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REALIZACIÓN DE UN SISTEMA CORRECTOR DEL FACTOR DE POTENCIA (PFC), PARA SU
APLICACIÓN EN SISTEMAS CD/CD
OBJETIVO
El objetivo de la investigación presentada es el desarrollo de un circuito corrector del factor de potencia, el cual
pueda ser integrado en diferentes topologías de convertidores de CA/CD.
I. Principio de Corrección de Factor de Potencia (PFC).
A mitad de los noventas, varios países adoptaron los requerimientos necesarios para que sus nuevos productos
contaran con un corrector de factor de potencia. El circuito que se añadió aumento entre un 20 – 30 % el costo de
las fuentes de alimentación, pero el ahorro total de energía fue sustancial con respecto al precio inicial.
El termino factor de potencia en el ámbito de las fuentes de alimentación es aplicado a cargas reactivas de C.A.,
tales como motores. Aquí, la corriente que es consumida por el motor será desplazada en fase con respecto al
voltaje. La energía resultante consumida tendrá una componente reactiva muy grande y obligando a que muy
poca energía sea usada para producir trabajo, que en el ámbito técnico se traduce en una eficiencia pobre.
II. Diseño y Resultados
II.1. Simulación del esquema básico del multiplicador.
Como parte inicial, se desarrollo el modelo eléctrico para su simulación en Pspice, tomando como referencia el
C.I. MC1495 que es un multiplicador analógico de 4 cuadrantes comercial. Se realizaron los cálculos necesarios
para la obtención de cada uno de los elementos, el modelo completo en su parte discreta se presenta en la fig. 2.1.
Figura 2.1. Esquema discreto del multiplicador analógico.
De las formas de onda obtenidas en la etapa anterior se puede observar que existe un nivel de CD (offset) propio
del esquema básico, para la eliminación de este offset se anexo una sección de corrimiento de offset, el cual
consistió en la integración de un amplificador operacional TL081 que también fue simulado en su totalidad, ver
Figura 2.2
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Fig. 2.2. Multiplicador con sección de corrimiento de offset a la salida.
II.1.2. Resultados del prototipo
En esta parte de la investigación, una vez simulado el circuito se procedió a armarlo y llevarlo al laboratorio para
la comprobación y validación de los valores simulados, a continuación se muestran las formas de onda obtenidas
al armar el circuito obtenido en la simulación.
Figura 2.3. Diagrama del multiplicador.
Figura 2.4. Forma de onda de salida para entradas
sinusoidal y triangular con eliminación de offset.
III.2. Simulación del bloque del multiplicador
El modelo que se desarrolló para la simulación en Pspice se presenta en la figura 2.5.
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Figura 2.5. Esquema del bloque del multiplicador.
Para las pruebas se mantuvo el voltaje de referencia en 2.5 Volts y la señal sinusoidal en 1.5Vpp con una
frecuencia de 60Hz. A continuación se muestran las formas de onda obtenidas a partir de la simulación.
Figura 2.6. Forma de onda de entrada del multiplicador.
offset
Figura 2.7. Forma de onda de salida con eliminación de
Después de haber observado los resultados podemos continuar con la realización del circuito en la tablilla
experimental y así comprobar los resultados en el laboratorio.
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II.2.1. Resultados del prototipo
Después de haber simulado el circuito se procedió a armarlo, a continuación se muestran los resultados obtenidos
al armar el circuito simulado. Para las pruebas se mantuvo el voltaje de referencia en 2.5 Volts y la señal
sinusoidal en 1.5Vpp con una frecuencia de 60Hz. Para generar los voltajes de referencia se usó el diodo LM185.
Tabla 1. Resultados del bloque del multiplicador
Amplificador de Error
Vin
Vout
1V
3.35V
1.1V
3.15V
1.2V
2.92V
1.3V
2.64V
1.4V
2.48V
Comparador
Vout
5.33V
5.33V
5.33V
5.33V
0V
Sumador
Vout
1.76V
1.33V
0.82V
0.24V
-0.12V
Multiplicador
Vout
4V
4V
3.4V
1V
0.9V
Figura 2.8. Forma de onda a la salida del multiplicador. Vout = 4 V.
Ya que se observó el funcionamiento del bloque del multiplicador, se sustituyó la señal sinusoidal que entraba al
multiplicador por una señal rectificada de C.A que proviene de la línea eléctrica (figura 2.9), de esta forma se
obtiene la señal que requiere el PFC para lograr su funcionamiento.
Figura 2.9. Forma de onda de la señal de entrada, Vpp=
1.5V
Figura 2.10. Forma de onda de la señal de salida del
multiplicador Vout = 60mV
Después de varias pruebas en el laboratorio se observó que la etapa de eliminación de offset era inestable, por lo
cual se diseño otra configuración con el mismo amplificador operacional. Además de que esta configuración es
más estable que la anterior, la señal de salida no esta invertida con respecto a la de entrada, sin embargo el voltaje
todavía es muy pequeño por lo cual también es necesario agregar un TL081 en configuración no inversor a la
salida para que amplifique la señal. Figura 2.11.
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Figura 2.11 Esquema del bloque multiplicador modificado.
II.3. Comparador de sensado de corriente y detector de corriente cero.
Para la realización del comparador de sensado de corriente se utilizó el circuito integrado LM111. En las pruebas
que se realizaron se comparó la señal obtenida a la salida del multiplicador con una señal cuadrada (para las
pruebas la frecuencia de la señal fue de 100MHz), de esta forma se trata de simular la señal que genera el
MOSFET.
II.3.1. Resultados
El esquema que se desarrolló se presenta en la figura 2.12.
Figura 2.12. Comparador de sensado de corriente.
De esta forma las dos señales son comparadas por el circuito integrado LM111, como se observa en la figura 2.13
y 2.14.
Figura 2.13 Forma de onda de la señal de salida del
comparador de sensado de corriente.
Figura 2.14. Formas de onda de la señal de salida del
comparador de sensado de corriente y señal a la salida del
multiplicador
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En la figura 2.15 se muestra la señal de salida y la señal que viene del multiplicador. Para el detector de corriente
cero se utilizó el mismo comparador (LM111), y la misma configuración que en el circuito anterior, figura 2.16
Figura 2.15. Detector de corriente cero.
Figura 2.16.Forma de onda de la señal a la salida del
detector de corriente cero.
Figura 2.17. Bloque multiplicador, comparador de sensado de corriente y detector de corriente cero.
III. Convertidor CD/CD Boost con PFC MC33262
Después de diseñar y realizar el sistema de PFC, fue necesario diseñar un convertidor de CA/CD en el cual se pudiera
probar el circuito, además, de esta forma también se pudo comparar los resultados que se obtienen al utilizar el circuito
integrado MC34262 y el PFC que se desarrollo. El convertidor que se realizó para las pruebas fue un convertidor
Boost con un voltaje de salida de 35 V. A continuación se presentan los cálculos que se realizaron para la validación
del sistema propuesto.
III.1 Diseño del convertidor
A continuación se presenta el circuito con los valores finales para su armado:
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Figura 3.1. Convertidor Boost con PFC.
III.2 Resultados del convertidor Boost con el MC33262
El voltaje de salida que se obtuvo fue de 28 V, la forma de onda de las señales se muestran a continuación:
Figura 3.2. Forma de onda de la señal de
corriente de entrada sin PFC.
Figura 3.3 Forma de onda de la señal de
corriente de entrada con PFC, Vo = 28V.
IV. Resultados del prototipo de PFC conectado al convertidor CD/CD Boost.
Después de haber probado el convertidor Boost se sustituyo el circuito integrado MC33262 por el prototipo que se
diseño. El voltaje de salida obtenido fue Vo = 38.1 V con una carga de 440 Ω. En la figura 4.1 se presenta la
forma en que se conecto el circuito.
Figura 4.2. Esquema de conexión del prototipo.
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En las siguientes Figuras de Muestran los resultados obtenidos de la conexión del prototipo en una topología elevadora
y se usa como patrón de comparación los resultados obtenidos con el circuito integrado MC33262, para lo cual se
puede apreciar que el resultado es optimo.
Figura 4.2. Forma de onda de la señal
del comparador de sensado de
corriente, V = 1.6Vpp.
Figura 4.3. Forma de onda de la señal
del detector de corriente cero,
V = 1.8Vpp
Figura 4.4. Forma de onda de la señal de
salida del drive output.
Figura 4.5. Forma de onda de la señal de
corriente de entrada , V = 4Vpp.
Figura 4.6. Forma de onda de la señal de
corriente de entrada.
Figura 4.7. Prototipo en Protoboard
V. Conclusiones
De los resultados obtenidos tanto de laboratorio como de simulaciones, se puede concluir que el prototipo propuesto
esta trabajando en forma adecuada, y solo restaría realizar pruebas de robustez y eficiencia en su utilización con
convertidores de CA/CD, para lo cual se esta trabajando en su integración al prototipo realizado en el proyecto de
investigación CGPI-2003114 (Febrero-2003 a Marzo-2004). El prototipo que se ha desarrollado no cuenta con varios
de los circuitos de protección que tienen algunos circuitos integrados como el MC33262, sin embargo en el desarrollo
de la investigación se encontró que estos no influyen en el funcionamiento del corrector de factor de potencia.
El desarrollo de una tarjeta experimental que se tiene destinada para su integración a topologías CD/CD permitirá que
los resultados obtenidos en este proyecto puedan ser aplicados en la propuesta de proyecto para el periodo enero 2006
diciembre 2006 CGPI-20060686 el cual consiste en probar el hardware en dos topologías CD/CD para su aplicación en
sistemas de iluminación, lo que permitirá continuar con la investigación de sistemas que permita la mayor eficiencia y
el mejor aprovechamiento de la energía.
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VI. Productos
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Se esta trabajando en la integración de una prototipo experimental con aplicación a los alumnos del 7º y 8º
Semestre de la carrera de Ingeniería en Comunicaciones y Electronica.
Se esta desarrollando tarjeta experimental (Hardware) para su integración a topologías CD/CD.
Se tuvo a cargo un alumno PIFI de 8 Semestre en el transcurso de la investigación.
Desarrollo de notas académicas “Probabilidad para ingenieros”
Desarrollo de notas académicas “Notas de diseño de fuentes conmutadas (en preparación)
Se presento articulo de investigación “Simulación y Diseño de Multiplicador Analógico para su
Integración en un esquema PFC” en 4° CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA
ELECTROMECÁNICA Y DE SISTEMAS, el cual se celebro el 14 al 18 de Noviembre del año 2005
Se mando propuesta de artículo de investigación “Pspice Simulation of a PFC System Integrated for
Discrete Elements” con creditos al IPN, al Congreso Internacional de Electronica de Potencia CIEP-2006 que
se realizara en la universidad de las Americas (UDLAP) del 16 al 18 de Octubre en la ciudad de Puebla
Se mando propuesta de articulo de investigación “Análisis y Diseño de subsistema Multiplicador Analógico
para su Integración en un esquema convertidor CD/CD-PFC”con créditos al IPN, al congreso
ANDESCOM-2006 que se realizara en la ciudad de Venezuela en Septiembre de 2006
VII. Bibliografía
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Rashid H. Muhammad. Electrónica de Potencia. Circuitos, dispositivos y aplicaciones. 2nda. Edición. México.
Ed. Pearson. 1995.
Fundamentals of Power Electronics, Robert W. Erickson, Dragan Maksimovic; 2nd Edition Kluwer Academic
Publishers USA 2001.
Power Electronics Handbook, Muhammad H. Rashid; 1st edition Academic Press, Canada 2001
Power Supply Cookbook. Marty Brown. Estados Unidos de América. Ed. Butterworth Heinemann. 1994.
Hojas de datos de circuitos integrados: MC33262, Motorola 1996; FAN7527B, Fairchild 2002; MC1495,
Motorola 2000; LM111, National Semiconductor 2001.
Design of Power Factor Correction Circuito Using Greenline Compact Power Factor Controller MC33260,
Application note AND8016/D, http://www.onsemi.com/
90 W. Universal Input, Single stage, PFC Converter, Application note AND8124/D, http://www.onsemi.com/
Design of Power Factor Correction Circuit Using FAN7527B, Application Note AN4121,
www.fairchildsemi.com
500W Power-Factor-Corrected (PFC) Converter Design with FAN4810, Application Note 6004,
www.fairchildsemi.com
FAN4822 Power Factor Correction With Zero Voltage Resonant Switching, Application Note 42032,
www.fairchildsemi.com
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