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Informe: Convertidor reductor elevador Buck Boost

CONVERTIDOR REDUCTOR ELEVADOR BUCK BOOST Henry David Mise Changoluisa E-mail: [email protected] Gabriela Giovanna Tibanquiza E-mail:[email protected] Boris Sebastián Toapanta Jiménez E-mail: [email protected] Luis Gregorio Pilataxi Freire E-mail: [email protected] Edgar Eduardo Venegas Paute E-mail:[email protected] Elaborado 23 de Enero del 2018 RESUMEN En el presente trabajo se realizara una práctica demostrativa sobre el convertidor reductor elevador o también conocido como Buck Boost es un tipo de fuente conmutada que suministra un voltaje de salida que puede ser mayor o menor al de la entrada, por lo que la polaridad de la tensión de salida es inversa a la de entrada. Se trata de la conexión en cascada de un convertidor reductor Buck con otro elevador (Boost). En todos los convertidores conmutados existen dos modos de funcionamiento dependiendo de la continuidad o no de la corriente que circula por la bobina. De esta manera cuando la corriente sea siempre mayor que cero durante todo el periodo de conmutación, el convertidor trabajará en modo de conducción continua. En cambio, si durante algún instante la corriente en la bobina se anula, el circuito estará trabajando en modo de conducción discontinua al realizar la practica obtendremos sus curvas características gracias a la simulación y a la construcción del circuito. Palabras claves: Buck Boost, Fuente Conmutada, Reductor, Elevador.

ABSTRACT In the present work a demonstrative practice will be carried out on the elevator reducer converter or also known as Buck Boost is a type of switched source that supplies an output voltage that can be higher or lower than the input, so the polarity of the Output voltage is inverse to the input voltage. It is the cascade connection of a reducer converter Buck with another elevator (Boost). In all the switched converters there are two modes of operation depending on the continuity or otherwise of the current flowing through the coil. In this way, when the current is always greater than zero during the entire switching period, the converter will work in continuous conduction mode. On the other hand, if during some moment the current in the coil is canceled, the circuit will be working in discontinuous conduction mode when performing the practice, we will obtain its characteristic curves thanks to the simulation and construction of the circuit. Keywords: Buck Boost, Switched Source, Reducer, Elevator.

Informe: Convertidor reductor elevador Buck Boost

INTRODUCCIÓN En el presente informe se presenta el desarrollo la construcción y la investigación sobre el Convertidor reductor elevador Buck Boost que en Muchas aplicaciones industriales, es necesario el convertir una fuente de poder de corriente directa DC de voltaje fijo a una fuente de DC de voltaje variable. Un convertidor de DC, convierte directamente de DC a DC. Este convertidor se puede considerar como el equivalente a un transformador de corriente alterna CA con una relación de vueltas que varía en forma continua. Al igual que un transformador, puede utilizarse como una fuente de DC reductora o elevadora de voltaje. Los convertidores DC-DC se utilizan ampliamente en el control de los motores de tracción de automóviles eléctricos, tranvías eléctricos, grúas marinas, montacargas y elevadores de minas. En lo que a nosotros nos concierne el convertidor DC-DC se utilizará en la primera etapa del balastro para la corrección del factor de potencia y obtener una salida en DC estable para alimentar el inversor resonante el cual trabajará en alta frecuencia. } OBJETIVO GENERAL Construir un Convertidor reductor elevador Buck Boost mediante la utilización de elementos electrónicos y software de simulación para demostrar el funcionamiento y conocer curvas características. OBJETIVOS ESPECIFICOS  Analizar el funcionamiento del Convertidor reductor elevador Buck Boost a través de simulaciones y con el circuito implementado.  Conocer las aplicaciones del Convertidor reductor elevador Buck Boost.  Observar por medio de un osciloscopio la onda generada del Convertidor reductor elevador Buck Boost. 3

ANÁLISIS TEÓRICO A. CONVERTIDOR REDUCTOR ELEVADOR BUCK BOOST Según Muhammad H. Rashid (2014) en su obra Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones expresa lo siguiente En la electrónica de potencia ocupan una importante posición el estudio y desarrollo de los convertidores DC/DC. Estos se dividen en diferentes topologías: reductora o Buck; elevadora o Boost, y un híbrido de las dos anteriores llamado flyback, sepic y cuk Funcionamiento El funcionamiento básico de los convertidores conmutados consiste en el almacenamiento temporal de energía y la cesión de esta en un periodo de tiempo. Este periodo de tiempo determina la cantidad de energía cedida a la carga los convertidores de DC DC se pueden dividir en tres bloques: Modo de conducción continua (MCC) Según Muhammad H. Rashid (2014) en su obra Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones expresa lo siguiente El transistor conmuta periódicamente con una frecuencia de conmutación f=1/T por tanto, el circuito presentará dos topologías según el estado en que se encuentre el interruptor. En t=0 comienza a conducir el interruptor S (Ver Fig.1)

Fig.1. Modo de conducción continua (MCC) Fuente: Rashid, M. H. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones. pearson.

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 Modo de conducción discontinua (MCD) El modo de conducción discontinua presenta tres topologías. Las dos primeras son iguales a las topologías presentadas para el modo de conducción continua, y la tercera se define cuando los dos elementos conmutadores diodo de marcha libre e interruptor, están bloqueados (OFF) a la vez. (Ver Fig.2)

Fig.2. Modo de conducción discontinua (MCD) Fuente: Castillo, J. C. (2014). Instalaciones eléctricas y domótica. Editex.

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

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Conmutación: se encarga de trocear la señal de entrada según la frecuencia y el ciclo de trabajo requerido. Acumulación de energía: depende estrictamente de la conmutación, ya que este determina cuándo se libera energía hacia la carga del sistema. Filtrado: se encarga de filtrar la señal conmutada. Es importante mencionar las ventajas y desventajas en el uso de convertidores DC DC como reguladores de tensión.

Aumento de las pérdidas con el aumento de la frecuencia. B. APLICACIONS DE CONVERTIDOR REDUCTOR ELEVADOR BUCK BOOST

Según Eduard Ballester Portillo (2011) en su obra Electrónica de Potencia: Principios Fundamentales expresa lo siguiente: Los convertidores DC DC son muy utilizados en la industria de amplio desarrollo tecnológico, gracias a sus numerosas ventajas en el área de conversión de potencia. Sus principales aplicaciones están orientadas a fuentes de poder, sistemas de potencia fotovoltaicos, pilas de combustibles, vehículos híbridos, entre otros, como primeras etapas de acondicionamiento y administración de energía. Estos describen una topología fácil de trabajar; sin embargo, su dinámica es muy compleja porque son sistemas de naturaleza no lineal, generalmente de fase no mínima, lo que dificulta el diseño de un control capaz de garantizar la estabilidad y las condiciones de operación consideradas durante el diseño frente a perturbaciones de carga o de línea. La tensión de salida y la dirección del flujo de potencia del convertidor mostrado a continuación pueden ser reductoras o elevadoras, dependiendo del ciclo de trabajo y las condiciones de operación (Ver Fig.3)

Ventajas  Rendimiento con márgenes entre el 60% y el 90% contra el 14% de las fuentes de alimentación lineales. Desventajas  Generación de EMI emisión electromagnética tanto conducida como radiada. 4

Fig.3. Convertidor reductor elevador buck boost Fuente: Portillo, E. B. (2011). Electrónica de Potencia: Principios Fundamentales. Marcombo.

C. CONVERTIDOR BUCK

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Según Eduard Ballester Portillo (2011) en su obra Electrónica de Potencia: Principios Fundamentales expresa lo siguiente: El convertidor Buck (o reductor) es un convertidor de potencia, DC/DC sin aislamiento galvánico, que obtiene a su salida un voltaje continuo menor que a su entrada. El diseño es similar a un convertidor elevador o Boost, también es una fuente conmutada con dispositivos semiconductores (transistor S y diod un inductor L y opcionalmente o D), un condensador C a la salida. (Ver Fig.4)

Fig.4. Convertidor Buck Fuente: Portillo, E. B. (2011). Electrónica de Potencia: Principios Fundamentales. Marcombo.

D. CONVERTIDOR BOOST Según Muhammad H. Rashid (2014) en su obra Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones expresa lo siguiente El convertidor Boost es un convertidor dc a dc 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. (Ver Fig.5)

Fig.5. Convertidor Boost

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Fuente: Rashid, M. H. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones. pearson.

E. RESISTENCIA Según García, L., Huerta, P., & Sánchez, D., (2014) en su obra Electrónica expresa lo siguiente: Es un dispositivo que permite controlar la cantidad de corriente que circula a través de un circuito. Entre más alto sea el valor de la resistencia, se tendrá una menor corriente y viceversa. El valor de la resistencia se mide en Ohmios (Ω).” (Ver Fig.6)

Fig.6. Símbolo Resistencia eléctrica. Fuente: García, L., Huerta, P., & Sánchez, D., (2014). Electrónica

La resistencia eléctrica como unidad de medida tiene como función ayudar a diferenciar los cuerpos que son mejores conductores de los que son peores, de tal manera que se puede decir que un mal conductor posee mucha resistencia eléctrica, mientras que uno bueno tiene poca. De ésta manera se pude decir: La resistencia eléctrica es la mayor o menor oposición que ofrecen los cuerpos conductores al paso dela corriente eléctrica

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F. CAPACITOR Según., (2014) en su obra Juan Carlos Martín Castillo expresa lo siguiente: Utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico.12Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma

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de láminas o placas, en situación de influencia total. (Ver Fig.7)

oxide semiconductor Field effect transistor) es un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos analógicos o digitales, aunque el transistor de unión bipolar fue mucho más popular en otro tiempo. Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales están basados en transistores MOSFET. (Ver Fig.9)

Fig.7. Capacitor Fuente: Castillo, J. C. (2014). Instalaciones eléctricas y domótica. Editex.

G. DIODO Según Juan Carlos Martín Castillo (2017) en su obra Electrónica expresa lo siguiente: Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. (Ver Fig.8)

Fig.9. Tip416 Mosfet Fuente: Castillo, J. C. (2017). Electrónica. editex.

MARCO EXPERIMENTAL Materiales  Protoboard  Diodo 

Capacitor cerámico

    

Capacitor electrolítico de 2200uf Resistencias Cables Capacitor de 10uf Tip416Mosfet

PRÁCTICA Fig.8. Diodo Fuente: Castillo, J. C. (2017). Electrónica. editex.

H. MOSFET (TRANSISTOR DE EFECTO CAMPO MOS) Según Juan Carlos Martín Castillo (2017) en su obra Electrónica expresa lo siguiente: El transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor o MOSFET (en inglés Metal 6

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: 1.

El siguiente primer paso a realizar la simulación y se procede a mandar a correr el programa en el que se realizó el circuito eléctrico en este caso se utiliza el programa Proteus para dicha simulación, en el cual observamos el comportamiento de la onda en el circuito

PONER AQUÍ SIMULACION

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4.

2.

Finalmente se procede a implementar el circuito en el protoboard, el cual queda de la siguiente manera.

Se procede a la construcción del circuito

Fig. 9: Encendido del circuito con Triac. Fig. 7: Circuito implementado . 3.

Para la siguiente actividad de la misma manera se procede a visualizar la manera de comportamiento de salida de la onda utilizando el osciloscopio

CONCLUSIONES 

La finalidad de los convertidores Buck Boost es recibir una tensión DC de entrada y obtener de salida un nivel de tensión DC diferente, esto sea al bajar o aumentar

la

tensión,

según

sea

necesario para la aplicación. El diseño del convertidor Buck Boost es similar al de los conversores Buck y Boost, pero ambos están incluidos en un solo circuito y generalmente cuenta con una unidad de control adicional. 

Hemos concluido que los convertidores Buck Boost facilitan la modulación de voltaje para una amplia gama de aplicaciones populares, lo que incluye aparatos

Fig. 8: Onda de disparo

electrónicos

de

consumo,

amplificadores de energía, suministros de energía regulables automáticamente y aplicaciones de control.

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

Mediante la correcta conexión del

Bibliografía

circuito en el osciloscopio hemos logrado

conocer

las

ondas

características del convertidor ya que el voltaje de salida es ajustable variando el ciclo de trabajo del transistor de conmutación. RECOMENDACIONES 

Realizar la investigación en sitios bibliográficos confiables para de esta manera obtener información verídica en nuestra formación académica.

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Usar un software de libre uso para realizar las simulaciones y ver el funcionamiento antes de implementar el circuito en el protoboard. Tomar precauciones pertinentes como

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por ejemplo que los elementos no tengan contacto entre si al momento de conectar el circuito a la red eléctrica. . Castillo, J. C. (2017). Electrónica. editex. Portillo, E. B. (2011). Electronica de Potencia: Principios Fundamentales. Marcombo. Rashid, M. H. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones. pearson.

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