Diseo de un regulador elevador (Boost). Universidad de Cundinamarca. Becerra Prez Yoan, Jimenez Merchan Alex
Camilo, Martnez Vargas Steven.
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Abstract this report explains the procedure for the design
of a boost regulator, as well as the proper selection of the
necessary components for proper operation. The regulation is
usually obtained by a PWM signal, which can be implemented
by operational amplifiers, microcontrollers or signal
generators. Because of its stability and precision was
determined using a signal generator, preconfigured with the
control signal for operating the boost regulator. Moreover, this
report describes the design process for a snubber network in
order to protect the circuit.
Resumen Este informe explica el procedimiento para
realizar el diseo de un regulador elevador (ms conocido
como boost), as como, la seleccin adecuada de los
componentes necesarios para su correcto funcionamiento. La
regulacin suele obtenerse gracias a una seal PWM, que
puede ser implementada mediante amplificadores
operacionales, microcontroladores o generadores de seal. En
razn a su estabilidad y precisin, se determin el uso de un
generador de seal previamente configurado con la seal de
control para el funcionamiento del regulador elevador.
Adems, este informe descibe el proceso de diseo para una
red Snubber con el fin de proteger el circuito.
ndice de trminosCiclo de Trabajo, Convertidor CC-CC,
Eficiencia, Regulador-elevador, Seal de disparo.
I. INTRODUCTION
OS convertidores DC-DC son circuitos electrnicos de
potencia que convierten un valor de voltaje DC en otro
nivel de voltaje, tambin en DC. Se emplean ampliamente
en sistemas de suministro de energa de corriente continua
regulados de modo de conmutacin. Se aplican
fundamentalmente en el control de dispositivos que
requieren un consumo de energa considerable.
En el presente trabajo se tratar principalmente el
funcionamiento de un convertidor Boost (Regulador-
Elevador), as como su correspondiente proceso de diseo,
teniendo en cuenta una seleccin detallada de los materiales
Informe recibido Mayo 24, 2013. Diseo de un regulador elevador
(Boost).
B. P. Yoan es estudiante de la Universidad de Cundinamarca sede
Fusagasug; (e-mail: [email protected]).
J. M. Alex Camilo es estudiante de la Universidad de Cundinamarca
sede Fusagasug; (e-mail: [email protected]).
M. V. Steven es estudiante de la Universidad de Cundinamarca sede
Fusgasug; ([email protected]).
a emplear, segn la corriente y el voltaje que deben
soportar.
II. CRITERIOS DE DISEO
Para el desarrollo de este informe, deben considerarse
ciertos parmetros de entrada al momento de disear el
convertidor Boost, que son los siguientes:
Voltaje de entrada = 12 Voltios
Voltaje de salida = 50 Voltios +/- 1% (porcentaje
rizado)
Frecuencia de conmutacin = 50 KHz
Potencia = 20 Watts +/- 5%
La Figura 1 muestra el diagrama esquemtico de un
regulador Boost, el cual se trabajar en este informe.
A. Ciclo til de la seal de control
Para el clculo del ciclo til, se debe empezar por la
siguiente formula:
(1)
Despejando D de (1) se obtiene el ciclo til de trabajo de
la seal de control del transistor:
(2)
Diseo de un regulador elevador (Boost)
Becerra Prez. Yoan, Jimenez Merchan. Alex Camilo, y Martnez Vargas. Steven.
L
Fig. 1. Diagrama esquemtico del convertidor Boost a disear e
implementar.
Fuente. Autores.
Diseo de un regulador elevador (Boost). Universidad de Cundinamarca. Becerra Prez Yoan, Jimenez Merchan Alex
Camilo, Martnez Vargas Steven.
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Donde:
B. Resistencia de carga
(3)
(4)
Donde:
Lo anterior, define el rango de valores que debe tener la
carga para un correcto funcionamiento del circuito. Cabe
anotar que la potencia de disipacin de la carga, debe estar
entre el rango de tolerancia de la potencia, que fue definida
en los parmetros de entrada.
C. Valores de capacitancia e inductancia
Como se tienen dos valores de resistencia de carga (R1 y
R2), se establecern dos posibles casos para encontrar el
valor mnimo de inductancia y capacitancia acordes al
circuito. Este proceso se menciona a continuacin:
1) Primer Caso
Usando la resistencia mnima (R2)
(5)
(6)
Donde:
2) Segundo Caso
Usando la resistencia mxima (R1)
(8)
(9)
Donde:
Ya que el valor de inductancia mnima es mayor en el
segundo caso, se opt por elegir los valores obtenidos en
este caso, para calcular los valores de voltaje y corriente
que se describen en el literal D de esta seccin:
Donde:
Para el caso del capacitor, se escogi uno de valor
comercial cercano al valor calculado, que para este caso es
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de 15 F a 100 voltios, mientras que para el inductor, se
decidi elaborar una con ncleo toroidal de acuerdo a las
siguientes caractersticas:
3) Elaboracin del inductor
Se prefiri el ncleo toroidal a otros elementos porque su
factor de calidad es mayor que el de una bobina
convencional, y tambin porque se logran inductancias muy
compactas y de menor tamao. Lo datos del ncleo toroidal
son los que se encuentran registrados en la Tabla 1:
De acuerdo con los datos obtenidos anteriormente, se
pudo establecer qu el ncleo toroidal con el que se estaba
trabajando corresponda a un T-106 (vase Figura 2), cuyas
medidas son similares a las obtenidas en la Tabla 1.
D. Calculo de la Corriente para cada elemento
La corriente que debe soportar la carga se calcula con la
siguiente formula:
(10)
El periodo de conmutacin Ts se define como el inverso
de la frecuencia de conmutacin:
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
Donde:
Imax = mxima corriente que circular por el inductor
Imin = mnima corriente que circular por el inductor
ILrms = corriente que debe soportar el inductor
E. Seleccin del transistor
Para la seleccin del transistor Q se debe tener en cuenta
el periodo de conmutacin, y la corriente mxima y mnima
que circular por el inductor. La Figura 3 ilustra el
comportamiento de la corriente del transistor en el circuito.
(16)
Fig. 2. Medidas para diferentes toroides.
Fuente. Ifastnet. Nucleos Toroidales
TABLA I
DATOS DEL NUCLEO TOROIDAL
Item Valor Unidad de
medida
Dimetro exterior 2.5 cm
Dimetro interior 1.5 cm
Seccin horizontal 0.5 cm
Altura del ncleo 1.1 cm
Longitud de cada
espira
3.2 cm
Dimetro del hilo 50.820
0.129
mils
cm
Fuente: Autores
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De acuerdo con la Figura 3, se puede determinar la
funcin de la corriente instantnea del transistor:
(17)
La corriente rms del transistor de calcula de la siguiente
forma:
(18)
Donde:
La tensin mxima que debe soportar el transistor es
equivalente al voltaje de la fuente, es decir 12 Voltios
Este anlisis determina las condiciones que se deben
tener en cuenta al momento de elegir el transistor a utilizar
en el circuito. Debido a que la frecuencia de conmutacin es
alta, los transistores MOSFET son los ms indicados por su
velocidad de operacin, no poseen corriente de compuerta,
lo que evita problemas en el convertidor Boost.
Segn el voltaje (12 V) y la corriente hallada en las
ecuacin 21 se determin que el MOSFET apropiado para
realizar el convertidor Boost es el IRF540, ya que soporta
voltajes entre drenaje y fuente de hasta 100 V y corriente
mxima de drenaje de 22. Asimismo, este transistor
presenta alta eficiencia si se utiliza en convertidores DC-
DC, UPS y control de motores. En el Anexo 1 se muestran
las especificaciones ms importantes de este transistor
F. Seleccin del diodo
El comportamiento de la corriente del diodo en el circuito
convertidor elevador es opuesto al del transistor, es decir,
cuando el transistor conduce, el diodo se comporta como un
circuito abierto, y viceversa (vease Figura 4).
Acorde con la Figura 4, se puede determinar la funcin
de la corriente instantnea del diodo:
(19)
Para encontrar B, se reemplazan los valores de id(t) y t,
los cuales salen de la forma de onda de la Figura 4
(20)
Sustituyendo la ecuacin 20 en 19, queda:
(21)
Para encontrar la corriente rms del diodo se utiliza la
ecuacin 18, pero los intervalos a evaluar son diferentes:
(22)
Fig. 4. Corriente del diodo como una funcin del periodo de
conmutacin.
Fuente. Autores.
Fig. 3. Corriente del transistor como una funcin del periodo de
conmutacin.
Fuente. Autores.
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Camilo, Martnez Vargas Steven.
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Donde:
Similar al caso del transistor, la seleccin del diodo debe
ser la adecuada, ya que parmetros como frecuencia de
conmutacin y corriente rms del diodo son importantes a la
hora de escoger un diodo. Por ello se escogi el diodo de
conmutacin rpida UF5404, que soporta hasta 280 voltios
y corrientes pico de 125 amperios. En el Anexo 2 se
encuentran las especificaciones relevantes del diodo.
G. Seal de control del transistor
De acuerdo con la ecuacin 2, la seal de control que
debe llegar al transistor, debe tener un ciclo de trabajo del
76% con una frecuencia de operacin de 50 kHz. Esta seal
(que por lo general es PWM) puede generarse mediante
amplificadores operacionales, microcontrolador o generador
de seal.
Por cuestiones de eficiencia y precisin, se decidi elegir
el generador de seal como el medio para crear la seal de
control PWM que llegar al transistor MOSFET. La Figura
5 muestra la seal PWM que pondr a conmutar al
transistor.
H. Circuito de disparo
En la figura 1, se puede observar que el transistor
MOSFET est conectado directamente a la referencia del
circuito, lo que facilita la realizacin de un circuito de
disparo. Para disparar el MOSFET correctamente, se
decidi utilizar una configuracin de transistores en push-
pull que ayuda a descargar la corriente almacenada en el
inductor conectado en el drenaje del transistor MOSFET
cuando se comporta como interruptor abierto. De no
hacerse esto, se presentaran fallas en el transistor al
momento de cambiar de un estado a otro. La Figura 6
muestra la configuracin push-pull utilizada en el circuito.
I. Diseo de la red snubber
Se realizara una red Snubber con el fin de proteger el
transistor de sobrepicos de corriente y voltaje. Para ello se
tuvieron en cuenta los siguientes parmetros:
Caractersticas transistor
Tiempo de cada (tf) = 40 nS (vase anexo 1)
Corriente transistor (iQ(rms)) = 1.338 A (ecuacin 18)
Voltaje salida (Vo) = 50 V
(23)
(24)
(25)
(26)
J. Lista de materiales
Luego de realizar los pasos anteriores, se procede a
mencionar cada uno de los materiales necesarios para la
construccin del convertidor Boost, que son los siguientes:
Resistencia de 120 a 18 W
Capacitor de 16 F
Inductor de 72 H
Q1
IRFP150N
Q22N3906
Q32N3904
R4
33
R62k
R7
2k
Fig. 6. Circuito de disparo para el transistor MOSFET.
Fuente. Autores.
3 4 5 6
x 10-4
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
Fig. 5. Seal PWM con ciclo util de 50%.
Fuente. Autores.
Diseo de un regulador elevador (Boost). Universidad de Cundinamarca. Becerra Prez Yoan, Jimenez Merchan Alex
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Fuente de voltaje de 12 VDC
Transistor MOSFET IRF540
Diodo Ultra Fast Recovery UF5404
Transistor BJT 2N3904, 2N3906 o TIP31C, TIP131
III. ANLISIS DE RESULTADOS
En esta seccin se muestran los comportamientos de
voltaje y corriente en cada uno de los elementos
seleccionados, con el nimo de observar la respuesta del
circuito tanto a la entrada como a la salida y posteriormente
determinar su eficiencia.
Las figuras 7-16 muestran la respuesta del circuito en
cada uno de los elementos que en el intervienen. Cabe
anotar que dichas respuestas, fueron obtenidas mediante el
software de simulacin Simulink de Matlab.
En la Figura 7 se observa el valor de Vs que corresponde
a 12 V, mientras que en la figura 8 se tiene la corriente de
entrada del convertidor (es la misma corriente del inductor),
que presenta un sobreimpulso en un pequeo instante de
tiempo, pero despus se mantiene en un rango de valores
constante
Las figuras 9 y 10 describen la forma de onda del voltaje
y la corriente que llega a la carga. Similar al caso de la
Figura 8, presentan un sobreimpulso en un tiempo corto,
pero despus se mantiene en 50 voltios y 1.75 amperios
aproximadamente. El voltaje de salida coincide con el
criterio de diseo de voltaje de salida, al igual que la
corriente que se calcul en la ecuacin 10.
El voltaje en el inductor de la Figura 11 vara
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
x 10-3
-100
-80
-60
-40
-20
0
Fig. 11. Voltaje en el inductor.
Fuente. Autores.
1 2 3 4 5 6
x 10-3
-5
0
5
10
15
20
25
Fig. 10. Corriente de salida del convertidor Boost.
Fuente. Autores.
0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Fig. 9. Voltaje de salida del convertidor Boost.
Fuente. Autores.
1 2 3 4 5 6 7
x 10-3
0
5
10
15
20
25
Fig. 8. Corriente de entrada del convertidor Boost.
Fuente. Autores.
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.0111
11.2
11.4
11.6
11.8
12
12.2
12.4
12.6
12.8
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Fig. 7. Voltaje de entrada del convertidor Boost.
Fuente. Autores.
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constantemente alcanzando un valor pico de 12 voltios.
Para la Figura 8, se observa que la corriente del inductor
despus de cierto tiempo se mantiene entre un valor mayor
que cero y un valor cercano a 3 amperios, entendindose
as, que los valores de Imax e Imin encontrados en las
ecuaciones 13 y 14 respectivamente, coinciden con lo que
se obtiene en dicha seal.
Segn la Figura 13, El voltaje en el diodo tiene un
comportamiento parecido al voltaje en el inductor, con la
diferencia de que el valor pico que presenta el voltaje del
diodo es cero, mientras que en el inductor este valor es de
12 voltios.
La corriente en el diodo (Figura 14) es similar a la
corriente en el transistor MOSFET y presenta un rango de
valores constantes entre 0 y aproximadamente 2 amperios,
que se asemeja a lo descrito en las figuras 3 y 4.
Luego de que el circuito estuviese listo para ser utilizado,
se procedi a realizar mediciones de voltaje y corriente
(tanto de entrada como de salida), para compararlos con los
resultados obtenidos analticamente y calcular la potencia
de entrada y salida, y a su vez, la eficiencia del convertidor
Boost. Los resultados fueron los siguientes
Voltaje de entrada (Vin) = 11.19 V
Corriente de entrada (Iin) = 2.68 A
Potencia de entrada (Pin) = Vin*Iin = 29.9892 W
Voltaje de salida (Vout) = 50 V
Corriente de salida (Iout) = 0.42 A
Potencia de salida (Pout) = Vout*Iout = 21 W
Eficiencia = (Pout/Pin)*100 = 70%
IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Algunos componentes elctricos y electrnicos presentan
algunas prdidas por temperatura, disipacin de calor, entre
otros, algo que influye en el ptimo desempeo de un
circuito.
La red Snubber es un circuito activo o pasivo que mejora
el rendimiento del elemento en donde est conectada la red.
Una ventaja de la red Snubber consiste en hacer trabajar los
elementos de conmutacin en zonas seguras, es decir, no
exponindolos a su lmite; por tanto su vida til aumenta y
el sistema funciona mejor.
La generacin de la seal de disparo para el transistor se
iba a realizar mediante microcontrolador (PIC), pero se
requera de un optoacoplador a la salida de este para
prevenir algn dao en l. Como la seal que se generaba
0 1 2 3 4 5 6 7
x 10-3
5
10
15
20
Fig. 14. Corriente en el diodo de conmutacin rpida.
Fuente. Autores.
0.5 1 1.5 2 2.5 3
x 10-3
-100
-80
-60
-40
-20
0
Fig. 13. Voltaje en el diodo de conmutacin rpida.
Fuente. Autores.
0 1 2 3 4 5
x 10-3
0
5
10
15
20
25
Fig. 12. Corriente en el capacitor.
Fuente. Autores.
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en el PIC era de una frecuencia alta (100 kHz), al pasar por
el optoacoplador se perda, entendindose as que el
optoacoplador no funciona a frecuencias altas. Otra posible
solucin consisti en conectar el PIC directamente al
circuito de disparo, pero este se reiniciaba constantemente
porque la corriente que solicitaba el circuito de disparo era
mayor a la q entregaba el PIC. Finalmente se opt por
utilizar un generador de seal, que es muy preciso, fiable y
adems entrega la seal deseada al circuito de disparo.
La funcin primordial de un convertidor DC-DC (sea
elevador o reductor), consiste en conservar la potencia tanto
en la entrada como en la salida. En el caso del reductor, se
sacrifica voltaje para aumentar corriente y as mantener la
misma potencia y una eficiencia cercana o igual al 100%.
Este aspecto es lo que diferencia a un circuito convertidor
de otros circuitos que reducen o elevan voltaje, pero que
presentan prdidas significativas de potencia.
REFERENCIAS
1. HART, Daniel W. Electrnica de potencia. PRENTICE HALL, Madrid
2001. 472 p.
2. IFASTNET. Nucleos toroidales. [En lnea]. Disponible en:
.
[Consultado el 20 de mayo de 2013].
3. INTERNATIONAL RECTIFIER. IR2110. [En lnea]. Disponible en:
.
[Consultado el 20 de mayo de 2013].
4. INTERNATIONAL RECTIFIER. IRF540. [En lnea]. Disponible en: <
http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irf540n.pdf>.
[Consultado el 20 de mayo de 2013].
5. JGD. UF5400 Series. [En lnea]. Disponible en:
. [Consultado el 20 de mayo de 2013].
6. MOHAN, Ned. Electrnica de potencia: convertidores, aplicaciones y
diseo Tercera Edicin. MC GRAW HILL, Mxico 2005.
7. RASHID, Muhammad. Electrnica de potencia: circuitos dispositivos y
aplicaciones Tercera Edicin. PEARSON EDUCATION, Mxico
2004. 904 p.
Becerra Prez. Yoan
Jimenez Merchan Alex Camilo
Martnez Vargas Steven
Estudiantes IX Semestre
Ingeniera Electrnica
Universidad de Cundinamarca
Diseo de un regulador elevador (Boost). Universidad de Cundinamarca. Becerra Prez Yoan, Jimenez Merchan Alex
Camilo, Martnez Vargas Steven.
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ANEXOS
ANEXO 1
ESPECIFICACIONES DEL TRANSISTOR IRF540N
Fuente: INTERNATIONAL RECTIFIER. IRF540.
ANEXO 2
ESPECIFICACIONES DEL DIODO UF5404
Fuente: JGD. UF5400 Series.
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