laboratorio convertidores dc dc

LABORATORIO DE ELECTRONICA DE POTENCIA 1 CONVERSOR DC-DC

ESCUELA POLITECNICA DEL EJERCITO INGENIERIA EN MECATRONICA ELECTRONICA DE POTENCIA

1. TEMA

CONTROL DE VELOCIDAD DE UN MOTOR MEDIANTE UN CONVERSOR DC DC

2.

OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL Disear una gua detallada para la implementacin de un convertidor DC-DC de topologa Buck funcionando en Modo de Conduccin Continuo, con el fin de utilizarla para el control de celocidad de un motor DC. 2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS Realizar el diseo bsico del convertidor Buck de 12 V de entrada a un rango de 14 a 3 V de salida, para as hacer la especificacin adecuada de los elementos a utilizar. Determinar las ecuaciones fundamentales que permitan describir el comportamiento de los circuitos. Construir el circuito de prueba en el laboratorio y validar los resultados obtenidos.

3. METODOLOGIA

Diseo e implementacin. Se realizar el diseo del circuito y la especificacin de los componentes electrnicos a utilizar. Luego de esto se proceder a implementar la topologa propuesta, utilizando para esto una placa de pruebas, conocida como Protoboard.

Puesta en marcha y anlisis de resultados. Una vez montado el circuito se proceder a comprobar su funcionamiento y se realizaran las modificaciones en caso de ser necesarias. Luego se documentarn los resultados y se har una validacin de los mismos.


4. MARCO TEORICO Como explicamos en la exposicion existen varios tipos de convertidores DC-DC, dependiendo del requerimiento que se requiera a la salida; para realizar un resumen de las diferentes topologias de los convertidores se ha realizado el siguiente esquema.

Figura 1. Topologia de los conversores DC DC


Como el objetivo del laboratorio es de implementar el circuito del convertidor Buck, se detallar el funcionamiento de este como tambin su circuito de prueba y el analisis matematico que se utilizo para su diseo.

4.1 CONVERTIDOR TIPO BUCK (REDUCTOR)El convertidor tipo Buck, es el que obtiene a su salida una tensin continua menor que a su entrada. El diseo es similar a un convertidor elevador o Boost, es una fuente conmutada con dos dispositivos semiconductores (transistor S y diodo D), un inductor L y opcionalmente un condensador C a la salida. El funcionamiento del conversor Buck, consta de un inductor controlado por dos dispositivos semiconductores los cuales alternan la conexin del inductor bien a la fuente de alimentacin o bien a la carga. La forma ms simple de reducir una tensin continua (DC) es usar un circuito divisor de tensin, pero los divisores gastan mucha energa en forma de calor. Por otra parte, un convertidor Buck puede tener una alta eficiencia (superior al 95% con circuitos integrados) y autorregulacin. 4.1.1 ANLISIS DEL CIRCUITO

Conmutador Cerrado

Figura 2: Circuito Buck Conmutador Cerrado La energa se transfiere de la fuente a la bobina al condensador y a la carga.


Conmutador Abierto

Figura 3: Circuito Buck conmutador abierto La energa se transfiere de la bobina y el condensador a la carga. 4.1.2 MODOS DE TRABAJO El modo de trabajo de nuestro circuito es de manera continua asi que se explicara de forma detallada solo este modo ya que en la exposicion se explico el modo discontinuo 4.1.2.1 MODO CONTINUO El convertidor se dice que est modo continuo si la corriente que pasa a travs del inductor (IL) nunca baja a cero durante el ciclo de conmutacin. En este modo, el principio de funcionamiento es descrito por la siguiente figura:

Figura 5 Evolucin de las tensiones y corrientes con el tiempo en un convertidor Buck ideal en modo continuo.


Con el interruptor cerrado la tensin en el inductor es VL = Vi Vo y la corriente aumenta linealmente. El diodo est en inversa por lo que no fluye corriente por l.

Con el interruptor abierto el diodo est conduciendo en directa. La tensin en el inductor es VL = Vo y la corriente disminuye.

La energa almacenada en el inductor es:

Como puede verse la energa almacenada en la bobina se incrementa en estado ON (interruptor cerrado) y se decrementa durante el estado OFF (interruptor abierto). La bobina se usa para transferir energa desde la entrada a la salida. La variacin de IL viene dada por:

Con VL igual a Vi Vo durante el estado a ON y a Vo durante el estado OFF. El incremento de corriente en ON es:

De la misma forma el decremento de corriente en OFF es:

Si se asume que el convertidor opera en un estado estable, la energa almacenada en cada componente al final del ciclo de conmutacin T es igual a que haba al principio del ciclo. Esto significa que la corriente IL es igual en t=0 y en t=T.


Por lo tanto, De las ecuaciones anteriores se obtiene:

Como se puede ver en la Figura 18

and

. D es un escalar

llamado ciclo de trabajo (duty cycle) cuyo valor est comprendido entre 0 y 1:

Esta ecuacin puede ser reescrita como:

De esta ecuacin se puede observar como la tensin de salida del convertidor vara linealmente con el ciclo de trabajo para una tensin de entrada dada. Como el ciclo de trabajo D es igual al cociente entre tOn y el periodo T no puede ser mayor a 1. Por consiguiente nombre de reductor.5. CONTROLADORES DE VELOCIDAD DE MOTORES

, de ah su

El control de velocidad, tambin conocido como regulador de velocidad o autocrucero (o cruise control en ingls y tempomat en alemn) es un sistema que controla de forma automtica el factor de movimiento de un vehculo a motor. El conductor configura la velocidad y el sistema controlar la vlvula de acelaracin o throttle del vehculo para mantener la velocidad de forma continua. 6. EJEMPLO DE APLICACIN 6.1 CONVERTIDOR REDUCTOR


Se requiere realizar un convertidor Buck reductor que cumpla con las siguientes caractersticas:Vin Q1 L1 Vout

Cin

Cout D1

Controlador

Figura 6 . Circuito Convertidor Buck Reductor. 6.2 SELECCIN DEL INDUCTOR

El clculo del inductor es la parte ms crtica diseando el convertidor Buck, seleccionamos para trabajar en modo continuo por lo que la corriente del inductor nunca llegar a ser cero entonces se puede utilizar la siguiente frmula:

Donde: fsw: frecuencia de conmutacin del convertidor buck (en este caso del transistor ) LIR: factor de rizado El pico de corriente a travs del inductor determina la saturacin de corriente necesaria por el inductor, que a su vez determina el tamao de la bobina. Saturar el ncleo inductor disminuye elrendimiento del convertidor, mientras que aumenta de la temperatura de la bobina, el transistor y del diodo. Se puede calcular el mximo de funcionamiento del inductor actual como sigue:

(42)


(

)

Entonces si se desea implementar el reductor expuesto anteriormente: Se debe conocer el facto de LIR previamente escogido segn la necesidad, en este caso se utilizar 0.3 6.3 SELECCIN DE CAPACITOR DE ENTRADAEl rango del rizo de corriente del capacitor determina su valor y su tamao fsico, y mediante la siguiente ecuacin permite calcular la cantidad de rizo que el capacitor debe manejar: ( )

(

)

Para analizar los posibles casos que se podran presentar se debe analizar la razn entre el voltaje de salida y entrada (Vout/Vin), el peor caso que se podra presentar para este anlisis es que Vin=2Vout, lo que nos generara Vout/Vin=0.5, obteniendo como resultado Ioutmax/2 es decir nuestro circuito tiene una complicacin por lo que se debe evitar este caso. La capacitancia de entrada requerida para un convertidor stepdown depende mucho de la impedancia de entrada de la fuente de alimentacin, generalmente en las fuentes utilizadas en los laboratorios se encuentran dentro de los 10uF hasta los 22uF por amperio de salida. Con esto, se puede empezar con un capacitancia de entrada total de 40uF y segn se necesite se puede ajustar este valor de acuerdo a pruebas posteriores.


No es recomendable utilizar capacitores de tantalio para la capacitancia ya que puede producirse un error en el capacitor, lo que puede generar un corto circuito entre sus terminales, lo recomendable es utilizar capacitores cermicos o de aluminio electrolticos. Sin embargo, los capacitores cermicos a pesar de que son muy prcticos por su pequeo espacio para ser utilizados en una placa de baquelita, pueden generar un ruido acstico que pueda alterar el voltaje de rizo. La mejor solucin es utilizar capacitores de polmero para solucionar este problema. 6.3 SELECCIN DE DIODO La disipacin de potencia es el factor limitante en la eleccin de un diodo. El peor caso de la potencia media se puede calcular como la siguiente ecuacin:

diodo

(1

2 ) 7 07 24 4 49

diodo

donde Vd es la cada de tensin en el diodo en la salida dada por IOUTMAX actual. (Los valores tpicos son de 0,7 V para un diodo de silicio y 0,3 V para un diodo Schottky.) Asegrese de que el diodo seleccionado ser capaz de disipar tanto poder. Para un funcionamiento fiable durante la entrada de voltaje de rango, tambin debemos asegurarnos de que la inversa de tensin m ima repetitiva es mayor que la tensin de entrada m ima (VRRM V IN MAX). El diodo de corriente continua debe cumplir o e ceder el m imo de salida de corriente (es decir, IFAV IOUTMAX).


SELECCIN DE CONDENSADOR DE SALIDA La capacidad de salida es necesaria para reducir al mnimo el overshoot de voltaje y rizado presente en la salida de un convertidor de reduccin. Rebasamientos grandes son causados por insuficiente capacidad de salida y el rizado de la tensin es causada por la gran capacidad insuficiente, as como un equivalente de alta resistencia en serie (ESR) en el condensador de salida. El mximo permitido de salida de voltaje y overshoot de onda son generalmente especificaciones del momento del diseo. As, para satisfacer las especificaciones de cationes la ondulacin de un circuito convertidor de STEPDOWN, debe incluir un condensador de salida con capacidad suficiente y bajo ESR. El problema de la superacin, es regular su valor para una carga completa de salida, requiere que el condensador de salida sea lo suficientemente grande para impedir que la energa almacenada en el inductor del lanzamiento pase por encima de las especificaciones de voltaje de salida mximo. El overshoot de voltaje de salida se puede calcular mediante la siguiente ecuacin:

Reorganizando la ecuacin nos queda:

Co

2 8E (100E

6

(7

3

21 2 2) 2 2) 22

441 46 uF


Donde CO es igual a capacidad de produccin y V es igual a la potencia mxima de overshoot. Ajuste de la salida mxima de overshoot de tensin a 100 mV y la solucin de la ecuacin produce un rendimiento calculado a una capacitancia de 442 uF. Agregar el condensador tpico de tolerancia del valor (20%) da un valor prctico para la capacitancia de salida de unos 530 uF. El valor estndar ms cercano es de 560 uF. La salida de onda debido a la capacidad solo est dada por:

Vout cap

1 2 560E

6

24 2 2 1 2 ( ) 2 8E 6 24 300E3

Vout cap El ESR del condensador de salida domina la produccin de rizado de la tensin. El importe se calcula como: (48) Vout ER

2 1 18 8ER

3

Vout E

39 48mV

Tenga en cuenta que la eleccin de un condensador con muy baja ESR puede hacer que el convertidor de potencia tienda a ser inestable. Los factores que afectan la estabilidad varan de IC a IC, de modo que a la hora de elegir un condensador de salida, asegrese de leer la hoja de datos y prestar especial atencin a las secciones que tratan con la estabilidad de convertidor.


La adicin de la salida de rizado de la tensin debido al valor de la capacitancia y el condensador de salida ESR (el segundo trmino de la ecuacin), los rendimientos de la produccin total de la tensin de rizado para el convertidor STEPDOWN se determinan asi:

Despejamos ESR sabiendo que V de ripple = 40mv (2% de V de salida) E RCo 18 79m

Reorganizacin de la ecuacin para resolver los rendimientos ESR:

Un convertidor de STEPDOWN decente por lo general alcanza una onda de salida de voltaje de menos del 2% (40 mV en nuestro caso). Para obtener una capacidad de salida de 560 uF, la ecuacin da 18,8 m m imo calculado para la E R. or lo tanto, debemos elegir un

condensador con V G inferior a 18,8 m y una capacidad que sea igual o superior a 560 uF. ara lograr un valor equivalente a menos de E R 18,8 m, puede conectar condensadores de baja ESR mltiples en paralelo.

La Figura presenta las variaciones del voltaje de salida frente a la capacitancia de salida y la VSG. Debido a que nuestro ejemplo se utiliza condensadores de tantalio, ESR condensador domina la produccin de rizado de la tensin.


SELECCIN DISPOSITIVO DE POTENCIA


Figura7. Especificaciones Tcnicas Transistor 2N1711 CONTROL A TRAVS DE MODULACIN DE ANCHO DE PULSO (PWM) El control del dispositivo de potencia se realizar por modulacin de ancho de pulso (PWM), con la ayuda del circuito integrado 555. Entre las ventajas que nos entrega este mtodo, podemos destacar las siguientes: alta eficiencia, operacin de frecuencia constante, control relativamente simple, capacidad para alcanzar radios de conversin altos y la disponibilidad, comercialmente hablando, de circuitos integrados. Primeramente definiremos la configuracin del CI 555 como astable (Figura 3). Cabe mencionar que este integrado puede ser utilizado con diferentes propsitos.

Figura 8. Configuracin Astable CI 555


En esta configuracin podemos variar el ciclo de trabajo de 5% a 95%, lo que nos permitir definir el voltaje de salida requerido. Para la presente aplicacin se necesita generar pulsos con una frecuencia de 300kHz y un ciclo de trabajo del 75%; es decir, el tiempo que permanecer el pulso en alto ser 0.75 veces el periodo total. Conociendo la frecuencia necesaria, determinamos el periodo de oscilacin: ( )

El Capacitor C1 tendr un tiempo de carga

y un tiempo de descarga

, los mismos que

determinarn el tiempo del pulso en alto y bajo respectivamente. Por la tanto el periodo de oscilacin de la seal estar dado por: ( de donde: ( ( ) ) ( ( ) ) )

Como ya se especific anteriormente el duty cycle ser igual a 0.75 por lo que los tiempos de carga y descarga sern:


Para el diseo, partimos de un valor de condensador fijo que se pueda encontrar fcilmente en el mercado; cabe mencionar que este valor debe ser superior a los 500 pF para evitar capacitancias parsitas.

Se obtienen el valor de las resistencias ( ) ( )

a parir de las ecuaciones (52) y (53):

(

) ( )

Las resistencias

debern ser mayores a 1k

para limitar la corriente. ,

Para alimentar el circuito integrado se utilizar una fuente DC con un voltaje teniendo en cuenta, que el 555 soporta voltajes hasta 18V.

Cabe recalcar que para variar el ancho de pulsos se puede colocar un potencimetro en serie a la resistencia ; de esta manera, podramos cambiar el ciclo de trabajo y por lo tanto modificar

el voltaje de salida del conversor dc-dc. SELECCIN DEL MOTOR


Como nuestro objetivo es del controlar un motor DC se ha seleccionado el motor que se muestra a continuacin con las siguientes caractersticas.

1.1. CIRCUITO ESQUEMATICO


Una vez determinados los valores de todos los elementos necesarios para la configuracin especificada, implementamos el circuito:Finalmente el circuito a implementar se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Covertidor Buck DC-DC


CLCULOS





7. CONCLUSIONES La utilizacin de convertidores simplifican la alimentacin de un sistema, porque permiten generar las tensiones donde se necesitan, reduciendo la cantidad de lneas de potencia necesarias. El diseo de convertidores dc-dc, implica una importancia adems de la generacin de pulsos su parte de potencia as como sus circuitos auxiliares y sobre todo el acoplamiento de estas partes ya que en muchos casos generan problemas de esttica como de aislamiento. 8. RECOMENDACIONES

Es importante escoger correctamente el conmutador (puede ser MOSFET, BJT, IGBT) que se vaya a utilizar para el uso en los diversos tipos de circuitos de convertidores dc-dc, ya que cada uno de ellos tendr diferente forma de controlar su forma de conmutacin y ventajas sobre otros.

9. BIBLIOGRAFIA RASHID Muhammad, Digital Power Electronics and Aplications, Digitally Controlled DC/DC Converters 2005.pdf Conversores Conmutados: Circuitos de Potencia y Control, Edicin electrnica. Fuente:http://books.google.com.ec/books?id=zgcw5thH2usC&pg=PA11&dq=conversor +dc+dc#v=onepage&q=conversor%20dc%20dc&f=false Conversores DC-DC, W. Uturbey Junio, 1996. Notas de Apoyo para el curso bsico de Electrnica de Potencia I. Fuente:http://iie.fing.edu.uy/ense/asign/elpot1/dcdc.pdf


ESCUELA POLITCNICA DEL EJRCITOCamino a la Excelencia

INFORME DE CIENCIA

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGA Y MECNICA CARRERA DE INGENIERA MECATRNICA VII C

ELECTRNICA DE POTENCIA INFORME DE LABORATORIO DE CONVERTIDORES DC-DC Autores: Grijalva Jorge Jcome Fernando Mayorga David Sarmiento Freddy Villacs Harold


Sangolqu, 18 de Enero de 2011

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