Universidad de Colima. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME) Reductor Buck

Resumen- En este reporte se resumen la funcione del convertidor Buck. [1]. Se muestran los parámetros y curvas de operación características de un reductor Buck. Por último se muestra una simulación de la operación de un convertidor Buck con señales de tensión directa.

Índice de Términos—Convertidor Buck, Modo de conducción continua y descontinua.

I.INTRODUCCIÓN

Los convertidores reductores (Buck o step down) son parte integral de muchos equipos electrónicos actuales. Estos permiten reducir un voltaje continuo (generalmente no regulado) a otro de menor magnitud (regulado). Básicamente están formados por una fuente DC, un dispositivo de conmutación y un filtro pasa bajos que alimentan a una determinada carga.

Hay dos diseños básicos para los reguladores: regulador lineal y regulador conmutado.

El funcionamiento del primero es similar a una resistencia variable que mantiene el voltaje de carga constante gracias a la realimentación proveniente de carga. En un regulador conmutado se emplean principalmente elementos de conmutación e inductores para lograr obtener el voltaje de carga deseado. Los convertidores tipo Buck a diferencia de los lineales tienen problemas de generación de Interferencia Electromagnética pero ofrecen una elevada eficiencia en la mayoría de los casos.

Si bien hoy en día es posible encontrar diversas variantes y topologías, se pretende cubrir la poca información inherente al tema a través de la descripción breve del funcionamiento y los parámetros de diseño de un convertidor Buck con una frecuencia de conmutación fija, modulación por ancho de pulso y la operación en modo continuo.

II. CONSTRUCCION DE UN REDUCTOR BUCK

La función del convertidor Buck es mantener una tensión de salida inferior a la de entrada regulada frente a variaciones de la tensión de entrada o de la carga. En la figura 1, se muestra el esquema del convertidor Buck. Se muestra el circuito del convertidor en lazo abierto para realizar un estudio detallado de su funcionamiento y definición de las variables de estados.

Figura 1. Esquema de un convertidor DC-DC tipo buck

Funcionamiento Básico del convertidor Buck En un regulador reducto, el voltaje promedio de salida , es menor que el voltaje de entrada , de

ahí la palabra ‘reductor’. El interruptor [S] conmuta a una frecuencia de conmutación ƒ= 1/T. Se distingue dos modos de operación según si la corriente por el inductor [L] se

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El convertidor reductor (Buck)Benítez Alan y Gerónimo Antonio

alln_ze09@hotmailgeropokes@hotmail.com

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anula durante el periodo de operación [T] o si por el contrario se mantiene a un valor de corriente .

III. CLASIFICACIONES DE CONDUCCION

Modo de conducción continúa En este modo de funcionamiento la intensidad que fluye por el inductor fluctúa entre unos valores máximos y mínimos, pero nunca llega a anularse. Esto, se debe a la relación entre el tiempo en el que el interruptor se encuentra cerrado, y el tiempo necesario para que la bobina descargue totalmente la energía almacenada previamente. En t=0 comienza a conducir el interruptor [S] (primera topología), el circuito equivalente de esta topología está representada en la figura. Como la tensión de salida es menor que la tensión de la entrada , la corriente por inductor [L] será creciente durante este intervalo. La corriente que circula por el interruptor es igual a la de L.

Figura 2. Convertidor buck durante topología ON

A continuación se muestra las ondas características del modo continuo.

Durante el intervalo de tiempo en que el interruptor se halla en conducción, es decir ‘ON’ y el diodo se

halla en corte, ‘OFF’, se dice que el interruptor se encuentra en la topología ON. Esta topología se cumplirá durante el intervalo 0˂t˂ δT, donde δ es el ciclo de trabajo (duty cycle). De ahí que dicho intervalo sea conocido como el intervalo , es decir 0˂t˂ . Durante la topología ON se verifican las siguientes expresiones:

= -( ) + ( )

= -( ) - ( ) + (1)

Un tiempo δT después se desconecta el interruptor S (segunda topología). Se genera entonces una sobretensión que hace conducir al diodo D (diodo de marcha libre) manteniendo así la continuidad de la corriente por L. El nuevo circuito está representado en la figura 3. La corriente por el inductor es ahora decreciente, por la que se abate hasta que el siguiente ciclo el interruptor se vuelve a activar.

Figura 3. Convertidor buck durante topología OFF

Durante el intervalo de tiempo en que el interruptor se halla desconectado es decir OFF, y el diodo de marcha libre se halla en conducción ON, se dice que el convertidor se encuentra en la topología OFF. Esta topología se cumplirá durante el intervalo, δT ˂ t˂ T. Por lo que dicho intervalo es conocido como el intervalo , es decir, ˂t ˂ T. Durante la topología OFF se verifican las siguientes expresiones:

= -( ) + ( )

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= -( ) - ( ) (2)

El modo de conducción continua se asocia al hecho de que el interruptor y el diodo nunca estarán en bloqueo a la vez.De este modo se puede decir que: T = + Será la ley de control la que determinará la duración de los sub-intervalos de conmutación a partir de las variables de estado de convertidor y de las posibles variables de estado del subsistema de control.

Modo de conducción discontinua

El modo de conducción discontinua presenta tres topologías. Las dos primeras son iguales a las topologías presentadas para el modo de conducción continua, y la tercera se define cuando los dos elementos conmutadores diodo de marcha libre r interruptor, están bloqueados OFF a la vez La tercera topología se debe a que la bobina tiene tiempo suficiente para descargar la energía almacenada. Supondremos que la corriente se anula a partir de algún instante del intervalo ˂ t ˂ T, hasta t=T. En t=0 comienza a conducir el interruptor S, el circuito resultante es el mismo que el representado en la figura 2. Un tiempo δT después se desconecta el interruptor S y conduce el diodo de marcha libre. El nuevo circuito es el representado en la figura 3.

En el instante t= la corriente se anula, el circuito resultante de esta nueva topología está representado en la figura 4.

Figura 4. Convertidor buck topología OFF

A continuación se muestra las ondas características del modo discontinuo.

De este modo se puede decir que: T= + +Por lo que las expresiones para el modo de conducción discontinuo son: Durante la topología ON (S- ON, D-OFF)

= -( ) + ( )

= - ( ) - ( ) + (3)

Durante la topología OFF (S- OFF, D-ON)

= -( ) + ( )

= -( ) - ( ) (4)

Durante la topología OFF (S- OFF, D-OFF)

= -

= 0 (5)

A continuación se diseñó un circuito de un convertidor reductor buck.

Para el diseño de este convertidor se tendrá en cuenta el siguiente planteamiento:

Vo= 28V Vs=48V la carga consume 28.8V la corriente de la bobina es permanenteEl rizado de la tensión no debe superar el 0.5%

La frecuencia es de 20Khz

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A continuación se realiza la gráfica y la simulación del convertidor en el programa orcad.

Pregunta realizada por Elmo Lisandro¿Porque se debe determinar una ?

Respuesta: para saber la corriente mínima a la cual debe de trabajar y mantener el modo continúo.

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0.583

R=

L = * =354.37

C=

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Antonio Gerónimo Reyes y Alan Benítez cursamos actualmente el 5˚ semestre de la carrera Ingeniero Mecánico Electricista en la Universidad de Colima.

REFERENCIAS [1] http://www.monografias.com/trabajos48/convertidor-

buck/convertidor-buck.shtml#ixzz2gDJ5HeoD

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