Informe Fuentes Conmutadas

1. CÁLCULOS TEÓRICOS Para las fuentes conmutadas se tienen dos métodos de operación, los cuales son el modo continuo y el discontinuo. En el modo continuo la corriente mínima sobre el inductor en cada ciclo de conmutación nunca cae a cero, en el ciclo Toff el inductor carga al capacitor, y sise garantiza quela corriente mínima nunca sea cero, el rizado sobre la carga sería mínimo. Por el contrario, en el modo no continuo, la correinte mínima cae a cero así que el capacitor almienta la bobina y a la carga haciendo que el factor de rizado sobre la carga sea mayor. Debido a esto, se trabajará con las ecuaciones de diseño para los convertidores DC DC de modo continuo, para asegurar un menor rizado en el voltaje de salida obtenido. Ecuaciones para Buck:

Ecuaciones para Boost:

Ecuaciones para Buck-Boost:

En las ecuaciones anteriores

Diseño de la fuente BUCK o Step Down

Figura 1. Conversor DC-DC topología Buck para implementar en la práctica

De la figura 1 y las ecuaciones 1 2 y 3 se tiene que:

Para implementar la señal de PWM se hace uso de un circuito integrado 555 en modo astable Las ecuaciones del 555 están dadas por

Donde

A partir de lo anterior, para el cálculo de las resistencias según los lineamientos esperados para ciclo de dureza de la señal de control PWM, se tiene que:

Se implementa la siguiente función en MATLAB para tener un rápido cálculo de las resistencias para la señal PWM debido a que esta debe ajustarse poteriormente dependiendo de los resultados que se obtengan de la fuente DC-DC function param(f,D,c) T=1/f; t1=D*T; t2=T-t1; r2=t2/(c*log(2)) r1=t1/(c*log(2))-r2 end

A partir de esta función implementada en MATLAB, para una frecuencia determinada (10Khz) y ciclo de dureza determinado (0.72) se tiene que los valores de los resistores R1, R2 y C para el 555 son: R1=6.35K, R2=4.04K y C=10nF

Figura 2. Esquema de conección del circuito integrado 555 en modo astable

Diseño para la fuente BOOST o Step Up

Figura 3. Conversor DC-DC topología Boost para implementar en la práctica

De la figura 3 y las ecuaciones 4, 5 y 6 se tiene

A partir de la función implementada en MATLAB, para una frecuencia determinada (10Khz) y ciclo de dureza determinado (0.625) se tiene que los valores de los resistores R1, R2 y C para el 555 son: R1=3.61K, R2=5.41K y C=10nF Cabe señalar que en esta topología el ciclo de dureza debe ser menor del 50%, sin embargo el 555 no permite obtener señales de menos de este Dutty, así que se realizan los cálculos para un Dutty de 62.5% es decir 100-CDdeseado, (CDdeseado=37.5%) y con esto se tiene la señal PWM invertida, así que simplemente colocando una compuerta inversora 74ls04 a la salida del 555 se tiene entonces la señal de control PWM de frecuencia 10KHz y Dutty=37.5%. Diseño Para la fuente BUCK-BOOST

Figura 4. Conversor DC-DC topología Buck-Boost para implementar en la práctica

De la figura 4 y las ecuaciones 7, 8 y 9 se tiene

A partir dela función implementada en MATLAB, para una frecuencia determinada (10Khz) y ciclo de dureza determinado (0.52) se tiene que los valores de los resistores R1, R2 y C para el 555 son: R1=6.87K, R2=686.72 y C=10Nf

2. SIMULACIONES

Todas las simulaciones se realizaron con el sofrware de diseño TINA de texas instruments, simulando los componentes discretos del circuito con sus tolerancias aproximadas a la realidad, tanto para los resistores como para las propiedades del 555, bobinas y capacitores. Debido a esto, la confiabilidad de los resultados obtenidos de estas simulaciones es alta ya que no se consideran los dispositivos como ideales.

Buck

R3 6,35k

R1 51

C3 49u

VF1

VF2

VCC

U5 NE555 RESET CONT

OUT

TRIG

GND

THRES

V1 6,4

DISC

C8 10n

C9 10n

R2 4,04k

SD3 1N5820

T3 IRF9530

V2 5

L3 714u

Figura 5. Esquema para la fuente DC-DC Buck implementado en TINA

Figura 6. Simulación de la fuente DC-DC topología Buck implementado en TINA T

6.00

Vo=3.6V PWM D=72% Frecuencia PWM=10KHz

Voltage (V)

4.00

2.00

0.00 0.00

100.00u

200.00u

300.00u

400.00u

500.00u

Boost L2 700u

VF1

R4 100

VF2

VCC

1

2

U3 SN74HC04

R6 3,61k

V4 5

U2 NE555

SD2 1N5820

C4 47u

T2 2N6755

OUT

TRIG

GND

THRES

V3 6,4

DISC

C5 10n

C6 10n

R5 5,41k

RESET CONT

Figura 7. Esquema para la fuente DC-DC Boost implementado en TINA T

8.00 Vo=8V PWM D=37.5% Frecuencia PWM=10KHz

Voltage (V)

6.00

4.00

2.00

0.00 0.00

100.00u

200.00u

300.00u

400.00u

Figura 8. Simulación de la fuente DC-DC topología Boost implementado en TINA

500.00u

T1 IRF9530

Buck/Boost

R10 100

L1 930u

SD1 1N5820

V10 5

C1 52,3u

VF1

R12 686,72

VF2

VCC

U1 NE555 OUT

TRIG

GND

THRES

V9 6,4

DISC

C2 10n

C7 10n

R11 6,87k

RESET CONT

Figura 9. Esquema para la fuente DC-DC Buck/Boost implementado en TINA T

6.00

4.00

Voltage (V)

2.00

0.00 Vo=-5.5V PWM D=52.3% -2.00

Frecuencia PWM=10KHz

-4.00

-6.00 0.00

100.00u

200.00u

300.00u

400.00u

500.00u

Figura 10. Simulación de la fuente DC-DC topología Buck/ Boost implementado en TINA

3. CIRCUITOS FUNCIONANDO DE ACUERDO A LOS REQUERIMIENTOS El funcionamiento de las fuentes implementadas en la práctica se realizó con supervisión del profesor del curso, el cual corroboró la eficacia de los circuitos montados en la práctica. A continuación se presentan los resultados obtenidos del osciloscopio. Buck

Figura 11. Salida registrada para la fuente Buck

Figura 12. Figura del rizado registrada para la fuente Buck

Frecuencia de conmutación=9.78KHz Dutty=74% Vo=3.56V

Rizado= ((44e-3)/3.6)*100=1.2%

Boost

Figura 13. Salida registrada para la fuente Boost

Figura 14. Figura del rizado obtenida para la fuente Boost

Frecuencia de conmutación=9.94KHz Dutty=39% Vo=7.86V

Rizado= ((94e-3)/8)*100=1.2%

Buck/Boost

Figura 15. Salida registrada para la fuente Buck/Boost

Figura 16.Figura de rizado obtenida para la fuente Buck/Boost

Frecuencia de conmutación=9.87KHz Dutty=53% Vo=-5.48V

Rizado= ((60e-3)/5.5)*100=1.1%

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES Análisis En las figuras 5 a 10 se exponen los resultados de las simulaciones realizadas por medio de TINA para las diferentes topologías de fuentes conmutadas o conversores DC-DC propuestos en la práctica de laboratorio. En las figuras 11 a 16 se presentan los resultados obtenidos luego de haber implementado las fuentes conmutadas por medio de componentes discretos en protoboard. Para la topología Buck mostrada en la figura 1, se tienen 2 SW que funcionan en contraposición, es decir, si el SW1 está abierto, el SW2 está cerrado y viceversa. El SW2 se encuentra controlado a partir de una señal PWM y es implementado con un transistor mosfet canal P y el SW1 se puede implementar a partir de un diodo de alta velocidad. En la figura 5 se presenta el esquema realizado en TINA a partir del cual se pretende realizar el montaje de la fuente BUCK en la práctica, se pueden mencionar 2 etapas o 2 clases de circuitos, el que corresponde como tal a la topología Buck que en última instancia es el que se muestra en la figura 1, y la parte del control del transistor que hace las veces de SW2 por medio de PWM a partir del circuito integrado 555. En la figura 6 se presenta la simulación de la fuente Buck, junto con la señal PWM de control. Se evidencia que la salida del circuito simulado, es en efecto un valor reducido del valor de alimentación del circuito que es 5V, dicha salida está en aproximadamente 3.6V y se observa un pequeño rizado en dicha señal. Cabe señalar que la presencia del rizado es evidente debido a que el tiempo en el que se grafica la señal es muy reducido, apenas 500µS para poder visualizar la frecuencia de la señal de control. Según estos resultados puede decirse que el circuito diseñado en efecto genera una fuente DC con los requerimientos esperados de diseño. La topología Boost mostrada en la figura 3 posee también 2 SWs a partir de los cuales se realiza la conmutación para generar la fuente controlada. El SW2 también es un swiche de control el cual se simula con un transistor mosfet canal N y el SW1 con un diodo de alta velocidad de conmutación. En la figura 7 se observa el esquema del circuito a implementar en la práctica, el cual, al igual que el Buck, como se mencionó anteriormente, posee dos etapas, las cuales son la de control por PWM y la etapa del circuito o fuente conmutada como tal. En la figura 8 se observa la simulación de la fuente elevadora, y en efecto se evidencia que el voltaje de salida está alrededor de los 8V que es lo esperado para lo cual fueron calculados los valores de capacitor y bobina trabajando en modo común. Al igual que en las topologías anteriores, el Buck-Boost que se muestra en la figura 4 consta de 2 SW, en los cuales el SW2 es el controlado por PWM y se implementa a partir de un transistor mosfet canal P, y el SW1 se implementa a partir de un diodo de alta velocidad.

En la figura 10 se observa que la salida del circuito final en efecto cumple con los parámetros requeridos de nivel de voltaje para el Buck-Boost o de polaridad negativa, debido a que dicho valor está aproximadamente a -5.5V. En las figuras 11 y 12 se presentan los resultados obtenidos mediante la implementación práctica de la fuente conmutada Buck. En la figura 11 se observa que la salida del circuito montado en la práctica de laboratorio, en efecto cumple con el nivel DC esperado a la salida que es de 3.6V. En la figura 12 se observa una ampliación de la señal DC obtenida mediante la fuente Buck y se observa que se presenta un rizado en dicha señal de salida, el cual corresponde a la carga y descarga del capacitor, y según los cursores, se indica que dicho rizado presenta unas pequeñas oscilaciones de apenas 44mV obteniéndose un valor porcentual de 1.2%. En las figuras 13 y 14 se presentan los resultados obtenidos mediante la implementación práctica de la fuente conmutada Boost. En la figura 13 se observa que la salida del circuito implementado en la práctica de laboratorio, la cual evidentemente cumple con el nivel DC esperado. Si bien no se obtuvo en valor de 8V, el valor 7.86V es muy aproximado y se puede considerar que los resultados están en los márgenes aceptables. Este fenómeno se presentó debido a que las consideraciones realizadas para el cálculo de los valores de los capacitores y bobinas se hacen para una carga constante y también se tiene presente que los componentes activos no consumen carga, sin embargo en la práctica no existe una carga constante y además se deben tener en cuenta los efectos realizados por la resistencia interna de la bobina, las corrientes de fuga del capacitor y en general el efecto Joule que suele presentarse en los circuitos, el cual termina bajando la eficiencia de la transferencia de energía y en última instancia lo que se tienen es resultados diferentes de los esperados o calculados. En la figura 14 se observa la señal DC ampliada a tal punto que se puede evidenciar el rizado de la fuente conmutada producido por la carga y descarga del capacitor, el cual tiene una magnitud de 94mV y termina por producir un rizado del 1.2%, el cual puede decirse que es lo suficientemente pequeño para garantizar un nivel DC casi que constante a la salida del circuito. En las figuras 15 y 16 se presentan los resultados obtenidos para la implementación práctica de la fuente conmutada Buck-Boost. En la figura 15 se presenta la salida del circuito implementado en la práctica de laboratorio, y se observa que evidentemente el nivel DC obtenido cumple con los requerimientos esperados, en especial se observa la capacidad de esta fuente conmutada de producir una salida con polaridad inversa a la entrada, es decir, polaridad negativa. En general se obtiene esta polaridad debido a que la energía que el inductor le envía a la carga se direcciona en forma diferente, obteniendo una polaridad inversa a la salida del circuito. En la figura 16 se observa la forma de onda aumentada para visualizar las oscilaciones del nivel DC que produce la carga y descarga de los capacitores, es decir, el

rizado y se evidencia que su magnitud es muy baja, apenas 60mV lo cual produce un factor de rizo de apenas 1.1%. Conclusiones Según los resultados presentados durante el desarrollo de esta práctica de laboratorio se evidenció que las topologías propuestas en la guía para la implementación de las fuentes Buck (Reductor), Boost (Elevador), Buck/Boost (Redudcor o Elevador con inversión de polaridad) son las apropiadas debido a que en efecto con cada una de estas se produce el cambio esperado en el nivel DC de la señal de entrada. El trabajar con un PWM fijo que produzca un ciclo de dureza constante y frecuencia constante es de gran utilidad a la hora de implementar una fuente conmutada DC, debido a que se tiene una gran estabilidad en la salida del circuito y en todos los swicheos que se realizan a partir del transistor activado en modo de conmutación, evitando así posibles fallas debido a cargas y descargas asimétricas en los dispositivos almacenadores como bobinas y capacitores. El uso del software TINA de Texas instruments provee una herramienta con un alto grado de confiabilidad a la hora de simular e implementar fuentes conmutadas o conversores DC-DC debido a que en este se puede trabajar con simulaciones de componentes no ideales, es decir, componentes que simulan como tal una buena aproximación a la realidad debido a que se puede jugar con las tolerancias de los dispositivos, propiedades térmicas, eléctricas y de conducción que no se pueden simular en otros tipos de sofrware. Debido a ello se facilita en gran medida la impmlementación de circuitos complejos como son los conversores DC-DC. Los valores calculados de capacitores para el control del rizado que se montaron en la práctica producían un rizado mayor al 1%, esto debido a que se utilizaron capacitores electrolíticos los cuales tienen una tolerancia muy grande (20%), debido a esto se requirió el uso de un capacitor adicional para ajustar el valor de rizado. Este procedimiento no presenta ningún inconveniente para los cálculos realizados debido a que el valor del capacitor calculado en modo común es el valor mínimo necesario para que se cumplan los requerimientos esperados, sin embargo dicho valor de capacitor puede ser mayor para asegurar la correcta disminución del rizado. Tanto la eficiencia de la transferencia de energía entre la entrada y la salida de los circuitos implementados como los valores de voltajes registrados pueden diferir de los resultados simulados debido a que en la práctica jamás se presenta una carga constante a la salida del circuito, además se deben tener en cuenta efectos que se presentan en la realidad sobre los dispositivos utilizados en la realización de los montajes como lo son el efecto Joule, las corrientes de fuga de los capacitores, la variación térmica de las resistencias y la resistencia interna de la bobina. El voltaje de activación del transistor como swiche debe estar en el orden de los 10-15V para que este conmute apropiadamente. Esto debido a que en principio se trabajó con un voltaje de activación de apenas 5V (Salida del 555) pero de esta forma a veces se

producía nivel DC y otras no, sin embargo luego de haber cambiado la magnitud del voltaje de activación este problema no se volvió a presentar. Además es importante resaltar que no se puede utilizar un voltaje de activación muy elevado porque se puede dañar la capa de óxido de silicio que posee el transistor.