UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PUEBLA DIVISIÓN : ENERGÍAS RENOVABLES

ÁREA ENERGÍA SOLAR.

CONVERTIDORES DE CORRIENTE DIRECTA A CORRIENTE DIRECTA

VIANEY MATEO DÍAZMARÍA DEL MONTSERRAT MACÍAS RODRÍGUEZ

JOSÉ IGNACIO ALCÁNTARA SÁNCHEZ

4° cuatrimestres grupo “C” turno vespertino

septiembre-diciembre 2015.

CONVERTIDORES DE DC A DC.

Los convertidores de corriente CD a CD son circuitos electrónicos de potencia que convierten una tensión continua en otro nivel de tensión continua y normalmente, proporcionan una salida regulada.

Los convertidores CD-CD se utilizan ampliamente en el control de los motores para trabajar altas frecuencias.

Su funcionamiento está basado en la apertura y cierre periódico de algún interruptor que en la practica es un semiconductor de potencia unidireccional, el control de la apertura o cierre periódicos de un interruptor electrónico es indispensable para la operación de los convertidores.

REGULADORES LINEALES DE TENSIÓN.

Estos son una alternativa a los convertidores CD-CD lineales, ya que es mas sencillo para convertir una tensión continua a otra de valor mas bajo utilizando el siguiente circuito.Figura1. la tensión de salida es

Figura 1. Regulador lineal básico.

Este tipo de circuitos se denomina convertidor CD-CD lineal o regulador lineal, por que el transistor opera en la región lineal, en lugar de la zona de saturación o de corte. De hecho el transistor opera como una resistencia variable.

CONVERTIDOR CONMUTADO BÁSICO. En un convertidor conmutado, el transistor funciona como

interruptor electrónico, al estar activado completamente o desactivado completamente (saturación o corte para un transistor bipolar BJT). Este circuito también se denomina troceador de continua.

Si el interruptor es ideal, salida es igual a la entrada cuando el interruptor esta cerrado y es cero cuando está abierto. La apertura y cierre periódicos del interruptor producen la salida de pulsos.

La componente continua de la salida se controla ajustando el ciclo de trabajo D, que es la fracción del periodo en la que el interruptor está cerrado.

FIGURA.2.1a)Convertidor cd-cd básico conmutado. b) equivalente para conmutación.

FIGURA.2.2. Tensión de salida.

CONFIGURACIONES BÁSICAS DE CONVERTIDORES CD-CD.

Las configuraciones básicas son tres: Buck (reductora), Boost (elevadora) y Buck-Boost (elevadora reductora).

Estas configuraciones permiten elevar, reducir o elevar/reducir el voltaje de alimentación () en la salida ().

Cada configuración a su vez contiene cuatro elementos básicos: bobina (L), capacitor (C), diodo y un interruptor controlado (Q); así las propiedades de cada topología dependen de la ubicación de estos cuatro elementos, ver Figura 3.1, 3.2 y 3.3. Se asume en general que la carga para los convertidores es de tipo resistiva (R).

Convertidor reductor Es una forma de obtener la salida continua, insertando un filtro paso bajo después del interruptor. Aquí el diodo

proporciona un camino a la corriente de la bobina. Este circuito se denomina convertidor reductor porque la tensión de salida es menor que la de entrada.

1. La corriente en la bobina es periódica 2. La tención media en la bobina es cero

3. La corriente media del condensador es cero

4. La potencia entregada por es igual a la suministrada a la carga. Cuando los componentes no son ideales la fuente también suministran perdidas

Una corriente en la bobina que sea positiva en todo intervalo de conmutación se denomina corriente permanente, y la discontinua se caracteriza por que la corriente de la bobina pasar por cero en cada periodo.

ANÁLISIS CON UN INTERRUPTOR CERRADO.

Cuando el interruptor esta cerrado el diodo, se polariza en inversa y la tensión en la bobina se da por la siguiente ecuación.

Reorganizando los términos obtenemos: (conmutador cerrado)

La variación de corriente, cuando el interruptor esta cerrado se calcula modificando la es ecuación anterior

ANALISIS DEL INTERRUPTOR ABIERTOCuando el interruptor está abierto, el diodo se polariza en directa para dejar pasar la corriente de la bobina. Cuando el interruptor está abierto, la tensión en la bobina es:

Reorganizando los términos obtenemos: (interruptor abierto)

La variación de corriente en la bobina cuando está abierto es:

Utilizando las ecuaciones del circuito abierto y cerrado tenemos lo siguiente:

Esto nos da que la variación neta de la corriente de la bobina en un periodo será cero para ello se debe de cumplir:

Despejando El convertidor reductor produce una salida menor o igual a la de la entrada

CONVERTIDOR ELEVADOR ES UN CONVERTIDOR CONMUTADO QUE funciona abriendo y cerrando

periódicamente un interruptor electrónico. Se denomina convertidor elevador por que la tensión de es mayor que

la de . Relación entre la tensión y la corriente 1. El circuito opera en régimen permanente 2. El periodo de conmutación es T y el interruptor esta cerrado un

tiempo DT y está abierto el resto del tiempo (1-D)T. 3.La corriente en la bobina es permanente. 4.El condensador es muy grande y la tensión de salida se mantiene

constante y su valor es 5.Los componentes son ideales.

Figura.5 convertidor elevador, esquema de circuito

ANÁLISIS CON INTERRUPTOR CERRADO Cuando el interruptor esta cerrado, el diodo está polarizado en inversa.

La ley de Kirchhoff para las tensiones en la mallas que incluye la fuente la bobina y el interruptor cerrado.

La variación de corriente en la bobina se calcula utilizando:

Despejando cuando el interruptor esta cerrado:

Análisis con el interruptor abierto Cuando el interruptor esta abierto, la corriente en la bobina no puede variar de forma instantánea por lo que el diodo se polariza en directa para proporcionar un camino a la corriente de la bobina suponiendo que la tensión de la bobina es constante la tensión de la bobina es:

La variación en la corriente de la bobina con el interruptor abierto es:

Despejando : La variación neta de la corriente de la bobina debe ser igual a cero

Despejando

Convertidor reductor elevador El convertidor reductor-elevador suministra un voltaje de salida que

puede ser mayor o menor al de la entrada, así mismo la polaridad del voltaje de salida es inversa al voltaje de entrada.

RELACIONES ENTRE LA TENSIÓN Y LA CORRIENTE.1. El circuito opera en régimen permanente.2. La corriente en la bobina es permanente.3. El condensador es lo suficientemente grande como para suponer una

tensión de salida constante.4. El interruptor está cerrado un tiempo DT y está abierto el resto del

tiempo, (1-D)T.5. Los componentes son ideales.

Análisis con el interruptor cerrado. Cuando el interruptor está cerrado, la tensión en la bobina es el ritmo de la variación en la bobina es constante, por lo que la corriente en la misma aumenta linealmente.podemos expresar la ecuación anterio de la siguiente manera.

Calculamos con el interruptor cerrado

FIGURA.5.2.Equivalente del circuito cuando el interruptor esta cerrado

ANÁLISIS CON EL INTERRUPTOR ABIERTO. Cuando el interruptor está abierto, la corriente en la bobina no puede

variar instantáneamente, por lo que el diodo estará polarizado en directa y pasará corriente por la resistencia y el condesador.Cuando se da esta condición, la tensión en la bobina es

El ritmo de la corriente en la bobina es de nuevo constante, la variación de la corriente es

Resolviendo para obtener ,

FIGURA.5.2.Equivalente del circuito cuando el interruptor esta abierto.

Cuando el circuito funciona en régimen permanente, la variación neta de la corriente en la bobina debe ser nula en un periodo .utilizando las ecuaciones anteriores obtenemos.

Resolviendo para obtener

La tensión media en la bobina es cero cuando el convertidor opera en régimen permanente, por lo que al calcular se obtiene el mismo resultado de la anterior ecuación .

Esta ecuación muestra la polaridad de la tensión de salida es opuesta a la de la tensión de la fuente

La magnitud de salida del convertidor reductor-elevador puede ser menor o mayor que de la fuente, en función del ciclo de trabajo del interruptor.

CONVERTIDOR CUK El convertidor ‘cuk es un tipo de convertidor DC-DC en el cual la magnitud en su salida

puede ser inferior o superior a su voltaje de entrada El convertidor ´cuk no aislado solo puede tener polaridad opuesta entre su entrada y su

salida. Este utiliza un condensador como su principal componente de almacenamiento de energía.

Análisis del circuito1. El valor de las bobinas es muy grande y las corrientes que las atraviesan son constantes2. El valor de los condensadores es muy grande y las tensiones en ellos son constantes 3. el circuito opera de manera permanente, su forma de onda de tensión y corriente son

periódicas4. Si el ciclo de trabajo es D, el interruptor estará cerrado un tiempo DT y estará abierto el

resto del tiempo, (1-D)T.5. El conmutador y el diodo son ideales.

La tensión media en se calcula aplicando la ley de Kirchhoff para las tensiones en el bucle exterior , la tensión en las bobinas es nula cuando el circuito funciona en el régimen permanente por lo que:

Cuando el interruptor está cerrado, el diodo está cortado y la corriente en el condensador es

Cuando el interruptor esta abierto las corrientes en y fuerzan al diodo a entrar en conducción .la corriente en el condensador es

CARACTERISTICAS DE LOS CONVERTIDORES EN EL MODO DE OPERACIÓN DE CORRIENTE PERMANENTE

Conclusiones Puede concluirse que el incremento en el flujo de corriente experimentada en la

bobina en la fase de interruptor cerrado se ve reflejado en un incremento en la tensión de salida en la fase de interruptor abierto, esto es, la bobina almacena corriente eléctrica con una tasa de cambio lineal con respecto al tiempo ( ), sin 𝐷𝑇embargo tal incremento en el flujo de corriente ha de liberarse durante el tiempo de interruptor cerrado,( 1− ,con una tasa de cambio también lineal, esto significa 𝑇 𝐷que la pendiente de descarga debe tener magnitud negativa, como el voltaje en la bobina es proporcional a su pendiente de corriente, entonces el voltaje en la bobina con interruptor abierto es también negativo, en ese caso la ley de voltajes de Kirchhoff indica durante ese tiempo un incremento en la tensión de salida.

BIBLIOGRAFÍA

VI REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. Electrónica de potencia circuitos dispositivos y aplicaciones, Muhammad h. Rashid

Pearson Prentice hall, tercera edición, 2004 2. Electrónica de potencia, Daniel W. Hart, Pearson Prentice Hall, 2001, primera

edición 3. Análisis de circuitos en ingeniería, William h. Hayt, Jr., Jack e. Kemmerly, Steven m.

Durbin, mc Graw Hill, Sexta Edición, 2003 4. Análisis básico de circuitos en ingeniería, J David Irwin, sexta edición, LimusaWiley,

2005. 5. Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales, Robert F Coughlin,

Frederick F. Driscoll, quinta edición, Limusa, 2003. Wiley, 2004 6. Introducción al análisis de circuitos, Boylestad, Décima edición, Pearson, Prentice

Hall, 2004.