P05 Reguladores Por Conmutacion

ITESM, Campus Monterrey

Depto. de Ingeniería Ingeniería Eléctrica Eléctrica

Laboratorio de Electrónica Industrial

Práctica 5 Reguladores por Conmutación Objetivos Particulares •

Analizar las especificaciones del fabricante de los circuitos integrados utilizados como reguladores por conmutación.

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Analizar las tres configuraciones básicas de convertidores CD-CD: "Buck", "Buck", "Boost" y "BuckBoost".

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Implementar las tres configuraciones básicas de convertidores DC-DC usando el circuito integrado TL497.

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Comparar la eficiencia de un regulador por conmutación con la de un regulador lineal.

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Identificar las ventajas y desventajas de una fuente de poder de regulación por conmutación comparada con una de regulación lineal.

Introducción Un convertidor CD-CD es un circuito que recibe un nivel de voltaje de CD a su entrada, y es capaz de generar diversos voltajes de CD de salida, menores o mayores en magnitud que el nivel del voltaje de entrada. Estos convertidores utilizan técnicas de conmutación implementadas con interruptores de estado sólido de alta velocidad y algunas componentes magnéticas, como se verá en el estudio de algunas configuraciones básicas de convertidores CD-CD. La principal diferencia que podemos mencionar entre las fuentes de poder de regulación lineal estudiadas hasta el momento y los convertidores CD-CD que estudiaremos en esta práctica, radica  básicamente en los niveles de voltaje de CD que nos pueden entregar estos dos tipos de circuitos, siendo una ventaja de los convertidores CD-CD poder manejar voltajes arriba y/o abajo del nivel del voltaje de entrada. Además, la eficiencia de estos convertidores CD-CD es mayor que la presentada  por los reguladores lineales, según se podrá comprobar durante el desarrollo desarrollo de la práctica. En esta práctica se analiza la operación de un circuito integrado de uso común para la implementación de convertidores CD-CD, el regulador de voltaje por conmutaciones TL497.

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Práctica 5

Instrumentación Virtual

Pre-reporte 1.1

Utilizando el circuito integrado TL497, diseñe un convertidor CD-CD tipo "Step Down" con salida de 5V, una corriente de carga de 100 mA. y un voltaje de rizado pico a pico del voltaje de salida menor al 1%. Considere un voltaje de entrada de 12V.

1.2

Dibuje un diagrama esquemático que muestre todas las conexiones y los valores de los componentes de su diseño.

1.3

De las hojas de datos obtenga un valor aproximado de la eficiencia esperada. Explique a que se deben las pérdidas en el regulador conmutado.

2.1

Utilizando el circuito integrado TL497, diseñe un convertidor CD-CD tipo "Step-Up" con salida de 12V, una corriente de carga de 100 mA. y un voltaje de rizado pico a pico del voltaje de salida menor al 1%. Considere un voltaje de entrada de 6V. Dibuje un diagrama esquemático que muestre todas las conexiones y los valores de los componentes de su diseño.

3.1

Utilizando el circuito integrado TL497, diseñe un convertidor CD-CD tipo inversor con salida de -6V, una corriente de carga de 100 mA. y un voltaje de rizado pico a pico del voltaje de salida menor al 1%. Considere un voltaje de entrada de 6V. Dibuje un diagrama esquemático que muestre todas las conexiones y los valores de los componentes de su diseño.

El diagrama general para un convertidor CD-CD conmutado es el siguiente:

Donde la fuente de voltaje de alimentación es de un valor fijo, y con el convertidor CD-CD conmutado, podemos obtener diferentes valores de voltaje de salida, tanto positivos como negativos dependiendo del arreglo que se implemente. Una aplicación práctica de este arreglo, es por ejemplo los diferentes voltajes de operación en el sistema eléctrico de un auto, los cuáles pueden ser generados a partir de la batería (12V) con diferentes configuraciones del convertidor CD-CD conmutado.

4.1

Utilizando el regulador lineal integrado LM7805, diseñe un circuito regulador con salida de 5V. Suponer que la entrada varía de 8 a 15V. Dibuje un diagrama esquemático que muestre todas las conexiones y los valores de los componentes de su diseño. De las hojas de datos obtenga un valor aproximado de la eficiencia esperada. Explique a que se deben las pérdidas en el regulador lineal.

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Práctica 5

Instrumentación Virtual

5.1

Verifique en las hojas de datos del fabricante que las características de operación de los dispositivos semiconductores empleados satisfacen los parámetros de operación del circuito. Explique y fundamente su verificación del porqué se cumplen estas características.

*

Para mayor facilidad de disponibilidad de componentes, los valores de inductancia que se deben considerar en su diseño deben limitarse a los valores disponibles en el almacén de Electrónica. Por lo tanto, verificar previamente los valores de inductores disponibles, así como de resistencias, capacitores, etc., de los circuitos diseñados en base a los valores comerciales disponibles.

5.2

Calcule la potencia que disiparán las resistencias obtenidas en su diseño, y verifique que los elementos usados en su implementación cumplen con estas características. Considere también los límites de operación de los capacitores e inductores utilizados para su diseño y compruebe que los componentes usados en su implementación satisfacen estos requerimientos de diseño.

6.1

Identifique y liste las ventajas y desventajas (en forma general), que se tienen con los reguladores por conmutación en comparación a los reguladores lineales.

6.2

Dibuje una representación física donde muestre la identificación de terminales de los dispositivos semiconductores empleados en el diseño de sus circuitos, con el fin de facilitar  la implementación de los mismos. Esta información es obtenida de las hojas de especificaciones del fabricante de los dispositivos.

Procedimiento *

Se deberá mostrar y justificar los resultados obtenidos, para que se evalúe su trabajo dentro del laboratorio.

*

Para establecer el voltaje de entrada de los diferentes circuitos reguladores se usa la Fuente de Poder disponible en el laboratorio.

1.1

Implemente el convertidor CD-CD del inciso 1.1 de su prereporte.

1.2

Para el voltaje de salida del convertidor, medir la componente de directa del voltaje de salida, así como el voltaje de rizado de pico a pico para corrientes de carga de 10, 50 y 100 mA. Seleccione una resistencia de carga adecuada para cada valor de corriente especificada. Compare sus resultados experimentales con los valores teóricos esperados.

1.3

Varíe el voltaje de entrada desde 8 hasta 15V, en incrementos de 1V y grafique la eficiencia del regulador en función del voltaje de entrada. Utilice una corriente de carga de 100 mA.

2.1

Implemente el convertidor CD-CD del inciso 2.1 de su prereporte.

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Práctica 5

Instrumentación Virtual

2.2

Para el voltaje de salida del convertidor, medir la componente de directa del voltaje de salida, así como el voltaje de rizado de pico a pico para corrientes de carga de 10, 50 y 100 mA. Seleccione una resistencia de carga adecuada para cada valor de corriente especificada. Compare sus resultados experimentales con los valores teóricos esperados.

3.1

Implemente el convertidor CD-CD del inciso (3.1) de su prereporte.

3.2

Para el voltaje de salida del convertidor, medir la componente de directa del voltaje de salida, así como el voltaje de rizado de pico a pico para corrientes de carga de 10, 50 y 100 mA. Seleccione una resistencia de carga adecuada para cada valor de corriente especificada. Compare sus resultados experimentales con los valores teóricos esperados.

4.1

Implemente el regulador del inciso 4.1 de su prereporte.

4.2

Varíe el voltaje de entrada desde 8 hasta 15V en incrementos de 1V y grafique la eficiencia del regulador en función del voltaje de entrada. Utilice una corriente de carga de 100 mA.

5.1

Compare los resultados obtenidos en los incisos 1.3 y 4.2 de este procedimiento. Comente lo observado en la comparación.

Reporte Para esta práctica no es necesario entregar un reporte. Solo basta con llevar el material de trabajo a la sesión de laboratorio.

Listado de Componentes • • • • • • •

1 Convertidor CD-CD regulado TL497 1 Regulador Integrado LM7805 1 Transistor PNP 1 Diodo Zener  Capacitores según diseño Resistencias según diseño Inductancia según valores disponibles

Bibliografía •

Thomas L. Floyd Electronic Devices Prentice-Hall, 6ª Edición (1999). Capítulo 18 (Reguladores de Voltaje)

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Práctica 5

Instrumentación Virtual

•

R. Boylestad & L. Nashelsky Electrónica: Teoría de Circuitos, Prentice-Hall, 6ª Edición (1994). Capítulo 19 (Reguladores de Voltaje)

•

Hojas de Dato del TL497; Catálogo Electrónico con las hojas de datos de los semiconductores y circuitos integrados usados en el Laboratorio. Documentos disponibles en formato pdf   en Course Documents.

•

Fabricantes de Semiconductores; Catálogo Electrónico con ligas a las páginas de web de los fabricantes de dispositivos semiconductores y equipo electrónico. Ligas a través del espacio de External Links del curso.

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