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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2.2 C

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CD-CD se

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control del

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)

5 0.23 0.33 ,

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:

Donde

para e

observ

desead

e A es un am

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Figur

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Figura 2

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2.3 Circuito

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necesarias

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los 5 volts

Figura 2.5 Forma de onda de la corriente a la salida del convertidor CD-CD

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:

predijo

volts d

en el o

Los resulta

o aproximad

de corriente

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Figu

Figura

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oltaje de 3

ón obtenida

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.