Upload
trinhthuan
View
228
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
Álvaro Baceiredo Ramos
DISEÑO Y REALIZACIÓN DE UN CARGADOR
DE BATERÍAS PARA LA ALIMENTACIÓN DE UNA
ESTACIÓN METEOROLÓGICA AUTÓNOMA
TRABAJO DE FIN DE GRADO
dirigido por el Dr. Hugo Valderrama Blavi
Grado en Ingeniería Eléctrica
Tarragona Septiembre 2016
Para mi familia, pareja, amigos y compañeros en general,
para mis abus en particular.
ÍNDICE
[Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para la
Alimentación de una Estación Meteorológica Autónoma]
AUTOR: Álvaro Baceiredo Ramos
DIRECTOR: Hugo Valderrama Blavi
Septiembre 2016
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Índice
1
Índice
1. MEMORIA
1.1. OBJETO ............................................................................................................... 7
1.2. ALCANCE ........................................................................................................... 7
1.3. REFERENCIAS .................................................................................................. 8
1.3.1. Bibliografía ............................................................................................... 8
1.3.2. Programas Informáticos .......................................................................... 8
1.3.3. Plan de Gestión de la Calidad Aplicada durante la Redacción .............. 8
1.3.4. Otras Referencias ..................................................................................... 9
1.4. ABREVIATURAS ............................................................................................... 9
1.5. SÍNTESIS DEL SISTEMA ................................................................................. 10
1.5.1. Descripción y Funcionamiento del Sistema ............................................ 10
1.5.2. Previsión de Consumo del Sistema .......................................................... 11
1.5.3. Elección de la Batería .............................................................................. 13
1.5.3.1. Especificaciones ................................................................................ 13
1.5.3.2. Selección de la Batería ...................................................................... 13
1.5.4. Descripción de la Fuente de Alimentación ............................................. 14
1.5.4.1. Bloque de Transformación y Rectificación ....................................... 14
1.5.4.2. Introducción al Cargador: Especificaciones .................................... 16
1.6. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL CARGADOR ................................... 17
1.6.1. Estado del Arte ......................................................................................... 17
1.6.1.1. Etapa PFC (Corrector del Factor de Potencia) ............................... 17
1.6.1.1.1. Estructuras PFC ......................................................................... 18
1.6.1.1.2. Concepto de Loss Free Resistor (LFR) ...................................... 18
1.6.1.1.3. Convertidor seleccionado como LFR ........................................ 19
1.6.1.2. Etapa Reductora ................................................................................ 20
1.6.2. Estudio de las Etapas Empleadas ............................................................ 21
1.6.2.1. Estudio del Convertidor Boost .......................................................... 21
1.6.2.1.1. Estados de Conducción del Convertidor Boost ......................... 21
1.6.2.1.2. Modelización en Régimen Estático del Convertidor Boost ....... 22
1.6.2.1.3. Análisis del Control del Convertidor Boost ............................... 25 1.6.2.1.3.1. Introducción al Control en Modo Deslizante ............................... 25
1.6.2.1.3.2. Superficie de Deslizamiento ........................................................ 26
1.6.2.1.3.3. Dinámica de Deslizamiento Ideal ................................................ 27
1.6.2.1.3.4. Control Equivalente ..................................................................... 27
1.6.2.1.3.5. Punto de Equilibrio. ..................................................................... 28
1.6.2.1.3.6. Cálculo de la Planta H1(s) ............................................................ 29
1.6.2.1.3.7. Obtención de los Márgenes de Estabilidad en Lazo Cerrado ...... 32
1.6.2.2. Estudio del Convertidor Buck ........................................................... 35
1.6.2.2.1. Estados de Conducción del Convertidor Buck........................... 35
1.6.2.2.2. Modelización en Régimen Estático del Convertidor Buck ........ 36
1.6.2.2.3. Análisis del Control del Convertidor Buck ................................ 38 1.6.2.2.3.1. Introducción al Control en Modo Deslizante ............................... 39
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Índice
2
1.6.2.2.3.2. Superficie de Deslizamiento ........................................................ 39
1.6.2.2.3.3. Dinámica de Deslizamiento Ideal ................................................ 40
1.6.2.2.3.4. Control Equivalente ..................................................................... 41
1.6.2.2.3.5. Punto de Equilibrio. ..................................................................... 41
1.6.2.2.3.6. Cálculo de la Planta H2(s) ............................................................ 42
1.6.2.2.3.7. Obtención de los Márgenes de Estabilidad en Lazo Cerrado ...... 43
1.6.3. Diseño de los Principales Componentes de la Etapa de Potencia .......... 45
1.6.3.1. Inductores .......................................................................................... 45
1.6.3.1.1. Inductor del Boost ...................................................................... 45
1.6.3.1.2. Inductor del Buck ....................................................................... 47
1.6.3.2. Condensadores .................................................................................. 49
1.6.3.2.1. Condensador de Entrada del Cargador ...................................... 49
1.6.3.2.2. Condensador Intermedio (Cm) ................................................... 49
1.6.3.2.3. Condensador de Salida del Cargador ......................................... 50
1.6.3.3. Transistores MOSFETs ..................................................................... 51
1.6.3.4. Diodos de Potencia ........................................................................... 53
1.6.3.5. Diodo Rectificador ............................................................................ 53
1.6.3.6. Disipador ........................................................................................... 53
1.6.4. Diseño de las PCBs del Cargador ............................................................ 56
1.6.4.1. Etapa de Potencia ............................................................................. 57
1.6.4.1.1. Sensado de Corriente ................................................................. 58
1.6.4.1.2. Sensado de Tensión ................................................................... 60
1.6.4.1.3. Drivers ....................................................................................... 60 1.6.4.1.3.1. Driver Boost ................................................................................. 61
1.6.4.1.3.2. Driver Buck .................................................................................. 61
1.6.4.1.4. Fuente de Alimentación +5 VDC ................................................ 63
1.6.4.1.5. Componentes Adicionales del Boost ......................................... 63
1.6.4.2. Etapa de Control ............................................................................... 64
1.6.4.2.1. Circuito de Control_1: Fuente de Alimentación ±15 VDC ......... 65
1.6.4.2.2. Circuito de Control_2: Control del Boost .................................. 66 1.6.4.2.2.1. Bloque del Compensador Proporcional-Integral (PI_1) .............. 66
1.6.4.2.2.2. Notch Filter ................................................................................. 69
1.6.4.2.2.3. Obtención de K1=G*Vg ............................................................... 71
1.6.4.2.2.4. Obtención y Regulación de los Valores de Histéresis (delta1) .... 73
1.6.4.2.2.5. Obtención de los Límites de la Superficie de Deslizamiento ...... 74
1.6.4.2.2.6. Amplificación Corriente Sensada (iL1_sens→ iL1_comp) ........ 74
1.6.4.2.2.7. Comparación con los Límites de Superficie y Báscula J-K ......... 75
1.6.4.2.3. Circuito de Control_3: Control del Buck ................................... 76 1.6.4.2.3.1. Bloque del Compensador Proporcional-Integral (PI_2) .............. 76
1.6.4.2.3.2. Obtención de K2 ........................................................................... 79
1.6.4.2.3.3. Obtención y Regulación de los Valores de Histéresis (delta2) .... 80
1.6.4.2.3.4. Obtención de los Límites de la Superficie de Deslizamiento ...... 81
1.6.4.2.3.5. Amplificación Corriente Sensada (iL2_sens→ iL2_comp) ......... 81
1.6.4.2.3.6. Comparación con los Límites de Superficie y Báscula J-K ......... 82
1.7. SIMULACIONES ................................................................................................ 84
1.8. PRUEBAS EXPERIMENTALES ...................................................................... 89 1.8.1. Introducción ........................................................................................................ 89
1.8.2. Experimental Set Up ........................................................................................... 90
1.8.3. Sistema en Lazo Abierto con Alimentación DC y Carga Resistiva ................... 91
1.8.4. Sistema en Lazo Cerrado con Alimentación DC y Carga Resistiva .................. 92
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Índice
3
1.8.5. Sistema en Lazo Cerrado con Alimentación AC y Carga Resistiva .................. 94
1.9. CONCLUSIONES Y FUTUROS ESTUDIOS .................................................. 100
1.10. ORDEN DE PRIORIDAD DE LOS DOCUMENTOS BÁSICOS ................ 101
2. PLANOS
PLANO 1. Schematic de la Etapa de Potencia
PLANO 2. Schematic de la Etapa de Control I
PLANO 3. Schematic de la Etapa de Control II
PLANO 4. Schematic de la Etapa de Control III
PLANO 5. Schematic de la Etapa de Control IV
PLANO 6. Schematic de la Etapa de Control V
PLANO 7. Componentes de la Etapa de Potencia
PLANO 8. Componentes de la Etapa de Control
PLANO 9. Pistas TOP de la Etapa de Potencia
PLANO 10. Pistas BOT de la Etapa de Potencia
PLANO 11. Pistas TOP de la Etapa de Control
PLANO 12. Pistas BOT de la Etapa de Control
3. MEDICIONES
3.1. MEDICIONES ..................................................................................................... 104
Capítulo C_01: Bloque de Transformación y Rectificación ............................ 104
Capítulo C_02: Etapa de Potencia .................................................................... 104
Capítulo C_03: Etapa de Control ...................................................................... 109
Capítulo C_04: Otros ......................................................................................... 115
Capítulo C_05: Mano de Obra .......................................................................... 116
4. PRESUPUESTO
4.1. LISTADO DE PRECIOS UNITARIOS ............................................................ 118
4.2. PRESUPUESTO .................................................................................................. 121
Capítulo C_01: Bloque de Transformación y Rectificación ............................ 121
Capítulo C_02: Etapa de Potencia .................................................................... 121
Capítulo C_03: Etapa de Control ...................................................................... 125
Capítulo C_04: Otros ......................................................................................... 130
Capítulo C_05: Mano de Obra .......................................................................... 131
4.3. RESUMEN DEL PRESUPUESTO .................................................................... 132
5. PLIEGO DE CONDICIONES
5.1. CONDICIONES ADMINISTRATIVAS ........................................................... 134
5.1.1. Condiciones Generales ............................................................................. 134
5.1.2. Normas, Permisos y Certificaciones ........................................................ 134
5.1.3. Descripción General del Montaje ............................................................ 134
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Índice
4
5.2. CONDICIONES ECONÓMICAS ..................................................................... 135
5.2.1. Precios ...................................................................................................... 135
5.2.2. Responsabilidades .................................................................................... 135
5.3. CONDICIONES FACULTATIVAS .................................................................. 135
5.3.1. Personal .................................................................................................... 135
5.3.2. Reconocimiento y Ensayos Previos ......................................................... 136
5.3.3. Materiales ................................................................................................. 136
5.3.3.1. Conductores Eléctricos ..................................................................... 136
5.3.3.2. Resistencias ....................................................................................... 137
5.3.3.3. Condensadores .................................................................................. 137
5.3.3.4. Inductores .......................................................................................... 138
5.3.3.5. Circuitos Integrados y Semiconductores ........................................... 138
5.3.3.6. Zócalos .............................................................................................. 138
5.3.3.7. Placas de Circuito Impreso ............................................................... 139
5.3.3.8. Interconexión de las Placas de Circuito Impreso ............................. 139
5.3.4. Condiciones de Ejecución ........................................................................ 139
5.3.4.1. Encargo y Compra de Material ......................................................... 139
5.3.4.2. Construcción de Inductores ............................................................... 139
5.3.4.3. Fabricación de Placas de Circuito Impreso ..................................... 139
5.3.4.4. Soldadura de Componentes ............................................................... 139
5.3.4.5. Ensayos, Verificaciones y Medidas ................................................... 140
5.3.5. Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión .......................................... 140
5.4. CONCLUSIONES ............................................................................................... 140
A. ANEXO
A.1. BATERÍAS .......................................................................................................... 142
A.1.1. Baterías de Plomo-Ácido ......................................................................... 142
A.1.2. Baterías basadas en Níquel ..................................................................... 144
A.1.2.1. Níquel-Hierro (NiFe) ........................................................................ 144
A.1.2.2. Níquel-Cadmio (NiCd) ...................................................................... 145
A.1.2.3. Níquel-Hidrógeno (NiH2) .................................................................. 145
A.1.2.4. Níquel-Hidruro Metálico (NiMH) ..................................................... 145
A.1.2.5. Níquel-Zinc (NiZn) ............................................................................ 145
A.1.3. Baterías de Ión de Litio ........................................................................... 146
A.1.3.1. Baterías de Oxido de Cobalto-Litio (LiCoO2) .................................. 147
A.1.3.2. Baterías de Óxido de Manganeso-Litio (LiMn2O4) .......................... 147
A.1.3.3. Batería de Fosfato de Hierro-Litio (LiFePO4) ................................. 147
A.1.3.4. Baterías de LiNiCoAlO2 .................................................................... 148
A.1.3.5. Baterías de Titanato-Litio (Li4Ti5O12) .............................................. 148
1. MEMORIA
[Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para la
Alimentación de una Estación Meteorológica Autónoma]
AUTOR: Álvaro Baceiredo Ramos
DIRECTOR: Hugo Valderrama Blavi
Septiembre 2016
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
5
Índice de la Memoria 1.1. OBJETO ............................................................................................................... 7
1.2. ALCANCE ........................................................................................................... 7
1.3. REFERENCIAS .................................................................................................. 8
1.3.1. Bibliografía ............................................................................................... 8
1.3.2. Programas Informáticos .......................................................................... 8
1.3.3. Plan de Gestión de la Calidad Aplicada durante la Redacción .............. 8
1.3.4. Otras Referencias ..................................................................................... 9
1.4. ABREVIATURAS ............................................................................................... 9
1.5. SÍNTESIS DEL SISTEMA ................................................................................. 10
1.5.1. Descripción y Funcionamiento del Sistema ............................................ 10
1.5.2. Previsión de Consumo del Sistema .......................................................... 11
1.5.3. Elección de la Batería .............................................................................. 13
1.5.3.1. Especificaciones ................................................................................ 13
1.5.3.2. Selección de la Batería ...................................................................... 13
1.5.4. Descripción de la Fuente de Alimentación ............................................. 14
1.5.4.1. Bloque de Transformación y Rectificación ....................................... 14
1.5.4.2. Introducción al Cargador: Especificaciones .................................... 16
1.6. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL CARGADOR ................................... 17
1.6.1. Estado del Arte ......................................................................................... 17
1.6.1.1. Etapa PFC (Corrector del Factor de Potencia) ............................... 17
1.6.1.1.1. Estructuras PFC ......................................................................... 18
1.6.1.1.2. Concepto de Loss Free Resistor (LFR) ...................................... 18
1.6.1.1.3. Convertidor seleccionado como LFR ........................................ 19
1.6.1.2. Etapa Reductora ................................................................................ 20
1.6.2. Estudio de las Etapas Empleadas ............................................................ 21
1.6.2.1. Estudio del Convertidor Boost .......................................................... 21
1.6.2.1.1. Estados de Conducción del Convertidor Boost ......................... 21
1.6.2.1.2. Modelización en Régimen Estático del Convertidor Boost ....... 22
1.6.2.1.3. Análisis del Control del Convertidor Boost ............................... 25 1.6.2.1.3.1. Introducción al Control en Modo Deslizante ............................... 25
1.6.2.1.3.2. Superficie de Deslizamiento ........................................................ 26
1.6.2.1.3.3. Dinámica de Deslizamiento Ideal ................................................ 27
1.6.2.1.3.4. Control Equivalente ..................................................................... 27
1.6.2.1.3.5. Punto de Equilibrio. ..................................................................... 28
1.6.2.1.3.6. Cálculo de la Planta H1(s) ............................................................ 29
1.6.2.1.3.7. Obtención de los Márgenes de Estabilidad en Lazo Cerrado ...... 32
1.6.2.2. Estudio del Convertidor Buck ........................................................... 35
1.6.2.2.1. Estados de Conducción del Convertidor Buck........................... 35
1.6.2.2.2. Modelización en Régimen Estático del Convertidor Buck ........ 36
1.6.2.2.3. Análisis del Control del Convertidor Buck ................................ 38 1.6.2.2.3.1. Introducción al Control en Modo Deslizante ............................... 39
1.6.2.2.3.2. Superficie de Deslizamiento ........................................................ 39
1.6.2.2.3.3. Dinámica de Deslizamiento Ideal ................................................ 40
1.6.2.2.3.4. Control Equivalente ..................................................................... 41
1.6.2.2.3.5. Punto de Equilibrio. ..................................................................... 41
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
6
1.6.2.2.3.6. Cálculo de la Planta H2(s) ............................................................ 42
1.6.2.2.3.7. Obtención de los Márgenes de Estabilidad en Lazo Cerrado ...... 43
1.6.3. Diseño de los Principales Componentes de la Etapa de Potencia .......... 45
1.6.3.1. Inductores .......................................................................................... 45
1.6.3.1.1. Inductor del Boost ...................................................................... 45
1.6.3.1.2. Inductor del Buck ....................................................................... 47
1.6.3.2. Condensadores .................................................................................. 49
1.6.3.2.1. Condensador de Entrada del Cargador ...................................... 49
1.6.3.2.2. Condensador Intermedio (Cm) ................................................... 49
1.6.3.2.3. Condensador de Salida del Cargador ......................................... 50
1.6.3.3. Transistores MOSFETs ..................................................................... 51
1.6.3.4. Diodos de Potencia ........................................................................... 53
1.6.3.5. Diodo Rectificador ............................................................................ 53
1.6.3.6. Disipador ........................................................................................... 53
1.6.4. Diseño de las PCBs del Cargador ............................................................ 56
1.6.4.1. Etapa de Potencia ............................................................................. 57
1.6.4.1.1. Sensado de Corriente ................................................................. 58
1.6.4.1.2. Sensado de Tensión ................................................................... 60
1.6.4.1.3. Drivers ....................................................................................... 60 1.6.4.1.3.1. Driver Boost ................................................................................. 61
1.6.4.1.3.2. Driver Buck .................................................................................. 61
1.6.4.1.4. Fuente de Alimentación +5 VDC ................................................ 63
1.6.4.1.5. Componentes Adicionales del Boost ......................................... 63
1.6.4.2. Etapa de Control ............................................................................... 64
1.6.4.2.1. Circuito de Control_1: Fuente de Alimentación ±15 VDC ......... 65
1.6.4.2.2. Circuito de Control_2: Control del Boost .................................. 66 1.6.4.2.2.1. Bloque del Compensador Proporcional-Integral (PI_1) .............. 66
1.6.4.2.2.2. Notch Filter ................................................................................. 69
1.6.4.2.2.3. Obtención de K1=G*Vg ............................................................... 71
1.6.4.2.2.4. Obtención y Regulación de los Valores de Histéresis (delta1) .... 73
1.6.4.2.2.5. Obtención de los Límites de la Superficie de Deslizamiento ...... 74
1.6.4.2.2.6. Amplificación Corriente Sensada (iL1_sens→ iL1_comp) ........ 74
1.6.4.2.2.7. Comparación con los Límites de Superficie y Báscula J-K ......... 75
1.6.4.2.3. Circuito de Control_3: Control del Buck ................................... 76 1.6.4.2.3.1. Bloque del Compensador Proporcional-Integral (PI_2) .............. 76
1.6.4.2.3.2. Obtención de K2 ........................................................................... 79
1.6.4.2.3.3. Obtención y Regulación de los Valores de Histéresis (delta2) .... 80
1.6.4.2.3.4. Obtención de los Límites de la Superficie de Deslizamiento ...... 81
1.6.4.2.3.5. Amplificación Corriente Sensada (iL2_sens→ iL2_comp) ......... 81
1.6.4.2.3.6. Comparación con los Límites de Superficie y Báscula J-K ......... 82
1.7. SIMULACIONES ................................................................................................ 84
1.8. PRUEBAS EXPERIMENTALES ...................................................................... 89 1.8.1. Introducción ........................................................................................................ 89
1.8.2. Experimental Set Up ........................................................................................... 90
1.8.3. Sistema en Lazo Abierto con Alimentación DC y Carga Resistiva ................... 91
1.8.4. Sistema en Lazo Cerrado con Alimentación DC y Carga Resistiva .................. 92
1.8.5. Sistema en Lazo Cerrado con Alimentación AC y Carga Resistiva .................. 94
1.9. CONCLUSIONES Y FUTUROS ESTUDIOS .................................................. 100
1.10. ORDEN DE PRIORIDAD DE LOS DOCUMENTOS BÁSICOS ................ 101
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
7
1.1. OBJETO
El objeto principal del presente proyecto es el diseño e implementación de un
primer prototipo experimental que permita realizar la carga de una batería que alimenta
una Estación Meteorológica Autónoma, en base a unos criterios de funcionalidad. Dicha
instalación será un elemento de gran utilidad para la toma y transmisión de datos de
diferentes variables meteorológicas en un emplazamiento concreto. El sistema se
proyectará bajo los siguientes requisitos de diseño:
i) La conexión a la red para realizar la carga de la batería, por toma de corriente
normalizada ( y ), tendrá lugar de forma semanal y durante un
periodo máximo de dos horas. Además, se deberá de garantizar una fiabilidad del
correcto funcionamiento del sistema durante una semana adicional.
ii) Se corregirá el factor de potencia con la finalidad de permitir que el sistema
visto por la red se comporte como una resistencia, dando lugar a un factor de
potencia cercano a la unidad.
Para llevar a cabo la implementación de la Fuente de Alimentación que permita
alimentar el sistema de acuerdo a los requisitos de diseño propuestos, asegurando un
correcto desempeño de todas las funciones de la Estación Meteorológica, se requiere de
un primer Bloque de Transformación y Rectificación, constituido por un transformador
y un puente de diodos, que adapte la señal de tensión procedente de la Red Eléctrica a
un valor apto para el Cargador.
Dicho Cargador estará basado en la conexión en cascada de una etapa PFC activa, que
se comportará como un Loss Free Resistor (LFR) transmitiendo idealmente la totalidad
de la potencia de entrada a su salida, y una posterior etapa reductora que deberá de
adaptar la tensión al valor requerido por la Batería, además de permitir la regulación de
la magnitud de la corriente de carga a valores comprendidos entre , así
como dejar de suministrar dicha corriente una vez la batería se halla completamente
cargada.
1.2. ALCANCE
El trabajo engloba un primer estudio del estado del arte de las diferentes estructuras que
pudieran emplearse, para determinar la topología más adecuada para la consecución del
objeto propuesto. Seguidamente, se analiza paralelamente de forma teórica y mediante
simulaciones, los modelos propuestos y sus respectivas estrategias de control,
permitiendo determinar la viabilidad técnica de éstos. Una vez conocido el modelo y los
diferentes componentes que conforman el sistema, se procede a su diseño y la posterior
implementación, con el propósito de validar el prototipo experimental y extraer
conclusiones.
Por tal de garantizar la mayor calidad, seguridad y eficiencia en el sistema, se definen
las condiciones administrativas que rigen la ejecución del prototipo. Asimismo, se tiene
en cuenta una correcta medición de los diferentes componentes empleados, permitiendo
beneficios relacionados con el aspecto económico.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
8
1.3. REFERENCIAS
En el presente apartado se enumeran los datos bibliográficos y recursos empleados para
la búsqueda de información necesaria para el desarrollo del proyecto.
1.3.1. Bibliografía
ERICKSON, Robert W., MAKSIMOVIC, Dragan. Fundamentals of Power Electronics. 2ª
Edición. Massachusetts: Kluwer Academic Publishers, 2001.
GIRAL, Roberto. Apunts de Teoria de Circuits II. Tarragona: ETSE URV, 2013-2014.
HART, Daniel W. Introducción a la Electrónica de Potencia. 1ª Edición. Madrid: PEARSON
Educación, 2001.
MAIXÉ, Javier. Apunts d’Electrònica de Potència. Tarragona: ETSE URV, 2014-2015.
OGATA, Katsuhiko. Ingeniería de Control Moderna. 1ª Edición. Madrid: PEARSON
Educación, 2010.
RASHID, Muhammad H. Electrónica de Potencia. Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones. 3ª
Edición. México: PEARSON Educación, 2004.
RECASENS, Mª Auxilio., GONZÁLEZ, José. Diseño de circuitos impresos con OrCAD
Capture y Layout v.9.2. 1ª Edición. Madrid: Paraninfo, 2002.
VALDERRAMA, Hugo. Apunts d’Electrònica de Potència. Tarragona: ETSE URV, 2015-
2016.
VALDERRAMA, Hugo. Apunts de Fonaments de Regulació Automàtica. Tarragona: ETSE
URV, 2014-2015.
1.3.2. Programas Informáticos
El programa informático empleado para obtener una primera aproximación del
comportamiento de los diferentes modelos circuitales es PSIM, versión 9.0.3, de
Powersim®
.
El programa informático empleado para diseñar los esquemas circuitales y las placas de
circuito impreso (PCBs) es OrCAD, versión 16.0, de Cadence Design Systems®
.
1.3.3. Plan de Gestión de la Calidad Aplicada durante la Redacción
Se sigue un Plan de Gestión de la Calidad para la elaboración del proyecto, con
el ánimo de garantizar la calidad tanto en la redacción como en la ejecución de la parte
experimental.
Se realizan comprobaciones periódicas, que consisten en contrastar los diferentes
documentos que componen el proyecto, así como verificar la concordancia que debe
existir entre ellos. Al concluirse la redacción del proyecto, los Documentos Básicos que
lo conforman serán revisados por el redactor, así como por el director del proyecto, el
Dr. Hugo Valderrama Blavi, profesor del Departament d’Enginyeria Elèctrica,
Electrònica i Automàtica (DEEEA) de la Universitat Rovira i Virgili.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
9
Referente a la parte práctica, ha sido supervisada por los responsables y técnicos del
Grup d’Automàtica i Electrònica Industrial (GAEI) de la Universitat Rovira i Virgili.
1.3.4. Otras Referencias
Seguidamente, se presenta una relación de información que ha sido consultada a lo largo
de la redacción del presente proyecto.
[1] ZAHINO, Edgar. Diseño e Implementación de un Corrector del Factor de Potencia con Baja
Capacidad de Salida. Directores: CID, À., MARCOS, A. Proyecto publicado en Enero de 2016.
[2] SINGER, S. Realization of Loss-Free Resistive Elements. IEEE Transactions on Circuits and Systems,
vol. 37, No. 1, January 1990.
[3] RIBES, Úrsula. Síntesis de Resistores Libres de Pérdidas. Directores: CID, À., MARTÍNEZ-
SALAMERO, L. Proyecto publicado en Junio de 2007.
[4] MARCOS, A., VIDAL, E., CID, A., MARTÍNEZ-SALEMRO, L. Loss-Free Resistor-Based Power
Factor Correction Using a Semi-Bridgeless Boost Rectifier in Sliding-Mode Control. IEEE Transactions
on Power Electronics, vol. 30, No. 10, October 2015.
[5] LEON, A., VALDERRAMA, H., BOSQUE, J.M., MARTÍNEZ-SALAMERO, L. A High-Voltage
SiC-Based Boost PFC for LED Applications. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, No. 2,
February 2016.
[6] HV Floating MOS-Gate Driver ICs. INTERNATIONAL RECTIFIER, Application Note AN-978.
[7] RODRÍGUEZ, Ezequiel. Estudi Comparatiu, Anàlisi i Realització de Circuits Inversors DC-AC,
derivats de la Connexió en Cascada de Dos Circuits Boost. Director: VALDERRAMA, H. Proyecto
publicado en Julio de 2016.
[8]: PADMANABHAN, Tattamangalam R. Industrial Instrumentation, Principles and Design. 1ª
Edición. Londres: Springer-Verlag, 2000.
[9]: BODETTO, M., EL AROUDI, A., CID, A., MARTÍNEZ-SALAMERO, L. High performance
hysteresis modulation technique for high-order PFC circuits. Electronics Letters, vol. 50, No. 2, January
2014.
[A1]: LINDEN, D., REDDY, T. Handbook of Batteries. 3ª Edición. Nueva York: McGraw-Hill, 2002.
[A2]: BUCHMANN, Isidor. Batteries in a Portable World. A Handbook on Rechargeable Batteries for
Non-engineers. 3ª Edición. Richmond: Cadex Electronics Inc., 2011.
1.4. ABREVIATURAS
AC: Alternating Current LFR: Loss Free Resistor
AGM: Absorbed Glass Mat OL: Open-Loop
BCM: Boundary Conduction Mode PCB: Printed Circuit Board
CCM: Continuous Conduction Mode PF: Power Factor
CL: Closed Loop PFC: Power Factor Correction
DC: Direct Current POPI: Power Output Power Input
DCM: Discontinuous Conduction Mode SMC: Sliding Mode Control
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
10
1.5. SÍNTESIS DEL SISTEMA
1.5.1. Descripción y Funcionamiento del Sistema
Primeramente, se muestra un diagrama de bloques donde se denominan y
relacionan los diferentes elementos que componen la Estación Meteorológica. Tal y
como puede observarse en la Figura 1, se sigue el modelo típico de un sistema de
adquisición y distribución de señales:
RED
ELÉCTRICA
BLOQUE DE
TRANSFORMACIÓN
Y RECTIFICACIÓN
ETAPA DE
POTENCIA
ETAPA DE
CONTROL
BATERÍA
INTEGRATE
SENSOR
SUITE
CONSOLE
TEMPORIZADOR
MÓDEM
REPETIDOR
CargadorVantage Vue
ALIMENTACIÓN CONTROL MEDICIÓN COMUNICACIÓN
7805
Figura 1. Diagrama de bloques de la Estación Meteorológica.
Representado el sistema, en la Tabla 1, se define la función que realizan cada uno de los
elementos constituyentes de la instalación:
Componente Descripción
Red Eléctrica Suministra energía eléctrica al sistema.
Bloque de
Transformación
y Rectificación
Compuesto por un transformador, que adapta la tensión alterna de la red a
un valor apto para el Cargador, y un puente de diodos que convierte la
parte negativa de la señal proveniente del secundario del transformador en
positiva.
Cargador
Acondiciona la tensión alterna rectificada a una tensión continua que
recibe la batería, a los niveles requeridos por los dispositivos electrónicos
que integran el sistema. Compuesto por dos PCBs (Etapa de Potencia y
Etapa de Control).
Batería Almacena la energía eléctrica necesaria para alimentar el sistema cuando
no es posible conectarse directamente a la Red Eléctrica.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
11
Vantage Vue®
Se denomina al conjunto de dispositivos que conforman el sistema de
adquisición y acondicionamiento de datos meteorológicos. Se trata de un
producto comercial en el que se distinguen dos partes claramente
diferenciables:
Integrate Sensor Suite: Se compone de una serie de sensores con sus
respectivos circuitos de acondicionamiento y amplificación. Dichos
sensores miden temperatura, humedad, presión atmosférica y
luminosidad.
Console: Dispone de puertos de entrada que permiten el procesamiento
de los datos recibidos de los sensores, y puertos de salida mediante los
que transmite los datos procesados al Módem. Debe de ser alimentada a
.
Módem Permite la comunicación entre el sistema y el usuario.
Repetidor
Dispositivo electrónico que recibe una señal débil o de bajo nivel y la
retransmite a una potencia o nivel más alto, de tal modo que pueden
cubrirse distancias más largas sin degradación o con una degradación
tolerable.
Temporizador
Digital
Producto comercial conocido como I-303 de la compañía Cebek®. Se trata
de un temporizador digital de 2 tiempos (ON y OFF), programables de
forma intuitiva mediante un pulsador, que incorpora un relé (que pudiera
sustituirse por uno diferente de menor consumo) que permite la activación
y desactivación del Módem y el Repetidor, en orden de reducir el
consumo del sistema.
Tabla 1. Elementos de la Estación Meteorológica.
1.5.2. Previsión de Consumo del Sistema
Conocida la función que realiza cada dispositivo que conforma la Estación
Meteorológica, se representa a grandes rasgos el conexionado del sistema, con el fin de
obtener una visión general de la arquitectura eléctrica de la instalación proyectada.
Etapa de
Potencia
Etapa de
Control
CARGADOR
BATERÍA
Console7805
Temporizador
Repetidor
Módem
Red
Eléctrica
Figura 2. Esquema eléctrico de la Estación Meteorológica.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
12
Tal y como se ha comentado anteriormente y se observa en la Figura 2, tanto el Módem
como el Repetidor únicamente se conectan durante la activación del relé del
Temporizador Digital. Dicha activación está programada durante un periodo de , tres
veces por día.
Establecido el tiempo de activación de los elementos que permiten la comunicación a
distancia entre el usuario y el sistema, en la Tabla 2 se calcula la previsión diaria y
semanal de consumo del sistema, en base a la instalación propuesta:
Carga
Corriente
Consumida
[mA]
Tiempo
[h]
Consumo Diario
[A·h]
Consumo
Semanal
[A·h]
7805+Console 30 24 0.72 5.04
Temporizador
Digital
10* 23 0.23 1.61
65** 3·0.33 0.65 4.55
Repetidor 350 3·0.33 0.35 2.45
Módem 350 3·0.33 0.35 2.45
Total diario:
2.30 Ah
Total diario:
16.10 Ah Notas:
* Corriente consumida por el Temporizador Digital con el relé desactivado (Tiempo OFF)
** Corriente consumida por el Temporizador Digital con el relé activado (Tiempo ON)
Tabla 2. Consumos diario y semanal de las diferentes cargas que componen el sistema.
De la forma que se ha determinado en el Apartado “1.1. Objeto” del presente
Documento Básico, uno de los requisitos de diseño del sistema exige que la carga de la
batería se realice de forma semanal y comprendida en un periodo máximo de dos horas.
En base a los resultados obtenidos de la Tabla 2, se proponen dos modalidades para
efectuar el proceso:
Modo 1 Carga a durante una hora
+ Carga a hasta que se complete el proceso de carga.
Modo 2 Carga constante a hasta que se complete el proceso de carga.
Así pues, la batería debe disponer de capacidad suficiente como para abastecer todos los
elementos que garantizan el correcto funcionamiento del sistema, además de asegurar
un margen predeterminado en caso de que la batería no pueda ser cargada en el
momento pertinente. Por otra parte, se diseña un cargador que permita regular la
corriente a la cual se cargará la batería, entre un rango de valores pretendidos para
realizar una carga rápida del sistema.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
13
1.5.3. Elección de la Batería
1.5.3.1. Especificaciones
Además de los requisitos de diseño impuestos que debe de cumplir la instalación
proyectada, la batería a instalar en el sistema está condicionada a otros factores, tales
como: larga vida útil (exenta de cualquier requerimiento de mantenimiento); bajo coste
(criterio fundamental debido a que la batería supone un alto porcentaje del precio final
del sistema); y reciclables en su totalidad, provocando el menor impacto posible en el
medio ambiente.
1.5.3.2. Selección de la Batería
Se realiza un estudio de diferentes tipos de baterías comerciales (véase Apartado
“A.1. Baterías” del Documento Básico Anexo) que sirve de base para la selección de la
batería, en función de las especificaciones que requiere el proyecto. Se elabora a modo
resumen la Tabla 3, donde aparecen las principales características de las baterías
consideradas.
Tecnología
Tensión
circuito
abierto
Tensión
nominal
Energía
específica
Densidad
energética
Potencia
específica
Temp. de
trabajo
Tasa de
auto-
descarga
Ciclo vida Precio
(VDC) (VDC) (Wh/kg) (Wh/L) (W/kg) (⁰C) (% por mes
@ 20ºC) (ciclos) (1-5)
Plomo-
acido 2.1 2.0 35 80 200 -20÷50 3 800 1
NiCd 1.35 1.20 35 80 260 -40÷60 10 1000 2÷3
NiFe 1.40 1.20 30 60 100 -10÷60 25 1000 3
NiZn 1.70 1.60 60 120 300 -20÷50 15 500 3
NiH2 1.50 1.20 55 60 100 -10÷30 60 2000 3
Ni-MH 1.35 1.20 65 220 850 -30÷65 30 900 3
LiCoO2 3÷4 3÷4 155 410 250÷340 -20÷60 2 600 2 LiNi1-xCoxO2 3÷4 3÷4 150 400 - -20÷45 <3.5 400 2
LiMn2O4 3÷4 3÷4 140 300 - -20÷60 <2.5 600 2
LiFePO4 3÷4 3÷4 90÷110 220 >300 -20÷60 - 2000 2
Tabla 3. Principales características de las baterías consideradas.
Seguidamente, se valoran los distintos tipos de batería con el fin de obtener el modelo
más adecuado para ser utilizado. Primeramente, se define el sistema como una
instalación de carácter “doméstico”, quedando descartadas las baterías basadas en
tecnología de níquel por diversos motivos. En segundo lugar, las baterías de Ión de Litio
presentan unos valores adecuados en todas las categorías, manteniendo además un
equilibrio entre ellas. Por tanto, por lo que a características técnicas refiere, son óptimas
para el sistema, concretamente las baterías de LiFePO4. Sin embargo, las baterías de
tipo AGM cumplen plenamente con los requisitos del sistema, además de ser
relativamente económicas. En las baterías AGM el ácido sulfúrico es absorbido por una
capa de fibra de vidrio comprimida, que reduce los problemas frente a posibles
derrames de ácido. Por tanto, se tratan de baterías mucho más seguras frente a
vibraciones y posibles roturas. Además, no necesitan ningún tipo de mantenimiento, su
resistencia interna es prácticamente nula (motivo por el cual presentan una recarga más
rápida y eficiente), y exhiben una tasa de auto-descarga muy baja. Por estos motivos, se
elige la tecnología AGM para este proyecto. Así pues, en base a las especificaciones
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
14
demandadas por el sistema proyectado, se decide instalar modelo comercial 6-CNFJ-55
de la compañía LEADCRYSTAL®
que presenta las siguientes características técnicas:
Capacidad 55 Ah
Tensión Nominal 12 V
Dimensiones
Altura 277 mm
Anchura 106 mm
Longitud 222 mm
Tipo de Terminal F3
Peso 18 kg
Rango de Temp. de Funcionamiento -40 ÷65 ºC
Curva del Ciclo de Vida (25 ºC)
Figura 3. Imagen de la batería 6-CNFJ-55 de la compañía LEADCRYSTAL® y principales características.
1.5.4. Descripción de la Fuente de Alimentación
Se define como Fuente de Alimentación el conjunto de bloques que convierten la
corriente alterna (proveniente de la Red Eléctrica) a una corriente continua apta para
realizar la carga de la Batería. La presente aplicación, tal y como se puede visualizar en
la Figura 4, está compuesta por dos bloques claramente diferenciables: el Bloque de
Transformación y Rectificación y el Cargador.
Rbat
+
_
vbat(t)
+
_
+
_
vg(t)
iAC(t)
vAC(t)=vp,trafo(t) +
_vbat,int(t)
ig(t) ibat(t)
Red
EléctricaBloque de Transformación
y RectificaciónCargador
Carga (Batería)
+
_
vs,trafo(t)
+
_
vm(t)Etapa
PFC
Etapa
Reductora
Fuente de Alimentación
is,trafo(t)Rtrafo
Figura 4. Bloque funcional de la Fuente de Alimentación, compuesta por el Bloque de Transformación y
Rectificación y el Cargador.
1.5.4.1. Bloque de Transformación y Rectificación
La tensión ( ) y la corriente ( ) provenientes de la Red Eléctrica pueden ser
descritas mediante las siguientes funciones ( ) y ( ):
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
15
Donde:
: Valor de pico de la tensión proveniente de la red, en .
: Pulsación de la red eléctrica, en .
( ): Corriente en el secundario del transformador, en .
( ) : Corriente de magnetización del transformador, en .
: Relación de transformación del transformador, definida en la expresión ( ).
Con el fin de reducir el valor de tensión proveniente de la red a un valor de tensión
adecuado para ser tratado, se recurre al uso de un transformador toroidal de núcleo
abierto (Figura 5.a) del fabricante RSPro® de potencia nominal . Este
tipo de transformador presenta como principales ventajas un menor tamaño y peso, en
comparación con los modelos laminados apilados convencionales. Está constituido por
cuatro bobinas de material conductor (devanados primarios dobles de y
devanados secundarios dobles de , que pueden ser conectados en serie o paralelo
de forma independiente), aislados entre sí eléctricamente, y enrollados sobre un mismo
núcleo de material ferromagnético. En la aplicación, con tal de obtener una tensión
se realiza una conexión en serie en el devanado primario, mientras
que para alcanzar una tensión de se conecta el devanado secundario en
paralelo. Mediante el conexionado propuesto (Figura 5.b), se obtiene la siguiente
relación de transformación :
( )
a) b)
115V
0 0
18V
115V
0 0
18V
+
_
Vp,trafo=230V
+
_Vs,trafo=18V
Ip Is
Figura 5. a) Imagen del transformador toroidal empleado; b) Esquema del conexionado del transformador
empleado para la aplicación.
Seguidamente, se utiliza un puente rectificador que consiste en cuatro diodos,
conectados dos en directa y dos en inversa (Figura 6.b). Su funcionamiento es sencillo,
cuando el voltaje es positivo, los diodos en directa (D1 y D2) conducen, siendo la
tensión de salida igual que la de entrada, y cuando el voltaje es negativo, los diodos en
inversa (D3 y D4) conducen, de forma que la tensión de entrada se invierte haciendo que
la tensión de salida sea positiva, completándose de este modo la rectificación de la señal
( ). Se elige el puente rectificador VS-GBPC2502A de la compañía Vishay® (Figura
6.a), que contiene los cuatro diodos en un solo componente, donde la caída de tensión
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
16
en cada uno de los diodos es . Dicho componente está formado por cuatro
terminales, dos para la entrada en alterna del transformador, uno la salida positiva y otro
para la masa.
a) b)
+
_vs,trafo(t)
+
_
vg(t)
D1
D2
D3
D4
Figura 6.a) Imagen del puente de diodos empleado; b) Representación del rectificador de onda completa.
Para obtener las señales de tensión ( ) y corriente ( ) en la salida del puente de
diodos (entrada del Cargador), presentadas en las expresiones ( ) y ( ), se debe de
considerar la caída en los diodos, además de la resistencia equivalente en serie de la
salida del transformador :
( ) (
) | ( )| ( )
( ) | ( )| ( )
Se deduce de la expresión ( ) que los valores de ( ) están definidos en el rango
( ) ( ⁄ ), debido a que el puente de diodos
imposibilita los valores negativos ( ). Destacar también que la pulsación
fundamental de la tensión de salida es , donde es la pulsación de la Red Eléctrica,
debido a que se originan dos periodos a la salida para cada periodo a la entrada.
1.5.4.2. Introducción al Cargador: Especificaciones
Para llevar a cabo la implementación del Cargador se emplea una etapa PFC
activa AC/DC y una etapa reductora en cascada. La etapa PFC presenta un
comportamiento de Resistor Libre de Pérdidas (LFR), transmitiendo idealmente la
totalidad de la potencia de entrada en el PFC a su salida (topología POPI→Power
Output=Power Input). En la práctica, existen pérdidas de conducción y conmutación
que deben de ser consideradas (véase Tabla 4). La etapa posterior corresponde a un
convertidor reductor que adapta la tensión al valor requerido por la batería, además de
permitir la regulación de la corriente de carga de la batería a valores comprendidos entre
los , así como dejar de suministrar dicha corriente una vez el control
detecta que la batería se halla completamente cargada.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
17
Ambas etapas de conmutación se efectúan a través de controles analógicos
independientes de corriente por histéresis mediante la técnica de control SMC. Este tipo
de control mantiene al convertidor funcionando en modo deslizante en torno al punto de
equilibrio de una de las variables de estado del sistema delimitado por unos márgenes
de histéresis.
Introducido el Cargador que se desea proyectar, las especificaciones a cumplir por la
etapa PFC y la etapa reductora, considerando que se suministra una corriente de carga
de la batería de 10 A (sistema trabajando a máxima potencia) son:
Especificaciones Etapa PFC Especificaciones Etapa Reductora
[ ]
[ ] fsw,2 *
* **
Notas:
* El rango de frecuencias de funcionamiento de la primera etapa (PFC) y de la segunda etapa (reductora) es variable.
** Tensión en bornes de la Batería cuando se halla completamente cargada (dicho parámetro puede ser regulado).
Tabla 4. Especificaciones del Cargador.
1.6. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL CARGADOR
1.6.1. Estado del Arte
Inicialmente, se introducirán diversos conceptos generales referidos a la etapa
PFC y la etapa reductora, necesarios para el diseño e implementación del Cargador.
1.6.1.1. Etapa PFC (Corrector del Factor de Potencia)
Para mostrar la necesidad de introducir un PFC en una aplicación donde existe
transferencia de potencia [1], es imprescindible conocer el significado de PF.
Por un lado, en los circuitos AC con carga lineal (resistencias, inductancias y
condensadores) la tensión y corriente presentan forma sinusoidal, dado que la tensión
proviene de la red como una onda periódica (de frecuencia ). Sin embargo,
dependiendo de la carga lineal (inductiva, capacitiva o resistiva pura), estas dos ondas
pueden estar en fase o no. El parámetro indica el desplazamiento angular en el
tiempo existente entre la onda de tensión ( ) y la onda de corriente ( )
suministradas por la red. En este caso, al considerarse la carga como lineal, los valores
de tensión y corriente no presentan armónicos que distorsionan la señal, pudiéndose
considerar que el factor de potencia es , cuyo rango de la valores se encuentra
entre . Interesa que el valor de sea lo más cercano posible a la
unidad, traduciéndose esto en un desfase nulo entre ambas señales, obteniendo un
mayor aprovechamiento de la energía.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
18
Por otro lado, los dispositivos de alta potencia como convertidores conmutados (caso
del presente proyecto) pueden propiciar distorsión en la onda de corriente de la red.
Dicha distorsión se genera por armónicos indeseables que aparecen en el espectro de
frecuencias de la corriente de la red, haciendo que tanto tensión como corriente no
cumplan su proporcionalidad (comportamiento no lineal de la carga). Si se considera
que la señal de tensión ( ) no contiene armónicos, el factor de potencia resultante
queda como: ( ⁄ ) . Se puede ver que el factor de potencia, no sólo
depende del , sino de otro parámetro debido a los armónicos de la corriente,
denominado factor de distorsión, que mide el ratio de diferencia entre el valor eficaz de
la componente fundamental de la corriente y su valor eficaz, donde el aumento del
número de armónicos, implica una señal de corriente de menos calidad y con mayor
distorsión.
Por tanto, la etapa PFC tiene como objetivo eliminar la distorsión propiciada por
armónicos indeseables de cargas no lineales y corregir el desfase que se pueda ocasionar
entre ( ) e ( ), donde el PFC ideal será aquel que otorgue a la carga un
comportamiento resistivo puro, logrando así proporcionalidad y misma fase entre ( )
e ( ).
1.6.1.1.1. Estructuras PFC
Hay dos tipos de arquitecturas de PFC que permiten ofrecer un comportamiento
resistivo respecto a la red. En primer lugar, la tipología PFC pasiva se constituye
mediante diferentes configuraciones de elementos pasivos (inductores y
condensadores), donde dicha función se realiza por la naturaleza propia almacenadora
de los elementos pasivos, sin emplear arquitecturas de control.
Pese a que se trata de estructuras de gran simplicidad, se concluye que un PFC pasivo
resulta poco funcional, motivo por el cual se decide emplear un PFC activo. Este tipo
de estructuras emplea, posterior a la rectificación, una etapa formada por un convertidor
DC/DC conmutado, donde se combinan elementos pasivos con semiconductores
(MOSFETs y diodos). Mediante leyes de control que provocan la conmutación del
elemento semiconductor y lazos de realimentación, se puede conseguir una regulación
precisa de la variable deseada. Esto implica una mayor complejidad en el diseño a causa
de la arquitectura externa de control (SMC, en el presente proyecto), sin embargo, se
consiguen altas prestaciones.
Volviendo a la idea de conseguir una etapa PFC capaz de dotar a la carga un carácter
resistivo respecto a la red (manteniendo la proporcionalidad y fase entre la tensión y la
corriente de la red), se introduce el concepto de LFR.
1.6.1.1.2. Concepto de Loss Free Resistor (LFR)
Este concepto [2] se define como un pre-regulador que visto desde la red, dota a la
carga un comportamiento muy próximo al resistivo, aprovechando de esta manera la
mayor transferencia de potencia. Al mismo tiempo, se consigue una proporcionalidad
entre la tensión y la intensidad de entrada, evitando el desfase de ambas señales. Sin
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
19
embargo, las resistencias producen pérdidas en forma de calor, motivo por el cual se
propone una resistencia artificial, constituida por una estructura circuital controlada y un
elemento almacenador de energía lineal. Según el control aplicado, dicha estructura
circuital se comporta como un elemento resistivo que transmite la energía absorbida al
elemento almacenador, y de allí a la salida, eliminando prácticamente las pérdidas.
La modelización ideal del LFR consiste en un bipuerto que presenta un resistor
(resistencia emulada o virtual) en el puerto de entrada y una fuente de potencia en el
puerto de salida, de forma que se transmite idealmente toda la potencia de entrada
absorbida por el resistor al puerto de salida (topología POPI). Además la resistencia
emulada, que por simple Ley de Ohm es la constante de proporcionalidad entre tensión
y corriente de entrada, puede ser controlada regulando así la transferencia de potencia
del puerto de entrada al de salida.
+
_
v1(t)
i1(t)
re(vcontrol)
p(t)= ____re
V12
i2(t)
+
_
v2(t)
vcontrol
Figura 7. Modelo del circuito equivalente del LFR.
1.6.1.1.3. Convertidor seleccionado como LFR
Varias estructuras de convertidores pueden ser sintetizadas con los principios del
LFR, dependiendo del control implementado para lograrlo y el modo de conducción del
convertidor [3]. Debido a la simplicidad y buenas prestaciones de regulación de tensión
se selecciona el convertidor Boost (Figura 8) como etapa PFC [4]. A este convertidor
se le sintetizará un comportamiento de LFR mediante un control analógico de corriente
por histéresis que trabaja a frecuencia variable.
+
_
vg(t)
+
_
L1
M1D1
<u1> Cm vm(t)
iL1(t)
Figura 8. Convertidor Boost seleccionado como etapa PFC.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
20
1.6.1.2. Etapa Reductora
Como etapa secundaria DC/DC previa a la carga de la batería, se debe de
comprender la existencia de alternativas a los convertidores conmutados reductores. Un
método para convertir una tensión continua a otra de valor inferior es utilizar el sencillo
circuito que se muestra en la Figura 9.
RL
+
_Vs
+ _VCE iL+
_Vo RL
+
_Vs
iL+
_Vo
Figura 9. Regulador lineal básico.
Este tipo de circuito se denomina convertidor DC/DC lineal o regulador lineal, donde
la tensión de salida , ajustando la corriente de base del transistor, puede ser
controlada en un rango comprendido entre 0 y , para compensar las variaciones de la
tensión de alimentación o las variaciones de la carga.
A la práctica, aunque se trata de una sencilla manera de reducir una tensión de
alimentación y regular la salida, la baja eficiencia de este circuito es una desventaja
importante en las aplicaciones de potencia, debido a las pérdidas en el transistor.
Una alternativa más eficiente al regulador lineal es el convertidor reductor (Buck),
una estructura simple y poco voluminosa, donde la relación entre la intensidad de
entrada y salida del convertidor es inversamente proporcional a la relación de sus
tensiones en estado estacionario. Es decir, se produce una elevación de la corriente de
salida respecto su corriente de entrada, hecho que favorece la velocidad de carga de la
batería, y además garantiza un rendimiento elevado en la etapa.
En la presente aplicación, no se requiere controlar la componente de tensión continua de
salida, sino permitir una regulación de la corriente de salida por parte del usuario
durante el periodo de carga de la batería. Además, el sistema debe de detectar cuando la
batería ha completado su carga e interrumpir el suministro de corriente. Mediante el
convertidor Buck seleccionado (Figura 10), la ley de control que modela la
conmutación del elemento semiconductor (MOSFET) y el lazo de realimentación, se
puede conseguir una regulación precisa de la variable deseada.
+
_
vm(t)
M2
D2
<u2> C2
+
_
vbat(t)
L2
iL2(t)
Figura 10. Convertidor Buck seleccionado como etapa reductora.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
21
1.6.2. Estudio de las Etapas Empleadas
En el presente apartado se lleva a cabo el análisis y modelización matemática de
la etapa Boost y la etapa Buck de forma independiente, según la solución adoptada.
Posteriormente, se realizan sendos estudios de control por deslizamiento propuestos que
otorgan el comportamiento pretendido al Cargador.
1.6.2.1. Estudio del Convertidor Boost
1.6.2.1.1. Estados de Conducción del Convertidor Boost
La arquitectura circuital en lazo abierto de la primera etapa (Boost) del cargador
presenta la configuración que se muestra en la Figura 11. Destacar, pese a que en la
salida del convertidor Boost se conectará la etapa reductora Buck (conexión en cascada),
para simplificar los cálculos se considera ésta segunda como una carga resistiva , en
lugar de un sumidero de potencia.
+
_
vg(t)
L1
M1D1
<u1> Cm Rm
+
_
vm(t)
iL1(t)
+ _vL1(t)
Figura 11. Esquema del convertidor Boost.
El convertidor Boost eleva la tensión de salida respecto la tensión de entrada mediante
los estados de conmutación introducidos por el control. La conmutación se realiza en
CCM, aunque ( ) en los instantes en que ( ) pasa por cero, debido a que el
valor de corriente de referencia debe de ser en todo momento proporcional a la tensión
de entrada, para implementar satisfactoriamente el comportamiento de LFR. En otras
palabras, existen pasos por cero en determinados instantes que pueden provocar la
pérdida momentánea del control. Sin embargo, dichos periodos de tiempo se tratan de
intervalos de tan corta duración que pueden ser considerados negligibles. Por tanto, se
concluye que la relación de tensiones de entrada y salida en estado estacionario es
equivalente a la expresión del convertidor Boost operando en CCM, donde
representa el ciclo de trabajo:
( )
Los semiconductores del circuito imponen al sistema dos estados de conducción, ON y
OFF, donde el período de conmutación del interruptor es la suma del tiempo de
ambos estados. Se define la variable de control ( ) para indicar el estado en que el que
se encuentra el sistema:
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
22
⟨ ⟩
⟨ ⟩
( )
En definitiva, esta función binaria se consigue mediante la señal de control externa
( ) que activa el transistor MOSFET, y por polarización propia del diodo. Para cada
estado del convertidor Boost se tiene la siguiente configuración:
Estado de Conducción ON:
+
_
vg(t)
L1
u1(t)=1
Cm
Rm
+
_
vm(t)
iL1(t)
vL1(t) D1
iCm(t)
iRm(t)
M1
Figura 12. Esquema del convertidor Boost en estado ON.
En estado ON, el control ( ) activa el transistor, cargándose de este modo la
bobina. La corriente pasa a través del transistor quedando el diodo polarizado en
inversa. Por tanto, en este estado de funcionamiento el condensador cede energía a la
carga.
Estado de Conducción OFF:
+
_
vg(t)
L1
D1
Cm
Rm
+
_
vm(t)
iL1(t)
+ _vL1(t)
u1(t)=0M1
iCm(t)
iRm(t)
Figura 13. Esquema del convertidor Boost en estado OFF.
En estado OFF, el control ( ) desactiva el transistor quedando en corte. Por otro
lado, el diodo se polariza en directa teniendo lugar la descarga de la bobina sobre el
condensador y la carga.
1.6.2.1.2. Modelización en Régimen Estático del Convertidor Boost
Para el sistema de estructura variable presentado, se asignan como variables de
estado la corriente en la bobina ( ) y la tensión en el condensador ( ) ( ).
Tal y como se ha comentado anteriormente, se considera que el convertidor opera en
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
23
CCM, presentando dos cambios topológicos durante un periodo de conmutación, que
son representados por medio de dos vectores de ecuaciones diferenciales lineales, una
para cada estado de conmutación, denominadas ecuaciones dinámicas.
De la Figura 12, se desprenden las ecuaciones dinámicas para el estado ON:
( ) ( ) ( ) ( )
( )
( )
( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( )
( )
( )
( )
( )
De la Figura 13, se obtienen las ecuaciones dinámicas para el estado OFF:
( ) ( ) ( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( )
( )
( )
( )
( )
Puede observarse que las ecuaciones dinámicas son de primer orden y presentan
linealidad, pudiéndose agrupar en sus correspondientes ecuaciones matriciales de
estado.
Estado de Conducción ON:
[ ( )
( )
]
[
] *
( )
( )
+ [
] [ ( )] ( )
Donde:
[
] [
] ( )
Estado de Conducción OFF:
[ ( )
( )
]
[
]
*
( )
( )
+ [
] [ ( )] ( )
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
24
Donde:
[
]
[
] ( )
A continuación, con el fin de obtener una expresión que sintetice ambos estados de
conducción, teniendo en cuenta que [ ( ) ( ( ))] , se define una nueva
ecuación matricial, denominada ecuación bilineal del sistema:
( ) [ ( ) ( )] ( ) [ ( ) ( )][ ( )] ( )
Siendo:
( ) Derivada del vector de estado
Matriz de estado
( ) Vector de estado
Matriz de entrada
( ) Vector de entrada
Simplificándose la expresión ( ), se obtiene:
( ) [ ( ) ( )] ( ) [ ( ) ( )] ( ) ( )
Sustituyéndose los valores de las matrices de estado y entrada que aparecen en la
ecuación bilineal simplificada ( ), se obtiene la representación bilineal ( ) del
convertidor Boost:
[ ( )
( )
]
[
( )
( )
]
*
( )
( )
+ [
] [ ( )] ( )
Desarrollando lo anterior, resultan las siguientes ecuaciones diferenciales:
( )
( )
( )
( ) ( )
( )
( )
( )
( ) ( )
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
25
1.6.2.1.3. Análisis del Control del Convertidor Boost
+
_
vg(t)
L1
M1D1
Cm Rm
+
_
vm(t)
Q
QS
R
_
_+
_+
X
+
+_
_ +
S1
S1
vm_REFCompensadorNotch
Filter
delta1
-delta1
g(t) gpre(t)
iL1(t)
vg(t)
vm(t)
k1(t)
PI_1
Figura 14. Esquema de Control propuesto para la Etapa PFC (Boost).
1.6.2.1.3.1. Introducción al Control en Modo Deslizante
a)
iL1(t)
k1(t)
0 D1Tsw1 Tsw1
k1(t)-delta1
k1(t)+delta1
k1(t)-delta1
k1(t)+delta1
vg(t)
L1
vg(t)-vm(t)
L1
t
S1(x)
D1Tsw1 Tsw1-delta1
+delta1
t
u1(t)
D1Tsw1 Tsw1t0
1
k1(t)
b)
c)
Figura 15. a) Gráfica del rizado de la corriente de conmutación en la bobina del Boost; b) Gráfica de la superficie de
deslizamiento con margen de histéresis; c) Gráfica de la lógica de control.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
26
La técnica de control SMC de estructura variable trata de fijar una variable de
estado del sistema o varias en una superficie o trayectoria del espacio de estados
( ), intentando delimitar esta superficie dentro de un rango de histéresis.
La conmutación de los interruptores tiene lugar cuando la variable de estado
seleccionada sobrepasa los límites de superficie, forzándola a evolucionar sobre ésta.
Dicha superficie induce un régimen deslizante sobre la variable controlada una vez
alcance la superficie y opere en torno a su punto de equilibrio, permaneciendo
inalterable a las variaciones en los parámetros de la planta y a las perturbaciones
externas, propiciando de este modo la reducción del orden del sistema.
Se ilustra de forma gráfica (Figura 15) la evolución de la variable de estado
seleccionada (corriente de entrada de la etapa Boost ( )), de la superfície y de la
lógica de control. Se aprecia que los cambios de estado en la superficie de deslizamiento
coinciden en sobrepasar los límites de histéresis.
1.6.2.1.3.2. Superficie de Deslizamiento
En esta primera etapa del cargador, se pretende sintetizar las propiedades de Loss Free
Resistor en un convertidor Boost mediante el control SMC. Recordar, que en un LFR
existe proporcionalidad entre la intensidad y la tensión de entrada, donde en base a este
hecho, se establece la siguiente superficie de deslizamiento, representada en ( ).
Destacar que, para conseguir una adecuada corrección del factor de potencia es
necesario lograr que la conductancia emulada ( ) asuma un valor continuo [5]. Por este
motivo se introduce un Notch Filter a la salida del compensador PI_1 que permite
eliminar la componente armónica principal de que causa la distorsión de ( )
(véase Apartado “1.6.4.2.2.2. Notch Filter” del presente Documento Básico para
ampliar la información acerca del filtro). El filtro propuesto consigue obtener una
( ) ( ) en todo el espacio temporal y frecuencial, exceptuando el ligero rizado
de . Por esta razón, a efectos de análisis, el Notch Filter se considera negligible.
( ) ( ) ( )
( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ∫ ( )
( ) ( )
Donde es la referencia de tensión intermedia del cargador, ( ) es la tensión
intermedia y ( ) es la tensión de entrada rectificada proveniente del puente de diodos.
La expresión ( ) en régimen permanente da como resultado ( ) y,
consecuentemente, la corriente del inductor es proporcional a la tensión de entrada
rectificada. El valor de la conductancia ( ) es el resultado de la acción del
compensador Proporcional-Integral.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
27
El análisis del control del Boost se llevará a cabo en dos etapas. En primer lugar, con el
fin de obtener una primera aproximación, se asumirán valores constantes en el tiempo
de la tensión de entrada (siendo ( ) ) y de la conductancia emulada (siendo ( )
). Posteriormente, se considerará la influencia del tiempo variando ( ) y ( ) como
señales de baja frecuencia superpuestas al valor de la constante correspondiente al punto
de equilibrio de los valores y .
1.6.2.1.3.3. Dinámica de Deslizamiento Ideal
El control por deslizamiento debe cumplir una serie de condiciones numéricas que
garantice la existencia de la superficie de deslizamiento sobre la cual se controla la
variable de estado deseada. Por ello, es de utilidad analizar la existencia del régimen de
deslizamiento a partir de la condición de transversalidad:
⟨ ( ) ( ) ( ) ( ) ( )⟩ ( )
Donde ( ) es el gradiente de la superficie de deslizamiento y para la obtención de
las matrices ( ) y ( ), se deben recordar las expresiones ( ) y ( ). De
esta forma, siendo:
( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
[
]
*
( )
( )
+
[ ( )
( )
]
( )
Se procede:
⟨ ( ) ( ) ( ) ( ) ( )⟩ ( )
[ ( )
( )
]
( )
( )
En ( ) se verifica la condición de transversalidad, por tanto, el control equivalente
existirá de forma incondicional dado que ( ) , siendo posible desarrollar la
superficie de deslizamiento deseada.
1.6.2.1.3.4. Control Equivalente
Si se considera que la frecuencia de la tensión de entrada y las variaciones del
valor de conductancia emulada son considerablemente inferiores a la frecuencia de
conmutación, puede suponerse de este modo que . Consecuentemente:
( ) ( )
Aplicando las condiciones de invariancia ( ) y ( ) en ( ), se
obtiene:
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
28
( ) ( ) ( )
( )
( )
( )
( )
Aislando ( ) en la expresión anterior se obtiene el control equivalente :
( )
Ahora, la variable de control ( ) es sustituida por la variable que toma valores
comprendidos entre: .
1.6.2.1.3.5. Punto de Equilibrio
Conocido el valor del control equivalente , se trata de obtener el punto de
equilibrio de las variables de estado en torno a los que se desarrolla la superficie de
deslizamiento.
Volviendo a las expresiones ( ) y ( ) donde aún se encuentra la variable de control
( ), se sustituye dicho control por que asegura la superficie de conmutación. Se
tiene:
( )
( ) →
( )
( )
( ) →
( )
( )
Se observa que en el nuevo sistema de ecuaciones diferenciales, la ecuación dinámica
de la corriente del inductor queda anulada, reduciéndose de este modo el orden del
sistema. Finalmente, las coordenadas del punto de equilibrio [
] vienen dadas
por:
( )
√ ( )
Los valores numéricos de las variables de estado en el punto de equilibrio se pueden
determinar a partir de las especificaciones del convertidor (véase Apartado “1.5.4.2.
Introducción al Cargador: Especificaciones” del presente Documento Básico). En
primer lugar, la tensión a la salida del Boost (tensión intermedia del cargador) se
establece en .
El valor de conductancia emulada ( ) en régimen estacionario se obtiene mediante la
siguiente expresión:
( )
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
29
Tal y como se ha comentado en anteriores apartados, al tratarse de dos convertidores
POPI en cascada, la potencia de entrada es igual a la potencia que se entrega a la
batería . Sin embargo, en la práctica existen una serie de pérdidas. Por tal de obtener
unos resultados que presenten un mayor grado de realismo, se le otorga a cada
convertidor un rendimiento del 90% que representa las pérdidas en cada una de las
etapas. Además cabe indicar, que el valor de conductancia emulada variará en función
del nivel de tensión y la corriente de carga de la batería, como puede
observarse en las expresiones ( ) y ( ). Se calcula el valor de considerando que se
transfiere a la batería el valor más elevado de corriente de carga (máxima potencia) en
base a diferentes valores del estado de carga de la batería.
Siendo para (batería descargada):
|
( )
Mientras que para (batería cargada):
|
( )
Dada la variabilidad en los valores de la conductancia emulada en función del estado de
carga de la batería, para simplificar los cálculos se decide tomar un valor constante de
.
Por otra parte, el valor de
viene determinado por:
( )
Finalmente, dado que el análisis en régimen estacionario del convertidor se ha realizado
considerando la segunda etapa (Buck) como una carga resistiva, se determina el valor de
mediante la expresión del punto de equilibrio de :
√
(
*
( )
( )
De la expresión ( ), se desprende que el valor de variará en función del valor de la
conductancia emulada , que a su vez, depende del estado de carga de la batería ,
así como la corriente de carga de la batería .
1.6.2.1.3.6. Cálculo de la Planta H1(s)
Realizada una primera aproximación que permite definir el punto de equilibrio del
sistema, se debe de tener en cuenta la influencia temporal de las diferentes variables que
intervienen en el sistema, como señales superpuestas de baja frecuencia sobre el
correspondiente valor de equilibrio.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
30
De forma análoga a la suposición anterior, se aplican las condiciones de invariancia
( ) y ( ) en ( ), suponiendo en este caso que ( ) ( ) ( ) es
variable en el tiempo.
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
Realizando una sustitución en la ecuación ( ) de la dinámica de la corriente del
inductor por su expresión en la bilineal ( ), se tiene:
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
Aislando ( ) y desarrollando ( ) ⁄ , se obtiene el nuevo control equivalente
( ) debido a la perturbación de la corriente de referencia ( ).
( ) ( )
( )
( )
( ) ( )
( ) ( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
Sustituyendo ( ) por ( ) en ( ), y teniendo en cuenta la restricción ( )
( ) ( ) ( ) impuesta por la superficie de conmutación, se obtiene la dinámica
ideal de deslizamiento del convertidor Boost. Del mismo modo, se consigue reducir en
una unidad el orden del sistema.
( )
( )
( ( )
( )
( ))
( )
( )
( )
( ( ) [ ( )
( )
( ) ( )
]
( ))
( )
( ) ( )
( )
( )
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( )
( )
( ) ( )
( )
( )
La expresión ( ) no es lineal. Para analizar la estabilidad que permita trabajar con
funciones de transferencia o diseñar un controlador apropiado, se debe linealizar la
dinámica ideal de deslizamiento. Esto implica retomar el concepto de punto de
equilibrio, alrededor del cual se produce la linealización. Se asume:
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
31
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
Seguidamente, se obtiene el modelo en pequeña señal del convertidor ( ), donde el
superíndice identifica las variables incrementales.
( )
( )
( )
( )
( )
( ) ( )
Los valores de los coeficientes que aparecen en la expresión ( ) son:
( )
|
√ ( )
( )
| ( )
√ ( )
( )
|
√ ( )
( )
| ( )
√ ( )
( )
|
( )
A continuación, trasladamos la ecuación dinámica linealizada ( ) al dominio en el
campo s mediante la Transformada de Laplace:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
Simplificando se tiene:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
-+ GPI,1(s)=KP,1+KI,1/s H1(s)
++
A(s)Vg(s)^
Vm_REFVm(s)^
G(s)^E1(s)
Figura 16. Diagrama de bloques del sistema con superposición de la perturbación ( )
Como se puede observar en la Figura 16, el sistema está compuesto por una entrada
linealizada ( ), su correspondiente salida ( ) y una entrada ( ) que representa una
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
32
posible variación en la tensión de entrada. Por tanto, se debe resolver la expresión
anterior en el dominio de Laplace ( ), con el fin de obtener las funciones de
transferencia en lazo abierto (OL), que relacionan la salida linealizada del sistema
( ), con las correspondientes entradas ( ) y ( ).
Anulando la perturbación de la tensión de entrada ( ), es posible obtener la función de
transferencia en lazo abierto que relaciona la tensión intermedia ( ) con ( ),
obteniéndose ( ):
( ) ( )
( )| ( )
√ ( )
√ (
)
(
) ( )
La planta ( ) que relaciona la tensión intermedia del cargador ( ) con la tensión de
entrada ( ), se obtiene de anular la perturbación ( ):
( ) ( )
( )| ( )
√ ( )
√ (
)
(
) ( )
Obtenida ( ), los valores de los parámetros que aparecen en ( ) son:
Se puede observar que ( ) contiene un cero en el semiplano derecho:
( )
Y un polo en el semiplano izquierdo:
( )
Se puede concluir que se trata de una planta estable en lazo abierto, donde tanto la
frecuencia del cero como la del polo, variarán según el valor de , que tal y como se ha
comentado anteriormente, depende del nivel de tensión y la corriente de carga
en bornes de la batería.
1.6.2.1.3.7. Obtención de los Márgenes de Estabilidad en Lazo Cerrado
Seguidamente, se analiza la estabilidad del sistema en lazo cerrado al añadirse el
lazo de regulación de la tensión intermedia del cargador. El denominador de esta
función contendrá la ganancia de lazo ( ), que igualada a cero permite obtener los
polos del sistema en lazo cerrado (CL) que determinan la estabilidad del sistema.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
33
-+ GPI,1(s)=KP,1+KI,1/s H1(s)
Vm_REF Vm(s)^G(s)^E1(s)
Figura 17. Diagrama de bloques simplificado del sistema con ( ) .
A continuación, se calcula la función de transferencia en lazo cerrado del diagrama
simplificado, que se obtiene considerando la perturbación ( ) nula (Figura 17):
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ( )) ( ) ( ) ( )
( )[ ( ) ( )] ( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )
Obtenida la función de transferencia en lazo cerrado en ( ), se procede igualando el
denominador de la misma a cero:
( ) ( )
( ) ( ) ( )
√
(
* (
)
(
)
( )
Desarrollando se deduce:
*
√ + *
√
√ +
√
[ √ ] * √
+
[ √
√ ]
√ ( )
En ( ) se obtiene el denominador de la función de transferencia vista en ( ), donde
los parámetros y están implícitos en los coeficientes de la ecuación de segundo
orden ( ). Esta ecuación recibe el nombre de ecuación característica. Para establecer
la estabilidad del sistema en lazo cerrado, se necesita conocer bajo qué condiciones la
ecuación característica puede ser un sistema estable. Por ello, se recurre al criterio de
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
34
estabilidad de Routh-Hurwitz que manifiesta que un sistema que presenta una ecuación
característica lineal de segundo orden con todos los coeficientes positivos, siempre será
estable. Así pues, aplicando dicho criterio a la ecuación característica ( ) se deduce lo
siguiente:
√
√
√
√
( )
√
√
√
( )
Por consiguiente:
√
( )
√
( )
En ( ) y ( ) se observan los valores límites de los parámetros del compensador que
hacen que el sistema sea estable en lazo cerrado. Se denota que hay dependencia entre
ambos parámetros, es decir, los márgenes varían simultáneamente al modificar uno u
otro parámetro. Si las constantes y se encuentran fuera de estos márgenes
deducidos, no se puede asegurar que el sistema sea estable. Considerando ;
; y se obtiene el valor numérico de las inecuaciones de
( ) y ( ):
( )
( )
Se concluye que, una vez se han obtenido los parámetros de y que aseguran la
estabilidad por Routh, se podría intentar delimitar o restringir aquel subconjunto que
asegure una respuesta determinada.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
35
1.6.2.2. Estudio del Convertidor Buck
1.6.2.2.1. Estados de Conducción del Convertidor Buck
La arquitectura circuital en lazo abierto de la segunda etapa del cargador presenta
la configuración que se muestra en la Figura 18. Al encontrarse en los bornes de salida
del convertidor Buck una batería, ésta se simula como una fuente de tensión ( )
en serie con un elemento resistivo (resistencia interna de la batería).
+
_
vm(t)
M2
D2
<u2> C2
Rbat
+
_
vbat(t)
L2 iL2(t)
vL2(t)
+
_vbat,int(t)
+ _
Figura 18. Esquema del convertidor Buck.
El convertidor Buck reduce la tensión de salida respecto la tensión de entrada mediante
los estados de conmutación introducidos por el control. La conmutación se realizará en
CCM, de modo que la relación de tensiones de entrada y salida en estado estacionario es
la siguiente, donde representa el ciclo de trabajo:
( )
Los semiconductores del circuito imponen al sistema dos estados de conducción, donde
el periodo de conmutación es la suma temporal de ambos estados. Tal y como se ha
comentado anteriormente, los cambios de estado vienen determinados por la señal de
control externa ( ) que permite la conducción del transistor MOSFET, y por
polarización propia del diodo. Se define ⟨ ⟩ de la siguiente forma:
⟨ ⟩
⟨ ⟩
( )
Para cada estado del convertidor Buck, se tienen las siguientes configuraciones:
Estado de Conducción ON:
+
_ D2
C2
Rbat
+
_
vbat(t)
L2 iL2(t)
+ _vL2(t)
u2(t)=1M2
ibat(t)
iC2(t)vm(t)+
_vbat,int(t)
Figura 19. Esquema del convertidor Buck en estado ON.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
36
En estado ON, el control ( ) activa el transistor y el diodo queda polarizado en
inversa. De este modo, la corriente pasa a través del transistor, suministrando corriente a
la bobina.
Estado de Conducción OFF:
+
_vm(t)
D2C2
Rbat
+
_
vbat(t)
L2 iL2(t)
vL2(t)
u2(t)=0M2 iC2(t)
ibat(t)
+
_vbat,int(t)
+ _
Figura 20. Esquema del convertidor Buck en estado OFF.
En estado OFF, el control ( ) desactiva el transistor quedando en corte,
produciéndose la descarga de la bobina sobre el condensador y la batería.
1.6.2.2.2. Modelización en Régimen Estático del Convertidor Buck
Para el sistema de estructura variable presentado, se asignan como variables de
estado la corriente de la bobina ( ) y la tensión en el condensador ( ) ( ).
Considerando que el convertidor opera en CCM, presenta dos cambios topológicos
durante un periodo de conmutación, que son representados por medio de dos vectores
de ecuaciones diferenciales lineales, una para cada estado de conmutación, que reciben
el nombre de ecuaciones dinámicas. De la Figura 19 se deducen las ecuaciones
dinámicas para el estado ON:
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( )
( )
( )
( )
( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( )
( )
( ) ( )
( )
( )
( )
( )
( )
De la Figura 20 se obtienen las ecuaciones dinámicas para el estado OFF:
( ) ( ) ( )
( )
( )
( )
( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( )
( )
( )
( )
( )
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
37
Obsérvese que las ecuaciones dinámicas son de primer orden y presentan linealidad,
pudiéndose agrupar en sus correspondientes ecuaciones matriciales de estado.
Estado de Conducción ON:
[ ( )
( )
]
[
]
*
( )
( )
+
[
]
*
( )
( )+ ( )
Donde:
[
]
[
]
( )
Estado de conducción OFF:
[ ( )
( )
]
[
]
*
( )
( )
+ [
] *
( )
( )+ ( )
Donde:
[
]
[
] ( )
A continuación, con el fin de obtener una expresión que sintetice ambos estados de
conmutación, teniendo en cuenta que [ ( ) ( ( ))] , se define una nueva
ecuación matricial, denominada ecuación bilineal del sistema:
( ) [ ( ) ( )] ( ) [ ( ) ( )][ ( )] ( )
Siendo:
( ) Derivada del vector de estado
Matriz de estado
( ) Vector de estado
Matriz de entrada
( ) Vector de entrada
Simplificándose la expresión ( ), se tiene:
( ) [ ( ) ( )] ( ) [ ( ) ( )] ( ) ( )
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
38
Sustituyéndose los valores de las matrices de estado y entrada que aparecen en la
ecuación bilineal simplificada ( ), se obtiene la representación bilineal ( ) del
convertidor Buck:
[ ( )
( )
]
[
]
*
( )
( )
+
[ ( )
]
*
( )
( )+ ( )
Desarrollando lo anterior, resultan las siguientes ecuaciones diferenciales:
( )
( )
( )
( ) ( )
( )
( )
( )
( )
( )
1.6.2.2.3. Análisis del Control del Convertidor Buck
+
_
vm(t)
M2
D2C2
Rbat
+
_
vbat(t)
L2 iL2(t)
vL2(t)
_ +
vbat_REF=15V
Q
QS
R
_
_+
_+
+
_
delta2
S2
-delta2
S2 +
_vbat,int(t)
vbat(t)
k2PRE(t)*
k2(t)*
iL2(t)
e2(t)GK2
+
Compensador
PI_2
Notas:
* Mientras se realiza el proceso de carga el PI_2 está saturado, siendo ( ) y ( ) .
Figura 21. Esquema del Control propuesto para el convertidor Buck.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
39
1.6.2.2.3.1. Introducción al Control en Modo Deslizante
La técnica de control SMC de estructura variable trata de fijar una o varias
variables de estado en una superficie del espacio de estados ( ), delimitada dentro
de un rango de histéresis. La conmutación de los interruptores tiene lugar cuando la
variable de estado seleccionada sobrepasa los límites de superficie, forzándola a
evolucionar sobre ésta. Dicha superficie induce un régimen deslizante sobre la variable
controlada una vez alcance la superficie y opere en torno a su punto de equilibrio,
permaneciendo inalterable a variaciones y perturbaciones, propiciando de este modo la
reducción del orden del sistema. Seguidamente, se ilustra de forma gráfica (Figura 22)
la evolución de la variable de estado seleccionada (corriente de la bobina de la etapa
Buck ( )), de la superfície y de la lógica de control.
a)
iL2(t)
K2
0 D2Tsw2 Tsw2
K2-delta2
K2+delta2
vm(t)-vbat(t)
L2
t
S2(x)
D2Tsw2 Tsw2-delta2
+delta2
t
u2(t)
D2Tsw2 Tsw2t0
1
-vbat(t)
L2
b)
c)
Figura 22. a) Gráfica del rizado de la corriente de conmutación en la bobina del Buck; b) Gráfica de la superficie de
deslizamiento con margen de histéresis; c) Gráfica de la lógica de control.
1.6.2.2.3.2. Superficie de Deslizamiento
En esta segunda etapa del cargador, se pretende regular la corriente de carga de la
batería mediante el control SMC. Para cumplir con este requisito, la superficie de
deslizamiento propuesta se representa en ( ):
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ( ) ∫ ( )
)
( ) ( )
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
40
Donde ( ) es la tensión en bornes de la batería a la salida del cargador y es
la referencia que indica el valor de tensión que alcanza la batería cuando esta se
encuentra totalmente cargada.
El objetivo que se persigue con la implementación de este tipo de control es,
principalmente, que el cargador sea capaz de entregar una corriente a la batería (cuyo
valor pueda ser regulado por el usuario), así como dejar de suministrar dicha corriente,
cuando el control detecte que la batería alcanza el máximo nivel de carga, es decir,
cuando ( ) .
Por ello, a diferencia de la etapa anterior, la sintonización del compensador PI mediante
el ajuste de sus parámetros y no pretende lograr un comportamiento del sistema
en conformidad con algún criterio dinámico establecido, sino que dicho controlador
simule el comportamiento de un interruptor de fin de carga. Con el fin de obtener este
propósito, se fuerza la aparición del fenómeno de windup, hecho que se establece
cuando el controlador PI trabaja con un rango de error relativamente amplio.
En otras palabras, mediante la introducción en la entrada del compensador PI de un
error de gran magnitud, se consigue la saturación del controlador, obteniendo
consecuentemente ( ) Dado que los amplificadores operacionales
(AOs) que conforman el Bloque del Compensador Proporcional-Integral están
alimentados simétricamente a una tensión continua de , la salida saturada del PI
corresponde al mismo nivel de tensión, siendo . Dicha señal sirve para
alimentar un circuito basado en un diodo Zener ajustable, que introduce en el sistema
una atenuación que puede tomar valores comprendidos entre ,
permitiendo crear un rango de valores de referencia de la corriente de carga de la
batería, siendo durante el período en el que se extiende la carga de la batería ( )
(véase Apartado “1.6.4.2.3.2. Obtención de K2” del presente Documento Básico
para ampliar información acerca del circuito de regulación de la corriente de carga de la
batería).
Cuando el error ( ) se hace ligeramente negativo (al superar ( ) la referencia de
), el controlador PI sale progresivamente de su estado de saturación, disminuyendo
la corriente de carga ( ). Cuando la salida del Integrador alcanza un valor nulo, deja
de entregar corriente a la batería, cumpliéndose de este modo los requisitos de diseño
impuestos para el sistema.
Una vez descrito el funcionamiento del control en esta segunda etapa del cargador, se
realiza el análisis del control del Buck.
1.6.2.2.3.3. Dinámica de Deslizamiento Ideal
El control por deslizamiento debe cumplir una serie de condiciones numéricas que
garantice la existencia de la superficie de deslizamiento sobre la que se controla la
variable de estado deseada. Para ello, es de utilidad analizar la existencia del régimen de
deslizamiento a partir de la condición de transversalidad:
⟨ ( ) ( ) ( ) ( ) ( )⟩ ( )
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
41
Donde ( ) es el gradiente de la superficie de deslizamiento y para la obtención de
las matrices ( ) y ( ), se deben recordar las expresiones ( ) y ( ). De
esta forma, siendo:
( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
[
] *
( )
( )+ [
( )
] ( )
Se procede:
⟨ ( ) ( ) ( ) ( ) ( )⟩
( ) [
( )
] ( )
( )
En ( ) se verifica la condición de transversalidad, por tanto, el control equivalente
existirá de forma incondicional dado que ( ) , siendo posible desarrollar la
superficie de deslizamiento deseada.
1.6.2.2.3.4. Control Equivalente
Considerando nula la variación en el tiempo del valor de la corriente de carga,
puede suponerse de este modo ( ) . Aplicando las condiciones de invariancia
( ) y ( ) en ( ), se obtiene:
( ) ( ) ( )
( )
( )
( )
( )
Aislando ( ) en la expresión ( ) se obtiene el control equivalente :
( )
Ahora, la variable discreta ( ) ha sido sustituida por una variable que toma
valores comprendidos entre: .
1.6.2.2.3.5. Punto de Equilibrio
Conocido el valor del control equivalente , se trata de obtener el punto de
equilibrio de las variables de estado en torno a los que se desarrolla la superficie de
deslizamiento.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
42
Volviendo a las expresiones ( ) y ( ) donde aún se encuentra la variable de control
( ), se sustituye dicho control por el que asegura la superficie de conmutación.
Se tiene:
( )
( ) →
( )
( )
Se observa que en el nuevo sistema de ecuaciones diferenciales, la ecuación dinámica
de la corriente del inductor queda anulada, reduciéndose de este modo el orden del
sistema. Se obtienen las coordenadas del punto de equilibrio [
]:
( )
( )
Los valores numéricos de las variables de estado son, para la tensión a la salida del
Buck (dependiendo del nivel de carga de la batería), mientras
que para la referencia de corriente del inductor en la superficie de deslizamiento
(dependiendo de la modalidad de carga elegida por el usuario).
Por otro lado, el valor de no puede ser determinado (dado que el fabricante no
proporciona dicho valor). Dicho parámetro varía en función del estado de carga de la
batería, tomando valores elevados cuando la batería se encuentra en un estado
irrecuperable y valores muy pequeños cuando se ha realizado completamente el proceso
de carga.
1.6.2.2.3.6. Cálculo de la Planta H2(s)
Realizada una primera aproximación que permite definir el punto de equilibrio del
sistema, se debe de tener en cuenta la influencia temporal de las diferentes variables que
intervienen en el sistema como señales superpuestas de baja frecuencia sobre el
correspondiente valor de equilibrio. Volviendo a la expresión ( ), y considerando la
restricción ( ) ( ) impuesta por la superficie de deslizamiento, se obtiene la
dinámica ideal de deslizamiento del convertidor.
( ) ( )
( )
( )
( )
( )
Debido a la linealidad de ( ), es posible aplicar directamente la Transformada de
Laplace, obteniéndose ( ):
( )
( )
( )
( )
(
* ( )
( )
( )
( )
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
43
-+ GPI,2(s)=KP,2+KI,2/s H2(s)
++
B(s)Vbat,int(s)^
Vbat_REFVbat(s)^^E2(s) K2PRE(s)
GK2
K2(s)
Figura 23. Diagrama de bloques del sistema con superposición de la perturbación ( )
Se debe de resolver la expresión anterior en el dominio de Laplace ( ), con el fin de
obtener las funciones de transferencia en OL que relacionen la salida ( ) con las
correspondientes entradas ( ) y ( ). Anulando la perturbación de la tensión
interna de la batería ( ), es posible obtener la función de transferencia en lazo
abierto que relaciona la tensión de salida del cargador ( ) con ( ), obteniéndose
( ):
( ) ( )
( )| ( )
(
) ( )
La planta ( ) que relaciona la tensión de salida del cargador ( ) con la tensión
interna de la batería ( ), se obtiene de anular la perturbación ( ):
( ) ( )
( )| ( )
(
) ( )
Obtenida ( ), los valores de los parámetros que aparecen en ( ) son:
Se puede observar que ( ) contiene un polo en el semiplano izquierdo:
( )
Se puede concluir que se trata de una planta estable en lazo abierto, dado que ,
aunque varíe en función del estado de carga, siempre tomará valores positivos.
1.6.2.2.3.7. Obtención de los Márgenes de Estabilidad en Lazo Cerrado
Seguidamente, se analiza la estabilidad del sistema en lazo cerrado al añadirse el
lazo de regulación de la tensión de salida del cargador. El denominador de esta función
contendrá la ganancia de lazo ( ), que igualada a cero permite obtener los polos del
sistema en CL que determinan la estabilidad del sistema.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
44
-+ GPI,2(s)=KP,2+KI,2/s H2(s)
Vbat_REFVbat(s)^^E2(s) K2PRE(s)
GK2
K2(s)
Figura 24. Diagrama de bloques simplificado del sistema con ( ) .
A continuación, se calcula la función de transferencia en lazo cerrado del diagrama
simplificado, que se obtiene considerando la perturbación ( ) nula (Figura 24):
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( ( )) ( ) ( )
( )[ ( ) ( )] ( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )
Obtenida la función de transferencia en lazo cerrado en ( ), se procede igualando el
denominador de la misma a cero:
( ) ( )
( ) ( ) ( )
(
*
(
) ( )
Desarrollando se deduce:
[
]
( )
En ( ) se obtiene el denominador de la función de transferencia vista en ( ), donde
los parámetros y están implícitos en los coeficientes de la ecuación de segundo
orden ( ), que recibe el nombre de ecuación característica. Para establecer la
estabilidad del sistema en lazo cerrado, se necesita conocer bajo qué condiciones la
ecuación característica puede ser un sistema estable. Del mismo modo que en el caso
anterior, se recurre al criterio de estabilidad de Routh-Hurwitz que manifiesta que un
sistema que presenta una ecuación característica lineal de segundo orden con todos los
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
45
coeficientes positivos, siempre será estable. Así pues, aplicando dicho criterio a la
ecuación característica ( ) se deduce lo siguiente:
( )
( )
En ( ) y ( ) se observan los valores límites de los parámetros y (que no
presentan dependencia entre ellos) del compensador PI_2 que hacen que el sistema sea
estable en lazo cerrado. Si las constantes y se encuentran fuera de los márgenes
deducidos en dichas expresiones, no se puede asegurar que el sistema sea estable.
1.6.3. Diseño de los Principales Componentes de la Etapa de Potencia
En el presente apartado se diseñan y seleccionan los principales componentes de
la Etapa de Potencia que conforman el convertidor Boost y el convertidor Buck.
1.6.3.1. Inductores
1.6.3.1.1. Inductor del Boost
Con la pretensión de obtener una expresión que defina el valor de inductancia de
la bobina del Boost en función de la restricción de rizado deseada , se retoman las
ecuaciones ( ) y ( ) que representan la forma de onda de la corriente del inductor
( ) para ambos estados de conmutación (véase Figura 25):
( )
| ( )
( )
( )
|
( ) ( )
( )
iL1(t)
IL1
0 D1Tsw1 Tsw1
iL1
Vg
L1
Vg-Vm
L1
Figura 25. Forma de onda extrapolada de las expresiones ( ) y ( ) de la corriente del inductor ( ) en el
convertidor Boost para ambos estados de conmutación.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
46
De la Figura 25, para el estado ON se desprende:
( )
Donde:
: Rizado pico a pico de la corriente en la bobina del Boost, en .
: Tensión en bornes de entrada del cargador, en .
: Inductancia de la bobina del Boost, en .
: Periodo de conmutación, en . : Ciclo de trabajo, en CCM, del MOSFET del Boost.
Siendo por especificaciones el rizado relativo de la corriente en la bobina
(véase Apartado “1.5.4.2. Introducción al Cargador: Especificaciones” del presente
Documento Básico), se propone la expresión ( ) para el cálculo del valor de rizado
pico a pico de la corriente en el inductor del Boost :
( ) ( )
La corriente que traviesa el inductor se trata de una señal sinusoidal, por tal de
garantizar el correcto funcionamiento de la etapa PFC, de amplitud variable impuesta
por el sistema de control según la corriente a la que se desee cargar la batería. Para
realizar un correcto dimensionado del inductor, se considera la parte superior del seno
cuando se realiza la carga de la batería a (véase Figura 26), donde la demanda de
corriente es máxima. Pese a que el sistema funciona a una frecuencia de conmutación
variable, la frecuencia de conmutación en el punto de considerado es de .
L1,max
L1,minzona considerada
para el diseño(
(
Figura 26. Periodo de la corriente del inductor ( ) en el convertidor Boost, la variación de según el valor de
corriente y la zona considerada para el diseño del inductor.
Aislando de la expresión ( ) el valor de inductancia , se obtiene:
(
* (
*
( )
Siendo el valor final escogido para la bobina de .
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
47
Se lleva a cabo el proceso de diseño del inductor del Boost mediante una aplicación
software que suministra la casa Magnetics®
en su página web (www.mag-inc.com).
Para la construcción de la bobina (L1) se escoge un núcleo magnético Kool Mμ con
referencia 77191, donde en base a los resultados obtenidos por el aplicativo, resultan
necesarias un total de 31 vueltas con un wire size de 12 AWG ( de sección). Para
la construcción de la bobina se trenzan 50 conductores de cobre aislado con resina de
de sección, debido a que presentan una mayor facilidad de bobinar y estañar
que un cable único, además de que se consigue minimizar las pérdidas por el efecto
skin. Se sueldan las puntas para obtener un único conductor.
Figura 27. Fotografía del inductor de la etapa Boost.
1.6.3.1.2. Inductor del Buck
Con la pretensión de obtener una expresión que defina el valor de inductancia de
la bobina del Buck en función de la restricción de rizado deseada , se retoman las
ecuaciones ( ) y ( ) que representan la forma de onda de la corriente del inductor
( ) para ambos estados de conmutación (véase Figura 28):
( )
| ( )
( )
( )
( )
( )
|
( )
( )
iL2(t)
IL2
0 D2Tsw2 Tsw2
iL2
L2
-Vbat
L2
Vm-Vbat
Figura 28. Forma de onda extrapolada de las expresiones ( ) y ( ) de la corriente del inductor ( ) en el
convertidor Buck para ambos estados de conmutación.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
48
De la Figura 28, para el estado ON, se desprende:
( )
( )
Donde:
: Tensión intermedia del cargador, en . : Tensión en bornes de salida del cargador, en .
: Inductancia de la bobina del Buck, en .
: Rizado pico a pico de la corriente en la bobina del Buck, en .
: Periodo de conmutación, en . : Ciclo de trabajo, en CCM, del MOSFET del Buck.
Siendo por especificaciones el rizado relativo de la corriente en la bobina
(véase Apartado “1.5.4.2. Introducción al Cargador: Especificaciones” del presente
Documento Básico), se propone la expresión ( ) para el cálculo del valor de rizado
pico a pico de la corriente :
( ) ( )
A pesar de que el sistema funcionará a frecuencias de conmutación variable, la bobina
se calcula ajustando la frecuencia de conmutación a en el punto de
máxima potencia. Aislando de la expresión ( ) el valor de inductancia , se obtiene:
( )
(
*
( )
Siendo el valor final escogido para la bobina de .
Se lleva a cabo el proceso de diseño del inductor del Buck mediante una aplicación
software que suministra la casa Magnetics®
. Para la construcción de la bobina (L2) se
escoge un núcleo magnético Kool Mμ con referencia 77191, donde en base a los
resultados obtenidos por el aplicativo, resultan necesarias un total de 80 vueltas con un
wire size de 12 AWG ( de sección). Para la construcción de la bobina se trenzan
50 conductores de cobre aislado con resina de de sección, debido a que
presentan una mayor facilidad de bobinar y estañar que un cable único, además de que
se consigue minimizar las pérdidas por el efecto skin. Se sueldan las puntas para obtener
un único conductor.
Figura 29. Fotografía del inductor de la etapa Buck.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
49
1.6.3.2. Condensadores
1.6.3.2.1. Condensador de Entrada del Cargador
En la entrada del cargador se colocan dos condensadores (C1) y (C2) en paralelo
de cada uno, resultando una capacidad total de , con la pretensión de
eliminar posible ruido que pueda aparecer en los bornes de entrada. Los condensadores
seleccionados son de película de poliéster, capaces de soportar una tensión de .
1.6.3.2.2. Condensador Intermedio (Cm)
El condensador intermedio del cargador, generalmente en este tipo de
aplicaciones, se trata de un condensador electrolítico de gran capacidad con la misión de
reducir el rizado proveniente de la etapa PFC y asegurar un tiempo de hold-up que
garantice la entrega de tensión a la etapa reductora posterior en caso de fallos de
alimentación.
Con la pretensión de obtener una expresión que defina el valor de capacidad del
condensador intermedio en función de la magnitud del rizado de la tensión
intermedia , se retoman las ecuaciones ( ) y ( ) que representan la forma de onda
de la tensión en el condensador intermedio ( ) para ambos estados de conmutación
(Figura 30), asumiendo la hipótesis de bajo rizado en la corriente del inductor:
( )
|
( )
( )
( )
|
( )
( )
( )
vm(t)
Vm
0 D1Tsw1 Tsw1
vm
Vm
RmCm
IL1
Cm
_-Vm
RmCm
Figura 30. Forma de onda de la tensión del condensador ( ) en el convertidor Boost.
De la Figura 30, para el estado ON, se desprende:
( )
Donde para el cálculo de , se considera un rizado de tensión pico a pico de
. Aislando de la expresión ( ) el valor de , se obtiene:
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
50
(
*
( )
Donde:
: Tensión intermedia del cargador, en .
: Rizado pico a pico de la tensión intermedia del cargador, en .
: Resistencia que simula la etapa Buck (simplificada como carga resistiva), en .
: Periodo de conmutación, en .
: Ciclo de trabajo, en CCM, del MOSFET del Boost.
Pese al valor obtenido, se realizan una serie de simulaciones para hallar el valor de
capacidad acorde con la funcionalidad del sistema. Además, es preferible que el valor
de capacidad se reparta entre varios condensadores cuyas capacidades sumen el total
requerido.
Finalmente, se decide colocar cinco condensadores (C9), (C10), (C11), (C12), y (C13)
en paralelo de cada uno, resultando una capacidad total de . El modelo
seleccionado es el EEUFC2A471 de la compañía Panasonic®
, un condensador
electrolítico capaz de soportar una tensión de . Además, se colocan un
condensador de película de poliéster de y un condensador cerámico de ,
resultando una capacidad adicional de , tanto en la entrada (C30) y (C31), como en
la salida del bloque de los cinco condensadores en paralelo (C14) y (C15), con el
principal objetivo de mejorar el comportamiento en frecuencia.
Resulta la siguiente configuración de condensador intermedio :
a) b)
Figura 31. a) Esquema de la disposición del bloque que conforma el Condensador Intermedio ( ); b)Fotografía
del bloque que conforma el Condensador Intermedio ( ).
1.6.3.2.3. Condensador de Salida del Cargador
Principalmente, la función del condensador del Buck es regular el rizado de la
tensión de salida del cargador, así como evitar que el rizado triangular de alta frecuencia
llegue a los componentes que se encuentran en los bornes de salida.
Teóricamente para la aplicación, el condensador se antoja como un elemento
superfluo, debido a que al hallarse como carga a la salida una batería que puede ser
tratada como una fuente de tensión, no existiría dicho rizado en la tensión de salida. Sin
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
51
embargo, extrapolado a la práctica, cabe indicar que la batería no se trata de una fuente
de tensión ideal. Además, en previsión de sustituir la batería por otro tipo de carga, se
decide colocar en el prototipo una capacidad que asegure un rizado máximo de pico a
pico de .
Tal y como se ha comentado con anterioridad, el valor de la capacidad de salida se
selecciona para limitar el rizado de la tensión de salida al nivel requerido por la
especificación. Destacar que en el caso de los convertidores Buck, no se debe despreciar
el valor del rizado de la corriente. Por tanto, se determina el valor de capacitancia
necesaria en función del rizado de la corriente del inductor , la frecuencia de
conmutación y el valor de rizado de la tensión de salida deseado ,
obteniéndose la siguiente expresión:
( )
Donde:
: Capacidad mínima del condensador de salida de la etapa Buck, en .
: Rizado pico de la corriente en la bobina del Buck, en .
: Frecuencia de conmutación, en . : Rizado pico de la tensión de salida del cargador, en .
Se coloca un condensador de película de poliéster de (C26) y un condensador
cerámico de (C27) en paralelo, resultando una capacitancia total de .
1.6.3.3. Transistores MOSFETs
El interruptor utilizado es un transistor MOSFET de potencia de canal N. La
elección de este tipo de dispositivo se basa en los requisitos que se numeran a
continuación: tensión drenador-fuente ( ) capaz de bloquear la tensión de salida
requerida y sus sobrepicos en régimen transitorio; capacidad de soportar la corriente
requerida en el drenador ( ); resistencia interna ( ) pequeña y tiempos de cambio de
estado rápidos, para minimizar las pérdidas por conducción y conmutación,
respectivamente.
A la hora de escoger los MOSFETs, debido a que se trata de uno de los elementos más
restrictivos del Cargador, se realiza una simulación mediante el software PSIM de
ambas etapas, para conocer los valores máximos de tensión y corriente que tendrá que
soportar (véase Figura 32 y Figura 33).
Por un lado, se observa que en ambas etapas el rango de tensión oscila entre
tensiones mínimas próximas a los y máximas de , pudiendo aparecer alguna
sobretensión cercana a los en los instantes iniciales en los que se ha completado la
carga de la batería. Por otro lado, el valor de corriente máxima que circulará por el
MOSFET de la etapa Boost es de , momento cuando el cargador trabaja a máxima
potencia, circulando por el MOSFET del Buck una corriente máxima de carga de la
batería de .
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
52
Figura 32. Gráficas de la tensión ( ) y la corriente ( ) en el MOSFET del Boost.
Figura 33. Gráficas de la tensión ( ) y la corriente ( ) en el MOSFET del Buck.
Debido a que los valores reales pueden diferir de los simulados, se escoge un MOSFET
capaz de soportar valores más elevados. Con estas premisas, se selecciona el modelo
IRFP4110PbF de la compañía International Rectifier®
para ambas etapas (Q1) y (Q2).
En la Tabla 5 se muestran las características más relevantes del componente:
MOSFET IRFP4110PbF
Tensión drenador-surtidor máxima ( )
Corriente drenador a 25 ºC ( ⁰ )
Resistencia drenador-surtidor máxima en conducción ( )
Tiempo de retardo de paso a estado de conducción ( ) Tiempo de subida ( ) Tiempo de retardo de paso a estado de corte ( ) Tiempo de caída ( ) Temperatura máxima ( ) ⁰
Tabla 5. Características IRFP4110PbF.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
53
1.6.3.4. Diodos de Potencia
En la elección de los diodos de potencia que conforman el cargador (D2) y (D6),
se tienen en cuenta los siguientes parámetros: capacidad de bloquear la tensión del
convertidor y sus sobrepicos transitorios; capacidad de soportar la corriente de trabajo
del convertidor; y, una tensión umbral pequeña para reducir el calentamiento del
componente (menores pérdidas en conducción).
Para ambas etapas del cargador se escoge el modelo MBR30H100CTG de la compañía
ON Semiconductor®
. Este diodo de tipo Schottky no tiene tiempo de recuperación,
haciendo que su respuesta sea muy rápida. En la Tabla 6 se muestran las características
más relevantes del componente:
DIODO MBR30H100CTG Tensión Repetitiva Inversa de Pico ( )
Corriente Continua Máxima Directa ( )
Tensión Directa de Pico ( )
Temperatura Máxima ( ) ⁰
Tabla 6. Características MBR30H100CTG.
1.6.3.5. Diodo Rectificador
Con el fin de otorgar un comportamiento unidireccional a la circulación de la
corriente (Cargador→Batería), evitando de este modo que pueda fluir en sentido
contrario al normal, se instala un diodo (D7) rectificador MBR30100CT de la compañía
Taiwan Semiconductor®
. En la Tabla 7 se muestran las características más relevantes
del componente:
DIODO MBR30100CT Tensión Repetitiva Inversa de Pico ( )
Corriente Continua Máxima Directa ( )
Temperatura Máxima ( ) ⁰
Tabla 7. Características MBR30100CT.
1.6.3.6. Disipador
Los interruptores reales presentan en su totalidad una determinada caída de
tensión cuando conducen, así como una fuga de corriente en corte. Asimismo, el
proceso de conmutación (paso de conducción a bloqueo y viceversa) no se produce de
forma instantánea. En otras palabras, los interruptores disipan potencia en ambos
estados, hecho que implica un aumento de su temperatura. Por esta razón, es
imprescindible en su diseño asegurar una temperatura adecuada de los dispositivos
mediante el uso de un disipador, que se diseña considerando el caso más desfavorable,
momento cuando el cargador trabaja a máxima potencia (carga de la batería a ).
Cuando los MOSFETs conducen, se produce una caída de tensión debido a su .
La potencia media disipada por un MOSFET durante el periodo de conducción es:
( )
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
54
Donde:
: Potencia media disipada por un MOSFET durante su conducción, en .
: Corriente media a través del MOSFET en estado de conducción, en .
( ): Resistencia drenador-fuente en estado de conducción, en .
: Ciclo de trabajo, en CCM, del MOSFET.
Por otro lado, las pérdidas de conmutación (conmutación dura) dependen:
( )
( )
Donde:
: Potencia media disipada por un MOSFET durante la conmutación, en .
: Tensión media bloqueada en corte, en .
: Corriente media a través del MOSFET, en .
: Tiempo de activación (retardo de paso a conducción+tiempo subida), en . : Tiempo de desactivación (retardo de paso a corte+tiempo bajada), en .
: Frecuencia de conmutación, en .
Cuando los diodos conducen, la potencia media disipada durante el periodo de
conducción es:
( ) ( )
Donde:
: Potencia media disipada por un diodo durante su conducción, en .
: Corriente directa a través del diodo en estado de conducción, en .
: Tensión directa en estado de conducción, en .
: Ciclo de trabajo, en CCM, del MOSFET complementario al diodo de potencia.
Por lo que refiere a los diodos de tipo Schottky complementarios a los MOSFETs, las
pérdidas de conmutación se han considerado negligibles, dado que el datasheet
proporcionado por el fabricante no ofrece los valores pertinentes a los tiempos de
activación y desactivación.
Tal y como se ha comentado con anterioridad, la frecuencia de conmutación del sistema
es variable. Se considera en la primera etapa del cargador una frecuencia de y
para la segunda etapa, una frecuencia de , basándonos en las simulaciones
mediante el software PSIM del prototipo. Seguidamente, se muestra a modo resumen,
los resultados obtenidos:
RDS,ON
[mΩ]
[A]
[V]
[ns]
[ns] [kHz]
[W]
[W]
[W]
IRFP4110PbF
(etapa Boost) 4.5 0.4 15·(2/π) 30 92 166 60 0.16 2.21 2.37
IRFP4110PbF
(etapa Buck) 4.5 0.5 10 30 92 166 100 0.23 3.87 4.10
[V]
[A]
[V]
[ns]
[ns] [kHz]
[W]
[W]
[W]
MBR30H100CTG (etapa Boost)
0.93 0.4 15·(2/π) 30 - - 60 5.32 - 5.32
MBR30H100CTG (etapa Buck)
0.93 0.5 10 30 - - 100 4.65 - 4.65
MBR30100CT (diodo rectif.)
0.94 - 10 15 - - - 9.4 - 9.4
Tabla 8. Pérdidas en MOSFETs y diodos.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
55
Por tanto, si para una potencia a la salida del cargador de existen unas pérdidas
en los interruptores de , una cota del rendimiento del cargador es de
Se utiliza un único disipador para los cinco elementos. Además, se coloca entre el
encapsulado de éstos y el disipador, un aislante cuya resistencia térmica se considera
despreciable para los cálculos.
Figura 34. Unión del disipador con los interruptores.
Para estudiar el diseño del disipador que nos garantice que la temperatura de los
dispositivos semiconductores no supera la máxima recomendada por el fabricante, se
considera el siguiente circuito equivalente:
P1: 2.37 W T_J1Rth_JC Rth_CD
0.4 ˚C/W 0
IRFP4110PbF (etapa boost)
P2: 4.10 W T_J2Rth_JC Rth_CD
0.4 ˚C/W 0
IRFP4110PbF (etapa buck)
P3: 5.32 W T_J3Rth_JC Rth_CD
2 ˚C/W 0
MBR30H100CTG (etapa boost)
P4: 4.65 W T_J4Rth_JC Rth_CD
2 ˚C/W 0
MBR30H100CTG (etapa buck)
P5: 9.4 W T_J5Rth_JC Rth_CD
1.5 ˚C/W 0
MBR30100CT (diodo rectif.)
T_D
Rth_DA
T_A
30 ˚C
Figura 35. Circuito térmico equivalente de los MOSFETs, diodos y disipador.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
56
Considerando una temperatura ambiente de ⁰ , se calcula la resistencia térmica entre
el disipador y el ambiente necesaria para mantener una temperatura máxima en
el disipador de ⁰ .
∑
⁰
⁰
( )
Donde:
: Potencia media disipada por los MOSFETs y diodos, en .
: Resistencia térmica del disipador, en ⁰ .
: Diferencia térmica entre el disipador y el ambiente, en ⁰ .
Seguidamente, se calcula la temperatura de la unión entre interruptores y disipador para
determinar que no se superan las máximas indicadas por el fabricante:
( )
Donde:
: Temperatura en la unión de MOSFETs y diodos, en ⁰ .
: Potencia media disipada por los MOSFETs y diodos, en .
: Resistencia térmica entre unión y encapsulado de MOSFETs y diodos, en ⁰ .
: Temperatura del disipador, en ⁰ .
Siendo:
⁰ ⁰
⁰ ⁰
⁰ ⁰
⁰ ⁰
⁰ ⁰
De los resultados anteriores se observa que las temperaturas de unión son inferiores a
las máximas recomendadas por los fabricantes.
1.6.4. Diseño de las PCBs del Cargador
En el presente apartado se lleva a cabo el diseño del conjunto de placas de circuito
impreso que implementan el Cargador. El diseño de las PCBs se efectúa mediante el
software OrCAD de Cadence®
. En primer lugar se diseñan los esquemas de los circuitos
mediante OrCAD Capture y, posteriormente, se implementan las PCBs con OrCAD
Layout. La realización del Cargador se ha subdividido en dos etapas claramente
diferenciadas: la Etapa de Potencia y la Etapa de Control.
Para visualizar los diferentes esquemas circuitales y layouts de las PCBs que conforman
el presente proyecto, véase el Documento Básico Planos.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
57
1.6.4.1. Etapa de Potencia
En esta sección se describe el diseño del convertidor Boost y del convertidor Buck
que conforman el Cargador, traduciendo el circuito teórico a su respectivo esquemático
real, para posteriormente implementarlo en una única PCB, donde se tienen en cuenta,
principalmente, los siguientes criterios generales de diseño:
i) La distancia que une el MOSFET y el diodo de potencia de la misma etapa debe de
ser la mínima posible, para evitar conductancias parásitas que pudieran ocasionar picos
de tensión. Del mismo modo, se procura conectar con una pista de mínima longitud el
driver con la gate del MOSFET.
ii) Se introducen condensadores de desacoplo próximos a los pines de alimentación de
los Circuitos Integrados de la PCB, hecho que permite mantener un nivel estable de
alimentación, además de filtrar componentes de alta frecuencia. Asimismo, en
determinados componentes se prevé de espacio entre la alimentación y los
condensadores de desacoplo para la colocación de un resistor, en caso de originarse
ruido en la alimentación.
iii) Las pistas se tratan de construir cortas y siempre con una anchura mínima de
. Aquellas que están sometidas a elevados valores de corriente, se debe de
considerar un aumento de su anchura. Para el cálculo de la anchura mínima se utiliza la
“Calculadora de ancho de pista vs corriente” de la website (www.microensamble.com).
Este útil calcula el ancho de una pista en el diseño de circuitos impresos de acuerdo a la
curva de la norma IPC-2221 (Formalmente llamada IPC-D-275) tomando como base el
valor de la corriente que va a circular por ella, así como el espesor del cobre utilizado.
iv) La distancia entre pistas sometidas a elevadas tensiones debe de ser suficiente como
para que no se pueda crear un arco eléctrico entre las pistas concurrentes. Para el cálculo
del valor mínimo se utiliza la “Calculadora de distancia entre pistas” de la website
(www.microensamble.com). Este útil calcula la distancia entre pistas en el diseño de
circuitos impresos de acuerdo a la curva de la norma IPC-2221(Formalmente
llamada IPC-D-275) tomando como base el valor del voltaje aplicado a ellas.
Seguidamente, se muestra una descripción a grandes rasgos de la Etapa de Potencia del
Cargador, acompañada de una fotografía (Figura 36).
El Cargador presenta una cierta simetría en la distribución de sus componentes dada la
forma en “W” que exhibe. En la parte superior izquierda se localizan los bornes de
entrada (tensión rectificada proveniente del Bloque de Transformación y Rectificación),
mientras que en la parte superior derecha se encuentran los bornes de salida, donde se
conecta la batería, así como la fuente de alimentación de que alimenta la
Console. En la zona inferior se localizan los conectores de la alimentación y de
las señales de control de los drivers provenientes de la Etapa de Control. En el centro de
la placa se encuentran los transistores MOSFETs y diodos Schottky de ambas etapas,
además del diodo rectificador, situados en este emplazamiento para facilitar el montaje
al disipador.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
58
Convertidor Buck: Etapa ReductoraConvertidor Boost: Etapa PFC
Figura 36. Fotografía de la Etapa de Potencia del Cargador, donde se diferencian: 1) Convertidor Boost→ Etapa
PFC; 2) Convertidor Buck→ Etapa Reductora.
A continuación, se describen las principales partes que conforman la Etapa de Potencia
del Cargador:
1.6.4.1.1. Sensado de Corriente
Para crear las dos superficies de deslizamientos propuestas es necesario realizar
un sensado de la corriente de los inductores de ambas etapas. Para ello, se eligen
transductores de corriente compensado de efecto Hall de bucle cerrado tipo LA55-P de
la compañía LEM®
(U1) y (U4), debido a que permiten aislar el circuito de potencia con
el de control, ofrecen una fácil manipulación del ratio de conversión y entregan en su
pin de salida ( ) una señal de corriente proporcional y reducida a la de entrada. El
sensor, que debe ser alimentado simétricamente a , es capaz de medir corrientes
de , presenta un ancho de banda de (suficiente para la aplicación en
cuestión) y posee un ratio de conversión en función del número de vueltas, .
Entre masa y alimentación, se añaden condensadores de desacoplo de y que
se ubican próximos a los pines de alimentación, con el fin de mantener una tensión de
alimentación estable, así como filtrar componentes de alta frecuencia.
Mediante una resistencia referenciada a masa de valor adecuado, se transforma la señal
de corriente en una tensión proporcional. La resistencia de medida recomendada por el
fabricante debe de tomar un valor comprendido entre . Esta
conversión se realiza en la Etapa de Control para evitar ruido que distorsione la señal
sensada.
En la etapa Boost, la corriente media a sensar es de . La configuración a utilizar es
de 3 vueltas ( ) para tener una resolución adecuada sin que llegue a perderse
ningún valor en caso de aumento de corriente.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
59
a) b)
Figura 37. a) Esquema implementado del sensado de corriente mediante el uso del LA55-P de LEM® para la
etapa Boost; b)Fotografía del sensor de corriente LA55-P de LEM® para el sensado de la etapa Boost.
En la etapa Buck, la corriente máxima a sensar es de . La configuración a utilizar es
de 5 vueltas ( ) para tener una resolución adecuada sin que llegue a perderse
ningún valor en caso de aumento de corriente.
a) b)
Figura 38. a) Esquema implementado del sensado de corriente mediante el uso del LA55-P de LEM® para la etapa
Buck; b) Fotografía del sensor de corriente LA55-P de LEM® para el sensado de la etapa Buck.
Se obtienen las siguientes tensiones de escala:
Corriente entrada
sensor
Corriente salida
sensor
Valor de tensión en
Rsens,i
Bobina 1 (Boost) 2.865 V
Bobina 2 (Buck)
Notas:
* Valor de la corriente media que traviesa el sensor del Boost, considerando que el Cargador trabaja a máxima potencia.
** Valor de la corriente que traviesa el sensor del Buck, considerando que el Cargador trabaja a máxima potencia.
Tabla 9. Conversión de magnitudes de la corriente sensada.
Para completar la información en referencia a los sensados de corriente y su posterior
tratamiento, véase el Apartado “1.6.4.2.2.6. Amplificación de la Corriente Sensada
(iL1_sens→ iL1_comp)” y el Apartado “1.6.4.2.3.5. Amplificación de la Corriente
Sensada (iL2_sens→ iL2_comp)” del presente Documento Básico.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
60
1.6.4.1.2. Sensado de Tensión
Para la regulación de los diferentes parámetros de control, así como para la
consecución de la superficie de deslizamiento del Boost, es necesario sensar la tensión
de entrada ( ), intermedia ( ) y de salida ( ) del cargador. Mediante divisores
de tensión, se adaptan los valores reales de tensión a unos valores admisibles para los
AOs con estructura de seguidor de tensión (para la adaptación de las impedancias)
garantizando la mayor exactitud posible del sensado. Se opta por resistores de elevado
valor (del orden de ), evitando de este modo corrientes elevadas que pudieran generar
excesivas pérdidas en el sensado.
Seguidamente, se muestran los esquemas de los divisores de tensión empleados,
constituidos por resistencias fijas de valores de y capaces de soportar una
potencia máxima de , que provocan en todos los casos una atenuación de :
a)Tensión de entrada ( ) b)Tensión intermedia ( ) c)Tensión de salida ( )
Figura 39. a) Esquema del divisor de tensión del sensado de la tensión de entrada ( ); b) Esquema del divisor de
tensión del sensado de la tensión intermedia ( ); c) Esquema del divisor de tensión del sensado de la tensión salida
( ).
La potencia media que disipan las resistencias es:
( )
( )
( )
( )
( )
( )
1.6.4.1.3. Drivers
El driver es el encargado de condicionar la señal lógica proveniente de la Etapa de
Control para activar la gate del respectivo MOSFET. En el presente proyecto, se
gestiona el MOSFET de cada etapa del Cargador de forma independiente.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
61
1.6.4.1.3.1. Driver Boost
En el Boost se utiliza un driver de lado bajo, tipo MCP1407 de la compañía
Microchip®
(U2), que proporciona una corriente de pico de salida de que permite
realizar la rápida carga y descarga de la capacidad interna del MOSFET, alcanzando de
este modo el valor de tensión gate-source necesario para la conducción del MOSFET.
El montaje circuital se representa en la Figura 40.
Figura 40. Montaje circuital del driver MCP1407 para la etapa Boost.
A la hora de realizar el montaje se tienen en cuenta las siguientes consideraciones. Se
alimentan los pines 1 y 8 el driver a para tener una tensión de activación del
MOSFET de aproximadamente dicho valor. Además, se colocan condensadores de
desacoplo de película de poliéster (C7) y (C8), para filtrar posibles perturbaciones y
mantener la alimentación estable, así como se prevé de posible espacio para la
colocación de resistencias entre la alimentación y masa (R6) con el fin de eliminar el
posible ruido que pudiera ocasionarse a consecuencia de la longitud de las pistas de
alimentación. Entre la gate del MOSFET y masa, se añade un diodo Zener (D3) con
tensión nominal de que lo protege de sobretensiones y una resistencia (R8) de
que ejerce de resistencia de pull-down, para ayudar a descargar la puerta del
transistor en estado de no conducción (OFF). Finalmente, se coloca entre la salida del
driver (pines 6 y 7) y la puerta del transistor, una resistencia (R7) de para limitar la
corriente procedente del driver hacía el transistor.
1.6.4.1.3.2. Driver Buck
El driver utilizado en el Buck es el IR2125Pcb de la compañía Infineon®
(U3), que
ofrece una corriente de salida suficientemente elevada ( ) para realizar una rápida
carga y descarga de la capacidad del gate del MOSFET, garantizando el valor de
tensión gate-source necesario para su activación. El montaje circuital se representa en la
Figura 41.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
62
Figura 41. Montaje circuital del driver IR2125Pcb para la etapa Buck.
A la hora de realizar el montaje se tienen en cuenta las siguientes consideraciones,
basándonos principalmente en [6]. Se alimenta el pin 1 del driver a para para
tener una tensión de activación del MOSFET de aproximadamente dicho valor.
Además, se colocan condensadores de desacoplo de película de poliéster (C16), (C17) y
(C18) para filtrar las posibles perturbaciones y mantener la alimentación del driver
estable, así como se prevé de posible espacio para la colocación de resistencias entre
alimentación y masa (R14) con el fin de eliminar el posible ruido que pudiera
ocasionarse. Entre la puerta y el surtidor del MOSFET, se añade un diodo Zener (D5)
con tensión nominal de que lo protege de sobretensiones y una resistencia (R16) de
que ejerce de resistencia de pull-down, para ayudar a descargar la puerta del
transistor en estado de no conducción (OFF). Finalmente, se coloca entre la salida del
driver (pin7) y la puerta del transistor, una resistencia (R15) de para limitar la
corriente procedente del driver hacía el transistor. Se dota al integrado de una circuitería
exterior denominada Bootstrap, compuesta de un diodo y un condensador, necesaria en
la alimentación de la puerta del MOSFET flotante (MOSFET de lado alto). Por un lado,
el diodo (D4) escogido es el BYV26C de la compañía Vishay®
, un fast switching diode
capaz de soportar una tensión en inversa superior a la tensión aplicada en el drain del
transistor durante el periodo en que el MOSFET conduce. Por otro lado, el valor
mínimo del condensador es calculado mediante la siguiente expresión, proporcionada
por [6]:
[
]
( )
Donde:
: Gate charge of high-side MOSFET, en .
: Frequency of operation, en . : Bootstrap circuit leakage current, en .
: Maximum bootstrap circuit quiescent current, en .
: Supply voltage of gate driver, en .
: Forward voltage drop across the bootstrap diode, en .
: Minimum gate-source voltage, en .
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
63
Sustituyendo, se obtienen los siguientes valores:
*
+
Se opta por el uso en paralelo de dos condensadores (C20) y (C21) de película de
poliéster de , resultando una capacidad total de . Además, se prevé de posible
espacio para la colocación de nuevos condensadores, en caso de ser necesarios.
Finalmente, recomendado por el fabricante, se decide colocar un diodo Zener (D8) con
tensión nominal de en paralelo con el condensador Bootstrap , para evitar
posibles eventos de sobretensión.
1.6.4.1.4. Fuente de Alimentación +5 VDC
Tal y como se ha descrito en el Apartado “1.5.1. Descripción y Funcionamiento
del Sistema” del presente Documento Básico, la existencia de una carga que debe ser
alimentada a una tensión de , hace necesaria la integración de una fuente lineal
regulada en bornes de salida del Cargador. Con el fin de obtener dicho valor de tensión
continua, la tensión de la batería es filtrada por un condensador de película de poliéster
(C28) de . Esta alimentación en continua es regulada por el regulador lineal 7805
(U5). Seguidamente, se coloca un condensador de película de poliéster (C29) de ,
donde a su salida se obtiene la tensión deseada.
Figura 42. Esquema circuital de la Fuente de Alimentación regulada.
1.6.4.1.5. Componentes Adicionales del Boost
En la etapa Boost, se decide colocar una rama que sólo actua en el momento de la puesta
en marcha, constituida por una resistencia (R9) de valor muy pequeño (del orden de
) y un diodo Schottky MBR30H100CTG de la compañía ON Semiconductor®
(D1).
Dicha rama une el nodo de entrada con el nodo intermedio, permitiendo realizar una
precarga del Condensador Intermedio ( ), además de reducir los picos de corriente que
se originan en el momento del arranque del sistema, que pudieran afectar al sensor de
corriente del Boost. Por otro lado, se dispone una resistencia de (R10) a la salida de
la etapa Boost (conectada entre el nodo intermedio y masa) en paralelo con el conjunto
que forma el . La función de dicha resistencia es evitar que, en caso de ocasionarse
algún defecto en el convertidor Buck, el convertidor Boost no trabaje sin carga, así como
facilitar la descarga del sobrepico de tensión que se ocasiona en el nodo intermedio del
Cargador, una vez el Control interrumpe la carga de la batería al detectar que se ha
completado totalmente el proceso.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
64
1.6.4.2. Etapa de Control
En esta sección se describe el diseño de la PCB que conforma el control analógico
que permite realizar los cálculos de las superficies propuestas, a partir de las cuales se
generan las señales de gate de los diferentes MOSFETs. Además, se aprovecha esta
placa para la generar la alimentación simétrica de .
Referente a los criterios de diseño, únicamente destacar que se añaden condensadores de
desacoplo entre las alimentaciones y masa de los diferentes Circuitos Integrados.
Seguidamente, se muestra una fotografía de la Etapa de Control del Cargador:
Circuito de Control_1:
Generación de ±15 V
Circuito de Control_2: Control del Boost
Circuito de Control_3: Control del Buck
Figura 43. Fotografía de la Etapa de Control del Cargador, donde se diferencian: 1)Control_1→ Fuente de
Alimentación de ; 2)Control_2→Control del convertidor Boost; 3)Control_3 → Control del convertidor
Buck.
Se observa en la Figura 43 que la Etapa de Control, pese a implementarse en una única
PCB, puede dividirse en tres secciones claramente diferenciadas:
- Control_1: Se encarga de generar a partir de la tensión proveniente del devanado
auxiliar del transformador, la alimentación simétrica de .
- Control_2: Se realiza el control completo del Boost. Resultado de la diferencia
entre un valor de referencia determinado en y la tensión intermedia
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
65
( ), mediante un controlador PI y un posterior Notch Filter se obtiene la
conductancia emulada ( ). Dicho valor de conductancia multiplicado por la
tensión de entrada ( ) permite el cálculo de la superficie de deslizamiento.
- Control_3: Se realiza el control completo del Buck. Resultado de la diferencia
entre un valor de referencia considerado en (valor de tensión que
alcanza la batería en hallarse completamente cargada) y la tensión de salida
( ), mediante un controlador PI y un diodo Zener ajustable a través de un
divisor de tensión que incorpora un potenciómetro, se obtiene el valor de la
corriente de carga de la batería que permite el cálculo de la superficie de
deslizamiento.
1.6.4.2.1. Circuito de Control_1: Fuente de Alimentación de ±15 VDC
La gran mayoría de los componentes que conforman el control del Cargador
(drivers, sensores de corriente, AOs, mutliplicador, comparadores, etc.) necesitan ser
alimentados con una tensión simétrica continua de . Por su sencillez y
estabilidad, se implementa una fuente lineal regulada alimentada a través de un
bobinado auxiliar del transformador. El bobinado suministra una tensión alterna que es
rectificada mediante un puente de diodos (D2).
Figura 44. Schematic de la etapa de Control_1.
Con el fin de obtener la tensión continua de , la tensión rectificada es filtrada
por un condensador electrolítico (C52) de en paralelo con un condensador de
poliéster de (C54). Esta alimentación es regulada por el regulador lineal 7815
(U20). Seguidamente, se conecta un condensador de película de poliéster (C56) de ,
donde a su salida se obtiene la tensión deseada. Por otro lado, para la consecución de la
tensión de , la tensión rectificada es filtrada por un condensador electrolítico
(C53) de en paralelo con un condensador de poliéster de (C55). Esta
alimentación es regulada por el regulador lineal 7915 (U21). Seguidamente, se coloca
un condensador de película de poliéster (C57) de , donde a su salida se obtiene la
tensión deseada.
Se habilitan conectores en ambas placas, con la finalidad de transferir desde la PCB de
Control a la de Potencia la tensión simétrica continua de obtenida.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
66
1.6.4.2.2. Circuito de Control_2: Control del Boost
Seguidamente, se describen los diferentes bloques que conforman el Circuito de
Control_2, donde se lleva a cabo el control de la primera etapa (Boost) del Cargador.
1.6.4.2.2.1. Bloque del Compensador Proporcional-Integral (PI_1)
Básicamente, la función de este bloque es establecer el valor de la conductancia
emulada previa al paso por el Notch Filter ( ), necesaria en la superficie de
deslizamiento para obtener la tensión y potencia deseadas a la salida del Boost.
Mediante los AOs MC33078P (U1), (U2) y (U3) de la compañía Texas Instrument®
alimentados a se establece el siguiente esquema circuital para implementar el
lazo de control de tensión intermedia y el controlador PI_1.
Figura 45. Esquema del bloque Controlador PI_1.
Obtención del Error1
Primeramente, se obtiene el Error1 ( ) (señal de entrada del controlador PI_1)
de la diferencia entre la tensión intermedia de referencia (que podrá ser ajustada
por el usuario) y la tensión intermedia sensada ( ) proveniente de la Etapa de
Potencia. La tensión intermedia sensada representa un tercio de su valor real
[ ( ) ( ) ] a consecuencia del divisor de tensión aplicado (véase Apartado
“1.6.4.1.2. Sensado de Tensión” del presente Documento Básico). Por este motivo, se
aplica a la tensión de referencia intermedia el mismo factor de atenuación,
siendo de este modo .
El valor de la tensión intermedia de referencia se obtiene mediante la realización
de un simple divisor de tensión (véase Figura 46), alimentado por provenientes
de la alimentación (Control_1), constituido por dos resistencias fijas de valor de
(R2) y de (R4) y un potenciómetro de (R3), que permite regular dicho
parámetro, otorgando al sistema un mayor grado de flexibilidad.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
67
+
_
+15 VDC
R2=510
R3=2k
R4=1.5k
0
1
X
vm_REF
Cumpliéndose:
( )
( )
Es para
En base a la expresión ( ), la tensión intermedia de
referencia tomará valores comprendidos entre:
*Aplicar un factor 3 para conocer valor de tensión intermedia en la Etapa de
Potencia.
Figura 46. Bloque de regulación de la tensión de referencia .
Tanto el valor de como ( ) pasan a través de un AO seguidor de tensión
(U1). Con el fin de obtener el Error1, para realizar la diferencia de la tensión intermedia
de referencia y la tensión intermedia sensada ( ) se recurre al uso del AO
MC33078P (U2A) conjuntamente con las resistencias (R6), (R7), (R8) y (R9) de valor
de (dispuestas tal y como se muestra en la Figura 45) para formar una etapa
Amplificadora Diferencial.
Planta del Controlador PI_1
El controlador PI_1 regula la resistencia emulada del LFR para transferir la
potencia deseada a la segunda etapa (Buck), estableciendo un valor medio de tensión a
la salida del Boost constante (según el valor de tensión de referencia deseado).
En el dominio temporal, la planta debe de cumplir la siguiente expresión genérica
propia del compensador Proporcional-Integral, que trasladada al dominio en el campo s
mediante la Transformada de Laplace, presenta la siguiente forma:
( ) ( ) ∫ ( )
( ) ( ) ( )
( )
Siendo ( ) la diferencia entre la señal de referencia y la sensada, y y las
variables proporcional e integral del controlador PI_1, respectivamente.
En el presente proyecto, se utiliza un compensador PI [7], que incorpora dos
potenciómetros que permiten regular de forma independiente la constante de
proporcionalidad y la constante de integración . Seguidamente, se muestra el
circuito analógico implementado (véase Figura 47), para determinar la dependencia de
las variables y en función de los elementos pasivos que conforman el
controlador:
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
68
_+
_+
_+
E1(s)Gpre(s)
R10
R11
R13
C7
R15
R12
R14
Figura 47. Esquema circuital analógico del compensador PI_1.
Se realiza el análisis del circuito, donde se obtiene la siguiente función de transferencia
del Controlador PI_1:
( )
( ) (
*
(
*
( )
De la expresión ( ), se desprende:
Con el uso del compensador Proporcional-Integral se obtiene suficiente precisión para
realizar el control de una batería, dado que extrapolando ésta a un concepto de carga, no
sufrirá notables variaciones en cortos espacios de tiempo. Por tanto, no es necesaria una
constante de tiempo muy rápida para corregir el error. Los valores más adecuados de las
variables y se seleccionan en base al Criterio de Estabilidad de Routh (véase
Apartado “1.6.2.1.3.7. Obtención de los Márgenes de Estabilidad en Lazo Cerrado” del
presente Documento Básico) y a diferentes simulaciones del Boost mediante el software
PSIM, hasta obtener la conductancia emulada deseada a la salida del compensador PI_1,
donde se ha podido observar en las expresiones ( ) y ( ), el valor de conductancia en
régimen estacionario para realizar la carga de la batería a una corriente de es de
aproximadamente . Se obtiene:
Figura 48. Gráfica de la conductancia emulada ( ) en la salida del compensador PI para y ,
trabajando el cargador a máxima potencia.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
69
Todo y esto, a la práctica se acabarán de ajustar dichos parámetros mediante los
potenciómetros instalados, hasta conseguir un funcionamiento adecuado del sistema.
Para conseguir mayor comodidad en la regulación de los parámetros, se instala un
interruptor (SW1) que permita cortocircuitar el condensador del integrador (C7).
1.6.4.2.2.2. Notch Filter
Tal y como se ha comentado en diferentes Apartados del presente Documento
Básico, existe un equilibrio entre la tensión y la corriente en el puerto de entrada del
Cargador para la consecución del PFC. De hecho, la corrección del factor de potencia a
priori sólo puede lograrse si la conductancia emulada ( ) es constante [5],
consiguiéndose de este modo la proporcionalidad y fase requerida entre ambas señales.
Volviendo a la Figura 48 y analizando la simulación, se desprende que la conductancia
emulada a la salida del compensador PI_1 ( ) se trata de un valor continuo que
crece a medida que aumenta la tensión en bornes de la batería ( ) (a consecuencia
del proceso de carga), con un ligero rizado de y en menor medida de las
componentes armónicas siguientes. Para eliminar este efecto se considera necesaria la
introducción de un filtro que reduzca el paso, principalmente, de la componente
armónica fundamental. Si bien pudiera haber sido utilizado un simple Filtro Paso Bajos,
se decide finalmente implementar un Band Stop Filter, que como su propio nombre
indica, transmite todas las señales de frecuencia excepto aquellas que se encuentran
dentro de una banda o rango específico.
Este tipo de filtro, también conocido como Notch Filter, se sintoniza para no permitir el
paso de un rango de señales que se encuentren comprendidas entre dos valores de
frecuencias, denominadas frecuencia de corte superior e inferior, que se establecen en
y respectivamente, permitiendo idealmente una atenuación infinita de la
componente armónica principal de . El diseño del Notch Filter más común es el
doble T, que en su forma más básica consta de dos ramas RC (Figura 49.a). Se puede
realizar una mejora del filtro aplicando una retroalimentación positiva conectada en la
unión de y , en vez de conectar directamente este punto a masa [8]. Mediante la
señal de realimentación, variable según la ganancia del divisor de tensión
implementado, se podrá ajustar el valor de (véase Figura 49.b).
a) b)
RGpre(s)
C
R
C
R/22C
G(s)
_+
G(s)RGpre(s)
C
R
C
R/22C RB
RA
Figura 49. a) Esquema circuital de un Notch Filter Doble T básico; b) Esquema circuital de un Notch Filter Doble T
con realimentación.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
70
Seguidamente, se analiza el circuito analógico implementado del cual se obtiene una
expresión que se iguala a la función genérica propia del Notch Filter, por tal de
determinar los valores de los elementos pasivos que forman el filtro:
( )
( )
( )
( ) ( ) (
)
( )
Siendo:
( )
Para el diseño del Notch Filter, cuyas frecuencias de corte han sido determinadas con
anterioridad, volviendo a la expresión ( ), si se decide utilizar como valor de un
condensador de , el valor de la resistencia a emplear es de:
( )
Siendo el valor de :
( )
El valor de puede ser calculado mediante la siguiente expresión:
( )
Basándonos en el resultado obtenido en la expresión ( ), y asumiendo un valor de
, volviendo a la expresión ( ) se calcula el valor de la resistencia :
( )
Finalmente, resulta el siguiente esquema circuital que representa el Notch Filter,
constituido a partir de un AO seguidor de tensión (U4), condensadores de película de
poliéster y resistencias de alta precisión de (R16), (R18), (R20) y (R22), de
(R17), (R19), (R21), (R23) y (R25) y de (R27). Destacar que, en el divisor de
tensión del lazo de realimentación se prevé de espacio para la colocación de un resistor
(R26) que permita ajustar el valor de del Notch Filter, en caso de ser necesario.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
71
Figura 50. Esquema del Notch Filter.
Con el fin de determinar la eficacia del filtro diseñado, se realiza la simulación del
Boost mediante el software PSIM, donde se visualizan la señal de conductancia emulada
previa al paso por el Notch Filter ( ) y el valor conductancia emulada ( ) a la
salida del Notch Filter (Figura 51).
Figura 51. Gráficas de los valores de conductancia emulada ( ) y ( ).
1.6.4.2.2.3. Obtención de K1=G*Vg
Figura 52. Esquema del multiplicador AD633 y los posteriores bloques empleados para la obtención de .
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
72
Primeramente, se obtiene la tensión de entrada sensada ( ) proveniente de
la Etapa de Potencia, que representa un tercio de su valor real [ ( ) ( ) ] a
consecuencia del divisor de tensión aplicado (véase Apartado “1.6.4.1.2. Sensado de
Tensión” del presente Documento Básico). Dicha señal pasa a través de un AO seguidor
de tensión (U6A).
Para realizar el producto de la conductancia emulada ( ) y la tensión de entrada
rectificada sensada ( ) se recurre al multiplicador analógico AD633 de la
compañía Analog Devices®
(U5). En base al datasheet proporcionado por el fabricante,
la expresión que se obtiene en el pin 7 ( ) es:
[ ] [ ]
( )
Se consigue el producto deseado introduciendo en el pin 1 ( ) el valor de la tensión de
entrada rectificada sensada ( ) y en el pin 3 ( ) el valor de conductancia ( ),
procedente del PI_1 y el Notch Filter. Los pines 2, 4, 6 se conectan a masa. De la
expresión ( ), resulta:
[ ( ) ] [ ( ) ]
( ) ( )
Se puede observar que el multiplicador aplica una atenuación de en la señal de
salida. Además, se debe de considerar la atenuación de de la señal de la tensión de
entrada sensada ( ) a consecuencia del divisor de tensión mediante el cual se
realiza el sensado de tensión en la Etapa de Potencia. Asimismo, tal y como se
comentará en el Apartado “1.6.4.2.2.6. Amplificación de la Corriente Sensada
(iL1_sens→ iL1_comp)” del presente Documento Básico, el sensado de corriente de la
bobina del Boost introducirá una nueva atenuación en el sistema de . Por
simplicidad, se decide ajustar todo este conjunto de atenuaciones en un mismo punto.
Para ello, se implementa una estructura Amplificadora No Inversora de ganancia
(Figura 53), constituida por un AO MC33078P (U6B), una resistencia fija de
(R31) y un potenciómetro (R30) de , que permite regular la ganancia requerida,
otorgando al sistema un mayor grado de flexibilidad.
_+
R31=12k
W K1PRE
R30=2k
0 1X
Cumpliéndose:
(
* ( )
Siendo para ⁄
Figura 53. Bloque de la etapa Amplificadora No Inversora de ganancia .
Posterior a la etapa Amplificadora No Inversora, se coloca un limitador o recortador,
que se trata de un circuito constituido por una resistencia y un diodo que eliminan
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
73
tensiones superiores a un valor determinado, con el fin de que no lleguen a un
determinado punto del control. En esta aplicación se pretende evitar tensiones positivas
de más de , así como tensiones negativas. Mediante el diodo Zener BZX85C10 de la
compañía Fairchild Semiconductor®
(D1) y la resistencia limitadora fija de valor de
(R32), en la disposición que se muestra en la Figura 52, se consigue dicho
objetivo. Se debe de tener en cuenta que la resistencia limitadora presenta un valor
inferior al posterior conjunto de resistencias que complementan la etapa de control del
Boost. De este modo, la caída de tensión en dicha resistencia limitadora es
prácticamente nula (pudiendo ser despreciada). Finalmente, el valor de tensión
resultante pasa a través de un AO seguidor de tensión (U7A).
1.6.4.2.2.4. Obtención y Regulación de los Valores de Histéresis (delta1 y –delta1)
Figura 54. Esquema del bloque de obtención y regulación de los valores de y del control del Boost.
Se controla la superficie de deslizamiento con unos valores de histéresis
constantes. Por ello, en primer lugar, se obtiene el valor positivo de tensión de histéresis
mediante la realización de un simple divisor de tensión (Figura 55), alimentado
por provenientes de la alimentación (Control_1), constituido por dos
resistencias fijas de (R84) y de (R86) y un potenciómetro de (R85),
que permite regular dicho parámetro de control, otorgando al sistema un mayor grado de
flexibilidad.
R84=18k
R85=2k
+
_
+15 VDC
0
1
X
R86=100 delta1
Cumpliéndose:
( )
( )
Es para 0.849
En base a la expresión ( ), podrá tomar valores
comprendidos entre:
*Aplicar un factor 1/0.3 para conocer valor de tensión de histéresis en la Etapa de
Potencia, a consecuencia de la compensación de las diferentes atenuaciones y ganancias del
sistema.
Figura 55. Bloque de obtención y regulación de .
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
74
El valor de pasa a través de un AO MC33078P (U18A) seguidor de tensión.
Posteriormente, se aplica una etapa Amplificadora Inversora para obtener el valor
negativo de histéresis . Dicha etapa inversora se realiza mediante un AO
MC33078P (U18B) y un conjunto de resistencias fijas de (R88) y (R89),
dispuestas tal y como se muestra en la Figura 54. Por tanto, el valor de tensión que se
obtiene es exactamente el mismo en magnitud, pero con signo opuesto.
1.6.4.2.2.5. Obtención de los Límites de la Superficie de Deslizamiento
a) b)
Figura 56. a) Esquema del bloque de obtención del valor límite inferior de la superficie de deslizamiento;
b) Esquema del bloque de obtención del valor límite superior de la superficie de deslizamiento.
Para definir el valor límite inferior de la superficie de deslizamiento, se recurre al
uso del AO MC33078P (U8A) y las resistencias fijas (R35), (R36), (R37) y (R38) de
valor de que dispuestas en la configuración mostrada en la Figura 56.a, permiten
constituir un bloque Amplificador Diferencial, del cual se extrae un valor de tensión
[ ( )].
De forma análoga, se obtiene el valor límite superior mediante la utilización del AO
MC33078P (U8B) y las resistencias fijas (R39), (R40), (R41) y (R42) de valor de ,
formando un bloque Amplificador Diferencial (véase Figura 56.b), del cual se extrae un
valor de tensión [ ( )] [ ( )].
1.6.4.2.2.6. Amplificación de la Corriente Sensada (iL1_sens→ iL1_comp)
Figura 57. Esquema del bloque de amplificación de la corriente sensada ( ).
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
75
La corriente sensada ( ) procedente de la Etapa de Potencia se transforma
en una señal de tensión proporcional ( ) mediante la resistencia de sensado
referenciada a masa (R43), aplicada en el pin 5 del AO MC33078P
(U7B). Dicha señal de tensión presenta el siguiente valor:
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
De la expresión ( ) se desprende que real de corriente en la bobina del Boost
representa de sensado. Siendo , se alcanza un valor máximo de
. Debido a que los operacionales se alimentan a , éstos no
entrarán en saturación. Tal y como se ha descrito en el Apartado “1.6.4.2.2.3. Obtención
de K1=G*Vg” del presente Documento Básico, esta atenuación que impone el sensado
de la corriente ha sido compensada con anterioridad, motivo por el cuál no es necesaria
la introducción de una etapa Amplificadora No Inversora posterior a la transformación
de la corriente sensada en un valor de tensión. Simplemente el valor de ( ) pasa
a través de un AO seguidor de tensión (U7B), cuya función es la adaptación de
impedancias, para no recibir medidas inexactas del sensado.
1.6.4.2.2.7. Comparación con los Límites de Superficie y Báscula J-K
Figura 58. Esquema del comparador LM319N y la Báscula J-K CD4027BE para realizar la conmutación del
MOSFET del Boost.
Esta etapa se emplea para efectuar la conmutación del MOSFET del Boost. El
funcionamiento se basa en la siguiente expresión:
( ) ,
( ) ( )
( ) ( ) ( )
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
76
Es decir, cuando el valor de corriente de la bobina sobrepasa el límite superior de la
superficie, se produce la desactivación del MOSFET. Por el contrario, cuando cae por
debajo del límite inferior, se produce la activación del MOSFET.
Para implementar esta función se emplea el comparador LM319N de la compañía
Fairchild Semiconductor®
(U9) y la báscula J-K CD4027BE de la compañía Texas
Instrument® (U10A). En el comparador, la señal de ( ) es comparada con
( ) y ( ). Para la báscula se emplean 2 entradas y 1 salida. Las
entradas son el pin 4 que contiene la función y el pin 7 que contiene la función
. En el pin 1 de salida ( ) se produce la señal ( ). El
funcionamiento es el siguiente:
- Si se produce la inecuación ( ) ( ) se activa el valor lógico
“1” en el de la báscula, que simultáneamente equivale a un “0” lógico en
la señal en la salida de la báscula.
- De forma dual, si ( ) ( ) se activa el valor lógico “1” en el
de la báscula, que equivale a un “1” lógico de la señal .
La báscula CD4027BE obedece la siguiente tabla de la verdad (Tabla 10). Destacar que,
en el caso y , no se produce cambio de estado en , quedando en
memoria el anterior estado. Por otra parte, si se produce una activación simultánea del
y , tendría prioridad el .
SET RESET
0 0 ( )
0 1 0
1 0 1
1 1 1
Tabla 10. Tabla de la verdad de la Báscula J-K CD4027BE.
El comparador está alimentado con y la báscula a y masa. De esta
manera, tanto en el comparador como en la báscula, un “1” lógico son
aproximadamente , y un “0” lógico valores cercanos a los . Finalmente, las
señales y masa en los terminales del conector (X4), se transmiten a la entrada del
driver del Boost en la Etapa de Potencia.
1.6.4.2.3. Circuito de Control_3: Control del Buck
Seguidamente, se describen los diferentes bloques que conforman el Circuito de
Control_3, donde se lleva a cabo el control de la segunda etapa (Buck) del Cargador.
1.6.4.2.3.1. Bloque del Compensador Proporcional-Integral (PI_2)
Básicamente, la función de este bloque es suministrar corriente a la batería para
realizar el proceso de carga, así como interrumpir la entrega de dicha corriente mediante
la detección del nivel de tensión máxima de carga en bornes de salida del cargador,
según la referencia considerada.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
77
Mediante los AOs MC33078P (U11), (U12) y (U13) alimentados a , se establece
el siguiente esquema circuital para implementar el lazo de control de tensión de salida y
el controlador PI_2.
Figura 59. Esquema del bloque Controlador PI_2.
Obtención del Error2
Primeramente, se obtiene el Error2 ( ) (señal de entrada del PI_2) de la
diferencia entre la tensión de referencia de salida (que podrá ser ajustada por el
usuario) y la tensión de salida sensada ( ) proveniente de la Etapa de Potencia.
La tensión de salida sensada representa un tercio de su valor real [ ( )
( ) ] a consecuencia del divisor de tensión aplicado (véase Apartado “1.6.4.1.2.
Sensado de Tensión” del presente Documento Básico). Por este motivo, la tensión de
referencia de salida del control, que representa el nivel de tensión en bornes de
la batería cuando ésta se encuentra cargada completamente, se le aplica el mismo factor
de atenuación, siendo de este modo .
El valor de la tensión de salida de referencia se obtiene mediante la realización
de un simple divisor de tensión (véase Figura 60), alimentado por provenientes
de la alimentación (Control_1), constituido por dos resistencias fijas de valor de
(R50) y de (R52) y un potenciómetro de (R51), que permite regular dicho
parámetro, otorgando al sistema un mayor grado de flexibilidad.
+
_
+15 VDC
R52=510
R51=2k
R50=1.5k
0
1
X
vbat_REF
Cumpliéndose:
( )
( )
Es para 0.5867
En base a la expresión ( ), la tensión de salida de referencia
tomará valores comprendidos entre:
*Aplicar un factor 3 para conocer valor de tensión intermedia en la Etapa
de Potencia.
Figura 60. Bloque de regulación de la tensión de referencia .
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
78
Tanto el valor de como ( ) pasan a través de un AO seguidor de tensión
(U11). Con el fin de obtener el Error2, para realizar la diferencia de la tensión de salida
de referencia y la tensión de salida sensada ( ) se recurre al uso del AO
MC33078P (U12A) conjuntamente con las resistencias (R54), (R55), (R56) y (R57) de
valor de (dispuestas tal y como se muestra en la Figura 59) para formar una etapa
Amplificadora Diferencial.
Planta del Controlador PI_2
En el dominio temporal, la planta debe de cumplir la siguiente expresión genérica
propia del compensador Proporcional-Integral, que trasladada al dominio en el campo s
mediante la Transformada de Laplace, presenta la siguiente forma:
( ) ( ) ∫ ( )
( ) ( ) ( )
( )
Siendo ( ) la diferencia entre la señal de referencia y la sensada, y y las
variables proporcional e integral del controlador PI_2, respectivamente.
Tal y como se muestra en la Figura 61, se recurre a la misma estructura de
Compensador Proporcional-Integral empleada en la etapa Boost, dado que al tratarse de
un prototipo experimental, resulta conveniente poder regular de forma independiente las
constantes y .
_+
_+
_+
R58
R59
R61
C35
R63
R60
R62
E2(s)K2PRE(s)
Figura 61. Esquema circuital analógico del compensador PI_2.
Se realiza el análisis del circuito, donde se obtiene la siguiente función de transferencia
del Controlador PI_2:
( )
( ) (
*
(
*
( )
De la expresión ( ), se desprende:
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
79
Destacar que la sintonización del Controlador PI_2 mediante el ajuste de sus parámetros
y no pretende lograr un comportamiento del sistema en conformidad con algún
criterio de desempeño concreto, sino que dicho controlador simule el comportamiento
de un interruptor de fin de carga. Con el fin de obtener este propósito, tal y como se ha
comentado en el Apartado “1.6.2.2.3.2. Superficie de Deslizamiento” del presente
Documento Básico, se fuerza la aparición del fenómeno de windup, provocando la
saturación del controlador. Por otro lado, cuando el error ( ) pasa a ser negativo, el
controlador PI_2 sale de forma progresiva de su estado de saturación. Finalmente,
cuando dicho error alcanza un valor nulo, deja de entregar corriente a la batería,
cumpliendo de este modo los requisitos de diseño impuestos.
Los valores más adecuados de las variables y se seleccionan en base al Criterio
de Estabilidad de Routh (véase Apartado “1.6.2.2.3.7. Obtención de los Márgenes de
Estabilidad en Lazo Cerrado” del presente Documento Básico) y a diferentes
simulaciones del Buck mediante el software PSIM, siendo en este caso y
. Todo y esto, a la práctica se acabarán de ajustar dichos parámetros
mediante los potenciómetros instalados.
1.6.4.2.3.2. Obtención de K2
Figura 62. Esquema del bloque de regulación de .
Mientras se realiza el proceso de carga (señal de salida del compensador saturada
de ) es posible regular el valor de tensión (que se traduce en la magnitud de
corriente que se entrega a la batería) entre valores comprendidos de
mediante la implementación de un circuito constituido por un diodo Zener regulable
(U14), una resistencia de valor fijo de (R64), dos resistencias fijas en serie (R66) y
(R67) de las que resulta un valor de y un potenciómetro de (R65).
El valor deseado de se obtiene ajustando el potenciómetro (R65), en base a la
expresión ( ), siendo :
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
80
(
* (
) ( ) (
* ( )
Previo al montaje de dicha estructura circuital, se debe asegurar para los diferentes
valores del rango entre los cuales se realiza la regulación de , que el valor de corriente
que circula por el cátodo del diodo Zener es superior al recomendado por el fabricante
en el datasheet ( ), para garantizar el correcto funcionamiento del
componente, tomando por precaución un valor superior a .
Posterior a la regulación de , el valor obtenido pasa a través de un AO MC33078P
(U15A) seguidor de tensión.
1.6.4.2.3.3. Obtención y Regulación de los Valores de Histéresis (delta2 y –delta2)
Figura 63. Esquema del bloque de obtención y regulación de los valores de y – del control del Buck.
Se controla la superficie de deslizamiento con unos valores de histéresis
constantes. Para ello, en primer lugar, se obtiene el valor positivo de tensión de
histéresis mediante la realización de un simple divisor de tensión (Figura 64),
alimentado a provenientes de la alimentación (Control_1), constituido por dos
resistencias fijas de (R90) y de (R92) y un potenciómetro de (R91),
que permite regular dicho parámetro de control, otorgando al sistema un mayor grado de
flexibilidad.
R90=18k
R91=2k
+
_
+15 VDC
0
1
X
R92=100 delta2
Cumpliéndose:
( )
( )
Es para
En base a la expresión ( ), podrá tomar valores
comprendidos entre:
*El valor de en la Etapa de Potencia será el mismo, a consecuencia de la
compensación de las diferentes atenuaciones y ganancias impuestas por el sistema.
Figura 64. Bloque de la regulación de .
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
81
El valor de pasa a través de un AO MC33078P (U19A) seguidor de tensión.
Posteriormente, se aplica una etapa Amplificadora Inversora para obtener el valor
negativo de histéresis . Dicha etapa inversora se realiza mediante un AO
MC33078P (U19B) y un conjunto de resistencias fijas de (R94) y (R95),
dispuestas tal y como se muestra en la Figura 63. El valor de tensión que se obtiene es
igual en magnitud, pero de signo opuesto.
1.6.4.2.3.4. Obtención de los Límites de la Superficie de Deslizamiento
a) b)
Figura 65. a) Esquema del bloque de obtención del valor límite inferior de la superficie de deslizamiento;
b) Esquema del bloque de obtención del valor límite superior de la superficie de deslizamiento.
Para definir el valor límite inferior de la superficie de deslizamiento, se recurre al
uso del AO MC33078P (U16A) y las resistencias fijas (R70), (R71), (R72) y (R73) de
valor de que dispuestas en la configuración mostrada en la Figura 65.a, permiten
constituir un bloque Amplificador Diferencial, del cual se extrae el valor de tensión
[ ( )].
De forma análoga, se define el valor límite superior, mediante la utilización del AO
MC33078P (U16B) y las resistencias fijas (R74), (R75), (R76) y (R77) de ,
formando un bloque Amplificador Diferencial (véase Figura 65.b), del cual se extrae el
valor de tensión [ ( )] [ ].
1.6.4.2.3.5. Amplificación de la Corriente Sensada (iL2_sens→ iL2_comp)
Figura 66. Esquema del bloque de amplificación de la corriente sensada ( ).
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
82
La corriente sensada ( ) procedente de la Etapa de Potencia se transforma
en una señal de tensión proporcional ( ) mediante la resistencia de sensado
referenciada a masa (R78), aplicada en el pin 5 del AO MC33078P
(U15B). Dicha señal presenta el siguiente valor:
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
De la expresión ( ) se desprende que real de corriente en la bobina del Buck,
representa de sensado. Siendo , se alcanza un valor máximo de
. Dado que los operacionales se alimentan a , éstos no
entrarán en saturación. Por este motivo se decide aprovechar dicho margen de tensión
del operacional para compensar, mediante una ganancia de factor 2 sobre la señal
( ), la atenuación que se introduce en el sistema a consecuencia del sensado
de la corriente de la bobina del Buck, preservando que el operacional no entre en
saturación cuando ( ) sea máxima. Así pues:
( ) ( ) ( ) ( )
Por este motivo, se conforma una etapa Amplificadora No Inversora mediante un AO
MC33078P (U15B) y dos resistencias fijas de (R79) y (R96), dispuestas tal y como
se muestra en la Figura 67. _+
R79=1k
viL2_comp(t)
R96=1k
viL2_pre_comp(t)
Cumpliéndose:
( ) ( ) ( * ( )
Figura 67. Bloque de la etapa Amplificadora No Inversora de ganancia .
1.6.4.2.3.6. Comparación con los Límites de Superficie y Báscula J-K
Figura 68. Esquema del comparador LM319N y la Báscula J-K CD4027BE para realizar la conmutación del
MOSFET del Buck.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
83
Esta etapa se emplea para efectuar la conmutación del MOSFET del Buck. El
funcionamiento se basa en la siguiente expresión:
( ) ,
( ) ( )
( ) ( ) ( )
Es decir, cuando el valor de corriente de la bobina sobrepasa el límite superior de la
superficie, se produce la desactivación del MOSFET. Por el contrario, cuando cae por
debajo del límite inferior, se produce la activación del MOSFET.
Para implementar esta función se emplea el comparador LM319N (U17) y la báscula J-K
CD4027BE (U10B). En el comparador, la señal de ( ) es comparada con
( ) y ( ). Para la báscula se emplean 2 entradas y 1 salida. Las
entradas son el pin 12 que contiene la función y el pin 9 que contiene la función
. En el pin 15 de salida ( ) se produce la señal ( ). El
funcionamiento es el siguiente:
- Si se produce la inecuación ( ) ( ) se activa el valor lógico
“1” en el de la báscula, que simultáneamente equivale a un “0” lógico en
la señal en la salida de la báscula.
- De forma dual, si ( ) ( ) se activa el valor lógico “1” en el
de la báscula, que equivale a un “1” lógico en la señal .
La báscula CD4027BE obedece la siguiente tabla de la verdad (Tabla 11). Destacar que,
en el caso y , no se produce cambio de estado en , quedando en
memoria el anterior estado. Por otra parte, si se produce una activación simultánea del
y , tendría prioridad el .
SET RESET
0 0 ( )
0 1 0
1 0 1
1 1 1
Tabla 11. Tabla de la verdad de la Báscula J-K CD4027BE.
El comparador está alimentado con y la báscula a y masa. De esta
manera, tanto en el comparador como en la báscula, un “1” lógico son
aproximadamente , y un “0” lógico, valores cercanos a los . Finalmente, las
señales de y masa en los terminales del conector (X6), se transmiten a la entrada del
driver del Buck en la Etapa de Potencia.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
84
1.7. SIMULACIONES
En el presente apartado se ilustran las simulaciones efectuadas mediante el
software PSIM para validar el comportamiento del Bloque de Transformación y
Rectificación y del Cargador analizado teóricamente en los apartados anteriores. En la
Figura 69 se puede visualizar el circuito implementado para efectuar las simulaciones
del proyecto.
Destacar que para reproducir el comportamiento de la batería, se emplea una fuente de
tensión en serie con un condensador. Aclarar que dicho condensador emula el
crecimiento de tensión que se produce en una batería real conforme se va cargando. Así
pues, por tal que la simulación se ejecute en una duración razonable de tiempo que nos
permita visualizar si el lazo de control del convertidor interrumpe la carga al alcanzarse
los en bornes de la batería, el condensador presenta una capacidad de .
Obsérvese que en la simulación, el proceso de carga ocurre en menos de 0.5 segundos, y
en la práctica se extendería durante varias horas, siempre en función de la capacidad de
la batería en .
En las simulaciones se visualizan principalmente las señales de corriente en la entrada
del cargador ( ), la tensión de entrada del cargador ( ) y la conductancia emulada
( ) para demostrar el correcto funcionamiento del Boost como LFR, pudiéndose
apreciar como la tensión de entrada se encuentra en fase con la corriente de entrada, con
un factor de proporcionalidad .
Debido al comportamiento natural elevador que exhibe la primera etapa del cargador
(Boost), la tensión de salida de la etapa PFC, es decir la tensión intermedia ( ) no
podrá ser nunca inferior a la tensión de entrada. Dicha tensión se regula en torno a ,
cuyo rizado es tanto mayor como corriente carga la batería. Dicha tensión se visualiza
para asegurarse que el control funciona correctamente, y que además dicha tensión no se
descontrola excesivamente en el momento en que se interrumpe la carga de la batería, y
la segunda etapa (Buck) deja de consumir potencia de la primera, o dicho de otra forma,
el Boost queda prácticamente en circuito abierto. Como se verá, dicha tensión ( )
pudiera alcanzar en el peor caso (corriente de carga ), en el momento de
interrupción de la carga, equivalente a un sobrepico del . Luego, dicha tensión
decrece progresivamente hasta que se alcanzan de nuevo los .
Por otro lado, se muestra la corriente de salida del cargador y la tensión de salida
( ), para determinar que el control propuesto para el Buck permite la regulación de
la corriente de carga en el rango pretendido, así como detiene el suministro de ésta una
vez alcanzada la tensión en bornes que indica que la batería se halla cargada
completamente.
Las figuras siguientes (Figura 70, Figura 71 y Figura 72) validan el análisis teórico
realizado, mostrando que las leyes de control de ambos convertidores funcionan de
acuerdo a las previsiones.
Title
Designed by
Revision Page 1 of 1
Figura 70. Esquema general del sistema implementado en PSIM.
0
Figura 69. Esquema general del sistema implementado en PSIM.
10
86
La Figura 70 representa los resultados obtenidos para una corriente de carga :
Figura 70. Evolución de las señales visualizadas para una .
87
La Figura 71 representa los resultados obtenidos para una corriente de carga :
Figura 71. Evolución de las señales visualizadas para una .
88
La Figura 72 representa los resultados obtenidos para una corriente de carga :
Figura 72. Evolución de las señales visualizadas para una .
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
89
1.8. PRUEBAS EXPERIMENTALES
1.8.1. Introducción
El objetivo del presente apartado es realizar las pruebas experimentales necesarias
con el fin de obtener medidas que determinen, en diferentes modos de funcionamiento
(calculados y simulados en los capítulos anteriores), el comportamiento del prototipo
experimental del Cargador implementado. Los resultados experimentales obtenidos
permiten verificar aquellos bloques que funcionan de forma adecuada, así como analizar
puntos de mejora con vistas a la construcción de un segundo prototipo. Primeramente,
se realizan las pruebas en lazo abierto (Placa de Potencia + Carga Resistiva) para
comprobar el correcto funcionamiento de la planta, así como obtener el rendimiento.
Cerciorado el buen funcionamiento de los elementos de potencia, se realizan las pruebas
en lazo cerrado (Placa de Potencia + Placa de Control + Carga Resistiva) alimentando la
entrada a corriente continua, haciendo funcionar el Cargador en diferentes modos de
trabajo. Finalmente, se simula la conexión del prototipo completo (Bloque de
Transformación y Rectificación + Placa de Potencia + Placa de Control + Carga
Resistiva) a la Red Eléctrica y se analiza el comportamiento del Cargador a diferentes
valores de tensión de entrada, en diferentes condiciones de funcionamiento.
Pruebas
Experimentales
Comprobación del correcto
funcionamiento de la Etapa
de Potencia en Lazo
Abierto
Activación de MOSFETs
mediante generador de
funciones
Conmuta?
SI
Conmuta?
NO
Comprobación de la Etapa
de Sensado y correcto
funcionamiento en Lazo
Cerrado
Obtención del
Rendimiento en
Lazo Abierto
Comprobación de los elementos y
conexiones de la planta
Pruebas en Régimen
Permanentes
Alimentación
Cargador con
Corriente
Continua
Funciona?
NO
Funciona?
SI
Alimentación
Cargador con
Corriente
Alterna
Comprobación del
correcto funcionamiento
de los disposi tivos y
detección de problemas
debidos a perturbaciones
externas
Conclusiones
Figura 73. Diagrama de bloques correspondientes a las pruebas experimentales.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
90
1.8.2. Experimental Set Up
Figura 74. Set Up del montaje en el laboratorio.
Físicamente, la división más generalizada que se puede hacer del prototipo sería
distinguiendo entre las Placas de Potencia y de Control , el Bloque de
Transformación y Rectificación compuesto por un transformador y un puente de
diodos sujeto a un disipador térmico, y la Carga Resistiva que consta de diferentes
resistencias de potencia sujetas a un disipador térmico.
Por otro lado, los dispositivos empleados para realizar las pruebas experimentales se
muestran en la Tabla 12:
Equipo Descripción Imagen
Multimetrix® XA 3033 Fuente de alimentación DC con salida triple
Delta Elektronika® SM70-AR-24 Fuente de alimentación DC programable
ISO-TECH® GFG 2004 Generador de funciones
Tektronix® TDS3024B Osciloscopio digital
Adaptive Power Systems® FC200 Fuente de alimentación AC de alta potencia
Tabla 12. Equipos empleados en el laboratorio.
3
1
2
45
7
8
6
9
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
91
1.8.3. Sistema en Lazo Abierto con Alimentación DC y Carga Resistiva
Las pruebas experimentales del sistema en lazo abierto permiten cerciorar el
correcto funcionamiento de los elementos de potencia, así como el conexionado entre
ellos. Posteriormente, se realiza una prueba experimental que permite determinar el
rendimiento del cargador.
La alimentación de entrada del cargador es continua, fijándose a un valor aproximado
de y se coloca una Carga Resistiva a la salida del Cargador. Se realiza la
activación de los interruptores mediante dos generadores de funciones independientes.
Por un lado, se modela la activación del MOSFET del Boost a un ciclo de trabajo
y frecuencia de conmutación . Por lo que refiere a la activación
del MOSFET del Buck, se aplica un ciclo de trabajo y frecuencia de
conmutación . Se visualiza en la Figura 75 las señales de la corriente de
entrada (CH1), la tensión de entrada (CH2), la corriente de salida (CH3) y la
tensión de salida (CH4). Se obtiene:
Figura 75. Respuesta en lazo abierto del Cargador CH1: corriente de entrada (2 A/div); CH2: tensión de
entrada (20V/div); CH3: corriente de salida (2 A/div); CH4: tensión de salida (20V/div).
Al estar dispuestos en cascada, el rendimiento total del cargador es el producto de los
rendimientos del Boost y del Buck. Así pues, el rendimiento total del sistema es:
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
92
1.8.4. Sistema en Lazo Cerrado con Alimentación DC y Carga Resistiva
Las pruebas experimentales del sistema en lazo cerrado permiten determinar el
comportamiento en régimen permanente del prototipo en diferentes modos de
funcionamiento. Se mantiene en la entrada del Cargador una alimentación continua
fijada en un valor aproximado de , así como la misma Carga Resistiva a la
salida del cargador. Resulta la siguiente configuración:
M2
D2C2
L2
_ +
Vbat_REF
PI_2
Q
QS
R
_
_+
_+
+
delta2
S2
-delta2
S2
Vbat_sens
K2PRE
K2
IL2_sens
E2GK2
L1M1
D1
Cm
+
_
Vm
Q
QS
R
_
_+
_+
X
+
+ _
_ +
S1
S1
Vm_REF
PI_1NotchFilter
delta1
-delta1
G Gpre
IL1_sens
Vg_sens
Vm_sens
RLOAD
+
_
Vbat
Ibat
Ig
Vg=18VDC
+ _
IL1 IL2
Figura 76. Esquema simplificado del montaje en lazo cerrado con alimentación .
1.8.4.1. Etapa Boost
Por tal de verificar la correcta respuesta del control de la etapa Boost del
Cargador, se realiza una primera prueba donde la tensión de histéresis se establece en
y la corriente a la salida del cargador es de . Se pretende
observar la corriente en la bobina , pero debido a dificultades físicas, se visualiza la
señal de tensión proporcional a la corriente sensada en la resistencia de sensado
de la Etapa de Control (con una atenuación de ) (CH1), la tensión de entrada
(CH2), la tensión intermedia (CH3), y el ciclo de trabajo (CH4). Se obtienen los
siguientes resultados para variaciones de la tensión intermedia :
a) b) c)
Figura 77. Respuesta en lazo cerrado de la etapa Boost del cargador alimentado a para
CH1: valor de tensión proporcional a la corriente sensada (1 V/div); CH2: tensión de entrada
(20 V/div); CH3: tensión intermedia (20V/div); CH4: ciclo de trabajo (10V/div).
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
93
En la segunda prueba, mediante el potenciómetro (R85) que constituye el bloque de
obtención y regulación del valor de la tensión de histéresis del Boost en la Etapa de
Control, se configura un valor de , donde se obtienen para distintos
valores tensión intermedia los siguientes resultados:
a) b) c)
Figura 78. Respuesta en lazo cerrado de la etapa Boost del cargador alimentado a para
CH1: valor de tensión proporcional a la corriente sensada (1 V/div); CH2: tensión de entrada
(20 V/div); CH3: tensión intermedia (20V/div); CH4: ciclo de trabajo (10V/div).
Se concluye, que el control del Boost responde a las variaciones en sus parámetros de
control y funciona de manera esperada.
1.8.4.2. Etapa Buck
De forma análoga, por tal de contrastar el correcto funcionamiento del control de
la etapa Buck del Cargador, se realiza una primera prueba donde la tensión de histéresis
se establece en y se fija un valor de tensión intermedia de .
Se visualiza la señal de corriente en la bobina (CH1), la tensión intermedia
(CH2), la tensión de salida (CH3) y el ciclo de trabajo (CH4). Se obtiene las
siguientes gráficas, para distintos valores de corriente de carga:
a) b) c)
Figura 79. Respuesta en lazo cerrado de la etapa Buck del cargador alimentado a para
CH1: corriente de la bobina (1 A/div); CH2: tensión intermedia (10 V/div); CH3: tensión de
salida (10V/div); CH4: ciclo de trabajo (20V/div).
En una segunda prueba, mediante el potenciómetro (R91) que constituye el bloque de
obtención y regulación del valor de la tensión de histéresis del Buck en la Etapa de
Control, se configura un valor de . Se obtienen las siguientes gráficas,
para distintos valores de corriente de carga :
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
94
a) b) c)
Figura 80. Respuesta en lazo cerrado de la etapa Buck del cargador alimentado a para
CH1: corriente de la bobina (1 A/div); CH2: tensión intermedia (10 V/div); CH3: tensión de
salida (10V/div); CH4: ciclo de trabajo (20V/div).
Se concluye que el control del Buck responde a las variaciones en sus parámetros de
control y funciona de manera esperada.
1.8.5. Sistema en Lazo Cerrado con Alimentación AC y Carga Resistiva
Una vez realizadas las primeras pruebas experimentales en lazo cerrado, se
conecta el Bloque de Transformación y Rectificación en bornes de entrada del
Cargador, resultando la siguiente configuración:
M2
D2C2
L2
_ +
vbat_REF
PI_2
Q
QS
R
_
_+
_+
+
delta2
S2
-delta2
S2
vbat_sens(t)
k2PRE(t)
k2(t)
iL2_sens(t)
e2(t)GK2
+
_
vg(t)
L1
M1D1
Cm
+
_
vm(t)
Q
QS
R
_
_+
_+
X
+
_ +
S1
S1
vm_REF
PI_1NotchFilter
delta1
-delta1
g(t) gpre(t)
iL1_sens(t)
vg_sens(t)
vm_sens(t)
RLOAD
+
_
vbat(t)
Ibat
+
_
iAC(t)
vAC(t)
ig(t) iL1(t) iL2(t)
+ _ + _
Figura 81. Esquema simplificado del montaje en lazo cerrado con alimentación .
Se sustituye la alimentación continua de en bornes de entrada del Cargador,
por una tensión alterna rectificada de la forma:
(
) | |
Donde:
: Valor de pico de la tensión proveniente de la red, en .
: Relación de transformación, en este caso: ⁄
: Pulsación de la red eléctrica, en .
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
95
Para conseguir la señal de tensión que simula el comportamiento de la Red Eléctrica
normalizada que alimenta el sistema, se utiliza una fuente de alimentación AC de alta
potencia (que permite regular los parámetros de tensión eficaz y frecuencia ).
Dicho equipo se conecta al devanado primario del transformador, mientras el devanado
secundario se enlaza a la entrada del puente de diodos, cuya salida se une a los bornes
de entrada del Cargador, obteniéndose así la señal de tensión rectificada deseada .
Se mantiene el lazo cerrado y la Carga Resistiva a la salida del Cargador. Se establecen
los valores de la tensión de histéresis en y .
En las pruebas experimentales, se visualizan principalmente las señales de la corriente
en bornes de entrada del cargador (CH1), la tensión intermedia (CH2), la
corriente a la salida del cargador (CH3), y la tensión alterna sinusoidal proveniente
de la red (CH4). Se escogen principalmente estas señales de muestra para
observar si se verifica la proporcionalidad y fase entre la tensión de la red y la corriente
en la entrada del Cargador, hecho que implica que la etapa PFC implementada mediante
el convertidor Boost funciona correctamente como LFR, previéndose de este modo un
valor de PF cercano a la unidad. Se obtiene para distintos valores de corriente de carga:
a) b)
c) d)
Figura 82. Respuesta en lazo cerrado del cargador alimentado a (
) | |
CH1: corriente eficaz en bornes de entrada del cargador (5 A/div); CH2: tensión intermedia (10 V/div);
CH3: corriente de salida (5 A/div); CH4: tensión eficaz proveniente de la red (100V/div).
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
96
Seguidamente, se sustituye el valor de la Carga Resistiva por una de inferior valor (de
forma momentánea), que permita visualizar el comportamiento del Cargador para una
corriente de carga de mayor magnitud. Se obtiene:
a) b)
c) d)
Figura 83. Respuesta en lazo cerrado del cargador alimentado a (
) | |
CH1: corriente eficaz en bornes de entrada del cargador (5 A/div); CH2: tensión intermedia (10 V/div);
CH3: corriente de salida (5 A/div); CH4: tensión eficaz proveniente de la red (100V/div).
Sin modificar el montaje actual, volviendo nuevamente al valor de Carga Resistiva
inicial, se estudia el comportamiento del Cargador en caso de existir perturbaciones en
el valor de tensión proveniente de la Red Eléctrica, mediante la variación del parámetro
de tensión eficaz de la fuente de alimentación AC de alta potencia. Esta prueba
se realiza a un valor de corriente de carga (fijada por la Etapa de Control) por
cuestiones de seguridad. Se obtiene:
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
97
a) b)
c) d)
Figura 84. Respuesta en lazo cerrado del Cargador para variaciones del valor de tensión provenientes de la Red
Eléctrica para una CH1: corriente eficaz en bornes de entrada del cargador (5 A/div); CH2:
tensión intermedia (10 V/div); CH3: corriente de salida (5 A/div); CH4: tensión eficaz proveniente de la
red (100V/div).
En las anteriores figuras se ilustran las formas de ondas obtenidas experimentalmente,
donde se observa que la corriente en la entrada del cargador y la tensión de la red se
encuentran en fase, hecho que permite afirmar que el factor de potencia es cercano a la
unidad. Sin embargo en algunos casos, se observan ligeras distorsiones en la corriente
de entrada, que seguidamente son comentadas.
En primer lugar, se debe de considerar la eficacia del Notch Filter implementado para
eliminar el ligero rizado de de la señal de tensión obtenida a la salida del
compensador PI_1 de la etapa Boost. Tal y como se ha comentado en el Apartado
“1.6.2.1.3.2. Superficie de Deslizamiento” del presente Documento Básico, si el valor
de conductancia no presenta un valor constante en el tiempo, pudiera provocar un
incorrecto funcionamiento de la PFC. Por este motivo, se visualizan principalmente las
señales de la conductancia a la salida del Notch Filter (CH1), la tensión intermedia
(CH2), la conductancia a la entrada del Notch Filter (CH3) y la tensión
alterna proveniente de la red (CH4). Se obtiene para una :
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
98
Figura 85. Medida de los valores de conductancia emulada y a para una corriente de
carga CH1: conductancia a la salida del Notch Filter (50 mV/div); CH2: tensión intermedia
(10 V/div); CH3: conductancia a la entrada del Notch Filter (50 mV/div); CH4: tensión eficaz
proveniente de la red (100V/div).
Se observa en la Figura 85 que el Notch Filter no está actuando de forma adecuada,
debido a que no se consigue eliminar la componente armónica principal de de la
señal de conductancia emulada obtenida a la salida del Compensador PI_1. Se
decide modificar el valor de la frecuencia mediante la variación del parámetro de la
fuente de alimentación AC de alta potencia, por tal de determinar si existe algún rango
de frecuencia en el que trabaje de forma correcta. Se obtiene para una :
Figura 86. Medida de los valores de conductancia emulada y a para una corriente de
carga CH1: conductancia a la salida del Notch Filter (50 mV/div); CH2: tensión intermedia
(10 V/div); CH3: conductancia a la entrada del Notch Filter (50 mV/div); CH4: tensión eficaz
proveniente de la red (100V/div).
Se desprende de la Figura 86 que el Notch Filter funciona correctamente a una
frecuencia diferente a la que fue diseñado. Este hecho se debe principalmente a la
tolerancia de los diferentes componentes que se emplean en su construcción. Dado que
se constituye mediante resistencias de alta precisión, se deduce que el principal
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
99
problema proviene de la tolerancia en los condensadores (siempre relativamente alta).
De cara a futuros estudios, sería de utilidad la incorporación de potenciómetros en lugar
de resistencias fijas, que permitan regular los parámetros de control del filtro, otorgando
al sistema un mayor grado de flexibilidad.
Se realizan nuevas pruebas experimentales con el objetivo de comprobar si existe una
mejora sustancial con una . Se mantiene el mismo montaje y valores de
tensión de histéresis en y . Para una tensión de red de
, se visualizan las señales de corriente en bornes de entrada del
Cargador (CH1), la tensión intermedia (CH2), la corriente a la salida del
Cargador (CH3) y la tensión alterna proveniente de la red (CH4). Se obtiene
para distintos valores de corriente de carga:
a) b)
c) d)
Figura 87. Respuesta en lazo cerrado de la etapa PFC del cargador a CH1: corriente eficaz en
bornes de entrada del Cargador (5 A/div); CH2: tensión intermedia (10 V/div); CH3: corriente de salida
(5 A/div); CH4: tensión eficaz proveniente de la red (100V/div).
Se concluye de la observación de la Figura 87 que existe una ligera mejora de la señal
de corriente en bornes de entrada. Sin embargo, el mayor defecto en su forma sigue
encontrándose en los cruces por cero. Cabe destacar que existe una pérdida de
seguimiento de la superficie de deslizamiento a consecuencia de los pasos por cero de la
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
100
tensión de entrada, que se acentúa por el hecho de controlar la superficie de
deslizamiento con unos valores de histéresis constantes. Este efecto provoca que en las
zonas próximas al cruce por cero, la frecuencia de conmutación del convertidor Boost
alcance valores muy bajos, pudiendo entrar en DCM, hecho que afecta de forma directa
al PF del sistema. Sin embargo, tal y como se ha comentado en el Apartado “1.6.2.1.1.
Estados de Conducción del Convertidor Boost” del presente Documento Básico, es
necesario que el valor de corriente de referencia sea proporcional a la tensión de
entrada, cumpliéndose en los instantes en que pasa por cero para
implementar el comportamiento de LFR deseado.
Este problema podría ser reducido mediante la implementación de un control de
superficie por deslizamiento con unos valores de histéresis modulada [9]. Para ello, se
configura que la histéresis sea proporcional a la tensión . De esta manera, cuando
dicha tensión se reduzca a valores cercanos a cero, simultáneamente, los límites de
histéresis también lo harán, estrechándose el margen de histéresis y consiguiendo que la
frecuencia de conmutación aumente sin producirse pérdida de la superficie de
deslizamiento. Consecuentemente, apenas se distorsiona y se mejora el PF del
sistema.
1.9. CONCLUSIONES Y FUTUROS ESTUDIOS
Durante el presente proyecto se ha propuesto el diseño, la construcción y
validación de un primer prototipo experimental que constituye la Fuente de
Alimentación para realizar la carga de una Batería que alimenta una Estación
Meteorológica Autónoma. La Fuente de Alimentación se compone de dos partes
claramente diferenciables: el Bloque de Transformación y Rectificación, compuesto por
un transformador y un puente de diodos, que tiene por objetivo adecuar la tensión de
entrada procedente de la Red Eléctrica, y el Cargador (materia principal del proyecto).
El Cargador se diseña bajo dos criterios fundamentales referidos a realizar la carga de la
Batería de forma semanal y durante un periodo máximo de dos horas, y la corrección
del factor de potencia. Para ello, se ha implementado un sistema basado en la conexión
en cascada de una etapa PFC que consiste en un convertidor Boost, al cual se dota de un
comportamiento de LFR con la finalidad de permitir que la carga vista por la red actúe
como una resistencia (dando lugar a un factor de potencia cercano a la unidad); y una
etapa Buck posterior que reduce la tensión a un valor requerido por la Batería, además
de permitir la regulación (por parte del usuario mediante un potenciómetro) de la
magnitud de la corriente de carga entre valores comprendidos en
(permitiendo la carga de la Batería en el tiempo predeterminado), así como dejar de
suministrar dicha corriente una vez la batería se encuentre completamente cargada. Para
sendas etapas, se ha empleado un control analógico de corriente por histéresis modelado
por la técnica de control SMC de frecuencia variable e histéresis constante.
A tenor de los resultados experimentales obtenidos se puede concluir que se han
cumplido los objetivos principales del Proyecto. Primeramente, el conjunto que
compone la Fuente de Alimentación de la instalación Meteorológica Autónoma
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Memoria
101
funciona de acuerdo a lo pretendido. En segundo lugar, el análisis de los resultados
obtenidos verifica el comportamiento de determinados bloques que componen el
Cargador, permitiendo sustituir los elementos ajustables por otros fijos, disminuyendo
la flexibilidad del sistema al tiempo que se gana en robustez. Del mismo modo, se
establecen puntos de mejora de cara a la construcción de un segundo prototipo.
Principalmente, se constata la pérdida del control en la corriente de entrada en los pasos
por cero. Dicha distorsión se podría minimizar mediante la implementación de un
control de superficie por deslizamiento con unos valores de histéresis modulada.
Añadir como mejoras en base a futuros estudios, una modelización del sistema más
precisa (considerando el Buck como una carga de potencia, en vez de una carga
resistiva), así como estudiar analíticamente la estabilidad de la conexión en cascada de
ambos convertidores aplicando el criterio de Middlebrook, donde se calcula la
impedancia de salida del Boost y la impedancia de entrada del Buck, comprobando que
su conexión en serie no se anula a ninguna frecuencia.
Por último, sería recomendable sustituir el control analógico actual por un control
digital, dado que éstos segundos presentan una serie de ventajas como: menor
susceptibilidad al deterioro debido al transcurso del tiempo o a factores del entorno,
componentes menos sensibles a los ruidos y a las vibraciones en las señales, mayor
flexibilidad y mejor sensibilidad frente a la variación de sus parámetros.
1.10. ORDEN DE PRIORIDAD DE LOS DOCUMENTOS BÁSICOS
Con el fin de evitar contradicciones que puedan derivar en confusiones entre los
Documentos Básicos, se establece el siguiente orden de prioridad entre ellos:
i) Memoria
ii) Planos
iii) Presupuesto
iv) Pliego de Condiciones
2. PLANOS
[Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para la
Alimentación de una Estación Meteorológica Autónoma]
AUTOR: Álvaro Baceiredo Ramos
DIRECTOR: Hugo Valderrama Blavi
Septiembre 2016
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Planos
102
Índice de Planos
PLANO 1. Schematic de la Etapa de Potencia
PLANO 2. Schematic de la Etapa de Control I
PLANO 3. Schematic de la Etapa de Control II
PLANO 4. Schematic de la Etapa de Control III
PLANO 5. Schematic de la Etapa de Control IV
PLANO 6. Schematic de la Etapa de Control V
PLANO 7. Componentes de la Etapa de Potencia
PLANO 8. Componentes de la Etapa de Control
PLANO 9. Pistas TOP de la Etapa de Potencia
PLANO 10. Pistas BOT de la Etapa de Potencia
PLANO 11. Pistas TOP de la Etapa de Control
PLANO 12. Pistas BOT de la Etapa de Control
A
B
A
B
00
+15V
-15V
0
0
0 0
+15V-15V
0
0
0
0
0
+15V
0
+15V
+15V
0
-15V
0
0
0
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrialSchematic Etapa de Potencia
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
Universitat Rovira i Virgili
?Álvaro Baceiredo RamosHugo Valderrama Blaví
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrialSchematic Etapa de Potencia
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
Universitat Rovira i Virgili
?Álvaro Baceiredo RamosHugo Valderrama Blaví
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrialSchematic Etapa de Potencia
1 1
Saturday, July 16, 2016?
Álvaro Baceiredo RamosHugo Valderrama Blaví
Señal Rectificada(onda completa)Vg=25.45|sen(wt)|
Ratio de ConversiónK 3:1000
Ratio de ConversiónK 5:1000
R110kR110k
R1110kR1110k
C12470uC12470u
C301uC301u
U3
IR2125
U3
IR2125
VCC1
IN2
ERR3
COM4 Vs 5
CS 6
HO 7
Vb 8
C5
100n
C5
100n
X3
Vbat_OUTX3
Vbat_OUT
11
22
C24
100n
C24
100n
X4GND_OUTX4GND_OUT
11
22
C3
100n
C3
100n
R180R180
C271uC271u
R9 0,1R9 0,1
C3110uC3110u
X7
Vg_sensX7
Vg_sens
.1
.2
C25
1u
C25
1u
C6
1u
C6
1u
R40R40
X9
iL1_sens
X9
iL1_sens
.1
.2
C4
1u
C4
1u
X15
VmX15
Vm1
C10470uC10470u
R810kR810k
L2 300uL2 300u X5
Vconsole_OUT
X5
Vconsole_OUT.1
.2
C2610uC2610u
C11470uC11470u
D2 - Diodo Boost
MBR30H100CTG
D2 - Diodo Boost
MBR30H100CTG
C29
100n
C29
100n
D4 BYV26CD4 BYV26CD6 - Diodo Buck
MBR30H100CTG
D6 - Diodo Buck
MBR30H100CTG
X14
VgX14
Vg
1
X17
V_+5VX17
V_+5V
1
L1 50uL1 50u
R101kR101k
R310kR310k
X2
GND_IN
X2
GND_IN
1 12 2
C9470uC9470u
C81uC81u
X18
VbatX18
Vbat
1
C22
100n
C22
100n
C20 1uC20 1u
C19 0C19 0
C17 100nC17 100n
X1
Vg_IN
X1
Vg_IN
1 12 2
R14 0R14 0
R1920kR1920k
D3BZX85C16D3BZX85C16
D1 MBR30H100CTGD1 MBR30H100CTG
C28
330n
C28
330n
R50R50
R210kR210k
U4
LEM_LA55P
U4
LEM_LA55P
IN1 OUT 2
M7
-8
+9
C2
10n
C2
10n
C7100nC7100n
D5BZX85C16D5BZX85C16
R170R170
C23
1u
C23
1u
U2MCP1407U2MCP1407
VDD11
IN2
NC3
GND14 GND2 5
OUT1 6
OUT2 7
VDD2 8
C16 1uC16 1u
C181uC181u
R2010kR2010k
R7 2,2R7 2,2
C151uC151u
R1610kR1610k
X12
iL2_sens
X12
iL2_sens
.1
.2
X11
U2 (Control Buck)
X11
U2 (Control Buck) . 1
. 2
R1310kR1310k
R15 2,2R15 2,2
X8
U1 (Control Boost)
X8
U1 (Control Boost)
. 1
. 2
C1
10n
C1
10n
U5 L7805/TO220U5 L7805/TO220
VIN1
2
GNDVOUT 3
Q2 - MOSFET Buck
IRFP4110PBF
Q2 - MOSFET Buck
IRFP4110PBF
R1210kR1210k
X6
Alimentación
X6
Alimentación
. 1
. 2
. 3
U1
LEM_LA55P
U1
LEM_LA55P
IN1 OUT 2
M7
-8
+9
X13
Vbat_sensX13
Vbat_sens
.1
.2
C1410uC1410u
C13470uC13470u
D8 BZX85C16D8 BZX85C16
C21 1uC21 1u
X10
Vm_sens
X10
Vm_sens
.1
.2
D7
MBR30100CT
D7
MBR30100CT
R60R60
Q1 - MOSEFT Boost
IRFP4110PBF
Q1 - MOSEFT Boost
IRFP4110PBF
Universitat Rovira i Virgili
A3 <RevCode>
OO
+15V
+15V
-15V
0
0
0
+15V
-15V
0
+15V
+15V
-15V
0
0
0
+15V
-15V
0
0
+15V
-15V
delta1
-delta1
delta2
-delta2
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
Generación de la alimentación +15V/-15V
RegulaciónDelta1
Seguidor de Tensión Amplificador Inversor(K=-1)
RegulaciónDelta2
Seguidor de Tensión Amplificador Inversor(K=-1)
C53
1000u
C53
1000u
+-
~ ~
D2
KBU4D
+-
~ ~
D2
KBU4D
R94
10k
R94
10k
R86100R86100
X34
Alimentación
X34
Alimentación.1
.2
.3
X37
Vbob_aux_trafoX37
Vbob_aux_trafo
1-
+
U18B
MC33078
-
+
U18B
MC33078
5
67
84
R912kR912k
13
2
X33
Bobinado Auxiliar Trafo
X33
Bobinado Auxiliar Trafo
. 1
. 2
. 3
C54
100n
C54
100n
C47
100n
C47
100n
C55
100n
C55
100n
C46100nC46100n
R93
330
R93
330
R92100R92100
R89 10kR89 10k
C56
1u
C56
1u
U21 L7915/TO220U21 L7915/TO220
VIN2
1
GNDVOUT 3
-
+
U19B
MC33078
-
+
U19B
MC33078
5
67
84X29
delta1X29
delta1
1
C52
1000u
C52
1000u
C50
100n
C50
100n
C48
100n
C48
100n
C49100nC49100n
C57
1u
C57
1u
X30
-delta1X30
-delta1
1
U20 L7815/TO220U20 L7815/TO220
VIN1
2
GNDVOUT 3
-
+
U18A
MC33078
-
+
U18A
MC33078
3
21
84
R95 10kR95 10k
R8418kR8418k
R88
10k
R88
10k
X31
delta2X31
delta2
1
C51
100n
C51
100n
X32
-delta2X32
-delta2
1
X36
V_-15VX36
V_-15V
1
X35
V_+15VX35
V_+15V
1
R852kR852k
13
2
R87
330
R87
330
-
+
U19A
MC33078
-
+
U19A
MC33078
3
21
84
R9018kR9018k
???
A
A
+15V
-15V
+15V
+15V
-15V
+15V
-15V+15V
-15V
+15V
-15V
+15V
-15V
+15V
-15V
+15V
-15V
+15V
-15V
-15V+15V
-15V
+15V
+15V
-15V
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
00
0
0
0
0
0
0
0
0B
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrialSchematic Etapa de Control
<RevCode>
<Title>
A3
2 14
Saturday, July 16, 2016
Universitat Rovira i Virgili
?Álvaro Baceiredo RamosHugo Valderrama Blaví
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrialSchematic Etapa de Control
<RevCode>
<Title>
A3
2 14
Saturday, July 16, 2016
Universitat Rovira i Virgili
?Álvaro Baceiredo RamosHugo Valderrama Blaví
Title
Size
Document Number
RevDate
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrialSchematic Etapa de Control
<RevCode>
<Title>
A3
2 14
Saturday, July 16, 2016
Universitat Rovira i Virgili
?Álvaro Baceiredo RamosHugo Valderrama Blaví
Vm_sens
(K=1/3)
Vm_ref
(K=1/3)
Seguidor de tensión
Seguidor de tensión
Restador: Vm_ref - Vm_sens
Controlador PI_1Kp=0.1Ki=10
Filtro Notch
Seguidor de tensión
Seguidor de tensión
Seguidor de tensión
Vg_sens
(K=1/3)
Multiplicador
W=[(X1-X2)*(Y1-Y2)]/10V+Z
Limitadorde tensión
Amplificadorno inversor
(K=9)
Seguidorde tensión
K1=Vg*G
X15
K1X15
K1
1
R13 10kR13 10k
1 3
2
C7 1uC7 1u
R31
12k
R31
12k
-
+
U6B
MC33078
-
+
U6B
MC33078
5
67
84
R23
1k
R23
1k
X8
Vm_sensX8
Vm_sens
1
D1BZX85C10/SOTD1BZX85C10/SOT
C2
100n
C2
100n
C19100nC19100n
C17
100n
C17
100n
R2510R2510
R25
1k
R25
1k
C8
100n
C8
100n
R2710kR2710k
R41k5R41k5
R17 1kR17 1k R18 15kR18 15k
C14
100n
C14
100n
C4
100n
C4
100n
-
+
U2A
MC33078
-
+
U2A
MC33078
3
21
84
R15 1kR15 1k
R22
15k
R22
15k
R5 680R5 680
X14
K1preX14
K1pre
1
-
+
U1A
MC33078
-
+
U1A
MC33078
3
21
84
R6
10k
R6
10k
-
+
U6A
MC33078
-
+
U6A
MC33078
3
21
84
R19 1kR19 1k
C21
100n
C21
100n
X13
Vg_sens
X13
Vg_sens
1
R7
10k
R7
10k
X11
GpreX11
Gpre
1
C13100nC13100n
R10 10kR10 10k
R20
15k
R20
15k
R14 10kR14 10k
C6 0C6 0
C15
100n
C15
100n
R12 10kR12 10k
R29 680R29 680
X10
Error1X10
Error1
1
C9
100n
C9
100n
C11
100n
C11
100n
C18100nC18100n
-
+
U7A
MC33078
-
+
U7A
MC33078
3
21
84
R30 2kR30 2k
1 3
2
X1
Vm_sens
X1
Vm_sens
. 1
. 2
R11 10kR11 10k
1 3
2
R32kR32k
13
2
-
+
U4A
MC33078
-
+
U4A
MC33078
3
21
84
R28 0R28 0
C3100nC3100n
R21
1k
R21
1k
SW1SW1
1
32
X12
GX12
G
1C16
100n
C16
100n
U5
AD633
U5
AD633
W 7X11X22Y13Y24Z6
+VCC8-VCC5
-
+
U4B
MC33078-
+
U4B
MC33078
5
67
84
R9
10k
R9
10k
R33 0R33 0
C12100nC12100n
X9
Vm_refX9
Vm_ref
1
R16 15kR16 15k
-
+
U3A
MC33078
-
+
U3A
MC33078
3
21
84
C10
100n
C10
100n
R1 680R1 680
X2
Vg_sens
X2
Vg_sens. 1
. 2
C1
100n
C1
100n
C20
100n
C20
100n
C5
100n
C5
100n
R32
1k
R32
1k
R810kR810k
-
+
U1B
MC33078
-
+
U1B
MC33078
5
67
84
R26
1k
R26
1k
-
+
U3B
MC33078
-
+
U3B
MC33078
5
67
84
R24 0R24 0
-
+
U2B
MC33078
-
+
U2B
MC33078
5
67
84
Sheet of
U13_15V
U13_15V
U13_-15V
U13_-15V
+15V
-15V
+15V
-15V
+15V
-15V
+15V
-15V
+15V
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
B
delta1
-delta1
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3Saturday, July 16, 2016
<Customer>
K1=Vg*G
Restador: K1 - delta1
Restador: K1 - (-delta1)
iL1_sens K:0.3 V/A
Seguidor de tensióniL1<K1-delta1 -> Activación SET
iL1>K1+delta1 -> Activación RESET
R36
10k
R36
10k
C26 100nC26 100n
-
+
U9B
LM319-
+
U9B
LM319
9
107
611
8
X18
iL1_compX18
iL1_comp
1
R45
0
R45
0
R4110kR4110k
C24 1uC24 1u
R44 0R44 0
R38
10k
R38
10k
R47 0R47 0
U10A
CD4027B
U10A
CD4027B
J6
CLK3
K5 Q 1Q 2
VDD16
S7 R4
-
+
U8A
MC33078
-
+
U8A
MC33078
3
21
84
-
+
U9A
LM319-
+
U9A
LM319
4
512
611
3
R43100R43100
R39
10k
R39
10k
R3710kR3710k
C23
100n
C23
100n
R46 1k5R46 1k5
R40
10k
R40
10k
R48 1k5R48 1k5
X17
k1+delta1X17
k1+delta1
1
R3410kR3410k
C27 1uC27 1u
X3iL1_sens
X3iL1_sens
. 1
. 2
R35
10k
R35
10k
R42
10k
R42
10k
X4
U1 (Control Boost)
X4
U1 (Control Boost).1
.2
-
+
U8B
MC33078
-
+
U8B
MC33078
5
67
84
C22
100n
C22
100nX16
k1-delta1X16
k1-delta1
1
C25 100nC25 100n
X19
U1X19
U1
1
C28 100nC28 100n-
+
U7B
MC33078
-
+
U7B
MC33078
5
67
84
??
1 1
+15V
-15V
+15V
-15V
0
+15V
0
0
+15V
-15V
0
+15V
-15V
0
0+15V
-15V 0
0
0
0
0
+15V
-15V
0
0
+15V
-15V
0
0
C
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size RevDate
Sheet of
Customer
VerName Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
Vbat_sens
(K=1/3)
Seguidor de Tensión
Seguidor de TensiónVbat_ref
(K=1/3)
Restador:
Vbat_ref - Vbat_sens
Kp=1Ki=10000
Controlador PI_2
Regulación K2(Corriente de Carga de la Bateria)
Seguidor de Tensión
K2
R67
100
R67
100
-
+
U11B
MC33078
-
+
U11B
MC33078
5
67
84
C30
100n
C30
100nR68 0R68 0
R65
5k
R65
5k
13
2C36
100n
C36
100n
R60 1kR60 1k
C29
100n
C29
100n
R51
2k
R51
2k
13
2
R57
10k
R57
10k
X24
K2X24
K2
1
R59 10kR59 10k
1 3
2
-
+
U12A
MC33078
-
+
U12A
MC33078
3
21
84
C38
100n
C38
100n
R54
10k
R54
10k
R53 680R53 680
R66
1k5
R66
1k5
X5
Vbat_sens
X5
Vbat_sens
. 1
. 2
X23
K2preX23
K2pre
1
R58 10kR58 10k
C35 100nC35 100n
X20
Vbat_sensX20
Vbat_sens1
R5610kR5610k
X22
Error2X22
Error2
1
C37
100n
C37
100n
R52
510
R52
510
R64
1k
R64
1k
R61 2kR61 2k
1 3
2
C34 0C34 0
C33
100n
C33
100n
U14TL431/TOU14
TL431/TO
-
+
U13B
MC33078
-
+
U13B
MC33078
5
67
84
R50
1k5
R50
1k5 C39
100n
C39
100n
X21
Vbat_refX21
Vbat_ref
1
C31100nC31100n
-
+
U12B
MC33078
-
+
U12B
MC33078
5
67
84
R62 1kR62 1k
R55
10k
R55
10k
-
+
U11A
MC33078
-
+
U11A
MC33078
3
21
84
-
+U15A
MC33078
-
+U15A
MC33078
3
21
84
R49 680R49 680
-
+
U13A
MC33078
-
+
U13A
MC33078
3
21
84
C32
100n
C32
100n
R63 1kR63 1k
Document Number
???
Drawn byAproved by
U21_15V
U21_15V
U21_-15V
U21_-15V
+15V
0
+15V
-15V
0
0
0
0
0
0
+15V
-15V
0
0
+15V
-15V
0
0
-15V 0
+15V
0
0
0
delta2
-delta2
C
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
K2
Restador: K2 - delta2
Restador: K2 - (-delta2)
iL2_sens
iL2<K2-delta2 -> Activación SET
iL2>K2+delta2 -> Activación RESET
K:1 V/A
X25
k2-delta2X25
k2-delta2
1
R80
0
R80
0
R82 0R82 0
R70
10k
R70
10k
C40
100n
C40
100n
X27
iL2_compX27
iL2_comp
1
X26
k2+delta2X26
k2+delta2
1
R77
10k
R77
10k
-
+
U16B
MC33078
-
+
U16B
MC33078
5
67
84
X6
iL2_sensX6
iL2_sens
. 1
. 2
C42 1uC42 1u
R83 1k5R83 1k5-
+
U15B
MC33078
-
+
U15B
MC33078
5
67
84
R71
10k
R71
10k
R96 1kR96 1k
-
+
U17B
LM319-
+
U17B
LM319
9
107
611
8
R6910kR6910k
R73
10k
R73
10k
R79 1kR79 1k
R7610kR7610k
R78100R78100
U10B
CD4027B
U10B
CD4027B
J10
CLK13
K11 Q 15Q 14
VDD16
S9 R12
-
+
U16A
MC33078
-
+
U16A
MC33078
3
21
84
C44 100nC44 100n
X7
U2 (control buck)
X7
U2 (control buck).1
.2
R7210kR7210k
C43 100nC43 100n
R74
10k
R74
10k
C41
100n
C41
100n
R81 1k5R81 1k5
C45 1uC45 1u
-
+
U17A
LM319-
+
U17A
LM319
4
512
611
3
X28
U2X28
U2
1
R75
10k
R75
10k
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
Title
Size
Document Number
RevDate
Sheet of
Customer
Ver
Aproved byDrawn by
Name Signature
GAEIGrup d'Automàtica iElectrònicaIndustrial<Doc>
<RevCode>
<Title>
A3
1 1
Saturday, July 16, 2016
<Customer>
???
3. ESTADO DE MEDICIONES
[Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para la
Alimentación de una Estación Meteorológica Autónoma]
AUTOR: Álvaro Baceiredo Ramos
DIRECTOR: Hugo Valderrama Blavi
Septiembre 2016
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Estado de Mediciones
103
Índice del Estado de Mediciones
3.1. MEDICIONES ..................................................................................................... 104
Capítulo C_01: Bloque de Transformación y Rectificación ............................ 104
Capítulo C_02: Etapa de Potencia .................................................................... 104
Capítulo C_03: Etapa de Control ...................................................................... 109
Capítulo C_04: Otros ......................................................................................... 115
Capítulo C_05: Mano de Obra .......................................................................... 116
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Estado de Mediciones
104
3.1. MEDICIONES
Código Descripción Uds Longitud Ancho Altura Parciales Cantidad
CAPÍTULO C_01: BLOQUE TRANSFORMACIÓN Y RECTIFICACIÓN
B_TR001 ud Transformador Toroidal RS Pro, Tensión 2x18Vac,
Potencia 225VA, 2-Salidas
Transformador toroidal de núcleo abierto para adaptar el valor de
tensión proveniente de la Red Eléctrica a un valor apto para el
Cargador.
1 1.000
1.00
B_TR002 ud Rectificador en Puente VS-GBPC2502A, Monofásico,
25A, 200V, GBPC-A, 4-Pines Puente de diodos para la rectificación de la señal proveniente del
secundario del Transformador.
1 1.000
1.00
CAPÍTULO C_02: ETAPA DE POTENCIA
E_PO001 ud Condensador de Película de Poliéster Kemet, 10nF,
±5%, 100Vdc, 63Vac, Orificio Pasante Condensador de Entrada de la etapa Boost.
(C1), (C2)
2 2.000
2.00
E_PO002 ud Condensador de Película de Poliéster Kemet, 100nF,
±5%, 63Vdc, 40Vac, Orificio Pasante Condensador de Desacoplo.
(C3), (C5), (C7), (C17), (C22), (C24)
Condensador del Bloque de Alimentación de +5 VDC.
(C29)
7 7.000
7.00
E_PO003 ud Condensador de Película de Poliéster Kemet, 1μF, ±5%,
100Vdc, 63Vac, Orificio Pasante Condensador de Desacoplo.
(C4), (C6), (C8), (C16), (C18), (C23), (C25)
Condensador de Bootstrap.
(C20), (C21)
9 9.000
9.00
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Estado de Mediciones
105
Código Descripción Uds Longitud Ancho Altura Parciales Cantidad
E_PO004 ud Condensador Cerámico Multicapa Murata, 1μF, ±15%,
100Vdc, Orificio Pasante, X7R Dieléctrico, Carcasa Radial Condensador Intermedio.
(C15), (C30)
Condensador de Salida de la etapa Buck.
(C27)
3 3.000
3.00
E_PO005 ud Condensador de Película de Poliéster Kemet, 10μF,
±5%, 100Vdc, 63Vac, Orificio Pasante Condensador Intermedio.
(C14), (C31)
Condensador de Salida de la etapa Buck.
(C26)
3 3.000
3.00
E_PO006 ud Condensador de Película de Poliéster Kemet, 0.33μF,
±5%, 63Vdc, 40Vac, Orificio Pasante
Condensador del Bloque de Alimentación de +5 VDC.
(C28)
1 1.000
1.00
E_PO007 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity,
10kΩ, ±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F Divisor de Tensión para el Sensado de Tensión de Entrada.
(R1), (R2), (R3)
Divisor de Tensión para el Sensado de Tensión Intermedia.
(R11), (R12), (R13)
Divisor de Tensión para el Sensado de Tensión de Salida.
(R20)
Resistencia gate-source para la descarga rápida de la capacidad
de gate de los MOSFETs en el turn-off.
(R8), (R16)
9 9.000
9.00
E_PO008 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 2.2Ω,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
Resistencia gate de los MOSFETs.
(R7), (R15)
2 2.000
2.00
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Estado de Mediciones
106
Código Descripción Uds Longitud Ancho Altura Parciales Cantidad
E_PO009 ud Resistencia de Película Gruesa Caddock, 100mΩ, ±1%,
30W, Radial, Serie MP930
Resistencia de la rama de precarga del Condensador Intermedio.
(R9)
1 1.000
1.00
E_PO010 ud Resistencia de Película de Metal Vishay, 1kΩ, ±5%, 2W,
Axial, Serie PR02 Resistencia intermedia que impide el trabajo de la etapa Boost en
vacío.
(R10)
1 1.000
1.00
E_PO011 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 20kΩ,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F Divisor de Tensión para el Sensado de Tensión de Salida.
(R19)
1 1.000
1.00
E_PO012 ud Núcleo Magnético Kool Mμ MAGNETICS, Referencia
77197-A7
Núcleo Magnético de los Inductores.
(L1), (L2)
2 2.000
2.00
E_PO013 m Conductor Soldable de Cobre Aislado con Resina,
Sección 0.07mm2
Cable para realizar el trenzado que conforma las espiras de los
Inductores de ambas etapas.
Inductor Boost (L1) 77.5 77.500
Inductor Buck (L2) 200 200.000
277.50
E_PO014 ud Transistor MOSFET IRFP4110PBF, N-Canal, 180A,
100V, TO-247AC, 3-Pines
MOSFETs de lado bajo y alto del Cargador.
(Q1), (Q2)
2 2.000
2.00
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Estado de Mediciones
107
Código Descripción Uds Longitud Ancho Altura Parciales Cantidad
E_PO015 ud Diodo Conmutación MBR30H100CTG, 30A, 100V, TO-
220, 3-Pines Diodo de la rama de precarga del Condensador Intermedio.
(D1)
Diodos de Potencia complementarios a los MOSFETs.
(D2), (D6)
3 3.000
3.00
E_PO016 ud Diodo Zener Vishay BZX85C16-TAP 1, 16V, 1.3W,
Orificio pasante, DO-41, 2-Pines
Diodo rápido de uso general. Protección contra sobretensiones y
protección inversa de los MOSFETs.
(D3), (D5), (D8)
3 3.000
3.00
E_PO017 ud Diodo BYV26C-TAP, 1A, 600V, 30ns, SOD-57, 2-Pines,
Conexión de silicio
Diodo de Bootstrap de la etapa Buck.
(D4)
1 1.000
1.00
E_PO018 ud Diodo Rectificador MBR30100CT, 30A, 100V, TO-
220AB, 3-Pines
Diodo Rectificador del Cargador.
(D7)
1 1.000
1.00
E_PO019 ud Transductor de Corriente LEM LA 55-P, Lazo Cerrado
Efecto Hall, Sensado 0→70A, Alimentación 12→15 V Sensado de Corriente de los Inductores.
(U1), (U4)
2 2.000
2.00
E_PO020 ud Driver MOSFET de Potencia MCP1407-E/P, No
Inversión, 6A, PDIP, 8-Pines, Alimentación 4.5→18 V Driver para el control del MOSFET de la etapa Boost.
(U2)
1 1.000
1.00
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Estado de Mediciones
108
Código Descripción Uds Longitud Ancho Altura Parciales Cantidad
E_PO021 ud Driver MOSFET de Potencia IR2125PBF, 3.3A, PDIP,
8-Pines, Alimentación 0→18V
Driver para el control del MOSFET de la etapa Buck.
(U3)
1 1.000
1.00
E_PO022 ud Regulador de Tensión Lineal L7805CV, 1.5A, 15V, TO-
220, 3-Pines Regulador de Tensión Lineal del Bloque de Alimentación de +5
VDC.
(U5)
1 1.000
1.00
E_PO023 ud Zócalo DIL Winslow, 5A, 2.54mm, Anchura 7.62mm, 8-
Contactos, Orificio Pasante, Pin Torneado
Zócalos para los drivers.
2 2.000
2.00
E_PO024 ud Conector Faston PCB 6.3x0.8mm, Ø1.3mm
Conector de Potencia de Entrada y Salida del Cargador.
(X1), (X2), (X3), (X4)
4 4.000
4.00
E_PO025 ud Conector Macho PCB, Montaje Vertical, 2-Vías, 5mm
Conector del Bloque de Alimentación de +5 VDC.
(X5)
Conector para transmisión de señal de Tensión y Corriente
Sensada.
(X7), (X9), (X10), (X12), (X13)
Conector para transmisión de señal de Control a los drivers.
(X8), (X11)
8 8.000
8.00
E_PO026 ud Conector Macho PCB, Montaje Vertical, 3-Vías, 5mm
Conector del Bloque de Generación de Alimentación de ±15
VDC.
(X6)
1 1.000
1.00
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Estado de Mediciones
109
Código Descripción Uds Longitud Ancho Altura Parciales Cantidad
E_PO027 ud Hembrillas Vero Technologies 20-313143, Blanco,
Bronce Fosforado, 1.32mm Test-Points.
(X14), (X15), (X17), (X18)
4 4.000
4.00
E_PO028 cm2 Placa de Circuito Impreso a Doble Cara, Etapa de
Potencia 2 27 14.75 796.500
796.50
E_PO029 ud Disipador ABL Components 350AB2000B,
200x125x50mm
Disipador Térmico para los MOSFETs, Diodos de potencia y
Diodo rectificador.
1 1.000
1.00
CAPÍTULO C_03: ETAPA DE CONTROL
E_CO001 ud Condensador de Película de Poliéster Kemet, 100nF,
±5%, 63Vdc, 40Vac, Orificio Pasante Condensador de Desacoplo.
(C1), (C2), (C3), (C4), (C5), (C8), (C9), (C14), (C15), (C16), (C17),
(C18), (C19), (C20), (C21), (C22), (C23), (C25), (C26), (C28),
(C29), (C30), (C31), (C32), (C33), (C36), (C37), (C38), (C39),
(C40), (C41), (C43), (C44), (C46), (C47), (C48), (C49), (C50),
(C51)
Condensador del Notch Filter.
(C10), (C11), (C12), (C13)
Condensador del Integrador del Compensador PI_2.
(C35)
Condensador del Bloque de Generación de Alimentación de ±15
VDC.
(C54), (C55)
46 46.000
46.00
E_CO002 ud Condensador de Película de Poliéster Kemet, 1μF, ±5%,
100Vdc, 63Vac, Orificio Pasante
Condensador del Integrador del Compensador PI_1
(C7)
Condensador de Desacoplo.
(C24), (C27), (C42), (C45)
Condensador del Bloque de Generación de Alimentación de ±15
VDC.
(C56), (C57)
7 7.000
7.00
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Estado de Mediciones
110
Código Descripción Uds Longitud Ancho Altura Parciales Cantidad
E_CO003 ud Condensador Electrolítico de Aluminio Vishay
515D108M050EK6AE3, 1000μF, ±20%, 50Vdc, EK, Serie
515D
Condensador del Bloque de Generación de Alimentación de ±15
VDC.
(C52), (C53)
2 2.000
2.00
E_CO004 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 680Ω,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R1), (R5), (R29), (R49), (R53)
5 5.000
5.00
E_CO005 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 510Ω,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R2), (R52)
2 2.000
2.00
E_CO006 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 1.5kΩ,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R4), (R46), (R48), (R50), (R66), (R81), (R83)
7 7.000
7.00
E_CO007 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 10kΩ,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R6), (R7), (R8), (R9), (R10), (R12), (R14), (R34), (R35), (R36),
(R37), (R38), (R39), (R40), (R41), (R42), (R54), (R55), (R56),
(R57), (R58), (R69), (R70), (R71), (R72), (R73), (R74), (R75),
(R76), (R77), (R88), (R89), (R94), (R95)
34 34.000
34.00
E_CO008 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 1kΩ,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R15), (R32), (R60), (R62), (R63), (R64), (R79), (R96)
8 8.000
8.00
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Estado de Mediciones
111
Código Descripción Uds Longitud Ancho Altura Parciales Cantidad
E_CO009 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 100Ω,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R67), (R86), (R92)
Resistencia del Sensado de Corriente del Inductor del Boost.
(R43)
Resistencia del Sensado de Corriente del Inductor del Buck.
(R78)
5 5.000
5.00
E_CO010 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 18kΩ,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R84), (R90)
2 2.000
2.00
E_CO011 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 330Ω,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R87), (R93)
2 2.000
2.00
E_CO012 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 12kΩ,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R31)
1 1.000
1.00
E_CO013 ud Resistencia Fija TE Connectivity, 15kΩ, ±0.1%, 0.25W,
Axial, Serie R, Orificio Pasante
Resistencia de precisión del Notch Filter.
(R16), (R18), (R20), (R22)
4 4.000
4.00
E_CO014 ud Resistencia Fija TE Connectivity, 1kΩ, ±0.1%, 0.25W,
Axial, Serie R, Orificio Pasante
Resistencia de precisión del Notch Filter.
(R17), (R19), (R21), (R23), (R25)
5 5.000
5.00
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Estado de Mediciones
112
Código Descripción Uds Longitud Ancho Altura Parciales Cantidad
E_CO015 ud Resistencia Fijada TE Connectivity, 10kΩ, ±0.1%,
0.25W, Axial, Serie R, Orificio Pasante
Resistencia de precisión del Notch Filter.
(R27)
1 1.000
1.00
E_CO016 ud Resistencia Variable Bourns Serie 3296W, 2kΩ, ±10%,
±100ppm/°C, 0.5W, 25Vueltas, Orificio Pasante
(R3), (R30), (R51), (R61), (R85), (R91)
6 6.000
6.00
E_CO017 ud Resistencia Variable Bourns Serie 3296W, 10kΩ, ±10%,
±100ppm/°C, 0.5W, 25Vueltas, Orificio Pasante
(R11), (R13), (R59)
3 3.000
3.00
E_CO018 ud Resistencia Variable Bourns Serie 3296W, 5kΩ, ±10%,
±100ppm/°C, 0.5W, 25Vueltas, Orificio Pasante
Resistencia Variable para ajustar la Corriente de Carga de la
Batería con valores comprendidos entre 2.510A.
(R65)
1 1.000
1.00
E_CO019 ud Diodo Zener Fairchild Semiconductor BZX85C10, 10V,
5%, 1W, Orificio Pasante, DO-41, 2-Pines Diodo rápido para uso general. Implementación del Limitador.
(D1)
1 1.000
1.00
E_CO020 ud Rectificador en Puente KBU4D-E4, Monofásico, 4A,
200V, KBU, 4-Pines
Puente de Diodos para rectificación de la señal proveniente del
devanado auxiliar del Transformador para la Generación de la
Alimentación de ±15 VDC.
(D2)
1 1.000
1.00
E_CO021 ud Amplificador Operacional MC33078P, Doble, Alta
Velocidad, 16MHz, PDIP, 8-Pines,Alimentación±5→±18V (U1), (U2), (U3), (U4), (U6), (U7), (U8), (U11), (U12), (U13), (U15),
(U16), (U18), (U19)
14 14.000
14.00
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Estado de Mediciones
113
Código Descripción Uds Longitud Ancho Altura Parciales Cantidad
E_CO022 ud Multiplicador Analógico AD633JNZ, PDIP, 8-Pines
Circuito Integrado encargado de realizar el producto de la
conductancia emulada por la tensión de entrada, generando el
Corriente de Referencia de la etapa Boost.
(U5)
1 1.000
1.00
E_CO023 ud Comparador Analógico LM319 FAIRCHILD
SEMICONDUCTOR, Doble, Alta Velocidad, DIP, 8-Pines,
Alimentación 5→15V Comparación de Corriente del Inductor del Boost con los Límites
de Histéresis.
(U9)
Comparación de Corriente del Inductor del Buck con los Límites
de Histéresis.
(U17)
2 2.000
2.00
E_CO024 ud Circuito Integrado Biestable CD4027BE, Doble, PDIP,
16-Pines, Alimentación 3→18V Báscula encargada de generar las señales de Control para los
drivers de la etapa Boost y Buck.
(U10)
1 1.000
1.00
E_CO025 ud Referencia de Tensión LM431AIZ, Ajustable, 100mA,
TO-92, 3-Pines, 2%, Alimentación 2.5→36V Diodo Zener para la regulación del valor de la Corriente de Carga.
(U14)
1 1.000
1.00
E_CO026 ud Regulador de Tensión Lineal L7815CV, 1.5A, 15V, TO-
220, 3-Pines Regulador de Tensión Lineal del Bloque de Generación de
Alimentación de +15 VDC.
(U20)
1 1.000
1.00
E_CO027 ud Regulador de Tensión Lineal L7915CV, 1.5A, 15V, TO-
220, 3-Pines Regulador de Tensión Lineal del Bloque de Generación de
Alimentación de -15 VDC.
(U21)
1 1.000
1.00
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Estado de Mediciones
114
Código Descripción Uds Longitud Ancho Altura Parciales Cantidad
E_CO028 ud Interruptor de Actuador Deslizante SPDT, On-On, 3A,
Montaje en PCB
Switch para cortocircuitar el condensador del Integrador en el
Compensador PI_1.
(SW1)
1 1.000
1.00
E_CO029 ud Zócalo DIL Winslow, 5A, 2.54mm, Anchura 7.62mm, 8-
Contactos, Orificio Pasante, Pin de Torneado
Zócalos para los AOs y el Multiplicador Analógico.
15 15.000
15.00
E_CO030 ud Zócalo DIL Winslow, 5A, 2.54mm, Anchura 7.62mm, 14-
Contactos, Orificio Pasante, Pin de Torneado
Zócalos para los Comparadores.
2 2.000
2.00
E_CO031 ud Zócalo DIL Winslow, 5A, 2.54mm, Anchura 7.62mm, 16-
Contactos, Orificio Pasante, Pin de Torneado
Zócalo para la Báscula.
1 1.000
1.00
E_CO032 ud Conector Macho PCB, Montaje Vertical, 2-Vías, 5mm
Conector para transmisión de señal de Tensión y Corriente
Sensada.
(X1), (X2), (X3), (X5), (X6)
Conector para transmisión de señal de Control a los drivers.
(X4), (X7)
7 7.000
7.00
E_CO033 ud Conector Macho PCB, Montaje Vertical, 3-Vías, 5mm
Conector de Entrada del Bloque de Generación de Alimentación
de ±15 VDC.
(X33)
Conector de Salida del Bloque de Generación de Alimentación de
±15 VDC.
(X34)
2 2.000
2.00
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Estado de Mediciones
115
Código Descripción Uds Longitud Ancho Altura Parciales Cantidad
E_CO034 ud Hembrillas Vero Technologies 20-313143, Blanco,
Bronce Fosforado, 1.32mm Test-Points.
(X8), (X9), (X10), (X11), (X12), (X13), (X14), (X15), (X16), (X17),
(X18), (X19), (X20), (X21), (X22), (X23), (X24), (X25), (X26),
(X27), (X28), (X29), (X30), (X31), (X32), (X35), (X36), (X37)
28 28.000
28.00
E_CO035 cm2 Placa de Circuito Impreso a Doble Cara, Etapa de
Control 2 17.5 16 560.000
560.00
CAPÍTULO C_04: OTROS
OTR001 ud Tornillo Allen, Acero Inoxidable, Cabezal con Casquillo
Hexagonal, M3x30mm Fijación de MOSFETs y Diodos con Disipador + Fijación de
Disipador con Placa de Potencia.
9 9.000
9.00
OTR002 ud Tuerca Hexagonal, Chapado Níquel, Plano Latón
Medio, M3
Fijación de Tornillos Allen y Separadores roscados.
13 13.000
13.00
OTR003 ud Arandela plana, Chapado en Níquel, Plano Latón, M3
Dar soporte y estabilidad a la Placa de Potencia
16 16.000
16.00
OTR004 ud Separador RS Pro, Latón, Redondo, M3x6mm
Dar estabilidad a la Placa de Potencia.
4 4.000
4.00
OTR005 ud Aislante de Tornillo RS Pro, Nylon, M3x6mm Aislar eléctricamente los Diodos del Disipador.
3 3.000
3.00
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Estado de Mediciones
116
Código Descripción Uds Longitud Ancho Altura Parciales Cantidad
OTR006 ud Separador Roscado RS Pro, Hexagonal,
Macho/Hembra, 10mm, M3xM3 Dar soporte y estabilidad a la Placa de Control.
4 4.000
4.00
OTR007 cm2 Lámina Aislamiento Térmico
Aislante entre Encapsulado de MOSFETs+Diodos y Disipador.
5 3 2.5 37.500
37.50
OTR008 cm2 Cinta Aislamiento Eléctrico
Aislante entre Inductores y Placa de Potencia.
Inductor Boost (L1) 7.5 3.5 26.250
Inductor Buck (L2) 8 4 32.000
58.25
OTR009 ud Resistencia de Potencia Arcol, 1Ω, ±5%, 150W, Carcasa
de Aluminio, Axial, Bobinado Carga Resistiva para Pruebas Experimentales.
2 2.000
2.00
OTR010 m Cable para Equipos RS Pro, Sección.Transv. 0.22mm2,
1000V, 1.4A Cable para conexiones entre Placas
17 0.5 8.500
8.50
CAPÍTULO C_05: MANO DE OBRA
RH001 h Técnico de Investigación Grupo II Diseño, Montaje y Análisis del Prototipo Experimental.
250 250.000
250.00
4. PRESUPUESTO
[Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para la
Alimentación de una Estación Meteorológica Autónoma]
AUTOR: Álvaro Baceiredo Ramos
DIRECTOR: Hugo Valderrama Blavi
Septiembre 2016
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Presupuesto
117
Índice del Presupuesto
4.1. LISTADO DE PRECIOS UNITARIOS ............................................................ 118
4.2. PRESUPUESTO .................................................................................................. 121
Capítulo C_01: Bloque de Transformación y Rectificación ............................ 121
Capítulo C_02: Etapa de Potencia .................................................................... 121
Capítulo C_03: Etapa de Control ...................................................................... 125
Capítulo C_04: Otros ......................................................................................... 130
Capítulo C_05: Mano de Obra .......................................................................... 131
4.3. RESUMEN DEL PRESUPUESTO .................................................................... 132
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Presupuesto
118
4.1. LISTADO DE PRECIOS UNITARIOS
Código Ud Descripción Precio
B_TR001 u Transformador Toroidal RS Pro, Tensión 2x18Vac, Potencia
225VA, 2 Salidas
41.68 CUARENTA Y UN EUROS
con SESENTA Y OCHO CÉNTIMOS
B_TR002 u Rectificador en Puente VS-GBPC2502A, Monofásico, 25A,
200V, GBPC-A, 4-Pines
5.64 CINCO EUROS
con SESENTA Y CUATRO CÉNTIMOS
E_PO001 u Condensador de Película de Poliéster Kemet, 10nF, ±5%,
100Vdc,63Vac, Orificio Pasante
0.12 CERO EUROS
con DOCE CÉNTIMOS
E_PO002 u Condensador de Película de Poliéster Kemet, 100nF, ±5%,
63Vdc,40Vac, Orificio Pasante
0.29 CERO EUROS
con VEINTINUEVE CÉNTIMOS
E_PO003 u Condensador de Película de Poliéster Kemet, 1μF, ±5%,
100Vdc,63Vac, Orificio Pasante
0.42 CERO EUROS
con CUARENTA Y DOS CÉNTIMOS
E_PO004 u Condensador Cerámico Multicapa Murata, 1μF, ±15%, 100
Vdc, Orificio Pasante, X7R Dieléctrico, Carcasa Radial
0.41 CERO EUROS
con CUARENTA Y UN CÉNTIMOS
E_PO005 u Condensador de Película de Poliéster Kemet, 10μF,
±5%,100Vdc,63Vac, Orificio Pasante
2.47 DOS EUROS
con CUARENTA Y SIETE CÉNTIMOS
E_PO006 u Condensador de Película de Poliéster Kemet, 0.33μF,
±5%,63Vdc,40Vac, Orificio Pasante
0.52 CERO EUROS
con CINCUENTA Y DOS CÉNTIMOS
E_PO007 u Resistencia de Película de Metal TE Connectivity,10kΩ,
±1%,0.6W,Axial,Serie LR1F
0.05 CERO EUROS
con CINCO CÉNTIMOS
E_PO008 u Resistencia de Película de Metal TE Connectivity,2.2Ω,
±1%,0.6W,Axial,Serie LR1F
0.19 CERO EUROS
con DIECINUEVE CÉNTIMOS
E_PO009 u Resistencia de Película Gruesa Caddock, 100mΩ, ±1%,
30W, Radial, Serie MP930
5.66 CINCO EUROS
con SESENTA Y SEIS CÉNTIMOS
E_PO010 u Resistencia de Película de Metal Vishay, 1kΩ, ±5%, 2W,
Axial, Serie PR02
0.37 CERO EUROS
con TRENTA Y SIETE CÉNTIMOS
E_PO011 u Resistencia de Película de Metal TE Connectivity,20kΩ,
±1%,0.6W,Axial,Serie LR1F
0.05 CERO EUROS
con CINCO CÉNTIMOS
E_PO012 u Núcleo Magnético Kool Mμ MAGNETICS, Referencia
77197-A7
5.00 CINCO EUROS
con CERO CÉNTIMOS
E_PO013 m Conductor Soldable de Cobre Aislado con Resina, Sección
0.07mm2
0.05 CERO EUROS
con CINCO CÉNTIMOS
E_PO014 u Transistor MOSFET IRFP4110PBF, N-Canal, 180A, 100V,
TO-247AC, 3-Pines
1.60 UN EURO
con SESENTA CÉNTIMOS
E_PO015 u Diodo Conmutación MBR30H100CTG, 30A, 100V, TO-
220, 3-Pines
0.67 CERO EUROS
con SESENTA Y SIETE CÉNTIMOS
E_PO016 u Diodo Zener Vishay BZX85C16-TAP 1, 16V, 1.3W,
Orificio pasante, DO-41, 2-Pines
0.11 CERO EUROS
con ONCE CÉNTIMOS
E_PO017 u Diodo BYV26C-TAP, 1A, 600V, 30ns, SOD-57, 2-Pines,
Conexión de silicio
0.41 CERO EUROS
con CUARENTA Y UN CÉNTIMOS
E_PO018 u Diodo Rectificador MBR30100CT, 30A, 100V, TO-220AB,
3-Pines
1.62 UN EURO
con SESENTA Y DOS CÉNTIMOS
E_PO019 u Transductor de Corriente LEM LA 55-P, Lazo Cerrado
Efecto Hall, Sensado 0→70A, Alimentación 12→15 V
24.62 VEINTICUATRO EUROS
con SESENTA Y DOS CÉNTIMOS
E_PO020 u Driver MOSFET de Potencia MCP1407-E/P, No Inversión,
6A, PDIP, 8-Pines, Alimentación 4.5→18 V
0.91 CERO EUROS
con NOVENTA Y UN CÉNTIMOS
E_PO021 u Driver MOSFET de Potencia IR2125PBF, 3.3A, PDIP, 8-
Pines, Alimentación 0→18V
5.92 CINCO EUROS
con NOVENTA Y DOS CÉNTIMOS
E_PO022 u Regulador de Tensión Lineal L7805CV, 1.5A, 15V, TO-
220, 3-Pines
0.31 CERO EUROS
con TRENTA Y UN CÉNTIMOS
E_PO023 u Zócalo DIL Winslow, 5A, 2.54mm, Anchura 7.62mm, 8-
Contactos, Orificio Pasante, Pin Torneado
0.57 CERO EUROS
con CINCUENTA Y SIETE CÉNTIMOS
E_PO024 u Conector Faston PCB 6.3x0.8mm, Ø1.3mm 0.31 CERO EUROS
con TRENTA Y UN CÉNTIMOS
E_PO025 u Conector Macho PCB, Montaje Vertical, 2-Vías, 5mm 0.57 CERO EUROS
con CINCUENTA Y SIETE CÉNTIMOS
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Presupuesto
119
Código Ud Descripción Precio
E_PO026 u Conector Macho PCB, Montaje Vertical, 3-Vías, 5mm 0.96 CERO EUROS
con NOVENTA Y SEIS CÉNTIMOS
E_PO027 u Hembrillas Vero Technologies 20-313143, Blanco, Bronce
Fosforado, 1.32mm
0.12 CERO EUROS
con DOCE CÉNTIMOS
E_PO028 cm2 Placa de Circuito Impreso a Doble Cara, Etapa de Potencia 0.05 CERO EUROS
con CINCO CÉNTIMOS
E_PO029 u Disipador ABL Components 350AB2000B,
200x125x50mm
32.67 TREINTA Y DOS EUROS
con SESENTA Y SIETE CÉNTIMOS
E_CO001 u Condensador de Película de Poliéster Kemet, 100nF, ±5%,
63Vdc,40Vac, Orificio Pasante
0.29 CERO EUROS
con VEINTINUEVE CÉNTIMOS
E_CO002 u Condensador de Película de Poliéster Kemet, 1μF, ±5%,
100Vdc,63Vac, Orificio Pasante
0.42 CERO EUROS
con CUARENTA Y DOS CÉNTIMOS
E_CO003 u Condensador Electrolítico de Aluminio Vishay
515D108M050EK6AE3,1000μF,±20%,50Vdc
1.13 UN EURO
con TRECE CÉNTIMOS
E_CO004 u Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 680Ω,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
0.05 CERO EUROS
con CINCO CÉNTIMOS
E_CO005 u Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 510Ω,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
0.04 CERO EUROS
con CUATRO CÉNTIMOS
E_CO006 u Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 1.5kΩ,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
0.05 CERO EUROS
con CINCO CÉNTIMOS
E_CO007 u Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 10kΩ,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
0.05 CERO EUROS
con CINCO CÉNTIMOS
E_CO008 u Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 1kΩ,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
0.05 CERO EUROS
con CINCO CÉNTIMOS
E_CO009 u Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 100Ω,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
0.05 CERO EUROS
con CINCO CÉNTIMOS
E_CO010 u Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 18kΩ,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
0.04 CERO EUROS
con CUATRO CÉNTIMOS
E_CO011 u Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 330Ω,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
0.06 CERO EUROS
con SEIS CÉNTIMOS
E_CO012 u Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 12kΩ,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
0.05 CERO EUROS
con CINCO CÉNTIMOS
E_CO013 u Resistencia Fija TE Connectivity, 15kΩ, ±0.1%, 0.25W,
Axial, Serie R, Orificio Pasante
0.35 CERO EUROS
con TRENTA Y CINCO CÉNTIMOS
E_CO014 u Resistencia Fija TE Connectivity, 1kΩ, ±0.1%, 0.25W,
Axial, Serie R, Orificio Pasante
0.40 CERO EUROS
con CUARENTA CÉNTIMOS
E_CO015 u Resistencia Fija TE Connectivity, 10kΩ, ±0.1%, 0.25W,
Axial, Serie R, Orificio Pasante
0.89 CERO EUROS
con OCHENTA Y NUEVE CÉNTIMOS
E_CO016 u Resistencia Variable Bourns Serie 3296W, 2kΩ, ±10%,
±100ppm/°C, 0.5W, 25Vueltas, Orificio Pasante
2.28 DOS EUROS
con VEINTIOCHO CÉNTIMOS
E_CO017 u Resistencia Variable Bourns Serie 3296W, 10kΩ, ±10%,
±100ppm/°C, 0.5W, 25Vueltas, Orificio Pasante
2.11 DOS EUROS
con ONCE CÉNTIMOS
E_CO018 u Resistencia Variable Bourns Serie 3296W, 5kΩ, ±10%,
±100ppm/°C, 0.5W, 25Vueltas, Orificio Pasante
3.40 TRES EUROS
con CUARENTA CÉNTIMOS
E_CO019 u Diodo Zener Fairchild Semiconductor BZX85C10, 10V,
5%, 1W, Orificio Pasante, DO-41, 2-Pines
0.06 CERO EUROS
con SEIS CÉNTIMOS
E_CO020 u Rectificador en Puente KBU4D-E4, Monofásico, 4A, 200V,
KBU, 4-Pines
1.09 UN EURO
con NUEVE CÉNTIMOS
E_CO021 u Amplificador Operacional MC33078P, Doble, Alta
Velocidad, 16MHz, PDIP, 8-Pines,Alimentación±5→±18V
0.28 CERO EUROS
con VEINTIOCHO CÉNTIMOS
E_CO022 u Multiplicador Analógico AD633JNZ, PDIP, 8-Pines 9.12 NUEVE EUROS
con DOCE CÉNTIMOS
E_CO023 u Comparador Analógico LM319 Fairchild Semiconductor,
Doble, Alta Velocidad, DIP, 8-Pines, Alimentación 5→15V
0.44 CERO EUROS
con CUARENTA Y CUATRO CÉNTIMOS
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Presupuesto
120
Código Ud Descripción Precio
E_CO024 u Circuito Integrado Biestable CD4027BE, Doble, PDIP, 16-
Pines, Alimentación 3→18V
0.53 CERO EUROS
con CINCUENTA Y TRES CÉNTIMOS
E_CO025 u Referencia de Tensión LM431AIZ, Ajustable, 100mA, TO-
92, 3-Pines, 2%, Alimentación 2.5→36V
0.06 CERO EUROS
con SEIS CÉNTIMOS
E_CO026 u Regulador de Tensión Lineal L7815CV, 1.5A, 15V, TO-
220, 3-Pines
0.20 CERO EUROS
con VEINTE CÉNTIMOS
E_CO027 u Regulador de Tensión Lineal L7915CV, 1.5A, 15V, TO-
220, 3-Pines
0.62 CERO EUROS
con SESENTA Y DOS CÉNTIMOS
E_CO028 u Interruptor de Actuador Deslizante SPDT, On-On, 3A,
Montaje en PCB
1.04 UN EURO
con CUATRO CÉNTIMOS
E_CO029 u Zócalo DIL Winslow, 5A, 2.54mm, Anchura 7.62mm, 8-
Contactos, Orificio Pasante, Pin de Torneado
0.57 CERO EUROS
con CINCUENTA Y SIETE CÉNTIMOS
E_CO030 u Zócalo DIL Winslow, 5A, 2.54mm, Anchura 7.62mm, 14-
Contactos, Orificio Pasante, Pin de Torneado
0.87 CERO EUROS
con OCHENTA Y SIETE CÉNTIMOS
E_CO031 u Zócalo DIL Winslow, 5A, 2.54mm, Anchura 7.62mm, 16-
Contactos, Orificio Pasante, Pin de Torneado
0.94 CERO EUROS
con NOVENTA Y CUATRO CÉNTIMOS
E_CO032 u Conector Macho PCB, Montaje Vertical, 2-Vías, 5mm 0.57 CERO EUROS
con CINCUENTA Y SIETE CÉNTIMOS
E_CO033 u Conector Macho PCB, Montaje Vertical, 3-Vías, 5mm 0.96 CERO EUROS
con NOVENTA Y SEIS CÉNTIMOS
E_CO034 u Hembrillas Vero Technologies 20-313143, Blanco, Bronce
Fosforado, 1.32mm
0.12 CERO EUROS
con DOCE CÉNTIMOS
E_CO035 cm2 Placa de Circuito Impreso a Doble Cara, Etapa de Control 0.05 CERO EUROS
con CINCO CÉNTIMOS
OTR001 u Tornillo Allen, Acero Inoxidable, Cabezal con Casquillo
Hexagonal, M3x30mm
0.43 CERO EUROS
con CUARENTA Y TRES CÉNTIMOS
OTR002 u Tuerca Hexagonal, Chapado Níquel, Plano Latón Medio,M3 0.05 CERO EUROS
con CINCO CÉNTIMOS
OTR003 u Arandela plana, Chapado en Níquel, Plano Latón, M3 0.02 CERO EUROS
con DOS CÉNTIMOS
OTR004 u Separador RS Pro, Latón, Redondo, M3x6mm 0.14 CERO EUROS
con CATORCE CÉNTIMOS
OTR005 u Aislante de Tornillo RS Pro, Nylon, M3x6mm 0.09 CERO EUROS
con NUEVE CÉNTIMOS
OTR006 u Separador Roscado RS Pro, Hexagonal, Macho/Hembra,
10mm, M3xM3
0.19 CERO EUROS
con DIECINUEVE CÉNTIMOS
OTR007 cm2 Lámina Aislamiento Térmico 0.04 CERO EUROS
con CUATRO CÉNTIMOS
OTR008 cm2 Cinta Aislamiento Eléctrico 0.01 CERO EUROS
con UN CÉNTIMO
OTR009 u Resistencia de Potencia Arcol, 1Ω, ±5%, 150W, Carcasa de
Aluminio, Axial, Bobinado
14.61 CATORCE EUROS
con SESENTA Y UN CÉNTIMO
OTR010 m Cable para Equipos RS Pro, Sección.Transv. 0.22mm2,
1000V, 1.4A
0.10 CERO EUROS
con DIEZ CÉNTIMO
RH001 h Técnico de Investigación Grupo II 20.00 VEINTE EUROS
con CERO CÉNTIMOS
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Presupuesto
121
4.2. PRESUPUESTO
Código Descripción Cant. Precio Importe
CAPÍTULO C_01: BLOQUE TRANSFORMACIÓN Y RECTIFICACIÓN
B_TR001 ud Transformador Toroidal RS Pro, Tensión 2x18Vac,
Potencia 225VA, 2-Salidas
Transformador toroidal de núcleo abierto para adaptar el valor de
tensión proveniente de la Red Eléctrica a un valor apto para el
Cargador.
1.00 41.68 41.68
B_TR002 ud Rectificador en Puente VS-GBPC2502A, Monofásico,
25A, 200V, GBPC-A, 4-Pines
Puente de diodos para la rectificación de la señal proveniente del
secundario del Transformador.
1.00 5.64 5.64
TOTAL C_01: BLOQUE TRANSFORMACIÓN Y RECTIFICACIÓN ............................. 47.32
CAPÍTULO C_02: ETAPA DE POTENCIA
E_PO001 ud Condensador de Película de Poliéster Kemet, 10nF,
±5%, 100Vdc, 63Vac, Orificio Pasante Condensador de Entrada de la etapa Boost.
(C1), (C2)
2.00 0.12 0.24
E_PO002 ud Condensador de Película de Poliéster Kemet, 100nF,
±5%, 63Vdc, 40Vac, Orificio Pasante Condensador de Desacoplo.
(C3), (C5), (C7), (C17), (C22), (C24)
Condensador del Bloque de Alimentación de +5 VDC.
(C29)
7.00 0.29 2.03
E_PO003 ud Condensador de Película de Poliéster Kemet, 1μF, ±5%,
100Vdc, 63Vac, Orificio Pasante Condensador de Desacoplo.
(C4), (C6), (C8), (C16), (C18), (C23), (C25)
Condensador de Bootstrap.
(C20), (C21)
9.00 0.42 3.78
E_PO004 ud Condensador Cerámico Multicapa Murata, 1μF, ±15%,
100Vdc, Orificio Pasante, X7R Dieléctrico, Carcasa Radial Condensador Intermedio.
(C15), (C30)
Condensador de Salida de la etapa Buck.
(C27)
3.00 0.41 1.23
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Presupuesto
122
Código Descripción Cant. Precio Importe
E_PO005 ud Condensador de Película de Poliéster Kemet, 10μF,
±5%, 100Vdc, 63Vac, Orificio Pasante Condensador Intermedio.
(C14), (C31)
Condensador de Salida de la etapa Buck.
(C26)
3.00 2.47 7.41
E_PO006 ud Condensador de Película de Poliéster Kemet, 0.33μF,
±5%, 63Vdc, 40Vac, Orificio Pasante
Condensador del Bloque de Alimentación de +5 VDC.
(C28)
1.00 0.52 0.52
E_PO007 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 10kΩ,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F Divisor de Tensión para el Sensado de Tensión de Entrada.
(R1), (R2), (R3)
Divisor de Tensión para el Sensado de Tensión Intermedia.
(R11), (R12), (R13)
Divisor de Tensión para el Sensado de Tensión de Salida.
(R20)
Resistencia gate-source para la descarga rápida de la capacidad
de gate de los MOSFETs en el turn-off.
(R8), (R16)
9.00 0.05 0.45
E_PO008 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 2.2Ω,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
Resistencia gate de los MOSFETs.
(R7), (R15)
2.00 0.19 0.38
E_PO009 ud Resistencia de Película Gruesa Caddock, 100mΩ, ±1%,
30W, Radial, Serie MP930
Resistencia de la rama de precarga del Condensador Intermedio.
(R9)
1.00 5.66 5.66
E_PO010 ud Resistencia de Película de Metal Vishay, 1kΩ, ±5%, 2W,
Axial, Serie PR02 Resistencia intermedia que impide el trabajo de la etapa Boost
en vacío.
(R10)
1.00 0.37 0.37
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Presupuesto
123
Código Descripción Cant. Precio Importe
E_PO011 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 20kΩ,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F Divisor de Tensión para el Sensado de Tensión de Salida.
(R19)
1.00 0.05 0.05
E_PO012 ud Núcleo Magnético Kool Mμ MAGNETICS, Referencia
77197-A7
Núcleo Magnético de los Inductores.
(L1), (L2)
2.00 5.00 10.00
E_PO013 m Conductor Soldable de Cobre Aislado con Resina,
Sección 0.07mm2
Cable para realizar el trenzado que conforma las espiras de los
Inductores de ambas etapas.
277.50 0.05 13.88
E_PO014 ud Transistor MOSFET IRFP4110PBF, N-Canal, 180A,
100V, TO-247AC, 3-Pines
MOSFETs de lado bajo y alto del Cargador.
(Q1), (Q2)
2.00 1.60 3.20
E_PO015 ud Diodo Conmutación MBR30H100CTG, 30A, 100V, TO-
220, 3-Pines Diodo de la rama de precarga del Condensador Intermedio.
(D1)
Diodos de Potencia complementarios a los MOSFETs.
(D2), (D6)
3.00 0.67 2.01
E_PO016 ud Diodo Zener Vishay BZX85C16-TAP 1, 16V, 1.3W,
Orificio pasante, DO-41, 2-Pines
Diodo rápido de uso general. Protección contra sobretensiones y
protección inversa de los MOSFETs.
(D3), (D5), (D8)
3.00 0.11 0.33
E_PO017 ud Diodo BYV26C-TAP, 1A, 600V, 30ns, SOD-57, 2-Pines,
Conexión de silicio
Diodo de Bootstrap de la etapa Buck.
(D4)
1.00 0.41 0.41
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Presupuesto
124
Código Descripción Cant. Precio Importe
E_PO018 ud Diodo Rectificador MBR30100CT, 30A, 100V, TO-
220AB, 3-Pines
Diodo Rectificador del Cargador.
(D7)
1.00 1.62 1.62
E_PO019 ud Transductor de Corriente LEM LA 55-P, Lazo Cerrado
Efecto Hall, Sensado 0→70A, Alimentación 12→15 V Sensado de Corriente de los Inductores.
(U1), (U4)
2.00 24.62 49.24
E_PO020 ud Driver MOSFET de Potencia MCP1407-E/P, No
Inversión, 6A, PDIP, 8-Pines, Alimentación 4.5→18 V Driver para el control del MOSFET de la etapa Boost.
(U2)
1.00 0.91 0.91
E_PO021 ud Driver MOSFET de Potencia IR2125PBF, 3.3A, PDIP,
8-Pines, Alimentación 0→18V
Driver para el control del MOSFET de la etapa Buck.
(U3)
1.00 5.92 5.92
E_PO022 ud Regulador de Tensión Lineal L7805CV, 1.5A, 15V, TO-
220, 3-Pines Regulador de Tensión Lineal del Bloque de Alimentación de +5
VDC.
(U5)
1.00 0.31 0.31
E_PO023 ud Zócalo DIL Winslow, 5A, 2.54mm, Anchura 7.62mm, 8-
Contactos, Orificio Pasante, Pin Torneado
Zócalos para los drivers.
2.00 0.57 1.14
E_PO024 ud Conector Faston PCB 6.3x0.8mm, Ø1.3mm
Conector de Potencia de Entrada y Salida del Cargador.
(X1), (X2), (X3), (X4)
4.00 0.31 1.24
E_PO025 ud Conector Macho PCB, Montaje Vertical, 2-Vías, 5mm
Conector del Bloque de Alimentación de +5 VDC.
(X5)
Conector para transmisión de señal de Tensión y Corriente
Sensada.
(X7), (X9), (X10), (X12), (X13)
Conector para transmisión de señal de Control a los drivers.
(X8), (X11)
8.00 0.57 4.56
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Presupuesto
125
Código Descripción Cant. Precio Importe
E_PO026 ud Conector Macho PCB, Montaje Vertical, 3-Vías, 5mm
Conector del Bloque de Generación de Alimentación de ±15
VDC.
(X6)
1.00 0.96 0.96
E_PO027 ud Hembrillas Vero Technologies 20-313143, Blanco,
Bronce Fosforado, 1.32mm Test-Points.
(X14), (X15), (X17), (X18)
4.00 0.12 0.48
E_PO028 cm2 Placa de Circuito Impreso a Doble Cara, Etapa de
Potencia 796.50 0.05 39.83
E_PO029 ud Disipador ABL Components 350AB2000B,
200x125x50mm
Disipador Térmico para los MOSFETs, Diodos de potencia y
Diodo rectificador.
1.00 32.67 32.67
TOTAL C_02: ETAPA DE POTENCIA ............................. 190.83
CAPÍTULO C_03: ETAPA DE CONTROL
E_CO001 ud Condensador de Película de Poliéster Kemet, 100nF,
±5%, 63Vdc, 40Vac, Orificio Pasante Condensador de Desacoplo.
(C1), (C2), (C3), (C4), (C5), (C8), (C9), (C14), (C15), (C16),
(C17), (C18), (C19), (C20), (C21), (C22), (C23), (C25), (C26),
(C28), (C29), (C30), (C31), (C32), (C33), (C36), (C37), (C38),
(C39), (C40), (C41), (C43), (C44), (C46), (C47), (C48), (C49),
(C50), (C51)
Condensador del Notch Filter.
(C10), (C11), (C12), (C13)
Condensador del Integrador del Compensador PI_2.
(C35)
Condensador del Bloque de Generación de Alimentación de ±15
VDC.
(C54), (C55)
46.00 0.29 13.34
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Presupuesto
126
Código Descripción Cant. Precio Importe
E_CO002 ud Condensador de Película de Poliéster Kemet, 1μF, ±5%,
100Vdc, 63Vac, Orificio Pasante
Condensador del Integrador del Compensador PI_1
(C7)
Condensador de Desacoplo.
(C24), (C27), (C42), (C45)
Condensador del Bloque de Generación de Alimentación de ±15
VDC.
(C56), (C57)
7.00 0.42 2.94
E_CO003 ud Condensador Electrolítico de Aluminio Vishay
515D108M050EK6AE3, 1000μF, ±20%, 50Vdc, EK, Serie
515D
Condensador del Bloque de Generación de Alimentación de ±15
VDC.
(C52), (C53)
2.00 1.13 2.26
E_CO004 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 680Ω,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R1), (R5), (R29), (R49), (R53)
5.00 0.05 0.25
E_CO005 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 510Ω,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R2), (R52)
2.00 0.04 0.08
E_CO006 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity,
1.5kΩ, ±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R4), (R46), (R48), (R50), (R66), (R81), (R83)
7.00 0.05 0.35
E_CO007 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 10kΩ,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R6), (R7), (R8), (R9), (R10), (R12), (R14), (R34), (R35), (R36),
(R37), (R38), (R39), (R40), (R41), (R42), (R54), (R55), (R56),
(R57), (R58), (R69), (R70), (R71), (R72), (R73), (R74), (R75),
(R76), (R77), (R88), (R89), (R94), (R95)
34.00 0.05 1.70
E_CO008 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 1kΩ,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R15), (R32), (R60), (R62), (R63), (R64), (R79), (R96)
8.00 0.05 0.40
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Presupuesto
127
Código Descripción Cant. Precio Importe
E_CO009 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 100Ω,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R67), (R86), (R92)
Resistencia del Sensado de Corriente del Inductor del Boost.
(R43)
Resistencia del Sensado de Corriente del Inductor del Buck.
(R78)
5.00 0.05 0.25
E_CO010 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 18kΩ,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R84), (R90)
2.00 0.04 0.08
E_CO011 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 330Ω,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R87), (R93)
2.00 0.06 0.12
E_CO012 ud Resistencia de Película de Metal TE Connectivity, 12kΩ,
±1%, 0.6W, Axial, Serie LR1F
(R31)
1.00 0.05 0.05
E_CO013 ud Resistencia Fija TE Connectivity, 15kΩ, ±0.1%, 0.25W,
Axial, Serie R, Orificio Pasante
Resistencia de precisión del Notch Filter.
(R16), (R18), (R20), (R22)
4.00 0.35 1.40
E_CO014 ud Resistencia Fija TE Connectivity, 1kΩ, ±0.1%, 0.25W,
Axial, Serie R, Orificio Pasante
Resistencia de precisión del Notch Filter.
(R17), (R19), (R21), (R23), (R25)
5.00 0.40 2.00
E_CO015 ud Resistencia Fija TE Connectivity, 10kΩ, ±0.1%, 0.25W,
Axial, Serie R, Orificio Pasante
Resistencia de precisión del Notch Filter.
(R27)
1.00 0.89 0.89
E_CO016 ud Resistencia Variable Bourns Serie 3296W, 2kΩ, ±10%,
±100ppm/°C, 0.5W, 25Vueltas, Orificio Pasante
(R3), (R30), (R51), (R61), (R85), (R91)
6.00 2.28 13.68
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Presupuesto
128
Código Descripción Cant. Precio Importe
E_CO017 ud Resistencia Variable Bourns Serie 3296W, 10kΩ, ±10%,
±100ppm/°C, 0.5W, 25Vueltas, Orificio Pasante
(R11), (R13), (R59)
3.00 2.11 6.33
E_CO018 ud Resistencia Variable Bourns Serie 3296W, 5kΩ, ±10%,
±100ppm/°C, 0.5W, 25Vueltas, Orificio Pasante
Resistencia Variable para ajustar la Corriente de Carga de la
Batería con valores comprendidos entre 2.510A.
(R65)
1.00 3.40 3.40
E_CO019 ud Diodo Zener Fairchild Semiconductor BZX85C10, 10V,
5%, 1W, Orificio Pasante, DO-41, 2-Pines Diodo rápido para uso general. Implementación del Limitador.
(D1)
1.00 0.06 0.06
E_CO020 ud Rectificador en Puente KBU4D-E4, Monofásico, 4A,
200V, KBU, 4-Pines
Puente de Diodos para rectificación de la señal proveniente del
devanado auxiliar del Transformador para la Generación de la
Alimentación de ±15 VDC.
(D2)
1.00 1.09 1.09
E_CO021 ud Amplificador Operacional MC33078P, Doble, Alta
Velocidad, 16MHz, PDIP, 8-Pines,Alimentación±5→±18V (U1), (U2), (U3), (U4), (U6), (U7), (U8), (U11), (U12), (U13),
(U15), (U16), (U18), (U19)
14.00 0.28 3.92
E_CO022 ud Multiplicador Analógico AD633JNZ, PDIP, 8-Pines
Circuito Integrado encargado de realizar el producto de la
conductancia emulada por la tensión de entrada, generando el
Corriente de Referencia de la etapa Boost.
(U5)
1.00 9.12 9.12
E_CO023 ud Comparador Analógico LM319 FAIRCHILD
SEMICONDUCTOR, Doble, Alta Velocidad, DIP, 8-Pines,
Alimentación 5→15V Comparación de Corriente del Inductor del Boost con los Límites
de Histéresis.
(U9)
Comparación de Corriente del Inductor del Buck con los Límites
de Histéresis.
(U17)
2.00 0.44 0.88
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Presupuesto
129
Código Descripción Cant. Precio Importe
E_CO024 ud Circuito Integrado Biestable CD4027BE, Doble, PDIP,
16-Pines, Alimentación 3→18V Báscula encargada de generar las señales de Control para los
drivers de la etapa Boost y Buck.
(U10)
1.00 0.53 0.53
E_CO025 ud Referencia de Tensión LM431AIZ, Ajustable, 100mA,
TO-92, 3-Pines, 2%, Alimentación 2.5→36V Diodo Zener para la regulación del valor de la Corriente de
Carga.
(U14)
1.00 0.06 0.06
E_CO026 ud Regulador de Tensión Lineal L7815CV, 1.5A, 15V, TO-
220, 3-Pines Regulador de Tensión Lineal del Bloque de Generación de
Alimentación de +15 VDC.
(U20)
1.00 0.20 0.20
E_CO027 ud Regulador de Tensión Lineal L7915CV, 1.5A, 15V, TO-
220, 3-Pines Regulador de Tensión Lineal del Bloque de Generación de
Alimentación de -15 VDC.
(U21)
1.00 0.62 0.62
E_CO028 ud Interruptor de Actuador Deslizante SPDT, On-On, 3A,
Montaje en PCB
Switch para cortocircuitar el condensador del Integrador en el
Compensador PI_1.
(SW1)
1.00 1.04 1.04
E_CO029 ud Zócalo DIL Winslow, 5A, 2.54mm, Anchura 7.62mm, 8-
Contactos, Orificio Pasante, Pin de Torneado
Zócalos para los AOs y el Multiplicador Analógico.
15.00 0.57 8.55
E_CO030 ud Zócalo DIL Winslow, 5A, 2.54mm, Anchura 7.62mm,
14-Contactos, Orificio Pasante, Pin de Torneado
Zócalos para los Comparadores.
2.00 0.87 1.74
E_CO031 ud Zócalo DIL Winslow, 5A, 2.54mm, Anchura 7.62mm,
16-Contactos, Orificio Pasante, Pin de Torneado
Zócalo para la Báscula.
1.00 0.94 0.94
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Presupuesto
130
Código Descripción Cant. Precio Importe
E_CO032 ud Conector Macho PCB, Montaje Vertical, 2-Vías, 5mm
Conector para transmisión de señal de Tensión y Corriente
Sensada.
(X1), (X2), (X3), (X5), (X6)
Conector para transmisión de señal de Control a los drivers.
(X4), (X7)
7.00 0.57 3.99
E_CO033 ud Conector Macho PCB, Montaje Vertical, 3-Vías, 5mm
Conector de Entrada del Bloque de Generación de Alimentación
de ±15 VDC.
(X33)
Conector de Salida del Bloque de Generación de Alimentación
de ±15 VDC.
(X34)
2.00 0.96 1.92
E_CO034 ud Hembrillas Vero Technologies 20-313143, Blanco,
Bronce Fosforado, 1.32mm Test-Points.
(X8), (X9), (X10), (X11), (X12), (X13), (X14), (X15), (X16), (X17),
(X18), (X19), (X20), (X21), (X22), (X23), (X24), (X25), (X26),
(X27), (X28), (X29), (X30), (X31), (X32), (X35), (X36), (X37)
28.00 0.12 3.36
E_CO035 cm2 Placa de Circuito Impreso a Doble Cara, Etapa de
Control 560.00 0.05 28.00
TOTAL C_03: ETAPA DE CONTROL ............................. 115.54
CAPÍTULO C_04: OTROS
OTR001 ud Tornillo Allen, Acero Inoxidable, Cabezal con Casquillo
Hexagonal, M3x30mm Fijación de MOSFETs y Diodos con Disipador + Fijación de
Disipador con Placa de Potencia.
9.00 0.43 3.87
OTR002 ud Tuerca Hexagonal, Chapado Níquel, Plano Latón
Medio, M3
Fijación de Tornillos Allen y Separadores roscados.
13.00 0.05 0.65
OTR003 ud Arandela plana, Chapado en Níquel, Plano Latón, M3
Dar soporte y estabilidad a la Placa de Potencia
16.00 0.02 0.32
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Presupuesto
131
Código Descripción Cant. Precio Importe
OTR004 ud Separador RS Pro, Latón, Redondo, M3x6mm
Dar estabilidad a la Placa de Potencia.
4.00 0.14 0.56
OTR005 ud Aislante de Tornillo RS Pro, Nylon, M3x6mm Aislar eléctricamente los Diodos del Disipador.
3.00 0.09 0.27
OTR006 ud Separador Roscado RS Pro, Hexagonal,
Macho/Hembra, 10mm, M3xM3 Dar soporte y estabilidad a la Placa de Control.
4.00 0.19 0.76
OTR007 cm2 Lámina Aislamiento Térmico
Aislante entre Encapsulado de MOSFETs+Diodos y Disipador.
37.50 0.04 1.50
OTR008 cm2 Cinta Aislamiento Eléctrico
Aislante entre Inductores y Placa de Potencia.
58.25 0.01 0.58
OTR009 ud Resistencia de Potencia Arcol, 1Ω, ±5%, 150W, Carcasa
de Aluminio, Axial, Bobinado Carga Resistiva para Pruebas Experimentales.
2.00 14.61 29.22
OTR010 m Cable para Equipos RS Pro, Sección.Transv. 0.22mm2,
1000V, 1.4A Cable para conexiones entre Placas
8.50 0.10 0.85
TOTAL C_04: OTROS ............................. 38.58
CAPÍTULO C_05: MANO DE OBRA
RH001 h Técnico de Investigación Grupo II Diseño, Montaje y Análisis del Prototipo Experimental.
250.00 20.00 5000.00
TOTAL C_05: MANO DE OBRA ............................. 5000.00
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Presupuesto
132
4.3. RESUMEN DEL PRESUPUESTO
Capítulo Resumen Importe %
C_01 BLOQUE TRANSFORMACIÓN Y RECTIFICACIÓN. 47.32 0.88
C_02 ETAPA DE POTENCIA..................................................... 190.83 3.54
C_03 ETAPA DE CONTROL...................................................... 115.54 2.14
C_04 OTROS................................................................................ 38.58 0.72
C_05 MANO DE OBRA.............................................................. 5000.00 92.72
TOTAL EJECUCIÓN MATERIAL 5392.27
13,00% Gastos Generales............. 700.99
6,00% Beneficio Industrial............ 323.54
SUMA DE G.G. y B.I. 1024,53
21,00% I.V.A.................................. 1347.53 1347.53
TOTAL PRESUPUESTO CONTRATA
TOTAL PRESUPUESTO GENERAL 7764.33
Sube el Presupuesto General a la cantidad de:
SIETE MIL SETECIENTOS SESENTA Y CUATRO EUROS con TRENTA Y TRES CÉNTIMOS
5. PLIEGO DE CONDICIONES
[Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para la
Alimentación de una Estación Meteorológica Autónoma]
AUTOR: Álvaro Baceiredo Ramos
DIRECTOR: Hugo Valderrama Blavi
Septiembre 2016
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Pliego de Condiciones
133
Índice del Pliego de Condiciones
5.1. CONDICIONES ADMINISTRATIVAS ........................................................... 134
5.1.1. Condiciones Generales ............................................................................. 134
5.1.2. Normas, Permisos y Certificaciones ........................................................ 134
5.1.3. Descripción General del Montaje ............................................................ 134
5.2. CONDICIONES ECONÓMICAS ..................................................................... 135
5.2.1. Precios ...................................................................................................... 135
5.2.2. Responsabilidades .................................................................................... 135
5.3. CONDICIONES FACULTATIVAS .................................................................. 135
5.3.1. Personal .................................................................................................... 135
5.3.2. Reconocimiento y Ensayos Previos ......................................................... 136
5.3.3. Materiales ................................................................................................. 136
5.3.3.1. Conductores Eléctricos ..................................................................... 136
5.3.3.2. Resistencias ....................................................................................... 137
5.3.3.3. Condensadores .................................................................................. 137
5.3.3.4. Inductores .......................................................................................... 138
5.3.3.5. Circuitos Integrados y Semiconductores ........................................... 138
5.3.3.6. Zócalos .............................................................................................. 138
5.3.3.7. Placas de Circuito Impreso ............................................................... 139
5.3.3.8. Interconexión de las Placas de Circuito Impreso ............................. 139
5.3.4. Condiciones de Ejecución ........................................................................ 139
5.3.4.1. Encargo y Compra de Material ......................................................... 139
5.3.4.2. Construcción de Inductores ............................................................... 139
5.3.4.3. Fabricación de Placas de Circuito Impreso ..................................... 139
5.3.4.4. Soldadura de Componentes ............................................................... 139
5.3.4.5. Ensayos, Verificaciones y Medidas ................................................... 140
5.3.5. Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión .......................................... 140
5.4. CONCLUSIONES ............................................................................................... 140
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Pliego de Condiciones
134
5.1. CONDICIONES ADMINISTRATIVAS
5.1.1. Condiciones Generales
El presente Documento Básico tiene como objetivo definir el estudio de
convertidores conmutados con las leyes de control implementadas, a futuros
investigadores que continúen trabajando a través del prototipo construido u otros que se
deriven.
Los convertidores implementados son circuitos que se encuentran en fase de desarrollo.
Estos convertidores se elaboran para confirmar de forma experimental los estudios
teóricos y las simulaciones por ordenador, pero no están preparados para trabajar a un
nivel industrial. No obstante, se prevé que circuitos derivados pudieran tener una
aplicación industrial, adaptando y mejorando los circuitos en diferentes aspectos como
protecciones, interferencias, etc.
El Cargador está compuesto por una primera placa donde se monta la etapa PFC (Boost)
y la etapa reductora (Buck) y, una segunda placa donde se realiza el control analógico de
ambas etapas y se genera la alimentación de . Dichas placas se conectan a partir
de terminales de conexión.
En caso de modificaciones o mal uso del aplicativo informático o prototipo diseñado, el
técnico realizador de proyecto no se hace cargo de daños personales y materiales, así
como el mal funcionamiento y averías, tanto en el convertidor como en las fuentes
conectadas a éste.
5.1.2. Normas, Permisos y Certificaciones
Todas las unidades de obra se ejecutan cumpliendo las prescripciones indicadas
en los Reglamentos de Seguridad y Normas Técnicas de obligado cumplimiento para
este tipo de instalación.
Todos los aparatos e instrumentos usados deben de estar homologados. Además, los
instrumentos de medida poseerán sus correspondientes certificados de calibración.
5.1.3. Descripción General del Montaje
En la construcción del prototipo se definen una serie de pasos a seguir con
riguroso orden, donde no se iniciará uno nuevo hasta la finalización del anterior.
i- Pedido y compra del material y componentes.
ii- Construcción de los inductores.
iii- Fabricaciones de las placas de circuito impreso.
iv- Taladrado de agujeros de sujeción de disipadores
v- Colocación y soldadura de los componentes sobre las placas.
vi- Colocación de separadores y disipadores.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Pliego de Condiciones
135
vii- Verificación y ajuste de las placas por separado.
viii- Interconexión de los módulos.
ix- Verificación y ajustes de los módulos interconectados.
x- Mantenimiento de los equipos.
5.2. CONDICIONES ECONÓMICAS
5.2.1. Precios
El importe calculado en el Apartado “4.3. Resumen del Presupuesto” del
Documento Básico Presupuesto puede sufrir cambios debidos a variaciones de precios
de los componentes utilizados. Dicho precio comprende la ejecución total de un
prototipo, incluyendo todos los trabajos complementarios y materiales, así como la parte
proporcional de imposición fiscal, las cargas laborales y otros gastos que se deriven.
El presupuesto no incluye los gastos de tipo energético ocasionados por el proceso de
instalación ni por el uso del prototipo.
5.2.2. Responsabilidades
El coste que pueda ocasionarse del incumplimiento de las especificaciones
expuestas en el presente Documento Básico a consecuencia de la manipulación de los
circuitos construidos, recae sobre el instalador o usuario.
El instalador o usuario es el único responsable de todas las acciones, en contra de lo
acordado, que él o las personas que estén bajo su cargo cometan durante la ejecución de
las operaciones relacionadas con las mismas. También es responsable de los accidentes
o daños que, por errores, inexperiencia o aplicación de métodos inadecuados se
produzcan a terceros.
El instalador o usuario es el único responsable del incumplimiento de las disposiciones
vigentes en material laboral respecto a su personal y por lo tanto, los accidentes que
puedan suceder y de los derechos que puedan derivarse de ellos.
En el caso de que se implemente la totalidad o una parte del contenido del proyecto para
la elaboración de circuitos para uso industrial, la persona responsable de la ejecución
(Contratista) tendrá la obligación de hacerse cargo de todos los gastos originados por el
trabajo mal ejecutado, sin que sirva de excusa que el Técnico Director haya examinado
y aprobado las pruebas.
5.3. CONDICIONES FACULTATIVAS
5.3.1. Personal
Todas las acciones que se desarrollen serán ejecutadas por personal cualificado
con conocimientos en el ámbito de la Electrónica de Potencia. También será necesaria
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Pliego de Condiciones
136
experiencia en software de simulación de circuitos electrónicos, diseño de placas de
circuito impreso y el uso de aparatos e instrumentos de medida.
El personal se someterá a las normas y reglas previstas por la comunidad autónoma,
país u organismos internacionales sobre estas tareas. El técnico realizador de proyecto,
así como el personal investigador, no se hacen responsables de los desperfectos
provocados por su incumplimiento.
El Contratista dispondrá en la obra del número y clase de operarios que requiera por
volumen y naturaleza de los trabajos que se realicen, los cuales serán de reconocida
aptitud y experiencia en oficio. El Contratista estará obligado a separar de la obra aquel
personal que a juicio del Director Técnico no cumpla con sus obligaciones o realice el
trabajo defectuosamente (por falta de conocimientos o bien por obrar inadecuadamente).
5.3.2. Reconocimientos y Ensayos Previos
Cuando el Director Técnico lo considere oportuno, podrá encargar el análisis,
ensayo o comprobación de los materiales, elementos o instalaciones, ya sea en la fábrica
de origen, laboratorios oficiales o en la misma obra, según crea más conveniente,
aunque este no esté indicado en el presente Pliego de Condiciones. En caso de
discrepancia, los ensayos o pruebas se efectuarán en el laboratorio que el Director
Técnico designe. Los gastos ocasionados por estas pruebas y comprobaciones irán a
cuenta del Contratista.
Anterior a la alimentación del prototipo, serán necesario unos reconocimientos previos
de las placas de circuito impreso que incluirán: verificación de conexiones y
comprobación del buen estado de todos los componentes. Una vez alimentado se
comprobará el funcionamiento de todos los elementos, sustituyéndose los elementos
defectuosos, en caso de existir.
5.3.3. Materiales
Todos los materiales cumplirán las especificaciones y se adecuarán a las
características indicadas en el proyecto, garantizando la calidad pretendida,
especialmente los elementos de precisión. Asimismo, en caso de no encontrarse en el
mercado alguno de los productos, ya sea por indisponibilidad momentánea o
permanente, el operario encargado del montaje deberá de estar capacitado para
sustituirlo por uno de características similares.
Cualquier otra especificación o característica de los materiales que figure sólo en uno de
los Documentos Básicos del proyecto, será obligatoria.
5.3.3.1. Conductores Eléctricos
Los conductores de señal estarán formados por cables de cobre, donde la sección
transversal del conductor será de dado que no se trabaja con potencias
elevadas. Para evitar pérdidas en los cables, se recomienda disminuir todo lo posible su
longitud e incluso utilizar conductores con una sección ligeramente superior.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Pliego de Condiciones
137
5.3.3.2. Resistencias
Una resistencia no presenta un valor exacto y es necesario establecer los extremos
máximos y mínimos entre los cuales está comprendido. La tolerancia marca el intervalo
de valores admisibles y se expresa normalmente en tanto por ciento del valor exacto.
Para obtener los extremos se multiplica el valor nominal de la resistencia por su
tolerancia, posteriormente se suma o resta este resultado al valor nominal para conocer
el valor máximo y mínimo del componente.
En el proyecto se emplean dos tipos de resistencias: de potencia y de uso general. Las
de potencia son las que presentan dimensiones mayores, recubrimiento metálico que
facilita la disipación del calor y son las únicas que pueden soportar potencias del orden
de centenas de vatios. Las de uso general engloban el resto de resistores presentando
diversos encapsulados según su ámbito de aplicación. En el presente proyecto se
emplean resistencias through-hole, generalmente, de de película de metal y
tolerancia del 1%. También se recurre al uso de resistencias de alta precisión through-
hole de de película de metal y tolerancia del 0.1% para la consecución del Notch
Filter. Como excepción, destacar la resistencia through-hole de de película de
metal y tolerancia del 5% que impide que la etapa Boost pueda trabajar sin carga
(ubicada en el nodo intermedio del Cargador), así como la resistencia de película gruesa
con encapsulado TO-220 que constituye la rama de precarga del Condensador
Intermedio.
Según el valor óhmico y la tolerancia, se establecen de forma estándar una serie de
valores con los que se consigue toda una gama de resistencias. Estos valores se
muestran en la siguiente tabla, cuyo conjunto total de valores se obtiene multiplicando
por , , , , y :
Tolerancia Valores Estandarizados
1% 1.0/1.1/1.2/1.21/1.24/1.3/1.4/1.5/1.69/1.8/1.82/2.0/2.2/2.4/2.7/3.0/3.3/3.6/3.9/4.3
/4.7/5.1/5.6/6.2/6.8/7.5/8.2/9.1
5% 1.0/1.2/1.3/1.5/1.6/1.8/2.0/2.2/2.4/2.7/3.0/3.6/4.3/4.7/5.1/5.2/5.6/6.8/7.5/8.2/9.8
Para evitar la utilización de un número elevado de ceros en la designación del valor de
una resistencia, se utilizan múltiples del ohmio. Los más usados comercialmente son:
kiloOhmio ( ): =
megaOhmio ( ): =
5.3.3.3. Condensadores
La unidad de medida de la capacidad de los condensadores es el Faradio, sin
embargo, como la unidad es excesivamente grande, en la práctica se utilizan otras
unidades fraccionarias de la anterior. Las más utilizadas comercialmente son:
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Pliego de Condiciones
138
microFaradio ( ): =
nanoFaradio ( ): =
picoFaradio ( ): =
Los condensadores tienen una tolerancia que acostumbra a ser del 5, 10 o 20%, aunque
en los electrolíticos puede alcanzar valores del 50%. En este proyecto se han utilizado:
- Condensadores electrolíticos de alta capacidad para los filtros de potencia.
- Condensadores de poliéster y cerámicos through-hole para el desacoplo en las
alimentaciones, Notch Filter, condensador Bootstrap, el filtro de entrada de la Etapa de
Potencia, entre otros.
5.3.3.4. Inductores
Los inductores son componentes pasivos formados por un núcleo magnético y un
hilo de cobre esmaltado a su alrededor formando espiras, las cuales generan un flujo
magnético que mayoritariamente circula por el núcleo. La magnitud física relacionada
es la inductancia, la cual se expresa en henrios ( ), aunque en la práctica se utilizan
unidades fraccionarias de la anterior. Los más usados comercialmente son:
miliHenrio ( ): =
microHenrio ( ): =
Los inductores son los componentes con menos exactitud, pues en este proyecto están
fabricados por el autor. Asimismo, existen aparatos de medida de inductancias que
permiten obtener buenas aproximaciones.
5.3.3.5. Circuitos Integrados y Semiconductores
Los circuitos integrados se deben de alimentar adecuadamente teniendo en cuenta
las hojas de características de los mismos. Tanto los circuitos integrados como los
semiconductores nunca se expondrán a valores de tensión y/o corriente superiores a los
indicados en el respectivo datasheet.
Otro aspecto a tener en cuenta serán los daños que se pueden producir en estos
elementos a causa de la electricidad estática. Para reducir la posibilidad de este efecto
será necesaria la utilización de guantes de látex en su manipulación. De esta forma se
evita cualquier descarga no deseada a los circuitos integrados (los más sensibles a este
tipo de descargas).
5.3.3.6. Zócalos
Todos los circuitos integrados que aparecen dispondrán de un zócalo para su
unión con la placa de circuito impreso. Estos zócalos serán de tipo Dual in Line,
formados por contactos internos o pads de estaño sobre una base de bronce-fosforo. Los
zócalos están amoldados mediante un poliéster negro con fibra de vidrio.
El uso de zócalos para la inserción de circuitos integrados reduce el tiempo de
sustitución para otro circuito integrado y además evita el calentamiento de los pads de
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Pliego de Condiciones
139
los integrados en el proceso de soldadura, que podría producir un deterioro o la
destrucción del dispositivo.
5.3.3.7. Placas de Circuito Impreso
Las placas de circuito impreso que se necesiten construir se elaborarán a partir de
una lámina de cobre fresada. Las placas se fabricarán a doble cara.
5.3.3.8. Interconexión de las Placas de Circuito Impreso
Todas las placas dispondrán de sus conexiones pertinentes para unir las diferentes
placas de Control y Potencia con la Alimentación, la salida del Cargador con la carga y
la interconexión entre dichas placas.
Las conexiones de potencia se realizarán mediante conectores Faston PCB y las de
control mediante conectores de 2 y 3 cabezales según convenga.
5.3.4. Condiciones de Ejecución
En el presente apartado se describirán los procesos a realizar en la fabricación del
prototipo.
5.3.4.1. Encargo y Compra de Material
La compra de los materiales, componentes y aparatos necesarios tendrá que
realizarse con suficiente antelación de forma que estén disponibles en el momento de
iniciar el montaje de las placas de circuito impreso.
5.3.4.2. Construcción de Inductores
Para la construcción de los inductores se utilizará hilo de cobre esmaltado de
de sección, siendo necesario el cálculo del número de hilos necesarios para
conseguir la sección deseada en cada inductor. Estos hilos de trenzarán y se enrollarán
alrededor de un núcleo toriodal pluvimetalúrgico hasta alcanzar la inductancia
requerida.
Mediante un soldador con punta plana y un baño de estaño, se fundirá el esmalte
aislante de los extremos del hilo de cobre para su correcta conexión con la placa.
5.3.4.3. Fabricación de Placas de Circuito Impreso
Para realizar las placas de circuito impreso se utiliza una máquina de control
numérico que va fresando las capas de cobre de la placa, delimitando las pistas y
realizando los agujeros pertinentes conforme el fichero .MAX del layout cargado.
5.3.4.4. Soldadura de Componentes
La soldadura se realiza mediante la fusión de estaño, debido a que es la más
sencilla, rápida, segura y ofrece la menor resistencia de contacto.
El proceso de soldadura consiste en unir dos conductores (hilos o terminales de los
componentes) de forma que mediante el añadido de un tercer material conductor
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Pliego de Condiciones
140
fundido se crea un compuesto intermetálico entre los tres conductores, que al enfriarse
se forma una unión rígida permanente.
Tanto los materiales a soldar como las herramientas de soldadura deben de cumplir unos
requisitos de limpieza, dado que la presencia de óxidos o cualquier otro tipo de
suciedad, impedirían que la soldadura sea de la calidad necesaria para mantenerse sin
ningún tipo de degradación en el tiempo.
5.3.4.5. Ensayos, Verificaciones y Medidas
Antes de alimentar los módulos se verificará la continuidad de todas las
conexiones internas. A la hora de alimentarlos, se comprobará que todas las tensiones
sean las adecuadas para cada módulo.
Se recomienda que se verifiquen las formas de onda obtenidas en los diferentes puntos
del circuito mediante un osciloscopio de alta sensibilidad.
El posible funcionamiento inadecuado del equipo puede ser debido a diversas causas
que pueden resumirse en los puntos siguientes:
i- Conexiones defectuosas.
ii- Componentes defectuosos.
5.3.5. Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión
Todos los aspectos técnicos de la instalación que directa o indirectamente estén
incluidos en el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT), deberán de cumplir
lo que dispongan las respectivas normas.
5.4. CONCLUSIONES
Las partes interesadas manifiestan que conocen los términos del presente Pliego
de Condiciones y del Proyecto Técnico adjunto, y están acordes a lo que en éste se
manifiesta.
A. ANEXO
[Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para la
Alimentación de una Estación Meteorológica Autónoma]
AUTOR: Álvaro Baceiredo Ramos
DIRECTOR: Hugo Valderrama Blavi
Septiembre 2016
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Anexo
141
Índice del Anexo
A.1. BATERÍAS .......................................................................................................... 142
A.1.1. Baterías de Plomo-Ácido ......................................................................... 142
A.1.2. Baterías basadas en Níquel ..................................................................... 144
A.1.2.1. Níquel-Hierro (NiFe) ........................................................................ 144
A.1.2.2. Níquel-Cadmio (NiCd) ...................................................................... 145
A.1.2.3. Níquel-Hidrógeno (NiH2) .................................................................. 145
A.1.2.4. Níquel-Hidruro Metálico (NiMH) ..................................................... 145
A.1.2.5. Níquel-Zinc (NiZn) ............................................................................ 145
A.1.3. Baterías de Ión de Litio ........................................................................... 146
A.1.3.1. Baterías de Oxido de Cobalto-Litio (LiCoO2) .................................. 147
A.1.3.2. Baterías de Óxido de Manganeso-Litio (LiMn2O4) .......................... 147
A.1.3.3. Batería de Fosfato de Hierro-Litio (LiFePO4) ................................. 147
A.1.3.4. Baterías de LiNiCoAlO2 .................................................................... 148
A.1.3.5. Baterías de Titanato-Litio (Li4Ti5O12) .............................................. 148
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Anexo
142
A.1. BATERÍAS
Se denomina batería o acumulador al dispositivo formado por una o más celdas
electroquímicas capaces de convertir la energía química almacenada en electricidad.
Cada celda consta de un electrodo positivo (ánodo), un electrodo negativo (cátodo) y
electrolitos que permiten que los iones se muevan entre los electrodos, facilitando que la
corriente fluya entre ellos.
Según [A1], las celdas electroquímicas se identifican como primarias o secundarias,
dependiendo de su capacidad de ser eléctricamente recargada:
i) Las celdas primarias transforman la energía química en energía eléctrica de manera
irreversible. Esto implica que de agotarse la cantidad inicial de reactivos presentes en la
celda, la energía no puede ser fácilmente restaurada por medios eléctricos.
ii) Las celdas secundarias pueden ser recargadas, es decir, pueden revertir sus
reacciones químicas mediante el suministro de energía eléctrica a la celda, hasta el
restablecimiento de su composición original.
Además, se utilizan otras clasificaciones para identificar estructuras o diseños
particulares:
iii) Las baterías de reserva son un tipo de batería primaria donde uno de sus
componentes (usualmente el electrolito) se halla separado del resto de la batería antes de
su activación. Con esta condición de diseño, se consigue eliminar la deterioración
química y la auto-descarga.
iv) La pila de combustible es un dispositivo electroquímico en el cual un flujo continuo
de combustible y oxidante sufren una reacción química controlada, que permite
suministrar directamente corriente eléctrica a un circuito externo. Este tipo de batería
presenta, como principal ventaja, un proceso electroquímico de mínimo impacto
ambiental.
Debido a las características de la instalación que se pretende proyectar, la presente
apartado se centra en el estudio de las baterías secundarias (proceso de carga y descarga
de forma reversible). La construcción de este tipo de baterías implica la aparición de
efectos negativos a causa de la acción química, como pueden ser alteraciones de los
componentes que constituyen las celdas, disminución de la vida útil o pérdida de
energía de la batería. Estos requerimientos limitan el nombre de materiales que pueden
ser utilizados de forma satisfactoria para la consecución de un dispositivo eficiente.
Seguidamente, se describen los diferentes tipos de baterías secundarias consideradas
aptas para el sistema, donde se contemplan sus principales características.
A.1.1. Baterías de Plomo-Ácido
Las baterías de Plomo-Ácido han sido y son el tipo más utilizado hasta la
actualidad. Este hecho se debe principalmente a que se trata de una tecnología
contrastada, de bajo coste y de rápida disponibilidad en el mercado (cantidad, tamaño y
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Anexo
143
diseño). Por tanto, se puede afirmar que se trata de la batería comercialmente más
exitosa.
Las celdas de este tipo de baterías presentan un voltaje elevado (en comparación con
otro tipo de baterías recargables). Además, muestran un comportamiento
moderadamente bueno a altas y bajas temperaturas.
Sin embargo, disponen de unos valores de energía específica y de potencia específica
bajos, su ciclo de vida es relativamente corto y requieren de un mantenimiento elevado.
En materia de seguridad y amenazas medioambientales, a pesar de que las baterías están
constituidas por componentes fácilmente reciclables, deben ser depositadas en
contenedores especiales para ser recicladas adecuadamente, debido a la toxicidad que
presenta su contenido de plomo.
Las baterías Plomo-Ácido pueden ser divididas en dos grupos:
i) De electrolito inundado o ventiladas (VLA, Vented Lead-Acid). En este tipo de
baterías los electrodos se encuentran sumergidos en exceso de electrolito líquido. Es el
tipo convencional y el que continúa formando el grueso del mercado. Puede ser
desglosado en tres categorías:
- Arranque, iluminación y encendido (SLI, Starting, Lighting and Ignition
Batteries). Frecuentes en el mundo de la automoción. Económicas, proveen un
buen nivel de corriente a bajo coste. Presentan un ciclo de vida corto.
- De tracción, o también conocidas de ciclo profundo. Adecuadas para
aplicaciones donde tienen lugar descargas profundas.
- Estacionarias. Generalmente se utilizan para suministrar energía en
operaciones de control, así como proveer de energía de emergencia en
subestaciones y sistemas de telecomunicaciones. Larga vida útil y bajo
mantenimiento.
ii) Con válvula regulada (VRLA, Valve Regulated Lead-Acid). Reciben el nombre por
su diseño. Toda batería de Plomo-Ácido durante su normal funcionamiento genera
gases, y de ser abundantes, originan presión en su interior, por tanto, no es apropiado su
completo sellado. Las baterías VRLA llevan unos tapones que hermetizan cada celda,
donde en caso de excesiva gasificación, se abren liberando la presión interna.
Este tipo de baterías también son conocidas como baterías "secas" debido a que
internamente, el electrolito no se encuentra en estado líquido. Se presentan en dos
subgrupos mayoritarios:
- En las baterías de GEL se agrega al electrolito un compuesto de silicona,
provocando que el líquido se vuelva una masa sólida como gelatina.
- En las baterías AGM (Absorbed Glass Mat) se recurre al uso de fibra de
vidrio con gran capacidad de absorción para "separar" las placas positivas de las
negativas. Mediante las baterías AGM se pueden conseguir todas las ventajas de
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Anexo
144
las baterías de GEL sin adquirir ninguna desventaja. La batería AGM VRLA
ofrece un alto rendimiento, con una relación calidad-precio muy buena.
A continuación, se presentan los valores típicos de los distintos tipos de celda de Plomo-
Ácido considerados:
VLA VRLA
SLI Tracción Estacionarias Selladas
Química:
Ánodo Pb Pb Pb Pb
Cátodo PbO2 PbO2 PbO2 PbO2
Electrolito H2SO4 H2SO4 H2SO4 H2SO4
Voltaje de celda:
Nominal (VDC) 2.0 2.0 2.0 2.0
En circuito abierto(VDC) 2.1 2.1 2.1 2.1
Final de la carga (VDC) 2.0÷1.8 2.0÷1.8 2.0-1.8 2.0÷1.8
Final de la descarga (VDC) 1.75 1.75 1.75 1.75
Temperatura de trabajo (ºC) -40÷55 -20÷40 -10÷40 -40÷60
Energía específica a 20º (Wh/kg) 35 25 10÷20 30
Densidad de energía a 20º (Wh/L) 70 80 50÷70 90
Tasa de Auto-descarga
(a 20ºC en % de perdida al mes) 20÷30 4÷6 -- 4÷8
Expectativa de vida (años) 3÷6 6 18÷25 2÷8
Expectativa de vida (ciclos) 200÷700 1500 -- 250÷500
Tabla A1. Características de las celdas de las baterías de Plomo-Ácido[A1].
A.1.2. Baterías basadas en Níquel
Otros tipos de baterías convencionales secundarias usan una solución alcalina
(KOH o NaOH) como electrolito. Dentro de las baterías alcalinas secundarias, se
encuentra la tecnología basada en el níquel, que generalmente, destaca por su
durabilidad en comparación con otras tecnologías conocidas. Seguidamente, se
presentan los tipos más comunes en la actualidad.
A.1.2.1. Níquel-Hierro (NiFe)
Fueron diseñadas para sustituir a las baterías de Plomo-Ácido, aunque finalmente
otros tipos de baterías recargables han desplazado a la batería de Níquel-Hierro en la
mayoría de las aplicaciones. Principalmente, este hecho se debe a su alta variabilidad
con la temperatura, baja energía específica, pobre retención de carga y el alto coste de
producción.
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Anexo
145
Pese a lo anterior, se trata de una batería muy robusta que presenta una extrema
durabilidad y una correcta tolerancia al abuso físico y operacional (en condiciones de
sobrecarga, descarga profunda y cortocircuitos).
A.1.2.2. Níquel-Cadmio (NiCd)
La batería de Níquel-Cadmio es una batería de uso mayoritariamente industrial,
aunque cada vez menos utilizadas, en favor de las baterías de NiMH, a consecuencia de
su efecto memoria y el uso del cadmio (elemento muy contaminante).
Sin embargo, posee una correcta tolerancia al abuso físico (en menor medida que las
baterías de NiFe), presentan una buena densidad de energía y excelente capacidad de
suministro de potencia. Además, se trata de una tecnología relativamente económica.
A.1.2.3. Níquel-Hidrógeno (NiH2)
De uso prácticamente exclusivo en aplicaciones aeroespaciales. Presentan un ciclo
de vida extremadamente largo, sin necesidad de mantenimiento. Por tanto, se trata de
una batería de alta fiabilidad, lo que se traduce en un elevado coste.
A.1.2.4. Níquel-Hidruro Metálico (NiMH)
Similar en prestaciones a las baterías de Níquel-Cadmio. En este tipo de batería el
cátodo está constituido por una aleación de hidruro metálico, sustituyéndose de este
modo el cadmio. Asimismo, posee una mayor capacidad de carga y un menor efecto
memoria.
Como desventajas, muestran una menor tolerancia al abuso y una mayor tasa de auto-
descarga, que su equivalente en NiCd. No obstante, se desarrolló una variante de baja
auto-descarga (LSD-NiMH). Destaca también como aspecto negativo, la dificultad de
fabricación.
A.1.2.5. Níquel-Zinc (NiZn)
Se considera la tecnología menos madura de las baterías de electrodo de níquel.
Como principal ventaja se puede destacar una densidad de energía ligeramente mayor
que su equivalente en NiCd, además de una reducción en su coste, que sin embargo
continua siendo elevado en relación al equivalente en Plomo-Ácido. Como principal
limitación, presentan un ciclo de vida pobre.
Seguidamente, se presentan los valores típicos de los distintos tipos de celda basadas en
la tecnología de níquel estudiados:
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Anexo
146
NiCd
Ventilada
Plate”
Ventilada
“Sintered
Plate”
Sellada NiFe NiZn NiH2 NiMH
Química:
Ánodo Cd Cd Cd Fe Zn H2 MH
Cátodo NiOOH NiOOH NiOOH NiOOH NiOOH NiOOH NiOOH
Electrolito KOH KOH KOH KOH KOH KOH KOH
Voltaje de celda:
Nominal (VDC) 1.20 1.20 1.20 1.20 1.65 1.40 1.20
En circuito abierto(VDC) 1.29 1.29 1.29 1.37 1.73 1.32 1,40
Final de la carga (VDC) 1.25÷1 1.25÷1 1.25÷1 1.25÷1 1.6÷1.4 1.3÷1.15 1.25÷1.1
Final de la descarga (VDC) 1.00 1.00 1.00 1.00 1.20 1.00 1.00
Temperatura de trabajo (ºC) -20÷45 -40÷50 -40÷45 -10÷45 -10÷50 0÷50 -20÷50
Energía específica a 20º (Wh/kg) 20 30÷37 35 30 50÷60 64 75
Densidad de energía a 20º (Wh/L) 40 58÷96 100 55 80÷120 105 240
Tasa de auto-descarga
(a 20ºC en % de perdida al mes) 5 10 15÷20 20÷40 <20 Muy alta 15÷25
Expectativa de vida (años) 8÷25 3÷10 2÷5 8÷25 -- -- 2÷5
Expectativa de vida (ciclos) 500÷
2000
500÷
2000
300÷
700
2000÷
4000 500
1500÷
6000
300÷
600
Tabla A2. Características de las celdas de las baterías basadas en tecnología de Níquel[A1].
A.1.3. Baterías de Ión de Litio
Las baterías de Litio emplean una sal de litio que consigue los iones necesarios
para la reacción electroquímica reversible entre el cátodo y el ánodo.
Por lo general, las baterías de Li-Ion destacan por las características físicas de sus
componentes, que permiten diseñar acumuladores ligeros, de pequeño tamaño y
variadas formas. Además, distinguir su elevada capacidad energética y el escaso efecto
memoria que sufren.
Sin embargo, su rápida degradación y sensibilidad a elevadas temperaturas, requieren en
su configuración la inclusión de elementos adicionales, resultando en un coste superior.
Hay que tener en cuenta que existen en el mercado numerosas combinaciones de Litio,
lo que puede llevar a baterías que presentan diferentes características. Destacan:
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Anexo
147
A.1.3.1. Baterías de Oxido de Cobalto-Litio (LiCoO2)
Su elevada energía específica convierte este
tipo de batería en la más utilizada. La batería está
constituida por un cátodo de óxido de cobalto y un
ánodo de carbón (grafito). El principal
inconveniente de las baterías de Li-Cobalto es su
ciclo de vida (relativamente corto), baja
estabilidad térmica y capacidad de carga limitada.
Figura A1. Gráfico de características de las
LiCoO2[A2]
A.1.3.2. Baterías de Óxido de Manganeso-Litio (LiMn2O4)
Estas baterías utilizan óxido de manganeso
como material para el cátodo. Esta arquitectura
mejora el flujo de iones en el electrodo, que se
traduce en una menor resistencia interna. De este
hecho se desprende una mayor estabilidad térmica
y seguridad, pero una limitación del ciclo de vida.
Destacar que, a consecuencia de una baja
resistencia interna, es posible una rápida carga y
una descarga a elevada corriente. Este tipo de
baterías se mezclan con óxido de litio, níquel,
manganeso y cobalto (NMC) para mejorar la
energía específica y prolongar la duración de su
ciclo de vida.
Figura A2. Gráfico de características de las
LiMn2O4[A2]
A.1.3.3. Batería de Fosfato de Hierro-Litio (LiFePO4)
Las baterías de Li-Fosfato ofrecen un buen
rendimiento electroquímico con una baja
resistencia interna. Estas baterías presentan un
largo ciclo de vida, además de una buena
estabilidad térmica, seguridad y tolerancia al
abuso.
Destacar que las bajas temperaturas reducen su
rendimiento y una temperatura de almacenamiento
elevada acorta su vida de servicio. Además,
presentan una mayor auto-descarga que otras
baterías de Li-Ion.
Figura A3. Gráfico de características de las
LiFePO4[A2]
Diseño y Realización de un Cargador de Baterías para una Estación Meteorológica. Anexo
148
A.1.3.4. Baterías de LiNiCoAlO2
Ofrecen una elevada energía específica y una
correcta potencia especifica durante su prolongado
ciclo de vida. Por contra, la seguridad y el coste.
Figura A4. Gráfico de características de las
LiNiCoAlO2[A2]
A.1.3.5. Baterías de Titanato-Litio (Li4Ti5O12)
Las baterías Li-Titanato pueden ser cargadas
rápidamente y proporcionan una alta corriente de
descarga (incluso a bajas temperaturas)
proporcionando gran seguridad. Su ciclo de vida
es mayor que otras baterías de Li-Ion estudiadas.
Sin embargo, la batería es costosa y la energía
específica baja.
Figura A5. Gráfico de características de las
Li4Ti5O12[A2]
A continuación, se presentan los valores típicos de los distintos tipos de celda basadas
en tecnología de litio:
LiCoO2 LiMn2O4 NMC LiFePO4 LiNiCoAlO2 Li4Ti5O12
Química
Ánodo C (grafito) C (grafito) C (grafito) C (grafito) C (grafito) Li4Ti5O12
Cátodo LiCoO2 LiMn2O4 LiNiMnCoO2 LiFePO4 LiNiCoAlO2 C (grafito)
Voltaje de celda
Nominal (VDC) 3.60 3.70 3.60 3.20 3.60 2.40
Operación (VDC) 3.0÷4.2 3.0÷4.2 3.0÷4.2 2.5÷3.65 3.0÷4.2 1.8÷2.85
Final de la carga (VDC) 4.20V 4.20V 4.20V 3.65V 4.20V 2.85V
Final de la descarga (VDC) 2.50V 2.50V 2.50 V 2.50V 3.00V 1.80V
Energía específica a 20º (Wh/kg) 150÷200 100÷150 150÷220 90÷120 200÷260 70÷80
Expectativa de vida (ciclos) 500÷1000 300÷700 1000÷2000 1000÷2000 500 3000÷7000
Tabla A3. Características de las celdas de las baterías basadas en tecnología de Litio[A2].