Prácticas de Electrónica de Potencia

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División de Electrónica y Computación

Departamento de Electrónica

Electrónica de Potencia ET305

González Díaz Carlos

[email protected]

Profesor:

Ing. Roberto Cárdenas Rodríguez

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• 1 Generación y Medición de Alto Voltaje

• 2 Alarma Secuencial

• 3 Temporizador de Entrada y Salida

• 4 Inversor de Rotación de un Motor Trifásico y Sistema

de Falla de Fase

• 5 Semáforo con Tiristores con R

L

en AC

• 6 Dimer AC-DC manual y automático (Digital)

• 7 Relevador de Estado Sólido SSR

• 8 Motores a Pasos (Steppers) a Dos y Cuatro Polos

• 9 Inversor DC-AC

• 10 Modulador de Ancho de Pulso Manual y Automático

PWM

Apéndice

Conexiones de los motores Trifásicos

Referencia Bibliográfica

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Práctica 1: Generación y Medición de Alto Voltaje

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:

El objetivo de esta práctica es la generación de alto voltaje a través de la utilización de elementos como un FLC y un Flyback, además de circuitos como un multiplicador de voltaje

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:

• FLC (fire light circuit) • Diodos (lN4004) • Resistores (1500 Ω) • Capacitores (0.1 y 1 µF) • Flyback

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:

• El Transformador Flyback:

El Flyback típico o Transformador de Línea consta de dos partes:

1. Un transformador especial que junto con el transistor y circuitos de salida y deflexión horizontal, eleva el B+ de la fuente de poder (unos 120 V en los TV), a 20 a 30 KV para el TRC, y provee varios voltajes más bajos para otros circuitos.

Un rectificador que convierte los pulsos de Alto Voltaje en corriente continua que luego el condensador formado en el TRC, filtra o aplana. El Alto Voltaje puede desarrollarse directamente en un solo bobinado con muchas espiras de alambre, o un bobinado que genera un voltaje más bajo y un multiplicador de voltaje de diodo-condensador.

Varios secundarios que alimentan: sintonizador, circuitos de vertical, video y filamentos de TRC. De hecho, en muchos modelos de TV, la única fuente que no deriva del Flyback es para los circuitos de espera, necesarios para mantener memoria del canal y proporcionar el inicio (o arranque) de los circuitos de deflexión horizontal.

2. Un divisor de voltaje que proporciona el enfoque y screen de la pantalla. En los potenciómetros y circuito divisor se encuentran las principales causas de falta de foco, brillo excesivo, o fluctuación del enfoque y/o brillo.

Un corto total también podría producir la falla de otros componentes como el transistor de salida horizontal.

El Foco y Screen generalmente están arriba y abajo respectivamente. En algunos TV, el foco y screen son externos al flyback y susceptibles al polvo y problemas particularmente en los días húmedos.

(4)

• Diferencias entre el flyback y un transformador común

Aunque lo siguiente no siempre es estrictamente verdad para Flyback de TV y Monitor, es una buena apreciación general:

La diferencia principal entre un transformador flyback y un transformador común, es que un flyback se diseña para guardar energía en su circuito magnético, es decir, funciona como un inductor puro, mientras que transformador común se diseña para transferir energía del primario al

secundario con un mínimo de energía almacenada.

1) Un transformador flyback en su forma más simple tiene corriente que o fluye en su primario, o en su secundario (pero no ambos al mismo tiempo).

(Esto es más complicado en la práctica debido a tiempos de corte finitos de los transistores y diodos, necesarios para los circuitos del amortiguador, etc.).

2) La reluctancia del circuito magnético de un flyback, normalmente es mucho más alta que la un transformador común. Esto es debido a un espacio de aire (entrehierro) cuidadosamente calculado para almacenar energía (es un inductor).

3) Los voltajes aplicados a un flyback en el primario casi siempre son rectangulares (pulsos), mientras que los transformadores regulares normalmente tienen voltajes sinusoidales aplicados a ellos.

4) Las corrientes que fluyen a través de cualquier lado de un flyback, crecen o disminuyen en forma de diente de sierra lineal, mientras que en un transformador común, normalmente tiene corrientes sinusoidales.

5) Finalmente, debido a las propiedades de los materiales del núcleo, los flyback operan convenientemente en el rango de 10^3 a 10^6 Hz, mientras que los transformadores comunes tienen un rango mucho más ancho, de unos Hz a 10^12 Hz.

• El origen del termino "Flyback"

En los EE.UU. (posiblemente en toda América), el transformador que genera el alto voltaje en un Televisor, Monitor, u otro equipo que usa TRC, se llama "Flyback" o "Transformador flyback". En otras partes del mundo, o es LOPT (Line Output Transformer), Transformador de salida de líneas o simplemente LOP.

El término "Flyback" se origina probablemente, debido a que el pulso de alto voltaje que carga el condensador del TRC es generado por la contracción del campo magnético en el núcleo del transformador, durante el periodo de retraso del haz de electrones en el TRC, el cual "flies back" (vuela atrás) hasta el inicio de una nueva línea de barrido o exploración. El flujo en el núcleo cambia despacio durante el barrido y se corta abruptamente cambiando de polaridad (HOT) y haciendo conducir al diodo damper durante ese "flyback" o periodo de retraso.

Muchas fuentes conmutadas de alimentación y conversores DC-DC también son principalmente "del tipo flyback", transfieren energía a sus circuitos durante el mismo periodo del ciclo. Pero no hay ningún TRC involucrado y sus transformadores de alta frecuencia generalmente no se llaman transformadores flyback.

LOPT y LOT (Transformador de salida de líneas) derivan del hecho de que está envuelto en el circuito de barrido y aprovecha esto para su rendimiento.

(5)

• El FLC

Teoría de operación de los flc de ignición:

Cuando el interruptor está encendido, se carga un condensador; cuando el voltaje alcanza el voltaje del umbral del zener, se enciende el SCR. El condensador entonces se descarga a través del transformador, proporcionando un alto voltaje (pocos diez de kilovoltio) en su secundario. Esta energía de la chispa es bastante fuerte para encender una fuente del gas. ELEC

Estructura básica de la ignición para la fuente de la CA con la operación manual.

Fuente de CA con operación automática

Cuando el sistema se cambia automáticamente, debe ser bastante listo para comprobar con un detector de flama si se ha encendido el gas. En tal uso, el FLC trabaja en "esconder modo": el detector de flama proporciona la información a un CI, y los procesos de este CI proporcionan los datos saturando un transistor externo que pare la creación de la chispa, poniendo en cortocircuito el cátodo bloqueando las terminales del SCR.

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o

Se procede a seguir los siguientes pasos en la realización de la práctica

• Primero hay que implementar el siguiente circuito, que es un arreglo que

consiste un multiplicador de voltaje, un FLC que servirá para descargar el

capacitor en el primario del Flyback y generar pulsos que se verán reflejados en

el secundario, en pulsos de alto voltaje.

• El siguiente paso es realizar la medición mediante un divisor de voltaje para

medir el alto voltaje generado por el flyback.

(7)

•

Medición e impresión de la grafica producida por un osciloscopio digital con el

arreglo anterior

La medición se realizó con un divisor de voltaje con 10 resistencias de 10 MΩ y una de 1

KΩ. El voltaje en la resistencia de 1 KΩ fue de 115 mV, y con una relación de 1 a 100,000 se

obtuvo un voltaje total de 11.5 KV.

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Se pudo observar la generación de alto voltaje, poniendo de manifiesto como es posible que el control electrónico sobre ciertos elementos es capaz de transformar la potencia. La práctica se entregó sin problemas y funcionando en perfecto estado junto con la práctica de transductores y acondicionamiento de señales en la que se utiliza después un enmallado electrificado por el alto voltaje del Flyback que es capaz de eliminar mosquitos.

(8)

Práctica 2 Alarma Secuencial

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La finalidad de esta práctica es

el uso y familiarización de los componentes: SCR, PUT

y relevadores, con la propuesta de simular lo que sería una alarma para coche.

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• SCR’s • PUT 2N6027 • Relevadores • Flip Flop J-K • LM741 • Zener (9 V) • Push Buttons • Transistores BJT • Led’s • Capacitores • Diodos 1N4007) • Resistencias I IInnntttrrroooddduuucccccciiióóónnn:::

• SCR (Rectificador controlado de silicio)

Dentro de la familia de los dispositivos pnpn, el rectificador controlado de silicio (SCR) es incuestionablemente el de mayor interés hoy en día. Se introdujo por primera vez en 1956 en los Bell Telephone Laboratories. Unas cuantas de las áreas más comunes de aplicación para los SCR incluyen los controles de relevadores, los circuitos de retraso de tiempo, las fuentes de alimentación reguladas, los interruptores estáticos, los controles de motores, muestreadotes (chopera), inversores, ciclo convertidores, cargadores de baterías, circuitos de protección, controles de calefacción, y controles de fase.

En los últimos años, los SCR se han diseñado para controlar potencias tan altas como 10 MW con valores nominales individuales tan elevados 2000 a 1800V. Su intervalo de frecuencia de aplicación se ha extendido también a cerca de 50 KHz, permitiendo algunas aplicaciones de alta frecuencia, tales como calentamiento por inducción y limpieza ultrasónica.

Operación básica del SCR.

Como la terminología indica, el SCR es un rectificador construido de material de silicio con una tercera terminal con propósitos de control. Se eligió al silicio debido a su elevada capacidad de temperatura y potencia. La operación básica del SCR es diferente a la del diodo semiconductor fundamental de dos capas donde una tercera terminal, llamada compuerta, determina cuando el rectificador conmuta del estado de circuito abierto a corto circuito.

(9)

El símbolo gráfico para el SCR se muestra en la figura 2.2. Con las conexiones correspondientes a la estructura semiconductora de cuatro capas. Como se indica en la figura, si se va a establecer la conducción directa, el ánodo ser positivo con respecto al cátodo. Sin embargo, este no es un criterio suficiente para activar el dispositivo. También debe aplicarse en la compuerta un pulso de magnitud suficiente para establecer una corriente de disparo, representada simbólicamente por

I

GT

Figura 2.2, Símbolo gráfico del SCR: • UJT (Unijunction Transistor).

El transistor monounión es un dispositivo de conmutación conductiva. Sus características lo hacen muy útil en muchos circuitos industriales, incluyendo temporizadores, osciladores,

generadores de onda y más importante aún, en circuitos de compuertas para SCR y TRIAC, el cual funciona como dispositivo de disparo.

Disparo de un UJT.

El UJT es un dispositivo de tres terminales que se denominan emisor, base1 y base2. El símbolo esquemático y la distribución de las terminales son como se muestra en la figura siguiente. No es bueno tratar de relacionar mentalmente los nombres de las terminales de un UJT con los nombres de las terminales de un transistor bipolar común. Desde el punto de vista operativo de un circuito, no hay parecido entre el emisor de un UJT y el emisor de un transistor bipolar. Lo mismo se aplica a la relación entre las terminales de base de un UJT y la terminal de base de un transistor bipolar.

Cuando el voltaje entre el emisor y la base 1. VEB1, es menor que cierto valor llamado el

voltaje pico, Vp, el UJT está apagado y no puede haber flujo de corriente de E a B1 (IE = 0).

Cuando VEB1 excede a VP por una cantidad muy pequeña, el UJT se dispara. Cuando esto

ocurre, el circuito de E a B1 se vuelve casi un cortocircuito, y la corriente puede descargarse de una

terminal a la otra. En la mayoría de los circuitos UJT, la descarga de corriente de E a B es de corta

B

2

Base 2

B

1

Base 1

(10)

Como se muestra en la figura 1(b), un voltaje de CD externo es aplicado entre B1 a B2,

siendo B2 la terminal mas positiva. El voltaje entre las dos terminales de base es simbolizado VB2B1,

como se indica. Para una salida dada del UJT, el voltaje pico VP es cierto porcentaje fijo de VB2B1,

mas 0.6V. Ese porcentaje fijo se llama razón de inactividad intrínseca, del UJT, y se simbolizaη. Por lo tanto el voltaje pico de un UJT puede escribirse como:

VP = η VB2B1 + 0.6V

Donde 0.6 V es el voltaje de encendido directo a través de la unión PN que existe entre el emisor y la base 1.

• PUT (Programmable Unijunction Transistor)

Configuración de un PUT 2N6027.

Aunque hay una semejanza en el nombre, la construcción real y el modo de operación de un transistor monounión programable, PUT (Programmable Unijunction Transistor), es bastante

diferente a la de un transistor monounión. El hecho de que las características I–V y las aplicaciones de cada uno sean similares sugiere la elección de los nombres, se muestra en la siguiente figura.

a) UJT

Programable

b) Arreglo de polarización

básico para el PUT.

B

2

B

1

R

C

I

E

+ 20V

(11)

Como se indica, es un dispositivo PNPN de 4 cuatro capas con una compuerta conectada directamente a la capa tipo N emparedada. El símbolo del dispositivo y el arreglo de polarización básico aparecen en la figura que se muestra a continuación. Como el símbolo sugiere, es en esencia un SCR, con un mecanismo de control que permite una duplicación de las características del SCR típico.

El término “programable” se aplica porque RBB, η y VP, de acuerdo a como se definen para el

UJT, pueden controlarse a través de resistencias RB1 y RB2 y el Voltaje de alimentación VBB.

Obsérvese en la figura, que mediante la aplicación de la regla del divisor de voltaje, cuando IG=0: BB BB B B B G

V

R

V

=

η

+

=

2 1 1 _Donde: 2 1 1 B B B

R

+

=

η

Podemos asegurar entonces, que el transistor monounión programable (PUT) es un pequeño tiristor .Se puede utilizar como un oscilador de relajación.

El periodo de oscilación T está dado en forma aproximada por: T = 1/f = RC ln (Vs/ (Vs - Vp))= RC ln (1+R2/R1)

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s

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o

l

o

:

Lo primero es activar la alarma mediante una secuencia de estados (Tiempo de salida,

aprox. 8 seg.) conforme a un temporizador.

Al finalizar el tiempo de salida la alarma queda activada y en espera de un cambio de

voltaje (mediante un comparador de nivel), el cual se activará al abrir las puertas (al

encender la luz del coche.)

Detectado el cambio de voltaje se activa otro temporizador el cual permite aprox. 10

segundos para la desactivación de la alarma mediante un código secreto.

Al ser insertado el código la alarma se desactiva y queda en espera hasta ser activada de

vuelta.

Caso contrario, se disparará la sirena activando otro temporizador para la duración de la

chicharra. Al desactivarse la sirena, automáticamente queda activada la alarma de vuelta.

(12)

1. Sistema de Activación/Desactivación por Código. (SCR´s)

2. Timer de Salida.

Después de que se activa el sistema espera un tiempo para que entre la etapa sensor

3. Sensores de Disparo.

Se tiene un sensor acústico que Dispara la alarma.

4. Timer de Salida.

Después del Disparo de la alarma, un tiempo para que entre la etapa de Señalización.

5. Tiempo de Señalización de Alarma.

Temporizador para determinar la duración de la alarma y desactivación de los sensores de

Disparo.

6. Señalización de Alarma.

Se hace por medio de Iluminación o de tipo acústica.

• Diagrama del temporizador.

Cuando el switch se cierra el arreglo RC que esta conectado al gatillo del PUT, dará un tiempo antes de que este de un pulso, que se toma del cátodo con respecto a tierra, las dos resistencias que están en el ánodo son para modificar la n del PUT (n = 0.63), la salida va al gatillo de un SCR que activara a los sensores, y tendrá lugar lo explicado anteriormente de las etapas subsiguientes.

Cuando el astable esta activado, dura solo el tiempo que el monoestable esta encendido, cuando este se desactiva se manda un pulso a un transistor que desactivara al SCR que tiene a los censores, dejando así nuevamente, desactivados a los censores hasta que otro evento los active y repita todo el ciclo.

1. Sistema de

Activación/Desac

tivación por

Código. (SCR´s)

2. Timer de

Salida.

.

3. Sensores

de Disparo.

4. Timer de

Salida.

5. Tiempo de

Señalización

de Alarma.

6. Señalización

de Alarma.

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2 N

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2

2 A

A

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Podemos decir al final de elaborar la alarma, que una forma ingeniosa de colocar los elementos Tiristores en un circuito electrónico de potencia, hace a la electrónica analógica una alternativa libre de ruidos para diseñar sistemas secuenciales de operación que requieran manejar mayores niveles de corriente.

Cabe mencionar que la activación de uno de los SCR’s se perdía debido a que cuando

es enclavado un SCR tiene una caída de 1 V y en la serie de activaciones el voltaje que

idealmente debería de ser Tierra 0 V, ya no lo era, sin embargo fue resuelto este problema

mediante un relevador que suministra la tierra a la siguiente secuencia.

(15)

Práctica 3 Temporizador de Entrada y Salida

O

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o

:

La finalidad de esta practica es el habilitar y deshabilitar una carga en AC mediante un PUT y Triac (Triodo para AC). Así como demostrar la bidireccionalidad del Triac y utilizar las 4 diferentes polarizaciones

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:

• PUT (2N6027) • SCR • TRIAC (MAC3030) • Carga en AC • Diodo • Capacitores • Resistencias

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:

• •• TIRISTOR

EL TIRISTOR es un semiconductor sólido de silicio constituido por cuatro capas alternativas tipo PNPN. Dispone de tres terminales accesibles denominados ánodo, cátodo y puerta, siendo este último el electrodo de control.

Este semiconductor funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del tiristor no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir.

Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga pase por cero.

(16)

En la FIG.1 puede verse su símbolo electrónico y sus curvas características estáticas.

Como valores importantes para definir el funcionamiento de un tiristor se suelen considerar:

-Tensión máxima inversa soportable (Vinvmax) entre A y K. -Tensión directa máxima soportable (Vdmax).

-Caída de tensión directa durante la conducción (Vd). -Corriente de continua o eficaz en funcionamiento (Ic). -Corrientes de fuga directa (If) e inversa (Ir).

-Corriente de reposo (Ih).

-Temperatura de funcionamiento (T).

Además es importante analizar las características de mando del tiristor que nos permitirán definir la potencia necesaria para el arranque.

(17)

Según la FIG.2 debemos considerar los siguientes parámetros: -Tensión máxima directa de puerta Vgmax).

-Tensión inversa máxima de puerta (Vginmax). -Corriente máxima de puerta (Igmax).

-Potencia máxima disipable (Pgdis).

-Tensión mínima directa de puerta (Vgmin). -Corriente mínima de puerta (Igmin

• La zona 1 representa los valores de tensión e intensidad de puerta en los que no se consigue el disparo del tiristor. • La zona 2 es el conjunto

de valores que consigue un disparo adecuado.

• La zona 3 es de destrucción del tiristor.

En lo que se refiere a las características dinámicas del tiristor, según el circuito del que forme parte, interesa conocer los siguientes parámetros:

1) Tensión inversa accidental ánodo-cátodo. 2) Angulo de conducción.

3) Tiempo de retardo. 4) Tiempo de subida. 5) Tiempo de respuesta.

6) Factor de conmutación (dv/dt).

Cuando se dispone un tiristor en un circuito electrónico trabajando en conmutación, se utiliza para cebarlo un impulso de puerta que genera una corriente inicial entre la puerta y el cátodo, para después propagarse la conducción al resto del dispositivo de forma muy rápida.

(18)

Además hay que considerar que el tiristor no tendrá un cebado efectivo antes de que la corriente de ánodo alcance un valor denominado "corriente de enganche" por lo que no debe retirarse el pulso de puerta antes de alcanzar dicho valor. La extinción del tiristor se produce cuando la corriente de ánodo cae por debajo de un valor denominado "corriente de mantenimiento". Si el circuito exterior exige un crecimiento de la corriente rápido en el cebado, como la tensión entre ánodo y cátodo no disminuye de forma instantánea, puede producirse un consumo de potencia importante que puede llevar a la destrucción del tiristor por variación de la corriente (di/dt).

Cuando se produce un crecimiento muy rápido de la tensión entre ánodo y cátodo en el bloqueo, esta dv/dt puede producir el cebado del tiristor aún en ausencia de la señal de puerta. La elección del modelo a utilizar depende fundamentalmente de la aplicación práctica, sin embargo, en general habrá que considerar los siguientes criterios:

• La tensión a bloquear: No solo la tensión máxima o valor de cresta de la red, si no también las sobretensiones de conmutación o elementos parásitos.

• La intensidad de la corriente eficaz y la de pico, sin olvidar las posibles corrientes de cortocircuito.

• Los parámetros de conmutación (dv/dt y di/dt) que pueden ser primordiales. • La sensibilidad, siendo preferidos elementos de sensibilidad media, ya que poseen mayor inmunidad ante los parásitos.

Entre los tiristores se pueden encontrar diferentes categorías atendiendo a sus distintos procedimientos de fabricación y constitución propios. Pueden destacar: Los tiristores sensibles, los tiristores rápidos, el tipo darlistor, el complementario, el de doble puerta, el tiristor bloqueable, los fototiristores, el triac, etc.

• TRIAC

El TRIAC es un dispositivo del tres-terminal similar en la construcción y la operación al SCR. El TRIAC controla y conduce flujo actual durante ambas alternaciones de un ciclo de la CA, en vez de solamente uno.

Los símbolos esquemáticos para el SCR y el TRIAC se comparan en el cuadro 3-23.

El SCR y el TRIAC tienen un plomo de la puerta. Sin embargo, en el TRIAC el plomo en el mismo lado que la puerta es el "terminal principal 1," y el plomo enfrente de la puerta es el "terminal principal 2."

Este método de etiquetado del plomo es necesario porque el TRIAC es esencialmente dos SCR de nuevo a la parte posterior a, con una puerta común y terminales comunes.

Cada terminal es, en efecto, el ánodo de un SCR y el cátodo de otro, y cualquier terminal puede recibir una entrada.

De hecho, las funciones de un TRIAC pueden ser duplicadas conectando dos SCR reales. El resultado es un dispositivo del tres-terminal idéntico al TRIAC.

(19)

Las conexiones comunes del ánodo-cátodo forman los terminales principales 1 y 2, y la puerta común forma el terminal 3.

Figura 3-1, Comparación de los símbolos del SCR y del TRIAC.

Figura 3-2, Circuito equivalente trasero del SCR.

La diferencia en control actual entre el SCR y el TRIAC puede ser considerada comparando su operación en el circuito básico demostrado en el cuadro 3-1.

En el circuito demostrado en la visión A, el SCR está conectado en el arreglo de media-onda familiar. La corriente atravesará el resistor de la carga (R L) para una alternación de cada ciclo de la entrada. El diodo CR1 es necesario asegurar un voltaje de disparador positivo.

(20)

En el circuito demostrado en la visión B, con el TRIAC insertado en el lugar del SCR, la corriente atraviesa el resistor de la carga durante ambas alternaciones del ciclo de la entrada.

Porque cualquier alternación accionará la puerta del TRIAC, CR1 no se requiere en el circuito. Corriente que atraviesa la dirección contraria de la voluntad de la carga para la mitad de cada ciclo de la entrada. Para clarificar esta diferencia, una comparación de las formas de onda vistas en entrar, bloquear, y los puntos de la salida de los dos dispositivos se demuestra en el cuadro 3-4.

Figura 3-3 (b), Comparación de los circuitos del SCR y del TRIAC.

(21)

COMBINACIONES DE POLARIZACIONES APLICADAS

1 En esta polarización se muestra que ambas fuentes se encuentran polarizando tanto al gatillo como a la parte superior del triac en positivo, lo cual hace que el gatillo se dispare y conduzca corriente como se muestra en la figura. Las corrientes son electrónicas (en el sentido real de los electrones)

2 En esta polarización se muestra que la fuente del gatillo se encuentra polarizando positivamente y la fuente del triac esta en inverso, con lo cual hace que el gatillo se dispare y conduzca corriente como se muestra en la figura

3 En esta polarización se muestra que ambas fuentes se encuentran polarizando tanto al gatillo como a la parte superior del triac en inverso, lo cual hace que el gatillo se dispare y conduzca corriente como se muestra en la figura

4 En esta polarización se muestra que la fuente del gatillo se encuentra en inverso y la del triac en directo, lo cual hace que el gatillo se dispare y conduzca corriente como se muestra en la figura

(22)

Implementar el circuito de la siguiente figura, el cual establece el tiempo de entrada para una carga en AC.

Configuración para entrar en conducción:

1. Circuito temporizador.

Se ha realizado un circuito temporizador y disparo con PUT. 2. Dispositivo de Disparo.

Se utiliza un SCR para realizar el disparo hacia el TRIAC. 3. Configuración para entrar en conducción.

El triac en esta configuración entra en conducción, al realizar el disparo.

1. Circuito

temporizador

2. Dispositivo de

Disparo.

3. Configuración

para entrar en

conducción.

(23)

Implementar el circuito de la siguiente figura, donde su objetivo es establecer el tiempo de salida de una carga en AC.

Configuración para salir de conducción:

1. Circuito temporizador.

Se ha realizado un circuito temporizador y disparo con PUT. 2. Dispositivo de Disparo.

Se utiliza un SCR para realizar el disparo hacia el TRIAC. 3. Configuración para salir de conducción.

El triac en esta configuración deja de conducir, al realizar el disparo.

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Podemos concluir que el Triac es un elemento bidireccional, que además de tener las mismas prestaciones que un SCR, nos sirve para trabajar cargas en alterna y puede hacer las labores de switcheo del voltaje de alterna, además que maneja niveles grandes de corriente.

1. Circuito

temporizador.

2. Dispositivo de

Disparo.

3. Configuración para

salir de conducción.

(24)

Práctica 4 Inversor de Rotación de un Motor Trifásico y

Sistema de Falla de Fase

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v

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:

Analizar y diseñar un circuito que controle la conexión de líneas trifásicas para aplicaciones de motores.

Realizar un circuito que controle el cambio de sentido de giro de un motor trifásico, y adicionalmente, que detecte cuando una de las fases no este presente

Comprender el funcionamiento de los PUT's junto con los SCR´s para determinar tiempos de arranque y de paro de un sentido a otro por medio de relevadores de contacto magnético, y poder comparar la señal de entrada para detectar un posible fallo de fase de las líneas de alimentación del motor trifásico de 3 líneas.

M

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t

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r

i

a

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:

• PUT • SCR • Fuente de DC 12V • Resistencias • Diodos (1N4007) • Led.’s • Timer 555 • Capacitores • Comparador LM741

• Relevadores de contacto magnético

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ó

n

:

Corriente alterna trifásica

Para el funcionamiento de motores, etc., es útil disponer de una corriente con una potencia constante.

De hecho, es posible obtener una potencia constante de un sistema de de corriente alterna teniendo tres líneas de alta tensión con corriente alterna funcionando en paralelo, y donde la corriente de fase está desplazada 1/3 de ciclo, es decir, la curva roja de arriba se desplaza un tercio de ciclo tras la curva azul, y la curva amarilla está desplazada dos tercios de ciclo respecto de la curva azul.

(25)

En cualquier punto a lo largo del eje horizontal del gráfico de arriba, encontrará que la suma de las tres tensiones es siempre cero, y que la diferencia de tensión entre dos fases cualesquiera fluctúa como una corriente alterna.

Conexión de la corriente alterna trifásica Conexión triángulo

Si llamamos a los conductores trifásicos L1, L2 y L3, entonces se conectará el primer imán a L1 y L2, el segundo a L2 y L3 y el tercero a L3 y L1.

Este tipo de conexión se denomina conexión triángulo, ya que los conductores se disponen en forma de triángulo. Habrá una diferencia de tensión entre cada dos fases que en sí misma constituye una corriente alterna. La diferencia de tensión entre cada par de fases será superior a la tensión que definíamos en la página anterior; de hecho será siempre 1,732 veces superior a esa tensión (1,732 es la raíz cuadrada de 3).

Conexión estrella

Sin embargo, existe otra forma en la que una red trifásica puede ser conectada: También puede conectar uno de los extremos de cada una de las tres bobinas de electroimán a su propia fase, y después conectar el otro extremo a una conexión común para las tres fases. Esto puede parecer imposible, pero considere que la suma de las tres fases es siempre cero y se dará cuenta de que esto es, de hecho, posible.

M

o

t

o

r

e

s

T

r

i

f

á

s

i

c

o

s

El motor asincrónico trifásico gira arrastrado por el campo rotante que tiene origen en las corrientes de fase. Cuando se interrumpe una fase el motor sigue en rotación, aunque su

característica par velocidad cae notablemente.

Absorbe entonces mayor corriente, para poder entregar la potencia requerida por la carga, y puede llegar a dañarse si no actúan las protecciones.

Si se carga el motor, alimentado con dos fases podrá entregar una potencia sensiblemente reducida en comparación a sus dimensiones (que corresponden al motor trifásico).

(26)

Maquinas trifásicas síncronas y asíncronas.

Particularidades comunes:

Todas las maquinas eléctricas, sean de C.A monofásica o trifásica, sean de C.C, necesitan para su funcionamiento como generador o como motor:

• Un campo magnético inductor. • Un arrollamiento inducido.

El campo magnético común a todas las maquinas trifásicas es un campo giratorio que puede generarse de distintas manera. Este campo gira siempre a la velocidad sincrona de la maquina que depende del numero de pares de polos de ésta y de la frecuencia de la corriente alterna.

En la tabla numérica 13 figuran los valores de la velocidad síncrona para una frecuencia de 50 Hz y diversos números de pares de polos. Si la frecuencia es de 60 Hz, estas cifras resultan un 20 % más elevado.

Nº de Pares de Polos p Velocidad síncrona ns rev / min. Nº de Pares de Polos p Velocida d síncrona ns rev / min. 1 3000 7 429 2 1500 8 375 3 1000 9 333 4 750 10 300 5 600 12 250 6 500 15 200

Tabla Numérica, Velocidades síncronas a 50 Hz

Todas las maquinas trifásicas tienen además en común el arrollamiento trifásico estatórico. Esté está repartido simétricamente en tres ramas (fases), cada una de las cuales va dispuesta en las ranuras que ha dicho efecto existen en el paquete de chapas estatórico. Adoptando otra distribución para el arrollamiento estatórico pueden obtenerse arrollamientos adecuados para corriente alterna monofásica o bifásica.

Forma constructiva y funcionamiento de una maquina síncrona

La maquina asíncrona es generalmente de polos interiores contrariamente a la de corriente continua, el arrollamiento de excitación necesario para crear el campo magnético situado en el rotor (rueda polar). La máquina es excitada independientemente por medio de una batería o de un generador de corriente continua (excitatriz) acoplado al mismo eje. La tensión de excitación puede escogerse libremente de modo que resulte un arrollamiento de fácil ejecución.

(27)

Al montar este arrollamiento sobre la rueda polar deben preverse soportes especiales para cada bobina con objeto de contrarrestar de forma segura las fuerzas centrifugas que aparecen en servicio.

Excitando una maquina síncrona con corriente continua y haciéndola girar luego su rueda polar, se crea un campo rotatorio que induce en cada uno de los tres arrollamientos estatóricos una tensión alterna. Estas tres tensiones están desfasadas 120º entre si; la maquina funciona como generador trifásico. Si el estator está conectado a una red trifásica con carga, los arrollamientos del mismo suministraran corriente a dicha red en cuanto actúe sobre la rueda polar la fuerza de accionamiento necesario. El arrollamiento estatórico de la mayoría de generadores existentes en las centrales eléctricas suele trabajar a tensiones elevadas de hasta 10000 V.

Si la maquina síncrona recibe energía eléctrica de una red trifásica en vez de energía mecánica en su rueda polar, aparece en esta última un efecto motor. El motor síncrono puede accionar entonces cualquier máquina de trabajo acoplada al eje de su rueda polar, conservando siempre un mismo numero de revoluciones constante (velocidad síncrona). Esta condición es exigida en muchos casos.

Máquinas asíncronas

Contrariamente a las máquinas síncronas empleadas normalmente como generadores, las máquinas asíncronas han encontrado su principal aplicación como motores, debido a la sencillez de su construcción. El motor asíncrono trifásico es hoy el motor usual de accionamiento en todas las redes de distribución.

Motor Asíncrono Trifásico

Un problema con los motores monofásicos, es que precisan de un sistema para arrancar. En este caso puede notarse que los polos no giran uniformemente, sino que su magnitud varía alternadamente a lo largo del eje principal. Por lo anterior, existen motores con arranque con condensador, motores con resistencias de arranque, motores de polos sombreados, etc.

Sin embargo, en el caso de los motores trifásicos, la interacción entre los campos magnéticos variables en las tres fases genera la aparición de un campo magnético de módulo constante aunque giratorio en el espacio.

Por lo general, y siempre que sea posible, convendrá trabajar con motores asíncronos trifásicos.

(28)

D

e

s

a

r

o

l

o

Por medio de un circuito rectificador trifásico, se detecta la ausencia de fase, reduciendo el voltaje y comparándolo contra una referencia fija. Cuando las tres fases están presentes, se habilita un sistema astable para controlar el tiempo de entrada y de trabajo del motor trifásico.

Este oscilador astable, controla los switches para trabajen alternados, haciendo girar a un tiempo el motor en un sentido y en otro tiempo, en sentido contrario. El tiempo de trabajo esta determinado por circuitos temporizadores con PUT, los cuales retardan el tiempo de disparo a partir del inicio del ciclo de trabajo del astable. Cuando el disparo se ha realizado el ciclo del astable esta cerca del cambio de semiciclo y la diferencia de este tiempo, es la que el motor trabaja.

1. Líneas de Trifásica.

Lo primero es obtener la alimentación de trifásica. 2. Control de Ausencia de fase.

El circuito detecta la presencia de las 3 fases, si una de ellas está ausente el sistema no trabaja.

3. Timers para el control de Sw.

Los timer controlan el tiempo de entrada y salida de los Switches. 4. Switches Controlados.

Estos switches controlan el cambio de fase para realizar el cambio de sentido de giro. Los switches están gobernador por los timers y estos a su vez por el circuito detector de falla de fase.

5. Motor Trifásico.

Su sentido de giro es de acuerdo a la conexión de los Sw.

Construir un oscilador (555 monoestable) con una constante de tiempo de 20 segundos

arriba (tiempo de apagado) y 5 segundos abajo (tiempo de encendido).

Aplicar el oscilador para la etapa hacia delante del motor y para la etapa de reversa del

motor (mediante la conmutación de los relevadores).

Implementar un sistema de prueba de fase mediante un comparador y puente trifásico.

1. Líneas de

Trifásica.

4. Switches

Controlados.

5. Motor

Trifásico.

2. Control de

Ausencia de fase.

3. Timers para el

control de Sw.

(29)

A

p

l

i

c

a

c

i

ó

n

Arreglo de Relevadores

D

(30)

C

o

n

l

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r

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m

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1

1 y

y

2

2 C

C

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c

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s

i

o

n

e

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Queda la gran satisfacción de haber realizado en su perfección una práctica que requiere de precisión en cuanto a la implementación de los elementos y un correcto

funcionamiento, para poder ser probado con la acometida de Trifásica, La práctica se presentó funcionando perfectamente, observándose la precisión que se puede conseguir con los tiristores.

(31)

Práctica 5 Semáforo con Tiristores con R

L

en AC

O

b

j

e

t

i

v

o

:

El fin de esta práctica es manejar y sincronizar tanto PUT’s, un temporizador 555, SCR’s, etc., simulando un semáforo de luz.

M

a

t

e

r

i

a

l

:

• PUT 2N6027 • SCR C106M • Transistores PNP 3906 • Circuito 555 • Capacitores: 4 de 10 µF y 8 de 1 µF. • Relevadores 12V • Resistencias (varias)

I

n

t

r

o

d

u

c

i

ó

n

:

TECNICAS DE CONMUTACION DE TIRISTORES.

Por lo común un tiristor se activa mediante un pulso de señal de compuerta. Cuando el tiristor esta en modo de conducción, su caída de voltaje es pequeña, entre 0.25 y 2 V. Una vez activado el tiristor y satisfecho los requisitos de la carga, por lo general es necesario desactivarlo; esto significa que ha cesado la conducción directa del tiristor y que la reaplicación de un voltaje positivo al ánodo no causara un flujo de corriente, sin la correspondiente aplicación de la señal de compuerta.

La conmutación es el proceso de desactivación de un tiristor, y por lo general causa la transferencia del flujo de corriente a otras partes del circuito. Normalmente, para llevar a cabo la desactivación en un circuito de conmutación se utilizan componentes adicionales. Junto con el desarrollo de los tiristores, se han desarrollado muchos circuitos de conmutación, cuyo objetivo es reducir el proceso de desactivación de tiristores.

Los tiristores juegan un papel importante en las aplicaciones de alto voltaje y alta corriente, generalmente por arriba de 500 A y de 1 KV.

Las Técnicas de conmutación utilizan resonancia LC (o un circuito RLC subamortiguado) para obligar a la corriente o el voltaje de un tiristor a pasar por cero, desactivando por lo tanto el dispositivo de potencia.

Las Técnicas de conmutación ponen de manifiesto las formas de onda del voltaje y la corriente transitorios de los circuitos LC bajo varias condiciones. Esto ayuda en la comprensión del fenómeno transitorio de CD bajo condiciones de interrupción o de conmutación.

(32)

Se pueden clasificar dos Técnicas principales de conmutación que son:

1. Conmutación natural. 2. Conmutación forzada.

CONMUTACION NATURAL.

Si el voltaje de alimentación es de CA, la corriente del tiristor pasa a través de un cero natural, y a través del tiristor aparece un voltaje inverso.

El dispositivo queda desactivado en forma automática debido al comportamiento natural del voltaje de la alimentación. Esto se conoce como conmutación natural o de línea.

En la práctica el tiristor se dispara en forma sincrónica con el cruce por cero del voltaje positivo de entrada en cada ciclo, a fin de suministrar un control continuo de potencia. Este tipo de conmutación se aplica a controladores de voltaje de CA, a rectificadores controlados por fase y a cicloconvertidores.

El ángulo de retraso a se define como el ángulo existente entre el cruce por cero del voltaje de entrada y el instante en que el tiristor se dispara.

CONMUTACION FORZADA.

En algunos circuitos de tiristor, el voltaje de entrada es CD, para desactivar al tiristor la corriente en sentido directo del tiristor se obliga a pasar por cero utilizando un circuito adicional conocido como circuito de conmutación.

Esta técnica se conoce como conmutación forzada y por lo común se aplica a los convertidores de CD a CD (pulsadores) y en convertidores de CD a CA (inversores). La conmutación forzada de un tiristor se puede lograr de siete maneras diferentes, que pueden clasificarse como:

1. Autoconmutación

2. Conmutación por impulso

3. Conmutación por pulso resonante 4. Conmutación complementaria 5. Conmutación con pulso externo 6. Conmutación del lado de la carga

Esta clasificación de las conmutaciones forzadas se basa en la disposición de los componentes del circuito de conmutación y en la forma en que la corriente de un tiristor se fuerza a cero.

El circuito de conmutación esta formado por lo general de un capacitor, un inductor y uno o más tiristores o diodos.

(33)

1.- Autoconmutación

El tiristor es desactivado debido a las características naturales del circuito. Con condiciones iniciales vc(t = 0) = 0 e i(t = 0 ) = 0, la solución de la corriente de carga i como

Y el voltaje del capacitor

donde

Después del tiempo t = to, la corriente de carga se convierte en cero y el tiristor se desactiva. Una vez que el tiristor es disparado, existe un retraso de to segundos antes de que T1 sea desactivado, a este tiempo se le llama tiempo de conmutación del circuito.

2.- Conmutación por impulso

El tiristor T1 esta conduciendo inicialmente. Cuando se dispara el tiristor auxiliar T2, el T1 queda con polarización inversa, debido al voltaje del capacitor, y T1 se desactiva, el capacitor se carga desde -Vo hasta cero y la corriente dejara de fluir y desactivara al T2.

El tiempo requerido para que se descargue el capacitor desde -Vo hasta cero se conoce como tiempo de desactivación del circuito toff y debe ser mayor que el tiempo de desactivación del tiristor tq. Toff también se conoce como tiempo disponible de desactivación. El tiempo de desactivación depende de la corriente de carga, si es constante esta dado por

Dado que se aplica un voltaje inverso de Vo a través del tiristor T1 inmediatamente después del disparo del tiristor T2, esto se conoce como conmutación por voltaje. Debido a la utilización de un tiristor auxiliar T2, a este tipo de conmutación también se conoce como

conmutación auxiliar.

El tiempo de desactivación del circuito, toff, es inversamente proporcional a la corriente de carga; así, para una carga muy pequeña o una corriente de baja carga, el tiempo de desactivación será muy grande y para una corriente de carga alta el tiempo de desactivación será pequeño.

t

L

C

V

t

i

(

)

=

_s

sen

ω

_m

)

cos

1 (

)

(

t

V

t

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=

_s

−

ω

_m

LC

m

=

1 ω

m off

I

C

V

t

=

0

(34)

3.- Conmutación por pulso resonante

Cuando se dispara el tiristor T2, se forma un circuito resonante constituido por L, C. Debido a la corriente de resonancia, la corriente en sentido directo del tiristor T1 se reduce a cero en t = t1, cuando la corriente de resonancia se iguala con la corriente de carga Im. El tiempo t1 debe satisfacer la condición i(t = t1) = Im, y se determina como

La corriente a través del tiristor T1 dejara de fluir y el capacitor se volverá a cargar a una velocidad determinada por la corriente de carga Im. El capacitor se descargara desde -V1 hasta cero y su voltaje empezara a elevarse hasta el voltaje de CD de la fuente. La energía almacenada en el inductor L debido a la corriente de pico de la carga Im se transfiere al capacitor, haciendo que se sobrecargue. El voltaje del capacitor se invierte desde Vc (=Vo) hasta -Vo mediante el disparo de T3. El tiristor T3 esta autoconmutado.

4.- Conmutación complementaria

La conmutación complementaria se utiliza para transferir corriente entre dos cargas. El disparo de un tiristor conmuta a otro.

Cuando se dispara el tiristor T1, la carga con R1 se conecta el voltaje de alimentación, Vs, y al mismo tiempo se carga el capacitor C hasta Vs a través de la otra carga con R2. La polaridad del capacitor C es como aparece en la figura. Cuando se conecta el tiristor T2, el capacitor queda colocado a través del tiristor T1 y la carga con R2 se conecta al voltaje de alimentación, Vs. T1 adquiere polarización inversa y se desactiva por medio de la conmutación por impulso. Una vez desactivado el tiristor T1, el voltaje del capacitor se invierte a -Vs a través de R1, T2 y la alimentación. Si el tiristor T1 se vuelve a disparar, el tiristor T2 se desactiva y el ciclo se repite.

5.- Conmutación por pulso externo

Para desactivar un tiristor que esta conduciendo, se utiliza un pulso de corriente que se obtiene de un voltaje externo. En la figura se muestra un circuito de tiristor mediante la conmutación de pulso externo y dos fuentes de alimentación. Vs es el voltaje de la alimentación principal y V es el voltaje de la fuente auxiliar.

Si se dispara T3, el capacitor se cargara a partir de la fuente auxiliar. Suponiendo que el capacitor al principio no estaba cargado, un pulso resonante de corriente pico, fluirá a través de T3, y el capacitor se cargara hasta 2V. Si T1 esta conduciendo y se aplica una corriente de carga a partir de la fuente principal Vs, el disparo de T2 aplicara un voltaje inverso Vs - 2V a través de T1; y T1 se desactivara. Una vez desactivado, el capacitor se descargara a través de la carga a una velocidad determinada por la magnitud de la corriente de carga Im.

6.- En todos estos métodos la conmutación se produce por el lado de la carga.

)

(

sen

1

C

L

Vo

I

LC

t

=

− m

(35)

D

e

s

a

r

o

l

o

:

Señalización

o Etapa A = Luz verde (siga)

o Etapa B = Luz verde intermitente (etapa de atención) o Etapa C = Luz anaranjada (preventiva)

o Etapa D = Luz Roja (alto “stop”)

Procedimiento

La etapa A comienza a partir del reset con luz verde (ya disparada) a partir de aquí se comienza a cargar la etapa 1 y se dispara mediante la carga de un capacitor por la constante RC para disparar un PUT y este habilite la conducción (enclavamiento del SCR) de un SCR de Ánodo a Cátodo, habilitando la carga que este tiene a su cargo

Y mediante esta señal comenzamos a cargar la segunda etapa (que es exactamente la misma) y una ves que la etapa B se dispara esta bloquea a la etapa A por medio de corriente capacitiva inversa.

Yasí sucesivamente disparamos la etapa C y esta bloquea a la B, posteriormente disparamos la etapa D y esta bloquea a la C y se cicla esperando la carga de la etapa extra que corresponde a la etapa A y vuelve a comenzar el ciclo.

De esta manera los tiempos de duración de la señalización del semáforo dependerán de los cálculos realizados en cada etapa para la carga del capacitor atreves de una resistencia donde la constante de tiempo t = RC determina dicho tiempo.

1. Pulso de

inicio.

2. Estado de

“NO

AVANCE”.

3. Estado de

“AVANCE”.

.

4. Estado de

“AVANCE

PREVENTIVO”.

5. Estado de

“PREVENIDO

PARA

DETENERSE”.

(36)

1. Pulso de inicio. 2. Estado de “NO AVANCE”.

El primer SCR entra en conducción y el Primer PUT inicia su ciclo de tiempo. 3. Estado de “AVANCE”.

El segundo SCR entra en conducción y su respectivo PUT inicia su ciclo de tiempo. 4. Estado de “AVANCE PREVENTIVO”.

El SCR entra en conducción y activa un circuito astable. El PUT correspondiente inicia su ciclo de tiempo

5. Estado de PREVENIDO PARA DETENERSE”.

El SCR entra en conducción, el PUT inicia su ciclo de tiempo y se conecta a la etapa de “NO AVANCE”.

C

o

n

c

l

u

s

i

o

n

e

s

En practicas pasadas analizamos y utilizamos a los SCR donde nos dimos cuenta que dichos dispositivos una ves que se disparan (enclavan) ya no se desenclavan si no se retira la alimentación de la fuente o en este caso retirando el nivel de voltaje y corriente de DC que surte al ánodo del dispositivo, y por medio de esta practica podemos observar que mediante corrientes capacitivas

inversas es posible reducir el nivel de corriente que pasa por el SCR por debajo de Imin , logrando

(37)

Práctica 6 Dimer AC-DC manual y automático (Digital)

O

b

j

e

t

i

v

o

:

Analizar el funcionamiento de dispositivos controladores de potencia, por medio del recorte de fase y/o voltaje de una línea de voltaje alterno.

Diseñar un circuito analógico y un circuito digital, donde controlemos la potencia por medio del principio de recortar el ángulo de disparo en una señal senoidal.

Realizar un circuito analógico y un circuito digital, para controlar de potencia y, por consecuencia la intensidad luminosa de una lámpara incandescente.

Reconocer ventajas y desventajas de lo analógico y digital e viceversa.

M

a

t

e

r

i

a

l

:

• SCR

• PUT

• Puente Rectificador

• Carga en AC.

• Resistencia variable

• Capacitores

• Resistencias

• Zener (12V)

• Mux 8 a 1 (74H4051)

• Contador binario 74HC4040

I

n

t

r

o

d

u

c

i

ó

n

:

El dimmer es un dispositivo el cuál nos permite variar la cantidad de voltaje por ejemplo de una lámpara, de un motor etc. Son muy utilizados en una casa–habitación para variar el voltaje de los focos de las recámaras, lo que ayuda a prolongar el tiempo de vida de estos, recordemos que la causa principal de acortamiento de la vida de las lámparas normales es, el pico de voltaje inicial. El dimmer nos permite comenzar desde cero volts y aumentar paulatinamente hasta alcanzar la iluminación máxima.

El dimmer se basa en el ajuste del voltaje que consigue, por ejemplo, una lámpara. El dimmer ha sido posible por muchas décadas usando resistores ajustables de energía y transformadores ajustables.

Esos métodos se han utilizado en teatros de película, escenarios y otros lugares públicos. El problema de ésos métodos de control ha sido que son grandes, costoso, tiene una eficiencia pobre y son difíciles de controlar.

La electrónica de energía ha evolucionado rápidamente, entre 1960-1970 a los tiristores y los triac. Usando estos componentes era absolutamente fácil hacer los dimmers pequeños y baratos y con buena eficiencia. La electrónica que controlaba también hizo posible hacerlos fácilmente controlables de la posición remota. Este tipo de dimmer llegó a estar disponible