CIRCUITOS DE DISPARO Circuitos de disparo sin aislamiento El circuito de disparo es una parte integral de un convertidor de potencia, y consiste en dispositivos semiconductores de potencia. Las salidas de un convertidor que depende de la forma de onda en que el circuito de disparo se excita a los dispositivos de conmutación es una función directa de la conmutación por consiguiente, las características del circuito de disparo son elementos clave para obtener la salida deseada y los requisitos de control de cualquier convertidor de potencia. El diseño de un circuito excitador requiere conocer las características de compuerta y las necesidades de dispositivos como tiristores apagados por compuerta (GTO), transistores bipolares de unión (BJT), transistores de efecto de campo metal-oxido semiconductor (MOSFET) y transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT). EXCITADOR DE COMPUERTA PARA MOSFET Los MOSFET son dispositivos controlados por voltaje y tienen una impedancia de entrada muy alta. La compuerta consume una corriente de fuga muy pequeña, del orden de los nanoamperes. El tiempo de encendido de un MOSFET depende del tiempo de carga de la capacitancia de entrada o de compuerta. El tiempo de encendido se puede reducir conectando un circuito RC como se ve en la figura, para cargar con mayor rapidez la capacitancia de compuerta.
Cuando se conecta un voltaje a la compuerta, la corriente inicial de carga de la capacitancia es IG = V G / R S y el valor de estado permanente de voltaje de compuerta es
VGS = RGVG / (RS + R1 + RG) donde RS es la resistencia interna de la fuente que excita la compuerta. EXCITADOR DE BASE PARA BJT La velocidad de conmutación se puede aumentar reduciendo el tiempo de activación, encendido, y el tiempo de desactivación, apagado. Se puede reducir el tiempo de encendido permitiendo un pico de la corriente de base durante la activación, dando como resultado una B forzada baja al principio. Después de la activación puede aumentar la B forzada baja hasta un valor suficientemente alto como para mantener el transistor en la región de casi saturación. El tiempo de desactivación se puede reducir invirtiendo la corriente de base y permitiendo un pico de la corriente de base durante la activación. Al aumentar el valor del voltaje de pico de la corriente inversa IB2 disminuye el tiempo de almacenamiento. En la siguiente figura se muestra una forma de onda típica de la corriente de base.
Aparte de una forma fija de corriente de base, como se muestra en la figura anterior, la B forzada Bf se puede controlar en forma continua para que coincida con las variaciones de corriente del colector. Las técnicas de uso común para optimizar la activación de la base de un transistor son:
1) 2) 3) 4)
Control Control Control Control
de encendido de apagado proporcional en base por antisaturación
Control de encendido La corrección de la corriente de base se puede proporcionar con el circuito de la figura. Cuando se conecta el voltaje de entrada, la corriente de base se limita con el resistor R1 y el valor inicial de esa corriente es: IB= (VI - VBE)/R1 Y el valor final de la corriente de base es: IBS= (VI - VBE)/R1 + R2
Control de apagado Si el voltaje de entrada de la figura se cambia a –V2 durante el apagado, el VC se suma a V2 como el voltaje inverso a través del transistor. Por lo tanto, habrá un pico de la corriente de base durante el apagado. Control proporcional en base. Si la corriente del colector cambia debido a un cambio en la demanda de carga, la corriente de encendido de la base cambia en proporción a la corriente del colector.
Control de saturación Si el transistor se excita muy rápido, el tiempo de almacenamiento que es proporcional a la corriente de base, aumenta, y se reduce la velocidad de conmutación. Se puede reducir el tiempo de almacenamiento operando el transistor con una saturación gradual, en lugar de muy rápida.
Esto se puede hacer sujetador el voltaje de colector a emisor a un valor predeterminado, la corriente del colector es: IC = (VCC -VCM)/RC Donde VCM es el voltaje sujetador y VCM> VCD(Sat)
2.1
Circuitos de disparo con aislamiento
Necesidad de aislamiento de la Señal Lógica de Control:
Tensiones elevadas (lineas rojas). Necesidad de protección del personal que maneja los equipos de control. Diferentes niveles de tensión dentro del convertidor y por tanto diferentes referencias para las salidas Base-Emisor (Puerta-Fuente) de los drivers. Se necesitan diferentes fuentes de alimentación auxiliares para los diferentes niveles de tensión. Existen diferentes métodos que se estudiarán en los próximos apartados El aislamiento galvánico se consigue empleando optoacopladores transformadores de pulsos. 2.1.1
Acoplados Óptimamente
El fotoacoplador permite conseguir un buen aislamiento eléctrico entre el circuito de control y el de potencia. Este tipo de aislamiento ofrece como inconveniente la posibilidad de disparos espúreos en las conmutaciones del interruptor de potencia, debido a la capacidad parásita entre el LED y el fototransistor. Otro problema se debe a la diferencia de potencial entre las tierras del fotodiodo y del fototransistor que no debe superar la tensión de ruptura. Para minimizar estos dos inconvenientes se pueden usar fibras ópticas, (inmunidad al ruido EMI, aislamiento de alta tensión y evitan el efecto inductancia de los cables largos). No permiten transportar potencia, sólo señal, por lo que será necesario una fuente de alimentación auxiliar y un amplificador.
Circuito de Control de Base, con Aislamiento Optoacoplado de la Señal de Control El diodo DA sirve para evitar la saturación completa del BJT de potencia y así acelerar su conmutación.
Circuito de Control de Puerta, con Aislamiento Optoacoplado de la Señal de Control Este circuito es útil para hacer funcionar interruptores MOS a velocidades bajas (Los circuitos integrados digitales CMOS tienen una impedancia de salida alta). Para velocidades mayores pueden usarse circuitos especializados con impedancia de salida mucho menor, por ejemplo IXLD4425, 3Amp y +/- 15v
2.1.2
Acoplados magnéticamente
Señal de Control de Alta Frecuencia, Aislada con Transformador de Pulso
El transformador de pulsos permite transportar una señal de cierta potencia, y a veces puede evitarse el uso de una fuente de alimentación auxiliar El problema es que no pueden usarse pulsos de baja frecuencia debido a la inductancia de magnetización Para pulsos de frecuencias superiores a la decena de kHz y con D˜0.5 pueden conectarse directamente, conectándose bien a la puerta de transistores de potencia, o en circuitos análogos a los vistos sustituyendo a fotoacopladores
Señal de Control de Baja Frecuencia Aislada con Transformador de Pulso
La frecuencia del oscilador podría ser por ejemplo de 1MHz, y los diodos rectificadores serán de alta frecuencia, pero de señal.
Circuito de Base con Señal de Control Aislada mediante Uso de Transformadores de Pulso. Aplicación para Frecuencias de Trabajo Elevadas y Ciclo de Trabajo Aproximadamente Constante. Evita Fuente de alimentación. Si T1 está conduciendo, ib sería negativa y por tanto, T2 se cortará. La corriente de magnetización por el transformador (por Lm) será transcurrido un tiempo: ip≈VBB/Rp.
Al cortar T1 cuando por Lm circula ip, se hace circular una corriente por la base, y por tanto por el colector, de forma que al interactuar los devanados 2 y 3 será:
ib=icN3/N2.
Además, durante el tiempo que está cortado T1 Cp se descargará por Rp. Si en estas condiciones se vuelve a saturar T1, la tensión aplicada al devanado 1 es VBB y la corriente ip por el transformador podrá ser muy alta, de forma que: ib= icN3/N2- ipN1/N2 Si se eligen adecuadamente las relaciones de transformación, podrá hacerse la corriente de base negativa y se cortará el transistor de potencia.
Señal de Control de Baja Frecuencia Aislada con Transformador de Pulso
La frecuencia del oscilador podría ser por ejemplo de 1MHz, y los diodos rectificadores serán de alta frecuencia, pero de señal.
2.2
Circuitos de disparo con dispositivos digitales 2.2.1 Timer
El temporizador 555. Como se muestra en el diagrama de la figura 1, los bloques básicos de el temporizador 555 son una cadena de 3 resistencia del mismo valor, dos comparadores de voltaje, un flip flop, y un transistor BJT. Las resistencias se colocan en las entradas de los comparadores (este es el pin 6, threshold) en VTH = (2/3) Vcc y VTL = (1/3)Vcc.
Figura 1. Temporizador NE555.
2.2.2
Divisores de Frecuencia y detectores de cruce por cero (comparadores) Microcontroladores Podemos utilizar como referencia a el multiplicador discutido es este tutorial, ya que puede ser usado como un divisor analógico empleando circuitos de retroalimentación como se muestras en las figuras 1(a) y (b).
Figura 1.Técnicas de división análoga. (a) Voltaje positiio en el denominador, (b) voltaje negativo en el denominador.
Notemos que en sólo dos cuadrantes esta operación es posible porque el voltaje e4 debe ser de una polaridad opuesta a e1. Para e1 < 0, el multiplicador debe proveer una polaridad inversa mientras que para e1 > 0 el multiplicador debe generar +e1e0/10 = -e2 para asegurar una operación estable (retroalimentación negativa). La principal limitación de tal retroalimentación en el divisor es el gran período de error como por ejemplo sería que el valor de e2 tienda a cero. Este error limita severamente el rango dinámico de el divisor; especialmente donde el error de el multiplicador alcance su valor máximo, este se produce cuando le señal de entrada es pequeña.
2.2.3
Modulador de Ancho de Pulso (PWM)
Especificaciones • Frecuencia de PWM de 400 Hz • Capacidad de corriente de 3 amperios con un MOSFET IRF521 • Voltaje de 12V • Control por potenciómetro o por voltaje de entrada • Voltaje de control entre 0 y 10 voltios
Un modulador por ancho de pulso (PWM) es un dispositivo que puede usarse como un eficiente dimmer de luz o para controlar la velocidad en motores DC. Los motores DC grandes son controlados más eficientemente con tiristores de alta potencia, mientras los motores DC pequeños y medianos de imán permanente, son controlados más exitosamente con transistores de conmutación por ancho de pulso. El circuito descrito es un dispositivo para controlar motores que manejen unos cuantos amperios o también se puede utilizar para controlar el brillo en lámparas.
Un circuito PWM arroja como resultado una onda cuadrada con ciclo variable de ON y Off, variando en el tiempo del 0 al 100 %. De esta manera, una cantidad variable de potencia es transferida a la carga. La principal ventaja de un circuito de PWM sobre un controlador que se base en la variación lineal de la potencia suministrada a una carga mediante cambio resistivo es la eficiencia. A una señal de control del 50%, el PWM usará cerca del 50% de la potencia total, de la cual casi tosa será transferida a la carga . En un controlador tipo resistivo, de un 50% de potencia que se quiera transferir a la carga se estima que le puede llegar cerca de un 71%. El otro 21% se pierde en forma de calor. La principal desventaja de los circuitos de PWM es la posibilidad de que exista interferencia por radiofrecuencia (RFI). El RFI puede minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y utilizando un filtrado de la fuente de alimentación. Este circuito posee una pequeña protección contra RFI y produce una mínima interferencia.
