Control de fase con PWM para un tiristor Bernal L. Oscar Fernando*. Ornelas E. Hetzabell*. Hetzabell*. Rodríguez R. Carlos Carlos Eduardo*.
* Instituto Tecnológico de Culiacán, Culiacán, SIN 80220 MEX (Tel: 6677131796).
Resumen: En el presente artículo se presenta el desarrollo de un control de fase con PWM para un tiristor (TRIAC), su implementación así también, la medición con el equipo Fluke 43B para observar los parámetros eléctricos de este. Palabras Palabras clave: PWM, Comparadores,
Optoaisladores, Amplificadores.
1. INTRODUCCIÓN. Hablamos de la función PWM como abreviatura de la modulación por ancho de pulsos, algo que se ha convertido en una práctica habitual de los interruptores de potencia modernos, controlando la energía de inercia. Esta acción tiene en cuenta la modificación del proceso de trabajo de una señal de tipo periódico. Puede tener varios objetivos, ob jetivos, como tener el control de la energía que se proporciona a una carga o llevar a cabo la transmisión de datos. La función PWM requiere de un circuito en el cual hay distintas partes bien diferenciadas entre sí. El comparador es lo que se convierte en el nexo, contando con una salida y un total de dos entradas distintas. A la hora de configurarlo tenemos que tener en cuenta que una de las dos entradas se centra en dar espacio a la señal del modulador. Por su lado, la segunda entrada tiene que estar vinculada con un oscilador de tipo de dientes de sierra para que la función se pueda llevar a cabo con éxito. La señal que proporciona el oscilador con dientes es lo que determina la salida de la frecuencia. Es un sistema que ha dado buenas demostraciones de funcionar, convirtiéndose en un recurso muy utilizado en cuanto a la disponibilidad de recursos energéticos.
2. OBJETIVOS Diseño de un control PWM con acoplamiento óptico a tiristor con ángulo de disparo de 90º. Diseñar el circuito que envíe envíe los los pulsos de control al tiristor. Utilizar Utili zar un opto acoplador en la etapa de control.
Comprender el funcionamiento del PWM y las aplicaciones que este puede tener.
3. JUSTIFICACION La modulación por ancho de pulsos es una técnica utilizada para regular la velocidad de giro de los motores eléctricos de inducción o asíncronos. Mantiene el par motor constante y no supone un desaprovechamiento de la energía eléctrica. Se utiliza tanto en corriente continua como en alterna, como su nombre lo indica, al controlar: un momento alto (encendido o alimentado) y un momento bajo (apagado o desconectado), controlado normalmente por relès (baja frecuencia) o MOSFET o tiristores (alta frecuencia). 4. DISEÑO ELECTRÓNICO Y SIMULACION. Para el diseño de este circuito se consideraron las dos etapas necesarias para su correcto funcionamiento las cuales son la de control (PWM) y una etapa de potencia. po tencia. En la etapa de potencia fue necesario la utilización de un opto acoplador MOC3011 con el objetivo de aislar las dos etapas y así proteger la etapa de control.
Figura 1.- Etapa de control por PWM En la figura 1 se muestra la etapa de control la cual está conformada por distintas fuentes de voltaje, estas son necesarias para su funcionamiento, así como 2 transistores 2N2222A, un capacitor de 1µf, 2 amplificadores operacionales, también resistencias para limitar la corriente dentro del circuito y amplificar el voltaje de la rampa que se genera. Una vez obtenida la rampa es necesario comparar esta señal de voltaje con una señal de CD variable de 0-5V que será la encargada de modular el ciclo de trabajo del PWM.
Figura 3.- Diagrama esquemático del MOC3011. Para conectar correctamente el opto acoplador, se necesita un voltaje de CD de 5V al ánodo del diodo LED, y la señal que sale del comparador se tiene que conectar al cátodo del diodo con una resistencia de 330Ω para limitar la corriente que fluye a través
de este y así protegerlo, la salida del opto aislador se conecta a la compuerta de un TRIAC y a un ánodo del tiristor. Después se tiene que conectar la carga en serie a una fuente de CA de 127Vrms en serie con la carga y el tiristor tal como se muestra en la figura 2. En la figura 4 se muestra el circuito simulado en MULTISIM con las dos etapas unidas.
Figura 2.- Etapa de potencia con opto acoplamiento. Nota: Para esta simulación se utilizó un opto acoplador con salida de transistor debido a que las librerías de MULTISIM no incluyen el MOC3011.
Figura 4.- Diagrama esquemático de un control de fase de un tiristor con PWM. La figura 5 describe el comportamiento de la señal después de pasar por el comparador para un ciclo de trabajo del 90%
Figura 5.- Grafica de osciloscopio del PWM simulado. 5. IMPLEMENTACIÓN. El circuito es solamente didáctico y uno de sus objetivos es la comprensión y el análisis del control por PWM, es por eso que fue montado en una tableta de pruebas (Protoboard) tal como se muestra en la figura 6. La alimentación de este circuito fue hecha por un transformador de 127/12Vac con derivación central, así como de distintas fuentes triples para alimentar los circuitos integrados con voltajes de CD (El Opamp y el comparador varían su alimentación según el modelo elegido).
Los dispositivos utilizados se muestran en la tabla 1. Dispositivo Cantidad Valor Transformador 1 127/12 Puente rectificador 1 --------Resistencia 2 100kΩ 120Ω Resistencia 1 Resistencia 1 560Ω 10.2k Ω Resistencia 1 137k Ω Resistencia 1 Resistencia 1 330 Ω 2N2222A 2 --------MOC3011 1 --------2N6071A 1 --------Potenciómetro 1 100kΩ Foco 1 60W Capacitor 1 1µf Comparador 1 -----Opamp 2 -----Tabla 1.- Dispositivos utilizados para el proyecto. Nota: El comparador y el opamp no se especifican debido a que existen diversos modelos en el mercado que pueden ser utilizados 6. RESULTADOS. El circuito fue analizado con el equipo Fluke 43B conectado a la carga y los resultados arrojados son con el ángulo de disparo del tiristor a 90°. La figuras 7, 8 y 9 muestran los resultados obtenidos.
Figura 6.- Circuito físico montado sobre una tableta de pruebas. Se energizo el circuito para regular la intensidad de una lámpara incandescente y posteriormente se hizo uso del equipo Fluke 43B para la medición de los parámetros eléctricos, con el objetivo de observar el comportamiento de la potencia en la carga.
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Figura 7.- Grafica de voltaje y corriente de la carga.
potencia es igual a 1. Cabe señalar que este circuito tiene una distorsión armónica (THD) del 52.2% y en su primer armónico existe un factor de rizo de 85.3%. Se puede observar que el MOC3011 trabaja en un rango del 10 al 90% de disparo, para lo cual se realizaron ambas mediciones con el objetivo de ver la potencia que consumen. En la Figura 10 (a) y (b) se muestra la corriente que consume la carga y así como sus graficas de intensidad y voltaje al 10% y 90% de ciclo de trabajo.
Figura 8.- Parámetros eléctricos de la carga.
Figura 10.- (a) Grafica de voltaje e intensidad con un ciclo de trabajo del 10% (b) Grafica de voltaje e intensidad con un ciclo de trabajo del 90% Otra observación importante es la de la comparación de la rampa con el voltaje de CD variable con el objetivo de observar cómo influye este en el ancho de pulso de la señal, para esto se tomaron mediciones al 10 y 90% como se muestran en las siguientes figuras.
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Figura 9.- Valores de distorsión armónica, % de rizo y desfase de armónicos. 7. OBSERVACIONES. Se puede observar en las anteriores figuras que el tiristor cuando es disparado a 90° tiene una potencia de 38W y al ser una carga puramente resistiva (Lámpara incandescente) su factor de
Figura 11.- Comparación de voltajes con un ciclo de trabajo del 10%.
Figura 12.- Comparación de voltajes con un ciclo de trabajo del 90%. En la sig. Figura se muestra el resultado de osciloscopio de la modulación por ancho de pulso con un ciclo de trabajo del 90% Figura 14.- Código QR que contiene los archivos de descarga.
Figura 13.- Gráfica de osciloscopio del PWM. 8. CONCLUSIÓN. Con la presente práctica el alumno puso a prueba sus capacidades analíticas y de comprensión en circuitos electrónicos. Además la resolución de problemas que se dan en la práctica es un factor muy importante a considerar dado que es uno de los objetivos de las prácticas de laboratorio y en general del modelo de aprendizaje por competencias. Se pudo apreciar la importancia de los optoaisladores en los circuitos de potencia y el comportamiento de las corrientes y voltajes cuando son regulados. 9. ANEXOS. A continuación se anexa un código QR con la simulación electrónica en MULTISIM, para que en un futuro este trabajo pueda ser reproducido por otros alumnos, así también se anexa este artículo y que este pueda servir de guía para los alumnos que deseen reproducir este trabajo.
