555-PWM

Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE

Departamento de Ciencias de la Energ´ Energ´ıa y Mec´anica DECEM

Carrer Car reraa de Ingeni Ing enier er´´ıa Mecatr Mec atr´´onica onica

Electr´onica onica de Potencia Informe de Laboratorio No. 5

Fecha de entrega: 23/ 01 /2017

Integrantes: Cristian Almeida. Bryan Bryan Caluguillin. Caluguillin. Karen Lima.

Sangol San golqu qu´´ı - Ecuado Ecu ador. r.

Tema:  Modulador PWM Objetivos:

Comprender que es un MOSFET. Comprender que hace un IC 555. Analizar como influyen los elementos pasivos en el ciclo de trabajo. Analizar como influye el ciclo de trabajo en la carga. Materiales:

CI NE555 Dos capacitores de 0.1 uF. Un capacitor de 0.01 uF. Tres diodos 1N4007. Potenci´ ometro de 100 kilo ohmios. Un MOSFET de potencia IRFZ46N. Motor DC de 12 a 24 Voltios dh053-060e3n01. Marco te´ orico:

¿Qu´e significa MOSFET? MOSFET son las siglas de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, cuya ´ traducci´on ser´ıa Transistor de Efecto de Campo Semiconductor de Oxido Met´alico. ¿C´omo es la estructura de un MOSFET? El MOSFET posee b´ asicamente la siguiente estructura:

(Figura 1. Estructura del MOSFET. Autor: autor´ıa propia.)

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Las terminales del elemento son: a) S: Source-Fuente, b) Gate-Compuerta, c) Drain-Drenaje. ¿C´omo funciona el MOSFET? Como podemos observar, al ser un elemento conformado por semiconductores, en su estructura interna tenemos material tipo N y tipo P, inicialmente, as´ı como en el caso de los diodos, existe una barrera entre los materiales N con el material P, la cual formalmente es conocida como regi´ on de bloqueo, la cual de forma escueta se puede explicar dado que el material N cede electrones, y el material P gana electrones, con lo cual el material N forma iones positivos y el material P forma iones negativos, entonces cuando algunos electrones se dirijan del material N hacia el material P ser´an repelidos por los iones negativos del material P, formando entonces la regi´ on de bloqueo. Ahora bien, ser´ıa necesario vencer dicha barrera para lograr una conducci´ on entre S y D, ya que entre dichas terminales se conecta la fuente de potencia; por otro lado, el terminal G es el encargado de vencer dicha barrera ¿C´ omo? Pues aplicando una tensi´ on en dicho terminal. Es importante mencionar que el terminal S, debe conectarse a tierra, por lo tanto las tensiones en G y en D ser´an referidas a S. Una manera f´acil de explicar el funcionamiento del MOSFET es mediante la siguiente analog´ıa:

(Figura 2. A nalog´ ıa del MOSFET. Autor: autor´ ıa p ropia.)

Como podemos observar en la figura 2, cuando la tensi´on en la compuerta (G) es adecuada, entonces se habilita un  canal  entre D y S, por el cual puede fluir corriente, siempre y cuando se conecte una fuente entre D y S. Dicho canal permite clasificar el MOSFET principalmente en dos tipos: a) NMOS y b) PMOS:

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(Figura 3. Tipos de MOSFET. Autor: autor´ıa propia.)

En la figura 3, al lado izquierdo se encuentra un NMOS o MOSFET de canal N, al lado derecho tenemos un PMOS o MOSFET de canal P. N´ otese que para habilitar el canal, un NMOS necesita tensi´ on positiva en su compuerta (G), por otro lado un PMOS requiere tensi´on negativa en su compuerta. Ahora bien, la uni´ on de ambos MOSFET genera un CMOS, el cual es fundamental para la fabricaci´ on de computadores y elementos de tecnolog´ıa actual, debido a que un MOSFET puede emplearse como un  switch electr´ onico:

(Figura 4. MOSFET como Switch. Autor: autor´ıa propia.)

En la figura 4, al lado izquierdo se observa que cuando la tensi´on en la compuerta no es adecuada, pues el canal no se habilita y entonces el circuito de potencia no funcionar´ıa; por otro lado en la derecha podemos observar lo contrario, es decir, si la tensi´ on en la compuerta (G) es adecuada entonces el canal se habilita y el circuito de potencia funciona. Algo muy importante que considerar, es que el voltaje en la compuerta (V  GS ) influye siempre en la corriente que circula por el canal (I DS ) de forma directa. Curvas caracter´ısticas del MOSFET 

(Figura 5. Curva caracter´ıstica del MOSFET. Fuente: Garc´ ıa V. 2012. El transistor mosfet. Recuperado de: http://www.diarioelectronicohoy.com/blog/el-transistor-mosfet)

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Como podemos observar la relaci´ on entre la corriente en el canal (I DS )y la tensi´o n en la compuerta (V  GS ) es directamente proporcional. Tambi´ en sucede que la tensi´ on entre el Drenaje (D) y la Fuente(S), (V  DS ), es directamente proporcional a la corriente en el canal, (I DS ). N´otese que  para cierto valor de  V  DS , la I DS  se vuelve   constante, tal que aunque V  DS  crezca, la corriente en el canal no lo har´a; entonces la u´nica forma de variar la corriente en el canal ser´ a variando V  GS . A partir de lo anterior podemos decir que antes del valor de V  DS  que hace constante a la corriente del canal, el canal (D-S) se comporta como una resistencia variable; debido a que V  GS  incrementa o disminuye el ancho del canal, lo cual implica disminuir o incrementar la resistencia del mismo (respectivamente). Una vez alcanzado el valor de V  DS  que hace constante a I DS , el canal (D-S) se comporta como una FCCV (Fuente de Corriente Controlada por Voltaje) la cual estar´ıa controlada por V  GS . Simbolog´ıa del MOSFET 

Es importante mencionar que el MOSFET aunque ofrece una r´ apida conmutaci´ on (recordemos que puede comportarse como un switch electr´ onico), no es capaz de soportar altas potencias, por ello suelen crearse MOSFETs los cuales en su estructura interna se construyen mediante la uni´ on de varios MOSFETs colocados de forma paralela entre s´ı de tal manera que se consigue un MOSFET de mayor tama˜ no el cual soporte altas corrientes. El MOSFET se considera un dispositivo altamente intercalado  por el mismo hecho de poseer en su estructura interna varios MOSFETs conectados en paralelo.

(Figura 6. MOSFET como Switch. Autor: autor´ıa propia.)

Se puede observar que en los MOSFET de potencia se coloca en su estructura interna un diodo Zener entre el drenaje (D) y fuente (S), esto se realiza para evitar que la electricidad est´atica de las manos da˜ nen el o´xido met´alico del componente.

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¿Cu´al es la funci´on del integrado IC555? El 555 es un temporizador, el cual se aplica ampliamente hoy en d´ıa en casi toda aplicaci´ on que requiera temporizaci´ on o emplee se˜ nales digitales. A continuaci´on observamos una figura del mismo:

(Figura 7. Integrado 555. Autor: Circuito integrado 555. Recuperado de: http://electronica-electronics.com/info/555/555.html)

L funci´on principal del 555 es generar pulsos de temporizaci´ on con precisi´ on, sus funciones secundarias son: oscilador, divisor de frecuencia, modulador  y generador. Para el presente informe es de inter´es su funci´on como  modulador de ancho de pulso . Pero daremos una breve descripci´ on de la funci´on que cumple cada patilla del integrado 555:

Patilla 1: siempre conectar a masa, GND. Patilla 8: Vcc; es el voltaje de alimentaci´on para el integrado. Se alimenta con polaridad positiva desde 4.5 a 16 V. Patilla 2: Trigger (Disparo); esta patilla habilita o no la activaci´ on de la patilla 3. Patilla 3: es la salida, en ella se generar diferentes ondas dependiendo de como se conecte el 555. Patilla 4: Reset; de no usarse debe conectarse a Vcc para evitar que el 555 se resetee. Patilla 5: Control de voltaje, conectar a un condensador cer´ amico de 0.01 uF. Patilla 6: Umbral; entrada a comparador interno del 555 se emplea para colocar la salida (patilla 3) a nivel bajo. Patilla 7: Descarga; descarga con efectividad el condensador externo empleado por el temporizador para su funcionamiento.

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¿C´omo emplear el 555 para generar un tren de pulsos? Para ello emplearemos la configuraci´ on  astable  del 555, la cual se muestra a continuaci´on:

(Figura 8. 555 Astable. Autor: El timer ne555 y sus encantos. Recuperado de:  http://picmania.garcia-cuervo.net/electronica_basica_555.php )

El periodo del tren de pulsos se comprende de una se˜ nal alta (>  0 V) y de la se˜ nal baja (0 V), dicho periodo esta controlado exclusivamente por los componentes pasivos de la configuraci´ on mostrada en la figura 8. El diodo se emplea para que la corriente cargue al condensador C a trav´es de R1 y le descargue a trav´es de R2 (ya que al descargarse C el diodo se polarizar´ıa en inversa). Entonces la salida que se obtiene es la siguiente:

(Figura 9. 555 Tren de pulsos. Autor´ıa propia.)

Donde la frecuencia de la se˜ nal se puede determinar usando la siguiente f´ormula: 1,44 , tambi´en tenemos que el tiempo alto (cuando existe se˜ nal) es: f  = (R1 + R2) · C  nal) es: tHIGH  = 0,69 · R1 · C , y finalmente el tiempo bajo (cuando ya no hay se˜ tLOW  = 0,69 · R2 · C .

Ahora bien, el   ciclo de trabajo  (D) es la relaci´on entre el tiempo en el cual existe se˜nal de salida y el periodo de la se˜ nal, donde el periodo de la se˜ nal es simplemente la suma del tiempo alto y el tiempo bajo. T  =  t HIGH  + tLOW . D  =

tHIGH  . T 

Ahora bien, si nos fijamos con atenci´ on en la figura 8, podemos obsevar que R1 y R2 simplemente representan una ”divisi´ on”de resistencia, lo cual es en si un  potenci´ ometro, esto simplemente significa que un potenci´ ometro es capaz de variar el tiempo alto y el tiempo 6

bajo, manteniendo constante la frecuencia de la se˜ nal, ya que el valor neto de resistencia del potenci´ ometro ser´ a R1 + R2 siempre. A esta operaci´on se le denomina  Modulaci´ on de ancho de pulso. Para evidenciar lo antes expuesto se muestra lo siguiente:

(Figura 10. Ciclo de trabajo reducido. Autor´ ıa propia.)

(Figura 11. Ciclo de trabajo amplio. Autor´ ıa propia.)

Se evidencia que: si R1  > R2, entonces 0,69 · R1 · C >  0 ,69 · R2 · C , por lo tanto: tHIGH  > tLOW , lo cual explica en la figura 11 el ciclo de trabajo amplio. Por el contrario si: R1  < R2, entonces: tHIGH  < tLOW , lo cual explica el ciclo de trabajo reducido en la figura 10.

Ahora bien, ¿Por qu´e es importante modular el ancho de pulso? La respuesta yace en la potencia que suministra la se˜ nal de salida, debido a que durante el tiempo alto (tHIGH ) existe una se˜ nal de salida y por lo tanto durante ese tiempo suministramos potencia, durante el tiempo bajo (tLOW ) no lo hacemos, recurriendo al concepto de valor medio  y considerando que la se˜ nal de salida es un valor constante (K), tenemos que la potencia media suministrada por la se˜ nal ser´a: P  =

  t 0

HIGH 

K  · dt +

  T 

tHIGH 

0 · dt  =  K  · tHIGH , pero considerando que : tHIGH  =  D · T , tenemos

finalmente que:  P  =  D · K  · T , lo cual nos indica que la potencia media que suministra la salida es directamente proporcional al ciclo de trabajo de la onda, lo cual implica que  la modulaci´on  por ancho de pulso regula la cantidad de potencia media que suministra la se˜ nal de salida.

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An´ alisis:

El circuito implementado es el siguiente:

(Figura 12. Circuito implementado. Autor´ ıa propia.)

El integrado 555 se ha colocado en configuraci´ on astable para que propocione un tren de pulsos, los diodos D1 y D2 se han colocado para que el condensador C1 se cargue a trav´es de la resistencia derecha del potenci´ ometro P1 mediante el diodo D1, y se descargue a trav´es del diodo D2 mediante la resistencia izquierda del potenci´ ometro. la corriente que atraviesa la resistencia R2 y la se˜ nal proveniente del pin 7 del NE555 ingresan a la compuerta (G) del MOSFET IRFZ46N activando y desactivando el MOSFET. Finalmente la fuente (S) del MOSFET se conecta a tierra y entre el drenaje (D) y la fuente de alimentaci´ on se conecta un motor DC, el diodo D3 se ha colocado en antiparalelo con el motor DC para garantizar que el giro del motor no se invierta. La modulaci´ on del ancho de pulso es llevada a cabo exclusivamente por el potenci´ ometro. Considerando que la resistencia derecha del potenci´ ometro sea R1 y la izquierda R2, tenemos entonces que el tiempo alto y bajo de la se˜ nal de salida, el periodo y el ciclo de trabajo de la misma ser´an: tHIGH  = 0,69 · R1 · C 1 tLOW  = 0,69 · | P 1 − R1| · C 1 T  = 0,69 · P 1 · C 1 D  =

tHIGH  = T 

0,69·R1·C 1 0,69·P 1·C 1

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=

R1 P 1

Resultados:

El periodo de la se˜ nal que proviene del astable ser´a: T  = 0,69 · (100 · 103 ) · (0,1 · 10−6 ) = 6,9 ms

Variando la resistencia en el potenci´ ometro se realiz´ o una observaci´ on de la velocidad con la cual gira el motor, ya que mec´anicamente la misma depender´ a de la potencia que recibe el motor, considerando que R1 es la resistencia en el lado derecho del potenci´ ometro para el circuito de la figura 12, los resultados obtenidos son los siguientes: R1

D  =

R1 100k

Velocidad del motor

95 k

0.95

Alta

50 k

0.5

Media

20 k

0.2

Baja

10k

0.1

Inm´ovil

Por lo tanto la pr´ actica nos ha permitido observar que as´ı como se demostr´ o en el marco te´orico, la potencia media suministrada a la carga es directamente proporcional al ciclo de trabajo. Aunque no se hizo mucho ´enfasis en el MOSFET, cabe resaltar que su aplicaci´ on se enfoca principalmente en permitir el encendido del motor (el cual requiere una tensi´ on m´ınima de 12 V) aplicando una tensi´ on menor para la activaci´ on del MOSFET, la cual proviene del tren de pulsos como salida del circuito astable. La constante conmutaci´ on debida a los estados altos y bajos y la modulaci´on del ancho de pulso permiten que la potencia que llega al motor aumente o disminuya lo cual permite controlar su velocidad. Conclusiones:

Un Mosfet es un dispositivo semiconductor el cual constan pricipalmente de tres terminales: Compuerta (la cual sirve para activar el Mosfet), Drenaje y Fuente. Es ampliamente utilizado en la electr´onica debido a su alta velocidad de conmutaci´on, no soporta potencia altas, por ello se limita a aplicaciones de mediana y baja potencia. El integrado 555 es un temporizador el cual dependiendo de como sea ensamblado en el circuito puede cumplir diversas funciones como: generador de pulsos, modulador de pulsos, oscilador y divisor de frecuencia.

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Las resistencias de la configuraci´ on Astable del 555 permiten incrementar o reducir el tiempo durante el cual la se˜ nal permanece en estado alto, por ello influyen directamente en el ciclo de trabajo, haciendo que este incremente o se reduzca. El ciclo de trabajo de la se˜ nal generada por el 555 influye principalmente en la cantidad de potencia que recibe la carga, un mayor ciclo de trabajo implica una mayor cantidad de potencia suministrada durante cada periodo de la se˜ nal. Recomendaciones:

Es apropiado emplear un Mosfet cuando necesitamos conmutaciones r´ apidas y empleamos una potencia media o baja. El 555 puede ser indicado cuando debamos tener una se˜ nal temporizada, este tipo de se˜nal es altamente empleada en los sistemas digitales, debido a que brinda estados altos y bajos. Cuando dise˜ namos una configuraci´ on Astable para el 555, es recomendable escoger un potenci´ ometro que garantice una modulaci´ on apropiada de los pulsos que se obtendr´ an a la salida. Es recomendable mantener un ciclo de trabajo acorde a la cantidad de potencia que necesitemos a la salida, para ello es u´til la modulaci´on de ancho de pulso (PWM). Bibliograf´ ıa:

1) Hart D. Electr´ onica de potencia. 2001. Primera edici´ on. 2) Boylestad R. Electr´ onica: teor´ıa de circuitos y dispositivos electr´ onicos. 2009. D´ecima edici´on. 3) Garc´ıa V. 2012. El transistor MOSFET. Recuperado de: http://www.diarioelectronicohoy.com/blog/el-transistor-mosfet 4) fmgomezcampos. 2011. ¿C´ omo funciona un transistor? - El MOSFET (Versi´on en castellano). Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=9JKj-wlEPMY 5) RedRaven. El timer ne555 y sus encantos. Recuperado de: http://picmania.garcia-cuervo.net/electronica_basica_555.php

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