Conversor Boost PDF - Nota: 4 PDF

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Se describe el diseño de un conversor Boost en Orcad y sus curvas de eficiencia...

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CONVERSOR DC/DC, BOOST CONVERTER Alison Morales – Santiago Tellez Resumen- Se realiza el montaje de un convertidor tipo boost o elevador. Para el cual se implementan variaciones de los diferentes valores de los elementos resistivos, inductivos y capacitivos que lo componen, obteniendo las diferentes señales de salida en la carga. Además de esto se realiza la comparación entre las eficiencias de los dos tipos de convertidores DC/DC, buck y boost. Obteniendo para ciertos casos, que el convertidor tipo buck presenta una mejor eficiencia si se mantiene el valor de carga para la que fue diseñado, al presentar variaciones en dicha carga, la eficiencia, potencia y tensión de salida tendera a disminuir notablemente. Para el caso del conversor tipo boost se obtuvo que entre menores sean los valores inductivos y mayores los valores capacitivos la tensión de salida será mayor y presentara bajo rizado, sin embargo, al generar variaciones en la carga, esto generara que se presenten variaciones en el rizado de tensión de salida.

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II.OBJETIVOS Diseñar un Boost Converter. Obtener las señales de tensión de salida en la carga. Realizar curvas de eficiencia. Comparar la eficiencia entre un convertidor elevador y un convertidor reductor.

III.PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS

Figura 1. Circuito propuesto del convertidor boost.

Como se observa en la figura 1, a diferencia del circuito reductor tipo Buck, el tipo boost, a pesar de poseer los mismos componentes, un inductor, un capacitor y una resistencia, el switch IGBT o FET y el Palabras clave-DC/DC converter, boost, control, diodo, estos no están en el mismo orden, haciendo que tensión de salida, elevador. al momento en que el switch esté cerrado el circuito se separa en dos partes, debido al diodo y al corto circuito I.INTRODUCCION generado por el switch haciendo que la energía que El Boost converter es un conversor de voltaje DC-DC, posee el capacitor sea pasada al resistor, al momento cuyo trabajo es aumentar un voltaje de entrada que se en que el switch está abierto el circuito trabaja como está recibiendo, alterando o no la corriente de salida, un sistema RLC común con carga RC. muchas veces es más conveniente utilizar uno de estos a un transformador, pero todo es dependiendo del voltaje que este demandando el circuito y del uso final para el que se va a emplear, este tipo de circuitos al igual que los reductores también se les puede implementar un lazo control, ya sea por corriente de salida o por voltaje de salida, siempre que el mismo sea necesario, esto es muy útil para mejorar tiempos de respuesta o eliminar los efectos de las entradas variables que pueden generar afectaciones en la tensión de salida del sistema[1]. Figura 2. Salida del circuito con carga de 100 ohm.

voltios, para esto se procede a calcular el condensador e inductor en base a la frecuencia de conmutación, obteniendo: 5 𝑉!" = 𝐿> = 5.223𝐻 2𝐼!"𝑓 (2)(100𝑚𝐴)( 4.7846) 𝐷 0.5 𝐶> = = 104.5𝑢𝐹 ∆𝑉# (2)(4.7846)(0.1) 𝑅𝑓9 𝑉 ; #

Figura 3. Salida del circuito con carga de 1K ohm. Figura 6. Conversor boost para 10 voltios de salida.

Figura 4. Salida del circuito con carga de 10K ohm. Se obtiene así, el voltaje deseado de 9 voltios correspondiente a la elevación del convertidor con una entrada de 5 voltios, y un rizado bajo.

Figura 7. Tensión de salida del convertidor. Obteniendo las curvas de eficiencia para dicho convertidor variando la carga y variando la tensión de entrada.

Figura 5. Barrido DC, curva de eficiencia del 31,81% Cuya variable de conmutación corresponde a 0,5 respondiendo a la ecuación de 1- (vin/vout). Posterior a esto se procede cambiar los valores inductivos y capacitivos, diseñando el circuito para que en este caso entregue una tensión a la salida de 10

Figura 8. Curva de eficiencia circuito figura 6, variando resistencia de carga.

Figura 9. Curva de eficiencia variando tensión de entrada. Posterior a esto se procede a variar los valores del condensador, para observar como varia la tensión a la salida, con condensador de 500uF y 1000uF, obteniendo las respuestas observadas en las figuras 8 y 9.

Figura 12. Tensión de salida conversor boost con condensador de 1000uF Se procede a cambiar el valor de inductancia por una de 100mH, para obtener una tensión mayor a la salida, como se observa en la figura 10.

Figura 10. Conversor boost con carga de 100 ohm

Figura 13. Salida de tensión con inductor de 100mH, capacitor 47uF y carga de 4kohm.

Figura 11. Tensión de salida conversor boost con condensador de 500uF

Figura 14. Barrido DC, curva de eficiencia del 31,81%

Cuya variable de conmutación corresponde a 0,5 respondiendo a la ecuación de 1- (vin/vout). Posterior a esto se obtiene la Respuesta convertidor tipo Buck Posterior a la simulación del convertidor tipo Boost, se obtienen diferentes curvas de eficiencia del convertidor tipo Buck de la figura 7.

Figura 15. Convertidor DC/DC tipo Buck.

Figura 17. Tensión pin 5 con fuente de 5V, tensión de salida VS tensión pin 5.

Se obtiene la curva de tensión de salida respecto a la tensión de entrada V1, teniendo como tensión de entrada 10V, obteniendo la siguiente figura.

Figura 18. Tensión pin 5 con fuente de 5V, tensión de salida VS tensión pin 5. Por ultimo se obtiene la curva de eficiencia, que corresponde a la tensión de salida VS carga variable en la salida del convertidor, obteniendo la figura 16. Figura 16. Curva de tensión de salida VS tensión de entrada resistencia 4kohm a la salida. Para dichas tensiones se calcula la eficiencia del conversor mediante la siguiente ecuación 𝑉#&' 𝑅$ = 𝜂= 𝑅% + 𝑅$ 𝑉!" Obteniendo una eficiencia del 54% para dicho caso, con una resistencia de carga en el divisor de tensión de 5k Ω. Posteriormente se obtiene la tensión de salida VS la tensión en el pin 5 con fuente de 5V y sin fuente, obteniendo las figuras 9 y 10.

Figura 19. Curva de tensión de salida VS tensión de entrada, variando resistencia de carga Se calcula la eficiencia del conversor para las diferentes cargas, mediante la siguiente ecuación

𝑅$

𝑉#&' = 𝑉 𝑅% + 𝑅$ !" 𝜂()*+)%, = 0.0249% 𝜂()*+)%--, = 2.439% 𝜂()*+)%., = 20% 𝜂()*+)%-., = 71.4286% 𝜂=

A su vez para el condensador que va en paralelo a la carga, debe ser grande, en el orden de los micro faradios, como el implementado en este caso, el cual permitirá un rizado menor en la tensión de salida, aproximándose a una tensión DC, y a su vez ayudara a super la tensión constante dada a la carga.

Para el circuito implementado, la salida del boost presenta oscilaciones de tensión cuando el transistor IV.ANALISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES MOSFET esta alternando entre los estados ON y OFF, sin embargo la salida de este convertidor se logra Para el conversor se puede evidenciar que, al variar los aproximar a una tensión DC constante, viendo que para valores de los elementos inductivos y capacitivos, esto este caso, al tener un condensador paralelo a la carga, generara variaciones altamente relevantes en la tensión este ayuda a filtrar el rizado en la tensión y a su vez de la salida. suple a la carga de energía cuando el MOSFET se encuentra abierto. Se observa que, al variar la resistencia de carga de dicho conversor, esto generara de forma directa una El aumento en el ciclo de trabajo o tiempo ON causa variación en el rizado de la tensión de salida, de manera inicial que el voltaje de salida en la carga obteniendo que, a un mayor valor de carga, esto genera disminuya antes de seguir conmutando, posterior a que el rizado sea menor. Dicho problema se puede unos segundos la carga de los elementos que solucionar variando los elementos que almacenan almacenan energía permiten que empiece a aumentar la tensión a un valor mayor, hacia su valor de estado energía. estacionario final. Del circuito implementado, se puede obervar que el efecto resistivo de la bobina, para este caso es de tener Podemos ver que el funcionamiento del boost se basa en cuenta, ya que si se quiere trabajar con un inductor en gran parte de los ciclos de trabajo, realizados en este mas grande (1 Henrio), la resistencia de esta será caso por el MOSFET, los cuales se ven afectados por bastante grande, para esto, se deben utilizar bobinas de el duty cycle de la señal PWM, lo cual influirá a su vez un valor pequeño, como fue para este caso una de 0.1H, en las frecuencias de respuesta y las tensiones de salida la cual nos permite elevar mucho mas la tensión de del convertidor. entrada y tiene un menor efecto resistivo de perdidas Al tener una frecuencia natural pequeña, el circuito se que afectaran al convertidor. comporta como un filtro pasa bajos, que, para este Al necesitarse 20 constantes de tiempo caso, al tener una señal de conmutación para el PWM aproximadamente para que la respuesta sea de primer mucho más rápida (más de dos décadas mayor), el orden, el circuito debe alcanzar el 98% de su valor de convertidor comenzara a atenuar la entrada de onda estado estable, con un ciclo de trabajo aproximado del cuadrada y las frecuencias por encima de la natural. 50 % de la señal PWM generada. Lo cual hara que la Con lo cual la salida de tensión es relativamente suave. salida oscile cerca de su mínimo y su máximo. Para el circuito implementado en la primera parte, se puede ver, como este, para poder elevar una tensión doblando y casi triplicando el valor de la tensión de entrada, se debe utilizar bobina de un valor pequeño, menor a los 100mH, donde a su vez la tensión de carga debe estar en el orden de los kilo ohmios, para obtener una tensión de salida alta, ya que si el convertidor está compuesto por una bobina de gran valor, la tensión de salida será igual o menor a la tensión de entrada a convertir.

La señal PWM generada a partir del integrado 555 es la que comandara, la tensión en la salida y a su vez si el ciclo de trabajo o tiempor ON de dicha señal es menor, esto generará que la tensión de carga presente un rizado mayor, como variaciones y cambios de voltaje mas abruptos. El convertidor tipo boost ayuda a elevar valores de tension pequeños, a un valor mucho mayor, gracias a la conmutación del MOSFET y les elementos que almacenan energía en este.

El condensador empleado, que va paralelo a la carga cumple con dos funciones que permiten un buen funcionamiento por parte del convertidor, el primero es como filtro para el rizado que se pueda presentar, debido a los ciclos de trabajo y también ayuda a almacenar energía la cual pasara a la carga, cuando el convertidor se encuentre en estado OFF. Para el caso de tensiones y corrientes pequeñas como el de este montaje, este tipo de convertidor es poco eficiente, ya que la tensión de alimentación no se ve mayormente aplicada, debido a los elementos que almacenan energía, para lo cual se debe emplear mayor cantidad de tiempo para tener una respuesta, mas significativa.

Al comparar la eficiencia del convertidor tipo buck de la figura 19, con el tipo boost de la figura 8 se evidencia que, para la configuración dada, es mayor la eficiencia del conversor tipo buck con la resistencia de carga sin variar. Sin embargo, cuando se empiezan a presentar variaciones en la carga del conversor tipo buck la eficiencia de este cae notablemente a menos del 1% presentando valores de tensión de salida inferiores a los dados en el diseño, con lo que se ve comparando con la eficiencia del tipo Boost, que la eficiencia de este se mantiene constante con casi todas las variaciones de carga, manteniendo una eficiencia máxima.

vez que la eficiencia al aumentar la carga resistiva llegara a un punto máximo y/o de saturación, como se observa en la figura19. La mayoría de estos convertidores requieren que la tensión de salida se mantenga constante independientemente de la variación de la tensión de entrada. La mayoría también presenta un valor máximo para un ciclo de trabajo nulo. El convertidor boost al no tener lazo de retroalimentación para poder realizar control de la tensión de salida, se evidencia que la tensión puede llegar a elevarse a valores que pueden llegar a afectar la carga según la tensión para la que esta diseñada, debido a esto se ve la necesidad de implementar un controlador, para tener una tensión de salida lo mas constante posible, donde no presente cambios abruptos de esta en la carga. Los elementos no lineales hacen que se presenten perdidas y caídas de tensión para la carga de salida. Este tipo de convertidor es funcional con elementos que almacenen energía (condensadores) en paralelo a la carga, al no tenerlos, la tensión de salida será muy similar a la de entrada y hasta menos, debido a las perdidas en los elementos no lineales que componen el convertidor. Para grandes valores de carga, los valores de bobina y condensador deberán ser pequeños, para tener una menor cantidad de rizado y un nivel de tensión DC alto.

Al variar la carga en el convertidor boost podemos evidenciar que la eficiencia de este no presenta casi variaciones, mintiéndose constante, lo que nos Con valores inductivos mas pequeños, se obtiene indica que esta puede cumplir con la potencia una tensión de salida mucho mayor. requerida por la carga sin problemas. La eficiencia de los convertidores reductores se ve Se observa que al variar la carga en el convertidor afectada por variaciones en su carga. buck sin lazo de control, la tensión de este caerá y variará bastante, lo cual generar que la tensión de este elemento no se mantenga en la diseñada, generando problemas en la carga al momento en que esta necesite una tensión de alimentación o corrientes especifica. Al variar los valores de carga en el convertidor reductor esto genera que la curva de eficiencia se vea afectada, por ende, su punto máximo de potencia y eficiencia presenta una disminución conforme disminuye la resistencia de carga, evidenciando a su

Si el convertidor reductor no posee un lazo de control esto generar cambios en su eficiencia y por ende en la tensión entregada a la carga. La eficiencia del conversor tipo boost puede llegar a ser mayor a la de un tipo buck, cuando para este segundo tipo de convertidor la carga disminuya, lo cual genera cambios indeseados en su eficiencia.

Se evidencia que el conversor tipos boost depende en gran medida de las variaciones de los elementos que almacenan energía.

Referencias [1]https://steemit.com/technology/@xdastroxd/el ectronica-de-potencia-conversores-de voltaje-dcdc-boost-converter...