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Contenido
- Introducción.....................................................................................................................................
- Convertidores CC/CC......................................................................................................................
- Tipología..........................................................................................................................................
- Control de los convertidores CC-CC...............................................................................................
- Estructura elevadora de tensión (boost)...........................................................................................
- Desarrollo Del Circuito Boost (Elevador) A Implementar............................................................
- Elección de la Bobina................................................................................................................
- Elemento de Control..................................................................................................................
- Diodo de alta conmutación........................................................................................................
- Esquema del Circuito a Implementar.........................................................................................
- Conclusiones..................................................................................................................................
- Bibliografía....................................................................................................................................
- Cuestionario...................................................................................................................................
Introducción
En el siguiente informe se presenta de forma detallada la descripción de los convertidores de CC a CC y diversos aspectos a tomar en consideración como su tipología, los circuitos de cada uno de ellos y sus controles. Se realizo de forma detallada la exposición de términos, ilustraciones y características específicas de los convertidores CC/CC elevadores. También se tomaron en consideración otros aspectos relevantes al momento de la comprensión adecuada del lector; ya que en alguna u otra ocasión futura será lo más idóneo tener previo conocimiento del mismo para un correcto desarrollo de la clase. Conforme a (ancap, 2011); Determinadas aplicaciones requieren alimentación en continua, por ejemplo, los circuitos que forman un ordenador personal. Sin embargo, se suele partir de una tensión alterna para alimentarlos. Lo más usual es emplear un rectificador para convertir la energía en alterna, a continua. Sin embargo, la mayoría de las veces, la tensión en continúa obtenida es superior o inferior a la que necesita una determinada aplicación. El empleo de un transformador a la entrada del rectificador puede reducir la tensión de alimentación. De todas formas, es difícil aun así que obtengamos valores adecuados de tensión continua para nuestros circuitos. En ese caso, es necesario utilizar un circuito que permita la conversión de energía en continua. En determinadas aplicaciones nos interesará reducir la tensión de entrada y en otras nos interesará elevar la tensión. Para ello existen lo que se denominan convertidores CC/CC, que permiten transformar energía en CC de forma eficiente (alto rendimiento). (ancap, 2011)
generalizada fue dada anteriormente y se refiere a la conversión CC/CC como un procesado de potencia, haciendo analogía con el procesado de señal, bastante conocido en Ingeniería Electrónica. En el procesado de potencia, tanto la señal de entrada como de salida son “potencia”. La potencia en la entrada puede ser suministrada por una fuente de tensión o corriente y la potencia en la salida puede ser entregada como corriente o tensión. En la figura anterior también se puede ver que es necesario una señal que controle ese proceso. El circuito de procesado de potencia y la señal de control caracterizan el funcionamiento del convertidor. (ancap, 2011)
Tipología
Conforme a (ancap, 2011); Existen innúmeros circuitos que pueden realizar una conversión CC/CC. Son conocidos varios métodos de síntesis de circuitos y todos llevan a un conjunto de convertidores construidos con el menor número de componentes posible. Tenemos seis convertidores que pueden considerarse como básicos, o sea, la mayoría de los convertidores tienen dos interruptores, con un interruptor activo (el transistor) y un interruptor pasivo (el diodo). Esos convertidores son:
- Buck
- Boost
- Buck-Boost
- Cúk
- Sepic
- Zeta Los cuales se muestran en la siguiente figura, se muestran los convertidores CC/CC utilizando MOSFET de potencia (ancap, 2011):
Ilustración 2. Circuito de convertidores con dos interruptores (un transistor y un diodo) El transistor funciona siempre en la región de corte (sin conducir corriente) o en la región óhmica para el MOSFET (transistor conduciendo con mínima tensión) y de saturación para el BJT. Controlando la tensión de puerta (MOSFET) o la corriente de base (transistor bipolar), podemos mantener el transistor conduciendo el tiempo que sea necesario. (ancap, 2011) Sólo tenemos control sobre el transistor, pues la conducción del diodo depende del funcionamiento del circuito. Así, para que tengamos un convertidor que mantenga la tensión de salida constante, es necesario un circuito externo que genere una señal de control al transistor del convertidor. Ese circuito de control debe generar todas las informaciones necesarias, como son: frecuencia de conmutación, tensión de referencia estabilizada y circuito de compensación en frecuencia. (ancap, 2011)
Control de los convertidores CC-CC
Según (ancap, 2011); Los convertidores CC/CC conmutados utilizan uno o más interruptores para transformar un nivel continuo en otro. En un convertidor CC/CC con un nivel de tensión de entrada, el valor medio de la tensión de salida se ajusta controlando la duración del estado abierto (OFF) o cerrado (ON) del interruptor. Para ilustrar el concepto de conversión empleando el modo de conmutación, considere el convertidor CC/CC básico de la siguiente figura. El valor medio VA de la tensión de salida vA en la siguiente figura depende del tiempo de conducción y no conducción del transistor (Ton y Toff).
Ilustración 5 Forma de onda a la entrada del filtro paso-bajo de un convertidor CC/CC En la figura anterior se indica, además, un cronograma de los estados del conmutador (interruptor). Como se ha comentado, el filtro paso-bajo (de potencia) que aparece en la etapa de salida sirve para obtener el valor medio de la forma de onda de vA a la salida, eliminando tanto la componente fundamental, como todos los armónicos de su desarrollo en serie de Fourier. Trabajando con este método (PWM), habitualmente, la frecuencia de conmutación es constante y la señal que controla el transistor (estado abierto o cerrado), se genera comparando una tensión de control vcontrol con una forma de onda repetitiva triangular como se muestra en la siguiente figura. (ancap, 2011) En el PWM conmutado a frecuencia constante, la señal de control, que controla el estado (abierto o cerrado) del interruptor, se genera comparando una tensión de control vcontrol con una forma de onda repetitiva triangular como se muestra en la figura. La señal de la tensión de control generalmente se obtiene amplificando el error, o la diferencia entre la tensión de salida (medida) con el valor de tensión deseado. (ancap, 2011) La forma de onda de la tensión triangular (diente de sierra) tiene un valor de pico (Vtmáx) constante y su frecuencia es la que establece la frecuencia de conmutación. Esta frecuencia se mantiene constante en un control PWM y suele estar en el rango de los kilos hertz hasta algunos cientos de kilo hertz. (ancap, 2011)
Ilustración 6 Modulación por ancho de pulso: (a) diagrama de bloques, (b) señales del comparador De la comparación entre la tensión triangular y la señal amplificada del error vcontrol, - que varía muy lentamente en el tiempo, comparado con la frecuencia de conmutación - la señal resultante presenta una forma de onda rectangular y es la que controla el transistor. Cuando vcontrol > vt, el transistor de potencia se cierra (ON) y en caso contrario el transistor se abre (OFF). La relación de conducción D (duty-ratio) se puede expresar en términos de vcontrol y el valor de pico de la forma de onda triangular Vtmáx por equivalencia de triángulos como sigue (ancap, 2011): Por otro lado, si la frecuencia es variable, el modo de control ya no es PWM, por tanto, siendo el período de conducción del transistor Ton y el período de no conducción (corte) Toff, podemos tener tres tipos de control (ancap, 2011):
- Ton constante y Toff variable
Ilustración 7 Topología de un convertidor boost (elevador) Cuando se corta el transistor, el diodo conduce y el inductor suministra corriente a la salida (resistencia y condensador). Esa corriente debe ser tal que reponga las cargas perdidas por el condensador en el instante anterior y suministre la corriente a la resistencia. (ancap, 2011) Ahora se indicará a partir de ahora que un interruptor está conduciendo substituyéndolo simplemente por un hilo, mientras que su estado de bloqueo se indicará por un circuito abierto. (ancap, 2011) En las siguientes figuras se dan las diferentes topologías del convertidor elevador para los intervalos Ton y Toff, respectivamente. (ancap, 2011) El circuito equivalente del convertidor cuando el transistor está conduciendo se muestra a continuación (ancap, 2011): Ilustración 8 Topología del convertidor boost durante el intervalo Ton Obsérvese nuevamente que el análisis se ha enfocado hacia la determinación de las variables de estado, que serán las que mejor definirán el comportamiento del convertidor. (ancap, 2011) Sólo hay dos variables de estado, la corriente en la inductancia i L y la tensión en el condensador vC (que es igual a la tensión de salida VO) y debe notarse que únicamente tiene sentido plantear las ecuaciones correspondientes a la corriente en la inductancia, pues la tensión de salida se ha considerado constante en las hipótesis de trabajo. (ancap, 2011)
Para continuar el proceso debe seguirse el mismo método para la topología correspondiente a Toff. En la siguiente figura aparece la topología presente durante este intervalo. (ancap, 2011) Ilustración 9 Topología del convertidor boost durante el intervalo Toff. La evolución de la corriente en la inductancia vuelve a ser lineal. A diferencia del caso anterior (intervalo Ton), la pendiente de i L es ahora negativa, lo cual responde al fenómeno físico de que la energía en la inductancia está disminuyendo. (ancap, 2011) Ilustración 10 Formas de onda de corriente y tensión del convertidor elevador en conducción continua: en la inductancia (i L , vL ) y en el interruptor (iS , vS ). Hay que notar la diferencia entre la forma de onda de la corriente por el interruptor y la de la corriente por la inductancia. La corriente por el interruptor es pulsante, en el sentido de que, dentro de cada período, hay un intervalo en que es nulo y otro en que no es nulo (y normalmente elevado). (ancap, 2011)
Elemento de Control
Conforme (Victoriano & Rosales, 2019); Se requiere un elemento electrónico capaz de realizar la función de conmutación y a la vez, que pueda realizar una realimentación negativa para así, lograr mantener una tensión de salida estable. En un principio, se optó por el integrado LM para realizar aquella función, pero estaba fuera de stock o venta, por lo tanto, se buscó un integrado similar a este, y se encontró el integrado XL6009. Este componente es prácticamente, una versión más actualizada del LM2577 y es el que se está utilizando actualmente. Básicamente el chip integrado XL6009 es un regulador DC/DC con un amplio rango de tensión de entrada, el cual está constituido por un Mosfet de potencia de canal n y un oscilador de frecuencia fija, su aplicación está enfocada a los equipos electrónicos portátiles. Su encapsulado es el siguiente (Victoriano & Rosales, 2019): Ilustración 12 Encapsulado Integrado XL Descripción de Pines Sus especificaciones técnicas son las siguientes:
Diodo de alta conmutación
Según (Victoriano & Rosales, 2019); Otro elemento fundamental al momento de armar nuestro circuito step up es el diodo Schotky ya que debido a la alta velocidad de conmutación que trabajara el circuito es necesario que cuente con un diodo de estas características. Estas son: Alta velocidad de conmutación Baja caída de voltaje cuando están polarizados en directo Tiene poca capacidad de conducción de corriente en directo (en sentido de la flecha). Esta característica no permite que sea utilizado como diodo rectificador Además de esto también tenemos que fijarnos en 2 especificaciones esenciales que son, la tensión inversa máxima que soporta dicho diodo y la corriente máxima ya que con esos parámetros se puede determinar la tensión y corriente de salida máxima que puede tener en el convertidor DC/DC. (Victoriano & Rosales, 2019) A continuación, se adjunta una tabla de los posibles diodos Schotky que se podrían utilizar
Conclusiones
Con el paso del tiempo surgieron nuevos avances de la electrónica y con ellos las nuevas exigencias del mercado, han ido en aumento. Un claro ejemplo de ello son los requisitos para la alimentación de los microprocesadores, los cuales han influido notablemente en el auge de los convertidores CC/CC, ya que resultan útiles cuando se necesita carga de corriente o una tensión continua en especifico y que el generador tiene un valor de continua totalmente distinto. Gracias al cuantioso numero de necesidades que surgieron no solo para los microprocesadores, o microelectrónica, sino que en toda la electrónica en general; les dieron a los convertidores CC/CC su conjunto de ventajas, que solo es de saber manejar, es decir conocer las especificaciones de los convertidores para sacarle provecho a los requerimientos. Se concluyo, el propósito de esta consulta detallada sobre los convertidores cc/cc no es declararlos como primera y mejor opción a implementar, sino que es de modo de inducción, así en próximas situaciones tener conocimiento y comprensión suficiente de ellos, por lo tanto, poder comparar con los demás tipos de convertidores y saber escoger el idóneo para suplir nuestras necesidades.
Bibliografía
ancap, 2011: , (ancap, 2011), (ancap, 2011: , (ancap, 2011), Victoriano & Rosales, 2019: , (Victoriano & Rosales, 2019),
Cuestionario
1. ¿Qué son los convertidores CC/CC? R// Se llama convertidor DC-DC a un tipo de convertidor de potencia que transforma corriente continua de un nivel de tensión a otro. En el área de la electrónica, los más conocidos son los reguladores conmutados, específicamente los que utilizan almacenamiento de energía en forma de campo magnético. 2. ¿Cuál es la función de los convertidores CC/CC?
R// Los conversores DC-DC conmutados realizan la conversión almacenando la energía de entrada temporalmente y entregándola luego en la salida a un voltaje diferente. Esto puede realizarse utilizando dispositivos de almacenamiento de campo magnético (inductores) o de almacenamiento de campo eléctrico (capacitores). Para efectuar la conmutación se utilizan dispositivos semiconductores de potencia ampliamente utilizados como interruptores, como son los transistores, diodos, etc.
3. ¿Cuál es la tipología de los Convertidores CC/CC? R// Tenemos seis convertidores que pueden considerarse como básicos, esos convertidores son:
- Buck
- Boost
- Buck-Boost
- Cúk
- Sepic
- Zeta 4. ¿Qué son los Convertidores CC/CC elevadores? R// El convertidor elevador o convertidor boost (del inglés boost converter ) es un convertidor CC a CC que obtiene a su salida una tensión continua mayor que a su entrada. Es un tipo de fuente de alimentación conmutada que contiene al menos dos interruptores semiconductores (diodo y transistor), y al menos un elemento para almacenar energía (condensador, bobina o combinación de ambos). Frecuentemente se añaden filtros construidos con inductores y condensadores para mejorar el rendimiento. 5. ¿Cuáles son las aplicaciones de los Convertidores CC/CC elevadores? R// Generalmente los sistemas alimentados por baterías necesitan apilar varias baterías en serie para aumentar la tensión. Sin embargo, a veces no es posible conectar varias baterías en serie por razones de peso o espacio. Los convertidores elevadores pueden incrementar el voltaje y reducir el número de pilas. Algunas aplicaciones que usan convertidores elevadores son vehículos híbridos (por ejemplo, el Toyota Prius) y sistemas de alumbrado.
