informe proyecto convertidor sepic con control de potencia en la entrada

Convertidor reductor/elevador (SEPIC) 2014

INFORME PROYECTO CONVERTIDOR SEPIC CON CONTROL DE

POTENCIA EN LA ENTRADA

Andrs Alfonso Buelvas Prez [email protected]

Mauricio Israel Castilla Sierra [email protected]

Ronald David Guerra lvarez [email protected]

Olimpo Manuel Crdenas Anaya [email protected]

RESUMEN: en el siguiente escrito se conocer el diseo de

un convertidor reductor-elevador DC/DC (SEPIC), la

metodologa de trabajo para el anlisis del sistema, y clculos

aplicados en el esbozo del proyecto. Con este informe el lector

podr implementar estas tcnicas, con el fin de obtener un

circuito capaz de elevar o reducir la tensin, la cual es

directamente proporcional al ciclo de trabajo que se le

aplique al nico elemento activo del circuito (MOSFET),

donde la seal (U(t)) es proveniente de un circuito para el

control de la potencia de entrada (Pi).

Para nuestro caso se estableci una ganancia unitaria con el

fin de mantener la tensin de salida al mismo nivel de tensin

de entrada, ya que este circuito se comporta como una

pequea caja que multiplica la tensin de entrada por una

relacin de transferencia o ganancia.

1. INTRODUCCION

Se llama convertidor DC-DC a un dispositivo que

transforma corriente continua de una tensin a otra. Suelen ser reguladores de conmutacin, dando a su salida una tensin regulada y, la mayora de las veces con limitacin de corriente. Se tiende a utilizar frecuencias de conmutacin cada vez ms elevadas porque permiten reducir la capacidad de los condensadores, con el consiguiente beneficio de volumen, peso y precio. Existen varios tipos de convertidores DC/DC. Normalmente se

clasifican en tres grupos: los que disminuyen la tensin a su salida (convertidor reductor), los que aumentan la tensin a su salida (convertidor elevador) y los que son capaces de realizar ambas funciones. En este caso nos enfocaremos en el grupo de los elevador-reductor, a donde pertenece nuestro sistema SEPIC [1]. El convertidor SEPIC es usado cuando se quiere tener una tensin de salida menor, igual o mayor a la tensin de entrada, y su mayor uso es el campo de los cargadores de

bateras dependiendo del nivel de carga de las mismas. El circuito equivalente del convertidor se aprecia en la figura 1[2].

Figura 1. Circuito bsico de un convertidor SEPIC, donde U(t) ser la seal de control del sistema.

La ecuacin del voltaje de salida para este sistema es la mostrada a continuacin.

( )

Donde D es el ciclo de trabajo de la seal U(t), por lo tanto el mnimo cambio de D har que la salida de tensin vari, ya sea aumentando o disminuyendo.

Circuito de control

El objeto del circuito de control es mantener estable la potencia de estrada del convertidor, debido a que el SEPIC se comporta como una cargar, la tensin y corriente de la fuente variaran en cuanto cambiemos la resistencia de carga del circuito, por lo tanto para evitar esto, se debe llevar a cabo un control sobre el circuito. Dicho control se basa en la

manipulacin del ciclo de trabajo de la seal U(t), es decir el tiempo del ciclo que contiene energa (Ton), la seal de control no ser ms que una seal PWM (modulacin por ancho de pulso), a la cual se le alterara su ciclo de trabajo, de esta manera cada vez que variemos las seal PWM la tensin de salida cambiara.

Anlisis y clculos de convertidor SEPIC

Para el anlisis del convertidor estableceremos dos partes, es decir, este circuito se analizara en dos estados con respecto a la seal de control que llega al MOSFET, un anlisis para un tiempo en Ton y otro anlisis para el Toff.


Estado 1: 0 t Ton

Si partimos de la figura 1, se observa que cuando la seal de control est en un nivel alto, el transistor conduce comportndose como un corto circuito y el diodo quedando

polarizado de manera inversa comportndose como un circuito abierto. El circuito de la figura 2 sera el resultado del comportamiento del sistema en el estado 1.

Figura 2. Circuito equivalente en el estado 1 en Ton.

Aqu se puede ver que L1 est en paralelo con Vin, por lo tanto VL1=Vin, VL2=VC1 y VRL=Vo. Sabemos que el voltaje en una bobina esta expresado por la ecuacin 2.

( )

di no ser ms que el cambio de corriente o ms bien el delta de rizado de la corriente (i1) en L1 y dt sera el tiempo en el que se est llevando el anlisis que es Ton, por lo tanto si despejamos i se tendra la ecuacin 3.

( )

Podemos ver como no aparece VL1, ya que VL1=Vin y necesitamos definir la ecuacin en trminos conocidos.

Estado 2: Ton t T

Al igual que en el estado 1 cuando tenemos un nivel bajo en la puerta del MOSFET, este actuara como un circuito abierto, y el diodo quedara polarizado directamente.

Figura 3. Circuito equivalente en el estado 2 en Toff.

Aqu toda la tensin de L2 es entregada a la carga, y VC1 se carga al valor de Vin, por lo tanto el valor de VL1 ser equivalente a la tensin de L2, ya que si aplicamos LVK toda

la suma de las tensiones en un circuito deben ser igual a cero, es decir, si VC1=Vin entonces VL1=VL2 as se cumple que:

Vin-VL1+VC1-VL2=0

El valor de tensin en L2 ser igual a la ecuacin 4.

( )

Como en el estado 1 despejamos i2 e igualamos el voltaje de L2 a Vo como lo muestra la ecuacin 5.

( )

( )

Suponemos que el comportamiento del circuito ser estacionario, por lo que i1= i2. Sustituimos.

( )

( )

( )

La ecuacin 6 determina la tensin de salida del convertidor Y

la ecuacin 7 al igual que la ecuacin 6 determina la salida del circuito, pero en trminos del ciclo de trabajo, entonces de esta manera la relacin de transferencia del circuito seria la mostrada en la ecuacin 8.

( )

Calculo de L1, L2, Co y C1

En este caso basta con calcular el valor de una sola bobina, ya

que estas sern iguales, debido al comportamiento estacionario del circuito.

Entonces para las inductancias tenemos la ecuacin 3, donde podemos despejar L1 como lo muestra la ecuacin 8.

( )

Para Co la tensin media est dada por la ecuacin 9.

( )

Podemos despejar Co como lo muestra la ecuacin 10 con la condicin de que Vo=V rizado=V

( )

Para C1 como es un condensador de acople debe de cumplir

que su reactancia sea menor o igual a 0.01*RL, como lo muestra la ecuacin 11.

( )

Entonces C1 ser igual a la ecuacin 12.


( ) ( )

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVOS GENERALES

2.1.1 Conocer y disear un convertidor SEPIC con control de la potencia de entrada con los siguientes parmetro:

PMAX=50W

f=25KHz. Vin=12V

Vo=12V

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

2.2.1 Calcular y disear el circuito con los parmetros establecidos.

2.2.2 Realizar el clculo de los componentes, tales como bobina y capacitores para el dispositivo.

2.2.3 Verificar la relacin de transferencia del dispositivo diseado.

2.2.4 Disear el circuito de control de la potencia.

3. MATERIALES E INSTRUMENTOS

Convertidor SEPIC 1 IRF 630 1 resistencia 10k 2 Inductores 290 uH 1 capacitor 2000Uf/50V 1 capacitor 220uF/50V 1 Diodo FR307

1 resistencia 0.5

Circuito de control 3 Diodos 1N4148.

1 IC LM555. 1 Capacitor cermico 103. 4 restatos 100K. 2 IC LM324. 2 Resistencia 1k. 4 Resistencia 2M. 12 Resistencia 10k. 2 Zener de 12V

Instrumentos Osciloscopio

Multmetro Generador de seales Protoboard Pinzas Fuente de tensin

4. PROCEDIMIENTOS

Para la metodologa de trabajo el diseo del proyecto se llevara a cabo en dos partes; una para el convertidor SEPIC y la otra para el diseo del control.

Convertidor SEPIC

Los parmetros de diseo de este circuito fueron los siguientes.

PMAX=50W

f=25KHz. Vin=12V

Vo=12V

D=50%

Io=4.17

i=20%

v=0.7%

1. Se mont el circuito de la figura 1.

Figura 4. Convertidor SEPIC PCB.

2. Una vez montado se realizaron las respectivas medidas de

tensin en la salida y la entrada. Obtenindose los siguientes datos mostrados en la tabla 1.

Vin D f Vo

12V 49% 25KHz 11.34V

Tabla 1. Resultados obtenidos en la prueba de funcionamiento del convertidor SEPIC.

V seal f D

14.9V 25KHz 49%

Tabla 2. Parmetros de la seal U(t) inyectada a la puerta del MOSFET.

Nota: la prueba de este circuito se llev a cabo de forma

independiente al circuito de control, dicha prueba se realiz con el generador de seales con los parmetros ilustrados en la tabla 2.

Circuito de control 1. Una vez terminado el montaje y las pruebas del

convertidor SEPIC, se procedi a montar el circuito de control. Aclrese que la prueba y montaje de este circuito se llevara a cabo en tres partes que son:

Circuito generador de diente de sierra.

Circuito multiplicador.

Circuito generador de PWM. 2. Se arm el circuito generador diente de sierra que se

observa en la figura 5.


Figura 5. Circuito generador de diente de sierra con

control de offset a travs del pin 5 de control.

3. Una vez culminado la etapa anterior, se procedi con el montaje de la etapa multiplicadora mostrada en la figura 6.

Figura 6. Circuito multiplicador con amplificadores logartmicos.

4. Despus de haber montado el circuito multiplicador, se pas al montaje de la tercera parte que se observa en la figura 7.

Figura 7. Circuito generador de PWM, formado por un diferenciador y un comparador. El circuito diferenciador es el encargado de extraer el error con respecto a la referencia y el

valor del multiplicador, que es comparado despus con la seal diente de sierra.

5. Montado todo el circuito de control por completo, se calibro con los siguientes parmetros como lo muestra la figura 8 y se realizaron las respectivas pruebas. Offset= 2.03V Vref= 1.29V

Vcc = 15V Offset 555= 360mV f=10 KHz

V1 (corriente) = 2.1V V2 (tension) = 2.5V

Figura 8. Circuito de control montado y listo para la prueba.

Figura 9. Seal obtenida a la salida del circuito de control.


5. ANALISIS DE RESULTADOS Este anlisis de resultado ser lo mas resumido posible, es decir, trataremos los tems ms trascendente en la prctica, tales como:

Calculo real de las bobinas y capacitores Para el clculo de los componentes mencionado utilizaremos las ecuaciones 8 y 10.

Para L1 y L2

Para Co y C1

El valor comercial ms cercano a esta capacitancia fue de 2200uF, el cual funciono perfectamente.

Para C1 como es de acople se utiliza la ecuacin 12.

( )

Por lo tanto C1 deber ser menor o igual a ese valor, lo que es cmodo, ya que un capacitor de 220uF es muy fcil de conseguir comercialmente y cumple las condiciones.

Diseo de las bobinas Para la construccin de las bobinas se usara la ecuacin 13.

( )

Dnde: N: nmero de vueltas L: inductancia.

l: longitud media del ncleo. u: permeabilidad del ncleo (ferrita=10*4*10^-7). Ac: rea del ncleo circular

Se us un ncleo de ferrita de transformador flyback con las siguientes caractersticas: l=15.6cm Ac=1.54cm

u=1.257*10-5 Reemplazando en la ecuacin 13, se obtendr el nmero de vueltas necesarias, en cuanto al calibre del alambre, depender de la corriente que maneje el convertidor.

Ahora ya sabemos que se deben dar 16 vueltas de

alambres sobre el ncleo de ferrita para obtener una inductancia de 289uH. Al final de la construccin se obtuvo algo como lo que se muestra en la figura 10.

Figura 10. Bobinas terminadas y lista para montar en la PCB.

calibracin del circuito de control Ahora empecemos con la parte que necesita mayor anlisis y concentracin que es la calibracin del

circuito de control. Para calibrar el circuito de control se debe fijar primero que todo un valor de offset, es decir establecer un nivel de cero para que nuestro amplificador operacional funcione de la manera correcta, ya que est alimentando con una nica fuente. Adems se debe establecer un rango de operacin,

donde se vean reflejados, tanto los valores mnimos y mximos de la potencia del circuito, es decir, trabajar a una escala menor que sea proporcional a la escala los parmetros a controlar. Esta parte mencionada esta en relacin a la etapa de multiplicacin. Por ultimo una vez establecido el rango de trabajo, se establece el valor de referencia. A travs de un

divisor de tensin. Esto es algo experimental, por lo que se debe de tener mucha paciencia y dedicacin.

Finalmente se pudo corroborar el correcto funcionamiento del dispositivo, as como la etapa de control. Se compararon los resultados tericos con los obtenidos en la prctica y efectivamente concordaron.

6. CONCLUSION De esta experiencia se concluye que un convertidor SEPIC es un dispositivo con caractersticas que son de gran importancia en la electrnica, este se convierte en un dispositivo indispensable para cualquier aplicacin, adems un convertidor SEPIC controlado es un sistema fiable que nos brinda grandes prestaciones para la solucin de problemas en la sociedad.

7. ANEXOS

Proyecto terminado, la etapa de control y el convertidor SEPIC


REFERENCIA

[1] http://es.wikipedia.org/wiki/Convertidor_DC_a_DC

[2]dcconverter2010.wikispaces.com/file/view/Converti

dor+Sepic1.doc

informe proyecto convertidor sepic con control de potencia en la entrada

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