lo general alcanza una onda de salida de voltaje de menos del 2% (40 mV en nuestro caso). Para obtener una capacidad de salida de 560 uF, la ecuación da 18,8 mΩ má imo calculado para la E R.

or lo tanto, debemos elegir un

condensador con V G inferior a 18,8 mΩ y una capacidad que sea igual o superior a 560 uF. ara lograr un valor equivalente a menos de E R 18,8 mΩ, puede conectar condensadores de baja

ESR

múltiples

en

paralelo.

La Figura presenta las variaciones del voltaje de salida frente a la capacitancia de salida y la VSG. Debido a que nuestro ejemplo se utiliza condensadores de tantalio, ESR condensador domina la producción de rizado de la tensión.

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SELECCIÓN DISPOSITIVO DE POTENCIA

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Figura7. Especificaciones Técnicas Transistor 2N1711 CONTROL A TRAVÉS DE MODULACIÓN DE ANCHO DE PULSO (PWM) El control del dispositivo de potencia se realizará por modulación de ancho de pulso (PWM), con la ayuda del circuito integrado 555. Entre las ventajas que nos entrega este método, podemos destacar las siguientes: alta eficiencia, operación de frecuencia constante, control relativamente simple, capacidad para alcanzar radios de conversión altos y la disponibilidad, comercialmente hablando, de circuitos integrados. Primeramente definiremos la configuración del CI 555 como astable (Figura 3). Cabe mencionar que este integrado puede ser utilizado con diferentes propósitos.

Figura 8. Configuración Astable CI 555

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En esta configuración podemos variar el ciclo de trabajo de 5% a 95%, lo que nos permitirá definir el voltaje de salida requerido. Para la presente aplicación se necesita generar pulsos con una frecuencia de 300kHz y un ciclo de trabajo del 75%; es decir, el tiempo que permanecerá el pulso en alto será 0.75 veces el periodo total. Conociendo la frecuencia necesaria, determinamos el periodo de oscilación: (

El Capacitor C1 tendrá un tiempo de carga

)

y un tiempo de descarga

, los mismos que

determinarán el tiempo del pulso en alto y bajo respectivamente. Por la tanto el periodo de oscilación de la señal estará dado por: (

)

de donde: (

) (

)

( (

) )

Como ya se especificó anteriormente el duty cycle será igual a 0.75 por lo que los tiempos de carga y descarga serán:

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Para el diseño, partimos de un valor de condensador fijo que se pueda encontrar fácilmente en el mercado; cabe mencionar que este valor debe ser superior a los 500 pF para evitar capacitancias parásitas.

Se obtienen el valor de las resistencias (

a parir de las ecuaciones (52) y (53):

) (

(

)

) (

Las resistencias

)

deberán ser mayores a 1k

para limitar la corriente.

Para alimentar el circuito integrado se utilizará una fuente DC con un voltaje

,

teniendo en cuenta, que el 555 soporta voltajes hasta 18V. Cabe recalcar que para variar el ancho de pulsos se puede colocar un potenciómetro en serie a la resistencia

; de esta manera, podríamos cambiar el ciclo de trabajo y por lo tanto modificar

el voltaje de salida del conversor dc-dc. SELECCIÓN DEL MOTOR

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Como nuestro objetivo es del controlar un motor DC se ha seleccionado el motor que se muestra a continuación con las siguientes características.

1.1. CIRCUITO ESQUEMATICO

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Una vez determinados los valores de todos los elementos necesarios para la configuración especificada, implementamos el circuito: Finalmente el circuito a implementar se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Covertidor Buck DC-DC

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CÁLCULOS

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7. CONCLUSIONES 

La utilización de convertidores simplifican la alimentación de un sistema, porque permiten generar las tensiones donde se necesitan, reduciendo la cantidad de líneas de potencia necesarias.



El diseño de convertidores dc-dc, implica una importancia además de la generación de pulsos su parte de potencia así como sus circuitos auxiliares y sobre todo el acoplamiento de estas partes ya que en muchos casos generan problemas de estática como de aislamiento.

8. RECOMENDACIONES



Es importante escoger correctamente el conmutador (puede ser MOSFET, BJT, IGBT) que se vaya a utilizar para el uso en los diversos tipos de circuitos de convertidores dc-dc, ya que cada uno de ellos tendrá diferente forma de controlar su forma de conmutación y ventajas sobre otros.

9. BIBLIOGRAFIA 

RASHID Muhammad, Digital Power Electronics and Aplications, Digitally Controlled DC/DC Converters 2005.pdf



Conversores Conmutados: Circuitos de Potencia y Control, Edición electrónica. Fuente:”http://books.google.com.ec/books?id=zgcw5thH2usC&pg=PA11&dq=conversor +dc+dc#v=onepage&q=conversor%20dc%20dc&f=false”



Conversores DC-DC, W. Uturbey Junio, 1996. Notas de Apoyo para el curso básico de Electrónica de Potencia I. Fuente:”http://iie.fing.edu.uy/ense/asign/elpot1/dcdc.pdf”

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ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO “Camino a la Excelencia”

INFORME DE CIENCIA

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA –VII “C”

ELECTRÓNICA DE POTENCIA INFORME DE LABORATORIO DE CONVERTIDORES DC-DC Autores:     

Grijalva Jorge Jácome Fernando Mayorga David Sarmiento Freddy Villacís Harold

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Sangolquí, 18 de Enero de 2011