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Problemas Elecrónica Industrial Aplicada: Fuentes Conmutadas
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR. DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
RELACIÓN DE PROBLEMAS: ELECTRÓNICA INDUSTRIAL APLICADA. FUENTES
DE ALIMENTACIÓN CONMUTADAS. (Revisión:09 de agosto de 2017)
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El alumno deberá de entregar como trabajo de casa los apartado de cálculo y simulación
SFC1 aSFC4 y como optativo el SFC5-SFC6
Es aconsejable utilizar para aclarar los conceptos el tutorialjava de la página
http://www.ipes.ethz.ch
1.Sea en convertidor directo de la figura. Datos: Periodo de 10mseg, Vg de200v, V0 de 50v R de 0.5v y L de
7.5mH. a.- Calcula ton y toff b.- dibuja la forma de onda en extremos de la bobina c.- determina el valor de Intensidad
máxima y mínima por el diodo d.- Corriente media a traves de diodo.
Solución: 2.5ms, 7.5ms, 125Amp, 75Amp, 75 Amp.
2.- .- Sean los parámeros del convertidor cc-cc reductor con Ve=50v; D=0.4; L=400H; c=100F; f=20Khz; R=20.
Suponiendo componentes ideales calcular la tensión de salida, la corriente max y min. Por la L y el rizado de la tensión
de salida ( Ref. 1)
3.- Diseñar un convertidor reductor que genere una tensión de salida de 18 voltios sobre una resistencia de carga de
10. El rizado de la tensión de salida no debe superafr el 0.5% (Vo/Vo). Se utiliza una fuente de continua de 48
voltios. Realizar el diseño para que la bobina opere en corriente permanente, 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 por la
bobina y condensador ( Ref 1)
4.Sea el convertidor directo de la figura ( buck chopper), que alimenta a una carga de 12v/6Ohm. Desde una
fuente de 30 v. La corriente en el inductor es continuada y la frecuencia de funcionamiento es de 5Khz.
a.- Determina el valor del ciclo de trabajo ( formas de
onda de il,is,id,Vl1)
b.- Mínimo valor de L requerido
c.- Mínimo y máximo valor de il si L=1.5 mH.
d.- Potencia de la fuente
e.- Potencia en la carga.
Solucion: a:0.4, b: 0.36mH c: 1.52 Amp, 2.48A d: 24w
e: 24W. (Ref.2)
5.-Sea un convertidor cc-cc reductor con los siguientes datos: Ve=24v; L=200H; R=20 ; C=1000F; f=10Khz;
D=0.4. Demostar que la corriente es discontinua. Determinar la tensión de salida.(Ref.1)
6.Sea un convertidor directo que opera a 10Khz y que alimenta una carga de 12v/100W. Desde una fuente
primaria de 20v. Encontrar: a.- Inductancia crítica b.- Rizado de la Intensidad c.- valor de la capacidad para obtener un
rizado de tensión de 0.1v.
Solución: a: 0.028mH b: 16,66A c: 2080 microF. (Ref.2)
7.Sea el convertidor de la figura, que se usa para obtener
un voltaje negativo V0 desde una fuente positiva Vg. Datos:
V0=60v.; L=400microH; f=1Khz.
Determinar: a.- Expresar V0/Vg en función de ton/T y dibujare
la tensión en extremos de la bobina para VG= 40v., sabiendo
que el valor medio de la corriente por la bobina es de 100 Amp.
b.- Dibuja la corriente instantánea a través del transistor y del
diodo.
c.- Valor medio de la corriente por el transistor
d.- Calcula la corriente de salida
e.- Dibuja la corriente instantánea en extremos del condensador
solución: c:60Amp, d:40Amp. (Ref.2)
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8.- Con los datos del problerma 2 calcular el nuevo rizado de la tensión de salida cuando la resistencia equivalente serie
del condensador vale 0.5 y compare los resultados con los obtenidos en dicho ejemplo. (Ref.1)
9.- Sea el convertidor boost ( indirecto-elevador) de la figura en el que Vg= 40volt, V0=150v/25 0hm., L=200 microH,
T= 200 microseg.. Determinar: a.- Valor del ciclo de trabajo y formas de onda más importantes.
b.- Valor de Imax e Imin
c.- Corriente media por el diodo
d.- Valor eficaz de la corriente por la capacidad
e.- Inductancia crítica
f.-valor de la capacidad para obtener un rizado de tensión
de 0.5v.
Solución: 0.733, 7,83Amp,37.17Amp,
6Amp,10.87Amp.0.13mH,1760microF. (Ref.2)
10.- Sea el convertidor inverso ( buck-boost) que alimenta
a una carga resistiva de 100W/50v. desde una fuente
primaria de 35 v. teniendo en cuenta que T= 200 micros. Y
L=700 microH. Determinar:
a.- Ciclo de trabajo b.- Imax e Imin c.- Corriente media por
el interruptor de paso d.- corriente media por el diodo e.valor eficaz de la intensidad por la capacidad f.- Capacidad limite para obtener un rizado de 0,2 voltios pico pico.inductancia crítica.
Solución: 0.588, 1,92Amp, 7,8Amp, 2,86Amp, 2Amp, 2,63Amp, 1177microF, (Ref.2)
11.- Sea un convertidor Buck ( directo) que alimenta a una carga de 200w/30V. desde una fuente primaria de 40v. a una
frecuencia de 20Khz y con una inductancia de 10 microH.. Determinar:
a.- Resistencia de carga R , ¿ la corriente corriente en continuada o discontinua? B.- Ton c.- instante en el que se anula
la intensidad d.- corriente de pico en la inductancia e.- el valor limite de la capacidad para obtener un rizado de 0.1vpp
f.- valor de la tensión de salida para esta inductancia que hace que la corriente sea continuada.
Solución: 4,5 Ohm; ciclo=0.447; D2=0.596; Imax=22,36Amp; 1810 microF; 36,4v. (Ref.2)
12.- Comenta porqué en las consideraciones del calculo del filtro de salida de un convertidor directo, se toma que la
respuesta al escalón sea subamortiguada. ¿ que ocurrirá con la oscilación amortiguada y la amplitud del sobreimpulso?.
Dibuja las respuestas al escalon para diferentes valores de amortiguamiento y comenta los diferentes casos. ¿ Qué
valores son aceptables de factor de amortiguación? (Ref.6)
13.- Deducir el valor L y de C ( convertidor directo) partiendo de la respuesta deseada al escalón y del rizado máximo
permitido a la salida. ( Nota:¿ de que componentes esta formado el rizado de tensión a la salida? ¿Que consideraciones
de diseño se deben de tener en cuenta y por qué?) (Ref.6)
14.- Sea un filtro de salida de un convertidor directo. El conversor puede ser considerado como una fuente de tensión de
onda rectangular cuya frecuencia y ciclo de trabajo dependen del control del interruptor. La salida está constituida por
un filtro LC de segundo orden que atenua fuertemente las componentes de la frecuencia. La ondulación residual es
tanto menor cuanto mayor sea la atenuación del filtro a la frecuencia de conmutación. Teniendo en cuenta para el
dimensionado del filtro que: a.- La impedancia de la bobina a la frecuencia de conmutación debe ser mucho mayor que
la corespondiente al paralelo del condensador y de la carga . b.- Para que el rizado de corriente de la bobina sea
absorvido por el condensador y no se desvie hacia la carga convirtiendose en rizado de tensión debe de cumplirse.
Zc( jw)
f  fs
 1
jwc
 Rc  R
Determinar el valor de los elementos del filtro de salida con las siguientes características: fs=50KHz, V0=25v ,
Io=5Amp, Vi=50v. ( despreciar en primera aproximación la resistencia parásita del condensador). Determinar el rizado
pico a pico. ( Nota Sugerencia: * Tomar un factor 10 veces superior al valor mínimo de L y C. * Calcular la frecuencia
de resonancia y la atenuación para la frecuencia de conmutación) (Ref.5)
15.- Determinar para el problema anterior ¿ como tendriamos que elegir L y C? para obtener un rizado de 1% de Vo.
(Ref.6)
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16.- Suponiendo ahora el criterio de calcular el rizado asumiendo que la capacidad del condensador es lo
suficientemente elevada, como para poder considerar constante la corriente de salida.Determinar el rizado pico a pico a
la salida. ¿ que conclusiones se obtienen de esta expresión?. Tomando el ejemplo nanterior determinar ahora el valor del
rizado pico a pico. ¿ que ocurre?.
Simulación de fuente con Pspice:
SFC_1.- Simulación Hart (Ref.1) pg.240 Convertidor reductor ideal ( bckideal.cir). Calcula teoricamente el circuito y
comprueba con la simulación.
SFC_2.- Simulación Hart (Ref.1) pg.241Regulador reductor no ideal ( bucknon.cir). Calcula teoricamente el circuito y
comprueba con la simulación.
SFC_3.- Simulación Hart (Ref.1) pg.245Convertidor reductor promediado ( buckavg.cir). Calcula teoricamente el
circuito y comprueba con la simulación.
SFC_4.- Simulación Hart (Ref.1) Comprende y estudia el ejemplo 7.9 de Hart (pj 304) sobre el diseño de un
amplificador de error compensado y comprueba medainte simulación utilizando como referencia la simulación d ela
página 300 del bucle de control de un convertidor
SFC_5.- Simulación de Mohan nº 55 ( Forward Converter-Feedback Compensation). Fichero FOR_CNTL.CIR
( realizar los diferentes pasos del enunciado y además observar la señal de ataque al transistor y deducir el ciclo de
trabajo, la intensidad por la bobina Imax e Imin y aquellas formas de onda que estimes conveniente para la mejor
comprensión y explicación del problema.). (Ref.6)
SFC_6.- Simulación Ang, Simon ( Ref.3) 5.2 y 5.3
Referencias bibliográficas:
1.
Hart. ELECTRÓNICA DE POTENCIA. Prentice hall
2.
Fisher, M. J. POWER ELECTRONICS. PWS-Kent. 1991.
3.
Ang, Simon S. “POWER-SWITCHING CONVERTERS”. Board. 1995.
4.
Lee, Yim-Shu. COMPUTER-AIDED ANALYSIS AND DESIGN OF SWITCH-MODE POWER
SUPPLIES. Board. 1993.
5.
G. Carcer á y otros. CONVERSORES CONMUTADOS: CIRCUITOS DE POTENCIA Y CONTROL. U.P.V
SPUPV 98.122
6.
Muñoz, J.L; Hernandez,J; SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN CONMUTADOS. Paraninfo.
7.
N. Mohan; POWER ELECTRONICS: COMPUTER SIMULATION ANALYSIS AND EDUCATION USING
PSPICE. Minesota power electronics research & education.+
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