UNIVERSIDAD CATOLICA DE SANTA MARIA

FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIAS FISICAS Y FORMALES

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRONICA

DOCENTE: ING MARIO WILLIAM URRUTIA ESPINOZA

ASIGNATURA: ELECTRÓNICA DE POTENCIA

INTEGRANTES
ESCARCENA APAZA ANDERSON FREDY
ALANOCCA QUISPE JOHAN ALBERT

TEMA: TRABAJO FASE 1 –FUENTE SWITCHING

AREQUIPA – PERÚ

2020

FUENTE CONMUTADA (SWITCHING)

1. OBJETIVOS
Objetivo general

 Diseño y simulación de una fuente conmutada de topología Buck funcionando en

Modo de Conducción Continuo.
Objetivos específicos
 Realizar el diseño básico de una fuente switching de 10-40V de entrada a 5V de
salida, para así hacer la especificación adecuada de los elementos a utilizar.

 Construir el circuito a través del software proteus.

2. INTRODUCCIÓN
Cuando nosotros hablamos sobre las fuentes de alimentación se debe hacer mención a las
fuentes lineales, así como las fuentes conmutadas. Durante las décadas de 1950 y 1960 las
fuentes lineales reguladas eran las más comunes. El uso de fuentes conmutadas se vio
guiado principalmente por el desarrollo de transistores de potencia que podían conmutar
cada vez más rápido. Aun así, las fuentes lineales son utilizadas mayormente en la
actualidad en especial cuando los costos de producción así lo ameritan.
Estas fuentes lineales, usualmente con mejor regulación de línea y de carga, quedan
rezagadas en términos de eficiencia ante las fuentes conmutadas, que alcanzan hasta un
95% de eficiencia en la conversión de energía. Otra ventaja sobre las fuentes lineales es su
reducido volumen, gracias a su capacidad para trabajar a muy altas frecuencias, lo que
disminuye el tamaño principalmente de los elementos inductivos en el circuito final.

Fig. N°01- Fuente

conmutada

HP 2
3. MARCO TEORICO:

FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADA

Las fuentes conmutadas poseen dos características que las colocan por encima de las
fuentes lineales, estas son la eficiencia y el tamaño, principalmente en aplicaciones de
alta potencia.
Gracias al avance en los últimos años en los transistores de potencia se han podido
alcanzar frecuencias de conmutación en el orden de los MHz, lo que ha hecho que el
tamaño se haya visto reducido de manera considerable.

Especificación Lineal Conmutada

Regulación de línea 0.02 a 0.05% 0.05 a 0.1%
Regulación de carga 0.02 a 0.1% 0.1% a 1.0%
Rizado de salida 0.5mVpp a 2mVpp 10mVpp a 100mVpp
Rango de voltaje de entrada +-10% +-20%
Eficiencia 40% a 55% 60% a 95%
Tiempo de mantenimiento 2ms 34ms

En esta tabla mostramos las características principales que describe los dos tipos de
fuentes lineales y conmutadas, una desventaja que tienen las fuentes conmutadas es el
ruido eléctrico que se genera, esto debido a sus naturales de conmutación.

DIAGRAMA DE BLOQUES DE UNA FUENTE CONMUTADA

Fig. N°02-Diagrama de bloque-Fuente conmutada

HP 3
 La señal en AC debe ser primero rectificada y filtrada, con lo que se consigue
agregarle un valor DC.
 La energía también puede provenir de una batería en cuyo caso solamente debe ser
filtrada. Luego de esto hay una etapa inversora que convierte esta señal a una
frecuencia mucho mayor a la original, de donde finalmente es rectificada y filtrada
para lograr una señal DC con el menor rizado posible.
 La etapa más importante en una fuente conmutada es en donde la señal es invertida
y luego rectificada, esta etapa es la que se denomina la etapa de conversión, de ahí
nacen los convertidores DC-DC.
 Para poder lograr el voltaje deseado a la salida de la fuente el mismo debe ser
regulado de alguna forma, es ahí donde entra a trabajar el circuito de control que
crea un lazo cerrado desde la salida hasta la etapa del convertidor.
 La mayoría de circuitos de control generan internamente una señal con una
frecuencia fija y luego se implementan técnicas de modulación de ancho de pulso
(PWM) para lograr la regulación deseada.

CONVERTIDOR DC-DC

La función principal del convertidor radica en tomar el voltaje DC no regulado y

convertirlo a la salida en un voltaje DC controlado
con un valor fijo.

Para el presente proyecto se desarrolla el

convertidor conmutado DC-DC de topología Buck,
también conocido como Step-Down, se realiza un
análisis previo de los principios básicos con los que
trabajan los convertidores DC-DC conmutados, con
un mayor énfasis en el estudio del convertidor
Buck, funcionando en el Modo de Conducción
Continuo.

Luego se realiza el diseño básico del convertidor con los parámetros de voltaje y
potencia previamente establecidos, pasando luego a la especificación de los
componentes que cumplan con los requerimientos de diseño y finalmente al montaje
virtual del circuito en una placa de pruebas.
HP 4
TOPOLOGIA CONVERSOR DC-DC

 A la hora de seleccionar una topología para una aplicación específica se deben tener
en cuenta al menos cinco factores importantes:
 Analizar si se requiere aislamiento galvánico en la aplicación. Esto es un factor de
peso al escoger una topología y está relacionado con la seguridad.
 Saber si necesita una o múltiples entradas.
 Analizar las tensiones a las que se van a someter los dispositivos
semiconductores.
 Analizar las corrientes a las que se van a someter los dispositivos
semiconductores.
 Determinar los voltajes a los que va a estar sometido el inductor o transformador,
dependiendo de cuál topología se trate.

HP 5
 Fig.03 Topologías de convertidores DC-DC

Esta figura nos muestra algunas de las topologías usadas en los convertidores. La
topología que consideraremos será el de Step-Down (Buck).

En la siguiente imagen se muestra como

son utilizadas las diferentes topologías de
convertidores según el voltaje DC de
entrada y la potencia de salida requerida,
se ve como para voltajes bajos como
potencias menores a 100W los
convertidores no aislados galvánicamente
tienen gran uso y para voltajes mayores
se utilizan convertidores que incluyen
inductores en su topología, los cuales
proporcionan aislamiento para asegurar
cierto grado de seguridad a los que
tratamos con estos dispositivos.
HP 6
 CONVERTIDOR BUCK (STEP DOWN)

La topología más simple y básica de convertidores es la del convertidor Buck debido a

su razón de cambio de voltaje se puede obtener a la salida un voltaje menor al que se
aplica en la entrada.

Fig.04-Convertidor Buck

 Este circuito está compuesto de dos bloques uno encargado de la conmutación y el

otro que funciona como un filtro de salida, un interruptor SPDT se conecta para
producir la conmutación, este es ideal e implica que no tiene disipación de potencia,
asimismo el inductor y el condensador se analizan como si fueran ideales, cuando el
interruptor se encuentra en la posición 1 el voltaje Vs es igual al Vg mientras que en
la posición 2 Vs es igual a cero.
 La posición del interruptor varía periódicamente por lo que se obtiene una señal
rectangular como la que se observa en la segunda imagen, esta tiene un periodo, un
ciclo de trabajo que corresponde a la fracción del periodo en que el interruptor está
en la posición 1 que es:

4. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Para lograr el voltaje deseado a la salida debe controlarse el ciclo de

trabajo, función que es llevada a cabo por el Modulador de Ancho de Pulso. Esta
técnica de modulación consiste en mantener la frecuencia de conmutación en un valor
fijo y ajustar la duración en que el transistor esta activo para obtener un voltaje a la
salida determinado, en el caso del convertidor Buck definido por la ecuación:

Por el medio del análisis de las series de Fourier el valor DC de

Vs(t) es:

HP 7
Por lo que el componente DC del voltaje de salida se ha reducido en un factor D con
respecto al voltaje de entrada, este objetivo se ha logrado parcialmente, pero surgen
algunos problemas mayores que son:
 La carga eléctrica que se va a alimentar puede ser inductiva esto implica que el
interruptor tendría que disipar la energía inductiva, con lo que este se destruiría.
 El valor del voltaje de salida en el tiempo varía lo que es inaceptable en las
aplicaciones reales.
Para solucionar el problema de la energía inductiva se sustituye el interruptor por un
diodo y un transistor, por su parte las variaciones de voltaje se reducen colocando a su
salida un filtro paso-bajo que consiste en un inductor en serie con un condensador en
paralelo.

Fig.05-Convertidor Buck-Salida
filtro pasa bajos

La función de este filtro es de eliminar las componentes armónicas del

voltaje siendo su frecuencia de corte:
Esta frecuencia se selecciona mucho menor que la frecuencia de
conmutación para eliminar estas componentes de alta frecuencia indeseadas.

Para el análisis en estado estacionario del convertidor Buck como para el resto de
convertidores existen solamente 2 modos de trabajo en lo que pueden funcionar, em
modo de conducción continuo y el modo de conducción discontinuo, en el modo de
conducción continuo la corriente a través del inductor nunca es cero mientras que en
discontinuo si llega a alcanzar este valor.

HP 8
 Fig.06-Estados del convertidor Buck en MCC

El primer estado, cuya duración es DTs, se observa que durante este intervalo el
transistor está encendido por lo que presenta una resistencia RDS
(on)la cual produce un voltaje:
Además, hay una caída de voltaje producida por la resistencia RL de la inductancia. Por
su parte el diodo esta polarizado de manera inversa, por lo que no fluye corriente a
través de este. La corriente del inductor fluye desde la entrada hasta el condensador y la
resistencia de carga, por lo tanto, el voltaje aplicado al inductor durante esta fracción
del periodo es:

Fig.05- Formas de onda

para para el convertidor Buck en MCC

En esta figura se representan las formas de onda para la corriente en el transistor, en el

diodo y en el inductor que corresponde a la suma de las dos primeras, también se
muestra la forma de onda para voltaje, como es de esperar la corriente en el inductor
aumenta y disminuye periódicamente pero nunca se vuelve cero.

HP 9
 RIZADO DEL VOLTAJE DE SALIDA
En la siguiente figura se grafica el voltaje en el inductor, la corriente en el inductor y el
voltaje de salida que es igual al voltaje en el capacitor, asumiendo que todo el rizado de
la corriente el inductor fluye a través del capacitor y que el componente DC fluye a
través de resistencia carga.

Fig.06-Rizado de voltaje en un convertidor Buck

Entonces el rizado del voltaje de salida puede ser escrito

como:

Como se observa el rizado el voltaje de salida es independiente de la carga, siempre y

cuando esté trabajando en el modo de conducción continuo, estos rizados a la salida del
convertidor se suelen especificar a menos de 1% del voltaje de salida, por lo que es
valido asumir en el análisis de estado estacionario que este componente es cero, además
entre mas grande se seleccione la capacitancia de salida, más pequeño será el rizado.

5. CONTROL MEDIANTE MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO (PWM)

El controlador por modulación de ancho de pulsos es un control por voltaje, ya que

censa el voltaje a la salida del convertidor para realizar los ajustes necesarios.
Los circuitos integrados en la actualidad contienen prácticamente todos los elementos
necesarios para el control de un convertidor conmutado y solo agregar algunos
componentes de manera externa para establecer las condiciones de trabajo como la
frecuencia de conmutación y el ciclo de trabajo entre otros, en nuestro caso usaremos el
circuito integrado UC2524.

1
HP
0
Las características que debe tener este integrado deben ser:

 Oscilador de frecuencia fija

hasta 500 KHz.
 Modulación de ancho de pulso
con ciclo de trabajo de 0% hasta
100%.
 Ajuste de tiempo muerto.
 Manejo de corrientes a la salida
de 100mA a 200Ma.
 Salida de uno o dos canales.
 Limitador de corriente.
 Inhabilitación por bajo voltaje.

Para lograr el voltaje deseado a la salida debe controlarse el ciclo de trabajo, función
que es llevada a cabo por el modulador de ancho de pulso, esta técnica consiste en
mantener la frecuencia de conmutación en un valor fijo y ajustar la duración en que el
transistor está activo para obtener un voltaje a la salida determinado, a continuación,
acoplamos al diagrama de bloques del circuito de control PWM.

Fig.07- Diagrama
de bloques control PWM

La señal del voltaje V pasa por el bloque de ganancia el cual tiene a su salida otra señal
de voltaje que es proporcional a la de entrada, esto se realiza con el fin de aumentar o
disminuir la magnitud del voltaje para que pueda ser utilizada por el resto del circuito
PWM luego es comparada con un voltaje de referencia Vref con lo que se genera una
señal de voltaje que corresponde a la diferencia entre los voltajes de entrada y
1
HP
1
 referencia, este es denominado voltaje de error Ve, la etapa de compensación mejora la
respuesta en frecuencia del circuito PWM y finalmente la etapa de modulación es la que
utiliza la señal de error para producir una señal de control para la etapa de potencia del
convertidor.

6. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN

PRIMERA PARTE DE MÓDULO DE ALIMENTACIÓN

La mayoría de los equipos electrónicos requieren tensiones de c.c. para su funcionamiento.
Estas tensiones pueden ser suministradas por baterías o por fuentes de alimentación internas
que convierten la corriente alterna, que se puede obtener de la red eléctrica que llega a cada
vivienda, en tensiones reguladas de c.c.

DISEÑO
 El primer elemento de una fuente de alimentación c.c. interna es el transformador,
que eleva o disminuye la tensión de entrada a un nivel adecuado para el
funcionamiento del equipo. La función secundaria del transformador es servir como
aislamiento de masa (conexión a tierra) eléctrica del dispositivo a fin de reducir
posibles peligros de electrocución.

 A continuación del transformador se sitúa un rectificador, que suele ser un diodo, en

la actualidad se emplean casi exclusivamente rectificadores de silicio debido a su
bajo coste y alta fiabilidad.

 Las fluctuaciones y ondulaciones superpuestas a la tensión de c.c. rectificada

(percibidas como un zumbido en los amplificadores de sonido defectuosos) pueden
filtrarse mediante un condensador. Cuanto más grande sea el condensador, menor
será el nivel de fluctuación de la tensión. Es posible alcanzar un control más exacto
sobre los niveles y fluctuaciones de tensión mediante un regulador de tensión, que
también consigue que las tensiones internas sean independientes de las
fluctuaciones que se puedan encontrar en un artefacto eléctrico. Por lo general, los
reguladores de tensión más sofisticados se construyen como circuitos integrados.

DIAGRAMA DE BLOQUES

1
HP
2
 Fig.08-Diagrama de bloque DC para fuente switching

CÁLCULOS:
Primeramente, hallaremos el cálculo del TRANSFORMADOR:
INDUCTANCIA
Inductancia Primaria
Inductancia secundaria
Para el cálculo de la inductancia secundaria utilizaremos la formula siguiente:
Lp=¿
Lp = Inductancia primaria
Ls = Inductancia secundaria
Para una inductancia secundaria de 1H
Lp=¿
Lp=215.11

1
HP
3
 Vzmax=15∗ √2
Vzmax=21.21
RELACIÓN DE NUMERO DE VUELTAS:
V1 N1
=
V2 N2
Para un N2 = 6, Tenemos N1 = 88
Nuestra relación en el transformador seria 110:6
T1

88:6

Para la elección de lo diodos tenemos:

Utilizamos el 1N4004, ya que aguanta valores de hasta 400V, trabaja asta 30A.
Restamos 1.4 del consumo de los diodos:
Vimax=21.21−1.4=19.81
Para el voltaje de rizado pico a pico

1
HP
4
Tenemos la siguiente formula
I0
r rpp =
2∗fred∗C
2A
4.81=
2∗60∗C
C 12=3465.003uF

Aproximándolo a un valor comercial tendríamos:

C 1=2200 uF

C 2=2200 uF

Ahora hallaremos el cálculo para el disipador del regulador:

Se sabe que para que la resistencia térmica entre la unión y el ambiente del regulador
usando el datasheet del componente:

El calor generado va a ser condicionado por la potencia que tiene que disipar el regulador:

1
HP
5
Ojo recordemos que:
CALOR(J )
POTENCIA (W )=
TIEMPO(S)
Entonces se tendría:

la resistencia termina delregulador al ambiente

Antes de entrar al regulador nuestro voltaje será un poco más elevado, Por lo que nuestro
regulador tendría que disipar 3v excesivos al voltaje que queremos y este se multiplicara
por la corriente que estamos manejando
Pdis=3 V∗0.5 A
Lo que nos da 1.5W de disipación.
Para la tensión j:
C
Tj=Ta + Pdis∗Rthja=20 ° c+1.5 W ∗65 °
W
Tj=117.5 ° C
Para terminar, se pone unos condensadores cerámicos en paralelo con los diodos para que
actúen como pequeños filtros:

Fig.09-Acoplo de pequeños filtros en paralelo a diodos

1
HP
6
Al final del circuito para el C2 (condensador 2) pondremos un pequeño condensador de
10uF que servirá como un último filtro para la salida del voltaje total y un condensador C3
cerámico que servirá para eliminar ruidos parásitos de alta frecuencia

Nuestra fuente quedaría así:

TR1
D1 D2 U1
1N4004 1N4004
7812
+88.8 U1(VO) C3(1)
1 3
AC Volts VI VO
GND

C55 D3 D4 C4
C1 C5 R1
2

TRAN-2P2S 100n 1N4004 1N4004 100n

2200u 2200u C2 C3 100
10u 100n

Fig.11 Primera parte de fuente en DC

hasta el momento, nuestra fuente estaría entregando 14Vdc A 1A, observamos que para
nuestro circuito siguiente necesitaremos un mínimo de 3ª, por lo que añadiremos un
INTENSIFICADOR DE CORRIENTE:
Q5
MJE15033G

U2
Vin R1 LM7812KC
L INE VREG
V OLT AGE
1Ω RL
C OMM ON
1Ω

12V

Fig.12. El transistor externo aumenta la corriente de carga

1
HP
7
El transistor externo es un transistor de potencia, R1 es una resistencia limitadora de
corriente de 1 ohm (empleamos 1 ohm porque un transistor de potencia necesita más
tensión de base que un transistor de pequeña señal).
Cuando la tensión es menor a 1ª, la tensión en la resistencia limitadora de corriente es
menor que 0.7V y el transistor está cortado. Cuando la corriente de carga es mayor que 1A,
el transistor conduce y suministra casi toda la corriente por la carga por encima de 1A.
AHORA ya tenemos nuestra fuente para que trabaje asta 3A, pero que sucedería si la carga
empieza a consumir mas corriente de lo normal tanto al extremo de llegar a un
cortocircuito, entonces lo que tendríamos que hacer ahora es diseñar un LIMITADOR DE
CORRIENTE para que nuestro circuito siempre vote 3A, aunque la carga pida más.

PROTECCION CONTRA CIRCUITOS:

Tenemos en la figuraxx básicamente la misma configuración de circuito anterior, pero con
la adición de un sistema de protección contra cortocircuitos en la salida.
Se utilizan dos resistencias limitadoras de corriente, una para excitar el transistor externo
Q1y la otra para poner en conducción a Q2 y proporcionar la protección contra
cortocircuito.
En este caso, con una corriente de 1A, El transistor Q1 conduce y con una corriente de 2A,
el transistor Q2 proporciona protección contra cortocircuito.
V EB−ON 0.6
R 2= = =0.33
I LIMITADORA 2A

R2
Q1
0.33Ω MJE15033G

Q2
2N3906 U1
R1 LM7812KC
LINE VREG
VOLTAGE
1Ω
COMMON
C3
2200µF

Fig.12 Transistor externo con limitación de corriente.

1
HP
8
DISEÑO FINAL DE LA FUENTE DE ALIMENTACION:

XMM4
R4
XMM5
Q1
0.33Ω MJE15033G
XMM2
XMM1
XMM3
D1 D4 Q4
1N4004 1N4004 2N3906 U1
T1
V1 LM7812KC
R1
220Vrms LINE VREG
VOLTAGE
60Hz 1Ω
0° C1 D2 D3 C2 COMMON C4 C5
88:6
100nF 1N4004 1N4004 10µF 100nF
100nF R2
C6 C3 5Ω
2200µF 2200µF

El circuito está diseñado para que entregue 14Vdc a 3A

Y está limitado a una corriente de 5A si la carga aumenta su consumo:

1
HP
9
SEGUNDA PARTE FUENTE DE ALIMENTACION CONMUTADA (SWITCHING)
Existen dos tipos de circuitos inversores, BUCK (Vo ≤ V) Y BOOST (Vo > V)
Nosotros utilizaremos el de tipo BUCK (Vo ≤ V)

CIRCUITOS PROPUESTO (REDUCTOR BUCK)

BUCK (Vo ≤ V)
ANALIZANDO EL CIRCUITO PROPUESTO:

2
HP
0
Inversor BUCK con el interruptor cerrado

d iL d i V −V O ∆ I L
V =V L +V O V =L +V O L = =
dt dt L t on

V −V O
∆ I L= t on
L

Inversor BUCK con el interruptor abierto

d i L d i L −V O ∆ I L
V O ¿−V L =−L = =
dt dt L t off

−V O
∆ I L= t
L off

TENSIÓN CONTINUA DE SALIDA DEL CONVERTIDOR BUCK

2
HP
1
 1 2
Energía almacenada en el inductor => ε L = . L . i L
2
V −V O VO
t on= t
L L off
TENSION CONTINUA DE SALIDA V O =V∗D

TENSIÓN DE RIPPLE DE SALIDA

La tensión de salida tiene una componente de alterna, producto de la corriente variacional
ΔiL (zumbido de corriente en el inductor) que circula por el capacitor suponiendo
(Xc<<RL).
El ripple de la tensión de salida es la tensión en el capacitor consecuencia de ΔiL:

2
HP
2
CIRCUITO DE PRUEBA (SIMULADOR)

Q3
TIP32 L2
0.1mH

R14
10K
B1
12V C11 R13 2
D6 1500uF 10 HP
R15
1N3880 3
330
7. RESULTADOS OBTENIDOS Y SIMULACIÓN

2
HP
4
8. CONCLUSIONES

 El regulador conmutado se emplean principalmente elementos de conmutación e

inductores para lograr obtener el voltaje de carga deseado.
 Se observo que al variar la carga la caída de voltaje y la corriente que circula
varia. Es por ello que se toma un punto medio entre dos resistencias donde el
voltaje debe ser menor al voltaje de salida para que haya una retroalimentación
haciendo que ese error sea muy pequeño y así el voltaje sea constante.
 El controlador PWM que se muestra en el diagrama de circuito se usa para
controlar el encendido y apagado del interruptor. En otras palabras, se utiliza
para controlar el ciclo de trabajo de PWM.

2
HP
5