El diseño de un convertidor conmutado puede convertirse fácilmente en una pesadilla. Gracias a la ayuda de programas informáticos como Orcad, Pspice y la hoja de datos de Excel el diseño se ha podido simplificar bastante. La siguiente figura muestra el esquema eléctrico del convertidor. Se han medido eficiencias mayores del 90%. El convertidor Buck puede ser utilizado para adaptar en impedancia una fuente de energía a cualquier carga que tenga una tensión de trabajo menor.
Fig. 1. Esquema del convertidor reductor.
Este diseño se implementó para conectar paneles solares en paralelo de distinta tensión y potencia. Como de costumbre se ha realizado reutilizando componentes de viejas fuentes de alimentación. La frecuencia de conmutación es baja. Ha sido elegida por desconocer el valor máximo de los núcleos reciclados.
El inductor de potencia.
La bobina se construyó con hilo de cobre de 1.5 mm de diámetro. Está más que sobredimensionada. Ha sido hecha así para evitar problemas de saturación o falta de potencia. Se recomienda utilizar un toroide con las dimensiones adecuadas.
Fig. 2. Núcleo reciclado.
Se construyó enrollando espiras y midiendo su inductancia con un tester. Se añadieron espiras hasta conseguir un valor de 959 mH. Puede utilizarse un grosor menor de 0,8 o 1 mm de diámetro y no hace falta hilo de Liz. En pleno funcionamiento no se calienta nada en absoluto.
Proceso de diseño.
Para el proceso de diseño he confeccionado una hoja de excel, que simplifica mucho la tarea. La hora de excel no completa el diseño por sí sola y debe de ser utilizado la simulación en Orcad para completar los datos de la hoja. Las celdas en blanco son para la entrada de datos y las celdas en azul son resultados de fórmulas. Las celdas en color anaranjado son resultados definitivos de cálculos y deben ser elegidas por el diseñador.
Fig. 3. Especificaciones de entrada.
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Fig. 4. Especificaciones de salida.
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En la fig. 3 se dan los valores de entrada máximos y mínimos. El valor de entrada máximo siempre deberá de ser inferior al valor de salida. En la fig. 4 podemos elegir entre determinar valor de diseño la corriente mínima de salida ( para permanecer en conducción continua ) en amperios o en tanto por ciento respecto a la corriente máxima de salida. Si lo hacemos en Amperios, primero colocaremos el valor mínimo de corriente de salida en la casilla A I(Omin) y pulsamos enter. Después escribimos el valor de la derecha en la casilla de arriba. En el ejemplo se determinó un valor de salida mínimo de 0,09 A que dió 2,61 % de la corriente máxima de salida y que al colocarlo encima da el valor 0,09 A en color anaranjado. Este valor es el que se utilizará en los siguientes cáculos.
Fig. 5. Valores de componentes.
En este cuadro rellenamos la frecuencia de conmutación, y la resistencia de conducción del transistor elegido de potencia. El valor de ESR del condensador utilizado deberá de ser lo más pequeño posible. Lo valores no son críticos, la tabla nos da los mínimos necesarios. La Rdon también deberá de ser lo más pequeña posible para mantener el rendimiento más elevado.
Fig. 6. Factores de la etapa de potencia.
A partir de este punto la cosa se complica bastante. La tabla de la fig 5 representa la función de transferencia de la etapa de potencia en el plano complejo. Tan solo se deben de elegir los valores Vref y Vpp que provienen de la datasheet del venerable TL494C de Texas Instruments. Vpp es la tensión pico-pico del diente de sierra que ataca al comparador PWM y suele ser de 1,9 V en la mayoría de los circuitos controladores. Beta es la función de ganancia o atenuación de la realimentación DC del lazo de control y está implementada en el esquema con las resistencias R6 y R5.
Diseño del regulador o compensador de tensión.
Es la parte más complicada y la que requiere un mínimo de conocimientos en electrónica y matemáticas. No voy a profundizar en esta parte por su complejidad. Existe al respecto mucha literatura en internet para profundizar. Daré una vista general del diseño. Recomiendo al internauta no cualificado que se ahorre esta sección.
Utilizando el programa de simulación orcad se monta el siguiente circuito para simular.
Fig. 7. Simulación de bloques en frecuencia compleja con Orcad.
Utilizamos la tabla de excel. Los valores que tiene que elegir el diseñador son wc, wi wz1 y wz2. El primero a elegir es wz1. Tiene que ser menor o igual que wz. Se recomienda elegirlo ligeramente inferior. Después, y muy importante, se tiene que elegir wc. La tabla nos muestra el margen, en este caso entre 2500 y 5000 Hz. Tiene que cumplir que sea mayor que el valor dado en celda en este caso de 2381,82 Hz. Se ha elegido un valore de 3000.
Fig. 8. Polos y ceros del regulador de tensión.
Cuando ya tenemos wc y wz1 hay que elegir wz2 y wi. Primeramente se da un valor wi=1 y se elige un valor para wz2 entre el valor de wz1 y wp1.Se simula el circuito de fig. 7 y se comprueba el margen de fase de la gráfica de la fig. 9. Realizamos la simulación hasta que obtengamos un margen de fase mayor de 50º. Para esto podemos utilizar la tabla de excel para calcular el nuevo valor de wi.
Fig. 9. Curvas de fase y ganancia del compensador de tensión.
Componentes del regulador.
Una vez que disponemos de todos los polos y ceros necesarios de la función de transferencia del compensador pasamos a elegir los valores adecuados para el compensador de tensión, que está montado en torno un amplificador operacional como el de la figura siguiente. Dicho operacional está situado en el interior del integrado de control TL494CN y representa sus pines 1(salida),2(In-),3(In+).
Fig.10. Componentes del regulador de tensión.
Se toma de partida el valor de R1n de 1,2 k. Puede ser utilizado otro valor y todos los demás estarán referenciados a él. Se recomienda utilizar el valor de 1,2k. La tabla de componentes del regulador se rellena de arriba a abajo y de izquierda a derecha. Con el valor de 1,2k nos da el valor de C1 en el ej. 1,061e-8 en la casilla de la derecha tenemos que escribir el valor normalizado más proximo. Con esto ya tendremos el valor de R11 y volveremos a hacer lo mismo hasta llegar a C3.
Calculo del divisor de tensión.
Para calcular el divisor tendremos que utilizar la siguiente tabla.
Fig. 11. Cálculo de la red beta.
Introducimos un valor normalizado de partida para R2. En este caso se utiliza 12 k. Pulsando enter esto nos da un valor de R1 de 22,12. Después colocamos un valor normalizado lo más próximo posible para R1n. En este caso 22k. Debajo el programa nos calcula el error máximo utilizando estas dos resistencias normalizadas. Dicho error debe de ser menor del 1%.
Si con 12 k no funcionase deberemos de ir subiendo a siguientes valores normalizados y realizar el mismo proceso hasta que encontremos el valor adecuado. Los valores normalizados corresponden a una tolerancia normalizada del 5% para resistencias y son 1, 1.2, 1.5, 1.8, 2.2, 2.7 etc.
Resultados.
Los resultados fueron satisfactorios. Se obtuvo un valor real menor al 1% de los valores iniciales de diseño. La tensión de salida varia pocos milivoltios a plena carga o en vacío.
Montaje.
El montaje se representa en la siguiente figura y es completamente un prototipo experimental. No hay PCB. Todo se centra en un plano de masa.
Fig. 12. Prototipo experimental.
