Unidad IV

Convertidores de energa elctrica CC - CC

4.1 Reductor (BUCK).

4.2 Elevador (BOOST).

4.3 Reductor-Elevador (BUCK-BOOST).

M. en C. Marco Aurelio Vzquez Olvera

Motivacin

Hoy en da la mayora de los equipos de aficionados utilizan alimentaciones de 12 o 13,8V.

El avance de la tecnologa ha llevado tambin a que estos equipos cuentencon un alto grado de sofisticacin y por lo tanto sean muy sensibles asobretensiones, cambios bruscos o ruido en las tensiones de alimentacin.Esto ha hecho imprescindible el empleo de fuentes de alimentacinreguladas que garanticen la estabilidad de la tensin que ingresa al equipo.

Motivacin

Por otra parte, para poder lograr potencias de salida del orden de los 100Wats con las bajas tensiones requeridas por los transistores actuales (12Volts) se requieren altas corrientes de alimentacin (20 Amperes o ms).Esto nos obliga a tomar determinadas precauciones (cables gruesos, bornesgrandes, etc.) e impone un fuerte desafo en el diseo de las fuentesreguladas incrementando su costo.

Tal vez sea por estos motivos que la construccin casera de fuentes dealimentacin reguladas no sea una prctica comn entre losradioaficionados. Sin embargo la tecnologa de las computadoraspersonales, y la gran reduccin de costos que se ha venido observando ensus componentes, nos permite hoy armar en casa una fuente dealimentacin regulada de caractersticas muy superiores a otras que seencuentran en el mercado a slo una fraccin del costo de una fuentecomercial.

OBJETIVO DE LA UNIDAD

Diferenciar entre una fuente comn y una conmutada.

Conocer las caractersticas principales de una fuente conmutada.

Identificar los componentes de una fuente conmutada.

Identificar las aplicaciones de una fuente conmutada tanto dentro comofuera de la industria.

Conocer la perspectiva a corto, mediano y largo plazo de las fuentesconmutadas.

Disear Y Simular una fuente conmutada.

Diferencias de fuentes

Fuente lineal: Las desventajas del regulador lineal es su lmite de aplicacin. Slo pueden ser reductores de tensin.

Fuentes Conmutadas: Debido a que la tensin de entrada es conmutada en un forma de alterna y ubicada en un elemento magntico, se puede variar la relacin de transformacin pudiendo funcionar como reductor, elevador, o inversor de tensin con mltiples salidas

Convertidores CC - CC

En esta unidad se vern los siguientes convertidores de CC-CC:

l. Convertidor reductor (buck).

2. Convertidor elevador (boost).

3. Convertidor reductor/elevador (buck-boost).

Convertidor reductor (Buck)

Los transformadores son componentes elctricos que permiten convertir una tensin sinusoidal en otra tensin sinusoidal de la misma frecuencia, pero de diferente amplitud.

Pero el principio fsico de la induccin, sobre el cual reposa el transformador, no opera con tensin continua.

El convertidor Buck es el anlogo del transformador, pero para tensiones continuas. Utilizando este convertidor, una tensin Vd se puede reducir.

El convertidor Buck se encuentra como base de las fuentes conmutadas y de los reguladores que controlan velocidad en mquinas de corriente continua.

Convertidor reductor (Buck)

Los convertidores de CC-CC de modo de conmutacin utilizan a uno o ms interruptores para transformar CC de un nivel a otro. En un convertidor CC-CC con un voltaje de entrada dado, el voltaje medio de salida se controla mediante el control de los tiempos de encendido y apagado (tenc y tapag).

Convertidor reductor (Buck)

En la conmutacin de PWM con una frecuencia de conmutacin constante, la seal de control

del interruptor que gobierna el estado (encendido o apagado) del interruptor se genera por

medio de la comparacin de un voltaje de control en el nivel de seales Vcontrol con una

forma de onda repetitiva Vst, como se muestra en las figuras siguientes.

Convertidor reductor (Buck)

La seal del voltaje de control se obtiene por lo general mediante la amplificacin del error, o

la diferencia entre el voltaje de salida real y su valor deseado. La frecuencia de la forma de

onda repetitiva con un pico constante, el cual se muestra como diente de sierra, establece la

frecuencia de conmutacin.

Vd-> Voltaje de alimentacin de Cd

Convertidor reductor (Buck)

En las aplicaciones reales, el circuito antecedente tiene dos desventajas:

1) En la prctica, lac arga sera inductiva. Incluso con una carga resistiva, siempre habra

cierta inductancia de dispersin. Esto significa que el interruptor tendra que absorber (o

disipar) la energa inductiva y por lo mismo podra quedar destruido.

2) El voltaje de salida flucta entre cero y Vd, lo que no es aceptable en la mayora de las

aplicaciones.

Convertidor reductor (Buck)

Las fluctuaciones del voltaje de salida disminuyen mucho cuando se usa un filtro pasabajas,

que consiste en un inductor y un condensador.

En el anlisis del estadopermanente que se presentaaqu, se supone que elcondensador de filtrado en lasalida es muy grande, comosuele suceder en aplicacionesque requieren un voltaje desalida instantnea

casi constante.

0() = 0

Convertidor reductor (Buck)

La ecuacin precedente implica que las reas A y B deben ser iguales. Por tanto

Por esta razn, la salida de voltaje vara en este modo en forma lineal con la relacin de

trabajo del interruptor para un voltaje de entrada dado. No depende de ningn otro parmetro

del circuito.

Convertidor reductor (Buck)

Si ignoramos las prdidas de potencia asociadas con todos los elementos del circuito, la

potencia de entrada Pd es igual a la potencia de salida P0: Por tanto

Diseo de convertidor reductor

=0

=02

Diseo de convertidor reductor

Diseo de convertidor reductor

Donde el voltaje promedio Z2 =20

CONVERTIDOR ELEVADOR (BOOST)

La figura muestra un convertidor elevador. Su aplicacin principal es en fuentes de energa de CC regulada y en el frenado regenerativo de motores de CC. Como implica su nombre, el voltaje de salida siempre es ms grande que el voltaje de entrada.

Cuando el interruptor est encendido, el diodo se encuentra en polarizacin inversa, lo que

asla la etapa de salida. La entrada suministra energa al inductor. Cuando el interruptor est

apagado, la etapa de salida recibe energa tanto del inductor como de la entrada. En el

anlisis del estado permanente que se presenta aqu, se supone que el condensador de

filtrado de salida es muy grande, a fin de asegurar un voltaje de salida constante

0() = 0.

CONVERTIDOR ELEVADOR (BOOST)

Diseo del CONVERTIDOR BOOST

Los parmetros de diseo del convertidor que va a ser puesto a anlisis son los siguientes.

Diseo del CONVERTIDOR BOOST

Para este convertidor la relacin de transformacin esta dada por:

CONVERTIDOR reductor - elevador (Buck Boost)

El convertidor buckboost es un tipo de convertidor DC-DC que tiene una magnitud de voltaje de salida que puede ser mayor o menor que la magnitud del voltaje de entrada. Esta es switch mode power supply o fuente de alimentacin conmutada con una forma parecida a la del convertidor boost y el convertidor buck. El voltaje de salida es ajustable variando el ciclo de trabajo del transistor de conmutacin.

Diseo del CONVERTIDORreductor - elevador (Buck Boost)

El principio bsico de funcionamiento del convertidor buckboost es muy sencillo

.

Durante el estado On, la fuente de entrada de voltaje est directamente conectada al inductor (L). Por lo

que se almacena la energa en L. En este paso, el condensador proporciona corriente a la carga de salida;

Durante el estado Off, el inductor est conectado a la carga de salida y el condensador, por lo que la

energa es transferida de L a C y R.

Comparado a los convertidores buck y boost , las caractersticas del convertidor buckboost son

principalmente:

la polaridad del voltaje de salida es inverso al de entrada;

el voltaje de salida puede variar linealmente desde 0 a infinito (para un convertidor Ideal)

Diseo del CONVERTIDORreductor - elevador (Buck Boost)

Diseo del CONVERTIDORreductor - elevador (Buck Boost)