1. CLCULOS TERICOSPara las fuentes conmutadas se tienen dos mtodos de operacin, los cuales son el modo continuo y el discontinuo. En el modo continuo la corriente mnima sobre el inductor en cada ciclo de conmutacin nunca cae a cero, en el ciclo Toff el inductor carga al capacitor, y sise garantiza quela corriente mnima nunca sea cero, el rizado sobre la carga sera mnimo. Por el contrario, en el modo no continuo, la correinte mnima cae a cero as que el capacitor almienta la bobina y a la carga haciendo que el factor de rizado sobre la carga sea mayor.Debido a esto, se trabajar con las ecuaciones de diseo para los convertidores DC DC de modo continuo, para asegurar un menor rizado en el voltaje de salida obtenido.Ecuaciones para Buck:

Ecuaciones para Boost:

Ecuaciones para Buck-Boost:

En las ecuaciones anteriores

Diseo de la fuente BUCK o Step Down

Figura 1. Conversor DC-DC topologa Buck para implementar en la prctica

De la figura 1 y las ecuaciones 1 2 y 3 se tiene que:

Para implementar la seal de PWM se hace uso de un circuito integrado 555 en modo astableLas ecuaciones del 555 estn dadas por

Donde

A partir de lo anterior, para el clculo de las resistencias segn los lineamientos esperados para ciclo de dureza de la seal de control PWM, se tiene que:

Se implementa la siguiente funcin en MATLAB para tener un rpido clculo de las resistencias para la seal PWM debido a que esta debe ajustarse poteriormente dependiendo de los resultados que se obtengan de la fuente DC-DC

function param(f,D,c)T=1/f;t1=D*T;t2=T-t1;r2=t2/(c*log(2))r1=t1/(c*log(2))-r2end

A partir de esta funcin implementada en MATLAB, para una frecuencia determinada (10Khz) y ciclo de dureza determinado (0.72) se tiene que los valores de los resistores R1, R2 y C para el 555 son:R1=6.35K, R2=4.04K y C=10nF

Figura 2. Esquema de coneccin del circuito integrado 555 en modo astable

Diseo para la fuente BOOST o Step Up

Figura 3. Conversor DC-DC topologa Boost para implementar en la prctica

De la figura 3 y las ecuaciones 4, 5 y 6 se tiene

A partir de la funcin implementada en MATLAB, para una frecuencia determinada (10Khz) y ciclo de dureza determinado (0.625) se tiene que los valores de los resistores R1, R2 y C para el 555 son:R1=3.61K, R2=5.41K y C=10nFCabe sealar que en esta topologa el ciclo de dureza debe ser menor del 50%, sin embargo el 555 no permite obtener seales de menos de este Dutty, as que se realizan los clculos para un Dutty de 62.5% es decir 100-CDdeseado, (CDdeseado=37.5%) y con esto se tiene la seal PWM invertida, as que simplemente colocando una compuerta inversora 74ls04 a la salida del 555 se tiene entonces la seal de control PWM de frecuencia 10KHz y Dutty=37.5%.Diseo Para la fuente BUCK-BOOST

Figura 4. Conversor DC-DC topologa Buck-Boost para implementar en la prctica

De la figura 4 y las ecuaciones 7, 8 y 9 se tiene

A partir dela funcin implementada en MATLAB, para una frecuencia determinada (10Khz) y ciclo de dureza determinado (0.52) se tiene que los valores de los resistores R1, R2 y C para el 555 son:R1=6.87K, R2=686.72 y C=10Nf

2. SIMULACIONES

Todas las simulaciones se realizaron con el sofrware de diseo TINA de texas instruments, simulando los componentes discretos del circuito con sus tolerancias aproximadas a la realidad, tanto para los resistores como para las propiedades del 555, bobinas y capacitores. Debido a esto, la confiabilidad de los resultados obtenidos de estas simulaciones es alta ya que no se consideran los dispositivos como ideales.

Buck

Figura 5. Esquema para la fuente DC-DC Buck implementado en TINA

Figura 6. Simulacin de la fuente DC-DC topologa Buck implementado en TINABoostFigura 7. Esquema para la fuente DC-DC Boost implementado en TINA

Figura 8. Simulacin de la fuente DC-DC topologa Boost implementado en TINABuck/BoostFigura 9. Esquema para la fuente DC-DC Buck/Boost implementado en TINAFigura 10. Simulacin de la fuente DC-DC topologa Buck/ Boost implementado en TINA3. CIRCUITOS FUNCIONANDO DE ACUERDO A LOS REQUERIMIENTOSEl funcionamiento de las fuentes implementadas en la prctica se realiz con supervisin del profesor del curso, el cual corrobor la eficacia de los circuitos montados en la prctica. A continuacin se presentan los resultados obtenidos del osciloscopio.Buck

Figura 11. Salida registrada para la fuente Buck

Figura 12. Figura del rizado registrada para la fuente Buck

Frecuencia de conmutacin=9.78KHzDutty=74%Vo=3.56V Rizado= ((44e-3)/3.6)*100=1.2%Boost

Figura 13. Salida registrada para la fuente Boost

Figura 14. Figura del rizado obtenida para la fuente Boost

Frecuencia de conmutacin=9.94KHzDutty=39%Vo=7.86V Rizado= ((94e-3)/8)*100=1.2%

Buck/Boost

Figura 15. Salida registrada para la fuente Buck/Boost

Figura 16.Figura de rizado obtenida para la fuente Buck/Boost

Frecuencia de conmutacin=9.87KHzDutty=53%Vo=-5.48V Rizado= ((60e-3)/5.5)*100=1.1%4. ANLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONESAnlisisEn las figuras 5 a 10 se exponen los resultados de las simulaciones realizadas por medio de TINA para las diferentes topologas de fuentes conmutadas o conversores DC-DC propuestos en la prctica de laboratorio. En las figuras 11 a 16 se presentan los resultados obtenidos luego de haber implementado las fuentes conmutadas por medio de componentes discretos en protoboard.Para la topologa Buck mostrada en la figura 1, se tienen 2 SW que funcionan en contraposicin, es decir, si el SW1 est abierto, el SW2 est cerrado y viceversa. El SW2 se encuentra controlado a partir de una seal PWM y es implementado con un transistor mosfet canal P y el SW1 se puede implementar a partir de un diodo de alta velocidad. En la figura 5 se presenta el esquema realizado en TINA a partir del cual se pretende realizar el montaje de la fuente BUCK en la prctica, se pueden mencionar 2 etapas o 2 clases de circuitos, el que corresponde como tal a la topologa Buck que en ltima instancia es el que se muestra en la figura 1, y la parte del control del transistor que hace las veces de SW2 por medio de PWM a partir del circuito integrado 555.En la figura 6 se presenta la simulacin de la fuente Buck, junto con la seal PWM de control. Se evidencia que la salida del circuito simulado, es en efecto un valor reducido del valor de alimentacin del circuito que es 5V, dicha salida est en aproximadamente 3.6V y se observa un pequeo rizado en dicha seal. Cabe sealar que la presencia del rizado es evidente debido a que el tiempo en el que se grafica la seal es muy reducido, apenas 500S para poder visualizar la frecuencia de la seal de control. Segn estos resultados puede decirse que el circuito diseado en efecto genera una fuente DC con los requerimientos esperados de diseo.La topologa Boost mostrada en la figura 3 posee tambin 2 SWs a partir de los cuales se realiza la conmutacin para generar la fuente controlada. El SW2 tambin es un swiche de control el cual se simula con un transistor mosfet canal N y el SW1 con un diodo de alta velocidad de conmutacin.En la figura 7 se observa el esquema del circuito a implementar en la prctica, el cual, al igual que el Buck, como se mencion anteriormente, posee dos etapas, las cuales son la de control por PWM y la etapa del circuito o fuente conmutada como tal. En la figura 8 se observa la simulacin de la fuente elevadora, y en efecto se evidencia que el voltaje de salida est alrededor de los 8V que es lo esperado para lo cual fueron calculados los valores de capacitor y bobina trabajando en modo comn.Al igual que en las topologas anteriores, el Buck-Boost que se muestra en la figura 4 consta de 2 SW, en los cuales el SW2 es el controlado por PWM y se implementa a partir de un transistor mosfet canal P, y el SW1 se implementa a partir de un diodo de alta velocidad.En la figura 10 se observa que la salida del circuito final en efecto cumple con los parmetros requeridos de nivel de voltaje para el Buck-Boost o de polaridad negativa, debido a que dicho valor est aproximadamente a -5.5V.En las figuras 11 y 12 se presentan los resultados obtenidos mediante la implementacin prctica de la fuente conmutada Buck. En la figura 11 se observa que la salida del circuito montado en la prctica de laboratorio, en efecto cumple con el nivel DC esperado a la salida que es de 3.6V. En la figura 12 se observa una ampliacin de la seal DC obtenida mediante la fuente Buck y se observa que se presenta un rizado en dicha seal de salida, el cual corresponde a la carga y descarga del capacitor, y segn los cursores, se indica que dicho rizado presenta unas pequeas oscilaciones de apenas 44mV obtenindose un valor porcentual de 1.2%.En las figuras 13 y 14 se presentan los resultados obtenidos mediante la implementacin prctica de la fuente conmutada Boost.En la figura 13 se observa que la salida del circuito implementado en la prctica de laboratorio, la cual evidentemente cumple con el nivel DC esperado. Si bien no se obtuvo en valor de 8V, el valor 7.86V es muy aproximado y se puede considerar que los resultados estn en los mrgenes aceptables. Este fenmeno se present debido a que las consideraciones realizadas para el clculo de los valores de los capacitores y bobinas se hacen para una carga constante y tambin se tiene presente que los componentes activos no consumen carga, sin embargo en la prctica no existe una carga constante y adems se deben tener en cuenta los efectos realizados por la resistencia interna de la bobina, las corrientes de fuga del capacitor y en general el efecto Joule que suele presentarse en los circuitos, el cual termina bajando la eficiencia de la transferencia de energa y en ltima instancia lo que se tienen es resultados diferentes de los esperados o calculados.En la figura 14 se observa la seal DC ampliada a tal punto que se puede evidenciar el rizado de la fuente conmutada producido por la carga y descarga del capacitor, el cual tiene una magnitud de 94mV y termina por producir un rizado del 1.2%, el cual puede decirse que es lo suficientemente pequeo para garantizar un nivel DC casi que constante a la salida del circuito.En las figuras 15 y 16 se presentan los resultados obtenidos para la implementacin prctica de la fuente conmutada Buck-Boost.En la figura 15 se presenta la salida del circuito implementado en la prctica de laboratorio, y se observa que evidentemente el nivel DC obtenido cumple con los requerimientos esperados, en especial se observa la capacidad de esta fuente conmutada de producir una salida con polaridad inversa a la entrada, es decir, polaridad negativa. En general se obtiene esta polaridad debido a que la energa que el inductor le enva a la carga se direcciona en forma diferente, obteniendo una polaridad inversa a la salida del circuito. En la figura 16 se observa la forma de onda aumentada para visualizar las oscilaciones del nivel DC que produce la carga y descarga de los capacitores, es decir, el rizado y se evidencia que su magnitud es muy baja, apenas 60mV lo cual produce un factor de rizo de apenas 1.1%.ConclusionesSegn los resultados presentados durante el desarrollo de esta prctica de laboratorio se evidenci que las topologas propuestas en la gua para la implementacin de las fuentes Buck (Reductor), Boost (Elevador), Buck/Boost (Redudcor o Elevador con inversin de polaridad) son las apropiadas debido a que en efecto con cada una de estas se produce el cambio esperado en el nivel DC de la seal de entrada.El trabajar con un PWM fijo que produzca un ciclo de dureza constante y frecuencia constante es de gran utilidad a la hora de implementar una fuente conmutada DC, debido a que se tiene una gran estabilidad en la salida del circuito y en todos los swicheos que se realizan a partir del transistor activado en modo de conmutacin, evitando as posibles fallas debido a cargas y descargas asimtricas en los dispositivos almacenadores como bobinas y capacitores.El uso del software TINA de Texas instruments provee una herramienta con un alto grado de confiabilidad a la hora de simular e implementar fuentes conmutadas o conversores DC-DC debido a que en este se puede trabajar con simulaciones de componentes no ideales, es decir, componentes que simulan como tal una buena aproximacin a la realidad debido a que se puede jugar con las tolerancias de los dispositivos, propiedades trmicas, elctricas y de conduccin que no se pueden simular en otros tipos de sofrware. Debido a ello se facilita en gran medida la impmlementacin de circuitos complejos como son los conversores DC-DC.Los valores calculados de capacitores para el control del rizado que se montaron en la prctica producan un rizado mayor al 1%, esto debido a que se utilizaron capacitores electrolticos los cuales tienen una tolerancia muy grande (20%), debido a esto se requiri el uso de un capacitor adicional para ajustar el valor de rizado. Este procedimiento no presenta ningn inconveniente para los clculos realizados debido a que el valor del capacitor calculado en modo comn es el valor mnimo necesario para que se cumplan los requerimientos esperados, sin embargo dicho valor de capacitor puede ser mayor para asegurar la correcta disminucin del rizado. Tanto la eficiencia de la transferencia de energa entre la entrada y la salida de los circuitos implementados como los valores de voltajes registrados pueden diferir de los resultados simulados debido a que en la prctica jams se presenta una carga constante a la salida del circuito, adems se deben tener en cuenta efectos que se presentan en la realidad sobre los dispositivos utilizados en la realizacin de los montajes como lo son el efecto Joule, las corrientes de fuga de los capacitores, la variacin trmica de las resistencias y la resistencia interna de la bobina.El voltaje de activacin del transistor como swiche debe estar en el orden de los 10-15V para que este conmute apropiadamente. Esto debido a que en principio se trabaj con un voltaje de activacin de apenas 5V (Salida del 555) pero de esta forma a veces se produca nivel DC y otras no, sin embargo luego de haber cambiado la magnitud del voltaje de activacin este problema no se volvi a presentar. Adems es importante resaltar que no se puede utilizar un voltaje de activacin muy elevado porque se puede daar la capa de xido de silicio que posee el transistor.