Análisis

Se analizó primero cada componente del convertidor DC-DC para luego aplicarle el modelo con pérdidas logrado en el marco teórico al convertidor, con datos reales para cada componente.

El primer componente que se analizó fue el transformador. Como se menciona en el marco teórico, los convertidores Flyback utilizan transformadores de alta frecuencia, y el que se utilizó en el experimento, fue diseñado para una frecuencia de 60Hz. Los convertidores DC-DC conmutados en la actualidad trabajan con frecuencias muy altas gracias a los transistores que pueden conmutar en frecuencias del orden de Mhz.

La tabla 3.1 muestra como la eficiencia del transformador utilizado por el convertidor, tiene una eficiencia de decrece con el aumento de la frecuencia para una carga específica de 30 Ohms. Esta pérdida en la eficiencia se debe a que las corrientes parásitas incrementan notablemente cuando se tienen frecuencias altas, y al ser el núcleo del transformador de hierro laminado (y no pulverizado) las corrientes parásitas afectan la eficiencia notablemente. De la tabla 3.1 se deduce que la frecuencia máxima de conmutación para tener un desempeño aceptable es de 2kHz. La tabla 3.2 demuestra que con una carga menor, la eficiencia también baja, aunque no es tan importante ya que la eficiencia es crítica cuando se tienen corrientes altas debido a que la parte importante de la eficiencia, es cuantos Watts se pierden en calor, lo cual degrada el circuito.

Se estudiaron los transistores con frecuencias de conmutación distintas para evaluar el empleo de este componente en casos de conmutación en alta y baja frecuencia. De las tablas 3.3, 3.4 y 3.5 se ve claramente que el transistor BJT 2N2222 es un mal conmutador, independientemente de la frecuencia, ya que en éste se pierde prácticamente la mitad de la potencia de entrada. Los transistores MOSFET y JFET tienen un comportamiento similar en todos los casos, y se observa que se saturan fácilmente, lo que ayuda a la eficiencia del proceso indiscutiblemente.

El diodo presenta un voltaje de conducción prácticamente igual para todas las cargas y frecuencias por lo que se va a modelar de la misma forma independientemente de la carga y frecuencia.

Obteniendo así el comportamiento de conmutación para todos los componentes, se incorporaron estos datos al modelo encontrado en el diseño con pérdidas del circuito. Evidentemente el modelo empleado no es perfecto ya que en la realidad, un transistor no se comporta como una resistencia pura cuando está encendido, ni un diodo como una fuente de voltaje. Aún así se obtiene un modelo para la eficiencia en cada caso, mostrado en las tablas 3.8, 3.9, 3.10.

Al armar el circuito y obtener directamente del osciloscopio la señal de control que se le aplica al transistor, se puede apreciar en la figura 3.1. Ésta señal es la que define la magnitud del voltaje de salida del convertidor como muestra la ecuación D-38 del diseño del circuito. Esta es la variable de control. La figura 3.2 muestra la salida del convertidor con una carga baja, lo cual hace un rizado apreciable. La figura 3.3 muestra la FFT de esta señal donde el voltaje DC es la componente DC del espectro de Fourier. Todas las armónicas representan el rizado.

El resultado de cada circuito (con cada transistor) se muestra en las tablas 3.11, 3.12 y 3.13. Ahí se muestra la forma de la eficiencia contra carga. Un factor importante que pudo haber afectado severamente los datos es que para medir la corriente de entrada, se utilizó una resistencia de 1 Ohm (1,24Ohms). Y cabe recordar que el voltaje en la resistencia es bastante bajo, y en estas condiciones, el funcionamiento de los instrumentos del laboratorio, presentan porcentajes de error relativamente altos. Otro problema serio es que para el generador de señales, al modificar el ciclo de trabajo, la frecuencia también cambia, y esto es determinante en la eficiencia y el comportamiento del circuito.

Como era de esperarse, para el BJT, la eficiencia no alcanza ni un 50% con ninguna carga. Su máximo es 28% alrededor de 400 Ohms de carga. Este comportamiento es bastante malo, debido a que al aumentar la carga la eficiencia baja. Esto significa que la cantidad de energía transferida en calor aumenta con una forma cuadrática con respecto a la carga, ya que se aumenta la carga linealmente y las pérdidas suben cuadráticamente. La razón de esto es debido a que al subir la carga, sube la corriente, y el controlador se ve forzado a incrementar el ciclo de trabajo del transistor, donde la eficiencia del convertidor el proporcional a la eficiencia del transistor, multiplicado por el ciclo de trabajo D.

Los circuitos con los transistores de efecto de campo (JFET y MOSFET) mostraron un comportamiento mucho más eficiente. Ambos presentaron una eficiencia máxima con carga de 100 Ohms, con eficiencia en el orden de 70% y 80%. Luego la eficiencia decrece de una forma que no muestra el modelo. Esto se debe a que el voltaje no se puede regular a cierto punto debido a que el ciclo de trabajo máximo del generador de señales no es suficiente para lograrlo. Por esto se tuvo que bajar el voltaje de salida, y al hacer esto, la eficiencia del diodo evidentemente decrece abruptamente. Este es un fenómeno que se puede deducir fácilmente ya que la corriente de la carga es la misma que la del diodo, y al haber menos voltaje, hay más corriente y por lo tanto más pérdidas en el diodo. Las eficiencias de estos convertidores son excelentes, tomando en cuenta que no se tiene el transformador adecuado para esta aplicación.

Para observar el porcentaje de error del cálculo de la eficiencia del convertidor, con respecto al modelo, se pueden ver las tablas 3.14, 3.15, 3.16.

El BJT, con respecto al modelo, presenta un porcentaje de error promedio de 34%. El máximo error, 60% se da en las resistencias bajas, donde el voltaje de salida baja, y como se explicó previamente, la eficiencia del diodo cambia abruptamente.

El JFET presenta un porcentaje de error promedio de 22,9%, lo cual no es del todo malo tomando en cuenta el fenómeno que ocurre al bajar el voltaje de salida. El error máximo se da en 400 Ohms donde la eficiencia es mayor a la esperada. Esto se debe a que la eficiencia se calculó en el peor de los casos para el transistor, o sea D = 1.

El MOSFET tiene un porcentaje de error promedio con el modelo de 28%. Al igual que con el JFET, el error máximo se da en el orden de cientos de Ohms, esto debido a la misma causa, que se calcula eficiencia en el peor de los casos. Hay un pico de error en el último muestreo, en 50 Ohms y eso es debido a que el voltaje cae abruptamente en este intervalo y las pérdidas del diodo modifican la eficiencia en más de un 50% con respecto al modelo.