ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”
“GENERADOR DE SEÑALES PARA CIRCUITOS
DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA”
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
PRESENTAN:
CRUZ CUEVAS JENNYFER
MONTESINOS DE LA ROSA EDGAR ENRIQUE SANTANA ROBLES JONATHAN
ASESORES:
Agradezco a mi mamá querida Esther de la Rosa Hernández y a mis hermanos Laura, Nayeli y David por alentarme a cumplir mis objetivos y brindarme todo su apoyo y esfuerzo para concluir esta etapa, este logro es nuestro.
A mis familiares y amigos que me han acompañado a lo largo de mi vida y por compartir grandes momentos y estar a mi lado en los momentos difíciles.
A mis asesores: Ing. Mauricio Sánchez Ramos y M.C. José Oscar Patlan Frausto por guiarme y motivarme a preparar y terminar este trabajo.
A todos mis profesores de la ESIME por transmitirme sus conocimientos y experiencias para llegar a ser una persona productiva.
Al Instituto Politécnico Nacional que me permitió ser parte de una generación de profesionales.
Edgar Enrique Montesinos de la Rosa
“El que ha llegado tan lejos que ya no se confunde, ha dejado también de trabajar”
Son tantas personas a las cuales debo parte de este triunfo, de lograr alcanzar una de mis metas, la cual es el anhelo de todos los que soñamos alguna vez con terminar una carrera.
A mi familia: a mis padres Sofia y Arturo, a mis hermanas Yeimi y Berenice, ellos que han estado hay durante los 23 años que tengo de vida, compartiendo momentos buenos y malos, momentos que hoy son recuerdos pero que sin ellos a mi lado no significarían mucho por que han sido ellos quienes los han hecho inolvidables y los que siempre creyeron en mi aun cuando yo no lo hacia.
A mis amigos: dicen que los verdaderos amigos se cuentan con los dedos de una mano y es cuando me doy cuanta de lo afortunada que soy ya que comienzo a necesitar mi otra mano para poder contarlos, a ellos que han estado conmigo a pesar de todo, por que me conozco y se que no soy fácil de entender y que aun así están aquí viéndome caer y levantarme una y otra vez, dándome una mano cuando la necesito, un hombro en el cual llorar en esos momentos difíciles y una enorme sonrisa cuando cumplo mis sueños.
Al Instituto Politécnico Nacional, esta gran institución a quien le debo mi formación y a todos los profesores que la integran ya que fueron ellos los que me enseñaron lo necesario para poder desarrollarme como profesional y como persona.
INDICE GENERAL
INTRODUCCION 1
Justificación 1
Objetivos 1
Marco teórico 1
CAPITULO I CIRCUITO GENERADOR DE PULSOS VARIABLES EN EL TIEMPO
1.1 Introducción 3
1.2 Circuito generador de pulsos con
componentes electrónicos analógicos 4
2.2.1 Funcionamiento 5
2.2.2 Ventajas y desventajas 5
1.3 Circuito generador de pulsos manejado con un microcontrolador
1.3.1 Funcionamiento 6
1.3.2 Ventajas y desventajas 7
1.4 Detector de cruce por cero 7
1.4.1 El LM339 8
1.4.2 Simulación 9
1.5 Pulsos controlados por ángulo de fase 11
1.5.1 Planteamiento 11
1.5.2 Diagrama de flujo 12
1.5.3 Análisis del código 15
1.5.4 Graficas de los pulsos controlados por ángulo de fase
obtenidas en la simulación (P-SPICE) 16
1.5.5 Graficas de los pulsos controlados por ángulo de fase
obtenidas en el laboratorio 18
1.6 Circuito cerrar – abrir 22
1.6.1 Planteamiento 22
1.6.2 Diagrama de flujo 23
1.6.3 Análisis del código 25
1.6.4 Graficas del circuito cerrar–abrir obtenidas
en la simulación (P-SPICE) 26
1.6.5 Graficas del circuito cerrar – abrir obtenidas
CAPITULO II CIRCUITO GENERADOR DE PULSOS MODULADOS POR ANCHURA
2.1 Introducción 33
2.2 Generación de pulsos modulados
por anchura utilizando componentes analógicos 34
2.2.1 Funcionamiento 35
2.2.2 Ventajas y desventajas 36
2.3 Circuito generador de pulsos modulados por anchura
utilizando un microcontrolador 36
2.3.1 Funcionamiento 36
2.3.2 Ventajas y desventajas 37
2.4 Modulación por ancho de pulso (PWM) 37
2.4.1 Planteamiento 37
2.4.2 Diagrama de flujo 38
2.4.3 Análisis del código 40
2.4.4 Graficas del circuito modulación por ancho de pulso
(PWM) obtenidas en el laboratorio 41
2.5 Modulación de varios pulsos uniformes (UPWM) 42
2.5.1 Planteamiento 43
2.5.2 Diagrama de flujo 44
2.5.3 Análisis del código 45
2.5.4 Graficas del circuito modulación de varios
pulsos uniformes (UPWM) obtenidas en la simulación (P-SPICE) 46 2.5.5 Graficas del circuito modulación de varios
pulsos uniformes (UPWM) obtenidas en el laboratorio 50
CAPITULO III APLICACIONES
3
.1 Introducción 553.2 Dispositivos semicontrolados 56
3.2.1 El SCR 56
3.2.2 El TRIAC 56
3.3 Dispositivos totalmente controlados 57
3.3.1 El MOSFET 57
CAPITULO IV COSTOS
4.1 Costos 64
CAPITULO V CONCLUSIONES
5.1 Conclusiones 65
APENDICES
Apéndice A: Diseño de la fuente de alimentación 67
Apéndice B: Programa Final 87
Apéndice C: Hojas de especificaciones 105
INTRODUCCIÓN
Justificación
En los laboratorios de Electrónica de Potencia de enseñanza a nivel licenciatura se requieren señales de control para los circuitos de potencia que manejan diversas cargas, estas señales en varios casos deberán estar sincronizados con la fase de alimentación.
El sistema generador de señales para circuitos de Electrónica de Potencia, proporciona señales sincronizadas con la fase, así como otro tipo de señales utilizadas específicamente en circuitos de Electrónica de Potencia. Todo lo anterior lo hace un equipo muy útil en el laboratorio de Potencia para efectuar experimentos, así como otros desarrollos en este campo
Objetivos
Objetivo general:
Diseñar y construir un sistema generador de señales de control para ser utilizado en los laboratorios de Electrónica de Potencia.
Objetivos específicos:
- Diseñar e implementar el circuito generador de pulsos sincronizados con la línea de alimentación de voltaje de corriente alterna (ca) variantes en el tiempo y para el control abrir cerrar.
- Diseñar e implementar el circuito generador de pulsos modulados por anchura.
- Diseñar e implementar el circuito de interface de usuario.
Marco teórico
Con el fin de ampliar y mejorar los métodos aplicables en la materia de electrónica de potencia y como una ayuda para los alumnos que toman esta materia, se propone como objetivo principal de este trabajo, diseñar y construir un generador de señales, así como comprobar su viabilidad en un entorno real.
Para ejemplificar mejor proyecto se decidió dividirlo en 2 bloques principales:
A continuación se presenta un diagrama a bloques del sistema completo (figura 1).
Figura 1: Diagrama a bloques del generador de funciones
Como se observa en la figura 1, el Bloque Subsistema Analógico está
compuesto a su vez por dos bloques. El primer bloque es el de “reducción de la señal a sincronizar”, es decir, en esta etapa es en donde se va a utilizar un transformador el cual va a ser el encargado de reducir la señal de la línea a un
valor adecuado de 3.0volts, el segundo bloque es el “detector de cruce por cero” el cual se encargara de generar un pulso cada vez que la señal de la
línea cruce por cero. El bloque subsistema analógico esta enlazado al siguiente bloque que es el de Subsistema Digital dicho bloque a su vez esta
compuesto de dos bloques, el primero de estos bloques es el de “Procesado digital y control de la duración de los pulsos” aquí es en donde la señal que se obtuvo a la salida del detector entra al microcontrolador, el microcontrolador es programado para que manipule dicha señal y así genere en este caso cuatro
tipos de pulsos diferentes, el siguiente bloque es el “menú selectivo tipo de
señal”, como su nombre lo dice este bloque es el que estará interactuando con
el microcontrolador y por medio del cual se podrá escoger el tipo de pulsos con el que se quiere trabajar. La pantalla estará conectada a la salida del menú y va a ser el medio visual por el cual el usuario va a poder interactuar con el
Salida A
Salida B
Hacia la etapa de potencia
A = Abrir – cerrar
Control por ángulo de fase PWM 1
UPWM 1 B = PWM 2 UPWM 2 A L I M E N T A C I Ó N Pantalla SUBSISTEMA ANALOGICO Reducción de voltaje de la señal a sincronizar Detector de cruce por cero SUBSISTEMA DIGITAL Procesado digital y control
de la duración de los pulsos
CAPITULO I
CIRCUITO GENERADOR
DE PULSOS
VARIABLES EN ELTIEMPO
1.1 Introducción
Los dispositivos semiconductores de potencia dependen ampliamente de la forma en que el circuito de control excita su disparo para obtener la salida deseada. Por consiguiente, las características del circuito de control deben ajustarse a los requerimientos de disparo del dispositivo. La familia de tristores: rectificadores controlados de silicio (SCR), El tríodo de corriente alterna (TRIAC), interruptor controlado en compuerta (GTO), etc. son disparados por un pulso de corriente con un defasamiento adecuado con respecto a la señal sinusoidal de alimentación.
El propósito de este circuito es generar los pulsos de corriente necesarios para el control de fase de disparo de la familia de los tristores, teniendo en cuenta que deben estar sincronizados con la señal de alimentación (figura 1.1)
Si se conecta un triac entre la fuente de corriente alterna y la carga, se puede controlar la potencia haciendo variar el valor RMS del voltaje de corriente alterna aplicado a la carga, y a este tipo de circuito de potencia se le llama controlador de voltaje de corriente alterna. Las aplicaciones más comunes de los controladores de voltaje de corriente alterna son: calefacción industrial, cambio de conexión de transformador con carga, controles de alumbrado, control de velocidad de motores y controles de electroimanes de corriente alterna. Para la transferencia de potencia se usan, en el caso normal, dos tipos de control:
1. Control de encendido-apagado 2. Control por ángulo de fase
En el control de encendido apagado, los interruptores de triac conectan la carga a la fuente corriente alterna durante algunos ciclos de voltaje de entrada y lo desconectan durante algunos otros ciclos. En el control por ángulo de fase, los interruptores conectan a la carga con la fuente de corriente alterna durante una parte de cada ciclo de voltaje de entrada.
Los controladores de voltaje de ca se pueden clasificar en dos tipos: 1) Control unidireccional o de media onda, y 2) Control bidireccional o de onda completa.
1.2 Circuito generador de pulsos con componentes analógicos
y digitales.
Se pueden obtener pulsos variables en el tiempo por medio del circuito mostrado en la figura 1.2. El circuito se basa en amplificadores operacionales usados como comparadores de voltaje.
1.2.1 Funcionamiento
El circuito toma una muestra de la línea de alimentación, por medio de un transformador se puede reducir el voltaje de la línea sin que la forma de onda sea afectada. La señal es introducida a dos amplificadores operacionales, en uno la señal de corriente alterna se aplica a la entrada no inversora del amplificador, mientras que en el segundo la señal se aplica a la entrada inversora del amplificador. La entrada restante de cada amplificador es conectada la señal de referencia de 0volts, la cual genera un pulso en el cruce del voltaje de suministro positivo con cero, para el caso del primer amplificador y un pulso en el cruce del voltaje de suministro negativo con cero volts.
La salida de los amplificadores genera un pulso que es reducido en anchura haciéndolo pasar por un integrador. Este pulso se aplica a la entrada positiva de otro amplificador. En la entrada inversora es aplicado un nivel de voltaje, de acuerdo al nivel que se tiene en esta entrada se puede retardar el pulso el ángulo α que se desee.
Se tienen dos pulsos: uno generado en el semiciclo positivo defasado α grados y el otro generado en el semiciclo negativo defasado α grados con respecto al cruce con cero.
La compuerta OR hace que los pulsos de cada salida del amplificador se tengan en una sola, el pulso que corresponde al semiciclo negativo puede o no estar presente de acuerdo a la posición de interruptor.
1.2.2 Ventajas y desventajas
Entre las ventajas de utilizar un circuito generador de pulsos variables en el tiempo con componentes analógicos es la sencillez del mismo, el mínimo uso de componentes y por consiguiente un bajo costo.
Al ser un circuito en el cual el ángulo al que se desea tener los pulsos se selecciona de manera analógica, este es inestable, debido a la conversión que se requiere, algunos pulsos estarán ubicados un poco antes del nivel de referencia mientras que otros estarán ubicados un poco después de pasar el nivel de voltaje fijado por la resistencia variable.
1.3 Circuito generador de pulsos con microcontrolador
Figura 1.3: Circuito generador de pulsos con un microcontrolador
Un microcontrolador es un circuito integrado programable que contiene todos los componentes necesarios para controlar el funcionamiento de una tarea determinada. Para esto, el microcontrolador utiliza muy pocos elementos asociados en su parte exterior. Una vez programado y configurado el microcontrolador, sólo sirve para realizar la tarea asignada.
En el mercado existe una gran variedad de microcontroladores con múltiples posibilidades y características. Cada tipo de microcontrolador sirve para una serie de casos y existe uno idóneo para cada aplicación requerida.
En los últimos años han tenido un gran auge los microcontroladores PIC fabricados por Microchip Technology Inc. Los PIC (Peripheral Interface Controller) son una familia de microcontroladores que ha tenido gran
aceptación y desarrollo en los últimos años gracias a que sus buenas características, bajo precio, reducido consumo, pequeño tamaño, gran calidad, fiabilidad y abundancia de información, lo convierten en una buena opción para ser utilizado en la presente aplicación.
1.3.1 Funcionamiento
El microcontrolador elegido para esta aplicación es uno de los más versátiles de los PIC: el PIC18F452, que se encuentra disponible en encapsulado del tipo DIL40.
El consumo de corriente para el funcionamiento del microcontrolador depende de la tención de alimentación, de la frecuencia de trabajo y de las cargas que soportan sus puertos, siendo del orden de unos pocos miliamperios.
El microcontrolador se comunica con el mundo exterior a través de puertos. Estos están constituidos por líneas digitales de entrada/salida que trabajan entre 0 y 5 volts los puertos se pueden configurar como entradas para recibir datos o como salidas para manejar dispositivos externos.
Todo microcontrolador requiere de un circuito que le indique la velocidad de trabajo, es el llamado oscilador o reloj. Éste genera una onda cuadrada de alta frecuencia que se utiliza para sincronizar todas las operaciones del sistema.
El circuito de reloj más utilizado es el cristal de cuarzo que proporciona una frecuencia muy estable, para nuestro caso la frecuencia de trabajo de éste será de 4MHz. El condensador debe de ir acompañado por dos capacitores de valor de 22pF.
1.3.2 Ventajas y desventajas
Entre las ventajas de usar un microcontrolador en vez de componentes analógicos es la reducción del circuito ya que este reúne en un solo integrado, memoria de programa, memoria de datos y puertos de entrada/salida. Además de la reducción de los costos, en este caso los pulsos están ubicados en el nivel de referencia. El manejo de los retardos se hace de manera digital, lo cual hace que sea mas preciso, además de tener bajo consumo de energía. Una desventaja del microcontrolador es que se pueden tener tiempos demasiado largos de ejecución de programa, esto puede mejorarse realizando el programa de manera estructurada para optimizar su funcionamiento.
1.4 Detector de cruce por cero
El detector de cruce por cero es esencial ya que es el encargado de generar un pulso cada vez que la señal de la línea cruza por cero
Comparadores con punto de conmutación en cero
En ocasiones se quiere analizar dos voltajes para determinar cual de los dos es el mayor. En esta situación, un comparador puede ser la solución perfecta. Este circuito tiene dos terminales de entrada (inversor y no inversor) y un terminal de salida. Es diferente a los circuitos lineales con amplificadores operacionales, ya que existen dos estados en la salida, dependiendo de si la tensión es alta o baja. Por esta razón, los comparadores son comúnmente usados como conexión entre circuitos analógicos y digitales.
Circuito básico
entrada positiva provoca una saturación positiva, y un voltaje de entrada negativa provocara una saturación negativa. El comparador de la figura 1.4 se conoce como detector de cruce por cero, ya que idealmente el voltaje de salida conmuta de alta a baja o viceversa cuando el voltaje de entrada pasa por el valor cero.
Figura 1.4: Comparador
Si Vsat = 14 V, la oscilación en la salida del comparador va aproximadamente
de -14 a +14 V. Si la ganancia de tensión en lazo abierto es 100.000, el voltaje de entrada necesaria para producir saturación tiene la siguiente expresión (ecuacion1):
mV
Vin 0.014
000 . 100
14
(min) 1
Lo que significa que una tensión de entrada más positiva que +0,014mV lleva al comparador a una saturación positiva, y un voltaje de entrada mas negativa que -0,014mV lleva a1 comparador a una saturación negativa.
Las tensiones de entrada de un comparador son normalmente muy superiores a ± 0.014mV. Por ello, la tensión de salida tiene dos estados, +Vsat o -Vsat.
Fijándonos en el voltaje de salida, podremos decir inmediatamente si el voltaje de entrada es mayor o menor que cero.
Un detector de cruce por cero determina la transición de una forma de onda (senoidal) de positiva a negativa, proporcionando un pulso que coincida exactamente con la condición de voltaje cero y genere un estado alto cuando esto suceda y cuando se vuelva a repetir cambie al estado opuesto de manera periódica.
1.4.1 El LM339
Figura. 1.5: Detector de cruce por cero
El divisor de voltaje entre R4 y R5 establece una referencia de voltaje V1, en la
entrada positiva. Al hacer las resistencias en serie, R1 mas R2 igual a R5, la
condición de cambio, V1=V2, será satisfecha cuando VIN=0. El resistor de
retroalimentación R6, esta hecho (fabricado) de un valor mucho mas grande
con respecto a R5 (R6 = 2000 R5).
El resultado establecido por esta red es muy pequeño (ΔV1 < 10mV), pero es
suficiente para asegurar una rápida salida de transición de voltaje. El Diodo D1
se usado para asegurar que la terminal de inversión de entrada de la comparación nunca caiga (disminuya) aproximadamente -100mV.
Como la terminal de entrada es negativa, D1 tendrá la misma dirección que el
voltaje de control, haciendo un puente entre R1 y R2 a aproximadamente
-700mV. Esto crea un divisor de voltaje con R2 y R3 previniendo que V2 vaya por
debajo de tierra. El limite máximo de la entrada negativa esta limitada por la corriente de sostenimiento de D1.
Las principales características con las cuales cuenta el LM339 son:
- Los voltajes con los cuales puede ser alimentado son: 2VDC a 36VDC o ± 1VDC o ± 18VDC
- Muy bajo suministro de corriente (100mA), independiente de voltaje de suministro.
1.4.2 Simulación
5.1k
0 0
VCC
0
IN
0
VCC
OUT
FREQ = 60 VAMPL = 4.25 VOFF = 0
VCC 5Vdc
100k
5.1k 5.1k
10k 20MEG
100k
D1N914
LM339 5
4
3
12
2
+
-V+
V-OUT
0
Figura 1.6: Diagrama detector de cruce por cero (P-SPICE)
Figura 1.7: Grafica resultante (Cruce por Cero)
Figura 1.8: Fotografía obtenida en el laboratorio
1.5 Pulsos controlados por ángulo de fase
1.5.1 Planteamiento
El principio de control por ángulo de fase se puede explicar tomando como referencia la figura 1.9a. El flujo de potencia a la carga se controla retrasando el ángulo de disparo del tiristor T1 y la forma de onda para los voltajes de
entrada, de salida y la corriente de disparo en la compuerta del tristor se muestran en la figura 1.9b.
El circuito de la figura 1.9a es un controlador monofásico de media onda, y sólo es adecuado para cargas resistivas de baja potencia, por ejemplo calefacción alumbrado. Como el flujo de potencia se controla mediante el medio ciclo positivo del voltaje de entrada, a este tipo de control se le llama controlador unidireccional.
El problema de la corriente directa en la entrada se puede evitar usando control bidireccional (o de onda completa) y en la figura 1.10 se muestra un control monofásico de onda completa con una carga resistiva. Durante el medio ciclo del voltaje positivo de entrada se controla el flujo de potencia haciendo variar en ángulo de retardo del tristor T1, y el tristor T2, controla el flujo de potencia
durante el semiciclo negativo del voltaje de entrada. Los pulsos de disparo de T1 y T2 se mantienen con un defasamiento de 180°. La figura 1.11 muestra las
formas de onda del voltaje de entrada (Figura 1.11a), voltaje de salida (figura 1.11b) y señales de disparo para T1 (figura 1.11c) y T2 (figura 1.11d).
0
T1
g2 g1
RL VS
T2
Figura 1.10: Control monofásico de onda completa
El generador de funciones diseñado en el presente trabajo incluye la opción de tener pulsos controlados por ángulo de fase sincronizados con la línea de alimentación y se tiene la opción de tener pulsos tanto en el semiciclo positivo y en el negativo. Se puede eliminar el pulso que controla el semiciclo negativo de la señal de entrada para así controlar dispositivos unidireccionales.
Para sincronizar los pulsos con la línea de alimentación se empleo el detector de cruce por cero mencionado en el tema 1.4.
1.5.2 Diagrama de flujo
1.12 Diagrama de flujo, pulsos controlados por ángulo de fase NO NO NO Si Si Si Si Si Si Inicio
Se Inicializan las variables Pulso.bajo = 1;
Lee la entrada proveniente del detector y se le asigna a la variable
temp retardo = 65535;
While Infinito
Que pasen todos los pulsos Con la siguiente condición
de pulso_bajo= =1
Si se detecta un cambio de estado en
del detector
Escribe en el timer el valor de
retardo
Espera a que finalice el conteo
del timer hasta llegar a cero
Asigna un nivel alto a la salida RB7 durante cierto tiempo (ancho de pulso)
Asigna el valor actual de RB7 para esperar el siguiente cambio de estado
Que pasen únicamente pulsos positivos con la siguiente condición de
pulso_bajo==0
Si se detecta un cambio de estado en
del detector
Si es un pulso positivo
Escribe en el timer el valor de
retardo
Asigna un nivel alto a la salida RB7 durante cierto tiempo (ancho de pulso)
Asigna un nivel bajo a la salida RB7 y Asigna el valor actual de RB7 para esperar el siguiente cambio de estado
Oprimido el botón de salida?
1.5.3 Análisis del código
Para la implementación del código se hace uso de dos librerías importantes en el microcontrolador que son delays y timers. Se configuran El puerto B,
asignando como entradas la parte baja (RB0 – RB3) y como salidas la parte alta (RB4 – RB7). La entrada RB3 detecta el cambio de nivel alto – bajo que proviene del detector de cruce por cero. El estado actual es asignado a una variable temporal para esperar el cambio de estado y continuar el proceso. Es llamada la función retardo para incrementar o decrementar su valor, dependiendo de estar o no activado las entradas para recorrer el desplazamiento. El valor es asignado a la variable retardo para cargar al timer0 con ella. El timer0 comienza el conteo para esperar el disparo del pulso. El tiempo en el que el timer0 realiza todo el conteo varía de 0 a 8330 micro segundos que es el tiempo que dura un semiciclo de la onda senoidal de entrada. La salida pasa a un nivel alto que tiene una duración de 10 microsegundos para después pasar a nivel bajo nuevamente (ver código 1),
Codigo 1
void Cto_1() {
Pantalla_Cto1(); // Llamada a función, despliega en el
LCD
Pulso_Bajo = 1; // Pulso bajo encendido
temp = PORTDbits.RD0; // RD entrada detector de cruce por
cero
retardo = 65535; // tiempo 0 de retardo por omisión
while(1) {
Desplazamiento_1(); // Llamada a la función desplazamiento
while(Pulso_Bajo) // Pasa pulso en pulso alto y bajo
{
while(temp != PORTDbits.RD0) // Cambio de estado del detector
{
INTCONbits.TMR0IF = 0;
WriteTimer0(retardo); // Escribe en el timer0 el valor de retardo
while(INTCONbits.TMR0IF == 0) // Espera a que finalice el conteo {}
PORTBbits.RB7 = 1; // La salida RB7 pasa a nivel alto
Delay10TCYx(1); // Ancho de pulso 10 microsegundos
PORTBbits.RB7 = 0; // La salida RB7 pasa a nivel bajo temp = PORTBbits.RB7; // Asigna el valor actual de RB7 para
} //esperar el siguiente cambio de estado
}
while(Pulso_Bajo == 0) //Pasa pulso en pulso alto
{
while(temp != PORTDbits.RD0) // Cambio de estado del detector
{
while(PORTBbits.RB7 == 1) // Solo pasan los semiciclos positivos
INTCONbits.TMR0IF = 0; WriteTimer0(retardo);
while(INTCONbits.TMR0IF == 0) {}
PORTBbits.RB7 = 1; Delay10TCYx(1); PORTBbits.RB7 = 0; temp = PORTBbits.RB7;
} }
if(PORTBbits.RB0 == 0) // Regresa al menú cuando se oprime RB0 Menu();
} }
1.5.4
Graficas de los pulsos controlados por ángulo de fase,
obtenidas en la simulación (P-SPICE)
Las siguientes figuras muestran los resultados obtenidos en la simulación. En las figuras 1.13, 1.14 y 1.15 se observan la señal de la línea de entrada y los pulsos que genera el sistema en el semiciclo positivo con un pulso.
Figura 1.14: Un pulso a 0°
1.5.5
Graficas de los pulsos controlados por ángulo de fase
obtenidas en laboratorio
Las siguientes figuras muestran los resultados obtenidos en el laboratorio, en la figura 1.16 se observan la señal de la línea de entrada y los pulsos que genera el sistema tanto en el semiciclo positivo como en el negativo sin desplazamiento.
Figura 1.16: Con dos pulsos a 0 °
En la figura 1.17 se observan la señal de la línea de entrada y los pulsos que genera el sistema únicamente en el semiciclo positivo sin desplazamiento.
Figura 1.17: Con un pulso a 0°
Figura 1.18: Con dos pulsos a 45°
Figura 1.20: Con dos pulsos a 90°
Figura 1.22: Dos pulsos a 150°
Figura 1.23: Un pulso a 150°
1.6 Circuito cerrar
–
abrir
1.6.1 Planteamiento
El principio de control de encendido-apagado se puede explicar con un control monofásico de onda completa, como el que se ve en la figura 1.24. El interruptor del TRIAC conecta la fuente de alimentación de ca con la carga durante un tiempo tn, que suele consistir en una cantidad entera de ciclos. Los
tristores se activan en los cruces de voltaje de entrada de ca con cero. Los pulsos de la compuerta para el TRIAC y las formas de onda para los voltajes de entrada y salida, se ven en la figura 1.25.
0
g1
RL T1
VS
Figura 1.24: Circuito para el control cerrar – abrir
1.6.2 Diagrama de Flujo
Figura 1.26: Diagrama de flujo, circuito cerrar-abrir NO NO NO NO NO Si Si Si Si Si Si Inicio
Asigna por omisión pulsos de 1 ciclo
m=1
Asigna a n = 8-m Asigna j=0
Asigna un nivel alto a la salida RB7 durante cierto tiempo (ancho de pulso)
Cambia el nivel de RB7 a nivel bajo Asigna el valor actual de RB7 a temp
para esperar el siguiente cambio de estado
E incrementa en una unida a j While
infinito
Eje cuta esta instrucción mientras que j<(n*2) (Número de pulsos en alto)
Si se detecta un cambio de estado en
del detector
i=j
Salir
Si se detecta un cambio de estado en
del detector
si es oprimido el
botón de salida
Asigna el valor actual de RB7 para esperar el siguiente cambio
de estado
E incrementa en una unidad a i
Numero restante de ciclos en bajo con la siguiente
1.5.3 Análisis del código
Para este circuito se hace uso de nueva cuenta del detector de cruce por cero. Se detectan los cambios de estado en la entrada RB3 del microcontrolador. Existen variables definidas las cuales pueden adoptar los valores de m y n. Un ciclo for deja pasar los pulsos m veces. De igual manera otro ciclo for espera a que se complete el total de 8 ciclos de la onda senoidal. En cada periodo se pregunta si están activadas las entradas que hacen disminuir o aumentar el valor de n (ver código 2).
Código 2
void Cto_2() {
Pantalla_Cto2(); // Llamada a función, despliega en el LCD
m = 1; // Asigna por omision pulsos en 1
ciclo while(1) {
Desplazamiento_2(); // Llama a la función que lee m n = 8 - m; // Asigna a n el valor 8 - n
j = 0; // Asigna a j el valor 0 para
empezar el conteo
while(j<(m*2)) // Ciclo de pulsos activos m {
while(temp != PORTBbits.RB7) // Cambio de estado {
PORTBbits.RB7 = 1; // Se activa RB7 Delay10TCYx(5); // Ancho de pulso 10 microsegundos
PORTBbits.RB5 = 0; // Se desactiva Rb7
temp = PORTBbits.RB7; // Asigna el valor actual de RB7 para
j++; //esperar el siguiente cambio de estado
} // Incrementa el contador
} i=j;
while(i<16) // Cuenta desde pulsos altos hasta terminar los 8 ciclos
while(temp != PORTBbits.RB7) // Cambio de estado {
temp = PORTBbits.RB7; //Asigna el valor actual de RB7 para
i++; //esperar el siguiente cambio de estado
} //pero no manda pulso
Menú(); }
}
1.6.4 Graficas del circuito cerrar
–
abrir obtenidas en la simulación
(P-SPICE)
El planteamiento es que partiendo de la señal sinusoidal de alimentación se toman 8 ciclos como periodo del circuito cerrar – abrir. El valor m es el numero de semiciclos en los cuales existe un pulso en cada cruce de la señal por cero volts y habrá pulsos, n es el número de ciclos en los no que habrá pulsos.
En las figuras 1.27 a 1.33 se muestran los resultados, considerando varias combinaciones.
Figura 1.27: m = 1
Figura 1.29: m = 3
Figura 1.30: m = 4
Figura 1.32: m = 6
Figura 1.33: m = 7
1.6.5 Graficas del circuito cerrar
–
abrir obtenidas en el laboratorio
El circuito fue probado en el laboratorio, obteniendo los siguientes resultados:
Las figuras de la 1.34 a la 1.40 se muestran en la parte superior la señal de la línea y en la parte inferior los pulsos que el sistema genera, estos pulsos obedecen la ecuación siguiente.
n = 8-m 2
Donde:
Figura 1.34: m = 1
Figura 1.36: m = 3
Figura 1.38: m = 5
Figura 1.40: m = 7
CAPITULO II
CIRCUITO GENERADOR
DE PULSOS
MODULADOS POR ANCHURA
2.1 Introducción
La modulación por ancho de pulsos (PWM, de pulse-width modulation en
inglés) es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica.
El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación al período (ver figura 2.1).
Figura 2.1: Parámetros del PWM
La ecuación 3 nos muestra que:
D
T , es el ciclo de trabajo 3
Donde:
T, es el período de la función
La construcción típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta a un oscilador de onda triangular, mientras que la otra queda disponible para la señal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la señal triangular y el ciclo de trabajo está en función de la portadora.
La principal desventaja que presentan los circuitos PWM implementados con esta técnica es la posibilidad de que haya interferencias generadas por radiofrecuencia. Estas pueden minimizarse mediante el uso de un microcontrolador ubicado cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentación.
La modulación por ancho de pulsos es una técnica utilizada para regular la velocidad de giro de los motores eléctricos. Mantiene el par motor constante y no supone un desaprovechamiento de la energía eléctrica. Se utiliza tanto en corriente continua como en alterna, como su nombre lo indica, al controlar: un momento alto (encendido o alimentado) y un momento bajo (apagado o desconectado), controlado normalmente por relevadores (baja frecuencia) o MOSFET o tiristores (alta frecuencia).
Otros sistemas para regular la velocidad modifican la tensión eléctrica, con lo que disminuye el par motor; o interponen una resistencia eléctrica, con lo que se pierde energía en forma de calor en esta resistencia.
Otra forma de regular el giro del motor es variando el tiempo entre pulsos modulación por frecuencia de pulsos de duración constante.
La modulación por ancho de pulsos también se usa para controlar servo motores, los cuales modifican su posición de acuerdo al ancho del pulso enviado cada un cierto período que depende de cada servo motor. Esta información puede ser enviada utilizando un microcontrolador.
Otra aplicación utilizada frecuentemente es en los inversores, este tipo de circuitos tienen la capacidad de generar señales alternas a partir de señales continuas. Los inversores se utilizan en aplicaciones tales como controlar la velocidad de motores de corriente alterna, sistemas de alimentación ininterrumpidas (UPS) y dispositivos de corriente alterna que funcionan a partir de baterías de automóvil.
2.2 Generación de pulsos modulados por anchura utilizando
componentes analógicos.
Figura 2.2: Generador de PWM por medio de comparadores.
Figura 2.3: C.I. 555 como modulador de ancho de pulso
2.2.1 Funcionamiento
El circuito mostrado en la figura 2.2 los amplificadores U1, U2 y U3 se encargan de generar la onda triangular, por medio de la entrada no inversora del amplificador U3 se puede variar la frecuencia de la señal triangular. El amplificador operacional U4 funciona como comparador en donde en su terminal no inversora entra la señal triangular, mientras que en la terminal inversora entra la señal que proviene de un nivel de referencia de voltaje que se puede variar para obtener un uso a la salida con duración también variable. El MOSFET conectado a la salida proporciona la potencia necesaria para alimentar a la carga.
2.2.2 Ventajas y desventajas
Como se mencionó anteriormente utilizando circuitos analógicos existe la posibilidad de que sean afectados por interferencias generadas por radiofrecuencia, además que el ancho de pulso depende de un nivel de voltaje que es fijado por potenciómetros, lo cual hace que se tengan variaciones.
Utilizando un C.I. 555 se puede generar con muy pocos componentes, haciéndolo muy económico.
2.3 Circuito generador de pulsos modulados por anchura
utilizando un microcontrolador
Por medio de un microcontrolador se pueden generar los pulsos modulados por anchura haciendo uso de las funciones de Temporización y las funciones de retardos (ver figura 2.3).
2.3.1 Funcionamiento
El microcontrolador dispone de rutinas de retardo que son útiles para procesos que no un estricto control de tiempos. Otro procedimiento más eficaz y preciso consiste en la utilización de un timer.
Un timer se implementa por medio de un contador que determina el tiempo preciso entre el momento en que el valor es cargado y el instante en el que se produce su desbordamiento. Un timer típico se describe de manera simplificada en la figura 2.4. Consiste en un contador ascendente (también podría ser descendente) que, una vez inicializado con un valor, su contenido se incrementa con cada impulso hasta llegar a su valor máximo, desbordando y volviendo a comenzar de cero.
Figura 2.4: Esquema simplificado de un timer
El principal problema cuando se configura el timer como temporización es el cálculo de los tiempos de temporización. Se puede utilizar la siguiente formula (ecuación 4):
16
Temporización TCM Prescaler 2 1 CargaTMR0 4
16
2 1 CargaTMR0 , es el número total de impulsos a contar por el
TMR0 antes de desbordarse
Se puede utilizar el timer para generar pulsos con tiempos de duración muy precisas.
2.3.2 Ventajas y desventajas
Se puede utilizar el timer para generar pulsos con tiempos de duración muy precisos, Las rutinas de tiempo se ejecutan basadas en el reloj del microcontrolador, que al ser un cristal de cuarzo son muy estables.
Una de las desventajas es el calculo de los tiempos de carga del temporización, a veces es necesario ajustarlos considerando los tiempos en que se realizan las instrucciones del programa que no involucran al timer.
2.4 Modulación por ancho de pulso (PWM)
En muchas aplicaciones, para controlar el voltaje de salida de los inversores, se necesita con frecuencia 1) hacer frente a las variaciones de de entrada de cd, 2) regular el voltaje de los inversores y 3) satisfacer los requisitos de control de voltaje y frecuencia constante. Dos de las técnicas mas utilizadas para este propósito son:
- modulación por ancho de un solo pulso - modulación por ancho de pulsos múltiples
La tercera señal del presente generador es un pulso modulado por anchura, con una frecuencia de 60 Hz, que es una frecuencia útil para trabajar con los inversores.
2.4.1 Planteamiento
Figura 2.5: Modulación por ancho de un solo pulso
El voltaje rms de salida se puede determinar con ecuación 5:
1 2 2
2 2
2 2
O S S
V V d t V 5
Se puede modificar el ancho del pulso , de 0° a 180°, y el voltaje rms de salida de VO hasta VS.
La serie de Fourier del voltaje de salida es
1,3,5,...
4
sen sen
2
O n
VS n
v t n t
n 6
Debido a la simetría del voltaje de salida respecto al eje x, las armónicas pares
(para n = 2, 4, 6…) están ausentes.
2.4.2 Diagrama de flujo
Figura 2.6: Diagrama de flujo. Modulación por ancho de pulso (PWM) NO NO Si Si Si Si Inicio
Inicializa variables de tiempo alto y tiempo
bajo
While infinito
Lee el tiempo alto y el tiempo
bajo
Activa el puerto RB7 con 1 durante el
tiempo alto
Espera a que finalice el conteo del timer
hasta llegar a cero
Limpia bandera de desbordamiento
Y
Desactiva el puerto RB7 poniéndolo en bajo durante
el tiempo en bajo
Espera a que finalice el conteo del timer
hasta llegar a cero
Activa el puerto RB6 con 1 durante el
tiempo alto
Espera a que finalice el conteo del timer
hasta llegar a cero
Oprimido el botón de salida?
Salir y regresa al menú principal
Espera a que finalice el conteo del timer hasta llegar a cero Limpia bandera de
desbordamiento Y Desactiva el puerto RB6 poniéndolo en bajo durante el
2.4.3 Análisis del código
Se ha elegido un ancho de pulso mínimo de 10μs, será también el valor por
omisión del PWM. Entonces la carga en timer según la ecuación 7 será:
16 Temporización
Carga 0 2 1
Prescaler
10 65535
1 1
65525 mínimo tiempo alto
CM
TMR
T
s
s 7
El máximo ancho del pulso es la duración de medio ciclo 8.33ms=8330 s. Se tomó en cuenta una zona muerta de 10 s para evitar que los dos pulsos se
activen al mismo tiempo y provocar un corto circuito en un inversor. El máximo tiempo alto queda (ver ecuación 8):
16 Temporización
Carga 0 2 1
Prescaler
8320 65535
1 1
57215 máximo tiempo alto
CM
TMR
T
s
s 8
El timer se configura para trabajar como contador, a 16 bits y prescaler de 1. Los 8330 s del semiciclo son divididos en tiempo alto y tiempo bajo, se activa
la salida RB5 y se carga el timer con tiempo alto, el timer se desborda y RB5 pasa a nivel bajo, permaneciendo así el tiempo en el que se activa RB6 y su respectivo tiempo bajo. El proceso se realiza periódicamente leyendo con una función si hay cambios en los tiempos. El programa regresa a la función principal del generador (menú) al ser activada la entrada en RB2. RB0 decrementa el ancho del pulso, mientras que RB1 lo incrementa (ver código 3).
Código 3
void Cto_3() {
Pantalla_Cto3(); // Llamada a función, despliega en el LCD
tbajo = 57217; //8318 us, máximo tiempo bajo
talto = 65525; //10 us, mínimo tiempo alto
while(1) {
INTCONbits.TMR0IF = 0;
Desplazamiento_3(); // Lee el tiempo alto y bajo del pulso
PORTBbits.RB7 = 1; // Activa el pulso en RB7
while(INTCONbits.TMR0IF == 0) //mas el tiempo de activación y //desactivación de RB6
{}
INTCONbits.TMR0IF = 0;
PORTBbits.RB6 = 1; // Activa el pulso en RB6 WriteTimer0(talto); //con duración de tiempo alto while(INTCONbits.TMR0IF == 0) // Espera a que finalice el conteo
{}
INTCONbits.TMR0IF = 0; // Limpia la bandera de desbordamiento PORTBbits.RB6 = 0; // Desactiva el pulso en RB6
WriteTimer0(tbajo); // Duración del tiempo bajo
while(INTCONbits.TMR0IF == 0) //mas el tiempo de activación y desactivación de RB7
{}
if(PORTBbits.RB0 == 0)
Menú(); // Regresa al menú cuando se oprime
RB0 } }
2.4.4 Graficas del circuito Modulación por ancho de pulso (PWM)
obtenidas en laboratorio
Se realizaron las pruebas en el laboratorio obteniendo los resultados mostrados en las figuras de la 2.7 a la 2.9. Se muestran las dos salidas del PWM a los valores más significativos del ancho de pulso.
Figura 2.8: PWM máximo ancho de pulso: 8320μs
Figura 2.9: PWM ancho de pulso 50%:4160μs
Cuando se selecciona la tercera señal en el generador, por omisión el ancho de pulso aparece al valor mínimo (10 µs), se puede ajustar el valor aumentando o disminuyendo el ancho de pulso por medio de dos botones. El valor actual de los pulsos se despliega en el LCD.
2.5 Modulación de varios pulsos uniformes (UPWM)
2.5.1 Planteamiento
Como puede observarse en la figura 2.7 existe una señal de referencia que establece la frecuencia de salida fO, y la frecuencia de la portadora fC
determinada por la cantidad de pulsos p por cada medio ciclo. El índice de
modulación controla el voltaje. La cantidad de pulsos por medio ciclo se determina con la ecuación 9:
2 2
f C
O
m f p
f 9
Donde mf fC fO, se define como la relación de modulación de frecuencia.
Figura 2.10: Parámetros y voltaje a la salida de un inversor UPWM
Si es el ancho de cada pulso, el voltaje rms de salida se calcula con la ecuación 10:
1 2 2 2
2
2 2
p
O p S S
p p
V V d t V 10
La variación del índice de modulación M de 0 a 1 hace variar el ancho del pulso desde 0 hasta T 2p 0a p , y al voltaje rms de salida de VO hasta VS, la
1,3,5,...
sen
O n
n
v t B n t 11
El coeficiente Bn de la ecuación anterior se puede determinar considerando un
par de pulsos tales que la duración del pulso positivo comience en t y
la del negativo, del mismo ancho comience en t . Esto se ve en la
figura 2.10 se pueden combinar los efectos de todos los pulsos para obtener el voltaje efectivo de salida que se calcula con la ecuación 12.
2 1
4 3 3
sen sen sen
4 4 4
p S
n m m
m
V n
B n n
n 12
Debido a la simetría del voltaje de salida respecto al eje x, An 0, y las armónicas pares (para n = 2, 4, 6) están ausentes.
2.5.2 Diagrama de flujo
A continuación se muestra el procedimiento que sigue el microcontrolador para generar la señal UPWM, se puede tener con 3, 5 o 7 pulsos, los tiempos para cada una de las opciones esta calculada la carga del timer, la variable n es el
Figura 2.11: Diagrama de flujo, Modulación de varios pulsos uniformes (UPWM)
2.5.3 Análisis del código
Se pueden generar 3, 5 o 7 pulsos por semiciclo, por omisión está configurado para generar 3 pulsos con un ancho de 10μs (n = 3). Se realiza una rutina de
conteo para generar n pulsos, Cada opción tiene los tiempos máximos y
mínimos en los cuales el ancho de pulso puede moverse. La función de desplazamiento lee el valor de retardo y monitorea si éste es modificado. También registra el momento que se oprima RB0 que es la entrada que hace que el programa regrese al menú principal (ver código 4).
NO NO Si Si Si Si Si Si
Asigna un nivel bajo (0) al puerto RB7 y mantelo en ese estado
durante X tiempo
Si
Inicio
Lee que es lo que tiene n , que es el numero de pulsos
Asigna j=0 n=3 While infinito
For i=0;i<n;i++
Asigna un nivel alto (1) al puerto RB7 y mantelo en ese estado durante
X tiempo
Espera a que finalice el conteo
del timer hasta llegar a cero
Espera a que finalice el conteo
del timer hasta llegar a cero
For i=0;i<n;i++
Asigna un nivel alto (1) al puerto RB6 y mantelo en ese estado durante
X tiempo
Espera a que finalice el conteo
del timer hasta llegar a cero
Asigna un nivel bajo (0) al puerto RB6 y mantelo en ese estado
durante X tiempo
Espera a que finalice el conteo
del timer hasta llegar a cero Oprimido el botón
Código 4
void Cto_4() {
Pantalla_Cto4(); // Llamada a función, despliega en el
LCD n = 3; while(1) {
Desplazamiento_4(); // Lee el ancho de los pulsos
for(i=0; i<n; i++) // n = 3,5 o 7 pulsos por semiciclo {
PORTBbits.RB7 = 1; WriteTimer0(talto);
while(INTCONbits.TMR0IF == 0) {}
INTCONbits.TMR0IF = 0; PORTBbits.RB7 = 0; WriteTimer0(tbajo);
while(INTCONbits.TMR0IF == 0) // Duración del tiempo bajo
{} // En el ultimo pulso se suma la
//duración
INTCONbits.TMR0IF = 0; //de activación y desactivación de los pulsos en RB6
}
for(i=0; i<n; i++) // n = 3,5 o 7 pulsos en RB6
{
PORTBbits.RB6 = 1;
WriteTimer0(talto); // Anchura de los pulsos
while(INTCONbits.TMR0IF == 0) {}
INTCONbits.TMR0IF = 0; PORTBbits.RB6 = 0; WriteTimer0(tbajo);
while(INTCONbits.TMR0IF == 0) // Duración del tiempo bajo
{} // En el ultimo pulso se suma la
duración
INTCONbits.TMR0IF = 0; //de activación y desactivación de los pulsos en RB7
}
if(PORTBbits.RB0 == 0)
Menu(); // Regresa al menú cuando se oprime RB0
} }
2.5.4 Graficas del circuito modulación de varios pulsos uniformes
(UPWM) obtenidas en la simulación (P-SPICE)
Figura 2.12: Tres pulsos a mínimo ancho de pulso
Figura 2.13: Tres pulsos, 50% ancho de pulso
Figura 2.14: Tres pulsos a máximo ancho de pulso
Figura 2.15: Cinco pulsos a mínimo ancho de pulso
Figura 2.16: Cinco, 50% ancho de pulso
Figura 2.17: Cinco pulsos a máximo ancho de pulso
Figura 2.18: Siete pulsos a mínimo ancho de pulso
Figura 2.19: Siete pulsos, 50% ancho de pulso
2.5.5 Graficas del circuito modulación de varios pulsos uniformes
(UPWM) obtenidas en el laboratorio.
Las siguientes fotografías son el resultado de las mediciones realizadas en el laboratorio con un osciloscopio digital. Se muestran las dos salidas del generador.
Las figuras 2.21 a 2.23 muestran el generador con 3 pulsos por semiciclo y valores 3 valores significativos de ancho de pulso.
Figura 2.21: UPWM 3 pulsos, mínimo ancho
Figura 2.23: UPWM 3 pulsos, máximo ancho
Las figuras 2.24 a 2.26 muestran el generador UPWM con 5 pulsos. La señal tiene una frecuencia de 60Hz, pero el osciloscopio muestra la frecuencia de repetición entre cada pulso del semiciclo.
Figura 2.25: UPWM 5 pulsos, 50% de ancho
Figura 2.26: UPWM 5 pulsos, máximo ancho
Figura 2.27: UPWM 7 pulsos, mínimo ancho
Figura 2.29: UPWM 7 pulsos, máximo ancho
CAPITULO III
APLICACIONES
3.1 INTRODUCCION
Los dispositivos semiconductores utilizados en Electrónica de Potencia se pueden clasificar en tres grandes grupos, de acuerdo con el grado que tienen de control:
1. Dispositivos no controlados: en este grupo se encuentran los Diodos. Los estados de conducción o cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de potencia. Por tanto, estos dispositivos no disponen de ningún terminal de control externo.
2. Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran, dentro de la
familia de los Tiristores, los SCR (“Silicon Controlled Rectifier”) y los TRIAC (“Triode of Alternating Current”). En éste caso su puesta en conducción (paso
de OFF a ON) se debe a una señal de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo, comúnmente denominado puerta. Por otro lado,
su bloqueo (paso de ON a OFF) lo determina el propio circuito de potencia. Es decir, se tiene control externo de la puesta en conducción, pero no así del bloqueo del dispositivo.
3. Dispositivos totalmente controlados: en este grupo encontramos los
transistores bipolares BJT (“Bipolar Junction Transistor”), los transistores de efecto de campo MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor”), los transistores bipolares de puerta aislada IGBT (“Insulated Gate Bipolar Transistor”) y los tiristores GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”), entre otros.
Diodos de Potencia
Los diodos de potencia pueden llegar a soportar tensiones de ruptura de KiloVolts (KV), y pueden conducir corrientes de KiloAmperes (KA). Evidentemente, el tamaño del diodo condiciona sus características eléctricas, llegándose a tener diodos con tamaños del orden de varios cm2.
Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de voltaje. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar un fuerte voltaje negativo de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.
3.2 Dispositivos semicontrolados
3.2.1 El SCR.
Un rectificador controlado de silicio (SCR) es un dispositivo de tres terminales
usado para controlar corrientes altas para una carga.
El símbolo esquemático del SCR se presenta en la figura 3.1.
Figura 3.1: Símbolo esquemático y nombres de las terminales de un SCR.
El SCR es un dispositivo unidireccional; deja pasar corriente en un solo sentido después de que se haya aplicado una señal de control a su puerta. Realiza pues una rectificación controlada. Sus principales aplicaciones son donde se requiere la regulación de la corriente alterna, entre ellas, el control de velocidad de motores, la soldadura eléctrica y la cantidad de iluminación.
3.2.2 El TRIAC
El TRIAC se asemeja a dos SCR conectados en paralelo-inverso. El TRIAC puede encenderse mediante un pulso de corriente de compuerta y no requiere voltaje de ruptura para iniciar la conducción. El TRIAC es capaz de conducir corriente en cualquier dirección cuando se le dispara a encendido dependiendo de la polaridad de sus terminales ánodo y cátodo.
3.3 Dispositivos totalmente controlados
3.3.1 El MOSFET
Los MOSFET son transistores controlados por voltaje. Ello de debe al aislamiento (óxido de Silicio) de la puerta respecto al resto del dispositivo. Existen dos tipos básicos de MOSFET, los de canal n y los de canal p, si bien
en Electrónica de Potencia los más comunes son los primeros, por presentar menores pérdidas y mayor velocidad de conmutación, debido a la mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros.
La familia de controladores de MOSFET proporciona seguridad, fácil uso y soluciones eficientes para la mayoría de las aplicaciones que demandan controles de MOSFETs y IGBTs. Estos dispositivos pueden ser usados para el control de cargas capacitivas, resistivas e inductivas debido a que soportan picos de corriente altos, tienen tiempos de conmutación rápidos y baja impedancia. Los niveles de entrada de voltaje TTL o CMOS se pueden usar para generar los niveles de voltaje necesarios a la salida.
Los controladores de MOSFET son totalmente operativos con niveles de voltaje de alimentación de hasta 30volts, están disponibles en una gran variedad de rangos de temperatura, varias configuraciones (simples, dobles, cuádruples) y con la opción de salida invertida o no invertida. Disponen de circuitos de protección interna contra descargas electrostáticas y condiciones de bloqueo. Estos productos son ideales para todas las aplicaciones que utilicen grandes MOSFETs o IGBTs tales como: fuentes de alimentación conmutadas, control de motores, amplificadores conmutados clase-D, equipos de test automáticos, sistemas de automoción, control de transformador de pulsos. También se pueden utilizar en aplicaciones con transductores piezoeléctricos, cables coaxiales, relés, solenoides, etc.
3.4 APLICACIÓN Y PRUEBA 1, Control de velocidad de un
motor de CA (Corriente Alterna).
Operación:
Como se mencionó el SCR y el TRIAC son usados para controlar la potencia que se entrega a una carga (motor).
Figura 3.2: Circuito propuesto para controlar la velocidad de un motor de CA.
Debido a la inductancia de dispersión del motor, se genera un sobre pico en las terminales del TRIAC, ocasionado por esta inductancia que trata de mantener su corriente para apagarse el TRIAC. Para atenuar este sobre-pico se coloco el snubber formado por resistencia de 470ohms y el capacitor de 0.1µF (ver figura 3.2).
Para esto se tomo en cuenta la siguiente ecuación (ecuación 13):
13 Donde:
Vdrm = Voltaje pico repetitivo.
Vd/dt = Aplicación del bloqueo de voltaje por tasa de
conmutación.
Esto valores dependen del dispositivo que se este utilizando y se pueden en encontrar en las hojas de especificaciones del fabricante del dispositivo.
Vdrm = 400Volts para el 2N7063
Vd/dt = 5V/µs
Proponiendo un capacitor de 0.1µF podemos encontrar la resistencia (ver ecuación 14).
14
R = 505.6Ω; Se aproximo este resultado a un valor comercial de 470Ω
regular la tensión aplicada a la carga observándose con esto que la velocidad del motor varía.
Figura 3.3. Tensión en el motor con un ángulo de retraso de 90°
La figura 3.4 muestra la tensión aplicada a la carga así como el pulso que dispara el TRIAC a un ángulo de retraso de 90°. Durante el ángulo de retraso el TRIAC no conduce, por lo que la carga no recibe tensión, luego se dispara (conduce) y la parte que falta para completar el semiciclo positivo es aplicada a la carga. Esto se repite para el semiciclo negativo. El control de los tiempos de disparo del TRIAC nos permite regular la tensión aplicada a la carga. Observándose con esto que la velocidad del motor varía.
La figura 3.5 muestra la tensión aplicada a la carga únicamente en el semiciclo positivo con un ángulo de retardo de 90°. Durante el ángulo de retraso el TRIAC no conduce, por lo que la carga no recibe tensión, luego se dispara (conduce) y la parte que falta para completar el semiciclo positivo es aplicada a la carga. Como se observa esta forma de onda es muy semejante a la que proporciona el SCR a la carga, de esta manera se puede controlar por medio del generador si se desea que conduzca en el semiciclo negativo o no.
Figura 3.5: Tensión en el motor con un ángulo de retraso de 90° y pulsos de referencia
De manera visual se pudo comprobar que a medida que se aumentaba el ángulo de retraso al TRIAC el motor iba reduciendo su velocidad llegando a quedar en alto total a aproximadamente a un ángulo de 135°cuando se tiene el control en el semiciclo positivo y negativo. Cuando únicamente se tenía el control del semiciclo positivo llegaba a un alto total a aproximadamente 90° de retraso.
3.5 APLICACIÓN Y PRUEBA 2, Inversor de CD-CA.
Operación:
Como se había mencionado los MOSFET son dispositivos que pueden ser usados para el control de cargas, para este caso como un interruptor.
para el control adecuado de la etapa de inversión CD/CA. Esta etapa de además de acoplar la señal también adecuara el voltaje que generador proporciona a un voltaje de 12volts para que con este voltaje poder saturar el MOSFET de potencia IRF510. El transistor BD135 es utilizado como inversor para invertir la señal y así tener dos señales por salida estas dos señales nos servirán para controlar los MOSFET.
Figura 3.7: Etapa de aislamiento y adecuación de voltaje.
El inversor en puente H completo está formado por 4 interruptores de potencia totalmente controlados MOSFETs, tal y como se muestra en la figura 3.6.
A diferencia de los transistores bipolares, los transistores MOSFET poseen una resistencia entre Drenaje y Fuente (RDS) cuando son activados que rondan los 0.1ohms (dependiendo del modelo).
Esto significa que en un ejemplo como el anterior y trabajando con una corriente de 4ampers estaríamos perdiendo solo 0.4volts por transistor (0.8volts en total), lo cual representa una notable mejora en el rendimiento del puente.
El voltaje aplicado en la carga (foco) puede ser de aproximadamente + 12, -12, ó 0, dependiendo del estado de los interruptores, en las figuras 4.8, 4.9 y 4.10 se muestra el voltaje aplicado a la carga (foco).
En éste caso la tensión positiva en la carga (foco) se mantienen M1 y M4 conduciendo (M3 y M2 abiertos). La tensión negativa se obtiene de forma complementaria (M3 y M2 cerrados y M1 y M4 abiertos) y la tensión nula a la salida es manteniendo todos los interruptores abiertos durante cierto intervalo. La conmutación periódica de la tensión de la carga entre + 12, - 12 y 0 genera en la carga (foco) una tensión con forma de onda cuasi-cuadrada. Aunque esta salida alterna no es senoidal pura, puede ser una onda de alterna adecuada para algunas aplicaciones. De manera visual se pudo observar que a medida que se aumentaba el ancho de pulso de control, el foco iba aumentando su intensidad luminosa.
Figura 3.9: Formas de onda de tensión en la carga (foco) del inversor en puente completo controlado por cancelación de tensión (modulación por onda casi-cuadrada) ancho del pulso de
control al 50%.
Figura 3.10: Formas de onda de tensión en la carga (foco) del inversor en puente completo controlado por cancelación de tensión (modulación por onda casi-cuadrada) ancho del pulso de
CAPITULO IV
COSTOS
Costos de construcción del generador
A continuación se presenta el costo total de los materiales empleados en la construcción del generador.
Costo de los Materiales Empleados
DESCRIPCION CANTIDAD UNIDAD PRECIO UNITARIO TOTAL
microcontrolador PIC 18F452 1 pieza $21.73 $22.73
comparador LM339 1 pieza $3.48 $3.48
Pantalla de LCD 4X40 1 pieza $416.00 $416.00
Resistencias(diferentes valores) a 1/2 watt 20 piezas $0.44 $8.70
Capacitores 2 piezas $4.35 $8.70
Pushboton 4 piezas $6.96 $27.83
transformador 1 pieza $80.00 $80.00
Diodos 3 piezas $4.35 $13.04
clavija 1 pieza $5.00 $5.00
tablilla de cobre 1 cara 1 pieza $90.43 $90.43
Gabinete 1 pieza $100.00 $100.00
Base de 28 pines 1 pieza $3.20 $3.20
SUBTOTAL $779.11
CAPITULO V
CONCLUSIONES
6.1 Conclusiones
Se ha conseguido diseñar y construir un sistema generador de señales capaz de proporcionar cuatro diferentes tipos de pulsos. Las señales proporcionadas pueden ser usadas para controlar dispositivos utilizados en la materia de electrónica de potencia, siendo de gran ayuda en dicho curso. Con lo anterior el objetivo general del proyecto queda cubierto.
Pensando en las nuevas generaciones de alumnos, el presente proyecto tiene como finalidad ayudar a que el aprendizaje sea ampliado. La literatura relacionada con la materia de electrónica de potencia hace mención de las señales que se necesitan para controlar los dispositivos, pero no se explica como generarlas. En la experiencia que se tuvo al cursar dicha materia se perdió mucho tiempo en el diseño y construcción de los circuitos. Con en el presente proyecto el alumno podrá dedicarse a ver el funcionamiento de los dispositivos y enfocarse en las aplicaciones.
Este trabajo nos permitió aprender más acerca del uso, ventajas y desventajas de usar un microcontrolador en lugar de usar componentes analógicos, El programa se fue mejorando poco a poco hasta optimizarlo.
Algunos problemas que se encontraron fueron, en una primera instancia con el subsistema analógico en el bloque del detector de cruce por cero ya que no habíamos encontrado un circuito lo suficientemente exacto con el cruce por cero, la mayoría de los circuitos que consultamos tenían errores es decir, que los pulsos que generaban lo hacían después de cierto tiempo de haber cruzado por cero además de que no eran simétricos. Otro problema que encontramos fue en el momento de realizar las primeras pruebas de la generación de las dos primeras señales ya que el PIC en algunas ocasiones no detectaba la señal proveniente del detector de cruce por cero y esto se debió a que no habíamos configurado el PIC para que detectara tanto flancos de subida como flancos bajada.
