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CAPITULO II. Diseño e implementación de la etapa del convertidor elevador
2.1 Introducción
En el capítulo anterior se introdujeron los elementos que se pretenden integrar en el
cargador solar portátil. En esta sección se comenzará a diseñar una parte de este
cargador solar.
El primer paso en la implementación del cargador solar portátil propuesto es una
investigación y análisis sobre el funcionamiento de los convertidores de CD-CD así
como las formas de implementarlos.
El diseño del cargador propuesto está pensado para que sea capaz de recibir dos
tipos de voltajes directos: el proveniente de las celdas solares y la alimentación que
puede tomar del puerto USB de cualquier computadora. El funcionamiento de este
cargador se basa en cargar una batería de litio interna para poder siempre tener energía
disponible.
En la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques del diseño propuesto
del cargador:
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Una vez obtenido el valor anterior se fijaron de la misma forma los valores del
capacitor y el inductor para valores comerciales y una frecuencia ideal para el diseño del
circuito, así que se optó por los siguientes valores:
100 65 75
A continuación, se calculó la corriente media que la batería entrega, tomando en
cuenta que lo potencia de la fuente es igual a la potencia absorbida por la carga. Por lo
tanto:
(2.3)
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Ahora bien, para calcular el valor de impedancia se dedujo, haciendo uso de las
ecuaciones anteriores y la ley de Ohm, la siguiente fórmula:
25 (2.4)
Todas las fórmulas anteriores se calculan suponiendo que existe un voltaje de
salida constante, pero en la práctica existe un pequeño rizo en el voltaje de salida. El
cual se puede calcular con la igualdad:
. 0.003 (2.5)
Finalmente, después de haber calculado los valores requeridos de cada
componente, el esquema del circuito convertidor de CD-CD elevador se muestra en la
figura 2.3 de la siguiente manera:
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En la figura 2.5 se observa la corriente a la salida de 200mA con un tiempo de
establecimiento pequeño.
De acuerdo a las simulaciones se aprecia claramente que el circuito se comporta
tal y como el diseño lo esperaba.
2.3 Implementación del convertidor CD-CD elevador
Para realizar la implementación física del circuito convertidor elevador se utilizó un
inductor de valor comercial de 560µH, ya que el valor mínimo para la inductancia
definida fue de 65µH, el cual cumplió con las características necesarias para alcanzar 5
Volts a la salida.
Se utilizó un capacitor electrolítico de 100µF a 25V y 2 resistencias en paralelo
de 54Ω de ½ W. Los valores reales de las resistencias fueron de 53.2 Ω y 53.5 Ω
respectivamente. Para el interruptor se utilizó un transistor MOSFET IRFIZ34E,
alimentado por medio de un generador de funciones a una frecuencia de 75kH y un
ciclo de trabajo del 40%. El circuito implementado se muestra en la figura 2.6:
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Para el circuito implementado se obtuvo una corriente de 330mA a través del
inductor. La figura 2.8 muestra el comportamiento de la corriente iL
Figura 2.8 Formas de onda de corriente en el inductor
Así mismo, a la salida del circuito se obtuvo un voltaje de salida de 5 volts de
corriente directa, tal y como se calculó en el diseño teórico. La figura 2.9 muestra el
voltaje a la salida.
Figura 2.9 Formas de onda de voltaje de salida
Finalmente, como se observa en la figura 2.10, se obtuvo una corriente de salida
casi constante en carga de 166mA, muy similar al valor deseado de 200mA, siendo que
no se puede llegar al valor exacto debido a que el valor de la carga no era el mismo que
el ideal.
Figura 2.10 Forma de onda de corriente en carga
Para mejorar el diseño se obtuvieron algunas medidas de la dimensión final que
puede llegar a tener el convertidor y verificar si es factible el utilizarlo como ya se tiene
hasta este punto. Sin embargo, las medidas del espacio que utiliza este convertidor son
de 6 cm x 3 cm., como se aprecia en la figura 2.11 es casi la mitad del tamaño de un
credencial, y cuenta con elementos como el inductor que mide de diametro
aproximadamente 2cm.
Figura 2.11 Medida del convertidor elevador CD-CD implementado
Debido a que las características del cargador solar portátil tienen que ser
menores a 10 cm x10 cm, se debe desechar la posibilidad de utilizar el circuito armado
anteriormente ya que se observa que el convertidor elevador CD-CD es demasiado
grande y sus medidas ocupan demasiado espacio para poder cumplir con las
especificaciones de los objetivos de este trabajo.
La decisión anterior de descartar esta etapa del cargador solar, tal y como se
tiene, fue tomada sabiendo que aún faltan agregar la etapa del regulador de voltaje para
poder cargar la pila.
Para solucionar el problema de dimensiones de tamaño, se optó por utilizar
circuitos integrados que cumplieran con las características de diseño y desempeño
requeridas.