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  • UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA

    INTRODUCCIN A LAS FUENTES DE TENSIN CONMUTADAS. TEORA Y PRCTICA.

    RICARDO J. AGUASCA COLOMO

    JOS CABRERA PEA

    IBN VEGA RAMREZ

    LAS PALMAS DE GRAN CANARIA, MARZO DE 2001

  • NDICE

    1. INTRODUCCIN............................................................................................... 1

    2. REDUCCIN DE LA TENSIN DE SALIDA............................................................ 2 2.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO....................................................................... 2

    2.2 TENSIONES E INTENSIDADES............................................................................. 3

    2.3 TROCEADOR IDEAL SIN PRDIDAS..................................................................... 5

    2.4 CONTROL DE LA TENSIN DE SALIDA................................................................ 6

    2.5 MODOS DE FUNCIONAMIENTO............................................................................ 7

    3. AUMENTO DE LA TENSIN DE SALIDA............................................................... 8 3.1 CONFIGURACIN PARA ELEVAR LA TENSIN DE SALIDA................................ 8

    3.2 FUNCIONAMIENTO................................................................................................ 9

    3.3 APLICACIN: TRANSFERENCIA DE ENERGA ENTRE DOS FUENTES DE

    TENSIN................................................................................................................. 11

    4. CARACTERSTICAS GENERALES DE LOS REGULADORES DE TENSIN................ 15

    5. REGULADOR BUCK (REDUCTOR)................................................................... 17 5.1 CIRCUITO BSICO............................................................................................... 17

    5.2 FUNCIONAMIENTO...............................................................................................17

    5.3 DOS MODOS DE FUNCIONAMIENTO................................................................. 18

    5.4 FILTRO DE SALIDA.............................................................................................. 23

    5.5 CONSIDERACIONES............................................................................................ 25

    6. REGULADOR BOOST (ELEVADOR)................................................................. 26 6.1 CIRCUITO BSICO............................................................................................... 26

    6.2 FUNCIONAMIENTO.............................................................................................. 26

    6.3 FILTRO DE SALIDA.............................................................................................. 31

    7. REGULADOR BUCK BOOST..................................................................... 32 7.1 CIRCUITO BSICO............................................................................................... 32

    7.2 FUNCIONAMIENTO.............................................................................................. 32

    7.3 FILTRO DE SALIDA.............................................................................................. 36

  • NDICE

    8. RESUMEN DE CARACTERSTICAS.................................................................... 37

    9. SIMULACIN CON PSPICE............................................................................... 39 9.1 CONVERTIDOR CC-CC ELEVADOR (STEP UP)................................................... 41

    9.2 CONVERTIDOR CC-CC REDUCTOR (STEP DOWN)........................................... 43

    10. INTERFERENCIAS ELECTROMAGNTICAS........................................................ 45 10.1 CARACTERSTICAS DE LAS INTERFERENCIAS ELECTROMAGNTICAS........ 45

    10.2 CAUSAS DE GENERACIN DE IEM..................................................................... 47

    10.2.1 EL TRANSISTOR EN CONMUTACIN.......................................................... 49

    10.2.2 EL DIODO....................................................................................................... 50

    10.2.2.1 COMPORTAMIENTO DEL DIODO EN LA CONMUTACIN A

    CONDUCCIN............................................................................... 51

    10.2.2.2 COMPORTAMIENTO DEL DIODO EN LA CONMUTACIN AL

    BLOQUEO...................................................................................... 52

    10.3 MEDIDAS A ADOPTAR PARA LA REDUCCIN DE IEM

    EN CIRCUITOS DE POTENCIA.............................................................................53

    10.3.1 CONTROL DEL NIVEL DE RADIACIN......................................................... 53

    10.3.2 REDUCCIN DEL ACOPLAMIENTO MAGNTICO....................................... 54

    10.3.3 FACILITAR LA CONMUTACIN EN LOS TRANSISTORES........................... 54

    10.3.4 LOS FILTROS EN LAS FUENTES.................................................................. 55

    10.3.5 FORMAS DE CONECTAR Y DISTRIBUIR LOS COMPONENTES

    EN UN CIRCUITO IMPRESO...........................................................................

    56 11. MONTAJE PRCTICO EN LABORATORIO........................................................... 59 11.1 CARACTERSTICAS DEL CIRCUITO INTEGRADO SG3524............................ 60

    11.2 CLCULO DE LA RED ACICALADORA DE LOS TRANSISTORES DE

    POTENCIA........................................................................................................ 62

    11.3 ESQUEMA ELCTRICO DEL CIRCUITO.......................................................... 63

    11.4 PLACA DE CIRCUITO IMPRESO: CARA DE COMPONENTES Y CARA DE

    SOLDADURA..................................................................................................... 65

  • PRLOGO

    Desde hace unos aos y de forma exponencial ha ido creciendo el

    nmero y la variedad de aparatos electrnicos presentes en nuestras vidas.

    Esta diversidad de dispositivos va desde: l, cada da ms imprescindible,

    ordenador personal, hasta los sofisticados sistemas de seguridad. Pero, qu

    pueden tener en comn estos dispositivos electrnicos? Respuesta: que todos

    ellos funcionan mediante transformaciones o conversiones de niveles de

    tensin continua. Es decir, en alguna etapa del circuito es necesaria una

    tensin continua de salida mayor o menor a la tensin continua de entrada

    presente en esa etapa. Es en este punto donde se emplean los convertidores

    de tensin corriente continua corriente continua (convertidores cc-cc),

    tambin llamados fuentes de tensin conmutadas objeto de estudio en este

    libro.

    Los autores de este libro, dos de los cuales son profesores titulares de la

    U.L.P.G.C., tras aos trabajando en el diseo y estudio de las fuentes de

    tensin conmutadas e impartir varios cursos terico prcticos sobre este

    tema han decidido publicar este libro. El cual pretende ser una gua bsica

    para todos aquellos que se sientan atrados por el diseo electrnico de

    potencia dirigido hacia las fuentes de tensin conmutadas.

    Este libro est dividido en cuatro partes fundamentales: teora de los

    convertidores cc-cc, simulacin de circuitos prcticos con el PSPICE, anlisis

    de las interferencias electromagnticas en los convertidores y un montaje

    prctico de un convertidor cc-cc elevador.

    En la parte terica se exponen de forma clara y concisa los

    fundamentos, esquemas y frmulas a aplicar pare el desarrollo y comprensin

    de los diferentes tipos de convertidores.

    En la simulacin con el PSPICE se presentan los dos tipos bsicos de

    convertidores: el elevador y el reductor. En esta parte se muestran los

    esquemas de los circuitos a analizar y las formas de onda de las tensiones y

    de las intensidades obtenidas en sus puntos ms significativos. Se ha optado

    por no hacer un anlisis exhaustivo de las formas que presentan las diferentes

  • seales mostradas para que sea el lector el que, junto a los fundamentos

    tericos, analice los resultados obtenidos.

    Dentro de la parte dedicada a las interferencias electromagnticas

    generadas en los circuitos de potencia se analizar las causas, los efectos y

    las formas bsicas de reducir la magnitud de estas interferencias o

    perturbaciones electromagnticas.

    En la ltima parte de este libro se le presenta al lector un caso prctico

    de diseo y montaje de un convertidor cccc a partir de un conjunto de

    especificaciones tcnicas que se deben cumplir. En esta parte se le explica

    como elegir cada uno de los componentes que forman las etapa de potencia y

    de control. Se presentan tambin el esquema elctrico del circuito y el diseo

    de la placa de circuito impreso.

    LOS AUTORES

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 1

    1. INTRODUCCIN

    Un TROCEADOR convierte directamente C.C. en C.C. CONVERTIDOR DIRECTO de C.C. a C.C.

    Aplicaciones Industriales: Obtencin de C.C. variable a partir de una

    Fuente de C.C. fija. TROCEADOR Transformador de tensin con relacin de transformacin

    variable. MODO DE FUNCIONAMIENTO: Un Interruptor se abre y cierra

    continuamente dejando pasar ms o menos potencia del Generador a la Carga.

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 2

    2. REDUCCION DE LA TENSIN DE SALIDA

    2.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

    Cuando el Interruptor SW est cerrado durante t1 la carga es sometida a la

    tensin Vs. Durante t2 SW permanece abierto y la tensin en la carga es nula. Se desprecian las prdidas en el interruptor SW.

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 3

    2. REDUCCIN DE LA TENSIN DE SALIDA

    2.2 TENSIONES E INTENSIDADES:

    Tensin de Salida expresada en Series de Fourier:

    Tensin Media de Salida:

    sss

    t

    oa VkVtfVTtdtv

    TV ==== 10 111

    Intensidad Media en la Carga:

    =

    =++=

    112sen)2cos1(2cos2sen)(

    n

    s

    n

    sso ftnknn

    Vftnkn

    nV

    kVtv

    I VR

    k VRa

    a s= =

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 4

    2. REDUCCIN DE LA TENSIN DE SALIDA

    Valor Eficaz de la Tensin de Salida:

    DONDE:

    T Perodo de Troceo

    k = t1 / T Ciclo Efectivo de Trabajo

    f Frecuencia de trabajo

    VT

    v d t k Vo ok T

    s= =1 20

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 5

    2. REDUCCIN DE LA TENSIN DE SALIDA

    2.3 TROCEADOR IDEAL SIN PRDIDAS:

    Potencia Absorbida igual a potencia Cedida (vch Cada en SW):

    Resistencia efectiva Vista por la Fuente:

    R VI

    Vk V R

    Rki

    s

    a

    s

    s

    = = =

    RvVkdt

    Rv

    Tdtiv

    TP

    RvVVkdt

    RvVV

    TdtiV

    TP

    chskT okT

    oo

    chsskT chsskT

    si

    2

    0

    2

    0

    00

    )(11

    )()(11

    ===

    ===

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 6

    2. REDUCCIN DE LA TENSIN DE SALIDA

    2.4 CONTROL DE LA TENSIN DE SALIDA:

    Vo vara entre 0 Vs controlando k

    La Potencia absorbida Pi se controla variando k

    k vara entre 0 1:

    Modificando t1

    Modificando T

    Modificando f

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 7

    2. REDUCCIN DE LA TENSIN DE SALIDA

    2.5 MODOS DE FUNCIONAMIENTO:

    Troceo a Frecuencia Constante.

    El Control se ejerce variando los anchos de los pulsos (t1).

    Se denomina Modulacin de anchos de Pulsos (PWM).

    Troceo a Frecuencia Variable.

    Los tiempos t1 o t2 permanecen constantes, variando la

    frecuencia f. El control se denomina Modulacin de

    Frecuencia. Y posee un elevado nivel de armnicos a la

    salida.

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 8

    3. AUMENTO DE LA TENSIN DE SALIDA

    3.1 CONFIGURACIN PARA ELEVAR LA TENSIN DE SALIDA:

    En este circuito Troceador se supondr la Inductancia Ideal.

    El flujo de corriente a la entrada se supone continuo.

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 9

    3. AUMENTO DE LA TENSIN DE SALIDA

    3.2 FUNCIONAMIENTO:

    1. Interruptor SW cerrado durante t1 la intensidad de entrada crece . La energa se almacena en L.

    2. Interruptor SW abierto durante t2 la intensidad en la carga disminuye. La energa es transferida desde L a la carga a travs de D1.

    Voltaje en L con el interruptor SW cerrado:

    v L d id tL

    =

    Rizado de la corriente de pico a pico:

    I VL

    tS= 1

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 10

    3. AUMENTO DE LA TENSIN DE SALIDA

    Valor de la tensin de salida. Con el condensador CL en paralelo con la

    carga el valor de la tensin permanece constante:

    v V L It

    V tt

    Vko S S S

    = + = + =

    2

    1

    2

    1 11

    Variacin del valor de vo en funcin del ciclo efectivo de trabajo k: vo = VS k = 0 vo > VS 0 < k < 1

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 11

    3. AUMENTO DE LA TENSIN DE SALIDA

    3.3 APLICACIN: TRANSFERENCIA DE ENERGA ENTRE DOS FUENTES DE TENSIN. Dos Modos de funcionamiento:

    SW cerrado Modo 1 SW abierto Modo 2

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 12

    3. AUMENTO DE LA TENSIN DE SALIDA

    Modo 1:

    Ecuacin de Tensiones:

    dtdiLV S 1=

    Ecuacin de Intensidades:

    11 )( ItLVti S +=

    Condiciones:

    I1 es el valor de la corriente inicial.

    i1 (t) es creciente d id t

    1 0> Vs > 0

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 13

    3. AUMENTO DE LA TENSIN DE SALIDA

    Modo 2:

    Ecuacin de Tensiones:

    V L didt

    ES = +2 Ecuacin de Intensidades:

    i t V EL

    t IS2 2( ) = +

    Condiciones (Sistema Estable):

    I2 es el valor de la corriente inicial.

    i2 (t) es decreciente d id t

    2 0< Vs < VE

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 14

    3. AUMENTO DE LA TENSIN DE SALIDA

    Para tener un Sistema Estable y transmitir energa desde una Fuente

    variable VS a una Fuente fija E debe cumplirse que:

    0 < VS < E Modo 1:

    Energa transferida desde Vs L

    Modo 2:

    Energa transferida desde L E

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 15

    4. CARACTERSTICAS GENERALES DE LOS REGULADORES DE TENSIN

    Los Troceadores se utilizan como Reguladores Directos C.C. - C.C. para

    convertir una tensin continua sin regular en una tensin continua regulada.

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 16

    4. CARACTERSTICAS GENERALES DE LOS REGULADORES DE TENSIN

    Modo de trabajo de un circuito Regulador:

    La tensin de error Ve se obtiene comparando la tensin de salida Va con una de referencia Vr

    Ve es comparada con una onda de diente de sierra Vr para generar la seal de control Vg

    Los interruptores estn constituidos por semiconductores de potencia BJT,

    MOSFET, IGBT, que poseen un ton y un toff mnimo. El ciclo efectivo de trabajo k slo puede ser controlado entre 0 < k < 1. Los valores mnimo y mximo de la tensin de salida Va estn limitados. El mtodo de control tpico es el de Modulacin de Ancho de Impulsos a

    frecuencia fija (PWM). La frecuencia de trabajo debe ser lo ms elevada posible para:

    Que el rizado de intensidad se reduzca. Minimizar el tamao de las inductancias del circuito.

    Las prdidas del semiconductor aumentan con la frecuencia de trabajo, as como las prdidas en el ncleo magntico de las inductancias.

    Para aumentar el rendimiento el periodo de oscilacin que da la frecuencia

    de troceado debe ser 100 veces mayor (como regla general), al tiempo de conmutacin del semiconductor utilizado.

    Debido al troceado de la onda de tensin, sta es rica en armnicos,

    haciendo falta un filtro L-C a la salida. Los reguladores comerciales son circuitos integrados donde la frecuencia de

    trabajo se suele fijar con una red R-C externa. Existen tres topologas bsicas de troceadores C.C. - C.C.:

    Regulador Reductor BUCK. Regulador Elevador BOOST. Regulador BUCK-BOOST.

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 17

    5. REGULADOR BUCK (REDUCTOR)

    5.1 CIRCUITO BSICO:

    5.2 FUNCIONAMIENTO:

    T1 conmuta a alta frecuencia (20 kHz - 1 MHz) produciendo una tensin V2 troceada.

    V2 es filtrada por L-C obteniendo Vo. Vo puede regularse mediante el ciclo efectivo de trabajo k de T1.

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 18

    kVTtVV ionio ==

    5. REGULADOR BUCK (REDUCTOR)

    5.3 DOS MODOS DE FUNCIONAMIENTO:

    1. Con intensidad de Bobina Continua. 2. Con intensidad de Bobina Discontinua.

    I.- INTENSIDAD DE BOBINA CONTINUA. Tensin Media de salida:

    T = Perodo de Trabajo = 1 / frec. Conmutacin ton = Tiempo con T1 en saturacin k = Ciclo Efectivo de Trabajo de T1

    La ecuacin de Vo muestra que es independiente de la carga. Consideraciones reales que hacen depender Vo de la carga:

    Cada de tensin en saturacin en T1. Prdidas por conmutacin. Cada de tensin en D1. Resistencia serie de la bobina.

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 19

    5. REGULADOR BUCK (REDUCTOR)

    Tensin en la bobina durante ton:

    V Ldidt

    V VL i o= = ; V2 Vi Consideraciones:

    IL crece linealmente ya que (Vi - Vo) > 0

    Tensin en la bobina con T1 en corte (toff = T - ton):

    V Ldidt

    VL o= = ; V2 0 Consideraciones:

    IL decrece linealmente ya que VL = - Vo IL no puede anularse instantneamente. IL recorre el circuito formado por la bobina, la carga y D1

    Rizado de la corriente pico a pico:

    I t V VLVL f

    k kon i o i= = ( )1

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 20

    5. REGULADOR BUCK (REDUCTOR)

    Rizado mximo para k = 0,5 Pico de corriente mxima: Imax = Vo/R + I/2 Pico de corriente mnima: Imin = Vo/R - I/2 II.- INTENSIDAD DE BOBINA DISCONTINUA. Muchas fuentes conmutadas se disean para trabajar con corriente

    discontinua. En la figura se observa que al reducir la carga (ii) eventualmente Imin = 0.

    Si la carga se reduce an ms la corriente de la bobina se anula durante ciertos perodos (iii).

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 21

    5. REGULADOR BUCK (REDUCTOR)

    Tensin de la bobina durante ton: VL = Vi - Vo

    Tensin en la bobina durante el tiempo que conduce el diodo (k1T): VL = Vo

    Para un sistema estable la tensin media a lo largo de un ciclo en la bobina es nula:

    ( )V V k T V k Ti o o = 1 Relacin entre tensiones:

    VV

    kk k

    o

    i

    = + 1 Rizado de corriente pico a pico:

    ( ) I V V k TL

    V k TL

    i o o= = 1 Corriente media de salida (evaluando un ciclo):

    I I k T k TT

    VRoo= + =

    21

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 22

    5. REGULADOR BUCK (REDUCTOR)

    Relacin entre tensiones (eliminando k1):

    VV

    k

    k k LR T

    o

    i

    =+ +

    282

    Consideraciones:

    La tensin de salida es menor en modo 2 que en modo 1 para la misma k.

    Aparece un rizado adicional en VL Mayor rizado de la IL circulante.

    Para una R determinada, dependiendo del valor de L, se tiene Modo de funcionamiento 1 o Modo de funcionamiento 2.

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 23

    5. REGULADOR BUCK (REDUCTOR)

    5.4 FILTRO DE SALIDA:

    Eleccin de L:

    En el lmite de ambos modos de funcionamiento (ii) la intensidad coincide con la mitad del rizado:

    I VR

    Io= = 2

    Sustituyendo I:

    L R T k= 12

    1( )

    Por tanto, para todos los valores de k y R:

    Modo de funcionamiento con corriente Continua:

    L R T k> 12 1( )

    Modo de funcionamiento con corriente Discontinua:

    L R T k< 12 1( )

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 24

    5. REGULADOR BUCK (REDUCTOR)

    Eleccin del condensador:

    El condensador se elige para minimizar el rizado Vo. Carga y descarga del condensador:

    ( )

    Q I T T I

    V QC

    T IC

    V TL C

    ko o

    = =

    = = =

    12 2 2 8

    8 81

    2

    El valor del condensador es:

    ( ) ( )C VV

    TL

    k VV L f

    koo

    o

    o

    = = 2

    281 1

    81

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 25

    5. REGULADOR BUCK (REDUCTOR)

    5.5 CONSIDERACIONES:

    C es inversamente proporcional al rizado de tensin y al cuadrado de la frecuencia de troceo.

    El rizado de tensin, para una C, es tanto menor cuanto mayor sea f.

    Se debe considerar el rizado adicional producido por la Resistencia Serie de C:

    ( )

    V I R

    It V V

    L

    o C

    o n i o

    = =

    Es importante que la Rc parsita sea lo ms reducida posible.

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 26

    6. REGULADOR BOOST (ELEVADOR)

    6.1 CIRCUITO BSICO:

    6.2 FUNCIONAMIENTO:

    Durante ton la corriente crece en la bobina. El diodo evita que C se descargue. VL = Vi

    Durante toff la tensin en la bobina se invierte y se aade a la de entrada, aumentando la de salida. VL + Vi = Vo

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 27

    6. REGULADOR BOOST (ELEVADOR)

    I.- INTENSIDAD DE BOBINA CONTINUA.

    Tensin media en la bobina nula a lo largo de un ciclo (Sistema Estable):

    ( )V t V V ti on o i off =

    De donde:

    ( ) ( )V k T V V k Ti o i = 1 Dando la relacin:

    VV ko

    i

    = 1

    1

    Considerando la influencia de la carga y la resistencia serie de la bobina:

    ( )( )

    VV k

    k Rk R r

    o

    i L

    =

    +

    11

    11

    2

    2

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 28

    6. REGULADOR BOOST (ELEVADOR)

    Ganancia mxima:

    VV

    Rr

    o

    i L

    = 12

    Esta frmula no considera otras prdidas y sirve como primera aproximacin.

    Consideraciones: La ganancia de tensin real en continua se hace ms sensible

    conforme k se acerca a 1.

    El valor prctico mx. de k oscila 0,85 y 0,9.

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 29

    6. REGULADOR BOOST (ELEVADOR)

    Rizado de la corriente:

    I VL

    t VL

    k Ti on i= = Clculo del valor mnimo de L para funcionamiento en modo Continuo:

    1. Potencia de Entrada = Potencia de salida:

    V I V Ii L media o R = ( )

    2. Por tanto, la intensidad de la carga es:

    ( )I V

    RVVI I kR i L media L media= = = 0

    0

    1( ) ( )

    3. Mnima intensidad para funcionamiento Continuo (ii):

    IL (media) = I / 2 De donde:

    ( ) ( )VR

    I kVL

    k T ko i= = 2

    12

    1

    4. Para cualquier valor de R y k:

    L R k T k> 12 21( )

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 30

    6. REGULADOR BOOST (ELEVADOR)

    II.- INTENSIDAD DE BOBINA DISCONTINUA.

    Tensin media en la bobina a lo largo de un ciclo nula:

    ( )V k T V V k Ti o i = 1 k1 T es el tiempo en que el diodo conduce:

    k1 T < (1 - k) T

    Por tanto:

    VV

    k kk

    o

    i

    = + 11

    Rizado de la corriente pico a pico:

    ( ) I V k T

    LV V k T

    Li o i= = 1

    Corriente media de salida (un ciclo):

    I I k T k TT

    VRoo= + =

    21

    Combinando para eliminar k1 se tiene:

    VV

    L k T RLo

    i

    =+ + 1 2

    2

    2

  • U.L.P.G.C.

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    6. REGULADOR BOOST (ELEVADOR)

    6.3 FILTRO DE SALIDA: Eleccin del condensador. La tensin es mantenida por C durante ton:

    I C d Vd t

    VR

    o o= =

    Pasando a incrementos:

    d Vo Vo ; d t t ton k T

    C VV

    k TR

    VV

    kR fo o

    = =

    C debe poseer una R.S.E. reducida. C es inversamente proporcional a f y al rizado deseadoVo.

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 32

    7. REGULADOR BUCK - BOOST

    7.1 CIRCUITO BSICO:

    7.2 FUNCIONAMIENTO:

    Durante ton la energa de Vi es almacenada en L.

    Durante toff VL se invierte y la energa es transferida desde L Carga. Este perodo se denomina FLYBACK.

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 33

    7. REGULADOR BUCK - BOOST

    I.- INTENSIDAD DE BOBINA CONTINUA.

    Sistema estable: tensin media en la bobina en un ciclo nula:

    dtdiLV L =

    ( )12 IILdiLdtVL ==

    Por tanto, I1 = I2 Tensin en L durante ton: VL = Vi Tensin en L durante toff: VL = -Vo Relacin entre tensiones (valor absoluto):

    Vi ton = Vo ( T - ton ) kk

    VV

    i

    o

    = 1

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 34

    7. REGULADOR BUCK - BOOST

    La resistencia serie de la bobina y la carga afectan la ganancia de tensin:

    ( )( )

    VV

    kk

    k Rk R r

    o

    i L

    =

    +

    1

    11

    2

    2

    Con un mximo de ganancia dado por:

    VV

    rr Rr

    r R

    o

    i

    L

    L

    L

    L

    = + +

    1

    2

    Rizado de corriente:

    I VL

    t VL

    k Ti on i= = Condicin de contorno entre funcionamiento continuo y discontinuo:

    Corriente media, considerando que se inyecta en R slo durante toff.

    Imin = 0

    ( ) ( )I VR

    I tT

    I k TT

    k T VL

    k TT

    o off i= = = = 2 2

    1 12

    1

    Por tanto, para cualquier valor de R y k, se tiene un modo de funcionamiento con corriente continua de bobina s:

    L R T k> 12 21( )

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 35

    7. REGULADOR BUCK - BOOST

    II.- INTENSIDAD DE BOBINA DISCONTINUA.

    Para un sistema estable la tensin media a lo largo de un ciclo es nula: Vi k T = Vo k1 T

    Relacin entre tensiones: Vo / Vi = k / k1

    Eliminando k1 y k con las ecuaciones del rizado de corriente I y la corriente

    media de salida Io:

    LTRk

    VV

    i

    o

    =

    2

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 36

    7. REGULADOR BUCK - BOOST

    7.3 FILTRO DE SALIDA: Eleccin del condensador. La tensin es mantenida por C durante ton:

    I C d Vd t

    VR

    o o= = Pasando a incrementos:

    d Vo Vo ; d t t ton k T

    fRk

    VV

    RTk

    VVC

    o

    o

    o

    o

    ==

    Consideraciones:

    C debe poseer una R.S.E. reducida.

    C es inversamente proporcional a f y al rizado deseado Vo. C absorbe mucha ms corriente de rizado que en el regulador BUCK.

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 37

    8. RESUMEN DE CARACTERSTICAS

    Topologa Polaridad Vo Valor de Vo Rizado I BUCK Igual Vi < Vi Bajo a la Salida

    BOOST Igual Vi > Vi Bajo a la Entrada

    BUCK - BOOST Inversa Vi < = > Vi Alto en la Entrada y en la Salida

    Los Reguladores se disean para trabajar en Modo Continuo o en Modo

    Discontinuo. Es importante que no trabajen fuera de las especificaciones de diseo, pues el control se vuelve ineficaz.

    I.- MODO DE FUNCIONAMIENTO CON INTENSIDAD CONTINUA.

    IL nunca se hace nula durante el ciclo de troceado. El valor de L es elevado. En los Reguladores BOOST y BUCK - BOOST la corriente de salida

    es discontinua. En el Regulador BUCK la corriente de salida es continua debido a la L

    del filtro de salida.

    A.- REGULACIN EN BUCLE ABIERTO. Ganancia en continua:

    Regulador Vo / Vi

    BUCK k

    BOOST 1 / ( 1 - k )

    BUCK - BOOST k / ( 1 - k )

    Despreciando las prdidas la Ganancia no depende de la

    carga. La Regulacin frente a variaciones de la carga es muy buena. La Regulacin frente a variaciones de la tensin de entrada Vi

    es muy mala.

  • U.L.P.G.C.

    Introduccin a las Fuentes de Tensin Conmutadas. Teora y Prctica. Pgina 38

    RESUMEN DE CARACTERSTICAS

    B.- REGULACIN EN BUCLE CERRADO.

    El elevado valor de L, junto con C del filtro de salida, conforma un sistema de 2 orden que introduce un retraso en el bucle de regulacin.

    La respuesta dinmica es pobre. II.- MODO DE FUNCIONAMIENTO CON INTENSIDAD DISCONTINUA.

    IL se hace nula durante cada ciclo de troceado. Existen picos de intensidad elevados. Estos originan sobrecargas en el transistor T, condensador C y bobina

    L.

    A.- REGULACIN EN BUCLE ABIERTO.

    La ganancia de los tres reguladores depende tanto de Vi como de la carga

    La Regulacin frente a variaciones de la carga es pobre. La Regulacin frente a variaciones de la tensin de entrada Vi

    es pobre. B.- REGULACIN EN BUCLE CERRADO.

    La inductancia L empieza cada ciclo sin energa acumulada. Se puede controlar el nivel de corriente ciclo a ciclo. L no ejerce influencia sobre las caractersticas de control en

    bucle cerrado. El condensador se comporta como un elemento de retardo en

    el bucle. La regulacin es estable y buena frente a variaciones tanto de

    tensin de entrada como de la carga.