Inversor DC a AC

2012 Convertidor DC/AC

Sena 20/06/2012

INVERSOR DC/AC

INTEGRANTES: JOSÉ BELEÑO RAFAEL MENDOZA SANDOVAL JONATÁN DE LA ROSA

PRESENTADO A:

PROFESOR: JOHNNY ORTEGA

BARRANQUILLA SENA INDUSTRIAL COLOMBO ALEMÁN MANTENIMIENTO ELECTRÓNICO INSTRUMENTAL INDUSTRIAL 10 DE JUNIO DE 2012

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INVERSOR DC/AC

INTEGRANTES: JOSÉ BELEÑO RAFAEL MENDOZA SANDOVAL JONATÁN DE LA ROSA

PRESENTADO A:

PROFESOR: JOHNNY ORTEGA

BARRANQUILLA SENA INDUSTRIAL COLOMBO ALEMÁN MANTENIMIENTO ELECTRÓNICO INSTRUMENTAL INDUSTRIAL 10 DE JUNIO DE 2012

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Tabla de contenido Pregunta problema .............................................. ........................................................................ .................................................... .......................... 5 OBJETIVOS ................................................ .......................................................................... .................................................... .................................. ........ 6 Objetivo general .................................................. ............................................................................ .................................................... .......................... 6 Objetivo especifico ................................................... ............................................................................ ............................................... ...................... 6 Metodología....................................................................... ................................................................................................. ...................................... ............ 7 INTRODUCCIÓN ................................................ .......................................................................... .................................................... .......................... 8 MARCO TEÓRICO .................................. ........................................................... ................................................... ....................................... ............. 9 Lista de materiales ....................................... ................................................................. ................................................... .............................. ..... 9 Varios ................................................... ............................................................................. .................................................... .................................... .......... 10 Fuentes Reguladas Conmutadas ...................................... ............................................................... .................................... ........... 11 General ................................................... ............................................................................. .................................................... .................................... .......... 13 Principio de funcionamiento .............................................................. .................................................................................. .................... 13 Clasificación ................................................ .......................................................................... .................................................... ................................ ...... 14 Régimen de operación ...................................... ............................................................... ................................................. ........................ 14  Aislamiento ...................................... ............................................................... .................................................. ......................................... ................ 14 Método de control .................................................................. ........................................................................................... ............................ ... 15 Componentes del d el convertidor conmutado de alta frecuencia frecuen cia................................ ................................ 15 Transistor ................................................. ........................................................................... .................................................... ................................ ...... 16 Fórmula para hallar el modelo de disipación de un transistor tr ansistor ............................ ............................ 17 Diodo................................................ ......................................................................... ................................................... ......................................... ............... 22 Parámetros de diodos: ................................................ ......................................................................... .................................... ........... 22 Modelo de d e disipación disipac ión de potencia ......................................... ................................................................... ................................ ...... 23 Inductor ................................................ .......................................................................... .................................................... .................................... .......... 24 Capacitor........................................................................ .................................................................................................. .................................... .......... 25 Red de realimentación y controlador...................................... controlador............................................................... ............................ ... 25 Etapa de control ........................................................... .................................................................................... ......................................... ................ 25 Lazo abierto ................................................. ........................................................................... .................................................... ............................ .. 26 Lazo cerrado ...................................................................... ............................................................................................... ................................ ....... 27 Control por modulación de ancho de pulso ................................................. ........................................................ ....... 27 Sistema de Control Co ntrol PWM por muestra de tensión ....................................... ............................................. ...... 28 2

Sistema de Control PWM por muestra de corriente ........................................... 29 Sistema de Control PWM por muestra combinada tensión- corriente ............ 30 Control por frecuencia variable .......................................................................... 31 Sistema de Control de frecuencia variable por muestra de corriente ................. 33 Sistema de Control de frecuencia variable por muestra de tensión corriente. ... 33 Topologías de los convertidores de alta frecuencia ........................................ 34 Convertidor Buck (reductor) ............................................................................ 34 Topología ........................................................................................................... 34 Modo de Operación Continua................................................................................ 35 Formas de onda ................................................................................................. 35 Modo de Operación Discontinua ........................................................................ 37 Formas de onda ................................................................................................. 38 Convertidor Boost (elevador) ............................................................................. 39 Topología ........................................................................................................... 40 Modo de Operación Continua ............................................................................ 40 Formas de onda .............................................................................................. 40 Modo de Operación Discontinua ........................................................................ 43 Formas de onda ................................................................................................. 43 Convertidor Buck-Boost (inversor) ..................................................................... 44 Topología ........................................................................................................ 45 Modo de Operación Continua................................................................................ 45 Formas de onda ................................................................................................. 45 Modo de Operación Discontinua ........................................................................ 47 Formas de onda .............................................................................................. 47 Implementación de convertidores conmutados de alta frecuencia utilizando el dispositivo TL497A. ............................................................................................... 49 General .............................................................................................................. 49 Descripción Funcional del TL497A .................................................................... 50 Valores máximos permitidos .............................................................................. 53 Métodos de control de convertidores DC/DC ........................................................ 53 Control en lazo abierto ....................................................................................... 54 3

Control en lazo cerrado ...................................................................................... 54 NOMENCLATURA.......................................................................................... 55 Conceptos básicos del inversor ............................................................................. 56 Inversores .......................................................................................................... 57 Convertidor en puente de onda completa ....................................................... 57 Inversor onda cuadrada: ................................................................................. 58 Convertidor en puente en onda completa .......................................................... 58 Ventajas de las fuentes conmutadas sobre las fuentes lineales ........................ 59 Modulación senoidal del ancho de pulso ........................................................... 59 Estudio del rectificador AC/DC........................................................................... 60 Topologías Rectificadoras .................................................................................. 60 Rectificador de media onda ............................................................................... 61 Rectificador de onda completa ........................................................................... 62 Conclusión............................................................................................................. 63 Bibliografía ............................................................................................................ 64

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Pregunta problema se requiere general una señal atreves de inversor según se ha planteado, es apto para cargas menores a 3 amperio de acuerdo al transformador utilizado en el circuito de prueba, dado que para el ensayo no son necesarias grandes potencias, hasta una potencia máxima de 300W. Además, la tensión de salida del inversor  tiene unos límites máximo y mínimo por construcción. La etapa reguladora de DC, puede ser ajustada entre 9VDC y 25VDC.

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OBJETIVOS Objetivo general Construir un inversor para una entrada de 12vdc a 110vrms no regulada de 300 vatios

Objetivo especifico  Comprender el principio de funcionamiento y las características del Inversor  DC/AC y cargador.  Definir la lista de materiales necesarios para la implementación del circuito.  Enumerar las posibles dificultades técnicas que se encuentran al implementar circuitos de convertidores AC-DC monofásicos.  Construcción de este circuito.

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Metodología La metodología empleada para la ejecución de la presente monografía es experimental apoyada en bases teóricas. El objetivo principal es el diseño y construcción de un convertidor DC/AC cuyo objetivo es un componente llamado (relay) encargado de hacer el cambio de cargador de batería a inversor. Al momento de presentarse un corte de energía,

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INTRODUCCIÓN En esta monografía se presentara un circuito electrónico inversor (DC/AC) y cargador, configurado para trabajar como Sistema de Alimentación Ininterrumpido (UPS). El relevo (relay), es el componente encargado de hacer el cambio de cargador de batería a inversor. Al momento de presentarse un corte de energía, el relevo cambia de estado, conectando la batería al inversor y desconectándola entrada de energía. Cuando vuelve el suministro de energía, el relevo se activa, desconectando el circuito del inversor, y conectando el transformador junto con dos diodos, volviendo a cargar la batería.

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MARCO TEÓRICO La necesidad de utilizar energía eléctrica en corriente alterna es indispensable en cualquier lugar y a todo momento. En espacios donde no llega la red pública, se hace necesario utilizar sistemas de energía alternativa, que consisten en recoger y almacenar energía, en recipientes diseñados para este fin, lo que comúnmente conocemos como baterías. El problema de estas, es que solo entregan corriente directa (DC) y la mayoría de electrodomésticos trabajan con corriente alterna (AC). Es en este momento que el inversor toma importancia, para convertir esa corriente continua en corriente alterna.

Lista de materiales Circuitos integrados 1 555 1 CD 4013BP Transistores 4 TIP3055 9

2 TPI 125 2 2N3904 Resistencias 4 R 820 ohmios a 1/4W 4 R 1 ohmio a 1W 2 R 33 ohmios a 5W 1 R 0.75 ohmios a 5W 1 R 33K a 1/4W 2 R 2.2K a 1/4W 2 R 100 Ω a 1/2W 2 R 5.6K a 1/4W 1 R 560 Ωa 1/4W 1 R 1K a 1/4W Condensadores 6 C 0.1 uF (104) poliéster  1 C 100 uF a 16V Diodos 2 1N5407 2 1N4007

Varios 1 relevo (Relay) de 110V o 220V dependiendo del voltaje de salida del transformador, a 10 amperios como mínimo. 4 Aislantes de mica con sus respectivos pasa muros y tornillos. 1 porta fusible y fusible de 10 amperios 1 Regulador Lm7805 1 reóstato de 100K 2 LEDs, uno intermitente y el otro normal. 1 disipador de aluminio 1 clavija macho 1 toma sencilla o doble 1 metro de cable 1x 16 o 1x14 1 metro de cable 2x 16 1 interruptor doble de 10 amperios 250 voltios 1 transformador de 12x12 voltios, 8 amperios o más.

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Fuentes Reguladas Conmutadas La topología básica de una fuente regulada conmutada está compuesta por una etapa de potencia, compuesta por un convertidor AC/DC y un convertidor  conmutado (convertidor DC/DC), así como una etapa de control compuesta por  una red de realimentación y su respectivo controlador. La anterior descripción se representa en el siguiente esquema:

Figura 2.1. Topología de una fuente regulada conmutada.

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 A continuación se presenta un análisis de la etapa de conversión de energía de corriente continua a corriente continua (convertidor DC/DC) y de la etapa de control (controlador y red de realimentación). La utilización de estos dispositivos se da en innumerables aplicaciones dentro de todos los campos de estudio de la electrónica, por ejemplo se puede observar la enorme utilización de estos convertidores en alimentación de los circuitos integrados de computadores, en la electrónica industrial para la alimentación de equipos, etc. Existe otro campo de aplicación el cual está dado por los instrumentos o aparatos utilizados para aplicaciones portátiles, los cuales son alimentados mayoritariamente por baterías recargables de diferentes composiciones químicas siendo en la actualidad las más utilizadas las de iones de litio. El diseño de los circuitos electrónicos debe adecuarse de esta manera a las condiciones brindadas por esta fuente de alimentación. El perfil de variación de una batería se distingue por el nivel de tensión que esta presenta en el transcurso del tiempo de uso, presentándose un perfil de variación donde se distingue una característica de tensión máxima durante el inicio del funcionamiento, característica que va disminuyendo con el paso del tiempo conforme se agota la energía electroquímica almacenada en las celdas de la batería. De esta manera para un punto previamente determinado se establece que el nivel de tensión existente en los bornes de la batería no es suficiente para realizar la adecuada alimentación del circuito electrónico por lo cual esta debe ser alimentada externamente o cambiada. Pero desde el punto de vista electrónico esta función que prestan las baterías recargables como fuente de alimentación va más allá, ya que se debe analizar que el circuito no va a trabajar  de la misma manera cuando se presente el nivel máximo de tensión en los bornes de la batería con respecto al punto en el cual se presente el nivel de tensión mínimo permisible en la misma. Dentro de este contexto aparecen los convertidores conmutados como una alternativa para aliviar esta problemática, ya que por su principio de funcionamiento estos se encargan de mantener niveles constantes de tensión en la salida del convertidor con respecto a la variación del nivel de tensión de entrada. (Mohan, 2003) Dentro de este trabajo tal como se acota más adelante se trabaja con tres topologías básicas del convertidor  conmutado de alta frecuencia, estas son las topologías Buck, Boost y Buck-Boost. La elección de estas topologías se da debido a que estas representan las topologías básicas con las cuales trabaja un convertidor conmutado que se encarga de realizar la regulación de tensión en un dispositivo portátil alimentado por una batería. (Delgado, 2008).

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General Los convertidores conmutados de alta frecuencia, también conocidos como convertidor DC/DC son dispositivos electrónicos que tienen la finalidad de transformar, tal como su nombre lo indica un nivel de tensión en corriente continua a otra tensión en corriente continua. La diferencia entre ambas señales radica en las características de la señal obtenida a la salida del convertidor, esta señal de salida posee una mayor regulación de tensión, así como otras características propias de las configuraciones utilizadas como por ejemplo limitación de corriente de salida. La razón de la utilización de una alta frecuencia de operación en estos dispositivos será estudiada más adelante.

Principio de funcionamiento El principio general de funcionamiento de un convertidor conmutado de alta frecuencia se basa en la presencia de dos elementos capaces de trabajar como interruptores, uno de los cuales es controlado por alguno de los métodos que se presentarán más adelante mientras que el funcionamiento del otro interruptor se establece según la topología del circuito. La disposición de estos elementos en el circuito debe seguir una estructura básica, la cual se discute a continuación. Como ya se ha mencionado el convertidor  DC/DC transforma un nivel de tensión en corriente directa a otro nivel de tensión en corriente directa con características especiales, para que esta característica de operación pueda presentarse es necesaria la presencia de un elemento serie dentro del circuito. Por otro lado estos convertidores pueden presentar  características de intensidad de corrientes de diferente magnitud en la salida con respecto a la magnitud de la intensidad de corriente en la entrada, lo cual amerita la presencia de un elemento paralelo dentro del circuito. Otra característica del convertidor es la posibilidad de presentar una intensidad de corriente de mayor magnitud en la salida con respecto a la magnitud de la señal de corriente en la entrada, para que este funcionamiento sea viable se necesita de la presencia de un elemento almacenador de energía dentro del circuito. Según sea la posición en el circuito de cada uno de los elementos discutidos en esta sección podemos distinguir tres topologías generales para un convertidor  conmutado de alta frecuencia, las cuales se indican en la figura 2.2. Como se observa en la figura 2.2 se pueden identificar tres diferentes topologías de acuerdo a la ubicación del elemento almacenador de energía dentro del circuito, manteniendo en cada caso por lo menos un elemento serie y uno paralelo.

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Clasificación Los convertidores conmutados de alta frecuencia se pueden clasificar según varios criterios, a continuación se presentan algunas clasificaciones que se pueden encontrar para los convertidores DC/DC.

Régimen de operación Todos los convertidores conmutados presentan dos tipos de conducción, los cuales se deben al tiempo en que el elemento almacenador de energía realiza sus ciclos de carga y descarga de la misma. Analizando estas variables propiciadas por la topología y el valor de los componentes electrónicos del circuito podemos definir dos modos distintos de conducción del convertidor, los cuales se clasifican de acuerdo a las condiciones de la magnitud de la corriente de salida del circuito. Estos modos de conducción son: Modo continuo Modo discontinuo En el modo continuo la corriente fluye por el elemento almacenador de energía durante todo el ciclo de control, llegando a puntos donde se obtiene una intensidad de corriente máxima o mínima, pero que nunca llega a anularse; en cambio en el modo discontinuo, la magnitud de la corriente de salida del convertidor cae a cero en una porción del ciclo, de manera que el valor de la intensidad de corriente comienza en cero, llega a un valor pico y retorna a cero en cada ciclo.  A la hora de realizar el diseño de un convertidor se debe tener muy en cuenta el tipo de aplicación para el cual va a trabajar la fuente, ya que existen aplicaciones que no soportan una fuente trabajando en modo discontinuo. De igual manera el diseño debe ser capaz de asegurar que la fuente no cambie su régimen de operación en ningún momento.  

Aislamiento Según la topología de conexión del convertidor se pueden clasificar en: Aislado No aislado El aislamiento es una característica de importancia según sea la aplicación que se va a dar al circuito, por ejemplo en una aplicación industrial donde la regulación de tensión se hace a partir de la red de suministro de energía obtener un aislamiento entre el punto de suministro y el equipo es una característica deseable, sin embargo en las aplicaciones a cuyas topologías se les dará énfasis en este trabajo que son las aplicaciones de dispositivos electrónicos portátiles el aislamiento no es una característica fundamental, la cual adicionalmente viene acompañada de un mayor dimensionamiento físico del circuito debido a la presencia de un transformador.  

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Método de control Como ya se mencionó al principio de este apartado la red de realimentación del convertidor y su respectivo controlador es de vital importancia para el funcionamiento de los convertidores DC/DC. Entre los medios de control más utilizados se encuentran los siguientes: Modulación de Ancho de Pulso (PWM, Pulse Wide Modulation) Frecuencia variable Los métodos de control se estudian más detalladamente en la sección 2.3., los métodos estudiados corresponden al de amplitud por ancho de pulso y al de frecuencia variable. A manera de resumen se ha preparado el siguiente organigrama, el cual muestra cuales de las características mencionadas anteriormente serán estudiadas a lo largo del presente trabajo.  

Componentes del convertidor conmutado de alta frecuencia Tal como ya se ha comentado y según se aprecia en la figura 2.2. Existen dos componentes dentro del convertidor conmutado de alta frecuencia que cumplen la función de interruptores, estos componentes corresponden a un transistor y un diodo. De la misma manera se ha acotado la existencia de un elemento 15

almacenador de energía, el cual corresponde a un inductor. (Ericsson, 2001) Una descripción de la importancia, función y tipo de estos componentes se muestra a continuación:

Transistor  El transistor utilizado normalmente corresponde a un transistor MOSFET de potencia. Estos dispositivos aparecieron en el mercado a mediados de la década de los ochenta y rápidamente han sustituido componentes anteriormente utilizados en aplicaciones de altas frecuencias de trabajo, tales como los transistores bipolares (BJT). Un diagrama esquemático de un transistor MOSFET de potencia se muestra en la siguiente figura:

Como se observa en la figura 2.4 el transistor de efecto de campo es un dispositivo de tres terminales, con uno de ellos conocido como puerta (gate) que realiza el control de corriente por el dispositivo, esto entre los restantes dos terminales, el terminal de drenaje (drain) y el terminal de fuente (source). El transistor de canal N está compuesto a partir de un sustrato fuertemente dopado tipo N (lo cual asegura una gran cantidad de electrones de conducción) conectado exactamente al terminal de drenaje (D), se construye también una región tipo N de bajo dopado y sobre esta se aplican dos procesos de difusión de impurezas aceptoras y donadoras conectadas externamente al terminal de fuente (S). La puerta (G) se construye a partir de procesos de oxidación de silicio (SiO2) y el 16

depósito de polisilicio. (Locher, 1988) El control efectuado sobre el transistor  MOSFET se da por control de la tensión de puerta, mientras que en el transistor  bipolar dicho control se da por medio de control de corriente de base. El circuito excitador para el disparo únicamente necesita cargar y descargar la puerta del transistor para controlar su estado. La razón de la utilización de estos dispositivos para esta aplicación se da debido a que presenta las siguientes ventajas: (Seguí, 2007).  Alta impedancia de entrada: Esta característica es importante ya que permite realizar el control del transistor con un dispositivo de baja potencia. Gran velocidad de conmutación: Constituye básicamente la razón fundamental de la utilización en convertidores DC/DC debido a las altas frecuencias de trabajo del convertidor.

Fórmula para hallar el modelo de disipación de un transistor 

Ecuación 2.1

  ()     ()   ()

En la ecuación 2.1 el símbolo    representa la potencia disipada durante el periodo de conmutación del transistor, donde el símbolo Q indica que se está describiendo el modelo de disipación de potencia del transistor. Por otro lado el símbolo   representa la potencia disipada durante el estado estacionario de conducción. La potencia en corriente directa, o estado estacionario de conducción, del transistor depende del tipo de transistor utilizado, en el caso de que el convertidor de potencia se implemente con un transistor bipolar tenemos que:

Ecuación 2.2

  ()    

En esta ecuación el símbolo V CE,SAT representa la tensión de caída existente entre el colector y el emisor del transistor bipolar, mientras que el símbolo I representa la corriente circulante a través del transistor en estado durante su estado de saturación. Mientras que si se está utilizando un transistor de efecto de campo, los cuales tal como se ha acotado han ganado enorme popularidad respecto al transistor bipolar  para esta aplicación, tenemos que la potencia disipada en estado estacionario por  el transistor es:

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(Ecuación 2.3) Donde el símbolo RDS,ON representa la resistencia del transistor de efecto de campo durante su estado de conducción, mientras que el símbolo I representa la corriente circulante a través del transistor durante el estado de conducción del transistor. Por otro lado la potencia disipada por el transistor en el periodo de conmutación se estudia a partir del modelo de apagado o encendido del transistor, considerando dos posibles escenarios que se explican a continuación: Caso 1: Escenario del mejor caso. Este caso se da cuando la onda de tensión y corriente del transistor conmutan al mismo tiempo, esto quiere decir, terminan su estado de conmutación en un tiempo definido, ya sea este el tiempo de encendido o de apagado. La figura 2.5 representa este caso de estudio. La potencia total disipada durante el ciclo de conmutación corresponde a la potencia disipada en el ciclo de encendido del transistor en adición con la potencia disipada en el ciclo de apagado, esto es: (Ecuación 2.4) Donde el símbolo P D ON representa la potencia disipada durante el ciclo de encendido del transistor, mientras que el símbolo P D OFF representa la potencia disipada por el transistor durante el ciclo de apagado o de corte. Durante el ciclo de encendido se presentan las siguientes formas de onda de tensión y corriente.

Se observa como la forma de onda de tensión durante el intervalo de tiempo [0, T ] está determinada por la ecuación 2.6.

(Ecuación 2.5) 18

Mientras que la forma de onda de corriente durante este mismo intervalo está determinada por:

(Ecuación 2.6) De esta manera la potencia está dada por:

(Ecuación 2.7) La potencia promedio disipada en el transistor durante un ciclo de conmutación está representada por:

(Ecuación 2.8) De donde se obtiene:

(Ecuación 2.9) Seguidamente debemos analizar el modelo de apagado del transistor. Las formas de onda de tensión y corriente para el modelo de apagado están dadas por:

El análisis se realiza de la misma manera que en el caso del modelo de encendido del transistor, únicamente que tal como se aprecia en la figura 2.7 las relaciones de las formas de onda de tensión y corriente para el intervalo de tiempo [0, T ] están dadas por: 19

(Ecuación 2.10) (Ecuación 2.11) De manera que repitiendo el análisis se obtiene que durante el ciclo de apagado del transistor la potencia disipada corresponde a: (Ecuación 2.11) De esta manera y según se acota en la ecuación 2.4 la potencia total disipada durante el ciclo de conmutación del transistor está dada por:

(Ecuación 2.12) Suponiendo que el transistor utilizado en la implementación del convertidor  corresponde con un transistor de efecto de campo obtenemos que la potencia total disipada por el transistor en un periodo de conmutación corresponde con:

(Ecuación 2.13) Caso 1: Escenario del peor caso. El peor caso de conmutación se da cuando la conmutación de las ondas de tensión y corriente no ocurre en el mismo instante, sino que cuando termina la conmutación de una de las formas de onda inicia la del otro transistor. Este comportamiento se muestra en la figura 2.8.

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El análisis de las ecuaciones durante este caso es equivalente al analizado anteriormente. La diferencia radica en los límites de integración utilizados para evaluar la potencia disipada promedio por ciclo de conmutación. De la misma manera se procede con el análisis del modelo de encendido y apagado del transistor. Durante el tiempo de encendido tenemos que:

(Ecuación 2.14) Realizando el respectivo desarrollo obtenemos que la potencia promedio disipada está dada por:

(Ecuación 2.15) Para el ciclo de apagado del transistor la potencia promedio disipada está dada por: (Ecuación 2.16) De manera que la potencia total disipada durante el ciclo de conmutación para este caso está representada por:

(Ecuación 2.17) Sin embargo, en muchas ocasiones los valores de estos tiempos internos de conmutación del transistor poseen la siguiente característica:

De esta manera se pude realizar la siguiente aproximación:

De la misma manera que en el caso de estudio anterior, si suponemos que el transistor utilizado es un transistor efecto de campo la potencia disipada promedio en el transistor corresponde a:

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Diodo El diodo representa el elemento semiconductor del circuito sin posibilidad de control, se caracteriza por su conducción unidireccional de corriente, esta es de ánodo a cátodo, una característica adicional es que permite el paso de corrientes elevadas con una caída de tensión reducida. En la figura 2.5 se muestra la estructura básica de un diodo y su respectivo símbolo.

Parámetros de diodos: Las principales características que permiten definir el funcionamiento de un diodo se presentan a continuación. Parámetros relacionados con la tensión:  VR, Tensión inversa continua (continuous reverse voltage)  V RWM, Valor de tensión pico de trabajo en sentido inverso (crest working reverse voltage)  V RRM, Valor de tensión pico inverso repetitivo (repetitive peak reverse voltage)  V RSM, Valor de pico inverso no repetitivo (non repetitive reverse voltage) Parámetros relacionados con la corriente:  



I F, Corrientes continua directa (forward current) I F(AV), Corriente promedio continua directa (average forward current). Según el tipo de diodo a utilizar (lento o rápido) se incluyen datos para trabajo con formas de onda cuadrada o senoidal. I FRMS, Valor eficaz de corriente directa (RMS forward current) 22

 

I FRM, Valor de corriente pico repetitivo (repetitive peak forward current) I FSM, Valor de corriente pico no repetitivo (non repetitive peak forward current)

Parámetros relacionados con la temperatura:  

T STG, Temperatura de almacenamiento (storage temperature) T J, Temperatura de la unión (junction temperature)

Parámetros eléctricos: V F, Caída de tensión en polarización directa (forward voltage); este parámetro es función de la corriente y la temperatura. IF, Corriente inversa (reverse current); este parámetro es función de la tensión inversa continua aplicada (VR) y la temperatura de la unión (T J). QS, Carga almacenada (reverse recovery charge), dada en culombios, es función de la corriente inversa, de la tensión inversa continua, de la temperatura de la unión y de la pendiente de la curva de conmutación de un diodo de potencia. Los dispositivos utilizados en aplicaciones de frecuencias altas deberán almacenar una carga almacenada de bajo valor. T RR, tiempo de recuperación inverso (reverse recovery time), es función de las mismas variables de la carga almacenada y se define como el tiempo que transcurre desde el instante en que la corriente pasa por cero hasta el momento en que la corriente recupera el 10% de su valor inverso de pico, Debe ser de un valor pequeño, ya que durante este periodo de tiempo se producen pérdidas importantes en el diodo.

Modelo de disipación de potencia Igualmente que en el caso del transistor el estudio de disipación de potencia del diodo se da en dos momentos, durante el estado de conmutación y durante el estado estacionario de funcionamiento del dispositivo. De la misma manera el estudio durante el régimen de conmutación debe incluir la disipación de potencia durante el ciclo de encendido como el de apagado. Nuevamente la potencia total disipada está definida por: En esta ecuación el símbolo D representa la disipación de potencia dada en los diferentes estados de conducción para el diodo, mientras que los restantes símbolos y subíndices presentan equivalencia con los símbolos utilizados para describir las perdidas de potencia en el transistor, representados en la sección anterior. La potencia en corriente directa está dada por:

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Los modelos utilizados para estudiar la disipación de potencia durante el régimen de conmutación se basan en el estudio de un escenario de peor caso de conmutación y de mejor caso de conmutación, estos casos son completamente equivalentes con los estudiados durante la conmutación del transistor, de manera que las ecuaciones obtenidas para la disipación de potencia del diodo son equivalentes a las obtenidas en el caso del transistor. Estas son:

Donde estas representan el escenario de mejor caso y peor caso de conmutación respectivamente. De esta manera la potencia real disipada por el diodo por periodo de conmutación se encuentra en algún punto del intervalo definido por los siguientes dos valores de potencia

Con el fin de regular a valores bajos la potencia disipada por el diodo es que se utilizan para estas aplicaciones diodos con tiempos pequeños de conmutación, como el diodo Schottky.

Inductor  El inductor representa el elemento almacenador de energía del circuito. Este elemento debe ser un inductor debido a razones de disipación de potencia. Las ecuaciones de reactancia para un capacitor y un inductor están dadas por:

De manera que cuando estos dispositivos operan con valores de corrientes con frecuencias bajas presentan las siguientes características:

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Por lo que es necesario que dicho elemento almacenador de energía corresponda a un inductor.

Capacitor  Funcionalmente el capacitor en la salida no forma parte del convertidor, sin embargo es un elemento de importancia a la hora de definir características del convertidor, tal como el rizado en el voltaje de la salida. Para el dimensionamiento del capacitor se debe tomar en cuenta las siguientes variables:  Capacitancia  Resistencia serie equivalente  Tensión del capacitor  Tal como se discute durante la etapa de diseño del capacitor, la capacitancia y el valor de la resistencia serie equivalente se utilizan para limitar el voltaje de rizado a la salida del convertidor mientras que la resistencia se especifica por razones de protección del dispositivo.

Red de realimentación y controlador  En el mercado existe gran variedad de dispositivos encapsulados utilizados para la Implementación de la red de control de los convertidores conmutados. Por ejemplo Existen circuitos que realizan el control por el método de modulación de ancho de pulso Tal como el LM1578, o por otro lado circuitos que realizan el control por el método de Frecuencia variable tal como el TL497. Estos dos dispositivos mencionados tienen la posibilidad de ser implementados para Varias configuraciones de convertidores, sin embargo, los controladores más modernos Son especificados para trabajar en una configuración fija con el fin de mejorar el Desempeño del circuito, sin embargo básicamente utilizan principios similares de Funcionamiento.

Etapa de control Tal como se ha mencionado anteriormente y se observa en la figura 2.1 el método de control del convertidor representa una etapa fundamental en su funcionamiento. Podemos de una manera muy general clasificar el método de control según la existencia de un lazo de realimentación, de esta manera el tipo de control se puede clasificar como de lazo abierto o de lazo cerrado. A continuación se presenta una descripción de cada método de control. 25

Lazo abierto Tal como intuitivamente podemos pensar el convertidor trabajando con un lazo de realimentación abierto no tiene ningún tipo de control sobre la señal de salida del convertidor más allá del control que ejerce sobre la señal de conmutación, señal que es la que se encarga de realizar el control de apertura y cierre del elemento conmutador, que en la aplicación estudiada corresponde al transistor. La señal de conmutación se encuentra determinada por comparación directa entre una señal de referencia con una señal de frecuencia fija procedente de un oscilador que es la encargada de fijar la frecuencia de operación del convertidor. El diagrama esquemático de este tipo de control se muestra en la siguiente figura.

Este método de control del convertidor en muchas aplicaciones no resulta eficiente debido a la imposibilidad de ejercer algún tipo de control sobre la tensión de la señal de salida, variable que es de gran relevancia en múltiples aplicaciones. La imposibilidad ya mencionada de realizar control sobre la tensión de salida del convertidor se debe a que para esta topología de control el ciclo de trabajo permanece constante y delimitado según los valores de la tensión de referencia. Más adelante en las etapas de diseño de los convertidores se estudiará la relación entre las variables terminales del convertidor (tensión de entrada y salida) y el ciclo de trabajo. Tal como acabamos de mencionar la comparación entre la señal de referencia (V ) y el nivel de tensión de la señal del oscilador genera la señal de conmutación encargada de efectuar el control sobre el transistor. Según sea la lógica de control del sistema, esta se puede clasificar como “Trailing Edge Modulation (TEM)” o como “Leading Edge Modulation (LEM)”.

La clasificación TEM posee la siguiente lógica de control:

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Mientras que la clasificación LEM posee la siguiente lógica de control:

Lazo cerrado Como se verá más adelante la tensión de salida del convertidor depende directamente del ciclo de trabajo, por lo que una manera de mantener este nivel de tensión constante consiste en realizar el control del ciclo de trabajo, el cual es capaz de realizar reajustes en su valor ante variaciones de las variables externas del sistema, tales como variación de carga o rizado del nivel de tensión de entrada. La regulación del ciclo de trabajo se hace de manera que el circuito trate de seguir una consigna (nivel de tensión o corriente) definida. La regulación del ciclo de trabajo se da mediante lazos de prealimentación y de realimentación, la prealimentación es el control que traduce las desviaciones de los parámetros y la realimentación es el control que traduce las desviaciones de su estado actual en una señal de error que lleva la información de la desviación del estado actual respecto del requerido y que se realiza periódicamente con la ayuda de señales de reloj auxiliares periódicas. Al conjunto de convertidor y controlador se le denomina regulador. El modulador es el elemento encargado de regular los tiempos de conducción (encendido) y de no conducción (apagado) del conmutador (tal como ya se ha acotado en nuestro caso el transistor), es decir el ciclo de trabajo de la señal de conmutación en función de las señales recibidas desde los elementos de muestra y referencia. Así, ante alguna variación de la señal de entrada el sistema debe reaccionar para corregir dicha variación. Sin embargo este margen de control del dispositivo dado por la variación del ciclo de trabajo presenta límites dados por  otros parámetros del circuito, como por ejemplo las tensiones de entrada y salida, de la frecuencia de conmutación y de la rapidez en que el sistema debe retornar a sus condiciones de equilibrio.

Control por modulación de ancho de pulso El control por modulación de ancho de pulso (PWM por su acrónimo en inglés) representa un método de control en el cual la señal de conmutación mantiene una frecuencia constante, variando únicamente el tiempo de encendido del transistor y por ende el ciclo de trabajo, sin embargo existe la posibilidad también de realizar  un sistema de control a frecuencia variable. El método de control a frecuencia fija consiste en comparar una señal de error, obtenida de la comparación entre la señal de tensión obtenida a la salida del convertidor con una señal de tensión de referencia, con una señal de frecuencia constante obtenida mediante un oscilador, de manera que se obtiene una señal 27

cuyo ciclo de trabajo es función de la señal de salida. A este método de control se le conoce como Modulación por Ancho de Pulso. Existe una clasificación para este método de control que depende de la manera en que se muestrea la señal de salida del convertidor, esta se presenta a continuación:  Sistema de control PWM por muestra de tensión.  Sistema de control PWM por muestra de corriente.  Sistema de control PWM por muestra combinada tensión-corriente.

Sistema de Control PWM por muestra de tensión  A este tipo de método de control se le conoce también como control de tensión. En este tipo de control la muestra de tensión se toma directamente de la salida del circuito. Esta muestra es comparada de manera analógica con una señal de referencia cuyo valor se diseña dependiendo de la magnitud de la tensión de salida deseada. De esta comparación se obtiene una señal de error, la cual normalmente pasa por una etapa de amplificación con el fin de dar a la señal una mayor capacidad de operación. De esta manera la señal de control del circuito está dada por la siguiente expresión:

Donde VO corresponde con la muestra de tensión de salida tomada del circuito, el símbolo VREF representa el valor de la tensión de referencia y k corresponde con la ganancia o nivel de amplificación de la señal de error. El diagrama esquemático de este tipo de método de control se muestra en la siguiente figura:

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Tal como se aprecia en la figura anterior la comparación entre la señal de control (V CONT) con la señal del oscilador genera la señal de conmutación que debido a su magnitud actúa sobre el elemento conmutador obligando al convertidor a variar  su ciclo de trabajo. La regulación de tensión de salida obtenida no es inmediata y depende de la magnitud de la variación de la señal, de manera que existe la posibilidad de que el circuito necesite más de un ciclo de conmutación para devolver el valor de la señal de salida al valor deseado.

Sistema de Control PWM por muestra de corriente  A este tipo de método de control se le conoce también como control de corriente. La muestra de la señal del convertidor corresponde a una señal de corriente tomada normalmente del inductor ya que este es el elemento en el cual se producen las máximas variaciones de corriente por la carga. Este sistema estabiliza al circuito frente a posibles variaciones de la señal de entrada. 29

Para este sistema de control, la expresión de la señal de control viene dada en términos de la corriente de referencia y de la corriente de muestra.

Donde la variable I corresponde con la muestra de corriente del circuito, mientras que las restantes variables equivalen a su análoga utilizada en el sistema de control PWM por muestra de tensión. De la misma manera que en el control de tensión, la comparación de la señal de control (VCONT) con la señal del oscilador genera la señal de conmutación que en función de su magnitud, actúa sobre el conmutador obligando al convertidor a variar su ciclo de trabajo. El diagrama esquemático de este tipo de método de control se muestra en la siguiente figura:

Sistema de Control PWM por muestra combinada tensión- corriente Combinando los efectos de los sistemas de control PWM vistas en las dos secciones anteriores se obtiene una estabilización del circuito ante efectos tanto en la tensión de entrada como en la variación de la carga del circuito. El diagrama esquemático de este sistema combinado de control se muestra en la figura 2.13. En la actualidad este tipo de control es el más completo, también es conocido como “Control Lineal de Estado” o “Control de Doble Lazo”. Tal como se

aprecia en la figura 2.13 la señal de control está constituida por la combinación de 30

la señal de control por tensión y la señal de control por corriente. De esta manera la relación que define la señal de control de este sistema de control está dada por:  Al igual que en los casos anteriores la comparación entre la señal de control (VCONT) con la señal del oscilador genera la señal de conmutación, la cual en este caso es proporcional tanto a las variables de entrada como a las de salida, obligando al convertidor a variar su ciclo de trabajo ante alguna variación en cualquier de estos puntos.

Control por frecuencia variable Para el caso del control por modulación de ancho de pulso se describió anteriormente como la frecuencia de conmutación del sistema se mantiene con un valor fijo, mientras que la acción de control es aplicada sobre el tiempo de encendido del elemento de control, en este caso el transistor. El caso del control por frecuencia variable utiliza para su funcionamiento el sentido inverso al de modulación de ancho de pulso. Para el control por frecuencia variable se mantiene constante el tiempo de encendido del transistor y se varía la frecuencia de CONT conmutación del convertidor, por la comparación de la señal de referencia y la señal de muestra.  Aunque evidentemente los dos métodos de control difieren en su metodología de acción hay que observar que la acción final aplicada sobre el convertidor es la misma: el control del ciclo de trabajo del transistor de paso. 31

Para este trabajo, cuando se hable de ciclo de trabajo nos referiremos al ciclo de trabajo del transistor el cual es el elemento sobre el que se ejerce la acción de control. De esta manera el ciclo de trabajo del transistor representa la relación del tiempo de encendido del dispositivo con respecto al periodo total de conmutación. Matemáticamente se define como

El control por frecuencia variable puede clasificarse según la naturaleza de la señal muestreada de la misma manera que para el control por modulación de ancho de pulso: por muestra de tensión, por muestra de corriente o por muestra de tensión-corriente.

Sistema de Control de frecuencia variable por muestra de tensión El diagrama de bloques que ejemplifica el sistema de control de frecuencia variable por muestra de tensión se ejemplifica en la figura 2.14.

La principal diferencia que se observa con respecto al sistema de control por  modulación de ancho de pulso es la inexistencia del segundo comparador, pues la señal de salida del primer comparador se encarga de activar y desactivar el funcionamiento del circuito oscilador que regula directamente el tiempo de encendido del transistor.

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Sistema de Control de frecuencia variable por muestra de corriente El diagrama de bloques que ejemplifica el sistema de control de frecuencia variable por muestra de corriente se ejemplifica en la figura 2.15.

La correspondencia entre el muestreo de comparación por corriente es muy alta con la presentada para el caso de control por frecuencia variable por muestra de tensión.

Sistema de Control de frecuencia variable por muestra de tensión corriente. El diagrama de bloques que ejemplifica el sistema de control de frecuencia variable por muestra combinada tensión-corriente se ejemplifica en la figura 2.16.

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De la misma manera que para el caso de método de modulación por ancho de pulso este tipo de sistema de control es el más completo, ya que su comportamiento está determinado por las dos variables de estado del circuito, la tensión a la salida del capacitor y la corriente a través del inductor.

Topologías de los convertidores de alta frecuencia Tal como ya se ha mencionado en este trabajo se presenta al convertidor  conmutado de alta frecuencia en sus configuraciones Buck, Boost y Buck-Boost, las cuales se describen a continuación. Las ecuaciones de diseño que se obtendrán a continuación son válidas tanto para los sistemas que utilicen control por modulación de ancho de pulso como para los sistemas que funcionen a través de un sistema de modulación por frecuencia variable.

Convertidor Buck (reductor)  Anteriormente se ha mencionado brevemente al convertidor conmutado Buck, conocido también como convertidor reductor o por su acrónimo en inglés “step down”. A continuación se estudia de manera más formal al convertidor, trabajando

en régimen de operación continuo y discontinuo.

Topología La topología básica de un convertidor conmutado de alta frecuencia en su topología Buck se presenta en la figura 2.17.

En la figura se observa que el convertidor está formado por un transistor, un diodo, un inductor, la respectiva red de realimentación y un capacitor de salida. La topología del convertidor Buck corresponde con la topología general de un convertidor DC/DC presentada en la figura 2.2.(a), donde el transistor y el diodo 34

representan los interruptores y el inductor representa el elemento almacenador de energía del circuito.

Modo de Operación Continua Formas de onda La secuencia de funcionamiento del convertidor es la siguiente: el controlador se encarga de establecer el tiempo de encendido del transistor, cuando este se encuentra encendido el diodo se encuentra polarizado inversamente por la fuente de entrada por lo que no conduce corriente tal como se aprecia en figura 2.18(a), como el voltaje en la salida del convertidor es menor que el voltaje de entrada la corriente por el inductor será creciente durante este intervalo. Adicionalmente en este periodo la misma onda de corriente que atraviesa el transistor circula a través del inductor. El circuito equivalente y formas de onda de corriente para este período de operación se muestran en la figura 2.18.

 A este intervalo de tiempo en el cual el transistor se encuentra conduciendo corriente se le denominará en adelante “tiempo de encendido” y será representado por el símbolo T . Al restante período de tiempo definido como el tiempo en el cual el transistor no se encuentra conduciendo corriente se llamará “tiempo de apagado”.

El paso siguiente se da cuando el controlador apaga el transistor, de manera que se interrumpe de manera repentina el flujo de corriente proporcionado desde la fuente, lo que origina la presencia de un voltaje contra electromotriz en el inductor  que trata de evitar el decaimiento de la corriente, esta tensión a la vez permite al diodo entrar en estado de conducción manteniendo una corriente por el inductor L,

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la cual como se observa en la figura 2.19(b) decrece hasta el inicio del siguiente ciclo de encendido del transistor.

Los ciclos de funcionamiento descritos se repiten de manera continua, obteniendo las siguientes formas de onda de corrientes en cada elemento.

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De la figura 2.20 se puede comentar la importancia de la utilización de elementos con velocidades de conmutación elevadas, ya que esto permite realizar diseños para frecuencias de operación de valores elevados. Si los componentes utilizados no son adecuados para el funcionamiento con tiempos de conmutación bajos se corre el riesgo de que antes de que el componente finalice uno de los ciclos de conmutación, el circuito haya agotado el tiempo disponible para realizar dicho ciclo, lo cual ocasionaría un comportamiento indefinido por parte del convertidor.

Modo de Operación Discontinua Tal como ya se ha mencionado el modo de operación discontinuo del convertidor  implica que durante cierto periodo de tiempo del ciclo de conmutación del convertidor, el valor de la corriente de salida alcanza un valor de cero amperios. De esta manera hay que ratificar la importancia que posee conocer la aplicación 37

para la cual se diseña el convertidor para lograr distinguir para cual modo de conducción debemos diseñar el convertidor conmutado.

Formas de onda La secuencia de funcionamiento del convertidor cumple exactamente con el mismo modo de operación descrito en la sección de lazo abierto. La diferencia radica en la existencia de un tercer período de tiempo durante el cual el valor de la magnitud de corriente de salida del convertidor alcanza el valor de cero amperios. En consecuencia el valor de la corriente mínima, denominada I para el diseño del convertidor conmutado en modo de operación continua, toma un valor de cero. La presencia de este nuevo periodo de tiempo obliga a definir un ciclo de trabajo adicional al análisis presentado anteriormente. Este nuevo ciclo de trabajo está relacionado al tiempo en el cual el transistor no se encuentra transportando corriente o tal como se definió anteriormente este tiempo al tiempo de apagado (T). En adelante se conocerá a este ciclo de trabajo con el símbolo D. Matemáticamente este ciclo de trabajo está definido como:

El ciclo de trabajo durante el cual el transistor permanece encendido se representa para el análisis en modo de conducción discontinuo con el símbolo D1 y está definido por:

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No se volverá a presentar el funcionamiento del circuito durante los tiempos de encendido y apagado del transistor ya que estos presentan una correspondencia exacta con los descritos para el modo de funcionamiento en modo continuo descrito en la sección 3.1.2. Sin embargo en la figura 2.22 se presenta las formas de onda de corriente en el transistor, diodo e inductor con el fin de observar las nuevas características de este modo de operación.

Convertidor Boost (elevador) El siguiente convertidor presentado corresponde con el convertidor elevador, este convertidor es conocido comercialmente con el nombre de convertidor Boost o por  su acrónimo en inglés “Step Up”.

La principal característica operativa de este convertidor es mantener una tensión de salida estable y de un valor superior a la entrada de tensión regulada ante variaciones tanto en la tensión de entrada como en la carga aplicada. 39

Topología La topología básica de un convertidor Boost se presenta a continuación:

La topología del convertidor Boost corresponde con la topología general de un convertidor DC/DC presentada en la figura 2.2(b), donde el transistor y el diodo representan los interruptores y el inductor representa el elemento almacenador de energía del circuito.

Modo de Operación Continua Formas de onda La secuencia de funcionamiento del convertidor en régimen de operación continuo presenta una gran correspondencia con el funcionamiento del convertidor Buck presentado en la sección 2.1. La secuencia de funcionamiento es la siguiente: cuando el controlador activa o pone en estado de conducción al transistor, el diodo se encuentra polarizado de manera que no permite la conducción de corriente. De esta manera el inductor inicia su ciclo de carga de energía, y la magnitud de la corriente que circula través del inductor es la misma que circula a través del transistor. En este ciclo de encendido del transistor el circuito equivalente corresponde con el mostrado en la figura 2.25.

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El siguiente paso en el funcionamiento del circuito se da en el momento en el cual el controlador detiene el flujo de corriente proporcionado a la base del transistor lo cual provoca que este inicie su estado de corte. Cuando esto sucede el diodo se polariza de tal manera que inicia su ciclo de conducción de corriente. En este punto la magnitud de la corriente que atraviesa el inductor corresponde con la corriente que atraviesa el diodo, adicionalmente el inductor opone resistencia a la disminución de la magnitud de la corriente que circula a través del transistor  gracias a la creación de un voltaje contra electromotriz, de esta manera el inductor  descarga la energía almacenada durante el ciclo anterior. Las formas de onda en cada uno de los componentes y el circuito equivalente durante este período de tiempo se muestran a en la figura 2.26.

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De esta manera se obtiene las formas de onda por ciclo de conmutación mostradas en la figura 2.27 para el convertidor Boost en modo de operación continuo.

La corriente promedio por periodo a través de uno de los componentes está dada por la ecuación 2.37. Tal como se puede apreciar en las figuras 2.19 y 2.26, las formas de onda tanto para el convertidor Buck como para el convertidor Boost presentan una correspondencia exacta de manera que las ecuaciones de corriente promedio obtenidas para el caso del convertidor Buck pueden ser  utilizadas para el análisis del comportamiento del convertidor Boost. Estas ecuaciones se vuelven a presentar a continuación:

Para esta topología tenemos las siguientes relaciones:

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Modo de Operación Discontinua  A continuación se estudian las formas de onda y las ecuaciones de diseño de los componentes del convertidor Boost trabajando en modo de operación discontinuo.

Formas de onda Tal como sucede para el convertidor Buck es necesario definir en este momento un nuevo parámetro de diseño que está definido por el tiempo que tarda el inductor en descargar su energía antes de alcanzar un valor de corriente igual a cero. De la misma manera que en el caso del convertidor anterior el ciclo de descarga de energía del inductor coincide con el ciclo durante el cual el transistor  se encuentra apagado, de manera que a este tiempo se le llamará tiempo de apagado (T OFF) y define un ciclo de trabajo el cual será representado por el símbolo D2 y matemáticamente está definido de la siguiente manera:

El ciclo de trabajo durante el cual el transistor permanece encendido se representa en este caso con el símbolo D1 y está definido por:

La secuencia de funcionamiento del convertidor durante los ciclos de apagado y encendido coincide con la presentada anteriormente para este convertidor, sin embargo existe la presencia del tiempo ya descrito durante el cual la corriente de salida del inductor alcanza el valor de cero amperios, de manera que existe una diferencia en las formas de onda de corriente para este modo de operación. Estas formas de onda se presentan en la siguiente figura:

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Las formas de onda de corriente de la figura anterior coinciden con las presentadas para el convertidor Buck en modo de operación discontinuo, de manera que las ecuaciones obtenidas para este convertidor se pueden utilizar en el siguiente análisis. Estas ecuaciones se repiten a continuación:

Convertidor Buck-Boost (inversor) El convertidor Buck-Boost presenta una topología interesante desde el punto de vista que permite obtener a su salida una tensión un nivel de tensión con las

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mismas características de comportamiento que los convertidores Buck y Boost pero con una polaridad negativa.

Topología La topología del convertidor Buck-Boost se muestra en la figura 2.31.

Como se puede verificar, esta topología corresponde con la topología de un convertidor conmutado presentado en la figura 2.2(c). De esta manera luego del estudio del convertidor Buck-Boost se habrá concluido con el estudio de las tres topologías presentadas durante la descripción general de los convertidores conmutados.

Modo de Operación Continua Formas de onda El funcionamiento del convertidor se analiza de la misma manera que en los casos anteriores. En primer lugar se observa que durante el ciclo de encendido del transistor existe una corriente circulante a través del inductor, de manera que este se encuentra almacenando energía. En este ciclo el diodo se encuentra polarizado de manera inversa de manera que no se encuentra conduciendo corriente.

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Posteriormente cuando inicia el ciclo de apagado del transistor el flujo de corriente a través del inductor se ve interrumpido, de manera que se produce una tensión contra electromotriz Generada entre los terminales del inductor la cual se encarga de polarizar  favorablemente el diodo por lo que se da una circulación de corriente a través del circuito gracias a la energía almacenada por el inductor. Posteriormente inicia nuevamente el ciclo de encendido del transistor procediendo con el funcionamiento descrito en el párrafo anterior. Este comportamiento provoca las siguientes formas de onda de corriente en los componentes del convertidor. Las formas de onda de corriente obtenidas en la figura 2.32 son equivalentes a las formas de onda obtenidas para el convertidor  Buck y Boost. De esta manera las ecuaciones obtenidas que describen la corriente promedio por ciclo de conmutación son aplicables a este convertidor. Estas ecuaciones se presentan a continuación:

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Para esta topología tenemos las siguientes relaciones:

Modo de Operación Discontinua Formas de onda Tal como ya se ha explicado, en este modo de conducción existe un nuevo periodo de tiempo durante el cual la corriente de salida del convertidor alcanza un valor de cero amperios. La definición de los ciclos de trabajo durante el ciclo de encendido y apagado del transistor coinciden con las presentados en los convertidores anteriores. La secuencia de funcionamiento fue presentada en la sección anterior y las formas de onda obtenidas para este modo de conducción se presentan en la figura 2.33.

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Las formas de onda de corriente de la figura anterior coinciden con las presentadas para las topologías anteriores, de manera que las ecuaciones de corriente promedio en cada elemento del convertidor se describen a continuación.

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Implementación de convertidores conmutados de alta frecuencia utilizando el dispositivo TL497A. General El dispositivo TL497A es un encapsulado que incorpora en un solo chip monolítico las funciones necesarias requeridas en la construcción de reguladores conmutados de tensión. Este dispositivo es un regulador de tiempo de encendido fijo y frecuencia variable, tal como se acotará más adelante. Usualmente este dispositivo es utilizado como el dispositivo de control de convertidores conmutados de alta frecuencia para aplicaciones de altas potencias de salida. Este dispositivo tal como se verá más adelante provee una adecuada funcionalidad para la implementación de convertidores conmutados en sus configuraciones elevador, reductor e inversor. El diagrama esquemático donde se muestra las patillas del dispositivo se muestra en la figura 3.1.

Este dispositivo incluye dentro de su estructura los siguientes componentes:  Fuente de tensión de referencia de 1.22 v.  Generador de pulsos  Comparador de alta ganancia  Limitador de corriente  Diodo  Transistor de paso 49

Descripción Funcional del TL497A La figura 3.2 muestra el diagrama de bloques del TL497A.

 A continuación se presenta una descripción más detallada de la función específica de cada una de las patillas del dispositivo. Patilla 1. COMP INPUT: La función de está patilla es de servir como lazo de realimentación del circuito, por medio de dos resistencias externas R1 y R, conectadas en configuración de divisor de tensión. La función de esta configuración de resistencias es proveer un nivel de tensión que sea capaz de ser  comparado con la fuente de tensión de referencia interna del dispositivo, de 1.22 v. De esta manera la tensión en los terminales del comparador se relaciona de la siguiente manera:

Según la ecuación 3.1 podemos establecer los valores de las resistencias R1 y R2. La salida obtenida del comparador generalmente es conocida como señal de error. El fabricante recomienda por efectos de limitación de corriente a través de la patilla de realimentación no exceder para la resistencia R1 un valor de 1200O.

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Patilla 2. INHIBIT: Control externo del dispositivo. Cuando el valor de tensión en esta patilla alcanza un valor alto la salida del encapsulado es conducida a un estado de tensión bajo. Patilla 3. FREQ CONTROL: Como ya se mencionó, el dispositivo incluye internamente un oscilador, el cual es un generador de pulsos. La señal de este generador de pulsos se encarga de controlar la carga y descarga de un capacitor  externo (CT). Durante el ciclo de carga del capacitor el transistor de paso se encuentra en un estado de conducción de corriente, de esta manera al ser este tiempo de carga definido el tiempo de encendido del transistor de paso también es definido, de manera que el control de la tensión de salida se da por medio de la variación de la frecuencia de conmutación del convertidor.

El fabricante lista una serie de valores de capacitancia para este valor externo y el respectivo valor del periodo de la señal de salida del oscilador, esta es:

La variación de la frecuencia de conmutación del convertidor se ejemplifica en la figura 3.5.

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Tal como se observa en la figura anterior, cuando la muestra de la tensión de salida se encuentra bajo el valor de comparación (1,22 v) el circuito oscilador es activado por el comparador y este a su vez se encarga de realizar la carga del capacitor, por lo que durante este intervalo de tiempo el transistor de paso se encuentra en estado de conducción de corriente. Por otro lado cuando la muestra de la tensión de salida se encuentra sobre el nivel de comparación el circuito oscilador se encuentra desactivado lo cual a su vez provoca que el transistor de paso se encuentre en estado de corte. Este control del tiempo que el circuito de control espera antes de volver a colocar al transistor en estado de conducción es el que provoca el control por frecuencia variable. Patilla 4. SUBSTRATE: Esta patilla cumple la función de brindar un nivel de referencia para la fuente de tensión de 1.22 v. Patilla 5. GND: Corresponde con el medio de conexión del circuito a la tierra del sistema. Patilla 6. CATHODE: Esta patilla corresponde con el cátodo del diodo interno del dispositivo. Patilla 7. ANODE: Esta patilla corresponde con el ánodo del diodo interno del dispositivo. Patilla 8. EMIT OUT: Esta patilla corresponde con el emisor del transistor de paso interno. Patilla 9. NC: Esta patilla no posee conexión interna. Patilla 10. COL OUT: Esta patilla corresponde con el colector del transistor de paso interno. Patilla 11. BASE: Esta patilla junto con la patilla 12 es utilizada para realizar  pruebas del circuito del encapsulado y generalmente no forman parte de la conexión del circuito. Patilla 12. BASE DRIVE. La funcionalidad de esta patilla es la misma que la descrita para la patilla 11 del encapsulado. Patilla 13. CUR LIM SENS: Esta patilla junto con la una resistencia son las encargadas de realizar la medición de la corriente de paso del convertidor Patilla 14. VCC: La patilla 14 corresponde a la patilla de alimentación del encapsulado. 52

Valores máximos permitidos Tal como se ha mencionado el TL497A posee un control de tiempo de encendido fijo y frecuencia variable. Este dispositivo a través de su transistor de paso interno puede manejar corrientes de conmutación de hasta 500 mA. El control de esta corriente se da por medio de la resistencia R, cuando el valor de la caída de tensión alcanza un valor de 0.7v el dispositivo activa su circuito limitador de corriente. La alimentación de entrada del circuito puede variar en el intervalo de 4.5 a 12 v. Los valores máximos permitidos para la adecuada operación del dispositivo son extraídos de las hojas de datos del fabricante y se muestran en la figura 3.6.

La siguiente tabla muestra la disipación de potencia del circuito según el tipo de encapsulado y temperatura del ambiente.

Métodos de control de convertidores DC/DC Para realizar el control de un convertidor de potencia es posible utilizar dos métodos: a) un control en lazo abierto; o b) un control en lazo cerrado. A continuación se detallan brevemente:

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Control en lazo abierto En el control en lazo abierto no existe realimentación inyectada de tensión o corriente, esto es no se recoge información de la salida, por lo que el disparo del transistor se realiza de forma independiente. El funcionamiento es “a ciegas”, de

manera que el convertidor es muy sensible a los cambios de carga y a los cambios de la tensión de entrada (regulación de carga y regulación de línea). Normalmente se utiliza un temporizador basado en un circuito integrado (como el LM555) para dar una serie de pulsos al convertidor. Es muy sencillo y barato, pero tiene el inconveniente de que el sistema es muy sensible a los parámetros del convertidor (L, C, semiconductores, etc.).  A continuación, se muestra el diagrama de bloques del control en lazo abierto:

Control en lazo cerrado Este tipo de control utiliza realimentación (divisores de tensión para medir  tensiones y bobinas o resistencias en derivación para medir corrientes), para actuar sobre la anchura del pulso de disparo del transistor y mantener la salida constante. Es un método muy eficaz para que el sistema sea independiente de las posibles variaciones de los parámetros del convertidor (internos o externos). Obviamente es más caro y requiere de circuitos integrados específicos para realizar el control.  A continuación, se muestra el diagrama de bloques del control en lazo cerrado:

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Básicamente existen dos técnicas de control en lazo cerrado: a) control en modo tensión; y b) control en modo corriente.

NOMENCLATURA DC Corriente Directa o continua  AC Corriente Alterna DC/DC Corriente directa a corriente directa L Inductancia R Resistencia C Capacitancia ESR Resistencia serie equivalente (Equivalent Series Resistance)

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Conceptos básicos del inversor  Un inversor es un convertidor estático de energía, que convierten la corriente continúa DC en corriente alterna AC, permitiendo alimentar una carga en su salida de alterna, regulando la tensión y la frecuencia. Dicho de otro modo un inversor  transfiere potencia desde una fuente de corriente continua a una carga de corriente alterna. Los inversores de potencia son utilizados en: • Automóviles • Sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) • Sistemas de corriente alterna que trabajan con la energía de una batería. • Energías alternativas (energía solar o eólica).

Conversión de DC a AC Lo primero es entender la diferencia entre corriente alterna y corriente directa; La corriente alterna cambia de manera cíclica su magnitud y dirección, es decir; se invierte la polaridad periódicamente en ciclos por segundo, llamados hercios (hertz). Sin embargo, a pesar de este constante cambio de polaridad, la corriente siempre fluye del polo negativo al positivo. La corriente continua, tiene como característica principal el desplazamiento de electrones de manera continua, tanto en su intensidad como en su dirección. La corriente fluye de mayor voltaje, a menor voltaje, manteniéndose siempre la misma polaridad. El transformador  Es un componente eléctrico que tiene la capacidad de cambiar el nivel del voltaje y de la corriente, mediante dos bobinas enrolladas alrededor de un núcleo o centro común. Si tenemos un transformador con un devanado para 120 voltios y otro de 12 voltios, tendremos; que si le conectamos los 120 voltios AC en el devanado correspondiente, obtendremos 12 voltios AC en el otro devanado. Pero si hacemos lo contrario, le conectamos 12 voltios AC en el devanado correspondiente, obtendremos 120 voltios en el otro devanado.  Ahora bien: un transformador sólo puede conducir corriente alterna AC, por lo que no podemos conectar una batería de corriente directa DC y esperar que salgan los 120 o lo que queramos al otro lado. Es necesario convertir primero esos 12V DC en 12V AC. La manera más sencilla de demostrar eso es conectando una batería al transformador por sólo una fracción de segundo, y obtendremos un pulso de corriente a la salida del transformador, pero no se sostiene si dejamos la batería conectada. Al contrario. La batería se descarga y lo que se genera en un corto circuito. Esto quiere decir que debemos conectar y desconectar la batería a gran velocidad, para lograr obtener corriente alterna a la salida del transformador. 56

Inversores Los inversores son circuitos que convierten la corriente continua en corriente alterna.  Aplicaciones: Sistemas autónomos: Aquellos que obtienen su energía a partir de baterías. SAI: Sistema de alimentación ininterrumpidas. En este caso se requiere que, a partir de energía continua previamente almacenada en baterías, se obtenga una tensión alterna para la alimentación de centros de consumo donde no se puede permitir una pérdida de consumo. Control de velocidad de motores AC. La alimentación se obtiene a partir de la tensión de red, obteniendo una etapa intermedia de tensión continua. A continuación se coloca el inversor para variar la velocidad del motor.

Convertidor en puente de onda completa Circuito básico para la conversión DC-AC. A partir de una entrada de continua se obtiene una salida de alterna cerrando y abriendo interruptores en una determinada secuencia.

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Inversor onda cuadrada: Es el esquema de conmutación más sencillo es el que genera una tensión de salida cuadrada. La conmutación de los interruptores será S1&S2 y S3&S4.  Aunque la salida no es sinusoidal, una señal alterna simplemente es válida para muchas aplicaciones de baja potencia (Iluminación, electrodomésticos). Esta señal no es útil para aplicaciones de alta potencia. Convertidor en puente en onda completa

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Ventajas de las fuentes conmutadas sobre las fuentes lineales La eficiencia de las fuentes conmutadas está comprendida entre el 70 y el 93%, comparado con el rendimiento del 30 y 60% de las fuentes lineales. El tamaño de una fuente conmutada es mucho menor que el de una lineal para una potencia dada y por lo tanto, más liviana, esto es debido a que trabajan a altas frecuencias de conmutación. La salida se mantiene estable aun con grandes variaciones de la tensión de entrada. Se pueden lograr múltiples tensiones de salida reguladas, de diferente polaridad y/o distintos niveles de tensión. Las salidas pueden estar aisladas de la entrada.

Modulación senoidal del ancho de pulso En la modulación senoidal la señal de referencia es una onda senoidal, por lo que el ancho de pulso varía en función de la amplitud de la onda evaluada en el centro del mismo pulso. Las señales de compuerta se generan al comparar la señal 59

senoidal de referencia con una onda portadora triangular, como se muestra en la Figura 2.6. La frecuencia de la señal de referencia determina la frecuencia de la salida del inversor, y su amplitud de pico es controlada por el índice de modulación en amplitud. Modulando la anchura del pulso senoidalmente se obtiene una forma de onda muy parecida a la senoidal.

Estudio del rectificador AC/DC La conversión AC/DC es realizada por convertidores estáticos de energía, comúnmente denominados rectificadores. Un rectificador es un sistema electrónico de potencia cuya función es convertir una tensión alterna en una tensión continua. La tensión alterna se toma del sistema AC comercial, el cual opera a una frecuencia de 50Hz y cuyo voltaje rms nominal fase-neutro en España es de 220 Vrms. Por tanto, el rectificador con filtro cumple una función fundamental en la operación de las fuentes de voltaje DC.

Topologías Rectificadoras Una primera clasificación de los rectificadores es según su capacidad de ajustar el valor de la tensión de salida, ello depende de si se emplean diodos o tiristores. Los rectificadores no controlados son aquellos que utilizan diodos como elementos de rectificación, en cuanto que los controlados utilizan tiristores o 60

transistores. Los más comúnmente utilizados son los rectificadores no controlados, por su sencillez y sus aplicaciones más genéricas. Estos últimos serán los empleados en el diseño. Una segunda clasificación es en función del tipo de conexión de los elementos, estos son: a) rectificador de media onda; y b) rectificador de onda completa.

Rectificador de media onda Es el rectificador más sencillo, y en consecuencia el más barato. Simplemente es necesario un diodo entre la alimentación de alterna y la carga, tal y como se muestra en la Figura 3.2. Este circuito sólo rectifica la mitad de la tensión de entrada, esto es, cuando el ánodo es positivo con al cátodo.

Para la carga resistiva, se tienen las siguientes formas de onda:

Se obtiene una componente continua del orden del 30% del valor de pico (V=   / π = 0.31Vmax), y un rendimiento del orden del 40%. Si se quieren aumentar 

estos valores, se puede optar por el rectificador de onda completa. 61

Rectificador de onda completa En el rectificador de onda completa se usan cuatro diodos para rectificar la onda completa, en una configuración denominada puente completo, como se muestra en la Figura 3.4. En este caso, conducen siempre dos diodos simultáneamente. Para saber qué diodo puede conducir hay que analizar cuál de los cuatro tiene mayor tensión en su ánodo y cuál de ellos tiene menos tensión en su cátodo.

Para la carga resistiva, se tienen las siguientes formas de onda:

Se obtiene una componente continua del orden del 63% del valor de pico (    ), y un rendimiento del orden del 81%.  Se puede observar que el rendimiento de este tipo de rectificador es el doble que el de media onda, lo cual, unido a la duplicación de la intensidad media, y a la notable reducción del rizado, implica una clara mejora. Por estas características, se utilizará esta topología rectificadora para el diseño. 62

Conclusión Los convertidores DC/AC son de gran utilidad en el mundo de la electrónica ya que nos permite convertir la corriente directa en alterna. Esto permite que este circuito sea de mucha utilidad a nivel industrial y casero, por medio de el podemos generar energía secundaria en un apagón de luz no deseado como por ejemplo en el caso de un hospital que se llegue a quedar sin energía eléctrica los pacientes que estén haciendo uso de las maquinas biomédicas como el caso de un bebe en una incubadora podría estar en peligro de muerte por falta del suministro de oxígeno, calor etc. Que es generado atreves de una fuente de energía, fuente de energía que es remplazada por el inversor DC/AC que hace que dicho aparato biomédico siga cumpliendo su función sin afectar al paciente que depende de esta máquina para sobrevivir y tener una buena salud.

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