89000454 ELECTRONICA DE POTENCIA.pdf

SERVICIO NACIONAL DE ADIESTRAMIENTO EN TRABAJO INDUSTRIAL

OCUPACIÓN:

ELECTRICISTA INDUSTRIAL

MANUAL DE APRENDIZAJE

ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Técnico de

Nivel Operativo

MATERIAL DIDÁCTICO ESCRITO FAMILIA OCUPACIONAL

ELECTROTECNIA

OCUPACIÓN


NIVEL

TÉCNICO OPERATIVO

Con la finalidad de facilitar el aprendizaje en el desarrollo de la formación y capacitación en la ocupación de ELECTRICISTA INDUSTRIAL a nivel nacional y dejando la posibilidad de un mejoramiento y actualización permanente, se autoriza la APLICACIÓN Y DIFUSIÓN de material didáctico escrito referido a ELECTRÓNICA DE POTENCIA Los Directores Zonales y Jefes de Unidades Operativas son los responsables de su difusión y aplicación oportuna.

DOCUMENTO APROBADO POR EL GERENTE TÉCNICO DEL SENATI N° de Página……174…… Firma …………………………………….. Nombre: Jorge Saavedra Gamón Fecha: ………05 – 02 - 14…………….

ELECTRONICA DE POTENCIA

PRESENTACION El presente Manual de Aprendizaje de la especialidad de Electricista Industrial, del Programa de Aprendizaje Dual, corresponde al curso 04.06.04 Electrónica de Potencia y tiene como objetivo analizar, montar, detectar fallas y reparar los circuitos electrónicos de potencia, utilizando instrumentos de medición electrónicos.

El Modulo Formativo Electrónica de Potencia esta compuesto por las siguientes tareas: - Montaje de un circuito optoacoplado. - Montaje de un circuito amplificador con OPAMP. - Montaje de circuitos combinacionales con compuertas lógicas. - Montaje de un circuito oscilador de relajación con UJT. - Montaje de un circuito rectificador controlado de media onda. - Montaje de un circuito rectificador controlado de onda completa. - Montaje de un circuito rectificador trifásico no controlado de media onda. - Montaje de circuito rectificador trifásico no controlado de onda completa. - Montaje de circuito de control de velocidad de un motor DC.

.

Elaborado en la Zonal:

Lambayeque Cajamarca Norte

Año:

2004

Instructor:

Ing. Julio Quispe Rojas.


INDICE 1. Presentación........................................................................

3

2. Tarea 1............................................................................... Montaje de un circuito optoacoplado.

4

3. Tarea 2............................................................................... Montaje de un circuito amplificador por OPAMP.

20

4. Tarea 3............................................................................... Montaje de circuitos combinacionales por compuertas lógicas.

47

5. Tarea 4............................................................................... Montaje de un circuito oscilador de relajación por UJT.

77

6. Tarea 5.............................................................................. Montaje de un circuito rectificador controlado de media Onda por SCR.

94

7. Tarea 6............................................................................. Montaje de un circuito rectificador controlado de onda Completa por TRIAC.

114

8. Tarea 7.............................................................................. 135 Montaje de un circuito rectificador trifásico no controlado de media onda. 9. Tarea 8............................................................................. Montaje de circuito rectificador trifásico no controlado de onda completa.

147

10. Tarea 9.............................................................................. 160 Montaje de circuito de control de velocidad de un motor DC 11. Bibliografía.......................................................................... 175

CIRCUITO DE ALARMA CONTRA ROBO CON OPTOACOPLADOR

+ 9V

8 0.2W

S1 47 1.5V

1

6

2

180

390

220 1/2W 14

5 5

4

3

11 D1 9 6

1

+ 1uF

74090

8

4 3

12 7

Nº

ORDEN DE EJECUCIÓN

1

IDENTIFIQUE LOS TERMINALES COMPONENTES DEL CIRCUITO.

2

DIBUJE ESQUEMA DE CIRCUITO DE ALARMA OPTOACOPLADOR, IC 74090 CON OPTOACOPLADOR. CONDUCTORES VARIOS CALIBRE 18 Y 22 AWG. PRUEBE OPTOACOPLADOR.

3

HERRAMIENTAS / INSTRUMENTOS/MATERIALES

DE

LOS FUENTE DE ALIMENTACION, MULTIMETRO DIGITAL, PROTOBOARD, OSCILOSCOPIO.

4

ARME CIRCUITO DE ALARMA CONTRA ROBO PINZAS, ALICATE DE CORTE. CON OPTOACOPLADOR. RESISTENCIAS, SWITCH, PARLANTE.

5

COMPRUEBE EL FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO.

PZA

CANT

DENOMINACIÓN–NORMA/ DIMENSIONES

MATERIAL

OBSERVACIONES

MONTAJE DE UN CIRCUITO OPTOACOPLADO

HT

REF: HT-01


Tiempo:4 Horas Escala: ------

HOJA: 1 / 1

2004 4


OPERACIÓN HACER ESQUEMA DE CIRCUITO OPTOCOPLADOR

DESCRIPCIÓN

Para realizar el montaje de un circuito electrónico se debe contar con el esquema del circuito y las características de los componentes a usar. Cuando no se cuenta con el esquema se debe previamente diseñar el circuito cumpliendo con los requerimientos del problema o necesidad a solucionar.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Defina los elementos a usar y sus características.

2º PASO:

Grafique el esquema que cumpla con los requisitos del problema usando un optoacoplador.

3º PASO:

Dibuje el esquema de circuito con optoacoplador mostrado.

+ 9V

8 0.2W

S1 47 1.5V

1 2

3

6

180

390

220 1/2W 14

5 4

11 D1 9 6

5 1

+ 1uF

74090

8

4 3

12 7


HO-01

1 / 1

5


OPERACIÓN PROBAR OPTOCOPLADOR DESCRIPCIÓN

EL Optoacoplador es un C. I. que tiene seis terminales de los cuales cinco son utilizados y uno no se usa. Como, todo componente electrónica, debe ser probado antes de ser utilizado.


1º PASO:

Identifique los terminales del optoacoplador utilizando el Manual ECG en la sección Optoisolators. .

2º PASO:

Arme el circuito mostrador.

R1 47

S1 1

+ 2

1.5V

3

6 5 4

3º PASO:

Seleccione el multimetro en la escala de Ohmímetro de R x 100, y conecte la punta de prueba positiva en el colector, y la punta de prueba negativo en el emisor.

4º PASO:

Mida con el switch abierto, el Ohmímetro debe indicar una alta resistencia.

5º PASO:

Mida con el switch cerrado, el Ohmímetro debe indicar una baja resistencia, aproximadamente entre 200 a 300 ohmios.


HO-02

1 / 1

6


OPERACIÓN PROBAR CIRCUITO OPTOCOPLADOR DESCRIPCIÓN El circuito que se utiliza es una alarma contra robos que es activado por optoacoplador, en el cual, el circuito de disparo, debe estar abierto y al cerrar se dispara la alarma. La tensión para la alarma es de mayor que la tensión del circuito de disparo, el optoacoplador permite operar con distintas tensiones.

PROCESO DE EJECUCIÓN 1º PASO:

Arme en el protoboard, el circuito mostrado

.

+ 9V

8 0.2W

S1 47 1.5V

1 2

3

6

180

390

220 1/2W 14

5 4

11 D1 9 6

5 1

+ 1uF

74090

8

4 3

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2º PASO:

Cierre el circuito de entrada y la alarma se activará, hasta que se desconecte el switch.

3º PASO:

Verifique con el multimetro, que cuando se cierra el circuito de entrada, se presenta una tensión en el terminal 5 del IC 74090, activando la alarma y al desconectar el circuito de entrada, desaparece tensión y se apaga la alarma.

4º PASO:

Verifique con el osciloscopio las formas de onda y grafique, indicando los voltajes.


HO-03

1 / 1

7


CIRCUITO DE ALARMA POR OPTOACOPLADOR EL OPTOACOPLADOR El Optoacoplador es un componente integrado que internamente tiene un Led y un elemento fotosensible que se activa cuando recibe la luz emitida por el Led, es un acoplador que utiliza la luz como medio de transferencia de la orden de acción. El optoacoplador se utiliza para acoplamientos de interfase y proporcionar aislamiento entre una fuente de señal o control y la etapa de fuerza o carga, dependiendo de la aplicación especifica, los optoacopladores pueden ser incorporados en diseños de equipos, como elementos de conexión entre subsistemas. La gran característica del Optoacoplador es el aislamiento eléctrico que puede establecer entre el circuito de entrada y el circuito de salida.

IDENTIFICACION DE TERMINALES

1

6

2

5

3

4

Como se observa en la figura, el optoacoplador utiliza un encapsulado de seis pines o terminales, entre los pines 1 y 2 se encuentra conectado internamente un LED y entre los pines 4,5 y 6 están conectados los terminales de un elemento fotosensible, que puede ser un fototransistor, un fotodarlington, un fototiristor, etc. el pin 3 no tiene conexión. También, se tiene optoacopladores en encapsulados de cuatro pines o terminales, en el cual el terminal de base o pin 6 no existe, y encapsulados de 8 pines o terminales, que contienen dos optoacopladores.

FUNCIONAMIENTO El Optoacoplador tiene en su interior, como se explico, un Led y un componente fotosensible, cuando entre los terminales del Led (1 y 2), se presenta una tensión que polarice directamente al Led, circula una corriente, iluminando el Led, y ello incide en ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-01

8

ELECTRÓNICA DE POTENCIA el componente fotosensible como es un fototransistor, provocando que el transistor conduzca una corriente que depende de la iluminación del Led, que a su vez depende de la corriente que circula por el Led. Al producir una corriente en el transistor, se obtiene una tensión variable entre los terminales colector emisor del transistor, logrando que una señal de tensión acoplada en la entrada del optoacoplador genera una señal de tensión en la salida, pero aisladas eléctricamente. PARAMETROS Los principales parámetros del Optoacoplador son: Tipo de elemento fotosensible de la salida: Por Fototransistor Por Fotodarlintong Por Fototiristor Corriente de salida, es un parámetro, que determina la corriente que se podrá hacer circular por el optoacoplador, y la corriente directa If del Led puede ser entre 5 a 10 mA. para preservar la vida útil del optoacoplador. La longitud del alambrado al optoacoplador no es crítico, buenos métodos de montaje del componente.

siempre que se observe

El led tiene un voltaje directo de 1.15 V aproximadamente mientras que el voltaje inverso máximo es de 3 V. El fototiristor tiene un VCEO 30 V. max y una disipación de potencia de 150 mw max a una temperatura ambiente de 25°C. El optoacoplador puede tener una respuesta de frecuencia de hasta 300 Khz. y proporciona una aislamiento entre el circuito de entrada y el circuito de salida de 700V.

APLICACIONES Las aplicaciones del Optoacoplador son generalmente para acoplar una circuito de mando al circuito de fuerza, por ello se utiliza para el disparo de circuitos de Tiristores, reemplazando a los transformadores de pulsos. Otra aplicación común es el uso en circuitos que utilizan diferentes niveles de tensión o en los que no se debe cargar el circuito, como es en señalización de circuitos operativos y en alarmas, como las que se muestran a continuación: CIRCUITO DE SEÑALIZACIÓN DE OPERATIVIDAD En el circuito mostrado el Led D1 permanecerá apagado mientras S1 se encuentra abierto, al cerrarse el interruptor S1, el Led D1 encenderá, no existe conexión eléctrica entre los circuito de entrada y salida, que se alimentan con dos fuentes diferentes, una de 1.5 voltios que corresponde a una pila y otra de 9 voltios, que puede ser de una fuente o una batería, y los circuitos de entrada y salida están eléctricamente aislados, son independientes. Cuando el interruptor S2, se abre, nuevamente el Led ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-01

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA permanecerá apagado, el mayor voltaje del circuito de salida es para tener mayor visibilidad. R1 S1 47 1 6 R2 B1 + 680 2 1.5V 5

3

D1

4

+ B2 9V

CIRCUITO DE ALARMA CON OPTOACOPLADOR El circuito de alarma mostrado, depende un sensor, que actuará cerrando el circuito cuando detecte la acción prevista en el diseño como disparo para la alarma, en el circuito se representa por el interruptor S1. Al cerrar el interruptor S1, se emite un tono por el parlante, el cual continuará sonando, mientras este cerrado S1, al abrirse cesará el tono; puede modificarse el circuito utilizando un circuito de enclavamiento, electrónico o con relé, que requiera un pulso de reposición para detener el sonido.

+ 9V

8 0.2W

S1 47 1.5V

1 2

3

6

180

390

220 1/2W 14

5 4

11 D1 9 6

5 1

+ 1uF

74090

8

4 3

12 7

Existen aplicaciones de los optoacopladores a equipos como las computadoras, procesadores de datos, sistemas de comunicaciones, controles remotos, líneas de transmisión de datos, instrumentos musicales electrónicos, equipos de prueba y juegos electrónicos, etc. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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FIBRA OPTICA La luz o las ondas de luz son una forma de energía electromagnética, y puede ser utilizada para transmitir información en ella, como se realiza con las demás ondas electromagnéticas, y la idea de transmitir información con la luz como portadora, tiene mas de un siglo de antigüedad, cuando en 1880, Alexander G. Bell construyó el fotófono que envía mensajes vocales a corta distancia por medio de la luz, pero la falta de fuentes de luz adecuadas lo presentaban inviables para una aplicación practica en ese tiempo. La invención del láser permitió retomar la posibilidad de utilizar la luz como soporte de comunicaciones confiables y de alta capacidad de transmisión y se investigó nuevas técnicas de modulación y detección ótica. El empleo de fibras de vidrio como medio guía se planteo como una forma de desarrollo, por el tamaño, peso, facilidad de manejo, flexibilidad y costo; en concreto las fibras de vidrio permitirán guiar la luz mediante múltiple reflexiones internas de los rayos luminosos, sin embargo en un principio presentaban elevadas atenuaciones. La tecnología de la fibra óptica se va imponiendo en el campo de las comunicaciones, debido a las grandes ventajas que posee con respecto a los conductores convencionales, entre ellas, el gran ancho de banda, la baja atenuación de las señales transportadas, alta inmunidad a interferencias externas, gran disponibilidad de material con que se fabrican, etc. En la actualidad, el uso de la fibra óptica esta ampliamente difundido, tanto para proyecto privados dentro de los edificios, como para instalaciones nacionales de transmisión de voz y datos, para las empresas de telecomunicaciones.

FUNCIONAMIENTO La fibra óptica debido a su refracción interna, transmite la luz a través de su eje longitudinal, las perdidas dependen de la longitud, absorción y dispersión internas. Para la aplicación de la fibra óptica a las comunicaciones es preciso un sistema que, básicamente se compone de un codificador, un excitador, una fuente de luz (emisor), detector de luz (receptor), un amplificador y un descodificador, además de la propia fibra óptica. El sistema de comunicaciones por fibra ótica se diferencia del sistema de comunicaciones convencional, en que además de la fibra óptica como medio de transmisión, requiere de dispositivos de conversión electro-óptico en el inicio de la transmisión y óptico-eléctrico al final de la transmisión. El cable de fibra óptica es el medio de transmisión de la señal luminosa de información y utiliza repetidores o amplificadores de línea, que se encargan de la regenerar y amplificar la señal, y pueden ser electro-ópticos u óptico-óptico.


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ELECTRÓNICA DE POTENCIA CARACTERISTICAS El cable de fibra óptica esta formada por un hilo de material transparente derivado del sílice recubierto por una capa de material también transparente pero de menor índice de refracción y todo ello cubierto de una funda de material totalmente opaco para constituir un aislamiento contra interferencias luminosas externas

Aislamiento Optico Revestimiento

Luz

Núcleo CABLE DE VEINTICUATRO FIBRAS OPTICAS

Unidad de 6 fibras Relleno

Tubo plástico abierto Tensor Principal APLICACIONES Las aplicaciones más importantes son en telecomunicaciones y transmisión de información de sistemas de control de equipos y maquinarias, a continuación indicamos a algunas de las más comunes: -

Para enlaces interurbanos y urbanos Para enlaces interoficinas dentro de un campus o en la ciudad. Cable Submarino TV por cable, CATV, ITV Cableado de abonados y centrales telefónicas. Enlaces de datos Circuitos cercanos a líneas de alimentación eléctrica Cableado de buques y aviones.


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CALCULO DE LONGITUDES DE ONDA DE RADIACIONES ELECTROMAGNETICAS

RADIACIONES ELECTROMAGNÉTICAS Si en un espacio libre producimos un breve impulso eléctrico, algo así como una chispa de descarga o una fuerte corriente en un trayecto corto, y lo consideramos como una corriente elemental que tendrá un tiempo breve, en ese instante se forma en entorno a esa corriente un campo magnético H que es variable, puesto que esta en formación, sus líneas de fuerza son círculos concéntricos con la corriente elemental. Este campo magnético variable da origen a un campo eléctrico E, cuyas líneas de fuerza también serán círculos pero ubicados en un plano perpendicular al del campo magnético, y el campo eléctrico, es también variable por estar en formación, y dará origen a un nuevo campo magnético, que es el segundo H que a su ves crea otro eléctrico, el segundo E, y así sucesivamente. Cada campo eléctrico E y cada campo magnético H, tienen sentidos alternados según lo determinan las conocidas reglas practicas de la inducción. Si todos los campos magnéticos están en los planos horizontales y los campos eléctricos deben estar en planos verticales; la propagación de este fenómeno se cumple con una velocidad igual a la velocidad de la luz, que es de 300,000 Km/seg. Como el origen de la esta situación es una corriente instantánea I, esta desaparece muy rápidamente, pero la propagación continua indefinidamente en línea recta y se le llama onda electromagnética. Ahora podemos hacer una importante deducción si consideramos uno de los dos campos que integran una onda electromagnética; si tomamos el campo eléctrico, entonces nos da la polarización de la onda, el que permite definir el frente de onda y el que hemos de considerar para determinar la intensidad en un punto del espacio alcanzado por la radiación. A distancias considerables de la fuente podemos tomar las líneas de fuerza como rectas verticales y paralelas, y las mismas se distribuirán en el espacio en forma irregular pero siguiendo la ley sinusoidal, ya que la onda tiene un origen sinusoidal, puesto que la corriente que la origino es alterna. En un instante dado, la configuración en un lugar del espacio es de puntos de concentración y puntos vacíos, Si medimos la densidad de líneas a lo largo de la trayectoria de la onda, nos dará la intensidad del campo en cada punto, y si representamos gráficamente la intensidad del campo, obtendremos una sinusoide, la distancia en el espacio entre dos puntos máximos o dos nulos se llama longitud de onda y su valor puede calcularse fácilmente. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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Em

Em

λ

CALCULO DE LA LONGITUD DE ONDA En efecto, la distancia recorrida por un móvil es el producto de la velocidad de desplazamiento por el tiempo que tarda en recorrerlo, en nuestro caso la onda viaja con la velocidad c de la luz y el tiempo que tarda en recorrer un ciclo es la inversa de la frecuencia de la corriente alterna que genera la onda, si llamamos lambda λ a la longitud de onda, se tiene: 1 λ = c.T , T= f La velocidad de la Luz, c = 300 x 106 m/s, queda ligada la longitud de onda con el periodo o con la frecuencia de la corriente generadora:

λf = c

,

λf = 300 x 106

Las unidades son para longitud de onda en metros y para la frecuencia en ciclos por segundo, en la práctica se suele tomar la frecuencia en megaciclos por segundos a cuya unidad se le llama megahertz y se elimina el factor numérico 106, quedando la expresión simple:

λf = 300 Por ejemplo si la frecuencia de la corriente generadora es de 15MHz (megahertz), la longitud de onda será de 20m.

λf = 300

;

λ . 15 = 300

;

λ = 20

Las ondas que emergen de un conductor irradiante, surca el espacio en todas las direcciones y en un punto cualquiera puede determinarse la intensidad del campo eléctrico existente, la longitud de onda λ = 20 m. significa, que a lo largo de cada dirección de propagación tendremos configuraciones que se repiten cada 20m. variando el campo eléctrico en forma sinusoidal; en un instante determinado los valores máximos en un sentido estarán separados 20m. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA RADIACION OPTICA CONCEPTO La radiación óptica o Luz es radiación emitida por incandescencia o por luminiscencia, que ilumina las cosas y las hace visibles, y en el amplio espectro de las ondas electromagnéticas existe una estrecha banda de ondas que se distingue de las que le preceden y le siguen en dicho espectro, por tener la propiedad de excitar los órganos de la vista. CARACTERISTICAS La Banda del espectro visible abarca longitudes de onda comprendidas entre 0.0004 mm. que corresponde a la luz violeta y 0.0007 mm. que corresponde a la luz roja. Ambos límites no coinciden con un cambio de la naturaleza de las ondas electromagnéticas, solo marcan la incapacidad de nuestros ojos para distinguir radiaciones de longitud de onda más corta, luz ultravioleta o longitudes de onda más larga como la luz infrarrojo. La radiación óptica es la emisión de rayos luminosos o luz, considerada como un fenómeno ondulatorio y corpuscular, todas las radiaciones ondulatorias se deben a la propagación simultanea de un campo magnético y un campo eléctrico a la velocidad de la Luz, y las radiaciones corpusculares se deben a los movimientos de partículas muy rápidas, que a veces se acercan a la velocidad de la luz, aun que nunca superiores. La luz ordinaria es incoherente por que en los átomos de donde proviene, los saltos de electrones y la emisión de fotones se producen en desorden y en cualquier instante y en el haz que resulta no existe la menor relación entre las fases de las ondas. La luz coherente es obtenida previa preparación en la que se maneja un orden, un ejemplo de la luz coherente es el Laser. ESPECTROS DE LUZ Una visión general de las radiaciones ondulatorias nos mostraran bandas de frecuencias de las ondas que existen: PRINCIPALES BANDAS DE FRECUENCIA

las diferentes

FRECUENCIA

Ondas radioeléctrica

De 104Hz

a 1011Hz

Rayos infrarrojos

De 1012Hz

a 4 x 1014Hz

Radiaciones luminosas

De 4 x 1014Hz

a 7,5 x 1014Hz

Radiaciones ultraviolados

De 7,5 x 1014Hz a 1016Hz

Rayos x

De 1016Hz

Rayos alfa

De 5 x 1019Hz


a 5 x 1019Hz a 1020Hz HIC-01

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA Las radiaciones electromagnéticas de la que forman parte las radiaciones ópticas, se agrupan en bandas de frecuencias que son de uso internacional, sobre todo para dar el uso adecuado en los servicios de telecomunicaciones, radar, radionavegación, policía, investigaciones científicas, etc. Las principales bandas del espectro radioeléctrico suelen designarse con siglas de sus correspondientes denominaciones en lengua inglesa y a continuación se indican:

BANDAS DE FRECUENCIAS

SIGLAS

FRECUENCIA

LONGITUD DE ONDA

Frecuencias audibles

EF

0.3KHz a 3KHz

DE 106m a 105 m

Frecuencias muy bajas

VLF

3KHz a 30KHz

De 105m a 104 m

Bajas frecuencias

LF

30KHz a 300KHz

De 104m a 103m

Frecuencias medias

MF

0.3MHz a 3MHz

De 103m a 102m

Altas frecuencias

HF

3MHz a 30MHz

De 102m a 10m

Muy altas frecuencias

VHF

30MHz a 300MHz

De 10m a 1m

Ultra altas frecuencias

UHF

0.3GHz a 3GHz

De 1m a 10cm

Ondas centimétricas

SHF

3GHz a 30Ghz

De 10cm a 1cm

Ondas milimétricas

EHF

30GHz a 300GHz

De 1cm a 1mm

0.3THz a 3THz

De 10-2cm a 10-4mm

Rayos infrarojos

IR

La luz del sol es una mezcla de luces monocromáticas de longitudes de ondas diferentes; una superficie que refleje todas las radiaciones de esa luz, engendrará en nuestra retina la sensación de color blanco, si la superficie absorbe todas las radiaciones y no las refleja, la retina no será excitada y experimentaremos la sensación del color negro. Una superficie tiene características determinadas para absorber o reflejar determinadas radiaciones, las radiaciones que las reflejan excitaran a nuestra retina y darán la sensación de un determinado color, variando desde longitudes de onda de 0.4 micrones del color violeta extremo hasta 0.8 micrones para el color rojo oscuro; la excitación de la retina por las radiaciones varia de acuerdo a cada especie animal, variando ligeramente en sus extremos. Los colores se ordenan de acuerdo a una gama determinada por la naturaleza y reproducida por la luz cuando atraviesa un prisma: violeta, añil, azul, verde, amarillo, anaranjado y rojo ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA EL OPTOACOPLADOR El optoacoplador es un componente utilizado para aplicar señal de un circuito a otro sin conexión eléctrica, consisten en un emisor de luz acoplado óptimamente a un receptor de luz, ambos tienen conexión eléctrica al exterior y se encuentran instalados en una misma cápsula y aislado de la luz exterior. Al aplicar una señal eléctrica a los extremos un LED, este se transformará en una señal luminosa que será captada por un fototransistor o elemento fotosensible; este transformara la señal luminosa captada en una señal eléctrica de las mismas características aplicadas al extremo de entrada del LED.

SIMBOLO El símbolo de los optoacopladores se representa por un Led y su correspondiente componente fotosensible, que puede ser un fototransistor o un fotodarlington, o un fototriac, etc. Se muestra los símbolos de los optoacopladores siguientes:

OPTOACOPLADOR FOTOTRANSISTOR

OPTOACOPLADOR FOTOTRIAC

OPTOACOPLADOR FOTOFET

TIPOS Los optoacopladores o optoisolators, serán de diferentes tipos, dependiendo del componente fotosensible que utilice para la etapa de salida, son: OPTOACOPLADOR CON FOTOTRANSISTOR - TRANSISTOR NPN - TRANSISTOR PNP - TRANSISTOR DARLINGTON - DUAL TRANSISTOR NPN OPTOACOPLADOR CON FOTOTIRISTOR - SCR - TRIAC - TRIAC CON CRUCE POR CERO ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA OPTOACOPLADOR CON FOTOFET OPTOACOPLADOR CON FOTOSCHMITT TRIGGER OPTOACOPLADOR CON FOTOLOGIC GATES - NAND OPEN COLLECTOR HI SPEDD - DUAL NAND OPEN COLLECTOR HI SPEDD OPTOACOPLADOR CON FOTOTRANSISTOR COMPATIBLE TTL - TRANSISTOR NPN OPEN COLLECTOR - TRANSISTOR DARLINGTON SPLIT - DUAL TRANSISTOR NPN

POLARIZACION Los optoacopladores deben polarizarse teniendo en cuenta el componente fotosensible que se utiliza en la salida. El Led de la entrada, se debe polarizar directamente para transmitir la señal a la salida y cuando se polariza inversamente no existirá transferencia de la señal a la salida. En el caso de salida con transistor NPN, el colector a positivo y el emisor a negativo, y cada elemento de acuerdo a la polarización correcta en su uso como elemento discreto. La configuración de cada uno de optoacopladores se obtiene de los manuales de componentes electrónicos como el ECG, en la sección Opto-Electronic Devices, paginas de Optoisolators, donde se tiene las características y los gráficos de los terminales y configuración de los circuitos disponibles en el mercado de productos electrónicos.

ESPECIFICACIONES Las especificaciones de los Optoacopladores, tienen en cuenta el tipo de optoacoplador, la corriente directa del Led que generalmente esta entre 60 y 80 mA. Y su voltaje inverso de 3V. y 6V. Otra especificación del optoacoplador es el máximo voltaje de aislamiento, que esta alrededor de 6000 voltios, la potencia total del componente en 250 mW en promedio. La etapa de salida depende de cada tipo optoacoplador, como son el voltaje inverso, voltaje colector base, corriente de colector para el fototransistor, voltaje de encendido, corriente AC, corriente de mantenimiento, etc. para los tiristores, y en general para cada tipo, las especificaciones se encuentran en el manual de componentes electrónicos como el ECG.


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ESQUEMAS DE CIRCUITOS DE ALARMA POR OPTOACOPLADORES

VCC

VCC

VCC

VCC Rele

D1

R1

LDR

2 7 6 IC1 3 4 R3

Q1 R4

R2

GND El circuito mostrado utiliza un detector de luz – LDR, para detectar que el acoplo luminoso se ha interrumpido y disparar el comparador y permitir que el transistor conduzca y con ello activar el rele, cerrando el contacto y haciendo funcionar la alarma o la sirena.

CONSIDERACIONES EN LA SELECCIÓN DEL RADIO DE ACCION DE CIRCUITOS OPTOACOPLADORES Los optoacopladores son componentes que tiene un emisor de luz acoplado óptimamente a un receptor de luz; ambos tienen conexión eléctrica al exterior y se encuentran instalados en una misma cápsula y aislado de la luz exterior, se utiliza cuando se requiere un aislamiento eléctrico entre la etapa de entrada y la etapa de salida. Otros circuitos de acoplamiento óptico, utilizan la luz como un medio de conexión a distancia, que puede ser interceptado, sin un contacto fisco o mecánico, y servir para activar o desactivar el funcionamiento de circuito; para este caso, se debe seleccionar un emisor de luz de suficiente iluminación para recorrer la distancia requerida sin atenuarse, y el detector de luz debe ser lo suficientemente sensible para detectar las variaciones de iluminación del emisor, pero también se debe tener en cuenta el efecto de la luz externa que rodea al circuito. Detectores de Luz, se utilizan para detectar el día y la noche y activar y desactivar circuitos, se seleccionan con características adecuadas y evitar los falsos disparos.


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CIRCUITO DE AMPLIFICADOR SUMADOR

V1

R1

R4

R2

-

V2

Vsal

+

R3

V3 CIRCUITO DE AMPLIFICADOR NO INVERSOR

Ven

+

Vsal

-

R2 Nº

ORDEN DE EJECUCIÓN

1

IDENTIFIQUE LOS TERMINALES COMPONENTES DEL CIRCUITO.

2 3 4 5

6 PZA

R1 HERRAMIENTAS / INSTRUMENTOS/MATERIALES

LOS FUENTE DE ALIMENTACION, MULTIMETRO DIGITAL, PROTOBOARD, OSCILOSCOPIO, GENERADOR DE FUNCIONES. PRUEBE EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL. OPAMP LM 741 ARME CIRCUITO COMPARADOR CON OPAMP CONDUCTORES VARIOS CALIBRE 22 AWG. PRUEBE EL CIRCUITO CON OPAMP. PINZAS, ALICATE DE CORTE. ARME CIRCUITO AMP. INVERSOR, AMP. RESISTENCIAS, LEDs, SWITCH. SUMADOR, AMP. NO INVERSOR. DE

PRUEBE CIRCUITO CON OPAMP.

CANT


MATERIAL

MONTAJE DE UN CIRCUITO AMPLIFICADOR HT CON OPAMP Tiempo:4 Horas ELECTRICISTA INDUSTRIAL Escala: ------

OBSERVACIONES

REF: HT-02 HOJA: 1 / 1

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OPERACIÓN HACER ESQUEMA DE AMPLIFICADOR CON OPAMP

DESCRIPCIÓN Para realizar el montaje de un circuito amplificador por opamp, al igual que para cualquier circuito electrónico, se debe contar con el esquema del circuito y las características de los componentes a usar. Cuando no se cuenta con el esquema, se debe previamente diseñar el circuito amplificador, cumpliendo con los requerimientos del problema o necesidad a solucionar.


1º PASO:


2º PASO:

Grafique el esquema que cumpla con los requisitos del problema usando un amplificador operacional – opamp.

3º PASO:

Dibuje el esquema de circuito amplificador con opamp, mostrado.

R2 I2 R1

Ven

I1

Vsal

Ve

+

OBSERVACION: El circuito mostrado corresponde a un amplificador inversor, los componentes: Opamp LM741 R1 = 1 Kohmios R2 = 10 Kohmios


HO-04

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA OPERACIÓN PROBAR OPAMP DESCRIPCIÓN EL Amplificador Operacional - opamp es un C. I. que tiene ocho terminales de los cuales siete son utilizados y uno no se usa. El Opamp, como todo componente electrónico, debe ser probado antes de ser utilizado. PROCESO DE EJECUCIÓN 1º PASO:

Identifique los terminales del opamp utilizando el Manual ECG en la sección Linear IC and module circuits.

2º PASO:

Arme el circuito mostrado, en el protoboard.

+12V

+ -

+ 1.5V -

10.5V

- 12V 3º PASO:

Verifique que al ingresar un voltaje positivo por la entrada No Inversora, el voltaje de salida es un voltaje positivo, cuyo valor es igual al valor de la fuente positiva menos 1.5 voltios aproximadamente.

4º PASO:


+12V

1.5V

+

5º PASO:

+ -

- 10.5V

- 12V

Verifique que al ingresar un voltaje negativo por la entrada No Inversora, el voltaje de salida es un voltaje negativo, cuyo valor es aproximadamente igual al valor de la fuente negativa menos 1.5 V.

OBSERVACION: Si cumple, el Opamp esta en buen estado. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HO-05

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OPERACIÓN PROBAR CIRCUITO DEL COMPARADOR DESCRIPCIÓN El circuito que se utiliza es un circuito Comparador, en el cual el voltaje de referencia es 3 voltios, por lo tanto para voltajes más positivos que tres voltios, la salida será positiva, y para voltajes menores de tres voltios o negativos la salida será negativa. PROCESO DE EJECUCIÓN 1º PASO:


+Vcc

Ven

+

Vsal

R1 +Vcc

2º PASO:

3º PASO:

- Vcc C

R2

. Verifique las conexiones y alimente el circuito con +12Vdc y -12Vdc y conecte a la entrada Ven una tensión variable de -12 voltios a +12 voltios; y mida el voltaje de salida. Verifique para un voltaje mayor de 3 voltios, que la salida es igual a + Vsat, y para un voltaje menor de 3 voltios, la salida es - Vsat.

Vsal +VSat Vref

Ven

- VSat OBSERVACION: El circuito mostrado es un comparador con voltaje de referencia positivo, pero también puede tener voltaje referencia negativo o cero. Los componentes son: Opamp LM741, R1= 9 K y R2 = 3 K. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HO-06

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OPERACIÓN PROBAR CIRCUITO DE AMPLIFICADOR INVERSOR DESCRIPCIÓN El circuito que se utiliza es un Amplificador Inversor con una ganancia de lazo cerrado de 10. La tensión de la salida, será la tensión de entrada multiplicada por la ganancia de lazo cerrado, pero de signo cambiado, o contrario a la entrada.

PROCESO DE EJECUCIÓN 1º PASO: .


R2 I2 R1

Ven

I1

OBSERVACION:

Vsal

Ve

+

En el circuito mostrado, los componentes son: Opamp LM741 R1 = 1 Kohmios R2 = 10 Kohmios

2º PASO:

Verifique las conexiones y alimente el circuito con +12Vdc y -12Vdc y conecte a la entrada Ven una señal sinusiodal

3º PASO:

Verifique con el Osciloscopio la señal de entrada y salida, y compare los niveles de tensión. A.- Conecte el canal 1 a la entrada Ven B.- Conecte el canal 2 a la salida Vsal. C.- Determine la relación entre las señales, o la ganancia.

4º PASO:

Verifique con el osciloscopio las formas de onda y grafique, indicando los niveles de tensión.


HO-07

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA OPERACIÓN PROBAR CIRCUITO DE AMPLIFICADOR SUMADOR DESCRIPCIÓN El circuito que se utiliza es un Amplificador Sumador con tres entradas y la salida será la suma ponderada de los voltajes de entrada, con signo cambiado por ser amplificador inversor. Cada entrada contribuye con una proporción igual a la tensión de la entrada multiplicada por la resistencia de realimentación y dividido entre la resistencia serie de cada entrada. PROCESO DE EJECUCIÓN 1º PASO:


R1

V1

R2

V2 R3

R4

-

Vsal

+

V3 OBSERVACION:

En el circuito mostrado, los componentes son: Opamp LM741 , R1 = 1 Kohmios, R2 = 2 Kohmios R3 = 4 Kohmios, R4 = 1 Kohmios

2º PASO:

Verifique las conexiones y alimente el opamp con +12Vdc y -12Vdc y conecte a las entradas V1 a 5Vdc, V2 a 0Vdc y V3 a 5Vdc.

3º PASO:

Calcule el valor de la salida teniendo en cuenta, que la contribución de cada entrada es el voltaje de la entrada por R4 entre la resistencia serie de la entrada, y la suma de todas las entradas, con el signo cambiado es el valor de la salida.

4º PASO:

Mida con el multimetro los voltajes de las entradas y de la salida, y compare con el voltaje calculado de la salida.

5º PASO:

Cambie las tensiones de las entradas V1, V2, V3, por una nueva combinación y repita el paso 3 y 4.


HO-08

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OPERACIÓN PROBAR CIRCUITO DE AMPLIFICADOR NO INVERSOR DESCRIPCIÓN

El circuito que se utiliza es un Amplificador No Inversor con una ganancia de lazo cerrado de 11. La tensión de la salida, será la tensión de entrada multiplicada por la ganancia de lazo cerrado y del mismo signo, por ser No Inversor.


1º PASO: .


Ven

+

Vsal

-

R2

OBSERVACION:

R1

En el circuito mostrado, los componentes son: Opamp LM741, R1 = 10 Kohmios, R2 = 1 Kohmios

2º PASO:

Verifique las conexiones y alimente el circuito con +12Vdc y -12Vdc y conecte a la entrada Ven, una señal sinusiodal

3º PASO:

Verifique con el Osciloscopio la señal de entrada y salida, y compare los niveles de tensión. A.- Conecte el canal 1 a la entrada Ven B.- Conecte el canal 2 a la salida Vsal. C.- Determine la relación entre las señales, o la ganancia.

4º PASO:

Verifique con el osciloscopio las formas de onda y grafique, indicando los niveles de tensión.


HO-09

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EL COMPARADOR DE TENSION

Para comparar una tensión con otra y determinar cual es el mayor, se puede, un circuito comparador, este circuito tiene dos terminales de entrada, inversor y no inversor y un terminal de salida. Cuando la tensión de la entrada no inversora es mayor que la tensión de la entrada inversora, el comparador produce una tensión de salida de nivel alto, y cuando la tensión de entrada no inversora es menor que la tensión de la entrada inversora, el comparador produce una tensión de salida de nivel bajo.

CIRCUITO BASICO La manera mas simple de construir un comparador consiste en conectar un amplificador operacional sin resistencias de realimentación, cuando la entrada inversora esta a masa, una tensión de entrada muy pequeña, de fracciones de milivoltios, es suficiente para saturarlo, entonces la salida es un nivel alto.

+ Vcc Ven

Vsal

+

+VSat

Vsal

- Vcc

0

Ven

- VSat Si A, es la ganancia del amplificador operacional, la tensión mínima de entrada que produce la saturación es

Ven =

Vsal A

Por ejemplo, si la alimentación es + 15 V y - 15 V, la variación de la salida es desde -13,5 V a + 13.5 V aproximadamente, en un 741C, la ganancia de tensión en lazo abierto es típicamente de 100,000, y por ello, la tensión de entrada necesaria para producir la saturación positiva es

Ven =


13,5V = 135 uV. 100.000 HIT-02

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA Como se observa, una tensión muy pequeña de entrada satura el amplificador operacional, solo +135 uV. de tensión de entrada satura positivamente al 741C, mientras que basta -135 uV para saturarlo negativamente.

VARIACION DEL PUNTO DE CONMUTACION El punto de conmutación, también llamado Umbral, referencia, etc. de un comparador, es la tensión de entrada con la cual los estados de salida conmutan, de nivel bajo a alto, o viceversa. El punto de de conmutación es cero, si el valor de la tensión de entrada es cero cuando los estados de la salida, se conmutan, cuando Ven es mayor que el punto de conmutación, la salida es nivel alto, y cuando Ven es menor que el punto de conmutación, la salida es nivel bajo. Se denomina a menudo detector de cruce por cero. Cuando el valor de conmutación no es cero, la entrada inversora tiene un voltaje de referencia producida por un divisor de tensión.

+Vcc Ven

+

Vsal +VSat

Vsal

R1 +Vcc

- Vcc R2

Vref - VSat

C

Vref =

Ven

R2 Vcc R1 + R 2

Cuando Ven es mayor que Vref, la tensión de error es positiva y la tensión de salida esta en nivel alto, cuando Ven es menor que Vref la tensión de error es negativa y la salida esta en nivel bajo. En la grafica de la salida en función de la entrada o función de transferencia, el punto de conmutación es igual a Vref.; cuando Ven es mayor que Vref, la salida del comparador se satura positivamente, y cuando Ven es menor que Vref, la salida se satura negativamente. Un comparador como este se denomina algunas veces detector de límite, puesto que una salida positiva indica que la tensión de entrada excede un límite específico, con diferentes valores de R1 y R2, podemos fijar el punto de conmutación positivo entre 0 y Vcc., y si el divisor de tensión se conecta –Vcc, con diferentes valores de R1 y R2, podemos fijar el punto de conmutación negativo entre 0 y –Vcc. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-02

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+Vcc Ven

Vsal

+

Vsal

+VSat

R1 - Vcc

- Vcc

Vref - VSat

C

R2

Ven

A veces se conecta un condensador de desacoplo en la entrada inversora, para estabilizar la tensión de referencia y reducir el rizado de la fuente de alimentación.

COMPARADOR CON UNA SOLA FUENTE DE ALIMENTACION Un amplificador operacional típico, como el 741C, puede trabajar con una sola fuente de alimentación positiva y tierra, y la tensión de salida solo tiene una polaridad, es decir, una tensión positiva alta o baja. Si Vcc igual a + 15 V, la variación de salida fluctúa aproximadamente entre 1,5 V para el nivel bajo y cerca de 13,5 para el nivel alto. La tensión de referencia que se aplica a la entrada inversora es positiva e igual a

Vref =

R2 Vcc R1 + R 2

+Vcc Ven

+

Vsal Vsal

-

Alto Bajo

R1 +Vcc

R2

VPaso

Vref

Ven

Cuando Ven es mayor que Vref, la salida esta a nivel alto, cuando Ven es menor que Vref, la salida tiene un nivel bajo, en cualquier caso la salida tiene polaridad positiva. En la mayoría de las aplicaciones digitales se prefiere este tipo de salida positiva.


HIT-02

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EL AMPLIFICADOR INVERSOR El amplificador inversor de tensión produce una tensión de salida invertida y por lo tanto no esta en fase con la tensión de entrada, el circuito es el siguiente:

+

RF

-

RS

+

+

-

-

Masa virtual

+

Ven -

+ RL

Vsal -

El circuito tiene una resistencia en serie Rs, una resistencia de realimentación Rf, y la entrada no inversora conectada a tierra, la señal ingresa al circuito por la entrada inversora, a través de Rs. La entrada inversora del opamp es una tierra o masa virtual, significa que este terminal tiene una tensión similar a tierra o sea cero voltios, pero para efectos de la circulación de la corriente, el terminal esta aislado de tierra; como esta tiene una tensión de cero Voltios, toda la tensión de entrada aparece en la resistencia serie y la corriente que circula será:

len =

Ven Rs

Por la tierra o masa virtual no circula corriente, por estar aislado para la corriente, como se indico, toda la corriente de la entrada que pasa por Rs, debe pasar por R F , produciendo una tensión de salida: Vsal = - i

en

RF

La Tensión Vsal es negativa, por que en todo componente pasivo, como es una resistencia, la corriente entra por el terminal positivo o de mayor nivel de tensión y sale por el terminal negativo o de menor nivel de tensión, por lo tanto si la entrada Inversora del Opamp, esta a nivel de tensión de Tierra, por ser Tierra Virtual, la salida de Rf, que debe tener menor nivel de tensión que tierra, tendrá una tensión Negativa, y se puede escribir como: V R Vsal = - en F RS ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-02

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA Modificando, tenemos

Vsal R =- F Ven RS

ó

ALC =

RF RS

Ecuación que nos indica que la ganancia de tensión en lazo cerrado es igual a la razón de la resistencia de realimentación entre la resistencia serie. En el Amplificador Inversor, la impedancia de entrada es la resistencia que se observa desde la entrada, y debido a que la entrada inversora del Opamp es una tierra virtual, la resistencia que se presenta es Rs, al diseñar una amplificador inversor, tanto la impedancia de entrada como la ganancia de tensión, son fácilmente definidos en base a las resistencias Rs y Rf. Impedancia de Entrada

Z(LC)

=

Ganancia de Tensión

A(LC) =

Rs

Rf Rs

EN UN AMPLIFICADOR INVERSOR SE TIENE: •

LA SEÑAL INGRESA POR LA ENTRADA INVERSORA

•

LA ENTRADA NO INVERSORA Vin +, SE CONECTA A TIERRA

•

LA SEÑAL DE SALIDA ESTA EN CONTRAFASE CON LA SEÑAL DE ENTRADA

Vin -

EL SUMADOR El Sumador es un circuito que utiliza un amplificador operacional – opamp, y cuya función es sumar las tensiones que se presentan en sus terminales de entrada, que pueden ser dos o más, cada entrada tiene un valor de ponderación o peso, que depende de la resistencia en serie con dicha entrada. El circuito Sumador esta configurado como amplificador inversor de ganancia unidad, tiene varias entradas constituidas por resistencias que aplican señales a la entrada inversora, una de las características del amplificador inversor es que toda la corriente de la entrada o de las entradas, circula por la resistencia de realimentación; por lo que la corriente que pase por esta será la suma de las corrientes parciales de la resistencia de entrada. En la salida, por tanto se obtendrá la suma de todas las corrientes de entrada, pero con signo contrario por tratarse de un amplificador inversor, a este circuito se le puede añadir todas las entradas que sean necesarias, con solo aumentar el número de resistencias de entrada; si se desea obtener una salida amplificada, se debe aumentar el valor de la resistencia de realimentación o reducir el valor de las resistencias de entrada. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA AMPLIFICADOR SUMADOR DE DOS ENTRADAS El amplificador inversor de tensión tiene la capacidad de amplificador más de una señal a la vez; por ser la entrada inversora una tierra virtual, ambas resistencias de la entrada tienen a tierra el terminal derecho. La corriente de entrada a través de R1 y R2 es: v v I1 = 1 I2= 2 R1 R2 La corriente de entrada total es

I = I1 + I2

R1

V1

RF

R2

-

V2

Vsal

+

Esta corriente I, es la que circula por la resistencia de realimentación Rf, Por tanto la tensión de salida es: Vsal = - ( I1 + I2 ) Rf

ó

R ⎛R ⎞ Vsal = - ⎜⎜ f v1 + f v2 ⎟⎟ R2 ⎠ ⎝ R1

Por lo tanto, podemos tener diferente ganancia de tensión para cada señal de entrada, la salida es la suma de las entradas amplificadas, para tener más entradas, se aplica el mismo criterio, y debemos añadir una resistencia adicional para cada nueva señal de entrada. Si se desea que un circuito que sume dos o más señales de entrada, se utilizará un amplificador inversor con dos o más entradas, cada una de ellas con ganancia de tensión unidad, Si las resistencias son iguales, cada entrada tiene una ganancia de tensión unidad y la salida está dada por:

vsal = - (v1 + v2 ) AMPLIFICADOR SUMADOR DE TRES ENTRADAS Esta corriente I, es la que circula por la resistencia de realimentación Rf, Por tanto la tensión de salida es:


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ELECTRÓNICA DE POTENCIA Vsal = - ( I1 + I2 + I3 ) Rf

R1

V1

R ⎛R R ⎞ Vsal = - ⎜⎜ f v1 + f v2 + 3 v3 ⎟⎟ R2 R3 ⎠ ⎝ R1

ó

RF

R2

-

V2

Vsal

+

R3

V3 EN UN CIRCUITO SUMADOR SE TIENE: •

LAS SEÑALES DE ENTRADA INGRESAN POR ENTRADA INVERSORA Vin–

•

LA ENTRADA NO INVERSORA Vin +, SE CONECTA A TIERRA

•

LA SEÑAL DE SALIDA ESTA EN CONTRAFASE CON LAS SEÑALES DE ENTRADA

AMPLIFICADOR NO INVERSOR Un amplificador no inversor con realimentación de tensión se comporta aproximadamente igual a un amplificador de tensión ideal, pues tiene impedancia de entrada grande, impedancia de salida pequeña y ganancia de tensión estable. CIRCUITO BASICO

+ Vcc Ven

+

Vsal

- Vcc

V2 R2

R1

El circuito mostrado es un amplificador no inversor con realimentación de tensión. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA En el opamp, en su funcionamiento lineal, la tensión de error tiende a cero; o sea, si el amplificador operacional no esta saturado, la diferencia entre sus dos entradas tiende a cero; por ello la diferencia entre la tensión de la entrada inversora y la de la entrada No inversora es el orden de micro-voltios, y debemos recordar: Si el amplificador Operacional no esta Saturado, sus dos tensiones de entrada son iguales., por tanto: Ven = V2

y

V2 =

R2 Vsal R1 + R 2

Reemplazando:

R2 Vsal R1 + R 2

Ven = Modificando:

Vsal R1 + R 2 = R2 Ven

El Amplificador No Inversor tiene una ganancia de tensión en lazo cerrado:

ALC =

R1 + R2 R2

EN UN AMPLIFICADOR NO INVERSOR SE TIENE:

•

LA SEÑAL INGRESA POR LA ENTRADA NO INVERSORA

•

LA SALIDA SE REALIMENTA POR LA ENTRADA INVERSORA Vin –

•

LA SEÑAL DE SALIDA ESTA EN FASE CON LA SEÑAL DE ENTRADA

Vin +

EL INTEGRADOR Un integrador es un circuito que ejecuta una operación matemática llamada integración, la aplicación más difundida de un integrador es la destinada a producir una rampa en su tensión de salida, la cual supone un incremento o un decremento lineal de tensión. CIRCUITO BASICO

C R Ven

+ VCC +

V Vsal

0 T

- VCC ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-02

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA En el integrador realizado con un amplificador operacional, el componente de realimentación es un condensador en lugar de una resistencia, como en el amplificador inversor; la entrada, en general, es un pulso rectangular, cuando es pulso esta a nivel bajo, Ven = 0, y cuando esta a nivel alto, Ven = V.

0

T

-V

El pulso aplicado en la entrada, produce una corriente de entrada:

I en =

Ven R

Y toda es corriente de entrada, circula por el condensador, así, el condensador se cargará y su tensión se incrementará con la polaridad negativa mostrada, por la tierra virtual, el extremo del condensador conectado a Vsal, tendrá una tensión negativa, por tanto: con una tensión de entrada positiva, la tensión de salida será negativa y creciente en valor negativo, y si la entrada es negativo, la salida será positiva y creciente en valor positivo. Cuando la salida se encuentra en un valor negativo, y la entrada cambia de tal manera que la salida debiera ser positivo, primero el valor negativo de la salida debe disminuir hasta cero y luego iniciar a incrementarse positivamente; de forma similar es cuando debe cargarse negativamente, primero disminuye de positivo a cero y luego se incrementa hacia negativo. La fórmula de probar que la tensión de salida es una rampa, es la siguiente, la ley básica del condensador indica que C=

Q V

ó también

V=

Q C

Como la corriente que circula hacia el condensador es constante, la carga Q se incrementa linealmente con respecto al tiempo, lo cual quiere decir que la tensión del condensador V se incrementa linealmente, y así, equivale a una rampa negativa en la tensión de salida, y depende de la capacidad C del condensador. Al final del período del pulso la tensión de entrada vuelve a cero y la corriente de carga deja de existir. Debido a que el condensador retiene su carga, la tensión de salida permanece constante en una tensión negativa de – V. Para obtener la tensión de salida, dividimos ambos miembros de la ecuación entre T: ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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V Q /T = T C Puesto que la corriente por la carga es constante, podemos escribir

V I = T C

V =

ó también

IT C

Esta es la tensión en extremos del condensador al finalizar el pulso; y el voltaje Vsal, entre el inicio del pulso y el periodo T, será:

Vsal = −

I ∗t C

EL DIFERENCIADOR Un diferenciador es un circuito que ejecuta una operación matemática de cálculo diferencial, denominada derivación, y produce una tensión de salida proporcional a la variación instantánea de la tensión de entrada, respecto del tiempo. Aplicaciones comunes de un diferenciador, son la detención de los flancos de subida y bajada de un pulso rectangular o para producir una salida rectangular a partir de una rampa de entrada.

DIFERENCIADOR PASIVO RC Un circuito de acoplo se puede usar para derivar la señal de entrada, en lugar de una señal sinusoidal, la entrada típica es un pulso rectangular, la salida del circuito constituye una serie de picos de tensión positivos y negativos.

C Ven

Vsal R

+V Ven

0

+V VC

0

VR

0

+V

En un diferenciador RC, cuando la tensión de entrada cambia de 0 a V, el condensador empieza a cargarse exponencialmente, después de 5 constantes de


HIT-02

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA tiempo, la tensión del condensador esta al 99.32% de la tensión final V, según la ley de tensiones de Kirchoff, la tensión a través de la resistencia será:

VR = Ven − Vc Puesto que Vc es inicialmente cero, la tensión de salida varía bruscamente de 0 a V, y luego disminuye en forma exponencial; de manera similar, el flanco de bajada de un pulso rectangular produce un pico negativo de tensión. El pico de tensión positivo ocurre en el mismo instante que el flanco de subida de la entrada y el pico de tensión negativo ocurre en el mismo instante que el flanco de bajada; los picos de tensión como estos, son señales útiles, que pueden indicar a otros circuitos cuando una señal de entrada rectangular empieza y termina.

V Entrada

0

T

0,1 uF Ven

Vsal 1kΩ

+V Salida

0

-

V

Si un diferenciador pasivo RC tiene como finalidad producir picos de tensión estrechos, la constante de tiempo debe ser al menos 10 veces menor que el ancho del pulso T: RC < 10 T Si el ancho del pulso es 1 ms, la constante de tiempo RC debe ser menor de 0,1 ms. Si excitamos este circuito con un pulso rectangular cuyo periodo sea mayor de 1 ms, la salida es una serie de picos de tensión estrechos positivos y negativos.

DIFERENCIADOR CON AMPLIFICADOR OPERACIONAL

En el circuito diferenciador mostrado, se nota la similitud con el integrador, la diferencia es que la resistencia y el condensador están intercambiados; por la tierra virtual, la corriente por el condensador pasa a través de la resistencia de realimentación, produciéndose una tensión, la corriente por el condensador es:

i=C ELECTRICISTA INDUSTRIAL

dv dt HIT-02

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA La cantidad dv/dt tiene el mismo valor que la pendiente instantánea de la tensión de entrada, la ventaja de este circuito respecto al realizado con el circuito diferenciador pasivo RC, es que la señal de salida proviene de un circuito con un baja impedancia de salida, lo que facilita la transferencia de señal a la carga.

R + VCC

C Ven

-

Ven

Vsal

+

Vsal

-VCC Una modificación al circuito, permite evitar la tendencia a oscilar que tiene el circuito diferenciador con opamp, se incluye una resistencia en serie con el condensador, un valor típico de esta resistencia adicional esta entre 0,01 R y 0,1R, con esta resistencia, la ganancia de tensión en lazo cerrado está comprendida entra 10 y 100.

R C

+ VCC -

Ven 0.01Ra 0,1R

Vsal

+ -VCC

Este circuito diferenciador es utilizado para los disparos de circuitos de potencia y para activar otros circuitos que deben ser comandados por los flancos de una señal rectangular.


HIT-02

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CALCULOS DE LA TENSION DE SALIDA EL COMPARADOR DE TENSION En un circuito comparador de tensión, sin realimentación, la tensión de salida es la tensión de saturación positiva o negativa, según sea el caso + Vsat = Vcc - 1.5 v. - Vsat = - (Vcc - 1.5 v.) Por tanto: PARA UN COMPARADOR DETECTOR CRUCE POR CERO: SI:

Ven < 0 v. Ven > 0 v.

Vsal = - Vsat. Vsal = + Vsat.

PARA UN COMPARADOR CON TENSION DE REFERENCIA: SI:

Ven < Vref. Ven > Vref.

Vsal = - Vsat. Vsal = + Vsat.

PARA UN COMPARADOR CON UNA SOLA FUENTE: SI:

Ven < Vref. Ven > Vref.

Vsal = + 1.5 V. Vsal = + Vsat.

Si la alimentación del amplificador operacional es de ± 15 V, la tensión de saturación positiva será + 13.5 voltios y tensión de saturación negativa será -13.5 voltios, esto es, la tensión de alimentación menos 1.5 voltios.

EL AMPLIFICADOR INVERSOR El amplificador inversor de tensión produce una tensión de salida que NO esta en fase con la tensión de entrada, y la tensión de salida se obtiene: Vsal = -

RF Ven RS

Siempre, que no supere el voltaje de saturación Vsat, tanto positivo como negativo.

EL SUMADOR

La tensión de salida del sumador es la suma ponderada de las tensiones de entrada del circuito sumador., teniendo como factor de ponderación o peso a la resistencia de realimentación dividida entre la correspondiente resistencia serie de cada entrada. ELECRICISTA INDUSTRIAL

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA La tensión de salida será: R ⎞ ⎛R Vsal = - ⎜⎜ f v1 + f v2 ⎟⎟ R2 ⎠ ⎝ R1 Si todas las resistencias son iguales, cada entrada tiene una ganancia de tensión unidad y la salida está dada por: vsal = - (v1 + v2 ) Para mayor número de entradas se agrega una resistencia en paralelo con las demás, y en la formula se agrega un termino, por cada entrada.

EL AMPLIFICADOR NO INVERSOR El amplificador no inversor de tensión produce una tensión de salida que esta en fase con la tensión de entrada, y la tensión de salida se obtiene: Vsal =

R1 + R2 Ven R2

Siempre, que no supere el voltaje de saturación Vsat, tanto positivo como negativo.

EL INTEGRADOR El integrador produce una tensión de salida, que depende de la carga del condensador del circuito, y esta dada por la formula:

V =

IT C

Esta es la tensión en extremos del condensador al finalizar el pulso, o sea transcurrido el periodo T, y la forma de onda es una rampa perfecta, para ello se debe cumplir que la constante de tiempo de lazo cerrado, del circuito integrador sea mucho mayor que el periodo del pulso. La constante de tiempo de lazo cerrado, del circuito integrador, teniendo en cuenta el efecto millar, del condensador de realimentación, será: RC’ = RC ( A + 1) Donde A es la ganancia del opamp, por lo tanto: RC’ > 10 T Teniendo en cuenta que la corriente es constante, por que la entrada, en general, es un pulso rectangular, cuando es pulso esta en nivel bajo, Ven = 0, y cuando esta en nivel alto, Ven = V; el pulso aplicado en la entrada, produce una corriente de entrada: ELECRICISTA INDUSTRIAL

HIC-02

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I en =

Ven R

V

Ven

0

T

Vsal

0

T -V

Y toda es corriente de entrada, circula por el condensador, así, el condensador se cargará y su tensión se incrementará, el voltaje Vsal, entre el inicio del pulso y el periodo T, será: I ∗t Vsal = − C Siempre, que no supere el voltaje de saturación Vsat, tanto positivo como negativo.

EL DIFERENCIADOR El diferenciador produce una tensión de salida pulsante, que depende de la tensión de la señal de entrada y de la tensión de alimentación del opamp, que nos da la tensión de saturación Vsat, que es la tensión de alimentación menos 1.5 voltios. La forma de onda, incrementa o decrementa la tensión de salida hasta la tensión de entrada y luego retorna a cero exponencialmente.

V Ven Vsal

0

V 0

-V EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL Los transistores, diodos y resistencias son los componentes electrónicos que se pueden integrar en un chip o circuito integrado, los condensadores que se pueden obtener en un chip tienen una capacidad menor de 50 pf, por ello, los diseñadores de circuitos integrados o CI’s no utilizan condensadores de acoplo y de desacoplo. ELECRICISTA INDUSTRIAL

HIC-02

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA Las etapas de los integrados monolíticos se acoplan directamente, o sea que la salida de una etapa se conecta directamente a la entrada de la siguiente sin utilizar un condensador, y se produce un acoplamiento para continua y señal entre las etapas del amplificador. Un amplificador Operacional tiene tres etapas, la primera de ellas es un amplificador diferencial, cuyo circuito típico es el siguiente:

+ VCC

RC VSAL V1

V2

RE - VCC Lo que ocurre en el amplificador diferencial es lo siguiente: cuando V1 se incrementa, aumenta la corriente de emisor del transistor de la izquierda, esto eleva la tensión en el nudo superior de RE , y equivale a disminuir la tensión VBE en el transistor de la derecha; menor VBE en el transistor de la derecha implica menor corriente de colector en este transistor, lo que a su vez incrementa la tensión de salida. Un incremento en V1 produce un incremento en la tensión de salida, por ello, la tensión de entrada V1 se llama entrada no inversora y la tensión de salida esta en fase con V1.

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL El amplificador operacional - opamp se diseño, para realizar operaciones matemáticas, de donde procede su nombre, posteriormente, viendo la gran cantidad e posibilidades se aumento su campo de aplicaciones. Actualmente es uno de los circuito mas utilizados, su ganancia puede llegar a 100 000 en lazo abierto, utiliza alimentación simétrica conectado a tierra el cero de la alimentación, esto permite que la salida pueda tomar valor positivos o negativos. El símbolo del opamp tiene dos entradas, una entrada inversora o negativa y una entrada no inversora o positiva y posee una sola salida. ELECRICISTA INDUSTRIAL

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VIN + VENT

+

VIN -

V SAL

-

Su presentación comercial tiene formato DIL de 8 pines, aunque se puede encontrar en algunos otros encapsulados.

Los terminales o pines del opamp son: 1.- OFFSET NULL 2.- INVERT IN Vin 3.- NON INVERT IN Vin + 4.- V - ( - Vcc )

5.- OFFSET NULL 6.- OUT PUT Vsal 7.- V + ( +Vcc ) 8.- NC: NO SE CONECTA

Un amplificador operacional tiene tres etapas: Etapa de entrada, compuesta por un amplificador diferencial Etapa intermedia, que es la etapa de amplificación Etapa de salida, compuesta por un seguidor de emisor. En el grafico se muestra las tres etapas del opamp.

Ven

Amplificador diferencial

ELECRICISTA INDUSTRIAL

Mas etapas de ganancias

Seguidor de emisor en contrafase clase B

HIC-02

Vsal

43

ELECTRÓNICA DE POTENCIA CARACTERÍSTICAS El amplificador operacional posee las siguientes características:

•

GRAN GANANCIA DE TENSIÓN.- es la medida de la amplificación de tensión que tiene lugar entre los terminales de entrada y salida, idealmente la ganancia debe ser infinita, y en la realidad esta en 100,000.

•

ALTA IMPEDANCIA DE ENTRADA.- es la mediad de la impedancia considerada solamente sobre los terminales de entrada; normalmente se expresa sola la parte resistiva, la impedancia idealmente debe ser infinita, en la práctica es de 1 mega ohmios.

•

BAJA IMPEDANCIA DE SALIDA.- indica que la impedancia a la salida del opamp es baja, idealmente cero, y en la práctica es 100 ohmios

El amplificador operacional tiene características reales muy cercanas a las características de un opamp ideal.

USO DEL OFFSET NULL ANULACION DE LA TENSION DE OFFSET DE SALIDA. Se puede anular o eliminar la tensión de offset de salida aplicando una pequeña tensión continua dada por

Ven =

Vsal A

En esta ecuación Vsal es la tensión de OFFSET de salida total producida por cualquiera de las diferentes causas posibles. Si se divide entre la ganancia diferencial de tensión del amplificador, se obtiene la tensión de entrada necesaria para eliminar la tensión de OFFSET de salida. La mayoría de los amplificadores operacionales están diseñados con entradas llamadas OFFSET NULL, o entradas de anulación de Tensión OFFSET, o desbalance, en la cual se coloca un potenciómetro, cuya terminal de salida variable se conecta al terminal OFFSET NULL del Amplificador Operacional y los extremos del potenciómetro a la fuente, se debe tener en cuenta que en ambos extremos se debe poner una resistencia para limitar la corriente en caso se llegue al límite de potenciómetro. El potenciómetro que permite ajustar la tensión de entrada que elimina la tensión de OFFSET de salida. Las causas de la tensión de OFFSET de salida son dos: En primer lugar esta la diferencia en los valores de VBE , esto ocurre independientemente de que las bases estén conectadas a tierra o no. ELECRICISTA INDUSTRIAL

HIC-02

44

ELECTRÓNICA DE POTENCIA En segundo lugar, esta la diferencia en las tensiones de base producidas por las corrientes de base que circulan a través de las resistencias de base. Estas diferencias se suman para obtener una tensión de entrada total no deseada de Ven = ∆VBE + I B1RB1 − I B 2 RB 2

Para obtener la tensión de OFFSET de salida total se multiplica A por Ven.

APLICACIONES EN INSTRUMENTACION

Un Circuito Amplificador para instrumentación es un circuito típico de aplicaciones de los amplificadores operacionales en instrumentación industrial. El circuito Amplificador para instrumentación debe tener una alta impedancia de entrada, para no cargar o modificar las condiciones de las variables y la medición sea la correcta. Otra característica que debe tener el amplificador para instrumentación es un factor de de rechazo al modo común CMRR alto, de manera que tenga una buena ganancia en modo diferencial y una ganancia en modo común cercano a cero. En las mediciones que realizan los instrumentos, generalmente tiene una pequeña tensión diferencial y una tensión en modo común elevada, por ello se re quiere un factor CMRR muy alto. El circuito que se muestra cumple con dos características indicadas.

V1 +

+

R2

R1

-

+

Ven

+ Vsal

V2

-

+

-

R2

R1 AJUSTE DE CMRR


HIC-02

45


El circuito utiliza seguidores de tensión en cada entrada para lograr una muy alta impedancia de entrada y un potenciómetro para ajustar o equilibrar las señales en modo común CMRR y con ello obtener el CMRR alto. Los fabricantes producen circuitos integrados que ya incluyen estas características, necesarias para los amplificadores utilizados en instrumentación, cuyos integrados mas conocidos son: LH0036, LF352, AD521, etc.

PRECAUCIONES EN POLARIZACION Y OPERACIÓN DE OPAMP

Los amplificadores operacionales, como todos los componentes electrónicos, tienen sus características de voltaje de alimentación y los terminales a los que se debe conectar. Para obtener la distribución de los terminales y los valores característicos de las OPAMP se utiliza el manual de componentes electrónicos, como el Manual ECG, que en la sección LINEAR IC SELECTOR GUIDE, incluye a los componentes analógicos lineales como el OPAMP. En la operación de los amplificadores operacionales debemos tener el cuidado con el nivel de la señal de entrada, si es muy alta, el circuito con Opamp se satura y presentando una señal distorsionada.

PRECAUCIONES CON LA TEMPERATURA

Todo componente electrónico, disipa calor y si el calor no es adecuadamente transferido al medio ambiente, el componente se deteriora; cuanto más tiempo esta sometido a una temperatura alta, mayor es el grado de deterioro, y en algunos casos, la temperatura es tan alta, que el componente se puede quemar casi de inmediato. Para transferencia del calor al medio ambiente se utiliza disipadores de calor de aluminio, que facilitan la transferencia de calor al medio ambiente; y para lograr un buen contacto entre el componente y el disipador, se usa silicona disipadora, que es un pasta de color blanco. La silicona disipadora no debe ser tocada con los dedos, debe untarse con una espátula plástica, tiene propiedades no aptas para el contacto con la piel Humana. Si el disipador no se mantiene a una temperatura adecuada y se siente que esta muy caliente, se debe colocar un ventilador que ayude a la transferencia del calor al medio ambiente y enfriar el disipador, y con ello al componente.


HIC-02

46

CIRCUITO COMBINACIONAL DE FUNCION MINIMIZADA

A C

A.C X=AC+B

B CIRCUITO DE PRUEBA COMPUERTA AND

Nº

ORDEN DE EJECUCIÓN


FUENTE DE ALIMENTACIÓN DC.

1

IDENTIFIQUE TERMINALES Y PRUEBE LAS COMPUERTAS LOGICAS.

2

ARME CIRCUITO AND.

COMPONENTES INTEGRADOS IC 74LS08, 74LS32 Y 74LS04.

3

ARME CIRCUITO DE OR.

MULTIMETRO DIGITAL, PROTOBOARD

4

ARME CIRCUITO DE NOT.

CONDUCTORES VARIOS CALIBRE 22 AWG.

5

ARME CIRCUITO COMBINACIONAL MINIMIZADO.

PINZAS, ALICATE DE CORTE.

6

VERIFIQUE EL CUMPLIMIENTO DE LA TABLA DE VERDAD DE LOS CIRCUITOS.

RESISTENCIAS Y LED.

PZA

CANT


MONTAJE DE CIRCUITOS COMBINACIONALES CON COMPUERTAS LOGICAS


MATERIAL

OBSERVACIONES

HT

REF: HT-03

Tiempo:4 Horas

HOJA: 1 / 1

Escala: ------

2004 47

ELECTRÓNICA DE POTENCIA OPERACIÓN HACER ESQUEMA DE CIRCUITO COMBINACIONAL.

DESCRIPCIÓN Una determinada necesidad o problema de circuitos digitales, se puede especificar en una tabla de verdad y a partir de ella, se obtiene la función y el circuito que da solución a la necesidad o al problema. Para realizar el montaje de un circuito digital se debe contar con el esquema del circuito y las características de los componentes a usar.


1º PASO:

Grafique el esquema que cumpla con la tabla de verdad del problema usando compuertas lógicas.

2º PASO:


3º PASO:

Dibuje el esquema del circuito combinacional minimizado mostrado

A C

A.C X=AC+B

B 4º PASO:

Verifique que el circuito del esquema cumpla con la tabla de verdad del problema, y que se muestra a continuación.

A 0 0 0 0 1 1 1 1


B 0 0 1 1 0 0 1 1

C 0 1 0 1 0 1 0 1

X 0 0 1 1 0 1 1 1

VERIFICACION

HO-10

1/1

48


OPERACIÓN PROBAR DIODO LED

DESCRIPCIÓN

El diodo LED, es un diodo que emite luz, y como todo diodo debe ser polarizado directamente para conducir y emitir luz, y cuando es polarizado inversamente no conduce y por lo tanto no emite luz. Como, todo componente electrónica, debe ser probado antes de ser utilizado.


1º PASO:

Identifique terminales del DIODO LED considerando el tamaño del terminal. El mas largo corresponde al terminal positivo o ánodo

2º PASO:

Tome el multímetro digital y seleccione el uso como Ohmimetro en la escala del símbolo del DIODO ..

-

3º PASO:

+

Halle entre los dos terminales una resistencia baja; el terminal conectado a la punta de prueba positiva es el ánodo y el negativo corresponde al cátodo.


HO-11

1/2

49


4º PASO:

Arme el circuito mostrado y verificar que el LED se encienda.

Si prende el Led: El Led se encuentra en buen estado y correctamente conectado. Si el Led no prende: Verificar conexiones, probable terminales invertidos. Si esta correctamente conectado el Led esta en mal estado.


HO-11

2/2

50


OPERACIÓN PROBAR COMPUERTA AND DESCRIPCIÓN La compuerta AND cumple con la operación lógica de intersección y solo es verdad o nivel lógico 1, cuando todas sus entradas son verdad o nivel lógico 1. Armar circuito para verificar el cumplimiento de la tabla de verdad de la compuerta lógica AND por el C I 74LS08. PROCESO DE EJECUCIÓN: 1º PASO:

Ubique en el componente CI el código que lo identifica en la parte superior del Chip o cápsula de CI, verifique si es 74LS08.

2º PASO:

Ubique en el manual de componentes electrónicos ECG, el diagrama de distribución del C.I 74LS08, para ello busque en el manual ECG, la sección DIGITAL ICs.

3º PASO:

Busque dentro de la sección DIGITAL ICs, las hojas correspondientes a TTL LOGIC DIAGRAMS, y en ellas, el diagrama del integrado 74LS08, y verifique si es el mostrado Diag. 10 14-Pin DIP See Fig. D6 ECG7408, ECG74C08, ECG74H08, ECG74HC08, ECG74HCT08, ECG74LSO8, ECG74S08

4Y 3B 3 A 3Y 14 13 12 11 10 9 8

Vcc 4B 4 A

1 1A

2 3 4 5 6 7 1B 1Y 2 A 2B 2Y GND

Quad 2-Input AND Gate


HO-12

1 / 2

51

4º PASO:

ELECTRONICA DE POTENCIA Identifique en el Chip o Cápsula del circuito integrado los terminales, para realizar las conexiones al armar el circuito.

4Y 3B 3 A 3Y 14 13 12 11 10 9 8

Vcc 4B 4 A

Muesca o Hendidura

1 1A

Terminal 1

2 3 4 5 6 7 1B 1Y 2 A 2B 2Y GND

NOTA: El pin debajo de la Muesca o Hendidura del Chip o cápsula del CI es el Pin o Terminal 1, y se enumera en sentido contrario a las agujas del reloj.

A 0 0 1 1

5º PASO:

Arme el circuito mostrado, en el PROTOBOARD.

6º PASO:

Verifique el cumplimiento de la tabla de verdad de la compuerta AND, variando los niveles de las entradas A y B, verificando si el led X esta prendido o apagado.

ENTRADA LED A APAGADO APAGADO PRENDIDO PRENDIDO


B 0 1 0 1

ENTRADA LED B APAGADO PRENDIDO APAGADO PRENDIDO

X 0 0 0 1

SALIDA LED X APAGADO APAGADO APAGADO PRENDIDO HO-12

VERIFICACION

2 / 2

52

ELECTRONICA DE POTENCIA OPERACIÓN PROBAR COMPUERTA OR DESCRIPCIÓN

La compuerta OR cumple con la operación lógica de unión y es verdad o nivel lógico 1, cuando por lo menos una de sus entradas es verdad o nivel lógico 1. Armar circuito para verificar el cumplimiento de la tabla de verdad de la compuerta lógica OR por el C I 74LS32.


Identifique los terminales del CI 74LS32 en el manual ECG.

2º PASO:

Arme el circuito mostrado, en el PROTOBOARD.

3º PASO:

Verifique el cumplimiento de la tabla de verdad de la compuerta OR.

ENTRADA A LED A 0 APAGADO 0 APAGADO 1 PRENDIDO 1 PRENDIDO


ENTRADA B LED B 0 APAGADO 1 PRENDIDO 0 APAGADO 1 PRENDIDO

X 0 1 1 1

SALIDA VERIFICA CION LED X APAGADO PRENDIDO PRENDIDO PRENDIDO

HO-13

1/1

53

ELECTRÓNICA DE POTENCIA OPERACIÓN PROBAR COMPUERTA NOT

DESCRIPCIÓN

La compuerta NOT cumple con la operación lógica de negación o complementación y es verdad o nivel lógico 1, cuando su entrada es falso o nivel lógico 0 y si la entrada es verdad o nivel lógico 1, la salida será falso o nivel lógico 0. Armar un circuito para verificar el cumplimiento de la tabla de verdad de la compuerta NOT, utilizando el circuito integrado 74LS04.


Identifique los terminales del CI 74LS04 en el manual ECG.

2º PASO:

Arme en el Protoboard, el circuito mostrado. CIRCUITO DE PRUEBA NOT

1

3º PASO:

2

Verifique el cumplimiento de la tabla de verdad de la compuerta NOT.

A 0 1

ENTRADA LED A APAGADO PRENDIDO


X 1 0

SALIDA LED X PRENDIDO APAGADO

VERIFICACION

HO-14

1/1

54

ELECTRÓNICA DE POTENCIA OPERACIÓN PROBAR CIRCUITOS COMBINACIONALES. DESCRIPCIÓN

La expresión algebraica de una función se puede obtener de la tabla de verdad y con esta expresión algebraica se puede implementar el circuito digital que cumpla con dicha la tabla de verdad. Una determinada necesidad o problema, se puede especificar en una tabla de verdad y a partir de ella, como indicamos, se obtiene la función y el circuito que da solución a la necesidad o al problema. Las expresiones algebraicas se pueden simplificar o Minimizar, mediante simplificación por el álgebra de Boole o el método grafico del mapa de Karnaugh. El circuito de la función minimizada, tiene menos compuertas y es más sencillo, y debe cumplir con la tabla de verdad de la función original.


1º PASO:

Analice la tabla de verdad mostrada y halle los términos canónicos o minterminos. A 0 0 0 0 1 1 1 1

2º PASO:

B 0 0 1 1 0 0 1 1

C 0 1 0 1 0 1 0 1

X 0 0 1 1 0 1 1 1

MIN TERMINOS

ABC ABC ABC ABC ABC

Forme la función Algebraica Booleana en la forma de suma de productos.

X=ABC+ABC+ABC+ABC+ABC 3º PASO:

Minimice la función mediante el álgebra de Boole o el mapa de karnaugh.


HO-15

1/2

55

ELECTRÓNICA DE POTENCIA 4º PASO:

Diseñe el circuito que cumpla con la función minimizada y compruebe si concuerda con el circuito mostrado, a continuación:

5º PASO:

Verifique si la función minimizada concuerda con la que se presenta a continuación. X=AC+B

6º PASO:

Identifique los terminales del CI 74LS08 y 74LS32 en el manual ECG.

7º PASO:

Diseñe el circuito que cumpla con la función minimizada y compruebe si concuerda con el circuito mostrado a continuación:

CIRCUITO COMBINACIONAL DE FUNCIONES MINIMIZADAS

A C

A.C X=AC+B

B 8º PASO:

Arme en el protoboard, el circuito mostrado o el circuito diseñado en el paso anterior.

9º PASO:

Compruebe que el circuito cumpla con la tabla de verdad.

A 0 0 0 0 1 1 1 1


B 0 0 1 1 0 0 1 1

C 0 1 0 1 0 1 0 1

X 0 0 1 1 0 1 1 1

HO-15

2/2

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COMPUERTAS LOGICAS La electrónica digital estudia el diseño y construcción de los circuitos que manejan la información representada en forma digital, y los fundamentos matemáticos y tecnológicos de su funcionamiento. Los sistemas digitales manejan cantidades físicas representadas en forma digital, en la cual, las cantidades toman solo determinados valores, esto es, toma valores discretos, la electrónica digital generalmente solo trabaja con dos valores, aun cuando existen sistemas que toman varios valores. Los sistemas digitales más conocidos son las microcomputadoras, calculadoras digitales, agendas digitales, equipos digitales de audio, equipos digitales de video, los sistemas telefónicos, los sistemas de comunicación de datos, etc. Los circuitos digitales responden a un sistema lógico binario, por lo tanto tiene dos niveles: Nivel Lógico 0 ó simplemente 0 y Nivel lógico 1 o simplemente 1. Existen circuitos digitales integrados que cumplen las operaciones lógicas básicas, a estos circuitos se les conoce como compuertas lógicas, las compuertas básicas son: AND, OR, NOT, NAND, NOR, OR EX.

COMPUERTAS LOGICAS AND OR Y NOT COMPUERTA AND La compuerta AND de 2 entradas tendrá en su salida X valor lógico 1, solo cuando las entradas A y B tengan valor lógico 1, en los demás casos la salida X tendrá valor 0.

SÍMBOLO

TABLA DE VERDAD A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

X=AB 0 0 0 1

El IC 7408 tiene 4 compuertas AND de 2 entradas.

NOTA: En los circuitos digitales el valor lógico 0 se representa por 0 voltios y el valor lógico 1 se representa por el voltaje de la fuente Vcc = 5v


HIT-03

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COMPUERTA OR La compuerta OR de 2 entradas tendrá en su salida valor lógico 1 cuando al menos una de sus entradas tiene valor 1, y tendrá valor 0 solo si sus 2 entradas son 0.

El IC 7432 tiene 4 compuertas OR de 2 entradas.

SÍMBOLO

TABLA DE VERDAD

A X=A+B B

A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

X=A+B 0 1 1 1

COMPUERTA NOT La compuerta NOT complementa el valor de su entrada, esto significa si la entrada es 1 la salida es 0 y si la entrada es 0 la salida es 1.

SÍMBOLO

TABLA DE VERDAD

A

X=A

A 0 1

_ X=A 1 0

El IC 7404 tiene 6 compuertas NOT.

MODELO CON TRANSISTORES EN CORTE-SATURACION

La tecnología de fabricación de los circuitos integrados que se utilizan actualmente son: la Familia TTL, Familia CMOS, Familia ECL, etc. La tecnología de los circuitos Integrales ha avanzado mucho, teniendo los siguientes niveles de Integración: SSI: Integración a pequeña escala menos de 12 compuertas. MSI: Integración a mediana escala entre 12 a 99 compuertas por C.I. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-03

58

ELECTRÓNICA DE POTENCIA LSI: Integración a gran escala, 100 a 1,000 compuertas por C.I. VLSI: Integración a muy grande escala, 1,000 a 100,000 compuertas por C.I. ULSI: Integración a ultra grande escala, mas de 100,000 compuertas por C.I. La tecnología TTL o LOGICA TRANSISTOR TRANSISTOR, Se utiliza principalmente en dispositivos SSI y MSI y es una tecnología que utiliza transistores bipolares conectados entre ellos. El circuito lógico básico TTL es la Compuerta NAND que utiliza transistores multiemisores, trabaja que puede tener hasta con 8 emisores; y en esta tecnología los transistores trabajan en la zona de operación de los transistores de corte y saturación.

ANÁLISIS CIRCUITAL DE COMPUERTA TTL NAND – TIPO TOTEM

El circuito mostrado corresponde a una compuerta NAND con configuración tipo TÓTEM y se analiza su funcionamiento para las combinaciones de entrada que posibles. OPERACIÓN EN ESTADO BAJO En el circuito tipo Tótem mostrado, las dos entradas A y B están en nivel Alto o sea +5v, con ello el transistor Q1 este en corte y Q2 y Q4 se saturan; luego el voltaje de salida del circuito es el VCE de Q4 igual 0.2v, Q3 esta en corte porque su base esta a 0.9v (VBE de Q4 = 0.7 y VCE de Q2 = 0.2), y su emisor esta a 0.9v (VCE de Q4 = 0.2 y Vd de D1 = 0.7).PARA AMBAS ENTRADAS ALTAS LA SALIDA ES BAJA. OPERACIÓN EN ESTADO ALTO En el circuito, si una de las entradas A o B, o ambas están en nivel bajo o sea 0v; el transistor Q1 se satura; Q2 y Q4 pasan a corte porque la base de Q2 este a 0.2v ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-03

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA (VCEsaturación de Q1 = 0.2). Q3 pasa a saturación y el voltaje de salida del circuito es 3.4v, esto es nivel alto y entregara corriente al circuito que este conectado a la salida de la Compuerta.PARA UNA O AMBAS ENTRADAS BAJAS LA SALIDA ES ALTA.

NIVELES DE TENSION DE ENTRADA Y SALIDA

Los niveles de tensión de la familia TTL son: 5 voltios para el nivel lógico 1 y 0 voltios para el nivel lógico 0, sin embargo existe diferentes valores característicos, que se presentan en el cuadro. Las características básicas de la familia TTL son: CARACTERISTICA

SN / 54

Fuente de Alimentación Temperatura Voltaje de entrada Nivel Alto Voltaje de entrada Nivel Bajo Voltaje de salida Nivel Alto Voltaje de salida Nivel Bajo NOTA:

MIN 4.5 -55 2 2.4

SN / 74

NOM MAX MIN NOM MAX a 5.5 v. 4.75 a 5.25 v. a 125 0 a 70 2 0.8 0.8 3.4 2.4 3.4 0.2 0.4 0.2 0.4

SN/ 54 Para usos de características exigentes SN/ 74 Para usos de características normales. 5 voltios

___________________________

3.4 voltios

NIVEL LOGICO 1

2.0 voltios ___________________________ NO SE GARANTIZA QUE NIVEL LOGICO ASUMIRA ___________________________ 0.8 voltios 0.4 voltios

NIVEL LOGICO 0

0.0 voltios ___________________________

Los circuitos TTL, asumirán como nivel lógico 1, si el nivel de tensión esta entre 2 voltios y 5 voltios, asumirán como nivel lógico 0, si el nivel de tensión esta entre 0 voltios y 0.8 voltios; si el nivel de tensión esta entre 0.8 voltios y 2.0 voltios, no se garantiza que nivel lógico asumirá el circuito integrado o compuerta, a veces puede considerarlo como 1 lógico y en otro momento como 0 lógico.


HIT-03

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA COMPUERTAS LOGICAS NAND NOR Y OREX COMPUERTA NAND La compuerta NAND de 2 entradas tendrá en su salida X, valor lógico 0, solo cuando las entradas A y B tengan valor lógico 1, en los demás casos la salida X tendrá valor 1. SÍMBOLO

TABLA DE VERDAD

A

A 0 0 1 1

X=A.B B

B 0 1 0 1

___ X = A .B 1 1 1 0

El IC 7400 tiene 4 compuertas NAND de 2 entradas. CIRCUITO EQUIVALENTE NAND

A X=A.B B COMPUERTA NOR La compuerta NOR de 2 entradas tendrá en su salida valor lógico 1, cuando las dos entradas tiene valor 0, y tendrá valor 0 en los demás casos. SÍMBOLO

TABLA DE VERDAD

A X=A+B B

A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

____ X=A+B 1 0 0 0

El IC 7402 tiene 4 compuertas NOR de 2 entradas. CIRCUITO EQUIVALENTE NOR

X=A+B


HIT-03

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA COMPUERTA OR EX La compuerta OR EX cumple con la función OR Exclusiva, y su salida será 1, si las entradas son diferentes entre ellas y será 0, si ambas entradas son iguales. SÍMBOLO

TABLA DE VERDAD A 0 0 1 1

A X A+ B

B

X = A ⊕B 0 1 1 0

B 0 1 0 1

El IC 7486 tiene 4 compuertas OR EX. CIRCUITO EQUIVALENTE OREX El circuito mostrado cumple con la tabla de verdad de la compuerta OREX y es su circuito equivalente.

A B X=A B+A B

CIRCUITO NOR EX El circuito NOR EX cumple con la función OR Exclusiva negada, y su salida será 1, si sus dos entradas son iguales y será 0, si las entradas son diferentes entre ellas. CIRCUITO TABLA DE VERDAD

A X=A + B

B CIRCUITO EQUIVALENTE NOREX

A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

_____ X = A ⊕B 1 0 0 1

A B X=A B+A B


HIT-03

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CIRCUITOS LÓGICOS COMBINACIONALES Los circuitos lógicos combinacionales son circuitos formados por las combinaciones de compuertas lógicas y en ellas el nivel lógico de la salida depende únicamente de los niveles lógicos de sus entradas.

TABLA DE VERDAD Una Tabla de Verdad describe la forma en que la salida de un circuito lógico, depende de los niveles lógicos presentes en sus entradas; la Tabla de Verdad debe tener filas correspondientes a todos los estados o combinaciones posibles de las variables de entrada y para cada una de ellas, el valor del nivel lógico de la salida. La tabla de Verdad se puede obtener a partir del circuito, si este existe, ingresando los niveles lógicos correspondientes a las combinaciones de las entradas y registrando el valor de la salida para cada uno de ellas. La Tabla de Verdad también se puede definir antes de diseñar el circuito, definiendo el valor que debe tener la salida del circuito, para cada una de los estados o combinaciones de las entradas, y luego cuando el circuito se ha diseñado, este debe cumplir con la Tabla de Verdad, y dar solución al problema que generó la necesidad del circuito. En la siguiente Tabla de Verdad se tiene tres variables A, B y C: y la salida X, que indica el valor que tendrá para cada combinación de las entradas.

A 0 0 0 0 1 1 1 1

ENTRADAS B 0 0 1 1 0 0 1 1

C 0 1 0 1 0 1 0 1

SALIDA X 0 0 0 1 0 1 0 1

De la tabla de verdad mostrada, se obtiene la función lógica o expresión algebraica que describe el comportamiento del circuito lógico que cumple con la tabla de verdad, y a partir de ella se puede diseñar el circuito lógico de la función original o se puede simplificar y diseñar el circuito lógico de la función simplificada.

FUNCION CANÓNICA La función canónica, es la expresión algebraica o función lógica, que se obtiene de una tabla de verdad, formada por términos canónicos, las funciones canónica se pueden expresar en la forma suma de productos, en este caso cada término esta formado por ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIC-03

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA el producto de todas las variables y a cada uno de estos términos se les llama producto canónico o mintérmino. También la función canónica puede estar formada por el producto de sumas y en este caso cada término esta formado por la suma de todas las variables, a estos términos se les llama suma canónica o maxtérmino. Se llaman términos canónicos o estándar a los términos de una función canónico que incluyen a todas las variables de la función sea en su forma directa o negada. De una tabla de verdad se puede hallar la función canónica o expresión algebraica, determinando primero los mintérminos, los mintérminos se hallan solo para las salidas con valor 1 y se considera la variable directa cuando la entrada es 1, y la variable negada cuando la entrada es 0, la función canónica o expresión algebraica se forma sumando los mintérminos. APLICACION TABLA DE VERDAD PARA HALLAR LA FUNCION CANONICA ED 0 1 2 3 4 5 6 7

A 0 0 0 0 1 1 1 1

NOTA: ED = Equivalente decimal

B 0 0 1 1 0 0 1 1

C 0 1 0 1 0 1 0 1

X 0 0 0 1 0 1 0 1

MINTERMINOS _ →A B C _ →A B C →ABC

X = salida

Para cada salida con valor 1, se debe hallar el producto canónico o mintérmino, en la tabla de verdad mostrada, se trata de los términos con equivalente decimal números: 3, 5, 7. Como indicamos en cada mintérmino la variable se tomará como directa si la entrada es 1 y se tomará como negada si la entrada es 0, en el caso del mintérmino 3, las entrada A tiene valor 0, y las entradas B y C tienen valor 1, por lo tanto el mintérmino se formará con las variables: A negada, B directa, y C directa, tal como se indica en la tabla de verdad. Una vez obtenido todos los mintérminos o productos canónicos, se deben sumar estos términos para obtener la función canónica, función lógica, expresión algebraica o función original. La función original se puede implementar con compuertas, pero se tendrá un circuito demasiado complejo y de mayor costo que uno simplificado, para simplificar se puede ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIC-03

64

ELECTRÓNICA DE POTENCIA FUNCION LOGICA:

_ _ X= ABC+ ABC + ABC

ALGEBRA DE BOOLE OBJETO Una función en el álgebra de Boole es una variable dependiente binaria cuyo valor depende de una expresión algebraica en la que se relacionan otras variables binarias por medio de las operaciones lógicas básicas: Producto lógico, Suma lógica e Inversión o negación. Para la simplificación de las funciones lógicas que describen el funcionamiento de estos circuitos, se requieren estudiar los teoremas del álgebra de Boole y el método algebraico de simplificación de funciones.

TEOREMAS DE UNA VARIABLE En cada uno de los teoremas siguientes la variable puede tomar el valor 0 o el valor 1, y en cada teorema presenta un diagrama circuital que verifica su validez. 1)

X.0=0

Tabla de Verdad X

0

Y=X.0

0

0

0

1

0

0

Cualquier variable multiplicada por 0, da siempre una salida de valor 0. 2) X . 1 = X

Tabla de Verdad X

1

Y=X.1=X

0

1

0

1

1

1

Cualquier variable multiplicada por 1, da siempre una salida igual a la misma variable. 3) X . X = X

Tabla de Verdad X

X X

X

Y=X

0

0

0

1

1

1

Cualquier variable multiplicada por si misma, da la misma variable. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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4)

X.X=0

Tabla de Verdad

X 0

X 0

X 1

Y=X.X 0

1

0

0

Cualquier variable multiplicada por su complemento da 0. 5) X+ 0 = X

Tabla de Verdad

X X 0

X

0

Y=X+0

0

0

0

1

0

1

Cualquier variable sumada con 0 da la misma variable. 6) X + 1 = 1

Tabla de Verdad

X 1 1

X

1

Y=X+1

0

1

1

1

1

1

Cualquier variable sumada con 1 da siempre 1. 7) X + X = X

Tabla de Verdad

X X

X

X

Y=X+X

0

0

0

1

1

1

Cualquier variable sumada con si misma da la misma variable. 8) X + X = 1

Tabla de Verdad

X 1

X

X

Y=X+X

0

1

1

1

0

1

Cualquier variable sumada con su complemento da siempre 1. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIC-03

66

ELECTRÓNICA DE POTENCIA 9) X = X

Tabla de Verdad

A

A

A

___

___

X

X

X

0

1

0

1

0

1

La negación de la negación de una variable es la misma variable. TEOREMAS CON MULTIPLES VARIABLES 10) X + Y = Y + X 11)

X.Y=Y.X Se llaman leyes conmutativas, indican que para las operaciones OR y AND no importa el orden en que se operan.

12)

X + (Y + Z) = (X + Y) + Z = X + Y + Z

13)

X (Y . Z) = ( X . Y) Z = X Y Z Se llaman leyes asociativas, indican que las variables se pueden agrupar en operaciones OR y AND en la forma más conveniente de acuerdo a la cantidad de entradas de las compuertas.

14a)

X (Y + Z) = X . Y + X . Z

14b) (W + X) (Y + Z) = W. Y + W. Z + X . Y + X . Z Se llaman leyes distributivas, indican que las variables se pueden distribuir multiplicando los términos y también se pueden factorizar, agrupando por factores comunes 15) X + XY = X Cualquier variable sumada con el producto de la misma variable con otra variable, da como resultado la misma variable. DEMOSTRACIÓN: X Y X.Y X+XY X 0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

1

1

1

1

1

1

1


HIC-03

67

ELECTRÓNICA DE POTENCIA _ 16) X + XY = X + Y Cualquier variable sumada con el producto de la variable negada por otra variable da la suma de las dos variables.

X

Y

_ X

_ X.Y

_ X + XY

X+Y

0

0

1

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

TEOREMAS DE MORGAN Nos indican que una negación total se puede dividir entre sus factores negados siempre que cambiemos el signo que une a los factores.

17) X + Y = X . Y La negación total de la suma de dos variables es igual al producto de la negación individual de los dos factores.

18) X . Y = X + Y La negación total del producto de dos variables es igual a la suma de la negación individual de los dos sumandos. MINIMIZACIÓN DE FUNCIONES

Cuando no se dispone del circuito ni de la expresión algebraica es necesario definir el nivel de las salidas para cada combinación de las entradas, en una tabla de verdad y a partir de ella hallar la función lógica canónica o función original. Para cada salida con valor 1, se debe hallar el producto canónico o mintérmino, en la tabla de verdad mostrada, se trata de los términos con equivalente decimal números: 1, 2, 6, 7, 9, 11y 12. Como indicamos en cada mintérmino la variable se tomará como directa si la entrada es 1 y se tomará como negada si la entrada es 0, en el caso del mintérmino 1, las entradas A, B, C, son de valor 0 y la entrada D es de valor 1, por lo tanto el mintérmino se formará con las variables: A negada, B negada, C negada y D directa, tal como se indica en la tabla de verdad. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIC-03

68

ELECTRÓNICA DE POTENCIA TABLA DE VERDAD DE UN CIRCUITO PARA IMPLEMENTAR ED 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

A 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

B 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

NOTA: ED = Equivalente decimal

C 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

D 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

S 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0

MINTERMINOS →A B C D →A B C D

→A B C D →A B C D →A B C D →A B C D →A B C D

S = salida

Una vez obtenido todos los mintérminos o productos canónicos, se deben sumar estos términos para obtener la función lógica, expresión algebraica o función original. La función original se puede implementar con compuertas, pero se tendrá un circuito demasiado complejo y de mayor costo que uno simplificado, para simplificar se puede aplicar a la función original la reducción por el método algebraico. Existe otro método de simplificación, es un método grafico, llamado simplificación por el mapa de karnaugh.

MINIMIZACION DE FUNCIONES POR EL METODO ALGEBRAICO Utilizando los teoremas del álgebra de Boole, se simplifica la función lógica obteniendo, una función simplificada que tiene menos términos y cada termino menos variables, lo cual significa que al implementar se tendrá menor necesidad de compuertas.

MINTERMINOS ___ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ S= A B C D + A B C D + A B C D + A B C D + A B C D + A B C D + A B C D 1

2

3

4

5

6

7

Aplicando el teorema 14 y hallando factores comunes tenemos: ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIC-03

69

ELECTRÓNICA DE POTENCIA De los Mintérminos 1 y 5 De los Mintérminos 2 y 3 De los Mintérminos 3 y 4 ___ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ S= B C D(A+A) + A C D(B+B) + A B C(D+D) + A B D(C+C) + A B C D 1 1 1 1 Por el teorema 8, se reduce a 1 la suma de la variable con su complemento, quedando simplificado de la siguiente forma: __ _ _ _ _ __ S= BCD+ACD+ABC+ABD+ABCD LA FUNCION SIMPLIFICADA ES MAS SIMPLE, Y TIENE MENOS TERMINOS Y MENOS VARIABLES POR TERMINO

MAPA DE KARNAUGH OBJETO El Mapa de Karnaugh es un diagrama que se forma a partir de la tabla de verdad y siguiendo las reglas del mapa de karnaugh se puede simplificar agrupando los unos. Los equivalentes decimales de las entradas que tienen salidas con valor 1, se deben poner con 1 en el correspondiente casillero del mapa de karnaugh, y en los demás casilleros se deben poner 0. Los valores 1 del mapa de Karnaugh, se deben agrupar formando grupos de 1, 2, 4, 8, 16, valores 1, cuanto más unos se incorpora en un grupo, se obtiene un termino mas simplificado, generado por ese grupo; los valores 1 deben estar continuos, uno al costado del otro por el lado y no en diagonal, y para este efecto las filas de los extremos, se consideran continuos, uno al lado del otro, y en forma similar las columnas de los extremos. MAPA DE KARNAUGH PARA TRES VARIABLES _ C


C

AB

0

o

0

1

AB

0

2

0

3

AB

0

6

0

7

AB

0

4

0

5

HIC-03

70


MINIMIZACION DE FUNCIONES POR EL MAPA DE KARNAUGH En los casilleros numerados con los equivalentes decimales de las entradas binarias de la tabla de verdad, se ingresa 1 en los equivalentes decimales cuyas salidas son 1 y se ingresa 0 a los demás casilleros. Siguiendo las reglas del mapa de karnaugh se puede simplificar agrupando los unos del mapa de Karnaugh, de la tabla de verdad mostrada anteriormente, se tiene con valores 1, los equivalentes decimales números: 1, 2, 6, 7, 9, 11y 12.

CD

CD

CD

CD

AB

0

o

1

1

0

3

1

2

AB

0

4

0

5

1

7

1

6

AB

1

12

0

13

0

15

0

14

AB

0

8

1

9

1

11

0

10

En el mapa que se muestra, se debe agrupar primero los valores 1 de los casilleros 1 y 9 y de ellos obtenemos el termino, B CD , de agrupar los valores 1 de los casilleros 2 y 6 se obtiene A CD , de agrupar los casilleros 6 y 7, se obtiene AB C, de los casilleros 9 y 11, se obtiene AB D, y finalmente, el valor 1 del casillero 12 no se puede agrupar con otro 1, y por lo tanto solo generará el termino AB CD y el resultado es el mismo que el obtenido por el método algebraico. El mapa de Karnaugh se puede emplear con comodidad para tres, cuatro y cinco variables, para mas variables existe software que realiza las simplificaciones.

IMPLEMENTACION DE FUNCIONES CON COMPUERTAS LOGICAS CIRCUITO LÓGICO COMBINACIONAL DE LA FUNCION CANONICA De la tabla de verdad de tres variables mostrado anteriormente, se obtuvo la función canónica siguiente: _ _ X= ABC+ABC+ABC La implementación de la función lógica utilizando compuertas lógicas, se debe realizar mintérmino por mintérmino, así, para el primer producto o mintérmino, utilizando las compuertas AND y NOT, se tiene: ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIC-03

71


A

A

AB

B C

ABC

En forma similar se implementan los otros dos productos canónicos; cuando se tiene todos los mintérminos diseñados, se combinan con compuertas OR para lograr la suma lógica y se unen las entradas para tener una sola entrada de cada variable al circuito, teniendo como resultado el circuito siguiente:

A B C

X

CIRCUITO COMBINACIONAL DE LA FUNCION ORIGINAL _ _ X= ABC+ABC+ABC CIRCUITO LÓGICO COMBINACIONAL DE LA FUNCION MINIMIZADA La expresión algebraica o función lógica Original que se ha obtenido de la tabla de verdad, se puede simplificar o minimizar, obteniéndose la función minimizada y a partir de ella se diseña un nuevo circuito lógico, el cual también debe cumplir con la tabla de verdad. Las ventajas de diseñar en base a la función minimizada son: a.- El circuito es más simple, y tiene menos posibilidad de errores ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIC-03

72

ELECTRÓNICA DE POTENCIA b.- El costo es menor, por utilizar menos componentes. c.- El tiempo empleado en armar y probar es menor. FUNCION LOGICA MINIMIZADA: X = (A + B) C Después de simplificar, se obtiene la función minimizada, que como se observa es más simple que la función original, y siguiendo el procedimiento para implementar las funciones con compuertas, se tendrá el siguiente circuito:

A+B

A B

A+B C C CIRCUITO COMBINACIONAL DE LA FUNCION MINIMIZADA X = (A + B) C

DIAGRAMAS DE ENCAPSULADO Los circuitos integrados digitales, al igual que todos los componentes electrónicos, tienen sus características y distribución de sus terminales, definidos por los fabricantes en los manuales de componentes electrónicos, como el ECG. Par el caso de los circuitos integrados TTL, se ubica en la sección DIGITAL ICs, parte TTL LOGIC DIAGRAMS, como se muestra: COMPUERTA NAND ECG7400, ECG74C00, ECG74H00 ECG74HC00, ECG74HCT00

VCC 4B 4A 14 13 12

1

2

3 1A 1B 1Y ELECTRICISTA INDUSTRIAL

4Y 3B 3A 9 11 10

4

5

2A

2B

3Y 8

6 7 2Y GND HIC-03

73

ELECTRÓNICA DE POTENCIA INTERFASES CON EL MUNDO ANALÓGICO

El mundo real es generalmente analógico y los sistemas de control actuales son generalmente Digitales, por ello se requiere de interfases entre las variables analógicos del mundo real y los sistemas digitales de control. Los factores que se deben controlar para el funcionamiento optimo de los equipos y maquinarias, tanto en el hogar, la oficina como en la industria, y estos factores tienen variables que son analógicos y los sistemas de control mas difundidos y de usos generales son sistemas digitales. En el diagrama siguiente se presenta los componentes y las señales de la interconexión del mundo analógico al sistema digital para la supervisión y control de una variable física analógica. DIAGRAMA DE INTERCONEXIÓN DE UNA VARIABLE FÍSICA ANALÓGICA AL SISTEMA DIGITAL PARA SU SUPERVISIÓN Y CONTROL

Entrada analógica (eléctrica)

Salidas analógica

2

3

ADC

Sistema digital ( micro computadora)

5

1 Transductor

4

Variable física Entradas digitales

DAC

Actuador

Control de una variable fisica

Salidas digitales

Un sistema de control analógico o análogo es difícil de diseñar y solo sirve para el caso especifico para el que se diseño, un sistema de control digital es mas sencillo de diseñar y se utilizan elementos de circuitos de múltiples propósitos, esto significa elementos de usos generales y el sistema de control diseñado para una determinada aplicación es fácilmente adaptable para el sistema de control de maquina o de procesos similares. En el mundo real la gran mayoría de las variables físicos que intervienen en un sistema de control son analógicos y por lo tanto se debe convertir la señal analógica en una señal digital para poder ser procesada por un sistema digital utilizando un convertidor analógico digital; y luego la señal digital que sale del sistema de control debe ser convertida en señal analógica mediante un convertidor digital analógico cuya salida efectuara acciones de modificación por medio del actuador. Un convertidor Analógico Digital utiliza como parte de sus circuitos, un circuito convertidor digital analógico, por ello primero se estudia los convertidores digital analógico o DAC. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIC-03

74


DISPOSITIVOS DE ENTRADA

CONVERTIDOR DIGITAL ANALÓGICO

MSB

D ENTRADAS DIGITALES

V SAL SALIDA ANALOGICA

CONVERTIDOR D/A (DAC)

C B

LSB

A

La conversión digital analógica consiste en obtener un voltaje o una corriente en la salida que sea proporcional el valor digital de la entrada, valor digital representado en un codigo digital que puede ser binario directo o BCD. SALIDA ANALÓGICA = K ( ENTRADA DIGITAL) K = Factor de proporcionalidad

FACTOR DE PROPORCIONALIDAD El factor de proporcionalidad es un valor constante para cada DAC, y es el valor por el se debe multiplicar el valor digital de la entrada para obtener el valor analógico de la salida, las unidades de K será voltios si se trata de salida de tensión y será amperios si se trata de salida de corriente.

CIRCUITO BASICO DE UN DAC

DIAGRAMA DEL CIRCUITO BASICO DE UN DAC

1k Rf=1 k

D

MSB

2k

C

+Vs 4k

B 8k A

Amp op +

VSAL -Vs

LSB Entradas Digitales: 0Vo5V


HIC-03

75

ELECTRÓNICA DE POTENCIA Un Convertidor DAC tiene un circuito complejo, pero podemos tener una idea del funcionamiento interno del DAC con el circuito básico en base a un circuito sumador con un amplificador operacional, como el que se presenta.

DISPOSITIVOS DE SALIDA

CONVERTIDOR DIGITAL ANALÓGICO Un convertidor Analógico Digital recibe un voltaje analógico en su entrada analógica y después de cierto tiempo produce una salida digital que representa al valor del voltaje analógico de entrada. Internamente el ADC realiza varios ciclos de aproximación de tal manera que el igualar o llegar a un valor muy próximo a la entrada analógica el proceso se detiene y la salida digital se convalida; este proceso se repite continuamente, dependiendo del tiempo de respuesta, puede repetirse alrededor de 1 segundo.

PRECAUCIONES SOBRE USO DE COMPUERTAS LOGICAS

El cuerpo humano como cualquier otro cuerpo, acumula cargas eléctricas, generalmente en las manos, por el contacto que se tiene con diferentes elementos que pueden tener excesos de electrones. El nivel de tensión o diferencia de Potencial que producen estos excesos de electrones son insignificantes para nuestro cuerpo, sin embargo representa un peligro para los componentes electrónicos, sobre todo para el tipo Mosfet; por ello, debemos descargar periódicamente las cargas electrostáticas de nuestro cuerpo cuando trabajamos con componentes electrónicos, para ello debemos tocar con las manos las partes metálicas o conexiones a tierra de los circuitos que se están maniobrando. Para no alimentar con Energía Eléctrica Incorrecta un CI debemos identificar correctamente los terminales del integrado y verificar en el manual del componente los niveles de tensión que se debe utilizar para polarizar el circuito integrado. El Chip o cápsula del CI tiene una marca o muesca o hendidura visible, que sirve para identificar el terminal 1 y a partir de este terminal, se ubica demás terminales; si colocamos en forma horizontal el CI, con la marca hacia la izquierda, el terminal debajo de la marca es el terminal o pin 1, y siguiendo en sentido contrario a las agujas del reloj en forma consecutiva están los demás terminales, quedando el último terminal sobre la marca o muesca antes indicada. Con la finalidad de preservar los recursos naturales y proteger el medio ambiente debemos hacer un uso racional de la energía eléctrica, apagando los equipos que no se estén utilizando.


HIC-03

76

CIRCUITO OSCILADOR DE RELAJACION CON UJT

+Vcc

470 Ω 1K VC

E

B2 B1

ORDEN DE EJECUCIÓN

1

IDENTIFIQUE LOS TRANSISTOR UJT.

2

PRUEBE ESTADO DE TRANSISTOR UJT.

3

ARMAR CIRCUITO RELAJACION CON UJT.

4

5

PZA

VB1 100 Ω

0,2uF

Nº

VB2

TERMINALES

OSCILADOR


DEL MULTIMETRO DIGITAL, PROTOBOARD, OSCILOSCOPIO. CONDUCTORES VARIOS CALIBRE 22 AWG DE TRANSISTOR UJT.

PINZAS, ALICATE DE CORTE. VERIFIQUE CON UN OSCILOSCOPIO LAS FORMAS DE ONDA DEL OSCILADOR DE RESISTENCIAS Y CONDENSADORES. RELAJACION CON TRANSISTOR UJT. GRAFIQUE LAS FORMAS DE ONDA EN EL CONDENSADOR, LA BASE 1 Y LA BASE 2. CANT


MATERIAL

MONTAJE DE UN CIRCUITO OSCILADOR DE HT RELAJACION POR UJT Tiempo:4 Horas ELECTRICISTA INDUSTRIAL Escala: ------

OBSERVACIONES

REF: HT-04 HOJA: 1 / 1

2004 77

ELECTRONICA DE POTENCIA OPERACIÓN HACER ESQUEMA DE OSCILADOR POR UJT

DESCRIPCIÓN

Para realizar el montaje de un circuito electrónico se debe contar con el esquema del circuito y las características de los componentes a usar. Cuando no se cuenta con el esquema se debe previamente diseñar el circuito cumpliendo con los requerimientos del problema o necesidad a solucionar.


1º PASO:


2º PASO:

Grafique el esquema que cumpla con los requisitos del problema usando un transistor UJT.

3º PASO:

Dibuje el esquema de circuito con UJT, mostrado.

+Vcc

470 Ω 1K VC

E

B2 B1

0,2uF


VB2

VB1 100 Ω

HO-16

1 / 1

78

ELECTRÓNICA DE POTENCIA OPERACIÓN PROBAR UJT DESCRIPCIÓN El transistor de mono unión o UJT, tiene tres terminales y tiene la característica de presentar una resistencia entre sus terminales llamados bases, la cual disminuye bruscamente cuando su terminal llamado emisor alcanza un determinado nivel de tensión. Probaremos el transistor UJT variando la tensión del emisor y comprobando la disminución de la resistencia entre bases. PROCESO DE EJECUCIÓN 1º PASO:

Identifique los terminales del UJT utilizando el Manual ECG.

2º PASO:


R1

1K E

B2

VBB

B1

10V

P 10K

3º PASO:

Conecte un multimetro entre los terminales E de emisor y B1 de la base 1, para medir la tensión VEB1.

4º PASO:

Ubique el potenciómetro en la posición de cero ohmios, de modo que VEB1 sea 0 voltios.

5º PASO:

Varíe el potenciómetro, incrementando lentamente la tensión VEB1, y notará que repentinamente su valor disminuye, anote el valor pico que alcanzo la tensión VEB1, antes de disminuir.

6º PASO:

Repita el paso anterior varias veces hasta tener la certeza del valor pico, que será la tensión VE de disparo del UJT.


HO-17

1 / 1

79

ELECTRÓNICA DE POTENCIA OPERACIÓN PROBAR OSCILADOR POR UJT DESCRIPCIÓN

El UJT es un componente electrónico que disminuye su resistencia entre sus bases, cuando el voltaje de su emisor supera un nivel de tensión determinado. Esta característica se utiliza para realizar circuitos osciladores de relajación, que sirven para disparar a los tiristores. PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Arme el circuito de prueba de UJT, mostrado.

+Vcc

470 Ω 1K VC

E

B2 B1

0,2uF

VB2

VB1 100 Ω

2º PASO:

Verifique conexiones y alimente el circuito con tensión de 12 V.

3º PASO:

Observe con un osciloscopio las señales de oscilación terminales del condensador, en la Base 1 y en la Base 2.

4º PASO:

Grafique las formas de Onda, mida y registre los voltajes pico y el periodo de la onda.


HO-18

1 / 1

en los

80


OSCILADOR DE RELAJACION CON UJT

Los osciladores de relajación son circuitos osciladores que emplean como elemento principal a un transistor UJT o un transistor PUT, debido a sus características de conducción, que al alcanzar un determinado voltaje de entrada, disminuye su resistencia interna, provocando una conducción de una corriente grande. Un oscilador de relajación entrega un pulso de corta duración y magnitud suficiente para poder disparar a un SCR o a un TRIAC. Se muestra un circuito oscilador de relajación con UJT y sus formas de onda en el condensador y la base B1.

CIRCUITO OSCILADOR CON UJT

Vcc 20V R 22K

R2 270 B2 E

ECG6401 B1

Vc

C 0.01uF

R1 100

Vo

FUNCIONAMIENTO En el circuito RC conectado al emisor del UJT, se tiene que la tensión en el condensador Vc, que alimenta al emisor, depende de la tensión de alimentación Vcc, y de los valores de la resistencia y del condensador, y el condensador se cargara hasta alcanzar la tensión de encendido o voltaje de punto de pico, Vp.

Vp = Vd + n Vcc


HIT-04

81

ELECTRÓNICA DE POTENCIA Donde Vd = 0.7 voltios y n es la relación intrínseca del UJT, que es una características que se puede obtener del manual de componentes electrónicos, como el manual ECG. FORMAS DE ONDA DEL OSCILADOR CON UJT

Vc Vp

0

V B1

0 T

PARAMETROS

El periodo de la señal de oscilación T, será:

⎛ 1 ⎞ T = R C Ln ⎜ ⎟ ⎝1− n ⎠

La frecuencia de oscilación f, será: f =

1 T

CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE OSCILADORES VALOR MAXIMO DE LA RESISTENCIA R.- Si R excede el valor Rmax, el UJT no se encenderá. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-04

82

ELECTRÓNICA DE POTENCIA Rmax =

Vcc − Vp Ip

VALOR MINIMO DE LA RESISTENCIA R.- R debe ser mayor que el valor mínimo, para que el UJT se apegue y permita la conmutación de encendido a apagado y viceversa. Rmin =

Vcc − Vv Iv

VALORES TIPICOS.- Los valores típicos de un UJT son: Vcc = 10 voltios Vp = 6.5 voltios Vv = 1.4 voltios

Ip Iv

Vp = Voltaje de pico Vv = Voltaje de valle

= 1 uA = 3.5 mA

Ip = corriente de pico Iv = corriente de valle

APLICACIONES La aplicación principal de transistor UJT, son los circuitos osciladores de relajación para disparo de los tiristores de los circuitos de potencia controlados. CIRCUITO DE DISPARO CON UJT

15K

220V RL

Rz 220V V ac

100K R

VL

470 R2 B2

E

Vz Dz

+

Vc

C

B1

Vo

V SCR

ECO5496

0.1 El circuito de disparo mostrado, tiene al UJT bloqueado entre B1 y B2 hasta que el voltaje de emisor supere la tensión del voltaje de punto de pico ( Vp). ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-04

83

ELECTRÓNICA DE POTENCIA El circuito de disparo mostrado, usa un UJT para activar un SCR, durante el semiciclo positivo, la tensión de alimentación alterna AC es limitada al valor de la tensión zener del diodo zener, para alimentar al transistor UJT, el condensador C inicia su carga a través de la resistencia R, la tensión sube exponencialmente hasta que alcanza la tensión de encendido Vp, que es cuando inicia su conducción el transistor UJT. Al conducir el transistor UJT, el condensador se descarga a través del emisor y base 1 y el primario del transformador de pulsos, la descarga es fuerte y violenta originando un pulso en el primario del transformador de pulsos. Por el acoplamiento magnético, el pulso del primario produce un pulso en el secundario del transformador de pulsos, que es alimentado a la compuerta del SCR, activándolo y empezando a conducir por el resto del semiciclo positivo. En el semiciclo negativo, la tensión de alimentación alterna AC, polariza directamente al diodo zener y conduce presentando un tensión de 0.7 voltios para alimentar al transistor UJT, el condensador C inicia su carga a través de la resistencia R, la tensión sube exponencialmente hasta que alcanza la tensión de 0.7 voltios, no alcanzando la tensión de encendido Vp, quedando sin funcionar el UJT, en el siguiente semiciclo positivo se repite la carga del condensador y el disparo del UJT.

OSCILADOR DE RELAJACION CON PUT El Transistor de uniunión programable o PUT - PROGRAMMABLE UNIJUNCTION TRANSISTOR, tiene un comportamiento similar al UJT, con la característica de variar la relación intrínseca n y entregar pulsos de mayor intensidad de corriente. CIRCUITO OSCILADOR CON PUT

Vcc 12V R 100K

R2 4.7K A

C 0.01uF

G

K

+

RK 100

Vo

R1 22K

-


HIT-04

84

ELECTRÓNICA DE POTENCIA FUNCIONAMIENTO Una vez disparado el PUT, su resistencia AK del PUT es mucho menor que la resistencia emisor-base 1 del UJT, la condición de oscilación es que, los valores instantáneos VA > VG. El transistor uni juntura programable – PUT, funciona en forma similar al transistor UJT, pero su gran versatilidad radica en la posibilidad de programar el valor de la relación intrínseca n, variando las resistencias R1 y R2

Al aplicar la tensión de alimentación Vcc, en el punto Vx, Se tiene que:

Vx =

VCC .R1 R1 + R 2

Y el condensador C se va cargando, cuando se logra Vc = Vd + Vx, el PUT, empieza a conducir y el condensador se descarga a través de los terminales ánodo–catodo y por la resistencia de cátodo obteniéndose el voltaje Vo. PARAMETROS

R1 R1 + R 2

El valor de n esta dada por la relación:

n=

El periodo de oscilación lo define la ecuación:

⎛ 1 ⎞ T = R x C x Ln ⎜ ⎟ ⎝1− n ⎠ 1 T

La frecuencia de oscilación se obtiene como la inversa del periodo:

f =


HIT-04

85

ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICACIONES La aplicación principal de transistor PUT, son los circuitos osciladores de relajación para disparo de los tiristores de los circuitos de potencia controlados; cuando se requiere una variación de la relación intrínseca y con ello el ángulo de disparo, y cuando se desea un pulso de mayor intensidad de corriente.

CIRCUITO DE DISPARO CON PUT

270 +

100K P1

Rz

R2 10K

R:2.7K

220V RL

A G 30V

Vac 220V

ECG 6402

Dz 20V

C

ECG5496

K R1 18K

0.1 Donde, R = P1 + R El circuito mostrado, es una aplicación de del PUT en un circuito de disparo de un SCR, y para garantizar la oscilación del circuito, el valor instantáneo del voltaje de A debe ser mayor que el voltaje de puerta G, de lo contrario el circuito no oscilará, por lo tanto es necesario elegir adecuadamente el valor de R, para que cuando el PUT entre en conducción su corriente pueda alcanzar el valor de la corriente de pico ( Ip ). Ip.R = Vz – Vp Rmax =

Donde: Vp =

R1 − Vp Ip

Rmim =

Vz − Vv 1v

R1 .Vz + 0.7 R1 + R2

Los valores típicos de los PUT son: Valores típicos

Ip ≈ 100 uA


IV ≈ 5.5 mA

Vv ≈ 1 v. HIT-04

86


TRANSISTOR DE UNI UNION - UJT El transistor de monounión o transistor de uniunión o UJT – UNI JUNCTION TRANSISTOR, cuyo símbolo se muestra, esta constituido por una barra de silicio de material tipo N, a cuyos extremos se conecta dos terminales, llamadas bases B1 y B2, y en el medio existe un material tipo P, al que se le conecta un terminal llamado emisor, conformando una juntura PN, como se muestra: SIMBOLO

B2

B2

N E

E

B1

P

B1

El UJT puede ser analizado por un circuito equivalente formado por un diodo, dos resistencias y un potenciómetro, en el cual al alcanzar el emisor una determinada tensión, el potenciómetro varia su resistencia a cero, reduciendo la resistencia total tanto entre B1 y B2 como entre B1 y E.

B2

R B2 X

E

RS

R B1 VX

VeB1 RN

B1 ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIC-04

87

ELECTRÓNICA DE POTENCIA POLARIZACION Cuando se aplica una tensión Vbb entre las bases B1 y B2, positivo en B2, y teniendo el emisor desconectado, la barra de silicio con material tipo N, actúa como una resistencia lineal de valor RBB, por donde fluye la corriente IB. IB =

Vbb RBB

RBB = RB1 + RB2

y

RB1 = RS + RN

En el punto X, se presenta una tensión Vx, que es una fracción de tensión Vbb, con el coeficiente n, de la siguiente forma: Vx = n Vbb Vx =

Vbb.RB1 RB1 + RB 2

ó

Vx =

RB1 Vbb RBB

Aplicando una tensión al emisor respecto B1, se presenta: VeB1 = Vd + Vx = Vd + n Vbb Al voltaje VeB1, que produce la conducción de la corriente de descarga del condensador, se conoce como voltaje de punto de pico - Vp, que es el voltaje que produce el incremento de la corriente, por la disminución de la resistencia RN. La corriente de emisor en el punto Vp se conoce como corriente pico - Ip. CURVA CARACTERISTICA

VE Vp

Punto de pico

Región de Resistencia Negativa

Punto de valle Vv

0


Ip

Iv

IE

HIC-04

88

ELECTRÓNICA DE POTENCIA Cuando la tensión de emisor VeB1 alcanza el valor Vp, el UJT incrementa la corriente, la juntura PN esta polarizada directamente y los huecos son inyectados a la barra N desde el emisor, esto trae como consecuencia que la resistencia RB1 disminuye, causando una disminución de VeB1. Una disminución de VeB1, produce una inyección de mas huecos dentro de la barra y una mayor reducción de RB1 y una condición de resistencia negativa, esto es la reducción de VeB1, acompañado por un incremento de IE, quedando RB1 = Rs, resistencia de saturación.

ESPECIFICACIONES Las especificaciones típicas de un UJT son: n:

Relación Intrínseca MIN = 0.56 MAX = 0.75

RBB: Resistencia total entre bases MIN = 4.7 K MAX = 9.1 K

TRANSISTOR DE UNI UNION PROGRAMABLE - PUT

El transistor de monounión programable o transistor de uniunión programable o PUT – PROGRAMMABLE UNIJUNCTION TRANSISTOR, cuyo símbolo se muestra, esta constituido de cuatro capas PNPN, a cuyos extremos se conecta dos terminales, llamadas ánodo y cátodo, y en el material tipo N, del medio se conecta un terminal llamado puerta o gate. SIMBOLO

A

A G

P N

G

P N

K ELECTRICISTA INDUSTRIAL

K HIC-04

89

ELECTRÓNICA DE POTENCIA El PUT tiene como principal aplicación reemplazar al UJT, cuando se requiere variar la relación intrínseca n y tener pulsos con mayor corriente. Una vez disparado el PUT, la resistencia RBB es mucho menor que la resistencia emisor-base 1 del UJT, y como muchos circuitos de disparo, consisten en descargar un condensador por la compuerta de un SCR a través de un semiconductor auxiliar, el pulso de corriente es mayor empleando PUT que el UJT.

POLARIZACION La relación intrínseca n puede variar entre amplios márgenes, para ello se debe dimensionar adecuadamente R1 y R2, que son resistencias externas y se facilita el diseño de circuitos osciladores. La tensión que alimenta al circuito, polariza a la puerta mediante el divisor de tensión formado por R1 y R2, y la tensión que ingresa al ánodo es la tensión de carga del condensador del circuito RC de disparó del PUT.

CURVA CARACTERISTICA

VA Vp

Punto de pico

Región de Resistencia Negativa

Punto de valle Vv

0

Ip

Iv

IA

La condición de oscilación es que, en valores instantáneos VA > VG. El valor de n, relación intrínseca, esta dada por la relación: n=

R1 R1 + R 2


HIC-04

90

ELECTRÓNICA DE POTENCIA ESPECIFICACIONES Las especificaciones típicas de un PUT son: IT:

Corriente directa de Ánodo, máximo IT = 150 mA

IG:

Corriente de puerto IG = 20 mA

CALCULO DE FRECUENCIA DE OSCILACION

OSCILADOR DE RELAJACION CON UJT

En el circuito mostrado, se calculará la frecuencia de oscilación:

Vcc 20V R 22K

R2 270 B2 E

ECG6401 B1

Vc

C 0.01uF

R1 100

Vo

T

f= 1 T

Una característica de cada UJT es la Relación Intrínseca: n Si para el UJT ECG 6401 se tiene n = 0.6 LA FORMULA PARA HALLAR EL PERIODO ES: T = R C ln


⎛ 1 ⎞ ⎜ ⎟ ⎝1− n ⎠ HIC-04

91


⎛ 1 ⎞ T = 22K x 0.01 uF x ln ⎜ ⎟ ⎝ 1 − 0.6 ⎠ T = 22 x 0.01x ln (1.667) x 103 x 10−6 T = 0.22 x 0.51 mS = 0.1122 mS Por tanto la FRECUENCIA será:

f =

1 KHz 0.1122

F = 8.91 KHz

OSCILADOR DE RELAJACION CON PUT

En el circuito mostrado, se calculará la frecuencia de oscilación:

Vcc 12V R 100K

R2 4.7K A

C 0.01uF

G

T

K

+

RK 100

Vo

R1 22K

f= 1 T

-

Para el PUT, la relación intrínseca depende de las resistencias externas R1 y R2.

n=

R1 22 = = 0.823 R1 + R 2 22 + 4.7


HIC-04

92

ELECTRÓNICA DE POTENCIA LA FORMULA PARA HALLAR EL PERIODO ES: T = R C ln

T = 100K x 0.01 uF x ln

⎛ 1 ⎞ ⎜ ⎟ ⎝1− n ⎠

1 ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ 1 − 0.823 ⎠

T = 100 x 0.01 x ln (5.65) x 103 x 10−6 T = 1 x 1.73 mS = 1.73 mS Por tanto la FRECUENCIA será:

f =

1 KHz = 0.577 KHz 1.73

f = 577 Hz.

PRECAUCIONES CON EL NUCLEO DE TRANSFORMADORES El núcleo se compone de chapas de hierro dulce para que las perdidas por histéresis sean pequeños, pues este material tiene un ciclo de histéresis muy estrecho y se deben aislar las chapas unas de otras, para que sean pequeñas las perdidas por corrientes de Foucoult, al quedar limitadas al interior de cada una de las chapas. Las diferentes chapas se disponen en oposición, o sea, se ponen las chapas de modo que las junturas no coincidan, para que el entre hierro y por lo tanto las perdidas sean las mas reducidas posibles. Para que los tornillos que sujetan los diferentes chapas del núcleo, no produzcan un cortocircuito magnético, se suele aislar de las chapas mediante vainas aislantes. Los transformadores de pulsos, son transformadores pequeños que permiten transferir los pulso presentados en el primario al secundario, para activar una etapa de potencia, y brindando un aislamiento eléctrico entre el primario y el secundario, entre la etapa de control y la etapa de fuerza. PRECAUCIONES EN EL USO DE OSCILADORES DE RELAJACION Los componentes de un circuito electrónico, deben ser usado teniendo las precauciones generales del uso de elementos eléctricos, contactos y empalmes bien aislados, cuidado con las temperaturas de operación de los componentes, si son muy altas se debe colocar disipadores y en casos especiales ventiladores para un enfriamiento forzado. Se suele utilizar transformadores de pulsos para acoplar la señal de disparo del circuito de control al circuito de fuerza, y se debe tener cuidado con el manejo de los circuitos, sabiendo que la etapa de potencia o fuerza, generalmente trabaja con 220 voltios AC. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIC-04

93

CIRCUITO RECTIFICADOR CON SCR

V1 L1 EL EF

V2

L2

T1 T2

V1

L3

T3

EDC

IDC CIRCUITO DE DISPARO DE SCR

Nº

ORDEN DE EJECUCIÓN


1

IDENTIFIQUE LOS TERMINALES DEL SCR.

2

PRUEBE ESTADO DE SCR.

3

CONDUCTORES VARIOS CALIBRE 22 AWG ARMAR CIRCUITO RECTIFICADOR CONTROLADO DE MEDIA ONDA. SCR, DIAC, POTENCIOMENTRO.

4

5

PZA

MULTIMETRO DIGITAL, PROTOBOARD, OSCILOSCOPIO.

VERIFIQUE CON UN OSCILOSCOPIO LAS PINZAS, ALICATE DE CORTE. FORMAS DE ONDA DEL RECTIFICADOR CONTROLADO DE MEDIA ONDA. RESISTENCIAS Y CONDENSADORES. GRAFIQUE LAS FORMAS DE ONDA DEL SECUNDARIO DEL TRANSFORMADOR Y DE LA CARGA DEL RECTIFICADOR. CANT


MONTAJE DE UN CIRCUITO RECTIFICADOR CONTROLADO DE MEDIA ONDA POR SCR ELECTRICISTA INDUSTRIAL

MATERIAL

OBSERVACIONES

HT

REF: HT-05


HOJA: 1 / 1

2004 94

ELECTRÓNICA DE POTENCIA OPERACIÓN HACER ESQUEMA DE RECTIFICADOR POR SCR DESCRIPCIÓN Para realizar el montaje de un circuito electrónico de potencia como es el Rectificador controlado, se debe contar con el esquema del circuito y las características de los componentes a usar. Cuando no se cuenta con el esquema se debe previamente diseñar el circuito cumpliendo con los requerimientos del problema o necesidad a solucionar. PROCESO DE EJECUCIÓN 1º PASO:

Defina las características del SCR y los otros elementos a usar.

2º PASO:

Grafique el esquema que cumpla con los requisitos del rectificador controlado de media onda usando SCR.

3º PASO:

Dibuje el esquema de circuito rectificador controlado de media onda con SCR, mostrado.

V1 L1 EL EF

T1

V2

L2

T2

V1

L3

T3

EDC

IDC 4º PASO:

Dibuje el esquema de circuito de disparo de SCR, mostrado.


HO-19

1 /1

95

ELECTRONICA DE POTENCIA OPERACIÓN

PROBAR SCR

DESCRIPCIÓN

El SCR es un componente de potencia que conduce en un solo sentido; tiene una tensión de encendido entre ánodo y cátodo; si no supera dicha tensión no conduce; si supera, conduce y luego, aun que la tensión disminuya, continua conduciendo. El voltaje de encendido de un SCR se puede disminuir poniendo un voltaje entre Gate y Cátodo, de tal manera que a un menor voltaje entre ánodo y cátodo conduzca, cuando mayor es la tensión Gate-Cátodo, el componente conducirá a una menor tensión entre ánodo y cátodo.


1º PASO:

Arme el circuito de prueba de SCR, mostrado.

Ω

2º PASO:

Verifique las conexiones y alimente el circuito.

3º PASO:

Presione por un momento el pulsador S1 y verifique lámpara se encienda y se mantiene encendida.


HO-20

1/ 2

que la

96


4º PASO:

Presione el pulsador S2 y verifique que la lámpara se apaga.

5º PASO:

Invierta los terminales del SCR y realice la prueba con el mismo circuito.

Ω

6º PASO:


7º PASO:

Presione por un momento el pulsador S1 y verifique lámpara no se enciende, aunque permanezca pulsado S1.

8º PASO:

Confirme el cumplimiento de los pasos anteriores para concluir que el SCR esta en buen estado.

OBSERVACION Dependiendo de la tensión de encendido del SCR, aumentar la fuente de 9 V. a una tensión mayor.


HO-20

2 /2

que la

se debe

97

ELECTRONICA DE POTENCIA OPERACIÓN PROBAR RECTIFICADOR POR SCR DESCRIPCIÓN

Los circuitos Rectificadores Trifásicos Controlados de media onda utilizan como elemento rectificador a los SCR y utilizan corriente alterna trifásica.

El circuito Rectificador utiliza un transformador trifásico para obtener la tensión que permita tener el valor de tensión continua requerido.


1º PASO:

Arme el circuito RECTIFICADOR TRIFASICO CONTROLADO DE MEDIA ONDA, mostrado.

V1 L1 EL EF

T1

V2

T2

L2 V1

L3

T3

EDC

IDC 2º PASO:

Verifique las conexiones y alimente con 220 V. - 60Hz trifásico.

3º PASO:

Sin conectar las compuertas al circuito de disparo, verifique las tensiones en el circuito con el osciloscopio.

4º PASO:

Conecte el osciloscopio y observe en un canal, la tensión de fase del secundario EF y en el otro canal, la tensión en la carga EDC.

5º PASO:

Dibuje la forma de onda y mida el voltaje máximo y mínimo de la señal.


HO-21

1 / 2

98


Mida con voltímetro DC la tensión en la carga EDC, calcule el valor teórico, y compare el valor calculado con el valor medido.

7º PASO:

Arme en el protoboard, el circuito de disparo mostrado.

NOTA: Un circuito para cada SCR, por lo tanto tres circuitos para el rectificador de media onda trifásico. 8º PASO:

conectar a los compuertas del SCR, el circuito de disparo, verifique las tensiones en el circuito, con el osciloscopio, para un determinado punto disparo. NOTA: Conectar el circuito de disparo, el terminal de ánodo al ánodo del SCR, al igual que los correspondientes al Gate y al Cátodo.

9º PASO:


10º PASO:


11º PASO:


12º PASO:

Variando el punto de disparo del circuito de disparo, verifique nuevamente las tensiones del circuito con el osciloscopio, para ello repita los pasos 9, 10 y 11.


HO-21

2 /2

99


CIRCUITOS RECTIFICADORES En electrotecnia o la técnica del uso de la electricidad, se utilizan dos tipos de corrientes eléctricas, la corriente eléctrica alterna con la que funcionan la mayoría de los equipos de fuerza y la corriente eléctrica continua que se utiliza para las etapas de control y equipos electrónicos, y para equipos de fuerza en menor cantidad. El circuito que convierte la corriente alterna monofásica o trifásica en corriente continua es el circuito rectificador. Por lo tanto: RECTIFICAR ES CONVERTIR UNA CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE CONTINUA. TIPOS DE RECTIFICADORES Los Circuitos Rectificadores pueden ser de diferentes tipos de acuerdo a la clasificación que se utiliza, presentamos tres clasificaciones que son: según la corriente alterna que se utiliza, según la conducción en el transformador y según el inicio de la conducción en el componente rectificador. POR EL TIPO DE CORRIENTE ALTERNA En el cuadro se muestra los circuitos rectificadores que pertenecen a cada uno de lo grupos y sus códigos según la Norma DIN 41761. Circuitos Rectificadores

MONOFASICOS

TRIFASICO

Rectificador Monofásico de Media Onda M1

Rectificador Trifásico de Media Onda M3

Rectificador Monofásico de Onda Completa M2 Toma central

Rectificador Trifásico de Onda Completa B6 Tipo Puente

Rectificador Monofásico de Onda Completa B2 Tipo puente Los circuitos rectificadores se pueden agrupar en dos: RECTIFICADORES MONOFÁSICOS.- cuando la corriente continua se obtiene de rectificar la corriente alterna monofásica RECTIFICADORES TRIFÁSICOS.- cuando la corriente continua se obtiene a partir de la corriente alterna trifásica. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-05

100

ELECTRÓNICA DE POTENCIA POR EL TIPO DE CONDUCCIÓN EN EL TRANSFORMADOR Esta clasificación de los circuitos rectificadores, corresponde a la norma DIN 41761, y agrupa los circuitos en dos: RECTIFICADORES UNIDIRECCIONALES.-cuando en los bobinados del transformador conduce en un solo sentido y no invierte cuando se presenta semiciclo negativo, solo bloquea; pertenecen a este grupo los rectificadores M1, M2, y M3 RECTIFICADORES BIDIRECCIONALES.- cuando en los bobinados del transformador conducen en los dos sentidos e invierte cuando se presenta semiciclo negativo, a los que pertenecen los rectificadores B2 y B6. POR EL INICIO DE LA CONDUCCIÓN EN EL COMPONENTE RECTIFICADOR Se clasifican según la conducción sea natural o controlada, se divide en dos grupos: RECTIFICADORES NO CONTROLADOS.- cuyo comportamiento de rectificación depende la conducción natural de los diodos. RECTIFICADORES CONTROLADOS.- cuyo comportamiento de rectificación depende del control de inicio de conducción de los tiristores.

RECTIFICADORES CONTROLADOS Los circuitos rectificadores Controlados, utilizan para rectificar, a los rectificadores controlados de silicio o SCR y su conducción se inicia cuando el SCR se polariza directamente y recibe el pulso de disparo y deja de conducir cuando la tensión se invierte y el SCR queda polarizado inversamente. La conducción del SCR depende de la tensión que ingresa al rectificador y de la tensión de disparo externa que controla el inicio de la conducción de los SCR, por ello, a estos rectificadores se les llaman RECTIFICADORES CONTROLADOS. TIPOS DE RECTIFICADORES CONTROLADOS Los principales circuitos rectificadores trifásicos controlados son: RECTIFICADOR TRIFASICO DE MEDIA ONDA.- es un rectificador que solo conduce parte del semiciclo positivo de cada fase o línea. RECTIFICADOR TRIFASICO DE ONDA COMPLETA MIXTO.- es un rectificador que conduce parte del semiciclo positivo y parte del semiciclo negativo de cada fase o línea y el control del inicio de la conducción controlado por SCR y el retorno por diodos. RECTIFICADOR TRIFASICO DE ONDA COMPLETA TOTALMENTE CONTROLADO.es un rectificador que conduce parte del semiciclo positivo y parte del semiciclo negativo de cada fase o línea y el control del inicio de la conducción controlado todo por SCR. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-05

101


RECTIFICADOR CONTROLADO TRIFÁSICO DE MEDIA ONDA Los rectificadores controlados trifásicos suministran una tensión de salida más alta que los rectificadores controlados monofásicos, y la frecuencia del rizado es mayor y por lo tanto de menor periodo, lo que facilita el filtrado para suavizar la corriente y la tensión de carga, por esta razón, los rectificadores trifásicos controlados son de amplia aplicación en el control de velocidad de motores de alta potencia. Rectificadores controlados utilizan componentes electrónicos de potencia como los diodos, SCR y circuitos de disparo para controlar el inicio de la conducción y con ello, controlar el nivel de tensión y corriente, y la potencia.

EL TRANSFORMADOR EN EL RECTIFICADOR El transformador es un elemento fundamental del rectificador, por dos razones: a.- Aislar eléctricamente la salida de corriente continua de la entrada de la red alterna. b.- Acomodar el valor de la tensión de salida, al valor exigido, gracias a una adecuada relación de transformación, elevando o reduciendo la tensión de entrada. Los rectificadores que no necesitan transformador por no requerir elevar o reducir la tensión de entrada, para cumplir el punto a, utilizan transformador de relación de espiras 1 a 1. CIRCUITO DE RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

V1

T1

L1 EL EF L2

V2 V3

L3

T2 T3

EDC

IDC

FUNCIONAMIENTO Se observa en el gráfico de las formas de onda del rectificador de Media Onda, que en el tramo de π /6 hasta 5π /6, la tensión más positiva corresponde a V1 y por ello el SCR T1 esta polarizado directamente y en condiciones de conducir, requiriendo para iniciar la conducción el pulso de disparo, por lo tanto en este tramo es posible controlar al SCR T1, iniciando la conducción al recibir el pulso de disparo. En el tramo de 5π /6 hasta 9π /6, la tensión más positiva, corresponde a V2 y se puede controlar al SCR T2, iniciando la conducción cuando llega el pulso de disparo al SCR T2. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-05

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA SECUENCIA DE CONDUCCION DE LOS SCR

V1

2

V

V1

V3

2

1

3 2

0 5

9 6

6

ϖτ

6

En el tramo de 9π /6 hasta 13π /6, la tensión más positiva, corresponde a V3 y se puede controlar al SCR T3, iniciando la conducción cuando llega el pulso de disparo al SCR T3. El ciclo de conducción se repite controlando sucesivamente los SCR T1, SCR T2 y SCR T3, sin embargo se debe tener en cuenta que el pulso de disparo solo tiene efecto en el SCR cuando el componente esta polarizado directamente, o sea, en los tramos antes indicados; cuando el SCR esta polarizado inversamente, no conduce, aunque reciba un pulso de disparo. Los puntos de intersección de las ondas V1, V2 y V3 en los semiciclos positivos son los puntos de relevo y polarizan directamente a los SCR, primero a T1, luego a T2 y finalmente a T3, para luego repetir el ciclo de conducción. Vg1 2

ϖτ

2

ϖτ

2

ϖτ

0

Vg2 0

Vg3 0

VL

0 ELECTRICISTA INDUSTRIAL

V1

V2

V3

2

ϖτ HIT-05

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA En el punto 1, el SCR T1 inicia su conducción, siempre y cuando llegue el pulso de disparo adecuado para T1 en ese instante, pero tiene oportunidad de iniciar la conducción en cualquier instante dentro del tramo de π /6 hasta 5π /6 . En el punto 2, el SCR T2 inicia su conducción, siempre y cuando llegue el pulso de disparo adecuado para T2 en ese instante, pero tiene oportunidad de iniciar la conducción en cualquier instante dentro del tramo de 5π /6 hasta 9π /6 . En el punto 3, el SCR T3 inicia su conducción, siempre y cuando llegue el pulso de disparo adecuado para T3 en ese instante, pero tiene oportunidad de iniciar la conducción en cualquier instante dentro del tramo de 9π /6 hasta 13π /6. En el diagrama de formas de onda, se considera α =30º ó α = π /6, por lo tanto el pulso de disparo para el SCR T1 llegará en π /6 + π /6 y el SCR T1 se disparará en 2π /6, como se observa en el diagrama de Vg1. Para el SCR T2, el pulso de disparo deberá llegar en 5π /6 + π /6, por lo que el SCR T2 se disparará en 6π /6 en el diagrama de Vg2. Para el SCR T3, el pulso de disparo deberá llegar en 9π /6 + π /6, por lo que el SCR T3 se disparará en 10π /6 en el diagrama de Vg3. Como resultado de aplicar los pulsos con un retrazo de 30º en cada tramo de conducción se obtiene la forma de onda indicada en VL, que es la tensión en la carga.

TENSIÓN DC EN LA CARGA DE UN RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

VL

0

V1

V2

V3

ϖτ

2

Para calcular la tensión media o DC en la carga, se debe tener en cuenta que justo en 30º de retraso para enviar el pulso de disparo, desde el punto de intersección o relevo de dos tensiones, se produce una continuidad en el nivel cero, entre la onda que termina y la que inicia su conducción por el disparo, como se muestra en el gráfico. Si el ángulo es menor de 30º, el relevo se da un nivel mayor que cero y la onda en la carga es continua, si el ángulo es mayor de 30º, no se da un relevo continuo, existe un tiempo en que no hay tensión ni conducción de corriente en la carga, permaneciendo durante ese tiempo la tensión en cero y la onda en la carga es discontinua. De acuerdo al ángulo en que se da el disparo, el nivel de tensión en la carga variará y se puede calcular utilizando dos tramos, uno cuando la conducción en la carga es continua y otro cuando se presenta una discontinuidad en la conducción en la carga. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA CIRCUITO DE DISPARO Para el circuito de mando o disparo, es necesario que los pulsos de disparo de los SCR estén sincronizados con la tensión de línea. Este sincronismo se efectúa, generalmente, con pequeños transformadores de sincronismo. Como son tres fases (L1, L2 y L3), es necesario un circuito de disparo por cada fase, para ello se puede utilizar cualquiera de los circuitos de disparo estudiados anteriormente. En la actualidad la tecnología nos ofrece soluciones en circuitos integrados, por ello generalmente para realizar circuitos de mando confiables y precisos se utiliza el circuito integrado TCA785. Con el TCA785, se requiere un solo potenciómetro para variar el ángulo de disparo α de las tres fases simultáneamente y el acoplamiento de los pulsos de disparo se efectúa, mediante transformadores de pulso o aisladores ópticos. PARAMETROS Los principales parámetros de un rectificador de media onda, con los valores de un circuito de aplicación, se presentan a continuación: EDC = 1.17 Ef TENSIÓN DC EN LA CARGA IDC = EDC / RL CORRIENTE POR LA CARGA Idiodo = .33 IDC CORRIENTE POR CADA DIODO PIV = 2.45 Ef VOLTAJE PICO INVERSO EF = 0.855 EDC TENSION EFICAZ If = 0.588 IDC CORRIENTE EFICAZ Pot. Trafo. = 1.5 EDC x IDC POTENCIA DEL TRANSFORMADOR. APLICACIONES En la Industria Productiva como las refinerías de metales, alimentación de motores de corriente continua, galvanoplastia, etc. las magnitudes de corriente continua necesarias son altos, donde se requieren corrientes entre 50 a 10,000 Amperios con tensiones entre 5 a 400 voltios, para satisfacer estas necesidades es necesario utilizar rectificadores trifásicos, porque el nivel de la señal pulsante es de un nivel casi constante y muy cerca del nivel de tensión pico. En la industria de las Telecomunicaciones, como las centrales telefónicas públicas y centrales de telefonía celular, televisión cable, etc. se requieren tensiones de 24 a 100 voltios DC y corrientes de 10 a 1,000 amperios, se tienen que utilizar rectificadores trifásicos, en la Telefonía Privada para las centrales y equipos de mayor consumo también se utilizan rectificadores trifásicos y los pequeños usan rectificadores monofásicos. En la industria de la Radiodifusión Comercial, como transmisores de radio y transmisores de televisión, que requieren tensiones de 500 a 10,000 voltios, con corrientes de 5 a 100 amperios, se tienen que utilizar rectificadores trifásicos. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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EL SCR - RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO TIRISTORES Los tiristores son componentes de la electrónica de potencia, que tiene una conducción natural como los diodos, para lo cual se debe superar la tensión de encendido o conducción, pero esta tensión de encendido puede variarse disminuyendo en su valor, si se alimenta con una tensión adecuada a su terminal llamado gate. Generalmente al gate se alimenta con un pulso de disparo, de corta duración, en el instante que se desea que se inicie la conducción, los pulsos de disparo, tienen que poseer ciertas características para que cumplan su función. Los pulsos tienen que poseer cierta amplitud y duración, la amplitud esta en el orden en las decenas de mA y la duración mayor que 10 ms, ambas magnitudes son bastantes pequeñas con relación a la corriente l a controlar y al periodo de la red de 60Hz. Los pulsos de disparo tiene que estar sincronizados con la tensión de suministro y deben de ser posibles de ser desplazables entre 0 y π, este desplazamiento debe ser controlable por medio de una tensión, variando un potenciómetro. Electrónicamente, se pueden idear diferentes circuitos que generen los pulsos disparo, con las características antes mencionadas, más adelante describirán las más comunes. El termino tiristor viene del griego y significa puerta, y se comporta como una puerta que se abre y permite el paso a través de ella y debemos considerarlo como un tipo de interruptor. El Tiristor es un dispositivo semiconductor que utiliza realimentación interna para producir un tipo de conmutación, y la principal aplicación de estos dispositivos es el control de grandes corrientes de carga para motores, calentadores, sistemas de iluminación, etc. TIPOS

Los tiristores son diodos de cuatro capas, algunos de ellos con una compuerta de control y podemos considerar cuatro tipos de tiristores. TIRISTOR DIODO O DIODO DE CUATRO CAPAS.- similar al diodo rectificador común, solo que tiene cuatro capas y su tensión de encendido o inicio de conducción no es 0.7voltios, si no una tensión mayor que es característica del componente. DIAC.- es un componente de cuatro capas, con un comportamiento similar al diodo de cuatro capas, pero bidireccional, y se puede reemplazar por dos diodos de cuatro capas en antiparalelo, o espalda-espalda. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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ELECTRONICA DE POTENCIA SCR.- el SCR o Rectificador Controlado de Silicio, es un componente de similar al diodo de cuatro capas con una determinada tensión de encendido o inicio de conducción y con un terminal de control llamado gate o puerta. TRIAC.- es un componente de cuatro capas, con un comportamiento similar al SCR, pero bidireccional, y se puede reemplazar por dos SCR en antiparalelo, o espaldaespalda. En general a los cuatro se les conoce como tiristores, pero algunos autores diferencian el término, utilizando término Tiristor solo para identificar al SCR y otros autores para identificar al SCR y al Triac.

EL SCR Un SCR es un dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura PNPN con tres uniones PN, tiene tres terminales: ánodo, cátodo y compuerta o gate, los SCR se fabrican por difusión y crecimiento epitaxial. SIMBOLO

A

A

P N G

P N

G K

J1 J2 J3

K

SCR FUNCIONAMIENTO Cuando la tensión del ánodo se hace positiva con respecto al cátodo, las uniones J1 y J3 tiene polarización directa. La unión J2 tiene polarización inversa, y solo fluirá una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo, el SCR esta en condición de bloqueo directo o en estado desactivado. Si la tensión del ánodo-cátodo se incrementa a un valor lo suficientemente grande, la unión J2 polarizada inversamente entra en ruptura y el SCR entra en conducción, a esto se conoce como ruptura por avalancha y la tensión correspondiente se llama tensión de ruptura directa, también conocida como tensión de encendido. Al aplicar un pulso positivo al gate, con respecto al cátodo, se incrementan los pares electrón-hueco y dado que las uniones J1 y J3 ya tiene polarización directa, habrá un ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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ELECTRONICA DE POTENCIA movimiento libre de portadores a través de las tres uniones, que provocara una gran corriente directa del ánodo al cátodo, quedando el dispositivo en conducción. La caída de tensión se deberá a la caída óhmica de las cuatro capas y será pequeña, por lo común 1 voltio, en el estado de conducción, la corriente del ánodo solo esta limitada por la resistencia externa, la corriente del ánodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche IL, a fin de mantener la cantidad requerida del flujo de portadores a través de la unión. La corriente de enganche IL, es la corriente del ánodo mínima requerida para mantener el SCR en estado de conducción inmediatamente después que ha sido activado y se ha retirado el pulso de la compuerta o gate. Una vez que el SCR, esta conduciendo se comporta como un diodo en conducción y ya no hay control sobre el dispositivo; si se reduce la corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento IH, el SCR dejara de conducir y pasará al estado de bloqueo. La corriente de mantenimiento (IH) es del orden de los miliamperios y es menor que la corriente de enganche (IL). Cuando la tensión del ánodo es negativa con respecto al cátodo, la unión J2 tiene polarización directa, pero las uniones J1 y J3 tienen polarización inversa. El SCR estará en estado de bloqueo inverso con una corriente de fuga inversa. CURVA CARACTERISTICA

ID

Zona de bloqueo en sentido directo

Ic UI

UD UE

Zona de bloqueo en sentido inverso

I

VALORES CARACTERISTICOS TIPICOS DEL SCR Según el manual, los parámetros del SCR ECG5418, son: ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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VDRM IT rms IGT min VGT max VGK

= 400 V. = 10 A. = 15 mA. = 1.5 V. ( valor máximo de VGK directo entre compuerta) = 0.8 V.

VALORES TIPICOS DE toff

SCR COMUNES

SCR RAPIDOS ULTRA RAPIDOS

CORRIENTE 400 A 50 A 25 A 300 A 25 A

200 100 50 15 8

TOFF uSeg uSeg uSeg uSeg uSeg

Los SCR rápidos se usan en circuitos de conmutación de alta frecuencia tales como choppers, Cicloconvertidores, inversores, etc., circuitos donde es necesario tener en cuenta el tiempo toff. CONMUTACION NATURAL Y FORZADA Para que el SCR conduzca debe estar directamente polarizado y recibir el pulso de disparo, y para que deje de conducir o se bloquee, requiere que la tensión de polarización sea inversa o que la corriente que circula por el SCR este por debajo de la corriente de mantenimiento, y por un tiempo determinado. Para eliminar la corriente de ánodo, que elimina la conducción del SCR, se tiene dos modos de conmutación para pasar de conducción a No conducción o Bloqueo. a) CONMUTACION NATURAL.- Cuando el circuito es alimentado por corriente alterna, al cambiar periódicamente y pasar por cero el SCR se extingue en forma natural, ello sucede cuando la tensión instantánea de la onda senoidal de corriente alterna es igual a cero, y se presentan en los puntos wt = 0, π y 2 π . Cuando el valor instantáneo es igual a cero, la corriente de ánodo es menor que la intensidad de mantenimiento (Ih). al acero. b) CONMUTACION FORZADA.- Cuando no hay el paso por cero, es necesario usar circuiteria externa para forzar al SCR a que salga de conducción y entre al estado de bloqueo, para ello se debe tener en cuenta los siguientes parámetros: toff:

Es el tiempo desde que la corriente de ánodo es cero hasta el instante en que se puede aplicar nuevamente una tensión directa sin peligro que se reinicie la conducción del SCR; cuando la corriente de ánodo es mayor, toff es mayor.

trr:

Es el tiempo de recuperación inversa, depende de la di/dt que es impuesta por el circuito externo, cuando di/dt aumenta, el tiempo trr disminuye.


HIC-05

109

ELECTRONICA DE POTENCIA tgr: Es el tiempo de recuperación de la puerta. En el tiempo to que inicia el bloqueo, la corriente de ánodo es igual a cero, pero el SCR no se bloquea inmediatamente, es necesario mantener una tensión inversa en el ánodo por un cierto tiempo antes de aplicar nuevamente una tensión directa; una aplicación prematura de tensión directa puede llevar al SCR nuevamente a la conducción. Cuando un SCR trabaja en DC, la conmutación del estado de conducción al estado de bloqueo tiene que ser mediante la conmutación forzada, la anulación de la corriente de ánodo es obligada mediante componentes especialmente dispuestos para el bloqueo, que evita que la corriente de ánodo continúe circulando por el SCR. APLICACIONES La aplicaciones principales de los SCR son: Rectificadores controlados, que permiten variar el inicio de la conducción del SCR y con ello el nivel de tensión de salida del rectificador. Uso en circuitos convertidores como son el Cicloconvertidor, que convierte una señal eléctrica alterna de una frecuencia en otra señal alterna de otra frecuencia. Uso en circuitos convertidores DC a DC como el Chopper o troceador, que convierte la corriente eléctrica DC de un nivel de tensión otra corriente eléctrica de DC de un nivel de tensión diferente. Uso en circuitos inversores, que convierte una corriente eléctrica DC en una corriente eléctrica alterna. El SCR se puede utilizar también en reemplazo de los Triac, usando dos SCR en conexión antiparalelo o espalda espalda.

CALCULO DEL ANGULO DE DISPARO DE UN SCR En un SCR, el ángulo de disparo, es el ángulo de desfasaje que tiene el pulso de disparo respecto a ángulo de la fase eléctrica a la que esta conectado el SCR. En un rectificador controlado, el ángulo de disparo del rectificador permite controlar el nivel de tensión continua VDC, de la salida del rectificador, por lo tanto variando el ángulo de disparo en valores adecuados, variamos la tensión de salida del rectificador. CALCULOS EN EL RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA Cuando el ángulo de de disparo es cero, α =0º ó α = 0, por lo tanto el disparo llega al SCR T1 en: π /6 + 0 = π /6, el SCR conduce en cuanto el se encuentra polarizado ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIC-05

110

ELECTRONICA DE POTENCIA directamente y conduce todo el tramo de π /6 a 5π /6, cuando V1 tiene la tensión más positiva; en forma similar conducen SCR T2 y SCR T3. En el diagrama de formas de onda, se considera el ángulo de disparo, α =30º ó α = π/6, por lo tanto: Para el SCR T1, el pulso de disparo llegará en π /6 + π /6, y el SCR T1 se disparará en 2π /6, como se observa en el diagrama de Vg1. Para el SCR T2, el pulso de disparo llegará en 5π /6 + π /6, y el SCR T2 se disparará en 6π /6, como se observa en el diagrama de Vg2. Para el SCR T3, el pulso de disparo llegará en 9π /6 + π /6, por lo que el SCR T3 se disparará en 10π /6, como se observa en el diagrama de Vg3. ANGULO DE DISPARO Y SECUENCIA DE CONDUCCION DE LOS SCR

Vg1 2

ϖτ

2

ϖτ

2

ϖτ

0

Vg2 0

Vg3 0

VL

0

V1

V2

V3

2

ϖτ

Si el ángulo es menor de 30º, entre 0º y 30º, el relevo se da un nivel mayor que cero y la onda en la carga es continua, si el ángulo es mayor de 30º, no se da un relevo continuo, existe un tiempo en que no hay tensión ni conducción de corriente en la carga, permaneciendo durante ese tiempo la tensión en cero y la onda en la carga es discontinua. De acuerdo al ángulo en que se da el disparo al SCR, el nivel de tensión en la carga variará y se puede calcular el ángulo de disparo, despejando de la formula de la tensión DC, partiendo de un determinado nivel de tensión de salida se puede obtener a que ángulo se debe disparar el circuito. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIC-05

111


TENSION DC DE UN RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA La tensión DC de la salida de un rectificador trifásico controlado de media onda, depende del ángulo de disparo, y el nivel de tensión en la carga variará de acuerdo al ángulo de disparo, y se puede calcular utilizando dos tramos, uno cuando la conducción en la carga es continua y otro tramo cuando se presenta una discontinuidad en la conducción en la carga, en la siguiente forma: PARA 0º ≤ α ≤ 30º CONDUCCIÓN CONTINUA EN LA CARGA FORMULA PARA HALLAR VDC:

VDC =

3V 6 Cosα 2π

SI V ES EL VAC DE ENTRADA AL RECTIFICADOR Para α = 0º

VDC = 1.17 V

Para α = 15º

VDC = 1.13 V

Para α = 30º

VDC = 1.01 V

PARA 30º ≤ α ≤ 150º CONDUCCIÓN DISCONTINUA EN LA CARGA FORMULA PARA HALLAR VDC:

VDC =

Para α = 30º

VDC = 1.01 V

Para α = 45º

VDC = 0.85 V

Para α = 60º

VDC = 0.67 V

Para α = 120º

VDC = 0.09 V

Para α = 150º

VDC = 0.00 V


3V 2 ⎡ ⎛π ⎞⎤ 1 + Cos⎜ + α ⎟⎥ ⎢ 2π ⎣ ⎝6 ⎠⎦

HIC-05

112

ELECTRONICA DE POTENCIA Se observa que con ambas ecuaciones se obtiene el mismo resultado para α = 30º y debemos recordar que V es le voltaje alterno o VAC o Vrms., de entrada al rectificador.

CALCULO DE LA POTENCIA DE UN SCR La potencia que puede consumir un SCR esta determinado por la corriente directa que puede conducir y que es una característica del componente. En el Manual de Componentes Electrónicos como el ECG se puede hallar los valores característicos del SCR en la sección SILICON CONTROLLED RECTIFIERS (SCR) y se puede hallar la corriente directa máxima, y se elige teniendo en cuenta que debe operar al 70%, para tener una tolerancia adecuada, algunos valores típicos son: ITRMS: ITRMS: ITRMS:

1A a 10 A 10 A a 40 A 40 A a 1880 A

El SCR disipa una potencia que cumple con la fórmula P = V. I, y se debe tener en cuenta la tensión entre los terminales de Ánodo y Cátodo multiplicada por la corriente de Ánodo que circula por el componente, y la potencia disipada por la puerta se obtiene de las características del componente, en el manual de componentes electrónicos y que varían entre 0.01 W y 3.0 W.

CONSIDERACIONES DE SEGURIDAD PARA CEBADOS INDESEADOS Para evitar que una variación indeseada de tensión dispare al SCR se debe conectar la puerta del SCR un circuito de disparo que tenga un limitador de corriente como es una resistencia, un diodo o un Diac, de manera que solo un pulso de real sea el que produzca el disparo y la conducción del SCR. En general, el SCR siempre requiere de un pulso de disparo que cumpla la característica de tiempo de duración y corriente mínima, por lo que es poco probable que la inducción espuria pueda dispararlo, sin embargo sobre tensiones o variaciones en la red, si pueden ocasionar un disparo indeseado, para ello están los limitadores antes indicados. Por otro lado, la correcta instalación de la puesta a tierra de los circuitos del sistema, mantiene un nivel de referencia uniforme para todo el sistema, ello evita que por falta de referencia se pueda tener una tensión flotante que pueda generar un disparo indeseado.


HIC-05

113

CIRCUITO RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA

V1

L1

T1

T3

T5

EL V2

EDC

L2

V3

L3

D4

Nº

ORDEN DE EJECUCIÓN

IDC D6 D2


1

IDENTIFIQUE LOS TERMINALES DEL SCR

2

PRUEBE ESTADO DEL SCR.

3

ARMAR CIRCUITO RECTIFICADOR CONDUCTORES VARIOS CALIBRE 22 AWG CONTROLADO DE ONDA COMPLETA. SCR, TRIAC, DIAC, POTENCIOMENTRO. VERIFIQUE CON UN OSCILOSCOPIO LAS FORMAS DE ONDA DEL RECTIFICADOR PINZAS, ALICATE DE CORTE. CONTROLADO DE ONDA COMPLETA. RESISTENCIAS Y CONDENSADORES. GRAFIQUE LAS FORMAS DE ONDA DEL SECUNDARIO DEL TRANSFORMADOR Y DE LA CARGA DEL RECTIFICADOR.

4

5

PZA

CANT

MULTIMETRO DIGITAL, PROTOBOARD, OSCILOSCOPIO.


MONTAJE DE UN CIRCUITO RECTIFICADOR CONTROLADO DE ONDA COMPLETA ELECTRICISTA INDUSTRIAL

MATERIAL

OBSERVACIONES

HT

REF: HT-06


HOJA: 1 / 1

2004 114

ELECTRÓNICA DE POTENCIA OPERACIÓN HACER ESQUEMA DE RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA DESCRIPCIÓN

Para realizar el montaje de un circuito electrónico de potencia como es el Rectificador controlado de onda completa, se debe contar con el esquema del circuito y las características de los componentes a usar. Cuando no se cuenta con el esquema se debe previamente diseñar el circuito cumpliendo con los requerimientos del rectificador.


1º PASO:

Defina las características de los elementos a usar en el circuito rectificador controlado de onda completa.

2º PASO:

Grafique el esquema que cumpla con los requisitos del rectificador controlado de onda completa.

3º PASO:

Dibuje el esquema de circuito rectificador controlado de onda completa mixto con SCR y diodos, mostrado.

V1

L1

T1

T3

T5

EL V2

EDC

L2

V3

L3

D4

4º PASO:

IDC D6 D2

Dibuje el esquema del circuito de disparo para los SCR del rectificador del paso anterior. Nota: se puede utilizar el mismo circuito de disparo del rectificador de media onda.


HO-22

1 /1

115

ELECTRONICA DE POTENCIA OPERACIÓN PROBAR TRIAC

DESCRIPCIÓN

El TRIAC es un componente de potencia que conduce en los dos sentidos, tiene una tensión de encendido y si no supera dicha tensión no conduce, después de superado aunque la tensión disminuya, continúa conduciendo hasta que disminuya a cero. El voltaje de encendido se puede disminuir poniendo un voltaje entre Gate y el terminal A1 de tal manera que a un menor voltaje conduzca, cuando mayor es la tensión Gate-A1, el componente conducirá a una menor tensión.


1º PASO:

Arme el circuito de prueba de TRIAC, mostrado.

Ω

2º PASO:


3º PASO:


4º PASO:



HO-23

1 /2

que la

116


5º PASO:

Invierta los terminales del TRIAC, intercambiando A1 y A2, realice nuevamente la prueba, como el circuito mostrado.

y

Ω

6º PASO:


que la

8º PASO:


9º PASO:

Confirme el cumplimiento de los pasos anteriores para concluir que el TRIAC esta en buen estado.

OBSERVACION Dependiendo de la tensión de encendido del TRIAC, se debe aumentar la fuente de 9 V. a una tensión mayor.


HO-23

2 /2

117


OPERACIÓN PROBAR DIAC DESCRIPCIÓN Para montar un circuito que utilice el Diac, se debe comprobar que el componente se encuentra en buen estado. El Diac es un componente bidireccional, por lo tanto ambos terminales son intercambiables, identificándose solo como terminales A1 y A2. PROCESO DE EJECUCIÓN 1º PASO:

Arme el circuito mostrado y alimente con la fuente de prueba 100 Vdc-3A.

FUENTE DE PRUEBA

100 VDC - 3A 2º PASO:

Mida con el multimetro en la escala de voltaje DC 20 VDC. A.- Con la punta de prueba positiva en A y con la punta de prueba negativa en B. B.- La lectura del Multimetro debe ser aproximadamente 1 V.

3º PASO:

Mida con el multimetro en la escala de voltaje DC 200 VDC. A.- Con la punta de prueba positiva en B y con la punta de prueba negativa en C. B.- La lectura del Multimetro debe ser aproximadamente 50 V.

4º PASO:

Invierta los terminales del DIAC, intercambiando A1 y A2, y realice nuevamente la prueba, repitiendo los pasos 2 y 3.

OBSERVACIONES Aplicar las precauciones para el uso de las corrientes alternas. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HO-24

1 / 1

118


OPERACIÓN PROBAR RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA DESCRIPCIÓN

Los circuitos Rectificadores Trifásicos Controlados de onda completa utilizan como elemento rectificador a los SCR y utilizan corriente alterna trifásica.

El circuito Rectificador utiliza un transformador trifásico para obtener la tensión que permita tener el valor de tensión continua requerido, y el rectificador controlado de onda completa mixto utiliza SCR y diodos.


Arme el circuito RECTIFICADOR TRIFASICO CONTROLADO DE ONDA COMPLETA MIXTO, mostrado.

V1

L1

T1

T3

T5

EL V2

EDC

L2

V3

L3

D4

IDC D6 D2

2º PASO:


3º PASO:

Sin conectar las compuertas al circuito de disparo, verifique las tensiones en el circuito con el osciloscopio.

4º PASO:


5º PASO:

Dibuje la forma de onda y mida el voltaje máximo y mínimo de la señal de salida en EDC.


HO-25

1 /2

119

ELECTRONICA DE POTENCIA 6º PASO:


7º PASO:

Arme en el protoboard, el circuito de disparo mostrado.

NOTA: Un circuito para cada SCR, por lo tanto tres circuitos para el rectificador de onda completa trifásico.

8º PASO:

conectar a los compuertas del SCR, el circuito de disparo, verifique las tensiones en el circuito, con el osciloscopio, para un determinado punto disparo. NOTA: Conectar el circuito de disparo, el terminal de ánodo al ánodo del SCR, al igual que los correspondientes al Gate y al Cátodo.

9º PASO:


10º PASO:


11º PASO:


12º PASO:

Variando el punto de disparo del circuito de disparo, verifique nuevamente las tensiones del circuito con el osciloscopio, para ello repita los pasos 9, 10 y 11.


HO-25

2 / 2

120


RECTIFICADOR CONTROLADO TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA Los rectificadores controlados trifásicos de onda completa pueden utilizar para rectificar solo SCR o una combinación de SCR con diodos. El rectificador controlado trifásico de onda completa, puede ser de dos tipos: 1. Rectificador trifásico controlado mixto. 2. Rectificador trifásico totalmente controlado.

RECTIFICADOR CONTROLADO TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA MIXTO

Este tipo de rectificador, mixto o combinado, esta formado por tres diodos y tres SCR, la conducción se realiza mediante la pareja diodo-SCR; sin embargo el inicio de la conducción esta determinado por la llegada del pulso de disparo al SCR y el diodo conduce de acuerdo a su comportamiento natural de polarización. El circuito de mando o disparo es similar al circuito utilizado en el rectificador trifásico controlado de media onda, el circuito de fuerza o rectificador incluye un juego de tres SCR para conducir cuando su ánodo tenga el mayor nivel de tensión que los otros dos y reciba el disparo de inicio de conducción, y tres diodos para el retorno después de la carga, y conducirá el diodo que tenga en su cátodo el nivel de tensión mas bajo o sea el más negativo.

CIRCUITO DE RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA MIXTO

V1

L1

T1

T3

T5

EL V2

EDC

L2

L3

V3 IDC D4


D6

D2

HIT-06

121


TENSIÓN DC EN LA CARGA DEL RECTIFICADOR TRIFASICO MIXTO Para calcular la tensión media o DC en la carga, se debe tener en cuenta que para el rectificador trifásico tipo puente, se tiene seis componentes ondulatorios en cada ciclo y por ello la onda en la carga generalmente es continua, se tendría que dejar de enviar pulsos de disparo en dos tramos de control para que se produzca una discontinuidad en cero en la carga. A continuación se tiene la formula para hallar el nivel de tensión en la carga para un rectificador mixto. FORMULA PARA HALLAR VDC:

VDC =

3V 6 (1 + cosα ) 2π

SI V = VAC Para α = 30º

VDC = 1.01 V

Para α = 150º

VDC =

0V

En el grafico se muestra la forma de onda para α = 30º, como se observa los disparos llegan en 60º, 180º y 300º, esto es el ángulo de relevo de la tensión más positivo sumada con el ángulo de disparo α = 30º, para este ángulo de disparo la tensión DC será 1.01V, siendo V la tensión eficaz de entrada al rectificador.

TENSION EN LA CARGA DEL RECTIFICADOR MIXTO

ϖτ


HIT-06

122


RECTIFICADOR TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA TOTALMENTE CONTROLADO Esta clase de rectificador se utiliza ampliamente en aplicaciones industriales hasta el nivel de 220 KW, en las que se requiere de una operación de dos cuadrantes.

CIRCUITO DE RECTIFICADOR DE TOTALMENTE CONTROLADO

Isrms

T1 T3 T5

L1 EL

EL EDC

L2 EF L3 IDC

T4 T6 T2 Los SCR se disparan a intervalos de π /3.

Este rectificador en el caso de una carga altamente inductiva, se comportar como un inversor, es decir el voltaje promedio de salida se vuelve negativo, a partir de cierto ángulo de disparo, si la carga es resistiva, el nivel de tensión siempre será positivo. El circuito esta formado por seis SCR y se podría pensar que se requiere seis pulsos de disparo, uno para cada SCR; sin embargo, se necesitan doce pulsos de disparo, seis que llamaremos pulsos negros y 6 que llamaremos pulsos blancos. El motivo por el que requiere doce pulsos es porque, como sabemos, siempre deben conducir dos SCR, pero el relevo no es simultáneo, sino intercalado, de modo que un SCR inicia conduciendo con una pareja SCR X y a la mitad cambia por otra pareja SCR Y, y el SCR que ya esta conduciendo, cuando cambia de pareja SCR, requiere nuevamente otro pulso, a fin de no interrumpir su conducción. Por ejemplo, cuando el SCR T2 es disparado con un pulso negro para conducir corriente por la carga junto con el SCR T1; y como SCR T1 ya esta conduciendo, se asume que solo se debe disparar SCR T2 pero siempre es así. Si no se envía el pulso blanco para disparar, o mejor dicho redisparar el SCR T1; no existe la seguridad de que continúe conduciendo la corriente por la carga, para asegurar esto, se vuelve a disparar el SCR T1, con el pulso blanco. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-06

123

ELECTRÓNICA DE POTENCIA Estos pulsos deben llegar en la siguiente secuencia:

SECUENCIA DE PULSOS DE DISPARO

T1 T2 T3 T4 T5 T6 0

60

120

180

240

300

360

La separación entre los pulsos negros y blancos debe ser de 60º con el objeto de mantener pareja y simétrica la corriente en la carga, los pulsos negros son generados directamente por el circuito de disparo, mientras que los pulsos blancos se obtienen indirectamente, mediante un arreglo lógico; el ángulo α debe hacer variar simultáneamente a todos los pulsos.

TENSIÓN DC EN LA CARGA DEL RECTIFICADOR TOTALMENTE CONTROLADO El ángulo α se empieza a medir a partir de los puntos naturales de conmutación de los SCR y la secuencia de conducción de los SCR es igual a la secuencia de los diodos en el circuito rectificador no controlado trifásico de onda completa y analizaremos la forma de onda obtenida en la carga para un ángulo α igual a 30º. Para obtener esta forma de onda en la carga, el circuito lógico de disparo debe cumplir la siguiente secuencia: SCR T1 se debe disparar con la onda V13, SCR T2 con la onda V23, SCR T3 con V21, SCR T4 con V31, SCR T5 con V32 y el SCR T6 con V12. En el grafico se muestra la forma de onda para α = 30º, como se observa los disparos llegan en 60º, 120º,180º, 240º, 300º y 360º esto es el ángulo de relevo de la tensión más positivo sumada con el ángulo de disparo α = 30º. Debemos notar que al ser totalmente controlado, la conducción se inicia necesariamente con el pulso de disparo y no existe la conducción natural como en el caso de los diodos del rectificador mixto y la variación del nivel de tensión es más fino. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-06

124


TENSION EN LA CARGA DEL RECTIFICADOR TOTALMENTE CONTROLADO

ϖτ

El sincronismo de los pulsos se logra con pequeños transformadores de sincronismo y circuitos lógicos, para enviar los pulsos negros y blancos para disparar a los seis SCR y el acoplamiento de los pulsos se puede realizar con transformador de pulsos o mediante aisladores ópticos.

TENSIÓN DC EN LA CARGA DEL RECTIFICADOR TOTALMENTE CONTROLADO La señal en la carga mantiene su continuidad en el intervalo α < 60º, y a partir de α > 60, la conducción en la carga es discontinua, solo trabajaremos para α < 60º. Con la siguiente formula se calcula la tensión DC en la carga.

EDC =

3V 6

π

Cosα

Recordemos que V = Voltios rms.

APLICACIONES Las aplicaciones de los rectificadores controlados trifásicos son los mismos de los rectificadores trifásicos No controlados, pero donde se requiera tener un nivel de tensión continua variable, controlado por alguna parte del proceso, a fin de variar el funcionamiento de un actuador y participar en el control del proceso. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA Como indicamos antes en la Industria Productiva como las refinerías de metales, alimentación de motores de corriente continua, galvanoplastia, etc. las magnitudes de corriente continua necesarias son altos, donde se requieren corrientes entre 50 a 10,000 Amperios con tensiones entre 5 a 400 voltios. Existen aplicaciones de rectificadores controlados monofásicos para diferentes sistemas de control, en la industria de las Telecomunicaciones y en la industria de la Radiodifusión Comercial y también en Sistemas y Equipos Médicos.

DIMMER El circuito DIMMER, es un circuito, que permite el control de la iluminación de un foco o el control de funcionamiento de una carga en alterna, variando el punto de disparo, y con ello la tensión AC, por tanto sirve para cargas cuyo funcionamiento depende de la tensión AC.

CIRCUITO DIMMER

220VAC

A R1 S

D

T1

2

R2 1

G B

C1

C2

FOCO

El circuito DIMMER mostrado, regula la intensidad de luz incandescentes y también reemplaza al interruptor simple.


de las lámparas

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126

ELECTRÓNICA DE POTENCIA ESPECIFICACIONES Las especificaciones de un Dimmer, depende de la potencia del triac, de ello depende la cantidad de focos que puede controlar, la sensibilidad, depende del potenciómetro, las resistencias y los condensadores.

MATERIALES PARA EL CIRCUITO DIMMER: R1 R2 C1 C2 D T1

: : : : : :

27K – 1/2w 250K Potenciómetro 0.1uF – 250v 50uF -250v Diac 32v Triac 10A

Especificaciones del dimmer diseñado: -

Este circuito soporta 500w (5 focos de 100w ó 10 focos de 50w). Se requiere instalar un disipador cuando el circuito consume más de 150w. El circuito solamente controla lámparas incandescentes. El potenciómetro tiene una perilla, que se debe girar para regular la intensidad de luz de la lámpara.

CONTROL DE ILUMINACION

MIN

MAX

MEDIO

MIN MAX

La perilla giratoria permite variar la resistencia del potenciómetro y con ello se logra que las lámparas incandescentes varíen su iluminación, desde un nivel apagado hasta un nivel de iluminación máxima. El circuito se puede combinar con un circuito digital que cuente los pulsos generados por un monoestable que se dispara por el contacto físico de una persona a un sensor metálico, y la salida del contador controla el ángulo de disparo de los SCR y con ello la iluminación.


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EL TRIAC El TRIAC o TRIODE ALTERNATING CURRENT, es un componente de la electrónica de potencia similar al SCR pero de conducción bidireccional, que apareció basado en el éxito del SCR, que indujo a los investigadores a desarrollar un SCR más apto, para conducción controlada en circuitos de corriente alterna, esto es, una conducción bidireccional. Su disparo es similar al del SCR, pero difiere de este, en que puede conducir en ambas direcciones en respuestas a un pulso positivo o negativo, los términos ánodo y cátodo no son aplicables al TRIAC y los terminales son designados por números. El terminal A1 es el punto de referencia para las mediciones de voltaje y de corriente, y con respecto a este terminal se miden el terminal de compuerta y el terminal A2. En el siguiente grafico se muestra el símbolo y la estructura de un Triac y su comportamiento interno es similar al SCR, pero conduciendo en ambos sentidos.

SIMBOLO

A2

A2

P

N

N P

G

N

G

N A1

A1 FUNCIONAMIENTO El funcionamiento del triac es similar a SCR, con la diferencia que el triac conduce en ambos sentidos, por lo tanto se polariza directamente cuando uno de los terminales es positivo respecto al otro en un valor mayor de un voltio y si recibe el pulso de disparo, se inicia la conducción; cuando la tensión se invierte y la diferencia entre los dos terminales es nuevamente mayor que un voltio, si se recibe el pulso de disparo, inicia la conducción pero ahora en sentido contrario. Inicialmente, cuando se necesitaba la conducción en los dos sentidos, se utilizaba dos SCR en conexión antiparalelo, y luego teniendo en cuenta este concepto, se obtuvo un encapsulado que conduce en los dos sentidos, que es el Triac. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA CURVA CARACTERISTICA

I12

Zona de paso 1

- V12

-V E

Ic V 12 IE

VE

Zona de paso 2

- I 12 CEBADO O DISPARO Para que el Triac inicie la conducción al igual que el SCR, requiere de un pulso de disparo que inicie la conducción, con la diferencia que en el triac el disparo puede ser positivo o negativo, ya que la conducción del triac es en ambos sentidos.

APLICACIONES El triac es utilizado para controles que trabajan con energía eléctrica alterna y por lo tanto requieren una conducción controlada bidireccional. El triac se utiliza en los contactores y relés de estado sólido, que requiere de un circuito de activación para iniciar la conducción y mantener los triac en conducción, y cuando se deja de enviar la señal de activación los triac dejan de conducir, pasando al estado de reposo. Una aplicación del Triac es como reemplazo de los SCR, cuando estos trabajan en configuración antiparalelo, para permitir la conducción bidireccional, en cuanto a costo es más conveniente usar triacs, pero por la disipación de potencia a veces se prefiere usar SCR. En sistemas de control de temperatura, se utilizan los triacs, y dependiendo del ángulo de disparo, la tensión eficaz será mayor ó menor; y con ello se varia la circulación de la corriente y la disipación de calor en los calentadores por resistencia, variando así las temperatura. Un circuito típico de aplicación del triac con disparo de diac es el DIMMER o control de intensidad de luz. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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EL DIAC El DIAC, es un componente de la electrónica de potencia, es un componente de de cuatro capas, con un comportamiento similar al diodo de cuatro capas, pero bidireccional, y se puede reemplazar por dos diodos de cuatro capas en antiparalelo, o espalda –espalda, con este criterio se construyó el diac en la forma final que se muestra:

Los terminales en el Diac no tienen polaridad, y se les numera para tener una referencia, pero es indiferente su identificación. SIMBOLO

A2 A2

P

N

N P N A1

A1

FUNCIONAMIENTO El Diac o diodo de AC es un componente electrónico bidireccional, donde la polaridad de su tensión de alimentación es indiferente; pero, este se mantiene bloqueado y por ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIC-06

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA lo tanto no circula corriente a través del Diac, hasta que no se supere el voltaje de inicio o ruptura VBO. Cuando este voltaje VBO es alcanzado, se incrementa la corriente por el Diac y la caída de tensión entre sus extremos cae aproximadamente a 10 voltios, conduciendo hasta que la corriente sea menor que la corriente de mantenimiento. CURVA CARACTERISTICAS

I12

Zona de paso 1

- V12 VB0

Ic V 12 IE

VB0

Zona de paso 2

- I 12 Tomando como ejemplo el DIAC ECG6408, el fabricante nos proporciona las siguientes características: VBO ( + ) = 32 ± 4 V. VBO ( - ) = 32 ± 4 V. IBO max( + ) = 1mA. IBO max( - ) = 1mA.

CEBADO O DISPARO Para que el Diac inicie la conducción, al igual que el diodo, requiere que se supere un voltaje determinado, en el diac este voltaje es VBO, y tendrá un voltaje de inicio de conducción positivo y un voltaje de inicio de conducción negativo, generalmente ambos son iguales. APLICACIONES La mayor aplicación del DIAC es en circuitos de disparo de SCR y TRIAC, utilizando una resistencia y un condensador que se carga, cuando el voltaje en el condensador ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIC-06

131

ELECTRÓNICA DE POTENCIA alcanza el voltaje VBO del DIAC, este entrara en franca conducción, aplicando un pulso de corriente a la compuerta del SCR y activándolo.

30K

220V

R1

RL

50K P1

Va c

ECG5496

ECG6408 0.1uF

C

Al variar el valor de la resistencia del potenciómetro, varia el tiempo de carga del condensador y con ello el ángulo de disparo del circuito. La condición de disparo, para una alimentación de 60 Hz. es que la constante de tiempo t deberá estar dentro de los siguientes límites: 1 mseg ≤ ( R1 + P1 ). C ≤ 30 msg.

CALCULO DE LA TENSION DC EN RECTIFICADOR ONDA COMPLETA La tensión DC de la salida de un rectificador trifásico controlado de onda completa, depende del ángulo de disparo, y el nivel de tensión en la carga variará de acuerdo al ángulo de disparo, y se puede calcular en la siguiente forma: TENSIÓN DC EN LA CARGA DEL RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA MIXTO FORMULA PARA HALLAR VDC: VDC =

3V 6 (1 + cosα ) 2π

SI V = VAC ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIC-06

132

ELECTRÓNICA DE POTENCIA Para α = 30º

VDC = 2.18 V

Para α = 45º

VDC = 1.99 V

Para α = 60º

VDC = 1.75 V

Para α = 90º

VDC = 1.17 V

Para α = 120º

VDC = 0.58 V

Para α = 150º

VDC =

0.16 V

Para α = 180º

VDC =

0.00 V

Para una necesidad especifica de tensión DC de salida, se puede calcular el ángulo de disparo despejando de la formula de la tensión DC como en el caso de Onda media.

TENSION EN LA CARGA DEL RECTIFICADOR MIXTO

ϖτ

En el gráfico se observa la forma de onda de la salida para un ángulo de disparo de 30° y el valor VDC es 2.18 V ó 2.18 VAC, teniendo en cuenta que en las formulas V es la tensión eficaz. TENSIÓN DC EN LA CARGA DEL RECTIFICADOR TOTALMENTE CONTROLADO La señal en la carga mantiene su continuidad en el intervalo α < 60º, y a partir de α > 60, la conducción en la carga es discontinua, solo trabajaremos para α < 60º. Con la siguiente formula se calcula la tensión DC en la carga, donde V = Voltios rms.

EDC =


3V 6

π

Cosα

HIC-06

133


CALCULO DE POTENCIA DE CARGA EN UN RECTIFICADOR La potencia de una carga resistiva de un rectificador de onda completa, se calcula utilizando las formulas de potencia: P= VxI

P=

V2 R

P = I 2R

Por lo tanto, si se tiene el valor de la resistencia de carga, con la corriente que circula por la carga o la tensión DC, se puede calcular la potencia que se disipara en la carga resistiva del rectificador.

CALCULO DE LA POTENCIA DE UN TRIAC La potencia que puede consumir un Triac esta determinado por la corriente que puede conducir y que es una característica del componente. En el Manual de Componentes Electrónicos como el ECG se puede hallar los valores característicos del Triac en la sección TRIACS y se puede hallar la corriente máxima, y se elige teniendo en cuenta que debe operar al 70%, para tener una tolerancia adecuada, algunos valores típicos son: ITRMS: 1A a 10 A ITRMS: 10 A a 25 A ITRMS: 40 A a 45 A El TRIAC disipa una potencia que cumple con la fórmula P = V. I, y se debe tener en cuenta la tensión entre los terminales del Triac A1 y A2 multiplicada por la corriente que circula por el componente, y la potencia disipada por la puerta se obtiene de las características del componente, en el manual de componentes electrónicos y que varían entre 0.01 W y 1.0 W, según, la potencia del componente.

PRECAUCIONES DE SEGURIDAD DE DISIPADORES DE CALOR DE DISPOSITIVOS DE POTENCIA Cuando un componente debe trabajar a temperaturas mayores a los 30º, se debe poner un disipador el cual debe tener contacto adecuado con el componente mediante silicona disipadora para hacer una transferencia total del calor al disipador. Se debe tener la precaución de no tocar con la mano la silicona disipadora, utilizando para ello una espátula de plástico, la silicona disipadora daña la piel, en algunos casos se debe utilizar aisladores conductores térmicos, que son aislantes eléctricos, pero conductores de la temperatura para poder disipar En el ECG, en la sección ACCESSORIES, se puede hallar los modelos y las características de los disipadores recomendados para cada tipo de componente electrónico. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIC-06

134

CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFASICO NO CONTROLADO DE MEDIA ONDA

Isrms

Idiodo

L1 EL EF

EL

L2 EF EDC

L3 PIV

IDC

FUENTE DE PRUEBA

100 VDC - 3A Nº

1

2 3

4

5

PZA

ORDEN DE EJECUCIÓN


IDENTIFIQUE LOS TERMINALES DE DIODO DE POTENCIA MULTIMETRO DIGITAL, PROTOBOARD, OSCILOSCOPIO. PRUEBE ESTADO DE DIODO DE POTENCIA. CONDUCTORES VARIOS CALIBRE 22 AWG ARMAR CIRCUITO RECTIFICADOR NO CONTROLADO DE MEDIA ONDA. DIODO, POTENCIOMENTRO. VERIFIQUE CON UN OSCILOSCOPIO LAS PINZAS, ALICATE DE CORTE. FORMAS DE ONDA DEL RECTIFICADOR NO CONTROLADO DE MEDIA ONDA. RESISTENCIAS. GRAFIQUE LAS FORMAS DE ONDA DEL SECUNDARIO DEL TRANSFORMADOR Y DE LA CARGA DEL RECTIFICADOR. CANT


MONTAJE DE CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFASICO NO CONTROLADO DE MEDIA ELECTRICISTA INDUSTRIAL

MATERIAL

OBSERVACIONES

HT

REF: HT-07


HOJA: 1 / 1

2004 135


OPERACIÓN HACER ESQUEMA DE RECTIFICADOR TRIFASICO NO CONTROLADO DE MEDIA ONDA

DESCRIPCIÓN

Para realizar el montaje de un circuito electrónico de potencia como es el Rectificador no controlado de media onda, se debe contar con el esquema del circuito y las características de los componentes a usar. Cuando no se cuenta con el esquema se debe previamente diseñar el circuito cumpliendo con los requerimientos del rectificador.


1º PASO:

Defina las características de los elementos a usar en el circuito rectificador no controlado de media onda.

2º PASO:

Grafique el esquema que cumpla con los requisitos del rectificador no controlado de media onda.

3º PASO:

Dibuje el esquema de circuito rectificador no controlado de media onda, mostrado.

Isrms

Idiodo

L1 EL EF

EL

L2 EF EDC

L3 PIV


HO-26

IDC

1 /1

136


OPERACIÓN PROBAR DIODO DE POTENCIA DESCRIPCIÓN Para montar un circuito rectificador se debe tener los componentes del circuito en buen estado y con los terminales identificados. Identificar los terminales de los DIODOS POTENCIA y verificar si están en buen estado, mediante medición con multímetro y haciendo funcionar en un circuito electrónico simple.



FUENTE DE PRUEBA



3º PASO:

Mida con el multimetro en la escala de voltaje DC 200 VDC. A.- Con la punta de prueba positiva en B y con la punta de prueba negativa en C.


HO-27

1/2

137

ELECTRONICA DE POTENCIA B.- La lectura del Multimetro debe ser aproximadamente 50 V. 4º PASO:


DIODO A PROBAR

FUENTE DE PRUEBA



6º PASO:

Mida con el multimetro en la escala de voltaje DC 20 VDC. A.- Con la punta de prueba positiva en B y con la punta de prueba negativa en C. B.- La lectura del Multimetro debe ser aproximadamente 0 V.

7º PASO:

Registre las lecturas y confirme los valores con los indicados. A.- Si los valores son aproximadamente los indicados el Diodo esta en buen estado. B.- Si los valores NO son aproximadamente los indicados el Diodo NO esta en buen estado.

OBSERVACIONES Los voltajes que se usan son 220 V. 60 Hz. Peligrosos para la integridad de las personas si se toma contacto con el cuerpo, se debe trabajar sin tensión y luego de verificado por el instructor, alimentar el circuito y medir, luego desconectar inmediatamente. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HO-27

2 / 2

138


OPERACIÓN PROBAR RECTIFICADOR TRIFASICO NO CONTROLADO DE MEDIA ONDA DESCRIPCIÓN

Los circuitos Rectificadores Trifásicos No Controlados utilizan como elemento rectificador al diodo y utilizan corriente alterna trifásica. Los rectificadores trifásicos pueden ser de media onda y onda completa tipo puente, utilizaremos un transformador para obtener la tensión apropiada para la tensión requerida y la configuración del rectificador trifásico no controlado de media onda.


1º PASO:

Arme el circuito RECTIFICADOR TRIFASICO DE MEDIA ONDA, mostrado.

Isrms

Idiodo

L1 EL EF

EL

L2 EF EDC

L3 PIV

IDC

2º PASO:


3º PASO:


4º PASO:

Dibuje la forma de onda y mida el voltaje máximo y mínimo de la señal de salida del rectificador EDC.

5º PASO:



HO-28

1 / 1

139


RECTIFICADORES NO CONTROLADOS

Los circuitos rectificadores No Controlados, utilizan para rectificar, los diodos rectificadores y su conducción se inicia cuando el diodo se polariza directamente, y deja de conducir cuando el diodo se polariza inversamente, a esta conducción se conoce como conducción natural del diodo. La conducción natural del diodo depende directamente de la tensión que ingresa al rectificado y no existe forma externa de controlar la conducción de los diodos, por ello, a estos rectificadores se les llaman RECTIFICADORES NO CONTROLADOS.

TIPOS Los principales circuitos rectificadores trifásicos no controlados son: RECTIFICADOR TRIFASICO DE MEDIA ONDA.- es un rectificador que solo conduce parte del semiciclo positivo de cada fase o línea, el código que lo identifica según la norma DIN 41761 es rectificador M3. RECTIFICADOR TRIFASICO DE ONDA COMPLETA.- es un rectificador que conduce durante el semiciclo positivo y durante el semiciclo negativo de cada fase o línea, su código es B6.

CARACTERISTICAS

Siempre que los rectificadores monofásicos, no sean suficiente para aplicaciones de alto consumo de potencia, sea por la tensión o por la corriente o por ambos, se utiliza rectificadores trifásicos y las potencias de los componentes que intervienen, son altas para práctica normal de la electrónica, utilizándose por lo tanto componentes de la electrónica de potencia. En la tabla se muestra los valores característicos de los circuitos rectificadores, según la norma DIN 41761, estos valores característicos facilitan el cálculo de las tensiones y corrientes de los cinco principales circuitos rectificadores. Los tres rectificadores monofásicos M1, M2 y M3 y los dos rectificadores trifásicos B2 y B6, de tal forma que conociendo una tensión o corriente se puede calcular los otros valores de tensión y corriente, utilizando el valor característico como relación entre ellos. Las variables que se pueden calcular son el voltaje en vacío a la salida del transformador, el voltaje en la carga, la corriente en el transformador, la corriente en la carga, corriente por el diodo, etc.


HIT-07

140

ELECTRONICA DE POTENCIA VALORES CARACTERISTICOS DE LOS CIRCUITOS RECTIFICADORES Denominación

Símbolo ( DIN 41761)

Udi

Iv

U im

SL I

Ip

Uvo

Id

U di

Udi I d

Id

Rectificador monofásico de media onda

M1

0,45

1,57

3,14

3,49

1

Rectificador monofásico de Onda completa

M2

0,45

0,785

3,14

1,23

0,5

Rectificador Trifásico de media onda

M3

0,675

1,7

2,09

1,23

0,333

Rectificador monofásico tipo puente

B2

0,9

1

1,57

1,23

0,5

B6

1,35

0,82

1,05

1,06

0,333

Rectificador trifásico tipo puente

RECTIFICADOR TRIFÁSICO NO CONTROLADO DE MEDIA ONDA El rectificador trifásico de media onda - M3, funciona en redes trifásicas, cada una de las tres ramas rectificadoras contribuye con un tercio a la corriente; el montaje puede ser polianódico, los tres ánodos unidos, o policatódico, los tres cátodos unidos, la única diferencia entre ambas configuraciones es la tensión de salida, dan una polaridad contraria entre ellas. CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFASICO DE MEDIA ONDA

L1 EL EF

Isrms

D1

Idiodo

EL D2

L2 EF L3

D3

EDC

PIV


HIT-07

141

ELECTRONICA DE POTENCIA Como existe un solo camino, los diodos de cada fase están conectados al mismo punto, y como la carga esta conectada al neutro de transformador, va a conducir el diodo conectado a la fase que instantáneamente, posee el mayor potencial o nivel de tensión. La conducción del diodo D1, que esta conectado a la fase V1 ocurre en ω t = π /6, el momento exacto cuando V1 se hace mas positiva que V2 y V3, en ese momento, (π /6), se produce el bloqueo del diodo D3 y se inicia la conducción del diodo D1. V1

V 2

V1

V3

2

0

D3

D1

D2

ϖτ

D3

Durante la conducción del diodo D1, los diodos D2 y D3 están polarizados inversamente, pues sus respectivas fases tienen una tensión menor que la fase V1. Cuando ω t = 5 π /6, la tensión V2 iguala a la tensión V1, el diodo D1 pasa al estado de bloqueo, mientras que D2 pasa al estado de conducción, el diodo D2 conduce desde ω t = 5 π /6 hasta la ω t = 3 π /2 Cuando ω t = 3 π /2, la tensión V3 iguala a la tensión V2; y el diodo D2 ingresa al estado de bloqueo y el diodo D3 inicia la conducción, el diodo D3 conduce desde ω t = 3 π /2 hasta ω t = 13 π /6. Y luego se repite el ciclo de conducción. La tensión en la carga es solo positiva y de un nivel relativamente cercano a la tensión pico, como se muestra en el grafico.

V

2

0


V1

V1

V3

2

ϖτ

HIT-07

142

ELECTRONICA DE POTENCIA La tensión EDC, es la tensión continua en la carga y se puede calcular con la formula:

EDC =

3V 6 2π

La corriente por cada diodo es tercera parte de la corriente total IDC, así para el D1 I D1 =

IDC 3

La corriente en el secundario del transformador se calcula con la formula: Is RMS = 0.59 x I DC El Voltaje Pico Inverso o VIP, es un parámetro importante en el diseño de los rectificadores, si esta mal calculado el diodo se deteriora y quema, PIV = V

6

FORMA DE ONDA DEL VOLTAJE INVERSO EN EL DIODO

ϖτ

El voltaje pico inverso es un parámetro característico de los diodos, y en el grafico se observa que es pronunciado, por lo tanto, si el diodo no tiene este valor grande o adecuado a la tensión que se trabaja, se puede quemar. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-07

143


CALCULO DE TENSION DC EN RECTIFICADORES NO CONTROLADOS DE MEDIA ONDA El rectificador trifásico de media onda - M3, funciona en una configuración de estrella del transformador y tiene el siguiente circuito:

CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFASICO DE MEDIA ONDA

Isrms

L1 EL EF

D1

Idiodo

EL D2

L2 EF

D3

L3

EDC

PIV

La tensión en la carga es solo positiva y de un nivel relativamente cercano a la tensión pico, como se muestra en el grafico.

V

2

V1

V1

V3

2

0

ϖτ

La tensión EDC, es la tensión continua en la carga y se puede calcular con la formula:

EDC =


3V 6 2π

HIC-07

144


La corriente por cada diodo es tercera parte de la corriente total IDC, así para el D1

I D1 =

IDC 3

La corriente en el secundario del transformador se calcula con la formula:

Is RMS = 0.59 x I DC

El Voltaje Pico Inverso o VIP, es un parámetro importante en el diseño de los rectificadores, si esta mal calculado el diodo se deteriora y quema,

PIV = V

6

En todas las formulas donde figura V, representa el voltaje AC o voltaje eficaz de la señal.

FORMA DE ONDA DEL VOLTAJE INVERSO EN EL DIODO

ϖτ


HIC-07

145


POLARIZACION DE DIODOS Para garantizar la seguridad de servicio de los circuitos rectificadores al diseñar se debe tener en cuenta dos condiciones muy importantes:

1.- Los diodos para poder conducir, deben estar polarizados directamente, esto significa que el ánodo debe ser positivo respecto al cátodo, en un voltaje por lo menos algo mayor que 0.7 voltios. 2.- VPI o Voltaje Pico Inverso, es la máxima tensión inversa periódica, que recibirá el diodo cuando se polariza inversamente, están indicadas en las hojas de características para cada diodo rectificador, debe ser mayor que la máxima tensión inversa ideal prevista. 3.- Id o Corriente Directa, es su máxima intensidad de corriente directa en la rama Id que circulará por el diodo. 4.- Los diodos rectificadores se deben se elegir, de modo que su funcionamiento correcto este asegurado para sobretensiones de la red del 10% como mínimo.

ACOPLO DE CONDUCTOR A TIERRA Los circuitos de control y los circuitos de fuerza, en lo posible deben estar aislados eléctricamente, para ello se utiliza transformadores de pulso u optoacopladores; de tal forma que la señal de disparo sea transferida mediante un circuito magnético como en el caso del transformador, por detección luz ú óptica, como en el caso del optoacoplador. Si embargo, existe un punto en común entre los diferentes circuitos de su sistema; es el conductor de puesta a tierra, que esta conectado a todos los componentes del sistema que funciona con la energía eléctrica, y que sirve para proteger los circuitos de sobre cargas y sobre tensiones, brindar un nivel de potencial de referencia. El circuito oscilador de relajación con UJT, como cualquier circuito de disparo tiene conectado a tierra su terminal de fuente negativo, y el punto de tierra se conecta también con el circuito de fuerza. Para evitar percances de diverso tipo, se debe asegurar que la puesta a tierra, este efectivamente a potencial de tierra, y tenga una baja resistencia, alrededor de 10 ohmios, los empalmes y conexiones correctamente realizadas, para tener una continuidad con conexiones firmes que no representen puntos de resistencia.


HIC-07

146

CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFASICO NO CONTROLADO DE ONDA COMPLETA

D1

D3

D5

L1 EL

EL

EDC

L2 EF

L3

IDC D4

Nº

1

2 3

4

5

PZA

ORDEN DE EJECUCIÓN

D6

D2


IDENTIFIQUE TERMINALES DE DIODO DE POTENCIA MULTIMETRO DIGITAL, PROTOBOARD, OSCILOSCOPIO. PRUEBE ESTADO DE DIODO DE POTENCIA. CONDUCTORES VARIOS CALIBRE 22 AWG ARMAR CIRCUITO RECTIFICADOR NO CONTROLADO DE ONDA COMPLETA. DIODOS. VERIFIQUE CON UN OSCILOSCOPIO LAS PINZAS, ALICATE DE CORTE. FORMAS DE ONDA DEL RECTIFICADOR NO CONTROLADO DE ONDA COMPLETA. RESISTENCIAS. GRAFIQUE LAS FORMAS DE ONDA DEL SECUNDARIO DEL TRANSFORMADOR Y DE LA CARGA DEL RECTIFICADOR. CANT


MONTAJE DE CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFASICO NO CONTROLADO DE ONDA C ELECTRICISTA INDUSTRIAL

MATERIAL

OBSERVACIONES

HT

REF: HT-08


HOJA: 1 / 1

2004 147

ELECTRONICA DE POTENCIA OPERACIÓN HACER ESQUEMA DE RECTIFICADOR TRIFASICO NO CONTROLADO DE ONDA COMPLETA

DESCRIPCIÓN

Para realizar el montaje de un circuito electrónico de potencia como es el Rectificador no controlado de onda completa, se debe contar con el esquema del circuito y las características de los componentes a usar. Cuando no se cuenta con el esquema se debe previamente diseñar el circuito cumpliendo con los requerimientos del rectificador.


1º PASO:

Defina las características de los elementos a usar en el circuito rectificador no controlado de onda completa.

2º PASO:

Grafique el esquema que cumpla con los requisitos del rectificador no controlado de onda completa.

3º PASO:

Dibuje el esquema de circuito rectificador no controlado de onda completa, mostrado.

D1

D3

D5

L1 EL

EL

EDC

L2 EF

L3

IDC D4


D6

HO-29

D2

1 / 1

148


OPERACIÓN PROBAR RECTIFICADOR NO CONTROLADO DE ONDA COMPLETA DESCRIPCIÓN Los circuitos Rectificadores Trifásicos No Controlados de onda completa utilizan como elemento rectificador a los Diodos y utilizan corriente alterna trifásica. El circuito Rectificador utiliza un transformador trifásico para obtener la tensión que permita tener el valor de tensión continua requerido.


1º PASO:

Arme el circuito RECTIFICADOR TRIFASICO NO CONTROLADO DE ONDA COMPLETA, mostrado.

D1

D3

D5

L1 EL

EL

EDC

L2 EF

L3

IDC D4

D6

D2

2º PASO:


3º PASO:

Conecte el osciloscopio y observe en un canal, la tensión de línea del secundario EL y en el otro canal, la tensión en la carga EDC.

4º PASO:

Dibuje la forma de onda y mida el voltaje máximo y mínimo de la señal de salida del rectificador EDC.

5º PASO:



HO-30

1 /1

149


RECTIFICADOR TRIFÁSICO NO CONTROLADO DE ONDA COMPLETA El rectificador trifásico de onda completa tipo puente – B6, funciona en redes trifásicas, genera componentes ondulatorios de seis pulsos en la tensión de salida por cada ciclo de conducción, y además como los diferentes pulsos de tensión están traslapados se obtiene una tensión rectificada cuyo valor oscila muy poco. El secundario del transformador de un rectificador puede estar conectado en triangulo o en estrella.

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON EL SECUNDARIO EN TRIANGULO El rectificador trifásico no controlado de onda completa tipo puente con el secundario del transformador en triangulo, tiene los terminales del secundario del transformador conectados en triángulo. El primario se conectará de acuerdo a la configuración de la red eléctrica que provee el concesionario eléctrico, en nuestro país se utiliza mayoritariamente la red eléctrica trifásica de tres hilos, sin neutro.

CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFASICO NO CONTROLADO DE ONDA COMPLETA EN TRIANGULO

Idiodo Esrms D1 D3D5

L1

EL EF

EL L2

EDC

EF L3

D4 D6 D2

IDC

Los diodos están numerados en orden de secuencia de conducción, cada uno de ellos conduce durante 120°, La secuencia de conmutación de los diodos es en forma natural, controlados por la tensión de alimentación. En cada instante conducen dos diodos, uno por que su ánodo es el que tiene el mayor nivel de tensión en ese instante y el otro por que su cátodo es el que tiene el menor nivel tensión o tensión más negativa en ese instante. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-08

150

ELECTRÓNICA DE POTENCIA En el gráfico se debe tener en cuenta que V32 significa que V3 es positivo y V2 es negativo, V12 significa que V1 es positivo y V2 es negativo, etc. La conducción de los diodos se tiene: De 0 a π /3 (V32) conduce D5 y D6, de π /3 a 2π /3 (V12) conduce D1 y D6. De 2π /3 a 3π /3 ó π (V13) conduce D1 y D2, de 3π /3 a 4π /3 (V23) conduce D3 y D2. De 4π /3 a 5π /3 (V21) conduce D3 y D4, de 5π /3 a 6π /3 ó 2π (V31) conduce D5 y D4. Luego se repite el ciclo.

3

2 3

3 3

4 3

5 3

6 3

La tensión en la carga es solo positiva y de un nivel cercano a la tensión pico, más cerca que el proporcionado por el rectificador de media onda, como se muestra en el grafico.

ϖτ


HIT-08

151


CALCULOS DE TENSIONES Y CORRIENTES La tensión EDC, es la tensión continua en la carga y se puede calcular con la formula:

EDC =

3V 2

π

La corriente por cada par de diodos es la tercera parte de la corriente total IDC, así para el D1 I D1 =

IDC 3


2

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON EL SECUNDARIO EN ESTRELLA

El rectificador trifásico no controlado de onda completa tipo puente con el secundario del transformador en estrella, tiene una tensión de salida DC, mayor que el rectificador con el secundario del transformador en triángulo. Al igual que el rectificador con el secundario en triángulo, en el grafico del rectificador en estrella mostrado, los diodos están numerados en orden de secuencia de conducción, cada uno de ellos conduce durante 120°, La secuencia de conmutación de los diodos es en forma natural, controlados por la tensión de alimentación. En cada instante conducen dos diodos, uno por que su ánodo es el que tiene el mayor nivel de tensión en ese instante y el otro por que su cátodo es el que tiene el menor nivel tensión o tensión más negativa en ese instante. La tensión en la carga es solo positiva y de un nivel cercano a la tensión pico, más cerca que el proporcionado por el rectificador de media onda, debiendo tener en cuenta que el nivel de la tensión pico es mayor en el rectificador con secundario en estrella. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-08

152


CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFASICO NO CONTROLADO DE ONDA COMPLETA EN ESTRELLA D1 D3 D5

L1 EL

EL

EDC

L2 EF L3 IDC D4 D6 D2

En el gráfico se debe tener en cuenta que V12 significa que V1 es positivo y V2 es negativo, y de manera similar para cada combinación.

6

3 6

5 6

7 6

9 6

11 6

13 6

De tal forma que se tiene: De 0 a π /6 (V32) conduce D5 y D6. De π /6 a 3π /6 (V12) conduce D1 y D6. De 3π /6 a 5π /6 (V13) conduce D1 y D2. De 5π /6 a 7π /6 (V23) conduce D3 y D2. De 7π /6 a 9π /6 (V21) conduce D3 y D4. De 9π /6 a 11π /6 (V31) conduce D5 y D4. De 11π /6 a 12π /6 ó 2 π (V32) conduce D5 y D6. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-08

153

ELECTRÓNICA DE POTENCIA Luego se repite el ciclo. La tensión EDC, es la tensión continua en la carga y se puede calcular con la formula:

EDC =

3V 6

π

Donde la tensión alterna Vac = V Tensión Pico del rectificador con secundario del transformador en triangulo Vp = V

2

Tensión Pico del rectificador con secundario del transformador en estrella

6

Vp = V

En el gráfico, se muestra la tensión de salida en la carga, como se puede observar, la tensión de salida es mas uniforma que en el caso del rectificador trifásico de media onda. FORME DE ONDA EN LA CARGA

ϖτ

CARACTERISTICAS DE LOS DIODOS RECTIFICADORES

Para garantizar la seguridad de servicio de los circuitos rectificadores al diseñar se debe tener en cuenta dos condiciones muy importantes: 1.- VPI o Voltaje Pico Inverso, es la máxima tensión inversa periódica, que recibirá el diodo cuando se polariza inversamente, están indicadas en las hojas de ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIT-08

154

ELECTRÓNICA DE POTENCIA características para cada diodo rectificador, debe ser mayor que la máxima tensión inversa ideal prevista. 2.- Id o Corriente Directa, es su máxima intensidad de corriente directa en la rama Id que circulará por el diodo. En la práctica se eligen los diodos rectificadores de modo que su funcionamiento correcto este también asegurado para sobretensiones de la red del 10% como mínimo. Cuando los diodos que se disponen no tienen el voltaje pico inverso requerido, se puede poner dos diodos en serie de manera que cada uno soporte la mitad del VIP total del rectificador. Cuando los diodos que se disponen no pueden soportar la corriente directa requerida, se puede poner dos diodos en paralelo de manera que cada uno conduzca la mitad de la corriente total de la rama del diodo reemplazado.

APLICACIONES En la Industria Productiva como las refinerías de metales, alimentación de motores de corriente continua, galvanoplastia, etc. las magnitudes de corriente continua necesarias son altos, donde se requieren corrientes entre 50 a 10,000 Amperios con tensiones entre 5 a 400 voltios, para satisfacer estas necesidades es necesario utilizar rectificadores trifásicos, porque el nivel de la señal pulsante es de un nivel casi constante y muy cerca del nivel de tensión pico. En la industria de las Telecomunicaciones, como las centrales telefónicas públicas y centrales de telefonía celular, televisión cable, etc. se requieren tensiones de 24 a 100 voltios DC y corrientes de 10 a 1,000 amperios, se tienen que utilizar rectificadores trifásicos. En la Telefonía Privada para las centrales y equipos de mayor consumo también se utilizan rectificadores trifásicos y los pequeños usan rectificadores monofásicos. En la industria de la Radiodifusión Comercial, como transmisores de radio y transmisores de televisión, que requieren tensiones de 500 a 10,000 voltios, con corrientes de 5 a 100 amperios, se tienen que utilizar rectificadores trifásicos. Algunos transmisores tienen rectificadores en los que se utiliza transformadores que se pueden modificar de configuración de triangulo a estrella, mediante los circuitos de control, para tener dos niveles de tensión de alto voltaje, llamados LOW y HIGH. Existen otras aplicaciones, en las que no es muy exigente el uso de rectificadores trifásicos y pueden utilizarse rectificadores monofásicos, pero que si se dispone de suministro de energía trifásica en el local, es recomendable utilizar un rectificador trifásico.


HIT-08

155


CALCULO DE TENSION DC EN RECTIFICADORES NO CONTROLADOS DE ONDA COMPLETA La tensión DC de un rectificador no controlado de depende del tipo de rectificador, en el caso de los rectificadores trifásicos de onda completa se tendrá: con el secundario del transformador en triangulo y con el secundario del transformador en estrella. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON EL SECUNDARIO EN TRIANGULO El rectificador trifásico no controlado de onda completa tipo puente con el secundario del transformador en triangulo, tiene los terminales del secundario del transformador conectados en triángulo. El circuito que se muestra corresponde a un rectificador trifásico de onda completa con el secundario en triangulo. CIRCUITO RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA EN TRIANGULO

Idiodo Esrms D1 D3D5

L1

EL EF

EL L2

EDC

EF L3

D4 D6 D2

IDC

La tensión en la carga es solo positiva y de un nivel cercano a la tensión pico, más cerca que el proporcionado por el rectificador de media onda, como se observa en el grafico.

ϖτ


HIC-08

156

ELECTRÓNICA DE POTENCIA La tensión EDC, es la tensión continua en la carga y se puede calcular con la formula:

EDC =

3V 2

π

La corriente por cada par de diodos es la tercera parte de la corriente total IDC, así para el D1 I D1 =

IDC 3


2

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON EL SECUNDARIO EN ESTRELLA El rectificador trifásico no controlado de onda completa tipo puente con el secundario del transformador en estrella, tiene una tensión de salida DC, mayor que el rectificador con el secundario del transformador en triángulo. CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFASICO NO CONTROLADO DE ONDA COMPLETA EN ESTRELLA

D1 D3 D5

L1 EL

EL

EDC

L2 EF L3 IDC D4 D6 D2 ELECTRICISTA INDUSTRIAL

HIC-08

157

ELECTRÓNICA DE POTENCIA La tensión en la carga es solo positiva y de un nivel cercano a la tensión pico, debiendo tener en cuenta que el nivel de la tensión pico es mayor en el rectificador con secundario en estrella que en el rectificador con secundario en triangulo.

ϖτ

La tensión EDC, es la tensión continua en la carga y se puede calcular con la formula:

EDC =

3V 6

π

Si la tensión alterna Vac = V

TENSION PICO DEL RECTIFICADOR: •

SECUNDARIO DEL TRANSFORMADOR EN TRIANGULO Vp = V 2

•

SECUNDARIO DEL TRANSFORMADOR EN ESTRELLA Vp = V 6

POLARIZACION DE DIODOS EN SERIE

Se utilizan conexiones de diodos en serie, cuando el voltaje pico inverso de un diodo es menor que la tensión inversa que se presente en el rectificador, por esta conexión en serie, la tensión total se divide entre los diodos en serie; si son dos los diodos, la mitad de la tensión pico inverso del rectificador cae en cada diodo. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA Cuando dos tensiones alternas están en serie, esto significa que sus fuentes están en serie, dependiendo del desfase entre ambas tensiones se tendrá una tensión alterna resultante, que puede ser máxima si ambas tensiones están en fase. La tensión resultante aplicada a los diodos, polarizará en forma similar al que produce cualquier señal alterna y por lo tanto aplicara el voltaje pico inverso al diodo y se debe tener cuidado de no sobrepasar los valores característicos del componente.

PRECAUCIONES DE SINCRONISMO DE PULSOS DE DISPARO Para tener sincronismo de los pulsos de disparo de SCR en un rectificador controlado, se debe extraer una señal de sincronismo de la misma alimentación alterna del rectificador, para ello se usa un circuito que reduce la tensión de entrada, luego convierte la señal sinusiodal a una señal cuadrada, la que ingresara al circuito de control para en base a ella variar el ángulo del pulso de disparo. El presente circuito requiere los siguientes elementos: TRANSFORMADOR DE SINCRONISMO.Conformado por un transformador reductor, típicamente de 220 voltios a 6.3 voltios o 7.5 voltios, su finalidad es lograr el sincronismo entre la fase del circuito de disparo y el circuito de fuerza.

0

2π

π

220V

0

π 2π

CONVERTIDOR DE ONDA SENOIDAL A ONDA CUADRADA.- Se logra mediante un amplificador operacional en la configuración de amplificador inversor en lazo abierto, cuya ganancia es muy elevada y nos permite obtener la onda cuadrada sin perder la frecuencia de 60 hertz.

0

V1

π 2π

+ Vcc 741 +

2π

V0 0

π

- Vcc

En el circuito de control se utilizará, luego un circuito integrador, un circuito sumador integrador, un amplificador de potencia, para luego de acuerdo a un potenciómetro iniciar el envío de los pulsos de disparo, sincronizados con la alimentación alterna y el ángulo seleccionado con el potenciómetro. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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CIRCUITO DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR DC L1

ECO5496

L2

L3

ECO5496

T1

ECO5496

T2

U

T3

V

W

TCA785

TCA785

TCA785

Nº

ORDEN DE EJECUCIÓN


1

IDENTIFIQUE LOS TERMINALES DEL SCR, DE MULTIMETRO DIGITAL, PROTOBOARD, TCA 785 Y DE LOS DEMAS COMPONENTES. OSCILOSCOPIO.

2

ARMAR CIRCUITO DE FUERZA DE CONTROL CONDUCTORES VARIOS CALIBRE 22 AWG DE VELOCIDAD DE MOTOR DC. SCR, TCA 785, POTENCIOMENTRO. ARMAR CIRCUITO DE DISPARO DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR DC. PINZAS, ALICATE DE CORTE.

3

4

5

PZA

VERIFIQUE CON UN OSCILOSCOPIO LAS RESISTENCIAS Y DIODO. FORMAS DE ONDA DEL CIRCUITO DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR DC. GRAFIQUE LAS FORMAS DE ONDA. CANT


MONTAJE DE CIRCUITO DE CONTROL DE VELOCIDAD DE UN MOTOR DC. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

MATERIAL

OBSERVACIONES

HT

REF: HT-09


HOJA: 1 / 1

2004 160

ELECTRONICA DE POTENCIA OPERACIÓN HACER ESQUEMA DE CIRCUITO DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR DC

DESCRIPCIÓN

Un circuito de control de velocidad de motor DC, permite variar la tensión que se alimenta al motor y mediante esta variación se controla la velocidad del motor. Para armar el circuito se debe hacer el esquema del circuito teniendo en cuenta los requerimientos y los elementos a utilizar.


Defina las características de los elementos a usar en el circuito de control velocidad de motor.

2º PASO:

Grafique el esquema que cumpla con los requisitos del circuito de control de velocidad de motor DC.

3º PASO:

Dibuje el esquema de circuito rectificador no controlado de onda completa, mostrado, para cada línea de alimentación. L1

ECO5496

T1

U

4º PASO:

Grafique el esquema del circuito de disparo para controlar la velocidad de un motor DC, puede ser un disparo convencional o disparo con circuito integrado.


HO-31

1 / 1

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ELECTRONICA DE POTENCIA OPERACIÓN PROBAR CIRCUITO DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR DC

DESCRIPCIÓN

Un circuito de control de velocidad de motor DC, se puede realizar con un rectificador controlado de media onda y un circuito de disparo adecuado, de tal modo que se controla la tensión de la armadura, y con ello la velocidad del motor. Para alimentar al campo se debe utilizar un rectificador no controlado y alimentar con un voltaje DC fijo.


1º PASO:

Arme el circuito mostrado, para cada una de las líneas de alimentación, conectando L1 a la Red y u al motor.

L1

ECO5496

T1

U

2º PASO:

Repita el paso 1 para L2 y v, y para L3 y w, modo que el circuito de fuerza conecte las tres líneas de alimentación a la red AC y después del rectificador controlado se alimente al motor.


HO-32

1 / 2

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Arme el circuito disparo mostrado, para el disparo de los SCR y poder variar el ángulo de disparo del rectificador controlado y alimentar con un voltaje variable a la armadura del motor DC y con ello variar la velocidad del motor.

Vcc

91

R1 L1 L2 L3

TCA785

V1 Vcc

92

R2

TCA785

V2 Vcc

93

R3 V3

TCA785

4º PASO:

Conecte un rectificador trifásico no controlado para alimentar el campo del motor.

5º PASO:

Verifique conexiones y alimente el circuito con tensión de 220 V y con tensión DC al circuito de mando electrónico.

6º PASO:

Varíe el potenciómetro para variar la velocidad del motor y comprobar el funcionamiento del circuito de control de velocidad de motor de DC.


HO-32

2/2

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CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR DC Un motor eléctrico tiene como función convertir la energía eléctrica en movimiento o energía mecánica. Los Motores eléctricos pueden ser de dos tipos por el tipo de energía eléctrica que utiliza: motor de corriente continua o DC y motor de corriente alterna o AC. En general, los circuitos de control de velocidad, también serán de dos tipos, para motor DC y para motor AC; los métodos de control de la velocidad de motores DC son simples y menos costosos que los empleados para un motor AC.

CONTROL DE VELOCIDAD POR ARMADURA Debido a que los motores DC desarrollan altos torques de arranque y su velocidad es ajustable dentro de amplios limites, estos han predominado sobre los motores de inducción trifásicos, para usos de impulsión muy exigentes. Los motores DC, ya sea el de serie o el de excitación independiente, se utilizan normalmente en propulsores de velocidad variable, aunque, tradicionalmente, los motores serie se han utilizado para las aplicaciones de tracción. En un motor, la interacción de dos campos magnéticos da como resultado la generación de fuerza y la formación del torque; en un motor DC, se tiene un sistema fijo, usualmente el devanado del campo o excitación en el estator, y un sistema en movimiento en el devanado de armadura sobre un eje giratorio o rotor. La armadura o inducido se encuentra alojada en el circuito magnético giratorio por lo que debe ser alimentada a través de contactos (escobillas) que inciden sobre un colector de delgas, las escobillas y el colector son una de las partes débiles del motor, lo que obliga a una atención especial, porque es el origen frecuente de averías, las escobillas se fabrican de aleaciones de grafito y cobre.

CONTROL DE MOTORES PEQUEÑOS En motores pequeños, el campo de excitación frecuentemente es provisto por imanes permanentes, mientras que en motores grandes, se necesita una corriente de armadura y una corriente de excitación con el fin de crear los dos campos magnéticos. El sistema de alimentación de un motor DC puede estar basado en una alimentación con corriente alterna AC, y mediante un rectificador NO CONTROLADO alimentar con corriente DC al campo y mediante un rectificador CONTROLADO alimentar con


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ELECTRONICA DE POTENCIA corriente DC variable a la armadura, y variando la corriente por la armadura se variará la velocidad del motor. La idea central del control de velocidad, control de armadura, requiere la siguiente configuración.

DIAGRAMA DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR DC

C.a

RECTIFICADOR CONTROLADO MONOFÁSICO O TRIFÁSICO

RECTIFICADOR NO CONTROLADO MONOFÁSICO O TRIFÁSICO

ARMADURA

CAMPO

El circuito equivalente e un motor DC de excitación independiente se muestran a continuación. CIRCUITO EQUIVALENTE DE MOTOR DC

Ia

If La

Lf VF

Ra VA Rf + E -

W

Cl

Cm

Donde: Va : La : Ra : E : Ia : Lf : Rf :

tensión de armadura (V) Inductancia de armadura (H) Resistencia del circuito de armadura(Ω) FCEM (tensión de velocidad (V) Corriente de armadura (A) Inductancia del campo (H) Resistencia del campo (Ω)


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ELECTRONICA DE POTENCIA Vf If w Cm CL

: : : : :

Tensión del campo (V) Corriente del campo (A) Velocidad del motor (rad/s) Par desarrollado por el motor (N-m) Par motor de la carga (N-m)

FUNCIONAMIENTO En el instante que aplicamos tensión DC al motor, la fcem es igual a cero, la armadura esta detenida y su corriente es limitada solamente por la resistencia de su circuito que generalmente es muy baja. Conforme el motor va incrementando su velocidad, fcem empieza a aumentar y la corriente a disminuir, debido a que la polaridad de la fcem es opuesta a la de la fuente de alimentación DC, a la tensión de bornes de la armadura se le conoce como fcem. El valor de la tensión que realmente genera la corriente a través del motor es la tensión diferencial igual a la tensión de la fuente DC – fcem. Cuando se aplica una carga mecánica al eje del motor, se origina una disminución proporcional de la velocidad y por lo tanto la fcem disminuye lo que trae como consecuencia que la tensión diferencial aumente y ello se traduce en un aumento de la corriente del motor. Cuando un motor de excitación independiente es excitado mediante una corriente del campo If y en el circuito de armadura fluye una corriente de armadura Ia, el motor desarrolla una fcem. (E) y un par motor (Cm) a una velocidad determinada (w) para equilibrar el par motor de la carga (CL). La corriente del campo If de un motor de excitación separada es independiente de la corriente de armadura Ia, por lo que cualquier modificación en la corriente de armadura no tiene efecto sobre la corriente de campo, la corriente del campo es, por lo general, mucho menor que la corriente de armadura. Basado en el circuito equivalente y después de simplificaciones para condiciones de régimen permanente, para los cálculos de los parámetros del circuito se deben usar las formulas: Vf = Rf x If

Va = Ra x Ia + E

E = Kv x w x If

Va = Ra x Ia + Kv x w x If

ω =

Va − Ra.Ia Va − raIa = Vf Kv.If Kv Rf

Cm = Kt x If x Ia Y la potencia desarrollada Pd = Cm x w ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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ELECTRONICA DE POTENCIA Podemos afirmar; ahora que la velocidad del motor DC puede variarse mediante 1.- El control de la tensión de armadura (Va) y se conoce como control por armadura. 2.- El control de la corriente del campo (if) conocido como control por campo. 3.- La demanda del par motor que corresponde a una corriente de armadura Ia, para una corriente de campo fijo. La velocidad que corresponde a la tensión especificada de la armadura, a la corriente especificada del campo y a la corriente especificada de la armadura se conoce como velocidad base. Para una velocidad menor que la velocidad base, la corriente de campo se mantiene constante y a fin de controlar la velocidad del motor, se varía la tensión de armadura. Para velocidades mayores que la velocidad base, la tensión de armadura se mantiene constante y, a fin de controlar la velocidad del motor, se varía la corriente del campo If. sin embargo, la potencia desarrollada por el motor se mantiene constante. Potencia = Par motor x velocidad

CONTROL DE MOTORES GRANDES Un motor grande generalmente es alimentado por corriente alterna trifásica y así consideramos en este manual. En el gráfico se presenta un circuito para el control de velocidad de un motor DC en lazo abierto. CIRCUITO DE CONTROL DE LAZO ABIERTO

L1

L1

L2

L2

L3

L3

CIRCUITO DE DISPARO

Para potencias menores de 2 Kw, es típico usar rectificadores monofásicos y para potencias mayores se debe emplear rectificadores trifásicos. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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ELECTRONICA DE POTENCIA En el circuito de disparo, mediante una tensión CC a través de un potenciómetro, ajustamos el ángulo de disparo de los SCR para obtener la velocidad deseada, disparando los SCR con el ángulo adecuado, el rectificador controlado proporcionara la tensión promedio necesaria para la armadura. La tensión para el campo o excitación se obtiene a través de un rectificador no controlado, pero si se desea el control de la tensión del campo puede usarse un rectificador controlado. No siempre los requisitos de accionamiento, como la regulación de la velocidad, puede ser alcanzado por un sistema en lazo abierto, en ciertos casos debe usarse el sistema en lazo cerrado. En El sistema de control de velocidad de lazo cerrado, la velocidad del motor es detectada por medio de la extracción de una señal DC proporcional a la velocidad, esta señal proviene de un circuito que detecta la fem de la armadura o es proporcionada por un dinamo tacométrico. Con el circuito de la fem de la armadura se logra capacidades de regulación de ± 2%, y con el dínamo tacométrico, que proporciona una tensión de referencia proporcional a la velocidad de rotación, se obtiene ± 0,1% de regulación. Para mejorar esta capacidad de regulación, en la actualidad, se usa técnicas digitales para sensar la velocidad, y se puede obtener regulaciones de velocidad de ± 0,002% con el sistema PLL. En el sistema PLL, la evolución del motor se convierte en un tren de pulsos digitales, mediante un codificador de velocidad, que se compara con el tren de pulsos de referencia (o frecuencia) generando una tensión de salida en PWM proporcional a la diferencia de fases o frecuencias de ambos trenes de pulsos, que irá al convertidor de potencia, modificando por lo tanto, la velocidad del motor.

APLICACIONES Artefactos y equipos pequeños que trabajan con motor de corriente continua, con control de velocidad por SCR, teniendo la velocidad dependiente del nivel de tensión. Para la propulsión de los materiales en los talleres de laminado, se utilizan los motores de corriente continua con control de velocidad por SCR. Los Vehículos que trabajan con electricidad utilizan motores de corriente continua, por solo disponer de energía DC y por que el control de la velocidad es mas simple en DC, solo depende de nivel de la tensión. Los motores DC se utilizan cuando se requiere altos torques de arranque y la velocidad debe variar dentro de amplios limites, principalmente para usos de impulsión muy exigentes; y los motores DC en serie, tradicionalmente, se han utilizado para las aplicaciones de tracción.


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CONTROL REVERSIBLE DE VELOCIDAD DE MOTOR DC El circuito mostrado, utiliza un convertidor digital análogo, que permite convertir en una tensión, positiva o negativa, los valores digitales que ingresan como datos al DAC, la salida se amplifica y luego se tiene una etapa de potencia con transistores en configuración complementaria.

Vcc +15V

13 5 6 7 8 9 10 11 12

DAC

+15 14 5K Ω 15 2 5K Ω

+15V

5.030K Ω +5V

4 16

+

3

0.1uF

MOTOR SALIDA

- 5V - 15V

VEE El circuito mostrado, controla directamente con un potenciómetro, la tensión positiva o negativa que se alimentara al circuito de potencia que alimenta al motor.

+5V

2K

1K 1K 10K

+15V

+5V

+

MOTOR SALIDA

- 5V 1K

- 15V - 5V ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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ELECTRONICA DE POTENCIA Para motores grandes, la alimentación de la tensión DC se obtiene de un rectificador trifásico, y para poder tener la inversión de giro, se debe invertir la polaridad de alimentación de la armadura. La alimentación del campo, se tiene con un rectificador monofásico no controlado, que mantiene con una tensión fija el campo y por lo tanto con una corriente también fija, para mantener el campo fijo. El Rectificador controlado de la armadura, esta formado en realidad por dos rectificadores trifásicos controlados de onda completa, un rectificador conversor 1, permite alimentar al inducido con la polaridad positiva al terminal superior y negativo al terminal inferior; y el rectificador conversor 2, alimenta al Inducido con polaridad negativo al terminal superior y polaridad positiva al terminal inferior. El circuito de disparo, solo puede excitar a uno de los rectificadores a la vez, teniendo una lógica de enclavamiento que impide, se alimente al conversor 2, estando seleccionado el conversor 1, y si se ha seleccionado el conversor 2, impide excitar al conversor 1. Para poder excitar al otro conversor y por lo tanto invertir el giro, previamente se debe detener el motor y para ello deja de excitar a los SCR, y temporiza un tiempo suficiente como para que se detenga el Motor y luego esta disponible para enviar los disparos al otro conversor. En el circuito que se muestra, se tiene un circuito de control de velocidad reversible o con inversión de giro.

CIRCUITO DE CONTROL REVERSIBLE DE VELOCIDAD PARA UN MOTOR DC

Alimentación c.a. Trifásico

E

M

I n d u c i d o

Conversor 1

Conversor 2 c a m p o


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RELACION POTENCIA-VELOCIDAD DE MOTOR DC Los motores de corriente continua se utilizan en aplicaciones que requieren fundamentalmente la variación de velocidad, manteniendo un par constante a baja o alta velocidad. Como sabemos, la velocidad del motor de corriente continua es proporcional a la tensión del inducido, y la potencia es proporcional a la velocidad y por lo tanto a la tensión del inducido. Como indicamos, el par en el eje del motor es constante en todo el régimen de variación de velocidad, esto es desde baja velocidad hasta alta velocidad. Por lo tanto, la potencia de un motor DC varia directamente con la velocidad, a mayor velocidad mayor potencia y a menor velocidad menor potencia, y la interpretación es fácilmente comprensible, a mayor velocidad mayor consumo de potencia, y la corriente y tensión de campo constantes y pero la tensión del Inducido es mayor y su corriente también mayor, que cuando la velocidad es menor; y la potencia se obtendrá del producto tensión por corriente.

MOTOR DC DE EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

Los motores DC por la excitación pueden ser de cuatro tipos: Motor de excitación independiente Motor de excitación serie Motor de excitación shunt Motor de excitación compound

FUNCIONAMIENTO El motor de excitación independiente, tiene alimentación independiente para el Inducido o Armadura y para el inductor o estator, por lo tanto la corriente de cada uno de ellos es independiente el uno del otro. Es normal en este caso, que la tensión y la corriente del inductor sean constantes y la tensión y por lo tanto la corriente del inducido, sea el que se varíe para variar la velocidad del motor, para ello se puede usar un rectificador controlado en el inducido y con ello variar la tensión. El motor con excitación en serie, tienen los devanados del inducido en serie con el devanado del inductor, por lo tanto la corriente por ambos bobinados son iguales.


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DIAGRAMA DE UN MOTOR DC DE EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

ARMADURA

CAMPO

ALIMENTACION DEL INDUCIDO

ALIMENTACION DEL INDUCTOR

INVERSION DE GIRO Para invertir el sentido de giro del motor, debe invertirse el sentido de la circulación de la corriente que recorre uno de los dos devanados, el inducido o el inductor. No es conveniente actuar sobre el devanado del inductor, debido a su elevado coeficiente de autoinducción, por lo que de forma general, es el devanado del inducido el que se elige para invertir el sentido de giro. Si se invierte la tensión que alimenta al inducido o armadura, se invertirá la circulación de la corriente y por lo tanto el sentido de giro del motor.

EL CONTACTOR DC El contactor es un interruptor de corriente, que permite las operaciones de cierre y apertura de los circuitos, tanto en condiciones normales como en condiciones de sobrecarga. Los contactores pueden ser: Contactor electromagnético Contactor de estado sólido Contactor neumático Contactor electroneumático CONTACTOR ELECTROMAGNETICO Los contactores electromagnéticos tienen elementos móviles que pasan de sus estados de reposo a sus estados activos cuando se alimenta eléctricamente un electroimán, y pueden ser: Contactor de corriente continua DC. Contactor de corriente alterna AC. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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ELECTRONICA DE POTENCIA Los elementos que diferencian en su forma, constitución y operación a los contactores de corriente continua DC y los contactores de corriente alterna AC, son el núcleo y el bobinado y los contactos. Los elementos que constituyen un contactor son: EL ELECTROIMAN formado por un circuito magnético y una bobina, es el órgano activo y es el accionador del contactor. LOS CONTACTOS PRINCIPALES encargados del establecimiento y corte de las corrientes del circuito principal o de fuerza. LOS CONTACTOS AUXILIARES encargados del establecimiento y corte de las corrientes de los circuitos auxiliares, encargados de señalización, enclavamiento y autoalimentación.

OPERACIÓN Cuando el contactor es activado, mediante la alimentación eléctrica temporal de su bobina, esta se energiza y atrae sus elementos móviles, cerrando los contactos normalmente abiertos y abriendo sus contactos normalmente cerrados. Es típico que se realice un circuito de auto alimentación o realimentación, mediante un contacto auxiliar, permitiendo mantener energizado el contactor, aun cuando haya desaparecido la alimentación eléctrica temporal, que activó al contactor. El contactor así, autoalimentado, permanecerá en el estado activo, hasta que por una maniobra exterior se interrumpa la circulación de corriente por la bobina, cuando esto ocurra, se desenergiza la bobina y las partes móviles vuelven a su estado de reposo, desconectándose los contactos normalmente abiertos y cerrándose lo contactos normalmente cerrados. La diferencia entre los contactores de corriente continua y corriente alterna esta en el núcleo del electroimán, siendo compacto y sólido para el contactor DC, formado por acero macizo o hierro macizo y el contactor de corriente alterna AC, utiliza un núcleo placas o chapas laminadas, para evitar las perdidas por corrientes de foucault originados por el flujo alterno. En cuanto a las bobinas, las diferencias son: para el contactor DC, las bobinas deben ser elevada resistencia óhmica, por ello tienen un elevado numero de espiras y el conductor es muy delgado, esto ayuda a limitar la corriente por el bobinado. Para el contactor de corriente alterna AC, la limitación de la corriente depende de Impedancia, el cual esta formado por la resistencia óhmica y la reactancia de la bobina, la reactancia es variable y depende del circuito magnético, si esta abierto o cerrado y la resistencia si es fija; y como la reactancia es más grande que la resistencia óhmica, las bobinas pueden ser de mucho menos espiras y de conductores cobre de mayor calibre, que los contactores DC.


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CATERGORIAS Y APLICACIONES En el cuadro se muestra las categorías de los contactores, la corriente de cierre del circuito basado en la corriente nominal, y las principales aplicaciones del contactor de corriente continua DC. CATEGORIA DC1 DC2 DC3 DC4 DC5

CORRIENTE APLICACIONES CIERRE 1In Cargas no inductivas o débilmente inductivas, Hornos de resistencias. 2.5In Arranque de motores shunt, Corte de motores shunt enlazados 2.5In Arranque de motores shunt, Inversión de giro y giro intermitente. 2.5In Arranque de motores serie, Corte de motores serie enlazados 2.5In Arranque de motores serie, Inversión de giro, giro intermitente.

Las aplicaciones de los contactores DC, son: Para el arranque y maniobras de motores de corriente continua, cuyas aplicaciones como ya se indicaron son aquellas en las que se desea variar la velocidad y se desea un par constante en bajas y altas velocidades. Para cerrar circuitos de que trabajan con corriente continua, como son etapas de potencia de hornos, de equipos de telecomunicaciones, de sistemas de control que trabajan con DC. También se utilizan para circuitos que usan corriente alterna rectificada.

PRECAUCIONES DE DESVIACION DE CORRIENTE

Para detener el motor se utiliza generalmente tres formas de frenado que son: Frenado reostático Frenado con recuperación Frenado por inversión de corriente Las precauciones que se debe tener para la desviación de la corriente de descarga de armadura al salir de servicio el motor DC, son los mismos que el frenado reostático, esto es se debe desconectar el motor de la red y utilizando un balastro para la descarga de la corriente de la Armadura, la corriente debe ser limitada por el valor de la resistencia del balastro. ELECTRICISTA INDUSTRIAL

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PROPIEDAD INTELECTUAL DEL SENATI PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN Y VENTA SIN LA AUTORIZACIÓN CORRESPONDIENTE

CÓDIGO DE MATERIAL 0454

EDICIÓN FEBRERO 2005

89000454 ELECTRONICA DE POTENCIA.pdf

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