INTRODUCCIN

Una fuente conmutada es un dispositivo usado para entregar energa a

equipos elctricos con un rango controlado de voltajes de salida para dicha

alimentacin. La entrega de energa se hace a travs de circuitos que emplean

transistores de potencia, los cuales en este trabajo son llamados interruptores de

potencia, trabajando en conmutacin a altas frecuencias, (entre 20 [Khz] y varios

[Mhz] dependiendo del diseo de la fuente). El voltaje de salida es controlado

mediante el ciclo de trabajo, frecuencia o fase de las conmutaciones. Para esto

se requiere de circuitos de comando o control aparte para los transistores, el cual

en este trabajo se llama circuito de control.

Las fuentes conmutadas son convertidores CC-CC, pero del tipo aislado,

por lo tanto la corriente de entrada debe ser previamente rectificada y filtrada con

una amplitud de ondulacin aceptable.

El convertidor seleccionado para el presente trabajo fue el Forward, ya

que es la topologa ms comn que cumple con el requerimiento de potencia

para el proyecto, el cual ser de 100 Watts. Este convertidor se emplaza a

continuacin del filtro capacitivo, siendo sta su entrada y, en su salida,

alimentar directamente a la carga.

En nuestro caso se utilizar un convertidor adicional posicionado entre el

rectificador y el filtro capacitivo de rizado actuando como emulador resistivo a fin

de realizar la correccin del factor de potencia y con esto obtener una alta

eficiencia del sistema total.

Dicha etapa consistir en el circuito tipo bomba de carga que se desarrolla

en el captulo 2, el cual se modifica para operar en base a slo un interruptor y

poder ser integrado con el convertidor Forward en el captulo 3.

Para implementar el circuito de control se utilizan circuitos integrados

especializados para el propsito, los cuales se adecuan a los requerimientos de

funcionamiento de la fuente con la insercin de unos cuantos componentes

externos. Para la eleccin de dichos componentes externos se realizan

simulaciones por software del circuito de control utilizando la estructura clsica

de controlador PID.

Junto con la ventaja de usar circuitos integrados especializados para el

circuito de control y a fin de aportar con el objetivo de mantener la construccin

de la fuente a un tamao compacto se procede finalmente a la construccin de

los componentes magnticos fijando una frecuencia de operacin de 100 [Khz]

con lo que se logra un tamao de componentes reducido. Las prdidas en los

ncleos se consideran despreciables para frecuencias bajo los 500 [Khz]. Las

prdidas debidas a la conmutacin usualmente se consideran como una

preocupacin a partir de frecuencias de unos 200 [Khz], donde las caractersticas

no ideales de los componentes, principalmente del interruptor comienzan a ser

causas dominantes en la prdida de energa, sin embargo estos asuntos se

considerarn cuando se desarrolle el proyecto fsicamente.

CAPTULO 1

TOPOLOGA DEL CONVERTIDOR CC/CC

PARA LA SALIDA DE LA FUENTE.

1.1 INTRODUCCIN.

En este captulo se presenta la topologa del primero de 2 circuitos de

potencia que se utilizarn como base para el circuito de potencia final en el cual

se pretende realizar la integracin de ambos.

Para ambos circuitos se detalla su funcionamiento y caractersticas de

operacin a fin de llevar a cabo de igual manera dicha integracin.

1.2 TOPOLOGA FORWARD.

La topologa del convertidor de la salida para la fuente conmutada elegido

para el proyecto es el Forward tpico con una salida controlada (un transistor) de

19.5 Volts a 100 Watts.

Esta topologa es la ms elemental de los convertidores aislados tipo

Buck, y usualmente es utilizada para aplicaciones en que se necesitan entre 100

y 300 Watts de salida.

En nuestro caso uno de los objetivos de diseo es ser fsicamente lo ms

compacto posible, por lo que tambin pudo haberse realizado una fuente tipo

Flyback, cuya topologa es la usualmente usada para aplicaciones de baja

potencia al usar menos componentes y ser considerada como la de ms bajo

costo econmico, pero ya que el objetivo final del proyecto es el diseo de una

nueva topologa al integrar el circuito emulador resistivo con el control en forma

eficiente, se opt por el convertidor Forward, el cual se considera como ms

estable y de mayor eficiencia. La topologa de dicho convertidor se muestra en la

figura 1-1.

Figura 1-1 Convertidor Forward.

Se puede notar la presencia del transformador Tr puesto entre el voltaje

de entrada y el convertidor de la etapa de salida. El interruptor de potencia es

usado para generar un voltaje pulsante con una forma de onda cuadrada cuya

amplitud es la del voltaje de entrada y su ciclo de trabajo es la variable

controlable. El transformador provee conjuntamente una funcin de elevador o

reductor como tambin un aislamiento galvnico de seguridad entre entrada de

lnea y la carga.

La mayor restriccin de esta topologa es que el ciclo de trabajo mximo

debe ser de alrededor del 50%. Siempre que un ncleo es excitado de forma

unidireccional, es decir, corriente siendo conducida desde una direccin hacia el

primario, el ncleo se debe resetear.

La energa de magnetizacin, la cual sirve solo para reorientar los lazos

magnticos dentro del ncleo, debe ser drenada, sino el ncleo caer en

saturacin luego de unos pocos ciclos. Esto es realizado mediante la conduccin

de corriente por un devanado auxiliar, denominado de desmagnetizacin,

durante el periodo en que el interruptor y los diodos rectificadores no estn

conduciendo. Mientras ms alto es el voltaje en el devanado, ms rpido ser el

drenado del ncleo. Normalmente, este devanado se elije con un nmero de

espiras igual al primario. La corriente proveniente del devanado de

desmagnetizacin puede ser retornada al condensador de entrada y reutilizada

durante el prximo ciclo de operacin, esto hace al sistema ms eficiente.

El funcionamiento del circuito es explicado a continuacin:

Cuando el interruptor conduce, ste ve la corriente del inductor filtro de salida

reflejada a travs del transformador. La amplitud de la corriente primaria es la

corriente de salida del rectificador por la razn de vueltas del transformador

(N1/N2) ms una pequea cantidad de corriente de magnetizacin. Durante el

tiempo en que el interruptor no conduce, su voltaje sube hasta casi el doble del

voltaje de entrada, durante ste periodo el devanado de desmagnetizacin

comienza a drenar la corriente de magnetizacin de vuelta hacia el condensador

de entrada.

La rectificacin de salida y la seccin de filtrado funciona idnticamente al

convertidor Buck. La forma de onda del secundario se ve como una forma

invertida del primario excepto que el punto de cero volts es el punto de entrada

en la forma de onda primaria. La forma de onda es positiva cuando el interruptor

conduce. El rectificador de salida tambin conduce durante este periodo. Este

presenta un voltaje unipolar, PWM (en forma de modulacin por ancho de

pulsos) y con forma de onda cuadrada, tal como ocurre en un convertidor Buck

tpico. El diodo de circulacin libre entonces opera cuando el interruptor y el

rectificador de salida no conducen. Entonces se mantiene corriente continua a

travs del inductor filtro de salida.

En el proyecto para conseguir menos esfuerzos por los picos de corriente

pulsante, se realizar el funcionamiento en modo de conduccin continua.

Adems de considerar el modo de conduccin continua, para el siguiente

anlisis son hechas las siguientes consideraciones:

-El convertidor opera en rgimen permanente

-Los semiconductores son ideales

-El transformador de alta frecuencia no tiene inductancia de dispersin

1.2.1 Etapas de operacin.

En el funcionamiento de la fuente Forward se distinguen tres etapas de

operacin.

a) Primera etapa (figura 1-2): El interruptor est en conduccin. La polaridad de

las bobinas primaria y secundaria permite que la energa sea transferida de la

fuente hacia la carga a travs del diodo 1D .

La polaridad del bobinado de reseteo es invertida de forma que el diodo

asociado a l se encuentra bloqueado.

El diodo de circulacin libre 2D , tambin se encuentra bloqueado.

Las principales ecuaciones descritas durante esta etapa son:

1 eV V? (1.1)

0sV ? (1.2)

2eVV

n? (1.3)

0oe

LVV Vn

? ? (1.4)

00

0( ) eL m V n Vi t n I t

n L? ?? ? ? ?? (1.5)

Figura 1-2 Primera etapa de operacin del convertidor Forward.

b) Segunda etapa (figura 1-3): El interruptor es abierto, los bobinados primario

y secundario cambian instantneamente sus polaridades haciendo que el diodo

de transferencia 1D sea bloqueado.

En este instante el diodo 2D entra en conduccin asumiendo la corriente

a travs del inductor.

El bobinado de desmagnetizacin tambin invierte su polaridad colocando

en conduccin en diodo, asegurando la continuidad de la energa almacenada en

la inductancia magnetizante del transformador, siendo esta devuelta a la fuente

de alimentacin.

Las principales ecuaciones descritas durante esta etapa son:

1 eV V? ? (1.6)

1 1 2pe et

NV V VN

? ?? ? ? ? ?? ?? ?(1.7)

2eVV

n? ? (1.8)

0oLV V? ? (1.9)

Figura 1-3 Segunda etapa de operacin del convertidor Forward.

c) Tercera etapa (figura 1-4): La corriente a travs de la inductancia

magnetizante se anula y como consecuencia deja de circular corriente a travs

del bobinado de desmagnetizacin y el diodo.

As se garantiza la desmagnetizacin del transformador de alta frecuencia.

La corriente a travs del inductor filtro continua en circulacin libre por el

diodo 2D .

Las principales ecuaciones descritas durante esta etapa son:

1 0V ? (1.10)

s eV V? (1.11)

2 0V ? (1.12)

0oLV V? ? (1.13)

Figura 1-4 Tercera etapa de operacin del convertidor Forward.

1.2.2 Variables envueltas en la operacin del circuito.

La forma en que se relacionan el periodo de conmutacin y el tiempo

durante el cual el transistor conduce queda definida con la siguiente ecuacin,

definiendo la variable llamada razn cclica:

ontDT

? (1.14)

Para garantizar la desmagnetizacin del transformador antes del trmino

del periodo de conmutacin se define la siguiente restriccin para la razn

cclica:

max1

1 tp

D NN

??

(1.15)

Como en el diseo se considerar Nt Np? , se tiene que:

max12

D ? (1.16)

La ganancia esttica se define como la relacin de las tensiones

salida/entrada en funcin de la razn cclica, tomando cualquier otra variable

como parmetro. Para el convertidor Forward en modo de conduccin continua,

se tiene que:

1 2A A? (1.17)

0 on

e

NV tV T

? (1.18)

0

e

NV DV

? (1.19)

Definiendo la ganancia esttica como Gv:

0v

e

NV GV

? (1.20)

Finalmente se tiene que:

vG D? (1.21)

Por lo tanto la ganancia esttica para el convertidor Forward en modo de

conduccin continua es en funcin de D y no es necesario tomar otro

parmetro.

Como en la ganancia no influye la corriente de carga, implica que para

cualquier variacin en la corriente de carga y un determinado valor de razn

cclica se tiene que la ganancia esttica es un valor de constante.

La caracterstica externa es presentada como el cociente entre la corriente

de carga y la corriente de carga nominal, llamando a esto como la corriente de

carga normalizada:

00

on

III

? (1.22)

La ondulacin de corriente se obtiene a partir de:

00 0

LL

IV Lt

?? ?(1.23)

De las ecuaciones de la segunda y tercera etapa de funcionamiento se

concluye entonces que:

? ?0

0 0L

on

IV LT t?? ?

(1.24)

Sustituyendo en esta ecuacin se obtiene la ondulacin de corriente:

? ?0 0

0

1L

D TI V

L?? ? (1.25)

Donde:

1fT

? (1.26)

Y se puede entonces tener la ecuacin para el diseo de la inductancia:

? ?0

00

1L

V DL

I f?? ? (1.27)

En el condensador circula la componente alterna de la corriente del

inductor, mientras que en la resistencia circula la componente continua, con esto

se puede obtener la expresin para la ondulacin de tensin en el condensador:

00

02L

CC

IVf V?

?? ? ? ? (1.28)

Y se puede obtener la ecuacin para el diseo del condensador:

0

0

02

L

C

ICf V??? ? ?? (1.29)

Adicionalmente para el diseo del condensador se debe tener en cuenta la

siguiente restriccin referente a su resistencia serie equivalente Rse:

0

0

CSE

L

VRI

?? ? (1.30)

CAPTULO 2

EMULADOR RESISTIVO:

CIRCUITO TIPO BOMBA DE CARGA.

2.1 INTRODUCCIN.

En este capitulo se presenta el circuito tipo bomba de carga simtrico, el

cual se utilizar como base para disear la etapa que comprende la tarea de la

pre-regulacin del factor de potencia, al ser implementado como emulador

resistivo.

2.2 EL PROBLEMA DE LA EFICIENCIA Y CONCEPTO DE EMULADOR

RESISTIVO.

Desde hace unos aos que diversos organismos de investigacin sobre

energa elctrica vienen prediciendo que para el ao 2012 ms del 60% de la

energa utilizada mundialmente ser procesada mediante algn dispositivo de

electrnica de potencia. Sin embargo, la mayora del equipamiento genera

corrientes pulsantes hacia las lneas de transmisin, con baja calidad de potencia

y altos contenidos armnicos que afectan adversamente a otros usuarios. La

situacin ha llamado la atencin de organismos regulatorios a lo largo del

mundo, los gobiernos han afinado sus regulaciones, ajustando nuevas

regulaciones para corrientes de bajo contenido armnico y restringiendo la

cantidad en que ondas electromagnticas pueden ser emitidas.

Las fuentes conectadas a la lnea principal de distribucin introducen

corrientes armnicas indeseadas, es bien sabido que dichas corrientes causan

distintos problemas tales como distorsiones de voltaje, calentamiento, ruido y

reducen la facultad de la lnea de proveer energa. Este punto y la necesidad de

cumplir con estndares han forzado a utilizar circuitos de correccin del factor de

potencia en las fuentes.

El concepto de factor de potencia fp surge de la necesidad de cuantificar

cuan eficientemente una carga utiliza la corriente proveniente desde la red.

La definicin genrica de fp es dada como el cociente de la potencia

media y la potencia aparente, o:

med med

ef ef

P PfpS V I

? ? (2.1)

Es importante considerar la existencia de sistemas con seales

sinusoidales y no sinusoidales, ya que dependiendo de la naturaleza de stas se

ver afectado el clculo del fp , esto se explica porque en las seales no

sinusoidales se encuentra la presencia de armnicos, los cuales son generados

por cargas no lineales conectadas a la red. Las fuentes conmutadas son un

ejemplo muy comn de esta situacin y es el problema que se presenta en

nuestro caso, donde la corriente de red presenta una forma de pulsos alternados,

que de hecho estn en fase con el voltaje, pero que distan mucho de ser una

forma sinusoidal, generando los ya citados armnicos, los cuales contribuyen

solo para reducir el fp . De esta manera, cuando en un sistema elctrico hay

armnicos presentes, voltajes y corrientes se pueden representar mediante la

serie de Fourier de la forma:

01

( ) ( )n o nn

v t V V sen n t? ??

?? ? ?? (2.2)

0 m1

( ) I ( )o mm

i t I sen m t? ??

?? ? ?? (2.3)

La obtencin del valor efectivo de una seal en (2.2) est dado por:

2

0

1 ( )T

efV v t dtT

? ?? (2.4)

entonces reemplazando (2.2) en (2.4) se tiene el valor efectivo de tensin:

22

01 2

nef

n

VV V?

?? ?? (2.5)

de manera similar se puede obtener el valor efectivo de corriente:

22

01 2

mef

m

VI I?

?? ?? (2.6)

La potencia media para seales no sinusoidales esta dada por:

0

1 ( ) ( )T

medP v t i t dtT

? ? ? (2.7)

De esta forma se sustituyen las expresiones de tensin y corrientes dadas en

(2.2) y (2.3), luego:

0 0 m1 10

1 ( ) I ( )T

med n o n o mn m

P V V sen n t I sen m t dtT

? ? ? ?? ?

? ?

? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ??? ? ? (2.8)

Considerando un sistema alterno donde sus componentes continuas son

cero y como las seales de tensin y corriente son conjuntos ortogonales

entonces, se tiene que 0medP ? si n m? , por lo tanto la expresin de potenciamedia se vuelve:

1cos( )

2n n

med n nn

V IP ? ??

?? ?? ? ? (2.9)

Por lo tanto la energa del circuito es transmitida a la carga solamente

cuando la serie de Fourier de ( )v t e ( )i t contienen trminos en la misma

frecuencia.

Entonces para encontrar la expresin del fp en un sistema con seales

no sinusoidales se reemplaza (2.5), (2.6) y (2.9) en (2.1), obtenindose:

2 2

12 2

1 1

2 2

cos( )2

2 2 2 2

n nn n

n

n m

n n

V I

fpV V I V

? ??

?? ?

? ?

??

? ?

?? ?

? ?

?(2.10)

Ya que 0V e 0I son nulos, donde n? es el desfase de tensin y m? eldesfase de corriente.

Si se tiene una carga no lineal y tensin de alimentacin sinusoidal (caso

normal en los sistemas elctricos de potencia), las corrientes armnicas no

contribuyen a la potencia media. Considerando esto en un sistema alterno donde

0V = 0I =0, se puede expresar el fp como:

11 1

1 1

2 2 21

212 2

cos( ) cos( )2

12 2

n n

n n

I

fpI I I

I

? ? ? ?? ?

? ?

? ?? ?? ?? ?

?(2.11)

Siendo (2.11) la expresin que se considera vlida para el presente

proyecto, ya que en ste se tiene una carga no lineal alimentada con una tensin

sinusoidal.

Se puede concluir de las expresiones anteriores entonces que las

componentes armnicas siempre aumentan el valor eficaz, pero no

necesariamente aumentan la potencia media, y conjuntamente se puede decir

que valores eficaces grandes, significan en un circuito aumento en las prdidas.

Un fp unitario indica un que 100% de la corriente est contribuyendo a la

potencia en la carga, mientras que un fp de cero indica que nada de la corriente

contribuye a la potencia en la carga. Cargas puramente resistivas tienen un fp

unitario, la corriente a travs de ellas es directamente proporcional al voltaje

aplicado. Es importante tener un fp lo ms cercano a la unidad de manera que

nada de la potencia es reflejada de vuelta a la lnea, y as no causar los

problemas ya mostrados.

En la Figura 2-1 se grafica el desaprovechamiento de potencia producido

por factores de potencia pobres.

Como se muestra en la figura 2-1, la corriente est compuesta por pulsos

alternados de corta duracin pero de alta intensidad. Esta forma de onda no se

parece en nada a una sinusoide como el voltaje de entrada y por lo tanto, su

contenido armnico es bastante elevado, produciendo con esto un bajo factor de

potencia, lo que significa un mal aprovechamiento energtico.

Existen diversas soluciones para la reduccin del contenido armnico,

entre las cuales estn aquellas cuyo principio de funcionamiento se basa en el

concepto de emulador resistivo.

El esquema bsico del emulador resistivo consiste en interponer un

convertidor CC/CC entre el rectificador y el filtro capacitivo.

Figura 2-1 Desaprovechamiento de energa.

Este convertidor debe ser visto por la fuente de alimentacin como una

resistencia, logrando, de esta manera, que la corriente de entrada sea el reflejo

de la forma de onda de la tensin de entrada, por lo tanto, la corriente de red ya

no estar compuesta por pulsos alternados, sino que, presentar un formato

sinusoidal y en fase con la tensin de red, obtenindose un factor de potencia

unitario. En la figura 2-2 se muestra el resultado de la corriente media con el

emulador resistivo, como se aprecia el valor vara entre un mximo y cero, lo que

introduce ruido, hacindose necesario el diseo de un filtro, pero eso se

abordar ms adelante en el desarrollo del proyecto.

En la Figura 2-3 se aprecia el cambio en el aprovechamiento energtico

luego de aplicado el emulador resistivo.

2.3 CIRCUITO TIPO BOMBA DE CARGA.

Para la etapa de la pre-regulacin del factor de potencia se basar el

diseo en el circuito tipo bomba de carga simtrico, el cual se aprecia en la figura

2-4, el cual opera en base a 2 interruptores, por lo que se realizar un anlisis de

las etapas de operacin para luego ver la factibilidad de su integracin con el

convertidor Forward mediante un solo interruptor.

Figura 2-2 Forma de la corriente luego de aplicar el emulador resistivo.

Figura 2-3 Energa aprovechada luego de aplicar el emulador resistivo.

El circuito tipo bomba de carga simtrico est formado por una red

resonante formada por los condensadores 1Cr , 2Cr y el inductor Lr , los diodos

fijadores de tensin 1Dr y 2Dr , el inversor medio puente formado por los

interruptores 1S , 2S y los diodos 1DS , 2DS , y la carga tipo fuente de tensin

formada por el filtro capacitivo 0C y la resistencia equivalente de carga 0R . La

fuente alterna de voltaje representa a la red de distribucin domstica (220

[V]rms, 50 [Hz]).

La inclusin del filtro, hace que la corriente de entrada sea pulsada y

discontinua, lo que ocasiona ruido en la frecuencia de conmutacin en la fuente,

por lo cual, y para atenuar el ruido elctrico generado por el circuito se utiliza,

previo al rectificador monofsico, un filtro de CA del tipo LC, ilustrado en la figura

2-4 por Lf y Cf .

Figura 2-4 Circuito tipo bomba de carga simtrico.

2.4 Etapas de operacin.

A continuacin se describen las etapas de operacin correspondientes a

un perodo de conmutacin, trabajando con frecuencia de conmutacin

constante, obtenindose, a partir de los circuitos equivalentes de cada etapa de

operacin, las principales ecuaciones que describen su comportamiento. Para

dicho anlisis se considera su funcionamiento en rgimen permanente y los

componentes del convertidor son considerados ideales, adems como la

frecuencia de conmutacin es mucho mayor que la de red, la fuente alterna es

reemplazada por una fuente de tensin continua de valor Ve.

a) Primera etapa (Figura 2-5): En la primera etapa de operacin, el interruptor

2S se encuentra en conduccin y el diodo 4D est polarizado directamente, el

condensador 2Cr , cargado a la tensin mxima de red, entrega su energa a la

bobina Lr y, el condensador 1Cr es cargado por la fuente de entrada, as la

corriente resonante en la bobina Lr comienza a crecer a partir de cero,

correspondiendo a la suma de las corrientes a travs de ambos condensadores;

el condensador de salida 0C entrega energa a la carga. Al final de esta etapa el

condensador 1Cr se carga a la tensin de entrada, el condensador 2Cr se

descarga por completo y la corriente en la bobina Lr llega a su valor mximo. El

circuito equivalente de esta etapa de operacin se muestra en la figura 2-6.

Figura 2-5 Primera etapa de operacin del circuito tipo bomba de carga.

Figura 2-6 Circuito equivalente de la primera etapa de operacin.

A partir del circuito equivalente de la primera etapa de operacin se

determina la expresin de la corriente en la bobina Lr :

? ? ? ?0 00

eLrVi t sen t tZ

? ?? ? ?? ?? ? (2.12)

El condensador 1Cr y el condensador 2Cr se cargan y descargan segn:

? ? ? ?? ?01 01 cosCr eV t V t t? ?? ? ? ?? ?? ? (2.13)

? ? ? ?02 0cosCr eV t V t t? ?? ? ? ?? ?? ? (2.14)

Donde 0? es la frecuencia de resonancia y 0Z es la impedancia naturaldel circuito resonante, dados por:

? ?0 1 21

r r rL C C? ?

? ? (2.15)

01 1

r

r r

LZC C

? ? (2.16)

A partir de la ecuacin (2-12) se determina la duracin de la primera

etapa, y la corriente mxima, dadas por:

102

t ??? ? ? (2.17)

0

eLrMAXViZ

? (2.18)

b) Segunda etapa (Figura 2-7): La segunda etapa de operacin comienza en el

instante t=t1, cuando el condensador 1Cr se carga a la tensin de red Ve , y el

condensador 2Cr se descarga por completo, los diodos 1Dr y 2Dr fijan dichas

tensiones y como /Ic C dv dt? ? , las corrientes en los condensadores se anulan,al igual que la red (la corriente de red es la suma de las corrientes de los

condensadores), luego el diodo 4D se bloquea; el interruptor 2S sigue

polarizado directamente, asumiendo la corriente de la bobina Lr y como 2 0CrV ? ,el diodo 2Dr se polariza directamente, conduciendo la corriente de la bobina Lr ,

quedando Lri en circulacin libre a travs del interruptor 2S y el diodo 2Dr ; elcondensador de salida 0C entrega energa a la carga. Esta etapa finaliza cuando

el interruptor 2S es bloqueado. El circuito equivalente de esta etapa de

operacin se muestra en la figura 2-8.

Figura 2-7 Segunda etapa de operacin del circuito tipo bomba de carga.

Figura 2-8 Circuito equivalente de la segunda etapa de operacin.

A partir del circuito equivalente para la segunda etapa de operacin y

considerando componentes ideales se concluye que la corriente Lripermanecer constante durante esta etapa y su valor ser igual a la corriente en

el comienzo de esta etapa, es decir la corriente mxima.

c) Tercera etapa (Figura 2-9): La tercera etapa de operacin comienza cuando

el interruptor 2S es bloqueado, entrando en conduccin el diodo 1DS , as, la

corriente en la bobina Lr queda en circulacin libre, a travs de los diodos 2Dr

y 1DS , entregando su energa a la carga, luego, la corriente Lri comienza adecrecer linealmente segn la ecuacin descrita. Hasta que la bobina a

entregado toda su energa, anulndose dicha corriente, bloquendose los diodos

2Dr y 1DS , instante en que el interruptor 1S entra en conduccin con tensin

cero, caracterizando una nueva etapa de operacin.

Figura 2-9 Tercera etapa de operacin del circuito tipo bomba de carga.

Figura 2-10 Circuito equivalente de la tercera etapa de operacin.

? ? ? ?0 30

eLrVi t sen t tZ

? ?? ? ?? ?? ? (2.19)

Considerando que al final de esta etapa la corriente Lri se anula y a partirde la anterior ecuacin se determina la duracin de la cuarta etapa, dada por:

300

eVtV ?? ? ? (2.20)

d) Cuarta etapa: Esta etapa comienza cuando la corriente Lri se anula,entrando en conduccin el interruptor 1S y el diodo 1D , el que es polarizado

directamente; el condensador 1Cr , cargado inicialmente a la tensin mxima de

red, entrega su energa a la bobina Lr , y el condensador 2Cr es cargado por la

fuente de entrada, luego la corriente resonante en la bobina Lr comienza a

crecer negativamente a partir de cero, correspondiendo a la suma de las

corrientes a travs de ambos condensadores; el condensador de salida 0C

entrega energa a la carga. Al final de esta etapa el condensador 2Cr se carga a

la tensin de entrada, el condensador 1Cr se descarga por completo y la

corriente en la bobina Lr llega a su valor mximo. A partir del circuito

equivalente mostrado en la Figura 2-12 se determina la expresin de la corriente

en la bobina Lr .

? ? ? ?0 30

eLrVi t sen t tZ

? ?? ? ?? ?? ? (2.21)

Figura 2-11 Cuarta etapa de operacin del circuito tipo bomba de carga.

A partir del circuito equivalente se determina la expresin de la corriente

en la bobina Lr .

? ? ? ?0 30

eLrVi t sen t tZ

? ?? ? ?? ?? ? (2.22)

El condensador 1Cr y el condensador 2Cr se cargan y descargan segn

las siguientes ecuaciones:

? ? ? ?? ?02 31 cosCr eV t V t t? ?? ? ? ? ?? ?? ? (2.23)

? ? ? ?01 3cosCr eV t V t t? ?? ? ?? ?? ? (2.24)

Figura 2-12 Circuito equivalente de la cuarta etapa de operacin.

A partir de la ecuacin de Lri se determina la duracin de esta etapa, y lacorriente mxima, dadas en las siguientes ecuaciones:

1 402

t t ??? ?? ? ? (2.25)

0

eLrMAX

ViZ

? ? (2.26)

e) Quinta etapa: La quinta etapa de operacin comienza en el instante t=t5,

cuando el condensador 2Cr se carga a la tensin de red, y el condensador 1Cr

se descarga por completo, los diodos 1Dr y 2Dr fijan dichas tensiones y las

corrientes en los condensadores se anulan, al igual que la red, luego el diodo 1D

se bloquea; el interruptor 1S sigue polarizado directamente, asumiendo la

corriente de la bobina Lr y como 1 0CrV ? , el diodo 1Dr se polariza directamenteconduciendo la corriente de la bobina Lr , la que queda en circulacin libre, a

travs del interruptor 1S y el diodo 1Dr ; el condensador de salida 0C entrega

energa a la carga. Esta etapa finaliza cuando el interruptor 1S es bloqueado.

Como se consideran componentes ideales se concluye que la corriente Lripermanecer constante durante esta etapa y su valor ser igual a la corriente

mxima dada.

Figura 2-13 Quinta etapa de operacin del circuito tipo bomba de carga.

Figura 2-14 Circuito equivalente de la quinta etapa de operacin.

f) Sexta etapa: La sexta etapa de operacin comienza cuando el interruptor 1S

es bloqueado, entrando en conduccin el diodo 2DS , as, la corriente en la

bobina Lr queda en circulacin libre, a travs de los diodos 1Dr y 2DS ,

entregando su energa a la carga; luego, la corriente Lri comienza a decrecerlinealmente segn la ecuacin (2-28), hasta que la bobina ha entregado toda su

energa, anulndose dicha corriente, bloquendose los diodos 1Dr y 2DS ,

instante en que el interruptor 2S entra en conduccin con tensin cero,

completando de esta manera un ciclo de operacin en alta frecuencia.

? ? ? ?0 50 0

eLr

V Vi t t tZ L

? ? ? ? ? (2.27)

6 300

eVt tV ?? ? ? ? ? (2.28)

Figura 2-15 Sexta etapa de operacin del circuito tipo bomba de carga.

Figura 2-16 Circuito equivalente de la quinta etapa de operacin.

La corriente de entrada tiene el doble de la frecuencia de conmutacin,

por lo que su periodo es / 2Ts , luego, el valor de la corriente media instantnea

de entrada est determinada por:

? ? ? ? ? ? ? ?1

0

/2 0 0

00

1 2/ 2 2

sT te

e es s t

V t sen t ti t i t dt dt

T T Z? ?? ?? ?? ?? ?? ? ?? ? (2.29)

Resolviendo esta ecuacin se obtiene:

? ? ? ?0 0

1ee

S

V ti t

Z T?? ??? ? (2.30)

De esta expresin se concluye que la corriente media de entrada sigue a

la tensin de entrada en forma natural si el periodo Ts es mantenido constante,

por lo tanto, el circuito trabajando como elevador de tensin y con frecuencia de

conmutacin constante, se comporta como un emulador resistivo natural.

CAPTULO 3

CIRCUITO DE POTENCIA TOTAL.

3.1 INTRODUCCIN.

En este captulo se realiza el diseo del circuito de potencia total, es decir

se desarrolla la integracin entre los circuitos expuestos anteriormente en los

captulos 1 y 2.

Durante el desarrollo se detalla paso a paso el proceso de integracin

mediante simulaciones, observando los cambios en el comportamiento del

circuito en la insercin de cada rama, para as lograr una correcta integracin y

modificacin con el circuito emulador resistivo, el cual debe ahora operar solo

con un interruptor.

3.2 DISEO DEL CONVERTIDOR FORWARD

Para el convertidor Forward se eligi, para su funcionamiento en rgimen

permanente, una frecuencia de conmutacin de f = 100 [KHz] y una razn cclica

de D = 0,3.

Ya que:

1Tf

? (3.1)

y:

ont D T? ? (3.2)

Se obtiene un periodo de conmutacin de T = 10[?seg] y un tiempo de

conduccin del interruptor de ont = 3 [?seg].

Considerando en el transformador de alta frecuencia un devanado

primario de 125 [mH] y considerando las ecuaciones:

0

eV DnV?? (3.3)

2p

s

LL

n? (3.4)

Luego se obtiene un devanado secundario de 6 [mH].

Para el clculo del inductor de salida se consider una ondulacin de

corriente de 0 0.1 LI I? ? ? , donde LI es la corriente en la carga, para calcular esta

corriente de carga a fines de simulacin se ocup:

oL

o

PIV

? (3.5)

para una potencia de salida de 100[W] y un voltaje de salida de 19.5V.

Luego de estos datos se ocup:

(1 )oo

Lo

V DLI f? ?? ? ?

, (3.6)

obtenindose oL = 535 [?H].

En esta primera instancia en que no se ha integrado el control se

consider un condensador de salida de 100 [?F], el cual otorga una ondulacin

de salida relativamente aceptable.

En la figura 3-1 se aprecia el circuito del convertidor Forward en solitario y

luego sus respectivas grficas de las variables asociadas.

Figura 3-1 Circuito del convertidor Forward usado en las simulaciones.

Con el circuito mostrado en la figura 3-1 se procedi a realizar las

simulaciones en Spice obtenindose los siguientes mostrados en las figuras 3-2

a 3-6.

En la figura 3-2 se aprecia que el voltaje de salida est en el valor que se

buscaba, el cual era de alrededor de los 19 [V].

En la figura 3-3 se aprecia la potencia de salida con un valor medio de 95

[W], encontrndose ste en el rango deseado, el cual deba estar entre los 90 y

100 [W].

Las Figuras 3-4a y 3-4b muestran la potencia de entrada. Mientras

grafica el transitorio de partida, tambin se puede observar el valor hacia el cual

converge, el cual es de 250 [W]. Como se aprecia en las grficas a igual escala

de tiempo, a pesar que se consigui un voltaje cercano a los 19 [V], con una

ondulacin de 0.5 [V], la potencia de entrada Pe es mucho mayor que la

potencia de salida Ps , demostrando as una baja eficiencia ef , donde:

PsefPe

? (3.7)

Anteriormente se verifico que Ps =95 [W]y Pe =250[W], por lo tanto se tiene que

0.38ef ? .De igual manera se obtiene un bajo factor de potencia del sistema como se

observa en la figura 3-5.

Figura 3-2 Tensin de salida

Figura 3-3 Potencia de salida.

Figura 3-4 Potencia de entrada

Figura 3-5 Factor de potencia

En la figura 3-6 se aprecia la grfica de la tensin y corriente de red se

observa que la corriente esta formada por pulsos de corta duracin y alta

intensidad. Esta es la principal causa del bajo factor de potencia del sistema, lo

que se pretende ser corregido con la inclusin del circuito de emulador resistivo.

Figura 3-6 Corriente y tensn de red

3.3 INTEGRACIN CON EL EMULADOR RESISTIVO.

3.3.1 Rama desmagnetizante.

Primero se realiz la inclusin de la rama compuesta por el condensador

Cg , el inductor Lg y los diodos 1Dg y 2Dg como se muestra en la figura 3-7.

Esta rama es la encargada de drenar la energa magnetizante acumulada

en el transformador durante el bloqueo del interruptor, durante este lapso, circula

una corriente por Cg y 1Dg , cargndose de esta manera el condensador Cg .

Una vez que el interruptor entra nuevamente en conduccin est energa

almacenada en Cg se descarga a travs del inductor Lg , que a su vez la inyecta

de vuelta al sistema aumentando as la eficiencia de ste.

Con la insercin de esta rama se pudo eliminar la necesidad de incluir el

devanado extra de desmagnetizacin del transformador.

El correcto funcionamiento del convertidor con la nueva rama de

desmagnetizacin explicada se aprecia en la figura 3-8, no existen sobre

tensiones sobre el interruptor como ocurrira en el caso que solamente se

eliminara el devanado desmagnetizante.

Luego con la inclusin de dicha rama, se observa en la figura 3-8 que el

circuito cumple con la funcin de fijar la tensin del interruptor en un valor

adecuado.

Figura 3-7 Convertidor Forward con rama desmagnetizante.

Figura 3-8 Tensin sobre el interruptor con rama desmagnetizante.

En la figura 3-9 se observa que una vez que el interruptor deja de

conducir, el condensador Cg asume la corriente de magnetizacin debida a Lp.

En (a) se aprecia la corriente del devanado primario del transformador, una vez

que el interruptor deja de conducir, el condensador Cg invierte su corriente (b) y

asume la corriente debida a la energa almacenada en Lp .

Figura 3-9 Corrientes de Lp y Cg .

Una vez que el interruptor vuelve a conducir el condensador se descarga

a travs de Lg , el cual a su vez drena su energa a travs de 1Dg , retornndola

de esta manera a la fuente.

En la figura 3-10 a, b y c se aprecia la situacin descrita. En 3-10a y b se

ve que a travs de Cg comienza a circular una corriente que es igual a la

corriente en Lg , una vez que esta corriente ha cargado Lg , ste devuelve la

energa a la fuente a travs de 1Dg como se aprecia en 3-10b y c.

As entonces con la inclusin de esta rama se logra el drenaje de la

corriente de magnetizacin debida a Lp y no se producen sobre-tensiones en el

interruptor como se mostr anteriormente.

Si bien esta rama permite la eliminacin del devanado auxiliar, todava

existe el problema del factor de potencia.

A continuacin se incluye la adaptacin del circuito tipo bomba de carga

explicado en la segunda presentacin para su funcionamiento con un solo

interruptor.

Figura 3-10 Corrientes de Cg y Lg .

3.3.2 Circuito de potencia con la integracin realizada.

El circuito de potencia con el emulador resistivo integrado se presenta en

la figura 3-11, en la tabla 3-1 se detallan los componentes de este circuito.

Las variables que rigen sus etapas de funcionamiento son el voltaje de red

y principalmente el periodo de conmutacin.

Respecto al voltaje de red, ste afecta dependiendo si esta en semiciclo

positivo o negativo sobre los diodos del rectificador de entrada y los

condensadores resonantes 1Cr y 2Cr .

En el semiciclo positivo conducen los diodos 1 y 4, mientras los 2 y 3

se encuentran bloqueados, para el semiciclo negativo pasa lo inverso, como se

puede apreciar en las figuras 3-12 y 3-13.

Tabla 3-1 Componentes del circuito de potencia

Componente Descripcin ValorVac Voltaje de red 220 RMSD1 Diodo rectificador primario IdealD2 Diodo rectificador primario IdealD3 Diodo rectificador primario IdealD4 Diodo rectificador primario IdealCr1 Condensador resonante 1 9nFCr2 Condensador resonante 2 9nFC Condensador filtro primario 470uFD5 Diodo rama Lg IdealD6 Diodo rama Lg IdealLg Inductor de recuperacin 300uHLr Inductor resonante 195uHCg Condensador desmagnetizante 1uFS Interruptor IdealLp Devanado primario de Tr 125mHLs Devanado secundario de Tr 6mHDo Diodo de salida IdealDlib Diodo de circulacin libre IdealLo Inductor de salida 500uHCo Condensador filtro salida 50uRl Resistencia de carga variable

Figura 3-11 Circuito de potencia con la integracin realizada.

Para el circuito de la figura 3-11 se puede apreciar la grfica de las

corrientes en los diodos 1 y 4 en la figura 3-12 y de los diodos 2 y 3 en la figura

3-13, de estas grficas se deduce el tpico comportamiento de conduccin de un

rectificador tipo puente, pero con una caracterstica de corriente pulsada de alta

frecuencia acotada por la tensin de red.

Figura 3-12 Corrientes en los diodos 1 y 4 respecto del voltaje de red.

Figura 3-13 Corrientes de los diodos 2 y 3 respecto del voltaje de red.

Los condensadores resonantes tambin se comportan de distinto modo si

es que se encuentran en el semiciclo positivo o negativo de red como se observa

en las figuras 3-14 y 3-15.

Figura 3-14 Tensin de 1Cr en un ciclo de red.

Figura 3-15 Tensin de 2Cr en un ciclo de red.

Para los dems componentes el comportamiento es igual para los

semiciclos positivo o negativo de red.

Finalmente la variable ms importante que es la corriente de entrada, se

muestra en la figura 3-16, donde est comparada junto a la tensin de entrada y

se puede notar claramente que ahora ya no registra una forma de pulsos

alternados y se acerca a la forma sinusoidal de este voltaje, obteniendo as,

como se ver al final del anlisis, un factor de potencia de 0.98.

Figura 3-16 Corriente de entrada comparada con la tensin de entrada.

3.4 ANLISIS DE LAS ETAPAS DE OPERACIN

Para el anlisis de las etapas de funcionamiento del circuito se

considerar solamente el semiciclo positivo ya que el funcionamiento general del

circuito es anlogo para los dos.

El anlisis ser referido al primario del transformador de alta frecuencia,

ya que el funcionamiento del convertidor Forward fue explicado anteriormente y

su funcionamiento no se ve alterado.

Para el apoyo de las explicaciones mediante grficas de las variables

involucradas se mostrar en las figuras las curvas correspondientes a un periodo

de conmutacin, es decir 20 [useg].

a) Primera etapa (figura 3-17), t0

Al mismo tiempo el condensador de filtro entrega la energa a Lp a travs

de un lazo de corriente q luego circula por el interruptor, por lo tanto se tiene que:

S C Cgi i i? ? (3.10)

Esta etapa termina cuando la corriente en los condensadores resonantes

llega al mximo y la bobina Lr comienza a cargarse como se aprecia mas

adelante en la figura 3-19.

En la figura 3-18 se observan las corrientes en Cg , C y la del interruptor,

se demuestra grficamente que la corriente en el interruptor es la suma de las 2

anteriores.

En la figura 3-19 se observan las corrientes de los condensadores

resonantes, y el resultado de la suma de ambas, la cual equivale a la corriente

que circula por D4.

Figura 3-18 corrientes en Cg , C y S .

Figura 3-19 corrientes de 1Cr , 2Cr y 4D .

b) Segunda etapa (figura 3-20):

En esta etapa la corriente en los condensadores resonantes comienza a

decrecer y el inductor Lg comienza a conducir y cargarse con la energa de Cg ,

como puede verse en la figura 3-21, formando un lazo corriente que regresa por

Lr . Por lo tanto la corriente en Cg ahora esta compuesta por el lazo que

conforma con la rama de Lg , as:

1 2Cg Cr Cr Lgi i i i? ? ? (3.11)

Vac

D1 C

Lg

Tr

RL

D3 D4

D2 Lp Ls

Do

Dlib

Lo

CoDg

Cg

Cr1

Cr2

Lr

D5

D6

icr2

icr1

icr1

iC

iLr

S iS

iD4iLg

iCg

Figura 3-20 Segunda etapa de operacin.

Figura 3-21 Corrientes en 1Cr y Lg .

De la misma manera se tiene que:

4Cg D Lgi i i? ? (3.12)Y

1 2Lr Cr Cr Lgi i i i? ? ? (3.13)

En la figura 3-21 se observa primero en (a) la corriente en 1Cr , y luego en

(b) la corriente en Lg , se puede notar que al momento que la corriente de 1Cr

llega al mximo y comienza a decrecer, comienza a cargarse Lg .

c) Tercera etapa (figura 3-22):

Figura 3-22 Tercera etapa de operacin.

Al dejar de conducir el interruptor, inmediatamente Cg comienza a asumir

la corriente debida a la energa acumulada en Lp , junto con esta corriente la

energa acumulada en Lr tambin comienza a descargarse a travs de Dg y

entrega sta al condensador filtro primario C , que invierte su corriente al

momento de producirse el bloqueo del interruptor, una vez que Lr termina de

entregar la energa almacenada comienza la siguiente etapa.

Dg Lr Cgi i i? ? (3.14)

La corriente en los condensadores 1Cr y 2Cr ahora se invierte y la suma

de ambas circula por el diodo 1D que esta polarizado directamente, as:

1 1 2D Cr Cri i i? ? (3.15)

Una vez que el interruptor deja de conducir, la energa de Lg comienza a

descargarse a travs de C , la cual se drena totalmente antes que termine el

periodo de conmutacin. En la figura 3-23 se observa primero en (a) la corriente

por Dg , lo que marca el parmetro para esta etapa, ya que sta describe la

descarga de la energa de magnetizacin que ocurre a travs de aquella rama.

Luego en (b) y (c) se aprecian las corrientes de Lr y Cg y se puede notar que la

suma de ambas corresponde a (a).

Figura 3-23 Corrientes en Dg , Lr y Cg .

Figura 3-24 Corrientes en C y Lg .

En la figura 3-24 se aprecia primero en (a) la corriente en C , y luego en

(b) la corriente en Lg , y se puede notar que luego que el interruptor deja de

conducir, la corriente en ambos componentes es la misma hasta que

desaparece.

C Lgi i? (3.16)

d) Cuarta etapa (figura 3-25):

En esta etapa la corriente por Dg se anula y la corriente en Lr se

Figura 3-25 Cuarta etapa de operacin.

Figura 3-26 Corrientes en 1D , Dg y Cr .

invierte y ahora asume la corriente debida a la energa almacenada en la rama

Lp Cg , junto con la corriente de los condensadores resonantes, que al tener su

corriente ahora invertida, 1Cr entrega su energa a Lr , el resto contina igual

que la etapa anterior. Entonces se tiene que:

1 5Lg D Di i i? ? (3.17)Y

1D Lg Lr Dgi i i i? ? ? (3.18)

Esta etapa termina cuando la corriente en los condensadores resonantes

se elimina.

En la figura 3-26 se muestran las corriente en (a) 1D , (b) Dg y (c) Cr , y se

puede apreciar que t3 marca el momento en que Dg deja de conducir y que t4

marca el momento en que 1D se bloquea y por ende se elimina la corriente en

Cr .

e) Quinta etapa (figura 3-27):

En esta etapa el diodo 1D se bloquea y las corrientes que se observan

corresponden a los lazos de la bobina Lg que continua entregando su energa

a C , y la corriente de Lp y Cg que circula a travs de 5D .

En esta etapa la corriente de los condensadores resonantes se elimina

definitivamente, el inductor Lg se descarga por Cg circulando un lazo de

corriente por 5D y 6D . El otro lazo ocurre por Cg , Lr y 5D . Esta etapa termina

cuando Lg termina de descargarse a travs de C .

En la figura 3-28 se puede apreciar que es un corto tiempo el que dura

esta etapa, pero representa la descarga de Lg , la cual no esta ligada a la

corriente de los condensadores resonantes.

D1 C

Lg

Tr

RL

D3 D4

D2 Lp Ls

Do

Dlib

Lo

CoDg

Cg

Cr1

Cr2

Lr

D5

D6

iC

iLr

S

iLg

id5

Figura 3-27 Quinta etapa de operacin.

Figura 3-28 Corrientes en 1D , C y Lg .

f) Sexta etapa (figura 3-29):

En esta etapa el inductor Lg ya se encuentra descargado y a travs de

5D solo circula la corriente de Cg y Lr .

En la figura 3-30 se aprecian (a) la corriente en Lg , (b) la corriente en 5D

y (c) la corriente en Lr , se puede notar que t5 comienza cuando se acaba la

corriente en Lg y la etapa termina en t6, cuando el interruptor nuevamente

vuelve a conducir y por ende se pasa a la etapa 1.

Finalmente a nivel general de un perodo de conmutacin es importante

notar las grficas de las figuras 3-31 y 3-32. En la figura 3-31 se aprecian (a)

corriente en el interruptor y (b) tensin en el interruptor. Con esta grfica se

puede notar que no existen sobre tensiones y que en el momento exacto en que

el interruptor se bloquea, aparece el voltaje nominal sobre l.

Figura 3-29 Sexta etapa de operacin.

Figura 3-30 Corrientes en Lg , 5D y Lr .

Figura 3-31 Corriente y tensin en el interruptor.

En la figura 3-32 se puede apreciar la ondulacin de tensin sobre el

condensador principal C , la cual es despreciable con un valor de unos 0.03V,

por lo que se considera como voltaje continuo.

3.6 RESULTADOS DE SIMULACIN DE LA INTEGRACIN

Con la integracin mostrada se obtiene como resultado la grfica de

voltaje y corriente de entrada mostrada anteriormente en la figura 3-16 donde

Figura 3-32 Ondulacin de tensin sobre C .

Figura 3-33 Factor de potencia.

se observa entonces que la corriente de red ha dejado de estar compuesta por

pulsos de corta duracin y alta amplitud, y ahora tiende a seguir la sinusoide de

voltaje. Con esto se obtiene un nuevo valor para el factor de potencia como se

observa en la figura 3-33.

Se puede apreciar que el cambio en comparacin al circuito sin emulador

resistivo es radical, ahora acercndose al valor unitario, en la figura 3-34 se

observa que el factor de potencia tiende a 0.98.

Con este resultado entonces se obtiene la correccin del bajo factor de

potencia obtenido en un principio.

Figura 3-34 Detalle del factor de potencia.

CAPTULO 4

DISEO DEL CIRCUITO DE CONTROL.

4.1 INTRODUCCIN.

En este captulo se realiza el diseo del circuito de control, el cual ser el

encargado de disparar el interruptor mediante una seal PWM (modulacin por

ancho de pulsos). Para comenzar se realiza el modelo dinmico del convertidor a

fin de obtener la funcin de transferencia, para luego poder verificar mediante

simulaciones con un circuito tpico de lazo de control comprendido por un

compensador PID y un comparador ideales.

4.2 MODELO DINMICO DEL CONVERTIDOR FORWARD.

Con el fin de realizar el diseo del sistema de control para la fuente, es

necesario primero obtener la funcin de transferencia del sistema referenciada a

la entrada y la salida con el control del interruptor.

Para esto se modela el circuito en el espacio de los estados, como el

presente proyecto consta de solo un interruptor, entonces obviamente se

dispondr de dos estados, uno cuando ste conduce on, y otro cuando se

bloquea off. Cada uno de estos estados genera un circuito equivalente lineal,

los cuales siguen una trayectoria de estado definida segn los componentes

propios del circuito y sus condiciones iniciales.

En el circuito de proyecto anteriormente presentado se distinguen

secciones, las cuales son filtro de entrada, rectificador, circuito resonante,

circuito fijador de tensin, rama de desmagnetizacin y convertidor Forward.

Todas estas secciones estn diseadas para la pre-correccin del factor de

potencia excepto el convertidor Forward, el cual es el encargado de transmitir la

energa a la carga en forma de un voltaje controlado. Es por esto que se centra

la atencin en solo el convertidor a la hora de disear el sistema de control

Vin

Rse

Lp Ls

CRL

Lo iLo io

iC

Figura 4-1 Circuito equivalente para el estado on.

dinmico. Y como circuito de entrada se considera solo una fuente de voltaje

continua conectada directamente al transformador de alta frecuencia. El circuito

equivalente para el estado on se presenta en la figura 4-1.

Para obtener las ecuaciones de estado se considerarn las referencias de

las corrientes descritas en el esquema anterior para basarse en las ecuaciones

de nodos y mallas tpicas del anlisis de circuitos.

Para dicho anlisis tambin se considerar la resistencia intrnseca del

condensador de salida denominada como Rse , y por ende tambin el

equivalente Thevenin correspondiente a la suma en paralelo de sta con la

resistencia de carga.

Por definicin:

LoLo S

diV Ldt

? (4.1)

y de anlisis anteriores se tiene que:

2in O

LsV N VV

N?? (4.2)

tomando el equivalente Thevenin de las resistencias se tiene:

seth

se

R RRR R

? ?(4.3)

Ahora para obtener el Vth:

thO

VIR

? (4.4)

y

( )C O seV I R R? ? (4.5)

lo que implica,

( )thC seVV R RR

? ? (4.6)

por lo tanto,

th Cse

RV VR R

? ??(4.7)

Cerrando una malla por la salida se tiene:

Ls Lo th Lo thV V V i R?? ? ? (4.8)

considerando la suma de corrientes se tiene:

Lo C Oi i I? ? (4.9)

al hacer malla por R y C se tiene:

O C se CV V R i? ? ? (4.10)

conjuntamente por LKV se tiene:

O OV I R? ? (4.11)

por lo tanto:

C se CO

V R iIR

? ?? (4.12)

ahora,

2in O Lo

O th Lo Cse

V NV di RL R i VN dt R R

?? ? ? ? ? ??

(4.13)

ordenando,

2 2Lo in O

O th Lo Cse

di V V RL R i Vdt N R R

? ?? ? ? ? ?? (4.14)

pero como,

O th Lo thV R i V?? ? (4.15)

O th Lo Cse

RV R i VR R

?? ? ?? (4.16)

entonces,

? ?2 2 2Lo in th

O Lo C th Lo Cse se

di V R R RL i V R i Vdt N R R R R

?? ? ? ? ? ? ? ?? ? (4.17)

sumando trminos,

? ?2 2 2Lo th in

O Lo Cse

di R R VL i Vdt R R N

? ? ? ? ? ?? (4.18)

finalmente se tiene,

? ?2 2 2Lo th in

Lo CO O se O

di R R Vi Vdt L L R R L N

? ? ? ? ? ??(4.19)

Para encontrar la ecuacin de estado de voltaje:

Lo C Oi i I? ? (4.20)se C

Lo C CR Vi i iR R

? ? ? (4.21)

1 se CLo C R Vi iR R

? ?? ? ?? ?? ?(4.22)

C seLo C

V R Ri iR R

?? ?? ? ? ?? ?(4.23)

Lo CC

se se

i R ViR R R R

?? ?? ? (4.24)

pero como:

Cdvi Cdt

? (4.25)

? ? ? ?c C

Lose se

dv R Vidt C R R C R R

? ? ?? ?(4.26)

El circuito equivalente para el estado off se presenta en la figura 4-2.

Para este circuito se tiene:

LoO th Lo th

diL R i Vdt

?? ? ? (4.27)

Rse

Ls

CRL

Lo iLo

iC

io

Figura 4-2 Circuito equivalente para el estado off.

Lo C Oi i I? ? (4.28)

se CLo C C

R Vi i iR R

? ? ? (4.29)

y como,

th Cse

RV VR R

? ?? (4.30)

? ?Lo th

Lo CO O se

di R Ri Vdt L L R R

? ? ? ? ??(4.31)

aparte:

1 se CLo C R Vi iR R

? ?? ? ?? ?? ?(4.32)

Lo CC

se se

i R ViR R R R

?? ?? ? (4.33)

finalmente,

? ? ? ?c C

Lose se

dv R Vidt C R R C R R

? ? ?? ? (4.34)

Con la obtencin de las ecuaciones de estado caractersticas para el

circuito, ahora podemos recurrir a la teora de control para disear nuestra

solucin.

Para circuitos con un solo interruptor se tiene que:

? ?1 2 1A A D A D? ? ? ? (4.35)

? ?1 2 1b b D b D? ? ? ? (4.36)? ?1 2 1T Tc c D c D? ? ? ? (4.37)

La funcin de transferencia Control Salida se obtiene a partir de:

? ? ? ?? ?11 1 2 1T inc s A A X b V? ?? ? ? ? ? (4.38)

donde,1X b?? ? ? (4.39)

Del diseo expuesto anteriormente, los valores de los componentes que

se ven envueltos en ste anlisis son los siguientes:

inV = 310 V

N = 4.77

CR =0.03 m?

R = 3.8 ?

OL = 535 ?H

C = 470 ?F

Sustituyendo estos valores junto con los coeficientes obtenidos de las

ecuaciones de estado en la expresin terica de la funcin de transferencia se

obtiene el resultado en la ecuacin (4.40).

? ?? ? ? ? ? ?

-6

26 3

3 10 126.65 1 1 112.98 10 4.89 10

Y s sd s s s

? ?? ?? ? ? ?

? ?

(4.40)

4.3 RESULTADOS OBTENIDOS POR SIMULACIN

El circuito de control ideal diseado para llevar a cabo las simulaciones, el

cual est compuesto por el compensador PID y luego un comparador ideal, se

muestra en la figura 4-3.

Este es el encargado de disparar el interruptor mediante una seal PWM

la cual se encuentra en el punto trigger sealado en el esquemtico de la fig. 4-

3, dicha seal posee una frecuencia de 100 [KHz], la que es fijada por el

oscilador ideal sealado en el esquemtico como V7.

La modulacin de la seal responde a los cambios que reciba el

compensador en su entrada, marcada como el punto sense, el cual representa

una seal de voltaje sensada a la salida del convertidor Forward, por lo tanto,

proporcional al voltaje de carga. De esta manera entonces el circuito permite a

travs de la seal PWM una regulacin de voltaje hacia un voltaje deseado,

independiente de los cambios que se pueda sufrir en la carga.

En la figura 4-4 se aprecia la grfica de la corriente y voltaje de red, de

especial importancia en esta grfica es la forma de la corriente, en la cual se

aprecia que no existen picos de alta intensidad y adems se aprecia su

seguimiento a la forma del voltaje, con lo que se corrobora el correcto

funcionamiento de la integracin del emulador resistivo con el convertidor.

Figura 4-3 Circuito de control para simulacin.

Figura 4-4 Grfica de la corriente y voltaje de red

La grfica del factor de potencia correspondiente al voltaje y corriente de

red se muestra en la figura 4-5.

Con mayor detalle se puede notar en la figura 4-6 que dicho factor de

potencia tiende a 0.98.

La respuesta dinmica del sistema se prob realizando un cambio

escaln, es decir perturbando la carga al doble y a la mitad para observar las

variaciones de voltaje y el regreso a la estabilidad, estas perturbaciones fueron

realizadas a los 40 [ms].

La respuesta fue satisfactoria y se puede observar en las figuras 4-7 y 4-

8 en las que se ajust la escala de tiempo para poder observar la rpida

respuesta a la perturbacin de 3 [ms] aproximadamente.

La respuesta del sistema frente al transitorio de desconexin de la carga o

circuito abierto se muestra en la figura 4-9, se puede notar que el control se

encarga de mantener la salida a un valor seguro que no excede los 20 [V].

Con esto se comprueba que la bomba de carga tambin es desconectada.

La respuesta del sistema frente a desconexin de carga se muestra con

mayor detalle en la figura 4-10.

Figura 4-5 Factor de potencia

Figura 4-6 Detalle del factor de potencia.

Figura 4-7 Detalle de la perturbacin con carga al doble.

Figura 4-8 Detalle de la perturbacin con carga a la mitad.

Figura 4-9 Respuesta del sistema frente al transitorio de desconexin.

Figura 4-10 Detalle de la respuesta frente al transitorio de desconexin.

CAPTULO 5

PROYECTO FSICO DEL CIRCUITO TOTAL.

5.1 INTRODUCCIN.

En este captulo se desarrolla el proyecto fsico real del circuito total

presentado al trmino del captulo 4, el cual estaba compuesto en su mayora de

componentes ideales usados para las simulaciones. En este diseo real se

emplean componentes comerciales discretos y circuitos integrados

especializados que son utilizados para cerrar el lazo de control. Adicionalmente

se detalla tambin el importante proceso de la construccin de magnticos.

5.2 CIRCUITO DE POTENCIA Y CONTROL INTEGRADOS.

Presentados en los captulos anteriores los circuitos de control y de

potencia, en la figura 5-1 se presenta el esquemtico de ambos circuitos

integrados, compuestos de componentes ideales para efectos de simulacin.

Figura 5-1 Circuito de potencia y control integrados.

Para construir el circuito en forma real se tuvo que ajustar algo los

parmetros de algunos componentes para poder utilizar componentes

disponibles en el comercio, tambin cambiar la inductancia del transformador ya

que si bien el ncleo de ferrita disponible cumpla con las condiciones que se

describen ms adelante en la seccin 5.3.3; su tamao hacia imposible obtener

el numero de vueltas para alcanzar el valor de inductancia, entonces se recalcul

con el valor de 125[mH] que se pudo alcanzar en el ncleo.

Tambin se puede notar en la figura 5-1 la inclusin del filtro LC

compuesto por 1Lf , 2Lf y Cf , ste funciona a frecuencia de red y tiene por fin

el filtrado de armnicos.

Los nuevos valores y detalles de los componentes del circuito total se

muestran en la tabla 5-1.

Tabla 5-1 Componentes del circuito de la Fig. 5-1

Componente Descripcin Valor

Lf1, Lf2 Inductores acoplados filtro alterna 1mH

Cf Condensador filtro alterna 100nF

D1,2,3,4 Diodos puente rectificador Fr157

D5,6 Diodos rama de recuperacin Fr157

Cr1, Cr2 Condensadores resonantes 47nF

Lr Inductor resonante 130uH

Lg Inductor de recuperacin 300uH

Cg Condensador desmagnetizante 47nF

Dg Diodo rama desmagnetizante Fr157

C Condensador filtro primario 470uF

Do, Dlib Diodos de salida STTH6004W

C Interruptor principal STP10NK80ZFP

Co Condensador filtro de salida 2200uF

Lo Inductor filtro de salida 500uF

Con estos valores se procede a la construccin del circuito fsico real. Los

elementos del circuito de control son determinados mas adelante junto con el

detalle de la inclusin de los circuitos integrados, los componentes reales,

elementos del circuito de control se discutirn mas adelante junto con la inclusin

de los circuitos integrados.

5.3 CIRCUITO DE FUENTE AUXILIAR.

Ya que se pretende que el resultado final de la fuente conmutada sea

fsicamente compacto, en esta seccin se presenta una rama que ser

encargada de prever de energa al circuito de control, y as no verse en la

necesidad de construir e implementar un circuito tipo fuente de voltaje continuo

aparte.

La operacin del circuito consiste en la obtencin de energa primero del

punto marcado como start, para luego una vez en estado estacionario, obtener

energa desde el devanado auxiliar. Esto ya que obviamente el circuito total debe

entrar en funcionamiento y estando estable primero para poder hacer uso del

transformador, entonces se debe obtener energa primero directamente desde el

rectificador primario (start) y una vez ya en estado estacionario cortar dicho

suministro y alimentar desde el devanado auxiliar Laux.

Figura 5-2 Circuito de fuente auxiliar.

Tabla 5-2 Componentes del circuito Fig. 5-2

Componente Descripcin ValorRaux1 Resistencia de polarizacin de Q 100k?Raux2 Resistencia de polarizacin de Q 4,7 k?Daux1 Diodo zener fijador de tensin 1 1N4744Daux2 Diodo zener fijador de tensin 2 1N5255Daux3 Diodo rectificador de voltaje Laux 1N4007Caux Condensador para bloquear Q 10?Qaux Transistor utilizado como switch para bloquear la

corriente de StartBF240

Laux Devanado auxiliar del transformador principal 0,3mH

El funcionamiento del circuito consiste en que una vez que aparece la

tensin a la salida del rectificador primario, el transistor bipolar Q es polarizado, y

la corriente para cargar el condensador Caux, circula a travs del resistor Raux2.

La tensin mxima del condensador es igual a la tensin del diodo zener Daux1

menos la tensin base-emisor de Q.

Una vez en estado estacionario el devanado auxiliar Laux induce una

tensin, polariza directamente el diodo Daux3 y contina cargando el

condensador Caux inicialmente cargado con la partida, una vez que la tensin

sobre Caux es igual a la tensin en Daux2 deja de existir el voltaje de base de Q,

por lo tanto dicho transistor entra en corte y el circuito de control se queda

alimentando exclusivamente de Laux. Este circuito ser llamado dentro del

circuito total como AUX.

Recientemente se explic el funcionamiento del circuito de fuente auxiliar

responsable de alimentar el circuito de control, en la figura 4-5 se aprecia la

grfica de la corriente obtenida desde el rectificador primario y se observa la

instancia en que el transistor bipolar se corta.

Figura 5-3 Corriente de partida para alimentar el circuito de control.

La corriente para alimentar el circuito de control luego del corte del

transistor bipolar se obtiene desde Laux como se aprecia en la figura 5-4.

5.4 ELEMENTOS DE POTENCIA.

En esta seccin se detalla el procedimiento para la construccin del

proyecto as como los criterios tomados en la eleccin de los componentes.

Figura 5-4 Partida de corriente para alimentar circuito de control.

5.4.1 Interruptor de potencia.

Para la seleccin del interruptor de potencia de debe considerar la tensin

mxima de bloqueo y la corriente media a la que es sometida el interruptor.

En el captulo 3 se detall la tensin de bloqueo a la que ser sometido el

interruptor una vez que fue incluida la rama de desmagnetizacin.

Ahora para determinar la corriente media, el anlisis se puede basar en

las ecuaciones descritas a continuacin.

La corriente en el interruptor viene determinada por:

? ? ? ?0 00

ES

VI t sen t tZ

?? ? ?? ?? ? (5.1)

donde el t es de 10[useg].

La corriente media instantnea est dada por:

? ? ? ?1 0 00 0

12

ES

t VI t sen t t dtt Z? ?? ? ? ? ?? ?? ?? (5.2)

resolviendo se obtiene:

? ? ? ?2 24E

Sr S

VI t sen tL f

? ?? ?? ? ? ? ? (5.3)

La corriente media en un semiperiodo est dada por:

? ?0

1S SI I t d t

? ? ??? ? ?? (5.4)

reemplazando se obtiene:

3 24E

Sr S

VIL f? ?? ? ? ? ? (5.5)

La corriente efectiva se obtiene de:

? ?? ?20

1efS SI I t d t

? ? ??? ? ?? (5.6)

reemplazando se obtiene:

2 22 4ef

ES

r S

VIL f? ?

?? ? ? ? ?

(5.7)

La corriente pico se puede obtener de:

max

0

ES

r

VIL ?? ? (5.8)

5.4.2 Diodos del puente rectificador.

La corriente media en un periodo de red para los diodos del rectificador

esta dada por:

? ?0

12

D DI i t d t? ? ??? ? ? (5.9)

reemplazando:

3 24E

Dr S

VIL f? ?? ? ? ? (5.10)

La corriente efectiva en un periodo de red esta determinada por:

? ?? ?20

12

efD DI I t d t? ? ??? ? ?? (5.11)

reemplazando:

2 28ef

ED

r

VIL f? ?? ? ? ? ? (5.12)

5.4.3 Construccin de los elementos magnticos.

En la construccin de los elementos magnticos se tiene que separar el

diseo de inductores cuya misin es almacenar energa y el diseo del

transformador de alta frecuencia, cuya misin es transmitirla.

Para construir el transformador se parte por la eleccin del ncleo de

ferrita tipo E, para lo que se recurre a:

max4

max

102

inw e

t

PA Ak J B f

?? ? ? ?? ? ? (5.13)

ecuacin que se conoce como el producto de las reas.

Luego se calcul el nmero de espiras del primario, para lo que se ocup:

min5000 ine t

VNpB A f

?? ? ? ? (5.14)

Luego se calcul la relacin de transformacin mediante:

? ?max0

satin ce

f

V V Dn

V V? ?? ? (5.15)

con lo que luego se pudo calcular el nmero de espiras del secundario mediante:

p

s

nn Enteron

? ?? ? ?? ?(5.16)

Ya que se est trabajando en alta frecuencia, se debe considerar el efecto

Skin, por lo que el conductor debe estar compuesto por un nmero de hilos

conductores, determinado por:

to

hilo

SNA

? (5.17)

Donde el rea transversal del hilo se determina por:

2hiloA ?? ?? (5.18)

con

6,61Sf

? ? (5.19)

y

max

eft

ISJ

? (5.20)

Para construir los inductores, se comenz de igual forma con la eleccin

del ncleo de ferrita calculndolo mediante:

4

max max

10pk efp w e

p u

L I IA A AJ B k k

? ? ?? ? ? ? ? ? (5.21)

Como la tarea de los inductores es almacenar energa se debe incluir un

entrehierro y consecuentemente un nmero mayor de espiras para obtener la

inductancia esperada.

El nmero de espiras se calcula de:

4

minmax

10pke

L INB A? ?? ? (5.22)

y el entrehierro de:

20 2

g 10r eN AlL

? ?? ?? ?? ? (5.23)

El nmero de hilos para conformar el conductor se obtiene de las mismas

ecuaciones descritas para el transformador.

5.5 CIRCUITO DE CONTROL

Para el circuito de control descrito en el captulo 4 se utilizarn dos

circuitos integrados especializados para ello.

Se debe tener en cuenta que la parte del circuito referido al primario debe

permanecer aislada de la parte del circuito referida al secundario, por lo que el

lazo de control debe presentar aislamiento de igual forma, para lo cual se opt

por implementar un transformador de pulsos el cual transmitir la seal PWM al

interruptor de potencia.

Partiendo de la seal sensada, el primer elemento observable del circuito

de control es el compensador PID, el cual ser implementado de manera

anloga al esquemtico presentado en el captulo 4 (figura 4-3), valindose de

Figura 5-5 Esquemtico del circuito integrado UC3901

los amplificadores operacionales internos que presenta el circuito integrado

UC3901 mostrado en la figura 5-5, el compensador se conecta tal cual a los

pines 11 y 12 correspondientes a las entradas, inversora y realimentacin del

PID. El voltaje de referencia proviene del una fuente regulada interna del circuito

integrado, y se mantiene constante en 1.5 [V], por lo que la seal sensada pasa

luego por un divisor resistivo y as obtener una muestra proporcional del voltaje

de salida para ser comparada satisfactoriamente con la referencia.

En los pines 4 y 5 es donde se conecta el transformador de pulsos

nombrado anteriormente, el cual se conecta al driver del siguiente circuito

integrado y se obtiene as el asilamiento galvnico necesario entre primario y

secundario.

El oscilador ideal que se observaba en el esquemtico del circuito de

control se logra implementar fcilmente al situar un condensador y un resistor en

los pines 1 y 8 respectivamente, obtenindose una frecuencia de oscilacin dada

por:

1,24T T

foscR C

? ? (5.24)

Figura 5-6 Pines del circuito integrado UC3525.

Luego en el siguiente circuito integrado UC3525 (figura 5-6), encargado de

generar la seal PWM hacia el interruptor de potencia, el ajuste a la frecuencia

de oscilacin se hace de forma anloga a la expuesta recientemente y se puede

observar en la hoja de datos adjunta en el apndice A.

En la figura 5-6 se puede observar en detalle las funciones de los pines de

dicho circuito.

El pin 11 output A es el que se destin a llevar la seal PWM hacia el

interruptor de potencia, los dems se conectan a tierra, pero dicha seal ser

transmitida a travs de un pequeo circuito de driver, el cual se aprecia en la

figura 5-7, cuyos valores se detallan en la tabla 5-3.

Figura 5-7 Circuito de driver para disparar el interruptor.

Tabla 5-3 Componentes del circuito Fig. 5-7

Componente Descripcin ValorRtrig1 Resistencia de polarizacin de Q 1k ?Rtrig2 Resistencia de supresin de transitorios de switch 100?Rtrig3 Resistencia de descarga electroesttica 2,2k?Dtrig Diodo que permite la polarizacin de Q FR107Ctrig Condensador de supresin de transitorios de switch 100pFQtrig Transistor driver de descarga de capacitancia 2N2907

Para el circuito de la figura 5-7, 2Rtrig y Ctrig son los componentes que

se encargan de evitar transitorios de corriente en el interruptor, ya que su

capacitancia de entrada se puede comportar como cortocircuito en un comienzo.

1Rtrig y Dtrig permiten la polarizacin del transistor de seal Qtrig , utilizado

para descargar dicha capacitancia intrnseca de entrada del interruptor, la cual si

no se descarga genera problemas y finalmente 3Rtrig garantiza la descarga de

cargas electrostticas que pueden destruir el interruptor. . Este circuito ser

llamado dentro del circuito total como trigger.

5.6 PROTECCIN DE SOBRE CORRIENTE

En el captulo 4 se observ que el control se encargaba de proteger el

circuito frente a la desconexin total de la carga, faltaba entonces implementar

una proteccin de sobre corrientes, las cuales ocurren cuando el circuito se

sobrecarga o se cortocircuita.

Para este fin se aprovecha una caracterstica del circuito integrado

generador de PWM UC3525, la cual consiste un pin llamado Shutdown, al cual

una vez que se le aplica un nivel lgico alto en su entrada, los pulsos de

comando son inhibidos, desconectando por ende el conversor y anulando la

transferencia de potencia.

El funcionamiento de esto consiste en un sensor de corriente puesto luego

del Source del interruptor, entonces una muestra de la corriente circula por el

circuito mostrado en la figura 5-8, cuyos valores se detallan en la tabla 5-4.

Rp5

Qp

Rp4Rp3

V+

Rp1

Rp2

Muestra

Dp1

Dp2 Dp3

Tir

Figura 5-8 Circuito de proteccin de sobrecorriente.

Tabla 5-4 Componentes del circuito Fig. 5-8

Componente Descripcin ValorTir Tirirstor para comandar bloque de Qp 2N5064

Rp1 Resistencia de ajuste de disparo 3,3k ?Rp2 Resistencia recomendacin catlogo 150?Rp3 Resistencia limitante de corriente 330 ?Rp4 Resistencia de polarizacin Qp 2.2k ?Rp5 Resistencia de polarizacin Qp 1k ?Dp1 Diodo conductor de muestra 1N4148Dp2 Diodo de bloque de Qp 1N4148Dp3 Diodo de bloque de Qp 1N4148Qp Transistor driver de descarga de capacitancia 2N2222

Una muestra proporcional a la corriente que circula por el interruptor

circula por este circuito, entonces una sobre corriente dispara el pequeo tiristor,

el cual bloquea el transistor de seal Qp colocando as el punto llamado

Shutdown en un nivel lgico de voltaje alto. A travs de Rp1 se ajusta el nivel

de disparo del tiristor, mientras mayor sea la resistencia, menor ser la tensin

de disparo del tiristor. Rp2 es recomendacin del catlogo del tiristor.

Los diodos D2 y D3 garantizan un bloqueo adecuado del transistor bipolar

de seal cuando ocurre la operacin de proteccin, si no se colocan estos

diodos, la tensin de conduccin del tiristor permite la entrada en conduccin del

transistor de seal. Este circuito ser llamado dentro del circuito total como

SHUT DOWN.

5.7 CIRCUITO TOTAL

Explicadas ya todas las secciones por separado que conformarn el

proyecto fsico, en la figura 5-9 se muestra el circuito total y los valores de sus

componentes de detallan en la tabla 5-5.

1

2

3

4

5

6

7

8 9

10

11

12

13

14

15

16

1

2

3

4

5

6

7 8

9

10

11

12

13

14

RT2

RT1

Rr2

Rx1

Rr1

Vac

D1 C

Lg

Tr1

D3 D4

D2 Lp Ls

Do

Dlib

Lo

CoDg

Cg

Cr1

Cr2

Lr

D5

D6

S

SHUTDOWN

AUX

start

start

Rfz

Riz Rip Rb

Ra

UC

3901

3525

Trigger

Tr2

Cd1

Cd2

Cd3

Cd4 Cd5

CT2

Cfz Ciz

DrCr

Cs1 Cs2

CT1

Tr3

Lf1

Lf2Cf

Term

Figura 5-9 Circuito total.

Tabla 5-5 Componentes del circuito total Fig. 5-9

Componente Descripcin ValorLf1, 2 Inductores acoplados filtro alterna 1mH

Cf Condensador filtro alterna 100nFTerm Termistor de coeficiente negativo para eliminar

transitorios10?

D1, 2, 3 ,4 Diodos puente rectificador Fr157D5,6 Diodos rama de recuperacin Fr157

C Condensador filtro primario 470?FCr1, Cr2 Condensadores resonantes 47nF

Lr Inductor resonante 130?HLg Inductor de recuperacin 300?HCg Condensador desmagnetizante 47nFTr1 Transformador primario 45mH/ 0,7mHCo Condensador filtro de salida 2200?FLo Inductor filtro de salida 500 ?HS Interruptor Mosfet de potencia STP10NK80ZFP

Do Diodo rectificador de salida STTH6004WDlib Diodo de circulacin libre STTH6004W

Ra, Rb Divisor resistivo empleado para tomar la muestrade tensin de salida

Valores variables dependiendo delajuste

Rx1 Resistencia limitante de corriente alimentacin 10 ?Rip Componente compensador PID 3,7KRiz Componente compensador PID 15k ?Ciz Componente compensador PID 47nFCfz Componente compensador PID 33nFRfz Componente compensador PID 20k ?Cd1 Condensador de desacople (catalogo) 2,2nFCd2 Condensador de desacople 330nFCd3 Condensador de desacople (catlogo) 100nFCd4 Condensador de desacople (catlogo) 100nFCd5 Condensador de desacople (filtro alimentacin) 10?FTr2 Transformador de pulsos construido sobre un

ncleo toroidal 1cmRelacin 1:1

Dr Diodo rectificador pulsos 1N4148Cr2 Condensador filtro para los pulsos 1.8nFRr1 Resistencia para ajustar la tensin de entrada del

PWM1k ?

Rr2 Resistencia para ajustar la tensin en la entradano inversora a tierra

5k ?

CT1 Condensador para ajustar la frecuencia deloscilador del PWM

10nF

RT1 Resistencia para ajustar la frecuencia deloscilador del PWM

4,7k ?

Cs1 Condensador de partida suave proporcionada porel integrado (catalogo)

4,7?F

Cs2 Condensador de compensacin PWM (catalogo) 10nFCT2 Condensador para determinar la frecuencia de

pulsos nominal1nF

RT2 Resistencia para determinar la frecuencia depulsos nominal

12k ?

5.8 RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL CIRCUITO FSICO

El circuito de potencia fue testeado en lazo abierto el cual fue conducido

por el circuito generador de pulsos mostrado en la figura 5-10, el cual

principalmente es compuesto por el integrado 3524 el cual es un modulador por

ancho de pulsos ajustable segn los requerimientos.

Para el funcionamiento de este circuito lo que se debe hacer es

bsicamente de fijar el ancho de los pulsos y la razn cclica. Para fijar la

frecuencia, la resistencia y condensador de cronometraje se conectan en los

pines 6 y 7 respectivamente, los valores de estos componentes para obtener una

determinada frecuencia se obtienen de la siguiente ecuacin sacada de la hoja

de datos:

1t t

fcR C

? (5.25)

Para fijar la razn cclica se ajustan los valores del divisor resistivo

compuesto por Rdv1, Rdv2 y Pt, con este potencimetro se podr ajustar

despus el valor de sta ms finamente. Para obtener los valores de las

resistencias del divisor resistivo, cabe notar de la hoja de datos del integrado el

funcionamiento del comparador interno, el cual determina el ancho de los pulsos,

de esta manera se deduce que ajustando la tensin presente en Rdv2 se la

razn cclica de la salida.

Figura 5-10 Circuito generador de pulsos.

De la hoja de datos se tiene que:

3.5 1( ) 1 2.5 1vr t t DT?? ? ? ? (5.26)

La tensin de Rdv2 se puede expresar como:

22

1 2

divRdiv ref

div div

Rv RR R

? ?? ? ??? ?(5.27)

La razn cclica de 0.45 se ha empleado en todo el proyecto es la que se

buscar con este circuito, por lo tanto se establecen las siguientes condiciones:

? ?minmin 0 1RdivD v V? ? ? (5.28)? ?maxmax 0.45 2.125RdivD v V? ? ? (5.29)

El voltaje de referencia Vref proviene de un regulador interno del integrado

y es de 5V fijos. Utilizando las relaciones y las ecuaciones se obtienen los

valores mximos y mnimos de las resistencias a usar en el divisor resistivo:

max min2 1740dv dvR R? (5.30)min max2 10.250dv dvR R? (5.31)

Ya que el potencimetro Pd que se utilizar varia entre 0 y 5 Kohm, se

emplean las ecuaciones (5.30) y (5.31), resolviendo en cada caso se tiene:

? ?max1 1 5dv dvR R K? ? ? (5.32)min1 1dv dvR R? (5.33)

? ?max2 2 5dv dvR R K? ? ? (5.34)min2 2dv dvR R? (5.35)

Por ultimo, resolviendo para obtener los valores de resistencia deseadas

se tiene que:

? ? ? ?1 12.75 13dvR K K? ? ? ? (5.36)

? ? ? ?2 4.44 4dvR K K? ? ? ? (5.37)

Con el circuito mostrado en la figura 5-6 entonces se procedi a poner en

funcionamiento el circuito de potencia.

Las formas de onda que interesaban eran las requeridas para comprobar

el correcto funcionamiento del interruptor de potencia, la rama de

desmagnetizacin y la salida del circuito. Estas son mostradas a continuacin y

son comparadas con los resultados obtenidos previamente en las simulaciones.

5.8.1 Tensin en el interruptor y el condensador de desmagnetizacin.

La tensin en el interruptor en las simulaciones muestra una forma

pulsada a la frecuencia de operacin, con una leve forma de diente en sus

mximos. En la figura 5-11 se muestran los resultados de simulacin

comparados con la medicin real obtenidos con el osciloscopio lo obtenido con el

circuito real medido con el osciloscopio, luego se hace lo propio respecto al

condensador Cg en la figura 5-12.

Figura 5-11 a Simulacin de la tensin en el interruptor

b Medicin real de la tensin en el interruptor

Figura 5-12 a Simulacin de la tensin en Cg .

b Medicin real de la tensin en Cg .

Otra variable importante a revisar en el funcionamiento del circuito real era

la rama de desmagnetizacin, cuyo principal componente, el encargado de

recibir la energa almacenada en el transformador es Cg . La tensin sobre este

componente se puede observar en la figura 5-12a obtenida por simulacin y en

5-12b la medicin real realizada con el osciloscopio.

5.8.2 Tensin de salida.

Por supuesto que el voltaje de salida era importante de revisar ya que era

uno de los objetivos principales del proyecto, obtener un voltaje continuo de 19.5

[V], con un rizado aceptable, las mediciones arrojaron un rizado reducido de 200

[mV] como se puede observar en la figura 5-16.

Figura 5-13 Tensin de salida

Figura 5-14 Detalle de la ondulacin en la tensin de salida

5.8.3 Corriente de entrada.

Finalmente la variable ms importante a medir era la corriente de entrada

ya que se pretende, como objetivo, obtener una corriente que no tenga forma de

pulsos y que siga la forma sinusoidal del voltaje de entrada. En la figura 5-15a se

muestra primero la forma obtenida por simulacin y luego en 5-15b se muestra la

medicin real realizada con el osciloscopio.

Figura 5-15 a - Simulacin de la corriente de entrada versus voltaje de entrada.

b - Medicin real de la corriente de entrada versus voltaje de

entrada.

En la figura 5-15 se puede observar que la corriente de entrada del circuito

real presenta la forma esperada similar a los resultados de la simulacin y por

ende se tiene que el emulador resistivo redujo la contaminacin por armnicos y

presenta un mayor factor de potencia, el cual si nos remontamos a la ecuacin 2-

13, considerando despreciable el componente de distorsin y los valores

obtenidos de potencia media y efectiva de 120W y 128W respectivamente, se

obtiene que su valor es de 0.94.

De esta forma ya se obtienen y demuestran experimentalmente los

objetivos de obtener un voltaje de salida continuo de 19.5 V y por otro lado una

corriente con forma seudo sinusoidal suficiente para corregir el factor de

potencia.

CONCLUSIONES

Se desarroll el diseo de la fuente conmutada con emulador resistivo

integrado y con una salida controlada de 19.5 Volts.

En una primera instancia se estudiaron los circuitos convertidor Forward y tipo

bomba de carga, para luego proceder a la modificacin del circuito tipo bomba de

carga para su operacin en base a un solo interruptor y poder llevar a cabo as la

integracin con el convertidor Forward.

Con la integracin se logr el funcionamiento normal del convertidor junto

con una correccin del bajo factor de potencia causado por la corriente pulsante

de entrada, que luego de integrado el circuito tipo bomba de carga operando

como emulador resistivo, dej de ser de pulsos de corta duracin y alta amplitud,

para registrar una forma de onda que sigue a la forma senoidal del voltaje de red.

Luego se procedi al diseo del circuito de control responsable de la

generacin de la seal PWM que dispara al interruptor de potencia, una vez

diseado el circuito de control se pudo simular la operacin del circuito total,

obtenindose la salida controlada esperada con una rpida respuesta dinmica a

perturbaciones, y con un factor de potencia corregido con un valor cercano a

0.98.

A fin de aportar con la reduccin de tamao se dise un circuito de

fuente auxiliar encargado de alimentar el circuito de control, este circuito obtiene

dicho voltaje de alimentacin desde la misma fuente principal y se logr as

eliminar la necesidad de implementar un circuito de alimentacin aparte para el

control.

El circuito de control se encarga de mantener niveles de salida seguros

frente a la total desconexin de la carga, mientras que la proteccin frente a

sobrecarga y sobre corrientes se logra aprovechando la caracterstica shutdown

de uno de los circuitos integrados utilizados en el control.

Se procedi a la construccin de los elementos magnticos, donde se

observ la ventaja en la reduccin de tamao al operar a una frecuencia de 100

[KHz].

Luego de la construccin de los magnticos se procedi con la

construccin del circuito de potencia completo incluyendo el emulador resistivo

funcionando en lazo abierto, para lo cual se construy un circuito generador de

pulsos a modo de Driver para el Mosfet. Con este circuito montado se procedi a

las pruebas obtenindose los resultados esperados de correccin del factor de