elnind cap5

8/18/2019 ELNIND Cap5

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Convertidores DC-DC

Capítulo 5


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Introducción

• Los convertidores DC-DC son circuitos electrónicos depotencia que convierten una tensión continua en otronivel de tensión continua y, normalmente, proporcionanuna salida regulada.

• Los circuitos descritos en este capítulo se clasificancomo convertidores DC-DC en modo conmutado oconvertidores DC-DC conmutados, que también sedenominan fuentes de alimentación conmutadas.

•

En este capítulo se describirán algunos de los circuitosconvertidores DC-DC básicos.


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Convertidor DC-DC lineal

•

Un método para convertir una tensión continua a otra de valor más bajo es utilizar elsencillo circuito de la figura. Ajustando la corriente de base del transistor se puedecontrolar la tensión de salida en el rango comprendido entre 0 y V

s.Se puede ajustar

la corriente de base para compensar las variaciones de la tensión de alimentación olas variaciones de la carga y, de esta manera, regular la salida.

• Este tipo de circuito se denomina convertidor DC-DC lineal o regulador lineal, porqueel transistor opera en la región lineal, en lugar de en la zona de saturación o de corte.De hecho, el transistor se comporta como una resistencia variable.

• Aunque ésta es una manera sencilla de reducir una tensión de alimentación continuay regular la salida, la baja eficiencia de este circuito es una desventaja importante enlas aplicaciones de potencia. La pérdida de potencia en el transistor es la causantede la ineficiencia de este circuito. Por ejemplo, si la tensión de salida es una cuartaparte de la tensión de entrada, la resistencia de carga absorberá una cuarta parte dela potencia del generador, lo que representa una eficiencia del 25 %. El transistorabsorbe el 75 % de la potencia restante entregada por el generador. Las tensionesde salida menores producen eficiencias todavía más pequeñas.


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Un Convertidor Conmutado Básico

La potencia absorbida por elinterruptor ideal es cero. Cuando elinterruptor está abierto, no pasacorriente por él; cuando el

interruptor está cerrado, no caetensión en el mismo. Por tanto, lacarga absorbe toda la potencia y laeficiencia de energía es del 100 %.En un interruptor real se produciránpérdidas, porque la tensión del

interruptor no será cero cuandoconduzca y el interruptor deberápasar por la región lineal al pasar deun estado a otro.


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El Convertidor Reductor

• Una manera de obtener una salidacontinua en el circuito básico esinsertar un filtro paso bajo después delinterruptor. En la figura se muestra un

filtro paso bajo con una bobina y uncondensador (L-C) añadido alconvertidor básico. El diodoproporciona un camino a la corrientede la bobina cuando el interruptor estáabierto y se polariza en inversacuando el interruptor está cerrado.Este circuito se denomina convertidorbuck o convertidor reductor, porque latensión de salida es menor que la deentrada.


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• Análisis con el interruptor cerrado. Cuando elinterruptor está cerrado en el convertidor reductor,el diodo se polariza en inversa y el circuitoequivalente es el mostrado en la figura. La tensiónen la bobina es

• Reorganizando los términos se obtiene:

• Como la derivada de la corriente es una constantepositiva, la corriente aumenta linealmente como semuestra en la figura. La variación de corriente

cuando el interruptor está cerrado se calculamodificando la ecuación anterior:

s o L L L

s o

L ON

V V di i i

dt t DT L

V V i DT

L

L

L s o

div V V L

dt

s o L V V di

dt L


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• Análisis con el interruptor abierto. Cuando elinterruptor está abierto, el diodo se polariza endirecta para dejar pasar la corriente de la bobina yse aplica el circuito equivalente de la figura.Cuando el interruptor está abierto, la tensión en labobina es

• Reorganizando los términos se obtiene:

• La derivada de la corriente en la bobina es unaconstante negativa, y la corriente disminuye

linealmente como se muestra en la figura. Lavariación de corriente en la bobina cuando elinterruptor está abierto es:

L

L o

div V L

dt

o L V di

dt L

1

1

o L L L

o

L OFF

V di i i

dt t D T L

V i D T

L


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• En la operación en régimen permanente es necesario que la corriente de labobina sea la misma al final y al principio de cada ciclo de conmutación, porlo que la variación neta de la corriente de la bobina en un periodo serácero. Para ello se debe cumplir:

1 0 s o oV V V

DT D T L L

0 L LON OFF i i

• Despejando el voltaje de salida, se tiene:

o sV DV

• El convertidor reductor produce una salida menor o igual a la entrada.


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El Convertidor Elevador

• En la figura se muestra elconvertidor elevador oconvertidor boost . Éste es otro

convertidor conmutado quefunciona abriendo y cerrandoperiódicamente un interruptorelectrónico.

• Se denomina convertidorelevador porque la tensión desalida es mayor que la deentrada.


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• Análisis con el interruptor cerrado. Cuandoel interruptor está cerrado, el diodo estápolarizado en inversa. La ley de Kirchhoff paralas tensiones en la malla que incluye la fuente,la bobina y el interruptor cerrado es:

• El ritmo de variación de la corriente es unaconstante, por lo que la corriente aumentalinealmente cuando el interruptor está cerrado,como se muestra en la figura. La variación decorriente en la bobina se calcula utilizando:

s L V di

dt L

s L L

s

L ON

V i i

t DT L

DTV i

L


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• Análisis con el interruptor abierto. Cuandoel interruptor está abierto, la corriente en labobina no puede variar de forma instantánea,por lo que el diodo se polariza en directa paraproporcionar un camino a la corriente de labobina. La tensión en la bobina es:

• El ritmo de variación de corriente en la bobinaes una constante, por lo que la corriente debevariar linealmente cuando el interruptor esté

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

L

L s o

s o L

div V V L

dt

V V di

dt L

1

1

s o L L

s o

L OFF

V V i i

t D T L

V V D T i

L


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En régimen permanente, la variación neta de la corriente de la bobina debe serigual a cero:

1 0 s o s V V D T V DT L L

0 L LON OFF i i

Despejando el voltaje de salida, se tiene:

1 1 0

1

s o

s

o

V D D V D

V V

D

El convertidor elevador produce una salida mayor o igual a la entrada.


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El Convertidor Reductor-Elevador

• Otro convertidor básico enmodo conmutado es elconvertidor reductor-elevador o convertidorbuck-boost , que semuestra en la figura.

• La salida del convertidorreductor-elevador puedeser mayor o menor que latensión de entrada.


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• Análisis con el interruptor cerrado. Cuandoel interruptor está cerrado, la tensión en labobina es

• El ritmo de variación de la corriente en labobina es una constante, por lo que lacorriente en la misma aumenta linealmente.Podemos expresar la ecuación anterior de lasiguiente manera:

L

L s

s L

div V L

dt

V di

dt L

s L L

s

L ON

V i i

t DT L

V DT i

L


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• Análisis con el interruptor abierto. Cuando elinterruptor está abierto, la corriente en la bobinano puede variar instantáneamente, por lo que eldiodo estará polarizado en directa y pasarácorriente por la resistencia y el condensador.Cuando se da esta condición, la tensión en labobina es

• El ritmo de variación de la corriente en la bobinaes de nuevo constante, y la variación de lacorriente es:

o L L L o

V di div L V

dt dt L

1

1

o L L

o

L OFF

V i i

t D T L

V D T i

L


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Cuando el circuito funciona en régimen permanente, la variación neta de lacorriente en la bobina debe ser nula en un periodo.

1

0o s V D T V DT

L L

0 L LON OFF i i

Despejando el voltaje de salida, se tiene:

1

o s

DV V

D

El convertidor reductor-elevador produce una salida menor, igual o mayor a laentrada.


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