UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTA MARIA d TEMA: ELEVADOR DC-DC BOOST DOCENTE: ➢ VILLEGAS MEDINA, JAIME ENRIQUE ALUMNO: ➢ CUETO QUICHCA, BRAYAN ➢ ALATRISTA DEL CARPIO, JEREMY MATTHEWS SEMESTRE: VIII GRUPO: “5” AQP-2023 0 UNIVERSIDAD CÁTOLICA DE SANTA MARÍA Ingeniería Mecánica, Mecánica Eléctrica y Mecatrónica ÍNDICE INFORME 5: ELEVADOR DC-DC BOOST ...........................................................................2 1. CONOCIMIENTOS REQUERIDOS ...............................................................................2 2. COMPETENCIAS .............................................................................................................2 3. EQUIPOS Y MATERIALES .............................................................................................2 4. MARCO TEÓRICO...........................................................................................................2 5. PROCEDIMIENTO ...........................................................................................................5 6. CUESTIONARIO...............................................................................................................9 7. CONCLUSIONES ............................................................................................................11 8. BIBLIOGRAFÍA ..............................................................................................................11 24 de octubre 2023 NOMBRES: BRAYAN CUETO QUICHCA, JEREMY ALATRISTA DEL CARPIO 1 UNIVERSIDAD CÁTOLICA DE SANTA MARÍA Ingeniería Mecánica, Mecánica Eléctrica y Mecatrónica INFORME 5: ELEVADOR DC-DC BOOST 1. CONOCIMIENTOS REQUERIDOS • Principio de funcionamiento de los circuitos elevadores de voltaje DC - DC. • Principio de funcionamiento de los transistores MOSFET. • Características del integrado 2577 - ADJ 2. COMPETENCIAS • Explica el funcionamiento de un circuito elevador de voltaje DC- DC. • Entiende la aplicación de los transistores de potencia MOSFET. • Encuentra el uso de integrados más avanzados 3. EQUIPOS Y MATERIALES Cantidad 1 1 1 1 Cantidad 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 EQUIPOS Descripción Fuente de alimentación Osciloscopio Multímetro digital Simulador Proteus o MultiSim INSUMOS Y/O MATERIALES Unidad Descripción Pza. Alicate de corte Pza. Protoboard Pza. Arduino UNO Pza. Transistor BC547 Pza. Diodo schottky SB540 o SB560 Pza. Resistor 100, 1k, 2k, 2.2k, 8k Pza. Capacitor electrolítico 10uF, 47uF, 220uF Pza. Capacitor cerámico 100nF, 330nF Pza. Inductor 100mH Pza. Potenciómetro 100k Pza. LM2577 - ADJ Pza. Transistor MOSFET IRFZ44N Unidad Pza. Pza. Pza. Pza. Observaciones La práctica es para 1 grupo de 2 estudiantes, la capacidad de laboratorio es para 8 grupos Observaciones de preferencia NANO O similar O similar de 5A a más 1/2 W 35 V 3A a más Para permitir salida variable O similar 4. MARCO TEÓRICO Un convertidor elevador (convertidor elevador) es un convertidor de potencia de CC a CC que aumenta el voltaje (mientras reduce la corriente) desde su entrada (suministro) hasta su salida (carga). Es una clase de fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS) que contiene al menos dos semiconductores (un diodo y un transistor) y al menos un elemento de almacenamiento de energía: un condensador, un inductor o ambos en combinación. Para reducir la ondulación de voltaje, normalmente se agregan filtros hechos de capacitores (a veces en combinación con inductores) a la salida (filtro del lado de carga) y a la entrada (filtro del lado de suministro) de dicho convertidor. En este guía aprenderemos cómo construir y cómo funciona un convertidor elevador de CC a CC. El circuito es muy básico y utiliza solo un diodo, un inductor y un condensador. El interruptor será un transistor MOSFET y para crear la señal PWM usaremos un temporizador 555 en la configuración PWM, un controlador 24 de octubre 2023 NOMBRES: BRAYAN CUETO QUICHCA, JEREMY ALATRISTA DEL CARPIO 2 UNIVERSIDAD CÁTOLICA DE SANTA MARÍA Ingeniería Mecánica, Mecánica Eléctrica y Mecatrónica ajustable boost o un Arduino. Pero primero estudiemos un poco de teoría. Tenemos el circuito convertidor Boost en la siguiente figura donde podemos ver el interruptor, el inductor y el capacitor y por supuesto agregamos una carga a la salida. Figura 1 Circuito convertidor Boost Fuente: Ing. Jaime Enrique Villegas Medina Bien, entonces tenemos el siguiente circuito. Para estudiar cómo funciona lo dividiremos en dos etapas. Las etapas ON y OFF. En la parte de ON, el interruptor está cerrado como podemos ver en la siguiente figura donde el diodo está abierto porque el voltaje del cátodo es mayor que el del ánodo. El principio clave que impulsa el convertidor elevador es la tendencia de un inductor a resistir cambios en la corriente creando y destruyendo un campo magnético. En un convertidor elevador, el voltaje de salida siempre es mayor que el voltaje de entrada. Cuando el interruptor está cerrado, la corriente fluye a través del inductor en el sentido de las agujas del reloj y el inductor almacena algo de energía generando un campo magnético. La polaridad del lado izquierdo del inductor es positiva. Entonces, en este caso obtenemos la corriente a través del inductor usando las siguientes fórmulas. Figura 2 Circuito convertidor Boost con Switch ON Fuente: Ing. Jaime Enrique Villegas Medina 24 de octubre 2023 NOMBRES: BRAYAN CUETO QUICHCA, JEREMY ALATRISTA DEL CARPIO 3 UNIVERSIDAD CÁTOLICA DE SANTA MARÍA Ingeniería Mecánica, Mecánica Eléctrica y Mecatrónica Cuando se abre el interruptor, la corriente se reducirá a medida que la impedancia sea mayor. El campo magnético creado previamente será destruido para mantener la corriente hacia la carga. Por lo tanto, la polaridad se invertirá (significa que el lado izquierdo del inductor ahora será negativo). Como resultado, dos fuentes estarán en serie, lo que provocará que un voltaje más alto cargue el capacitor a través del diodo D. En este caso, el voltaje a través del inductor es la diferencia entre el voltaje de salida y el de entrada. Entonces, una vez más, usando las fórmulas de la siguiente figura, obtenemos la corriente de la parte APAGADA dependiendo del ciclo de trabajo. Figura 3 Circuito convertidor Boost con Switch OFF Fuente: Ing. Jaime Enrique Villegas Medina Ok, ahora si queremos obtener la salida dependiendo de la entrada y el ciclo de trabajo del PWM lo único que tenemos que hacer es hacer que la suma de las corrientes de Encendido y Apagado sea igual a 0. Eso significa que la corriente de Encendido es igual a la corriente apagada. Entonces eso nos dará: Figura 4 Fórmula del voltaje de salida dependiendo del de entrada Fuente: Ing. Jaime Enrique Villegas Medina 24 de octubre 2023 NOMBRES: BRAYAN CUETO QUICHCA, JEREMY ALATRISTA DEL CARPIO 4 UNIVERSIDAD CÁTOLICA DE SANTA MARÍA Ingeniería Mecánica, Mecánica Eléctrica y Mecatrónica Entonces hemos obtenido que la salida depende desproporcionadamente del ciclo de trabajo. Entonces, cuanto mayor sea el ciclo de trabajo, mayor será la producción. El ciclo de trabajo del PWM puede tener valores entre 0 y 1. Por lo que la única salida posible será igual o superior a la entrada. Por eso esta configuración se llama convertidor elevador. 5. PROCEDIMIENTO Convertidor Buck Arduino El Arduino ya cuenta con un regulador de voltaje lineal de 5V que reducirá la eficiencia del circuito. Entonces, el objetivo principal es aprender cómo funcionan el circuito, la retroalimentación y la señal PWM para lograr la salida deseada. Figura 5 Circuito convertidor Boost con Arduino NANO Fuente: Ing. Jaime Enrique Villegas Medina Figura 6 Circuito convertidor Boost con Arduino NANO armado en Protoboard Fuente: Propia 24 de octubre 2023 NOMBRES: BRAYAN CUETO QUICHCA, JEREMY ALATRISTA DEL CARPIO 5 UNIVERSIDAD CÁTOLICA DE SANTA MARÍA Ingeniería Mecánica, Mecánica Eléctrica y Mecatrónica Figura 7 Circuito convertidor Boost con Arduino NANO armado en Protoboard Fuente: Propia Como puedes ver tenemos un potenciómetro conectado a la entrada analógica A0. Con este potenciómetro elegiremos el valor de salida entre 1 y 50 voltios aprox (sus valores de salida pueden variar). En la salida del circuito tenemos un divisor de voltaje que reducirá el voltaje de un máximo de 50 V a menos de 5 voltios porque ese es el voltaje de entrada máximo de los ADC de Arduino. En el código comparamos estos dos voltajes y aumentamos o disminuimos el ancho de PWM para mantener la salida constante. Simplemente copie y cargue el siguiente código en Arduino para este ejemplo. 24 de octubre 2023 NOMBRES: BRAYAN CUETO QUICHCA, JEREMY ALATRISTA DEL CARPIO 6 UNIVERSIDAD CÁTOLICA DE SANTA MARÍA Ingeniería Mecánica, Mecánica Eléctrica y Mecatrónica Figura 8 Código del Arduino NANO Fuente: Ing. Jaime Enrique Villegas Medina Circuito Convertidor Boost LM2577-ADJ Con este componente tenemos retroalimentación y la salida seguirá siendo la misma usando diferentes cargas. Simplemente haga las conexiones, agregue el capacitor de entrada para tener una entrada estable y listo. 24 de octubre 2023 NOMBRES: BRAYAN CUETO QUICHCA, JEREMY ALATRISTA DEL CARPIO 7 UNIVERSIDAD CÁTOLICA DE SANTA MARÍA Ingeniería Mecánica, Mecánica Eléctrica y Mecatrónica Figura 9 Circuito convertidor Boost con integrado LM2577 Fuente: Ing. Jaime Enrique Villegas Medina Figura 10 Circuito convertidor Boost armado en Protoboard Fuente: Propia 24 de octubre 2023 NOMBRES: BRAYAN CUETO QUICHCA, JEREMY ALATRISTA DEL CARPIO 8 UNIVERSIDAD CÁTOLICA DE SANTA MARÍA Ingeniería Mecánica, Mecánica Eléctrica y Mecatrónica Figura 11 Circuito convertidor Boost armado en Protoboard Fuente: Propia Como puede ver en el esquema anterior, tenemos un potenciómetro conectado a la entrada analógica A0. Con este potenciómetro elegiremos el valor de salida entre 1 y 12 voltios ya que la tensión máxima de entrada en este caso es de 12V. Con la entrada podría llegar hasta 12 voltios. No aplique voltaje más alto o podría quemar el componente LM2577-ADJ. En este caso no necesitamos ningún switch externo ya que el LM2577-ADJ ya lo lleva en su interior. Con el pin de retroalimentación conectado al divisor de voltaje de salida, el LM2577ADJ cambiará el ancho del pulso dependiendo de la salida para mantenerlo constante. En este caso utilice un diodo rectificador de barrera Schottky porque tiene un voltaje directo bajo. Este diodo vivirá el flujo de corriente cuando el interruptor esté abierto 6. CUESTIONARIO 1. Explique cómo trabaja el primer circuito reductor con Arduino El funcionamiento del primer circuito convertidor Boost con Arduino trabaja básicamente comparando los valores PWM tanto del potenciómetro como el que recibe la carga luego del divisor de tensiones. El potenciómetro se conecta directamente a la fuente de 5 Voltios del Arduino y a su respectiva tierra, con su pata del medio contacta al pin definido como entrada de A0, cuyo valor asignaremos a una variable “voltage”. Luego mediante el circuito se recibe la salida de voltaje PWM del pin D3, el cual se va modulando para controlar el gate del transistor. El circuito recibe los 5 voltios de una fuente externa y los amplifica mediante el IRFZ44N hasta valores de 40 Voltios. La carga, la cual cambiamos por un potenciómetro de 5k ohmios, recibe estos valores amplificados y mediante un divisor de tensiones (para disminuir el voltaje de salida a 5 Voltios seguros para el Arduino) también son conectados a la entrada analógica A1. Ambas entradas A0 y A1 son comparados entre sí para que el código aumente o disminuya el ancho PWM. 2. Explique en casos se utilizar estos circuitos elevadores Los circuitos elevadores Boost puedes utilizarse en: • Fuentes de tensión autorreguladas 24 de octubre 2023 NOMBRES: BRAYAN CUETO QUICHCA, JEREMY ALATRISTA DEL CARPIO 9 UNIVERSIDAD CÁTOLICA DE SANTA MARÍA Ingeniería Mecánica, Mecánica Eléctrica y Mecatrónica • • • • • • Circuitos de aplicaciones en vehículos Sistemas de iluminación LED y lámparas fluorescentes Paneles solares Fuentes de tensión portátiles Aplicaciones de control Adaptativo Aplicaciones de amplificador de potencia 3. ¿Cuál es el valor mínimo de voltaje que puedo utilizar? Para los presentes circuitos teóricamente el menor valor posible de utilizar sería 5 Voltios; sin embargo, hay circuitos elevadores Boost que pueden funcionar hasta con 1.5 Voltios para una amplificación adecuada y funcional. Revisando el datasheet del transistor MOSFET IRFZ44N, podemos ver el voltaje de entrada de la compuerta mínimo puede ser entre 2 a 4 Voltios para conseguir un voltaje de salida del drenaje de 50-55 Voltios 4. Simule el circuito con un temporizador 555 Figura 12 Circuito elevador Boost con integrado CI 555 simulado en Proteus Fuente: Propia El circuito Integrado 555 se utiliza como un Oscilador, para poder controlar el transistor MOSFET IRFZ44N, el cual se enciende y apaga a la misma frecuencia que la señal de salida Q del oscilador 555. El inductor presente sirve para almacenar cierto porcentaje de la energía eléctrica cuando el transistor interruptor MOSFET no esté funcionando. Los diodos controlan el paso de corriente por un solo sentido y a su vez regulan el nivel de corriente posible por el circuito. La configuración de las resistencias y los condensadores sirven para configurar el valor de la frecuencia de trabajo del CI 555 mediante sus valores respectivos en Ohmios y Faradios. 24 de octubre 2023 NOMBRES: BRAYAN CUETO QUICHCA, JEREMY ALATRISTA DEL CARPIO 10 UNIVERSIDAD CÁTOLICA DE SANTA MARÍA Ingeniería Mecánica, Mecánica Eléctrica y Mecatrónica Figura 13 Circuito elevador Boost con integrado CI 555 simulado en Proteus Fuente: Electronics Project Hub 7. CONCLUSIONES • • • • Ambos circuitos armados en el laboratorio no nos funcionaron de forma correcta, ya que el voltaje de salida si variaba al variar la carga del potenciómetro final. Esto se pudo deber por una mala conexión o uso de componentes incorrectos El Circuito Integrado 555 está funcionando como un oscilador para, mediante su salida Q de su pin 3, brindar la frecuencia de trabajo para activar o no el interruptor transistor MOSFET IRFZ44N. El LM2577-ADJ cumple la misma función que el código de Arduino IDE, que es la comparación de ambos valores de entrada (potenciómetro y carga) y dependiendo de su diferencia, aumentar o disminuir el ancho PWM para mantener constante el voltaje de salida. El inductor presente de 100uH permite almacenar cierto porcentaje de la energía eléctrica en forma de campo magnético cuando el circuito lo requiere 8. BIBLIOGRAFÍA (Formato APA) Libro impreso: Apellido, N. (año). Título del trabajo (edición). Editorial Libro electrónico: Apellido, N. (año). Título del trabajo (edición). Editorial. DOI o URL (excepto cuando provenga de una base de datos científica o plataforma de investigación académica: PsycINFO, EBSCOhost, etc.). 24 de octubre 2023 NOMBRES: BRAYAN CUETO QUICHCA, JEREMY ALATRISTA DEL CARPIO 11 UNIVERSIDAD CÁTOLICA DE SANTA MARÍA Ingeniería Mecánica, Mecánica Eléctrica y Mecatrónica Tesis: Apellido, N. (año). Título [Tesis de doctorado, Nombre de la Institución]. Nombre Base de datos. DOI o URL Recursos de internet: Apellidos, N. (año) o (año, mes) o (año, día de mes). Título del artículo/sección. Nombre de web. URL • • Anónimo. (2020). Convertidor Buck Boost: funcionamiento y aplicaciones de la teoría de circuitos. JF-PAREDE. Recuperado el 21 de octubre de 2023 de: https://es.jf-parede.pt/small-mini-motor-types Electronics Project Hub. (2020, 5 de mayo). Boost Converter Circuit Using IC 555 | Simulation. YouTube. Recuperado el 21 de octubre de 2023 de: https://www.youtube.com/watch?v=EDMPD8ZWljU&ab_channel=ElectronicsProj ectHub 24 de octubre 2023 NOMBRES: BRAYAN CUETO QUICHCA, JEREMY ALATRISTA DEL CARPIO 12
