Electroni Electronica ca de Potenc Potencia ia
Laboratorio No. 1 - Circuitos de control de disparo PWM sincronizados Alejandro Cañizares & Diego Vizcaino 22-09-2016
Contenido Índice 1. Ob jetivo
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2. Introducción
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2.1. Marco Teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Pre Laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3. Desarrollo
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4. Resultados
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5. Conclusiones
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1. Objeti bjetiv vo Aprender a diseñar circuitos analógicos para la generación de señales de control PWM sincronizados con la red. Simular e implementar un circuito PWN sincronizado con el suministro eléctrico con un ancho de pulso de 0.5 a 1.
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Universidad San Francisco de Quito Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
2. Introducción 2.1.
Marco Teórico
En aplicaciones de electrónica de potencia el uso de circuitos PWM es de gran utilidad. La versatilidad de estos circuitos permite variar la cantidad de potencia suministrada a la carga o información transmitida manteniendo el periodo constante de la señal original. En otras palabras, el duty ratio es la cantidad de señal transmitida en forma de onda cuadrada, por ejemplo, y es la relación entre el ancho del pulso deseado y el periodo constante de la señal. Este se puede expresar de la siguiente manera: δ =
τ
T
[1]
donde δ es el duty ratio, τ es el ancho del pulso y T es el periodo de la se ñal, en nuestro caso 16.6 ms (60 Hz ). 2.2.
Pre Laboratorio
En el presente laboratorio se desea variar el ancho del pulso de 0.5 a 1, haciendo de δ = 1 una señal DC casi perfecta y δ = 0,5 una señal cuadrada con un HIGH VOLTAGE con una duración de 8.33 ms. El circuito de disparo a construir contaba con 3 etapas importantes. Véase a continuación el diagrama de bloques del circuito.
Figura 1: Diagrama de bloques del circuito Bloque 1: alimentación de la red eléctrica a 12 Vrms a 60 Hz utilizando el suministro 120 Vrms 60 Hz. Bloque 2: El diodo D1 rectifica la señal en onda media. La resistencia R1 ayuda a reducir el voltaje y limitar la corriente del sistema. El diodo Zener fija el voltaje a 12V (voltaje zener) y la resistencia R2 sirve como protección reguladora para la corriente que fluye por el diodo Zener. Dicha señal ingresa al primer Smith trigger. 2
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Bloque 3: el Diodo D3 evita que el capacitor C1 se descargue por la fuente Zener. Por su lado el capacitor C1 permite regular el voltaje de polarización de la compuerta 40106B. En el ciclo positivo de la señal el capacitor C1 se carga haciendo que la compuerta U1A reciba un voltaje alto y sacando su inverso. Debido al diodo 4 que esta polarizado en directa la compuerta U2A recibe un 0 y se obtiene un uno a la salida del sistema. En el ciclo negativo el capacitor C1 se descarga y a su vez carga el capacitor C2 lo que genera un voltaje alto a la entrada de la compuerta U2A obtenido un 0 a la salida. Si se desea mantener el ancho del pulso en su valor mínimo (0.5), el potenciómetro en serie con la resistencia R4 deben tener un valor mínimo para facilitar la descarga del mismo. Para este caso se calculó una constante de tiempo baja. En cambio, si se desea obtener un ancho de pulso de 1, el potenciómetro debe aumentar su valor de resistencia para disminuir el tiempo de descarga de capacitor C1.
3. Desarrollo
Figura 2: Circuito La figura 1 muestra el circuito a desarrollar, los valores de los componentes se obtuvieron como sigue: Resistencia R1: Usando el datasheet del diodo zener, se encontró que este fija el voltaje a 12 [V] en su funcionamiento; para que el el diodo D1 se encienda se necesita una diferencia de voltaje entre sus terminales mínima de 0.7[V] (polarización directa); considerando el semi-ciclo positivo de la fuente de alimentación y que la corriente mínima para que el zener funcione es de 10[mA], el cálculo de la resistencia R1 fue el siguiente: R1 =
(12,7 − 12)[V ] = 70[Ω ] 10[mA] 3
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Resistencia R2: Continuando con el semi-ciclo √ positivo de la fuente de alimentación, su valor pico de voltaje es: 12 2 ≈ 17[ V ], en este momento, el diodo zener se encuentra funcionando en su totalidad. La corriente que circula por el circuito en este instante es: I =
(17 − 12)[V ] 70[Ω ]
≈ 71[mA]
Considerando corriente de 10[mA] en el diodo zener, la corriente que debe pasar por la resistencia R2 será IR2 = 71[mA]- 10[mA]= 61[mA]. Con esto, la resistencia R2 se calcula como sigue: R2 =
12[V ] ≈ 200[Ω ] 61[mA]
Capacitor C1: En el semi-ciclo positivo el capacitor C1 se debe cargar completamente para posteriormente descargarse. El tiempo de carga completa de un capacitor se da en aproximadamente 5 constantes de tiempo. Considerando la frecuencia de la fuente de alimentación de 60[Hz], el periodo es igual a 16.67[ms] considerando la carga completa en el semi-ciclo positivo: 5τ = RC 1 C 1 = 5Rτ
C 1 =
5 ∗ 8,33[ms] = 595[µF ] 70[Ω ]
Capacitor y Resistencias (R4,R3) Una vez cargado el capacitor C1, en el semi-ciclo negativo este no se puede descargar hacia las resistencias R1 y R2 debido a que el diodo D2 se encuentra polarizado en inversa. Por ello, este capacitor se descarga hacia las resistencias R4, R3 y el capacitor C2. Considerando la relación ancho de pulso/periodo de 0.5 el capacitor C2 debe cargarse rápidamente para mostrar un 0 en la salida, por el contrario con una relación ancho de pulso/periodo de 1, el capacitor C1 debe descargarse lentamente para evitar que el valor de voltaje baje de manera abrupta. Dando un valor al capacitor de 1[uF] y tomando en consideración una constante de tiempo la resistencia en serie R3,R4 debe sumar un total de: τ
= (R4 + R3)C 2 4
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R4 + R 3 =
τ
C 2
=
8,33[ms] = 8 ,33[kΩ ] 1[µF ]
Por tanto la resistencia máxima R4+R3 debe ser de 8,33[k Ω ]. Entonces, a la resistencia R3 se le da un valor de 3[ kΩ ] dejando el resto del valor al control con el potenciómetro R4. El valor mostrado de 20[ k Ω ] es debido a que es el valor que se consiguió de manera comercial, más no porque este sea el valor máximo usado.
4. Resultados Al armar el circuito, se obtuvieron los siguiente resultados:
Figura 3: Relación ancho de pusto/periodo = 0.5
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Figura 4: Relación ancho de pusto/periodo = 1
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Figura 5: Relación ancho de pusto/periodo ≈ 0.87 Como se ve en las figuras 2,3, y 4. El funcionamiento del circuito concordó con lo esperado. Se puede ver que la frecuencia de funcionamiento para diferentes valores de ancho de pulso sigue siendo de 60[Hz]. Esto demuestra que los valores calculados y esperados son los correctos y que no modifican la frecuencia sino solo el la relación ancho de pulso/periodo
5. Conclusiones Como conclusiones generales del presente laboratorio se tiene que la implementación del circuitos PWM sincronizados con la red son de gran utilidad para controlar la cantidad de potencia suministrada a una carga especifica. En otras palabras, si se desea entregar cierta cantidad de una señal a un periodo T constante, un circuito PWM facilita dicho suministro por medio de ancho de pulsos regulados a conveniencia. Estos circuitos a más de regular la transmisión de la señal, también pueden ser utilizados como circuitos de disparo de algún componente, como un tiristor, para un control más complejo de un sistema de electrónica de potencia. El uso de tecnología MOS como son los componentes 74LSXX, facilitan el diseño los circuitos PWM. Si bien el circuito original estaba diseñado para conectarse directamente a la red eléctrica, se usó una transformador monofasico de 110-12 V para bajar el voltaje. Para este caso se concluye que el diodo Zener puede ser excluido del diseño ya que no es necesario limitar el 7
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voltaje (voltaje Zener 12V en este caso) porque ya se redujo considerablemente el voltaje por medio del transformador. Existen muchas maneras de construir un circuito PWM, como pudimos observar en la presente práctica; distinta configuraciones y tecnologías permiten construir un circuito PWM.
Referencias [1] Hart, Daniel W. (2011) Power Electronics. McGraw-Hill: New York. [2] Rashid, M. Electrónica de Potencia (2004). Pearson Prentice Hall: Mexico
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