Práctica 5:Convertidor cd-cd realimentado (buck boost)

Dr. Héctor Suárez Aparicio

Morelia, Mich. 10 Diciembre del 2014

Control de nivel

Se requiere un convertidor estable capaz de mantener la tensión de salida constate aunque existan variaciones del punto de operación deseado.

Convertidor Buck-Boost

[pic 1]

Fig. 1 Convertidor Tipo Buck-Boost

Consideraciones:

El voltaje de salida es negativo

La referencia para el control del disparo del interruptor está flotada.

Pasos:

Se cambió la posición del interruptor

[pic 2]

Fig. 2 Control Buck Boost con switch aterrizado.

Como se aprecia en la figura  2 el interruptor se cambió exactamente del otro lado y ahora es posible conectar la referencia del disparo a la tierra de la fuente de alimentación.

Requerimientos:

Se requiere que el convertidor mantenga un nivel de tensión constante, de manera que a pesar de las variaciones y distorsiones en la entrada mantenga el nivel de cd que se desea, dentro de ciertos parámetros.

Se debe variar el voltaje de entrada de 19.2 a 28.8 volts, y como se mencionó anteriormente, el voltaje de salida deberá mantenerse en un nivel de -45 volts.

Como se ha trabajado en prácticas anteriores, el nivel del voltaje de salida es controlado mediante el tiempo de encendido del interruptor s, el cual es determinado con el ciclo de trabajo que se genera mediante el   integrado TL494, cuyo funcionamiento, ya explicado y manejado durante varias sesiones, se conoce que el ciclo de servicio se controla a través del nivel de tensión aplicado en el pin 3, el cual varía de 0.5  a 3.5 v.

Analizaremos de forma inversa las etapas, es decir, a partir de la necesidad plantearemos el modo de control del voltaje.

Etapa 1. Control del TL494

Como se observa se necesita variar el voltaje en el pin 3 para variar el ciclo de servicio, como opera el tl494 es que si el nivel de cd disminuye, el ciclo de servicio aumenta y viceversa, si el nivel de cd aumenta el ciclo de servicio disminuye.

Por lo tanto se necesita de un control que detecte el nivel de tensión en la carga, el cual, al momento de que disminuya el voltaje de salida aumente el siclo de servicio de forma que el nivel de cd en la carga se mantenga.  Por lo tanto es necesario calcular 3 ciclos de servicio distintos para los 3 niveles de tensión de la entrada:

[pic 3]

Para Vi min=19.2v

[pic 4]

Para Vi nom=24v

[pic 5]

Para Vi max=28.8v

[pic 6]

En seguida se realiza una medición en el tl494, para determinar que voltaje se aplica a la terminal 3 para que el ciclo de servicio trabaje dentro de los niveles determinados.

Para Vi min=19.2v

Vpuls= 1.8

Para Vi nom=24v

Vpuls=2.0

Para Vi max=28.8v

Vpuls=2.3

Se observa que el voltaje del control deberá de ser capaz de variar de 1.8 a 2.3 volts y como consecuencia el ciclo de servicio cambiará dentro de los parámetros establecidos.

Se pudiera pensar que únicamente con  colocar un divisor de tensión en paralelo con la carga y directamente enviarlo al pin 3 del tl494 pero se descarta esta idea con solo pensar que un pico de voltaje o corriente provocados por el mismo ruido por el switcheo podría quemar el control de disparo.

Etapa de Censado

El convertidor buck boost como se dijo tiene una salida con una tensión negativa, para esta práctica se tiene un voltaje de -45 vcd.

Para censar el nivel de tensión en la carga se coloca en paralelo a ésta un divisor de tensión con resistencias de forma que se  obtenga un voltaje proporcional a la salida pero escalado, de manera similar a como se tiene en una punta atenuada para osciloscopio.

[pic 7]

Fig.3 Divisor de tensión

Con el arreglo de 10Kohms y 330 el voltaje de la resistencia es de 1.4, aparentemente se encuentra dentro del rango de operación necesario, pero como ya se mencionó, se añadirán más etapas, una de ellas es un aislamiento óptico, ya que por la topología del convertidor el punto de referencia, o la tierra del control NO ES LA MISMA del punto de referencia del sensor de voltaje. El Optoacoplador seleccionado es el 4N25.

El voltaje de operación del 4n25 es de 5 volts para el led, por lo tanto es necesario aumentar el valor de la resistencia para que el led pueda encender y así poder trabajarlo en una región lineal, de manera que el voltaje al disminuir en la carga disminuya proporcionalmente de forma lineal en el control. 

[pic 8]

Fig.4 Aislamiento de  etapa de sensado y control.

En la figura 4 se aprecia que se tienen una salida a transistor, donde se conecta el colector a vcc y el emisor a una resistencia a la tierra del control.

Etapa de Filtrado

[pic 9]

Fig. 5 Sensor con etapa de filtrado.

La figura 5 muestra el sensor de voltaje con la etapa de asilamiento y a continuación se conecta una etapa de filtrado con un amplificador operacional como seguidor para acoplamiento de impedancias.

Se implementa un filtro pasa bajas para reducir la interferencia del ruido de alta frecuencia por la conmutación  del interruptor, y se propone una frecuencia de corte de 1kHz.

[pic 10]

Empleando esta fórmula, si se propone un capacitor de 100nf despejando la resistencia se obtiene que se necesita de un valor de  1.5Kohms

[pic 11]

 Etapa de control PI

[pic 12]

Fig.5 Control con etapa de control PI

La etapa de control PI se encarga de precisamente tener una regulación del nivel de tensión, se conforma de dos partes, el control proporcional, determinada por la resistencia en la entrada inversora y por la resistencia de realimentación, la parte proporcional disminuye el error en estado estacional pero al no ser suficiente se agrega una parte integradora con el propósito de obtener una respuesta estable del sistema sin error estacionario.

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