BRIG Syntax for Conversion (cvt) Operation

A continuación se presenta el desarrollo en el laboratorio de los circuitos que fueron utilizados para ejemplificar el esquema de diseño mostrado anteriormente para la topología Buck. La finalidad del montaje de este circuito será observar las diferencias entre el funcionamiento del circuito tanto en modo continuo como en modo discontinuo. Iniciamos con el caso del convertidor en modo de conducción continuo y posteriormente evaluamos el comportamiento del convertidor en modo discontinuo. Para el caso de operación continuo el diagrama esquemático con los valores teóricos de los componentes corresponden a los mostrados en la figura 4.4.

Para el montaje del circuito anterior se utilizaron componentes pertenecientes a la bodega de materiales de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica y algunos componentes adquiridos independientemente debido a su inexistencia en dicha bodega de materiales.

Adicionalmente a los componentes electrónicos utilizados se utilizan una serie de equipos utilizados cuyo número de placa se presenta en la siguiente figura.

Tabla 4.2. Lista de equipo utilizados en la implementación del convertidor.

Equipo Número de placa

Fuente de Corriente Directa (DC) 127335

Osciloscopio 179208

Generador de señales 126589

Multímetro 129678

Una vez implementado el circuito mostrado en el diagrama esquemático mostrado en la figura 4.2 se procede a la medición de los valores reales de cada uno de los componentes. Al sustituir dichos valores en el diagrama esquemático obtenemos la figura 4.7.

Figura 4.5. Diagrama esquemático del circuito implementado, topología Buck, modo de conducción continuo.

Como primer punto dentro del estudio del convertidor se procede al análisis de las formas de onda del convertidor, para realizar dicho objetivo se utiliza el osciloscopio el cual se encarga de capturar las formas de onda de tensión. En la figura 4.6 se muestra la captura realizada para dichas señales en régimen permanente.

Figura 4.6. Formas de onda de tensión de entrada (superior) y salida (inferior) en el convertidor topología Buck, modo continuo.

En la figura anterior se logra apreciar gráficamente la regulación efectuada por el convertidor conmutado sobre la señal de entrada, disminuyendo el efecto del rizado y también atenuando los efectos de los cambios drásticos del nivel de tensión en la entrada del convertidor. Observando la figura anterior se logra apreciar una gran ventaja adicional de la utilización de convertidores conmutados de alta frecuencia, ya que aparte de lograr obtener a la salida del convertidor un nivel fijo de tensión preestablecido se observa que las características de la señal de salida del convertidor son mucho más adecuadas para la alimentación de un circuito electrónico.

Por medio de la utilización del osciloscopio es posible realizar la medición de muchos de estos parámetros. Dicha medición sobre el circuito analizado se muestra en la figura 4.7.

Figura 4.7. Mediciones realizadas a las formas de onda de entrada (izquierda, canal 1) y salida (derecha, canal 2) utilizando el osciloscopio.

Se observa que la regulación de tensión entre las señales, la cual está definida por un cambio en la tensión de salida respecto a un cambio en la señal de entrada ronda el valor del 9%, esto utilizando los valores de tensión pico a pico obtenidas ya que como se aprecia en la figura 4.6 la mayor variación de la forma de entrada del convertidor provoca el mayor rizado de la forma de tensión de salida.

Como se observa en la figura 4.5 como los valores de las resistencias del lazo de realimentación no coinciden de manera exacta con los valores dimensionados durante la etapa de diseño del convertidor, en este caso el valor de la tensión de referencia, la cual se compara con el valor 1.22v de la fuente interna del encapsulado. Sustituyendo los valores reales de las resistencias en la ecuación 4.29, obtenemos que el valor de la tensión de referencia a la salida del convertidor presenta un valor teórico de 5.25v. Tal como se observa en la figura 4.7 la forma de onda de salida del convertidor posee un valor promedio de 5.238v, esto arroja un porcentaje de error de menos de un 1%. Estas mediciones indican una gran exactitud en los resultados obtenidos. Adicionalmente en la figura 4.8 se logra apreciar que la forma de onda de tensión de salida presenta un valor de rizado de 0.16v, valor menor al valor máximo de diseño especificado para el convertidor.

Se puede realizar al convertidor un barrido de tensiones en donde se compara el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esta comparación se realiza con el fin de determinar los límites de tensión en la entrada que provocan un comportamiento estable en la tensión de salida del convertidor. Este barrido de frecuencias se presenta en la figura 4.9.

De antemano podemos anticipar el valor de la tensión mínima en la entrada del convertidor que provoca un nivel de tensión de 5.25v en la salida del convertidor. Para esto nos basamos en el valor máximo del ciclo de trabajo para que el convertidor trabaje de manera estable. Según se acotó en el capítulo 3, el tiempo de encendido del transistor de paso del encapsulado utilizado está definido por el tiempo de carga de un capacitor, donde este capacitor posee la característica de necesitar un tercio del tiempo utilizado en su ciclo de carga para realizar la respectiva descarga, de manera que determina un valor de ciclo de trabajo máximo de un 75%. Utilizando este valor, así como el valor de tensión esperado a la salida podemos utilizar la ecuación 4.46 que define las relaciones terminales del convertidor para determinar que se debe presentar una magnitud de la tensión de entrada de 7v para obtener 5.25v en la salida del convertidor.

0 1 2 3 4 5 6 5,05 5,97 6,49 7,03 8,01 8,98 10 11,1 12 12,9 Te n si ó n d e sa lid a Tensión de entrada

Figura 4.8. Relaciones terminales de tensión del convertidor Buck, en modo de conducción continuo.

Tal como se observa en esta figura para el punto en el cual la tensión de entrada presenta un valor de 7v la tensión de salida del convertidor ya ha superado el valor de 5v. Antes de este comportamiento se observa una relación creciente entre la magnitud de la tensión de entrada respecto y la tensión de salida. No se prosigue con el barrido de tensiones a niveles más elevados de tensión de entrada con el fin de no sobrepasar los niveles máximos recomendados para el convertidor.

Por medio del osciloscopio se logra realizar la captura de la forma de onda de tensión durante el ciclo de encendido del convertidor, o lo que es lo mismo durante su estado transitorio. Esta forma de onda se presenta en la figura 4.9.

Figura 4.9. Forma de onda de tensión de salida durante el arranque del convertidor, topología Buck, modo continuo.

Se observa que el sistema responde con una característica amortiguada sin presentar condiciones de sobreimpulso, por lo menos ninguna distinguible en este estudio. En este trabajo no se estudia el convertidor conmutado desde la perspectiva de un sistema de control, sin embargo se puede aventurar una conclusión a este fenómeno desde el punto de vista que los ciclos de conmutación del convertidor presentan valores temporales bastante pequeños, lo cual permite al circuito sensar rápidamente cualquier sobreimpulso o deficiencia en el nivel de tensión de salida por lo que cualquiera de estos errores puede ser corregido tan rápido como se produzca la conmutación de los componentes del convertidor.

Adicionalmente durante el estudio de este convertidor resulta interesante estudiar las características que diferencian el modo de conducción continuo del discontinuo. Para realizar esta labor debemos observar las formas de onda de corriente a través del inductor, o en su defecto a través del diodo en conjunto con el transistor. En ambos casos deben surgir resultados bastante semejantes entre sí, sin embargo se prefiere por simplicidad medir estos valores a través del inductor. Ahora debemos definir la manera

de obtener estas formas de onda de corriente, ya que el osciloscopio únicamente es capaz de medir y graficar formas de onda de tensión.

La solución más sencilla radica en la colocación en serie con el dispositivo para el cual se desea observar las formas de onda de una resistencia de valor conocido. De esta manera la forma de onda de tensión obtenida es directamente proporcional con la forma de onda de corriente con un factor de proporcionalidad igual a la resistencia serie colocada. Para efectos de no forzar el circuito a comportamientos alejados del real no se recomienda la inclusión de resistencias de alta resistividad ya que esto podría provocar cambios en los niveles de corriente demandada por el circuito con lo cual el comportamiento graficado podría ser un poco distante con el comportamiento real sin la inclusión de la resistencia. En este caso utilizamos una resistencia con un valor medido en el laboratorio de 1.20 Ω.

La forma de onda de corriente a través del inductor se presenta en la figura 4.10.

Figura 4.10. Forma de onda de corriente a través del inductor, topología Buck, modo operación continuo.

Se observa en la anterior figura que la forma de corriente a través del inductor posee un comportamiento cercano al esperado, con un leve nivel de rizado en su forma. Se observa una corriente mínima de aproximadamente 10mA y un valor máximo de 40mA. Existe un factor limitante en cuanto a la ampacidad que puede soportar el circuito, ya

que se ha discutido que el valor máximo de corriente soportado por el encapsulado es de 500mA; sin embargo, se encuentra que los diodos utilizados al trabajar bajo estas condiciones presentan un rápido calentamiento poniendo su integridad en peligro, de esta manera el circuito debe ser readecuado al valor seguro de corriente que pueden conducir estos dispositivos. En los anexos se muestra la hoja de datos del fabricante donde se observa que para el valor de inductancia de 390µH el valor máximo de la ampacidad para este semiconductor tiene un valor de 60mA.

El siguiente paso en el análisis del convertidor en su topología Buck consiste en la implementación del convertidor en régimen de conducción discontinuo. Para la implementación de dicho circuito se debe armar el circuito según se describe en el siguiente diagrama esquemático.

Figura 4.11. Diagrama esquemático del circuito implementado, topología Buck, modo de conducción discontinuo.

Se observan cuatro cambios básicos con respecto al diagrama utilizado para el montaje del convertidor Buck en modo de operación continuo. Estos cambios radican en la inclusión de un transistor externo, un diodo externo, y cambios en el valor de la inductancia y del capacitor de salida. En cuanto a los cambios de valor de los componentes es una situación normal dentro del cambio e modo de conducción. Sin embargo se debe tener cuidado de no confundir el cambio de modo de conducción con la inclusión del transistor y el diodo externo. Anteriormente se demostró que al cambiar el modo de conducción a discontinuo se presentan valores más elevados de corriente máxima a través del circuito. En este caso al aplicar el cambio en la inductancia se

presenta un valor máximo de corriente de 625mA, de manera que se sobrepasa la corriente máxima de 500mA especificada por los fabricantes del TL497A. De esta manera ambos componentes fueron incluidos con el único motivo de proteger el circuito ante estas corrientes que podrían llegar a tener un efecto perjudicial sobre el convertidor conmutado. De la misma manera que sucede con el caso anterior el inductor representa el dispositivo limitante en cuanto al valor de la máxima corriente que podemos obtener del circuito, siendo para el valor de 100µH el valor máximo de corriente de 160mA. Una vez implementado el circuito se puede proceder a realizar los mismos análisis efectuados para el convertidor en topología Buck en modo de conducción continuo. De esta manera es posible realizar nuevamente el barrido de tensiones donde se relaciona las variables terminales de tensión del convertidor. Los resultados obtenidos se muestran en la figura 4.12.

Figura 4.12. Relaciones terminales de tensión del convertidor Buck, en modo de conducción discontinuo.

Se observa de la figura anterior un incremento con un comportamiento más lineal de las variables terminales durante el estado transitorio, con respecto a los resultados obtenidos para el convertidor en modo continuo. De la misma manera en que se realiza para el modo de conducción continuo se puede capturar las formas de onda de tensión presente en la entrada y salida del convertidor. Estas formas de onda se muestran en la figura 4.13.

Figura 4.13. Formas de onda de tensión de entrada (superior) y salida (inferior) en el convertidor topología Buck, modo discontinuo.

De la figura anterior se observa algunas variaciones importantes en cuanto a los valores pico de la forma de entrada al convertidor, adicionalmente se observa la regulación efectuada por el convertidor conmutado sobre estas variaciones. Con el fin de comparar estos parámetros de manera más precisa se utiliza la herramienta de medición del osciloscopio. Los resultados obtenidos se muestran en la figura 4.14.

Figura 4.14. Mediciones realizadas a las formas de onda de entrada (izquierda, canal 1) y salida (derecha, canal 2) utilizando el osciloscopio.

Se observa de la figura 4.14 que la tensión de salida presenta nuevamente un valor en estado estable ligeramente mayor a 5v, resultado que concuerda con el obtenido para el convertidor Buck en modo de conducción continuo. Este resultado se ratifica observando el valor promedio de la tensión en la forma de onda de salida del convertidor, la cual establece un nivel de tensión de 5.305v. a la vez se logra distinguir que se presenta un valor de rizado en la tensión de salida de únicamente 142mV de manera que se cumple con las especificaciones de diseño dadas para el convertidor. Se observa que hasta el momento el comportamiento del convertidor es muy similar para ambos modos de conducción estudiados, el siguiente procedimiento consiste en la utilización del método planteado anteriormente para observar las formas de onda de corriente presentes en el inductor del convertidor. Se utiliza nuevamente un valor de resistencia de 1.20Ω. los resultados obtenidos se muestran en la figura 4.15.

Figura 4.15. Forma de onda de corriente a través del inductor, topología Buck, modo operación discontinuo.

Se observa que se presenta un comportamiento creciente para la forma de onda de corriente a través del inductor en el primer periodo de conducción, es decir cuando el transistor de paso se encuentra en un estado de conducción, posteriormente inicia un periodo decreciente de la forma de onda de corriente hasta llegar al punto donde la

corriente a través del convertidor muestra un valor de cero ampere. Se observa además que el intervalo de tiempo durante el cual se presenta el valor de cero ampere a la salida del convertidor corresponde aproximadamente con un valor del 25% del periodo de conmutación, valor cercano al 20% para el cual se realiza el diseño en modo de conducción discontinuo.

La configuración utilizada para la implementación del convertidor conmutado en topología Buck y modo de conducción discontinuo permite por medio de la incorporación de los dispositivos externos utilizados obtener del convertidor corrientes del orden de los dos ampere, sin embargo para no exponer el inductor utilizado no se logra probar el encapsulado bajo estas condiciones de corriente.

De esta manera se logra determinar que en su funcionamiento general el convertidor trabaja casi en completa correspondencia para cualquiera de los modos de conducción que se han estudiado, sin embargo hay también que recordar que la elección del modo de conducción se debe a la característica particular de la aplicación para la cual se está diseñando, ya que la forma de onda de corriente presente en la figura 4.16 no sería soportada de manera adecuada por todas las aplicaciones, sin embargo permite la utilización de valores de componentes de menor magnitud lo cual representa una ventaja del circuito.