DEPARTAMENTO DE EL ÉCTRI CA EL ECTRÓNI ECTRÓNI CA
ASIGNATURA: ELECTRÓNICA DE POTENCIA TRABAJ O PRE PARATORI O 2.3 2.3
Tema de la práctica: MODULADOR MODULADOR PWM- CONVERTIDOR CONVERTIDOR BUCK Realizado por: Bryan Montenegro Erik Naula Doménica Suasnavas
NRC: 2256-2278
1) Consulta: Lea el artículo artículo Modulación Modulación de ancho de de pulsos en en Wikipedia Wikipedia Transcriba la descripción de uno de los siguientes circuitos integrados de control de potencia mediante modulación de ancho de pulso PWM: TL594, LTC6992, NTE1729.
La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse-width pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica, ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga. El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. Expresado matemáticamente: D es el ciclo de trabajo
=
es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso) es el período de la función T es τ
La construcción típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta a un oscilador de onda dientes de sierra, mientras que la otra queda disponible para la señal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la señal dientes de sierra y el ciclo de trabajo está en función de la portadora. TL594 es un control de modulación de ancho de pulso de frecuencia fija; incluye un oscilador ajustable, un modulador de ancho de pulso y amplificador de error.
Como funciones adicionales incluye un detector de sobre corriente, un control independiente de tiempo muerto, un regulador de precisión con voltaje de referencia de 5 volts y una salida de control lógico que permite una operación singular o push pull de los transistores internos. La modulación de los pulsos de salida es realizada por la comparación de la onda diente de sierra creado por un oscilador interno con cualquiera de las dos señales de control. La etapa de salida es habilitada cuando el voltaje de la onda diente de sierra es mas grande que el voltaje de control de la señal. Cuando la señal de control aumenta, el acho de los pulsos de salida decrementa. Las señales de control son derivados de 2 fuentes: los de control de tiempos muerto y los amplificadores de error. Los comparadores de tiempo muerto tienen un offset fijo de 100mv el cual provee un preset de tiempo muerto de 10% aproximadamente. Este el tiempo muerto minimo que puede ser programado con el pin de 4 aterrizado. EL oscilador interno provee una onda diente de sierra positiva a los comparadores de PWM y a la señal de tiempo muerto para comparación con las diferentes señales de control. La frecuencia de oscilación es establecido por un capacitor y una resistencia en los pines 5 y 6 y se puede calcular por la siguiente ecuación . La frecuencia de oscilación es igual a la frecuencia de salida únicamente para aplicaciones singulares; en configuración Push Pull es una mitad de la frecuencia de oscilación.
= 1/
El comparador de modulación de pulso genera la señal diferencial, creado por cualquiera de los amplificadores de error. Un amplificador es utilizado para monitorear el voltaje de salida y provee un cambo en la señal de voltaje de control. El otro amplifador de errr monitorea la corriente de salida y su cambio en el votlaje de control proveee la limitación de la correinte. La referencia interna e 5 volts provee un referencia estable para : el pulso de control lógico que gobierna al filp flop, el oscilador, el comparador de tiempo muerto, y circuitería de la modulación del ancho de pulso (PWM).
2) Diseño
Utilizando amplificadores operacionales diseñe un circuito que permita generar una señal modulada en ancho de pulso cuya frecuencia sea 10KHz y el ciclo de trabajo varíe desde 20% a 90%.
Ciclo de trabajo de 20%
Ciclo de trabajo de 90%
3) Análisis
Analice el circuito PWM con el temporizador IC 555. Encuentre una expresión para el cálculo del ciclo de trabajo en función de los valores de los elementos del circuito. Para su expresión, considere que el potenciómetro de 100Kohmios está formado por dos resistencias Ra y Rb en serie.
= 1.44 = 1.44 = = = 1.44 1.44 4) Realice la simulación del circuito y compruebe sus respuestas
Con el potenciómetro R1 en 20%
Con el potenciómetro R1 en 80%
5) Preguntas: 1. ¿Qué es el ciclo de trabajo?
El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. Expresado matemáticamente:
=
2. ¿Qué diferencia existe entre un oscilador de frecuencia variable y un generador PWM?
Un oscilador de frecuencia variable tiene un ciclo de trabajo fijo, generalmente del 50%, mientras que en un generador PWM se puede controlar el ciclo de trabajo. 3. ¿Qué significa modular una señal mediante ancho de pulso? ¿Qué otros tipos de modulación existen?
La modulación de ancho de pulso (PWM, por sus siglas en inglés) de una señal es una técnica que logra producir el efecto de una señal analógica sobre una carga, a partir de la variación de la frecuencia y ciclo de trabajo de una señal digital. El ciclo de trabajo describe la cantidad de tiempo que la señal está en un estado lógico alto, como un porcentaje del tiempo total que este toma para completar un ciclo completo. La frecuencia determina que tan rápido se completa un ciclo (por ejemplo: 1000 Hz corresponde a 1000 ciclos en un segundo), y por consiguiente que tan rápido se cambia entre los estados lógicos alto y bajo. Al cambiar una señal del estado alto a bajo a una tasa lo suficientemente rápida y con un cierto ciclo de trabajo, la salida parecerá comportarse como una señal analógica constante cuanto esta está siendo aplicada a algún dispositivo. Ejemplo: Para crear una señal de 3V dada una fuente digital que puede ser alta (5V) o baja (0V), usted podría utilizar un PWM con un ciclo de trabajo del 60%. El cual generaría una señal de 5V el 60% del tiempo. Si la señal es conmutada lo suficientemente rápido, el voltaje visto en las terminales del dispositivo parecerá ser el valor promedio de la señal. Si el estado lógico bajo es 0V (que es el caso más común) entonces el voltaje promedio puede ser calculado multiplicando el voltaje que represente el estado lógico alto por el ciclo de trabajo, o 5V x 0.6 = 3V. Seleccionar un ciclo de trabajo del 80% sería equivalente a 4V, un 20% a 1V, y así sucesivamente. Existen otros tipos de modulación como:
Modulación por amplitud de pulsos (PAM) Modulación por posición de pulsos (PPM) Modulación por codificación de pulsos (PCM)
4. ¿Qué utilidad tiene la modulación de ancho de pulso en aplicaciones de Electrónica de Potencia?
Tiene dos utilidades dentro del área de electrónica de potencia: Una de ellas es la de controlar el voltaje medio entregado a una carga, utilizando PWM para controlar un MOSFET u otro dispositivo similar. La segunda utilidad, más elaborada, es la de controlar este voltaje mediante convertidores DC – DC, en las cuales se utiliza la modulación de ancho de pulso para activar interruptores electrónicos que trabajan en modo de conmutación, de manera que se controle el ciclo de trabajo de estos, el cual da la relación de conversión.
CONVERTI DOR BUCK 6) Consulta:
Transcriba en español el extracto (abstract) de una patente (https://www.google.com/patents) sobre convertidores Buck desde 2005 hasta ahora.
A series-capacitor adaptively switched power conversion system includes, for example, a seriescapacitor buck converter overlapping controller. The series-capacitor buck converter overlapping controller is arranged to provide reduced switching losses and improved system efficiency while the switched power conversion system is operating in a discontinuous conduction mode (DCM). While operating in the DCM, the series-capacitor buck converter overlapping controller generates precisely controlled frequency modulated waveforms that are adapted to independently drive control switches of one or more power converters. The series-capacitor buck converter overlapping controller is arranged to reduce (or eliminate) negative inductor current (and the associated conduction loss) that can be present in multiphase (two or more phases) seriescapacitor buck converters. Un sistema de conversión de potencia conmutado con capacitor en serie incluye, por ejemplo, un controlador para convertidor buck con capacitor en serie. El controlador con capacitor en serie se ubica de manera que se reduzcan las pérdidas por conmutación y se mejore la eficiencia del sistema mientras el sistema conversión de potencia conmutada opere en modo de corriente discontinua (DCM). Mientras opera en DCM, el controlador genera ondas a una frecuencia controlada precisa que se adaptan a los conmutadores de uno o más convertidores de potencia. El controlador se ubica de manera que se reduzca o elimine la corriente negativa del inductor (y pérdidas asociadas) que pueden estar presentes en convertidores buck de dos o más fases. https://www.google.com.ec/patents/US20150002115?dq=buck+converter&hl=en&sa=X&ved=0ah UKEwjU2O6dx-DNAhXBlB4KHXkmCqwQ6AEIHDAA
7) En el circuito: L=1mH, C=100uF, R=100ohmios; Vg=12V. El ciclo de trabajo es D.
Obtenga mediante el método analítico
Corriente y voltaje en la carga Rizado de voltaje en el condensador y de corriente en la bobina a) D=30%, b) D=50%, c) D=80%
Como se observa el circuito posee 1 llave electrónica que podría ser interpretada por un Switch 1 y también posee un Diodo Rápido que es un Switch 2.
Por tanto el primer análisis es cuando el Switch 1 se encuentra como cerrado, y el Switch 2 se encuentra abierto, en este caso tendríamos lo siguiente: Interruptor cerrado:
La tensión de la bobina:
=
Despejando la derivada de la corriente tenemos:
=
Y como observamos en el Gráfico 1, si el Switch 1 se encuentra cerrado, y el Switch 2 abierto, el voltaje en el inductor sería:
= − Y con la aproximación de pequeño rizado en el voltaje del capacitor: = = + ∆ ≈ = Tenemos que: = − Y partiendo de las gráficas de la relación de la corriente con el período de la señal, sabemos que: = 2∆ Entonces nos quedaría: 2∆ = − Y despejando la relación del rizado en la corriente sería: − ) ∆ = (2 Por otro lado, la corriente en el capacitor sabemos que es: Despejando la derivada del voltaje tenemos:
= =
Y como observamos en el Gráfico 1, si el Switch 1 se encuentra cerrado, y el Switch 2 abierto, la corriente en el capacitor sería:
= + = −
Y con la aproximación de pequeño rizado en la corriente del inductor:
= + ∆ ≈ Tenemos que: = − Y partiendo de las gráficas de la relación del voltaje con el período de la señal, sabemos que: = 2∆ Entonces nos quedaría: 2∆ = − Y despejando la relación del rizado en la corriente sería: − ∆ = 2 Interruptor abierto:
En esta etapa, observando el Gráfico 1. El Switch 1 estaría abierto y el Switch 2 cerrado, es decir, que se convierte en un circuito LCR en paralelo. La tensión de la bobina sabemos que es:
=
Despejando la derivada de la corriente tenemos:
= El voltaje en el inductor sería: = − Y con la aproximación de pequeño rizado en el voltaje del capacitor: = = + ∆ ≈ = Tenemos que: = − Y partiendo de las gráficas de la relación de la corriente con el período de la señal, sabemos que: = 2∆ ′ Entonces nos quedaría: 2∆ = − ′ Y despejando la relación del rizado en la corriente sería: − ∆ = 1 2 Por otro lado, la corriente en el capacitor sabemos que es: Despejando la derivada del voltaje tenemos:
= =
Y como observamos en el Gráfico 1, si el Switch 1 se encuentra abierto, y el Switch 2 cerrado, la corriente en el capacitor sería:
= + = −
Y con la aproximación de pequeño rizado en la corriente del inductor: Tenemos que:
= + ∆ ≈ = −
Y partiendo de las gráficas de la relación del voltaje con el período de la señal, sabemos que:
Entonces nos quedaría:
= 2∆ ′ 2∆ = − ′
Y despejando la relación del rizado en la corriente sería:
1 − − ∆ = 2
De acuerdo con los intervalos que se generan, el área bajo la curva para el rizado de voltaje igualamos a 0 para despejar la corriente, entonces tenemos: Y despejando:
− + 1 − − = 0 − = 1 +
Igualando las 2 expresiones para la relación del rizado en la corriente tenemos que:
( − ) = 1 − 2 2 ( − ) = 1 − =
Por tanto la relación de rizado del voltaje en función de los valores L, C, R y la frecuencia de conmutación sería:
1 − − ∆ = 2
Y la relación de rizado de la corriente en función de los valores L, C y la frecuencia de conmutación sería:
( − ) ∆ = 2 ∆ = (2 −)
8) Realice la simulación del circuito y compruebe sus respuestas
9) Preguntas: 1. ¿Cuál es la relación de conversión del convertidor Buck?
= 2. ¿Qué relación existe entre el rizado de la corriente y la frecuencia de la conmutación?
En los circuitos de conmutación el transistor trabaja como un interruptor. Cuando el transistor se satura, el Vce es pequeño (de saturación) y la corriente es grande. Cuando se corta el transistor la corriente es cero y el Vce es grande siendo la disipación de potencia pequeña. Solamente se disipa un poco de potencia en el momento de transición de corte a saturación del transistor. 3. ¿Indique mediante una expresión la dependencia del rizado de voltaje de la carga con el ciclo de trabajo D?
La variación periódica de la tensión o rizado, se calcula a partir de la relación entre la tensión y la corriente del condensador, la corriente del condensador es:
= − El condensador se cargara mientras sea positiva la corriente del mismo, aplicando la definición de capacidad.
La variación de la carga tiempos:
∆ es el área del triángulo situado por encima del eje de
Obteniendo:
Sustituyendo el valor de
Donde
∆ = ∆
∆ :
∆ es la tensión de rizado pico a pico en la salida expresada en función de la tensión de salida como: ∆ = −
4. ¿Qué es el rendimiento del convertidor y cómo lo mediría?
= Este rendimiento se puede medir indirectamente midiendo tanta los voltajes como corrientes de entrada y salida, y aplicando:
= ⋅ ⋅ 5. ¿Qué es el rizado?
El rizado, algunas veces llamado fluctuación o ripple (del inglés), es la pequeña componente de alterna que queda tras rectificarse una señal a corriente continua. El rizado puede reducirse notablemente mediante un filtro de condensador, este proceso es llamado a veces "filtrar", y debe entenderse como la reducción a un valor mucho más pequeño de la componente alterna remanente tras la rectificación.
Fecha: 10-01-2017
