ELECTRONICA INDUSTRIAL
Johan Stiven Arias Basto
C.c. 1005.234.144
Juan Sebastián Delgado Cáceres
C.c. 1234338609
Jhon Sebastián Pinzón Garavito
C.c. 1104071759
DOCENTE: INGRID JOHANNA MORENO CELIS
UNIDADES TECNOLOGICAS DE SANTANDER
INGENIERÍA ELÉCTRICA
20
Resumen
Los convertidores DC-DC transforman una señal de corriente directa (CD) de un
nivel de voltaje a otro. Se usan en aplicaciones como el control de motores
eléctricos, vehículos eléctricos, sistemas de frenado regenerativo y energía
renovable. Funcionan de manera similar a un transformador en corriente alterna
(CA), permitiendo aumentar o reducir la tensión de salida respecto a la entrada.
Aunque teóricamente las señales de entrada y salida son continuas, en la práctica
presentan ondulaciones. Por eso, se utilizan inductores y capacitores para filtrado
y estabilidad de señal.
INTRODUCCIÓN
En diversas aplicaciones industriales es necesario transformar una fuente de
corriente directa (cd) con voltaje constante en otra con voltaje variable. Este
proceso se realiza mediante un convertidor cd-cd, el cual convierte directamente
una señal de cd a otra de cd. Este tipo de convertidor funciona de forma similar a
un transformador de corriente alterna (ca), ya que permite variar continuamente la
relación entre entrada y salida. Así como un transformador puede aumentar o
disminuir el voltaje, el convertidor cd-cd permite ajustar el nivel de voltaje de una
fuente de cd.
Los convertidores cd se emplean ampliamente en el control de motores de
tracción utilizados en vehículos eléctricos, tranvías, grúas marinas, montacargas y
camiones para transporte minero. Estos dispositivos ofrecen una aceleración
suave, alta eficiencia y respuesta rápida ante cambios dinámicos. Además,
permiten implementar el frenado regenerativo en motores de cd, lo que posibilita
retornar energía a la fuente y, por tanto, reducir el consumo energético en
sistemas de transporte con paradas frecuentes. También se usan como
reguladores de voltaje de cd y, en combinación con inductores, para generar
corriente directa, especialmente en inversores de fuente de corriente. En resumen,
los convertidores cd-cd son elementos esenciales en los sistemas modernos de
conversión de energía, especialmente en tecnologías de energía renovable.
PARÁMETROS DE DESEMPEÑO DE LOS CONVERTIDORES CD-CD
Los convertidores cd-cd operan con voltajes de entrada y salida que son ambos de
corriente directa. Este tipo de convertidor es capaz de generar una salida con
voltaje fijo o variable a partir de una entrada también fija o variable, como se ilustra
en la figura 5.1a. En teoría, tanto el voltaje de salida como la corriente de entrada
deberían ser completamente continuos; sin embargo, en la práctica, suelen
presentar ciertas fluctuaciones o armónicos, como se muestra en las figuras 5.1b y
5.1c. Además, el convertidor cumple una función de filtrado en el sistema,
especialmente cuando la corriente de entrada desde la fuente de alimentación no
es continua.
CONVERTIDOR DC – DC REDUCTOR (BUCK CONVERTER)
Diseñe un convertidor reductor Ошибка! Источник ссылки не найден. que genere
una tensión de salida de 18 𝑉� sobre una resistencia de carga de 10 Ω. El rizado de la
tensión de salida no debe superar el 0,5 %. Se usa una fuente de tensión en continua
de 48 𝑉�. Realice el diseño para que la bobina opere en modo continuo, y especifique el
ciclo de trabajo, el tamaño de la bobina y del condensador, el valor máximo de la tensión
de pico de cada dispositivo y la corriente eficaz en la bobina y en el condensador
(Frecuencia de conmutación se tomará de 40 𝑘�𝐻�𝑧�).
Convertidor Reductor (Buck Converter)
Con los datos por el ejercicio se procederá a calcular casa uno de los ítems:

Ciclo de trabajo
𝐷=

𝑉0 18
=
= 0,375
𝑉𝑆 48
Tamaño de la bobina y del condensador
𝑇=
𝐿𝑚𝑖𝑛 =
1
1
=
= 25µ
𝐷 24𝑘
𝑇 ∗ (1 − 𝐷) ∗ 𝑅 25µ ∗ (1 − 0,375) ∗ 10
=
= 78,125�[µ𝐻] = 78,125µ ∗ 1,20%
2
2
= 93,625�[µ𝐻]
𝛥𝑉0 =∗ 𝑉0 =
𝛥𝐼𝐿 =
0,5�%
∗ 18 = 0,09
100
𝑉0 ∗ 𝑇 ∗ (1 − 𝐷) 18 ∗ 25µ ∗ (1 − 0,375)
=
=3
𝐿
93,625µ
���������𝐶 =
𝛥𝐼𝐿
3
=
= 104,1667�[µ𝐹]�
8 ∗ 𝐹𝑐 ∗ 𝛥𝑉0 8 ∗ 40𝑘 ∗ 0,09

Valor máximo de la tensión de pico de cada dispositivo

La corriente eficaz en la bobina y en el condensador
Para la bobina:
𝐼𝐿 =
𝐷 ∗ 𝑉𝑆 0,375 ∗ 48
=
= 1,8[𝐴]
𝑅
10
𝛥𝐼𝐿 3
= = 1,5
2
2
𝛥𝐼𝐿
𝛥𝐼𝐿
= 1,8 − 1,5 = 0,3[𝐴]���𝐼𝑚𝑎𝑥 = 𝐼2 = 𝐼𝐿 +
= 1,8 + 1,5
2
2
= 3,3[𝐴]
𝐼𝑚𝑖𝑛 = �𝐼1 = 𝐼𝐿 −
Para el condensador:
𝐼𝐶 = 0
𝑉0 18
𝐼0 =
=
= 1,8
𝑅
10
𝐼𝑚𝑖𝑛 = �𝐼1 − 𝐼0 = 0,3 − 1,8 = −1,5[𝐴]
𝐼𝑚𝑎𝑥 = 𝐼2 − 𝐼0 = 3,3 − 1,8 = 1,5[𝐴]
a) Grafique la tensión de salida 𝑉�𝑜�.
tensión de salida V0
b) Grafique la corriente que circula por el inductor y obtenga su rizado (∆𝐼�𝐿�).
corriente del inductor Ic
𝛥𝐼𝐿 =
𝑉0 ∗ 𝑇 ∗ (1 − 𝐷) 18 ∗ 25µ ∗ (1 − 0,375)
=
=3
𝐿
93,625µ
c) Dibuje la corriente de entrada (𝐼�𝑠�).
corriente de entrada Is
CONVERTIDOR DC – DC ELEVADOR (BOOST CONVERTER)
Diseñe un convertidor elevador (Boost) que presente una tensión a la salida de 30 𝑉� a
partir de una fuente de tensión de entrada con valor de 12 𝑉�. La corriente en la bobina
debe operar en modo continuo y el rizado de la tensión de salida debe ser menor que
el 1%. La carga es una resistencia de 50 Ω y se asume que los componentes son
ideales.
Figura 1. Convertidor Elevador (Boost Converter)
a) Determine el valor del ciclo de trabajo necesario para alcanzar la tensión de salida
deseada.
𝐷 =1−
𝑉𝑆
12
=1−
= 0,6
𝑉𝑂
30
b) Si la frecuencia de conmutación es igual a 25 𝑘�𝐻�𝑧�, entonces obtenga el valor
mínimo requerido de la inductancia para asegurar el funcionamiento en modo
continuo del convertidor.
𝐿𝑚𝑖𝑛 =
𝐷 ∗ 𝑅 ∗ (1 − 𝐷)2 0,6 ∗ 50 ∗ (1 − 0,6)2
=
= 96�[µ𝐻]
2 ∗ 𝐹𝑐
2 ∗ 25𝑘
c) Para asegurar el modo de funcionamiento continuo de la corriente en la bobina se
selecciona un valor de 150 [𝜇�𝐻�]. Calcule los valores de las corrientes máxima y
mínima.
𝛥𝐼𝐿 =
𝑉𝑠 ∗ 𝐷
12 ∗ 0,6
=
= 1,92�[𝐴]
𝐹𝑐 ∗ 𝐿 25𝑘 ∗ 150µ
𝛥𝐼𝐿 1,92
=
= 0,96
2
2
𝑉𝑠
12
𝐼𝐿 =
=
= 1,5�[𝐴]
2
𝑅 ∗ (1 − 𝐷)
50 ∗ (1 − 0,6)2
𝐼1 = 𝐼𝐿 −
𝛥𝐼𝐿
= 1,5 − 0,96 = 0,54�[𝐴]
2
𝐼2 = 𝐼𝐿 +
𝛥𝐼𝐿
= 1,5 + 0,96 = 2,46�[𝐴]
2
Para calcular el valor del capacitor:
𝛥𝑉0 =
�������𝐶 =
1�%
∗ 30 = 0,3
100
𝑉0 ∗ 𝐷
30 ∗ 0,6
=
= 48�[µ𝐹]�
𝛥𝑉0 ∗ 𝑅 ∗ 𝐹𝑐 0,3 ∗ 50 ∗ 25𝑘
d) Grafique la tensión de salida 𝑉�𝑜� y obtenga su valor promedio.
tensión de salida
𝑉0𝑃𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =
𝑉𝑠
12
=
= 30�[𝑉]
(1 − 𝐷) (1 − 0,6)
e) Grafique la corriente en el inductor (𝑖�𝐿�) y en el capacitor (𝑖�𝑐�).
corriente del inductor Il.
corriente del capacitor
Cuarto ejercicio. Un convertidor “Buck-Boost” como el presentado en la Figura 5, se debe
diseñar para una tensión de salida 𝑉�𝑜� = −80 𝑉� y con una tensión de entrada igual a 100
𝑉�. Si la carga es igual a 30 Ω y la frecuencia de conmutación es igual a 150 𝑘�𝐻�𝑧� ,
entonces realice los siguientes cálculos.
Se procede a realizar los cálculos pertinentes para el diseño del convertidor reductor.
Datos:
𝑉𝑠 = 100[𝑉]
𝑉𝑜 = −80[𝑉]
𝑅 = 30[Ω]
𝑓𝑐 = 150[𝑘𝐻𝑧]
Lo primero que debemos hallar es el ciclo de trabajo con el cual opera el convertidor.
𝑉0 = −
𝑉𝑠 ∙ 𝐷
(1 − 𝐷)
De la anterior ecuación despejamos D quedando:
𝐷=
𝐷=
𝑉𝑜
𝑉𝑜 − 𝑉𝑠
−80
−80 − 100
𝐷 = 0.444
4
Con este ciclo de trabajo sabemos que el convertidor opera con un ciclo de trabajo de (9).
Ahora bien, se procede a encontrar los valores del inductor y capacitor para asegurar que el
modelo y la simulación sean correctos operando en modo continuo.�
𝐼𝐿 =
𝐼𝐿 =
𝑉𝑠 ∙ 𝐷
(1 − 𝐷)2 ∙ 𝑅
4
100 ∙ (9)
(1 − 0.6)2 ∙ 50
𝐼𝐿 = 4.8[𝐴]
Del enunciado sabemos que la bobina debe lograr un rizado de corriente igual al 20% de la
corriente promedio. Lo que quiere decir que
𝛥𝐼𝐿 = 0.2 ∙ 4.8[𝐴]
𝛥𝐼𝐿 = 0.96[𝐴]
Con este valor de ΔIL podemos hallar el valor del inductor que nos cumple para el diseño del
convertidor.
𝛥𝐼𝐿 =
𝑉𝑠 ∙ 𝐷
𝑓𝑐 ∙ 𝐿
De la anterior ecuación despejamos L y obtenemos:
𝑉𝑠 ∙ 𝐷
𝑓𝑐 ∙ 𝛥𝐼𝐿
𝐿=
4
100 ∙ ( )
9
𝐿=
(150 × 103 ) ∙ 0.96
𝐿 = 308.64�[µ𝐻]
Para obtener el L que cumpla con una condición de operación en modo continuo podemos
usar la siguiente ecuación:
𝐿𝑚𝑖𝑛 =
(1 − 𝐷)2 ∙ 𝑅
2 ∙ 𝑓𝑐
4 2
(1 − ) ∙ 30
9
𝐿𝑚𝑖𝑛 =
2 ∙ (150 × 103 )
𝐿𝑚𝑖𝑛 = 30.86[µ𝐻]
Asumimos un rizado de la tensión de salida del 1 %. Lo que quiere decir que:
𝛥𝑉0 = 1% ∙ 80[𝑉]
𝛥𝑉0 = 0.8[𝑉]
Teniendo ΔVo podemos obtener el valor del capacitor que nos cumple para el diseño del
convertidor.
𝛥𝑉0 =
𝑉𝑜 ∙ 𝐷
𝑅 ∙ 𝑓𝑐 ∙ 𝐶
De la anterior ecuación despeja C y obtenemos:
𝐶=
𝐶=
𝐼𝑜 ∙ 𝐷
𝑅 ∙ 𝑓𝑐 ∙ 𝛥𝑉0
4
80 ∙ (9)
30 ∙ (150 × 103 ) ∙ 0.8
𝐶 = 9.87[µ𝐹]
Los valores para que opere en modo continuo son:
𝐿 = 308.64�[µ𝐻]
𝐿𝑚𝑖𝑛 = 30.86[µ𝐻]
𝐶 = 9.87[µ𝐹]
Conclusiones:
1. Relevancia de los convertidores DC-DC en la ingeniería moderna
El análisis y diseño de convertidores DC-DC evidencian su papel fundamental en sistemas
electrónicos industriales y de potencia, donde es necesario transformar niveles de voltaje
de forma eficiente, confiable y adaptable a múltiples aplicaciones, como el control de
motores eléctricos, fuentes de energía renovable y sistemas de tracción eléctrica.
2. Diseño fundamentado en parámetros clave de desempeño
A partir de los ejercicios desarrollados, se comprobó que el correcto dimensionamiento del
ciclo de trabajo, la inductancia y la capacitancia son determinantes para lograr una
operación estable y eficiente del convertidor. Estos parámetros garantizan el
funcionamiento en modo continuo, reduciendo pérdidas energéticas y asegurando una
entrega de energía con bajo rizado y alta calidad.
3. Optimización del rendimiento mediante el control del rizado
Se logró mantener los niveles de rizado de corriente y voltaje dentro de los límites
establecidos (0,5 %–1 %), lo que demuestra la eficacia del diseño en términos de
estabilidad de señal. Este control es crítico para evitar fluctuaciones indeseadas en
sistemas sensibles y para prolongar la vida útil de los componentes electrónicos.
4. Aplicabilidad del modelo teórico en contextos reales
Los resultados obtenidos mediante los cálculos y gráficas refuerzan la validez de los
modelos teóricos utilizados en el diseño de convertidores buck, boost y buck-boost. Esta
concordancia entre teoría y práctica respalda su implementación en sistemas reales donde
la eficiencia energética y la confiabilidad son prioridades.
5. Contribución a la sostenibilidad energética
El estudio de convertidores DC-DC permite no solo optimizar el consumo eléctrico, sino
también integrar tecnologías como el frenado regenerativo y la gestión inteligente de
cargas, lo cual representa un aporte significativo al desarrollo de soluciones
energéticamente sostenibles y respetuosas con el medio ambiente.
6.
Recomendaciones
1. Profundizar en el análisis de condiciones no ideales
Se sugiere ampliar los estudios considerando el comportamiento real de los componentes,
incluyendo pérdidas por conducción y conmutación, resistencias parásitas y variaciones
térmicas, con el fin de obtener un diseño más robusto y representativo de condiciones
reales de operación.
2. Implementar simulaciones con software especializado
Para validar de forma más precisa el comportamiento de los convertidores DC-DC, se
recomienda utilizar herramientas de simulación como MATLAB/Simulink, LTspice o PSIM.
Estas plataformas permiten visualizar el desempeño dinámico del sistema y optimizar el
diseño antes de su implementación física.
3. Diseñar y probar prototipos físicos
Una futura línea de trabajo debería incluir la construcción de prototipos funcionales que
permitan verificar experimentalmente los resultados obtenidos. La integración de
instrumentación adecuada permitirá validar los valores de rizado, eficiencia y respuesta
transitoria.
4. Explorar técnicas de control avanzado
Se recomienda estudiar métodos de control en lazo cerrado (control PID, control digital o
modulaciones PWM adaptativas) para mejorar la regulación de voltaje frente a
perturbaciones en la carga o en la fuente, aumentando así la confiabilidad del convertidor
en aplicaciones críticas.
5. Enfocar el diseño hacia la eficiencia energética y la sostenibilidad
Dado el creciente interés por sistemas energéticamente eficientes, es importante orientar
los diseños hacia soluciones que reduzcan las pérdidas, aprovechen el frenado
regenerativo y faciliten la integración con fuentes de energía renovables como la solar y la
eólica.