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Sistemas Electrónicos Industriales (2017 – 2018). Práctica 5 Convertidor Buck montado sobre circuito impreso, control en modo tensión
1) Material.
- Convertidor DC/DC en configuración Buck montado sobre PCB
- 2 Resistencias de 18 Ω / 15 W
- Resistencias de 250 mW: 390 Ω, 5.6 kΩ, 68 kΩ, 1.2 MΩ
- Condensadores: 27 pF, 33 pF, 1 nF, 18 nF
- Fuentes de alimentación: Regulable de 0 a 30 V/ 2 A, Fija de ±15 V / 0.5 A
- Generador de funciones
- Transformador 220:18 V, 50 W
- Fuente no estabilizada compuesta por puente rectificador de 50 V / 2 A y condensador de 1000 μF / 35V
- Destornillador
2) Estudio teórico. En la figura 1 se representa el esquema completo de un convertidor DC/DC en configuración Buck que trabaja en conducción continua con control en modo tensión. El circuito de control emplea el modulador PWM SG3524 (U1). Se supone que la amplitud de la señal en diente de sierra es de 3 V. El condensador CT tiene un valor de 4.7 nF, la resistencia RT es de 1.8 kΩ y el potenciómetro RT2 es de 10 kΩ. El compensador está formado por el AO TL081 (U2) y los componentes asociados. Los jumpers permiten ajustar el convertidor para diferentes formas de trabajo: en lazo abierto, en lazo cerrado con el compensador en el circuito integrado SG3524, con un compensador externo, o bien control digital.
Las características de la etapa de potencia del convertidor son: Vi,max = 30 V, Vo = 15 V, Resistencia de carga R = 18 Ω, f = 50 kHz, L = 570 μH, C = 2200 μF, ESR: RC = 20 mΩ
2.1) Compensador en el circuito integrado SG3524. Considerar la siguiente configuración de los jumpers, en donde el valor 0 indica circuito abierto y 1 cortocircuito: J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 J Compensador en el SG3524 0 1 1 0 1 1 0 0 1 Representar el circuito simplificado del convertidor, incluyendo entre otros elementos el sensor de tensión, el SG3524 (con los bloques internos que intervienen), el compensador. los jumpers que están cerrados y ramas de circuito a las que afectan.
Para una tensión de entrada de 20 V, suponiendo que el cursor del potenciómetro RT está en su punto medio y que la señal triangular del modulador PWM tiene una amplitud Vm = 3.3 V determinar:
- Para las posiciones extremas del cursor del potenciómetro Rm1: valores máximo y mínimo del ciclo de trabajo, dmax, dmin y de la tensión de salida, Vo,max, Vo,min.
- Valor óhmico del potenciómetro xRm1 (entre el cursor y el terminal conectado al positivo de la tensión de salida) para obtener una tensión de salida de 15 V.
- Ganancia del sensor la red de tensión, b.
- Valores máximo y mínimo de la frecuencia de conmutación.
- Ganancia del modulador PWM, Fm.
Figura 1: Esquema del convertidor DC/DC
J
CON10A
(^13 ) (^57 ) 9 10
J19 12
J18 12
J21 12
J22 12
J23 12
R 4.9k R 3.9Meg
C 1.4n
1 2 C 37p
1 2
C 1.8p
1 2 +15V Rm210k
RT 1k
Rmd 560
TP 1 Rmd23K
IR2110U3^1
1 2
2 3
3 4
4 5
5 6
6 7
7
8 8
9 9
10 10
11 11
12 12
13 13
14 14
D 3V
Vc
RT210K
0
Q5MOSFET N
J
JUMPER
2 1
CT 4.7n
1 2
0
0
RRF 4k
RRF 4k
TP 1
Rmd 82
D LED 3V
RBS110k
Rled 1.2k D LED
Rm1100K
D D1N
Rled 1.2k D LED
CO 2200uF
1 2
Rled3 560
D9LED3 JUMPERJ 1 2
JUMPER 1 J4 2
+15V
D D1N
0
RG 100
-15V
JUMPER 1 J6 2
RCO 50k CCO 1 1nF
2
JUMPER 1 J3 2
bVO
U
sg
12 1
34 23
56 45
78 67
8
16 1615 1514 1413
1312 1211
1110 109
9
JUMPERJ 1
2 J1JUMPER 1
2
VRL1+
VRL1-
0
J17CON
12
+15V
VDC+
Vdig
VDC-
C 1uF
1 2
RBS 10
CBS 47n
1 2
R510k
VO
Van
TP 1
RSN ?
CSN ?
1 2
RSN ? CSN2?
1 2
RRF 2k
RRF 2k
RT310K
0
JUMPER 1 J7 2
Q M
TP 1
RG
100
U
TL
12 1
3 23
56 56 4 4 (^7878)
L 680uH
0
0
TP 1
C5100n 1
2
J 1 JUMPER
2
CO 2200uF
1 2
U4A^7407
2 1 7
14
-15V
+15V
R 100k
TP 1
J
12
TP 1
J
12
J
CON
12
J
CON
12
570uH
Figura 3: Fotografía del convertidor DC/DC
Vo +
Vo -
Teniendo en cuenta que el amplificador de error del SG3524 es un amplificador de transconductancia (OTA) obtener la expresión de la función de transferencia del compensador, Av(jω). Considerando que el valor de transconductancia es gm = 0.002 Ω- calcular las frecuencias angulares de los polos y ceros de Av(jω).
2.2) Compensador de tipo 1 con AO. Considerar que los jumpers están conectados de la siguiente forma: J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 J Compensador exterior con AO 0 1 0 1 0 0 1 0 1 (izquierda) Representar el circuito simplificado del convertidor, incluyendo entre otros elementos el sensor de tensión, el SG3524 (con los bloques internos que intervienen), el compensador. los jumpers que están cerrados y ramas de circuito a las que afectan.
Se propone emplear un compensador de tipo 1, de forma que la frecuencia de cruce de la ganancia de lazo sea fc = 3 kHz. Dar la expresión de la ganancia del compensador y calcular el valor de la constante p01.
El comparador-amplificador de error-compensador se materializa mediante un integrador con AO y se emplea un condensador C2 = 27 pF. Determinar el valor de la resistencia R1.
Calcular el módulo y la fase de la ganancia de lazo del convertidor a la frecuencia de la frecuencia de 3 kHz.
Justificar si es adecuado el compensador de tipo 1 propuesto.
2.3) Compensador tipo 3 con AO. Considerar un compensador de tipo 3 con AO con los siguientes componentes: R1 = 68 kΩ, R2 = 1.2 MΩ, R3 = 39 0 Ω, C1 = 1 nF, C2 = 33 pF, C3 = 18 nF
Dar la expresión de la función de transferencia del compensador y calcular los valores de las frecuencias angulares de los ceros y polos y de la constante (polo en el origen), z1c, z2c, p1c, p2c, p0c.
Calcular el módulo y la fase de la ganancia de lazo del convertidor a la frecuencia de 3 kHz.
Justificar si es adecuado el compensador de tipo 3 propuesto.
2.4) Fuente no estabilizada. Para alimentar la fuente conmutada desde la red de alterna se empleará un transformador de relación de transformación 220:18, un puente rectificador de 50 V / 2 A y un condensador de filtro Ci = 1000 F / 35 V. Suponiendo que el rizado de tensión en extremos de Ci es de 6 V, determinar:
- Valores máximo y mínimo de la tensión de entrada del convertidor DC/DC, Vi,max, Vi,min.
Cambiar la posición del jumper 9 a 0 (a la derecha). Configurar el generador de funciones para señal de pulsos entre 0 y 12 V y frecuencia de 50 Hz. Conectar su salida entre los terminales TP2 y TP1 (masa) del convertidor.
Conectar el positivo del canal 1 del osciloscopio en el terminal TP2 y el positivo del canal 2 en el terminal positivo de salida del convertidor. Configurar el osciloscopio de la siguiente forma:
- Acoplamiento del canal 1: DC
- Acoplamiento del canal 2: AC
- Disparo: Ch1, Pendiente positiva.
- Adquisición: Promedio 128.
Ver y representar las formas de onda de la tensión en los canales 1 y 2 del osciloscopio después del flanco de subida de la tensión del generador. Medir los siguientes parámetros de respuesta transitoria de la tensión de salida: Tiempo de pico: tp (desde la conmutación hasta que el primer pico negativo) Sobreimpulso máximo absoluto (negativo): Mp = vo(tp) Sobreimpulso máximo porcentual: Mp% = (vo(tp) - vo()) / vo() * 100%
3.2) Compensador con AO. Modificar el convertidor de forma que trabaje con un compensador externo al SG3524, mediante un AO tipo TL081 (U2 en el esquema). Para ello, configurar los jumpers de la siguiente forma: J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 J Compensador exterior con AO 0 1 0 1 0 0 1 0 1 (izquierda)
Se probarán dos compensadores diferentes, de tipo 1 y de tipo 3.
3.2.1) Compensador de tipo 1: Conectar los componentes del compensador de tensión en los pines correspondientes, C2 = 27 pF y R1 del valor calculado en el apartado 2.2. o bien de 5.6 kΩ.
Ver la tensión de salida con el osciloscopio acoplado en modo “AC”. Medir su valor pico a pico, Vo,riz y frecuencia de oscilación, fosc. Indicar si es o no estable.
3.2.2) Compensador de tipo 3. Sustituir los componentes del compensador de tensión por los siguientes: R1 = 68 kΩ, R2 = 1.2 MΩ, R3 = 390 Ω, C1 = 1 nF, C2 = 33 pF, C3 = 18 nF
Medir los valores de la tensión de salida para las posiciones extremas del potenciómetro Rm1. Ajustar el cursor para obtener una tensión de 15 V.
Ver la tensión de salida con el osciloscopio en modo “AC” y medir su valor aproximado pico a pico, Vo,riz (sin considerar los picos).
Respuesta transitoria frente a aumento de la corriente de carga. Cambiar la posición del jumper 9 a 0 (a la derecha). Configurar el generador de funciones para señal de pulsos entre 0 y 12 V y frecuencia de 50 Hz. Conectar su salida entre los terminales TP2 y TP1 (masa) del convertidor. Conectar el canal 1 del osciloscopio entre el terminal TP2 y masa y el canal 2 a la salida del convertidor. Configurar el osciloscopio de la siguiente forma:
- Acoplamiento del canal 1: DC
- Acoplamiento del canal 2: AC
- Disparo: Ch1, Pendiente positiva.
- Adquisición: Promedio 128.
Ver y representar las formas de onda de la tensión en los canales 1 y 2 del osciloscopio después del flanco de subida de la tensión del generador. Medir los siguientes parámetros de respuesta transitoria de la tensión de salida: Tiempo de pico: tp (desde la conmutación hasta que el primer pico negitivo) Sobreimpulso máximo absoluto (negativo): Mp = vo(tp) Sobreimpulso máximo porcentual: Mp% = (vo(tp) - vo()) / vo() * 100%
3.3) Alimentación desde la red de alterna rectificada y filtrada. Desconectar el generador de onda y conectar el jumper J9 en la posición 1.
Tomar un transformador de relación de transformación 220:18 V y conectar su salida a la entrada de una fuente no estabilizada formada por un puente rectificador de 50 V / 2 A y un condensador de filtro de 1000 μF/35V. Conectar la salida de la fuente no estabilizada a la entrada del convertidor DC/DC. Mantener la alimentación de ±15 V para el circuito de control.
Conectar el primario del transformador a la red de alterna de 220 V, 50 Hz. Ver la tensión de entrada del convertidor DC/DC y medir los valores máximo y mínimo, Vi,max, Vi,min.
Ver la tensión de salida del convertidor y medir su rizado pico a pico, Vo,riz. Ver la tensión Cátodo-Ánodo en el diodo de libre circulación. Medir de forma aproximada los valores máximo y mínimo del tiempo de conducción del MOSFET, ton,max y ton,min. Calcular las relaciones Vi,max·dmin y Vi,min·dmax.
Obtener conclusiones de la práctica.
Presentación de resultados: Imprimir las hojas de respuestas o bien crear un documento con los resultados y formas de onda. Pueden añadirse hojas o un documento con los cálculos teóricos. Escribir el número de la placa empleada en la práctica y los nombres y apellidos de los integrantes del grupo de trabajo al principio de los ficheros. Guardar copia de todos los ficheros.
Subir los documentos a la tarea “Entrega de la práctica 5”, una sola entrega por cada grupo de trabajo.
Fecha límite de entrega: 13/04/
