LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL Campus Politécnico "J. Rubén Orellana R."
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Electrónica y Control Carrera de Ingeniería Eléctrica
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PRÁCTICA N°2 1. TEMA AISLAMIENTO ENTRE LA ETAPA DE CONTROL CONTROL Y POTENCIA
2. OBJETIVOS 2.1. Conocer la importancia del aislamiento de las señales de control con el circuito de potencia. 2.2. Analizar las razones de la utilización de aislamiento entre las etapas de control y potencia. 2.3. Instruir al estudiante sobre el diseño y uso de los circuitos de aislamiento a usarse en las siguientes prácticas del laboratorio..
3. INFORMACIÓN Durante la presente práctica el estudiante desarrollará las habilidades necesarias para acoplar de una manera adecuada la etapa que contiene las señales de control con la etapa de potencia de un circuito. Para la generación de las señales de control se usará utilizará la plataforma ARDUINO, la cual permite implementar implementa r en un sistema microprocesado una lógica dada que genera señales encargadas de controlar los semiconductores (funcionando como interruptores de estado sólido) a usarse en un circuito electrónico que administra el flujo de potencia hacia una carga dada. Dichas señales de control deben ser debidamente aisladas de la etapa de potencia, ya que, de no ser así, frente a fluctuaciones no deseadas en la
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etapa de potencia, la etapa de control sufrirá daños que en el peor de los casos serán irreparables. 3.1 NECESIDAD DEL AISLAMIENTO ELECTRICO Y SUS TIPOS. Con mucha frecuencia existe la necesidad del aislamiento eléctrico entre las señales de control de nivel lógico y los circuitos excitadores (circuitos que se encargan de activar los semiconductores que están funcionando como interruptores) con el fin de precautelar el funcionamiento de la etapa de control frente a eventuales problemas en la etapa de potencia. Las señales de control de nivel lógico suelen determinarse en función de la tierra lógica, que está en el mismo potencial que el neutro de potencia, pues los circuitos lógicos están conectados al neutro por medio de un hilo de tierra de seguridad. Las maneras básicas para proporcionar el aislamiento eléctrico son por medio de: optoacopladores y transformadores de pulsos. 3.2 CIRCUITOS EXCITADORES AISLADOS POR OPTOACOPLADORES El optoacoplador más sencillo consiste en un diodo emisor de luz (LED), y un transistor de salida. Una señal positiva de la lógica de control causa que el LED emita luz enfocada a la zona de base ópticamente sensible de un transistor fotosensible. La luz que cae en la zona de base causa que se encienda el transistor fotosensible. La salida del optoacoplador y sirve como entrada de control al circuito excitador aislado. La capacitancia entre el LED y la base del transistor receptor dentro del optoacoplador, debe ser lo más pequeña posible para evitar un disparo adicional tanto en el encendido como en el apagado del transistor de potencia debido al salto en el potencial entre el punto de referencia del emisor del transistor de potencia y la tierra de los elementos electrónicos de control. Para reducir este problema se deben usar optoacopladores con blindajes eléctricos entre el LED y el transistor receptor. Se usan cables de fibra óptica a fin de eliminar de tajo el problema de disparos adicionales y de proporcionar un aislamiento eléctrico. Cuando se usan cables de fibra óptica, el LED se mantiene en la tarjeta del circuito impreso de la electrónica de control, y la fibra óptica transmite la señal al transistor receptor que se coloca sobre la tarjeta impresa del circuito excitador.
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En este tipo de circuitos, el propio optoacoplador es la interconexión entre la salida del circuito de control y la entrada del circuito excitador aislado. El lado de entrada del optoacoplador se acopla directamente al circuito de control y el lado de salida del optoacoplador se acopla directamente al circuito excitador aislado. La topología del circuito excitador aislado entre la salida del optoacoplador y la terminal de control del interruptor de energía puede tener diferentes formas. También se pueden usar circuitos excitadores aislados por optoacopladores con TIRISTORES, MOSFET e IGBT de potencia [1].
Figura 1. Ejemplo del disparo de un BJT usando un optotransistor.
Figura 2. Ejemplo del disparo de un MOSFET usando un optotransistor (para altas frecuencias de conmutación se sugiere usar optonands).
3.3 Detección de cruces por cero usando un optoacoplador Los optoacopladores también pueden ser usados en circuitos de detección de cruces por cero de la red eléctrica. En la siguiente figura notar que los resistores de 10K Ω del lado izquierdo deben ser capaces de disipar 5 W.
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Figura 3. Circuito de detección de cruces por cero.
3.4 CIRCUITOS EXCITADORES AISLADOS POR TRANSFORMADORES DE PULSOS. La señal de control se acopla al circuito excitador eléctricamente aislado por medio de un transformador. Si la frecuencia de conmutación es alta (varias decenas de kHz o más) y la relación de trabajo D varía sólo un poco alrededor de 0.5, se aplica una señal de control de banda base de magnitud correspondiente directamente al primario de un transformador relativamente pequeño y de peso ligero, y la salida secundaria se usa para excitar de modo directo al interruptor de energía o como entrada a un circuito excitador aislado. Conforme disminuye la frecuencia de conmutación por debajo del rango de decenas de kHz una señal de control de banda base aplicada al primario del transformador deja de ser práctica porque el tamaño y peso del transformador aumentan cada vez más. La modulación de un portador de alta frecuencia por medio de una señal de control de baja frecuencia permite el uso de un pequeño transformador de pulsos de alta frecuencia incluso para señales de control de baja frecuencia.
4. TRABAJO PREPARATORIO 4.1. Leer, analizar y asimilar la información del literal 3 de la presente hoja guía. Se evaluarán mediante coloquio los tópicos allí tratados. 4.2. Dibujar la forma de onda esperada en la señal de detección de la Figura 3 (Detection signal, Hacia el uC). La forma de onda requerida deberá estar superpuesta en un período de la señal sinusoidal correspondiente al voltaje de la red eléctrica. 4.3. Traer armado el circuito de la Figura 3 usando el optotransistor 4N25. 4.4. Mediante el uso de Arduino generar en uno de sus pines una señal PWM de frecuencia 490 Hz con una relación de trabajo que vaya de 0.1 a 0.9.
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4.5. Traer armado el circuito de la Figura 4, usando el optotransistor 4N25 y como señal de control la señal generada mediante Arduino en uno de sus pines. La fuente que alimenta la salida del optoacoplador tiene una referencia diferente de la alimentación de Arduino. Es importante notar que la salida del circuito de la Figura 4 únicamente nos permite observar la señal de control complementada y aislada, mas no realizar el disparo de un semiconductor de potencia, la forma de disparo depende del semiconductor ver Figuras 1 y 2, cuando se trate de alimentar el circuito de disparo a la salida del optoacoplador se pueden utilizar las fuentes disponibles en el laboratorio.
Figura 4. Circuito de aislamiento de una señal de control.
5. EQUIPO Y MATERIALES El equipo y elementos necesarios para realizar lo requerido en el preparatorio y durante el procedimiento del desarrollo de la práctica. Cada grupo deberá traer la fuente de alimentación de Arduino junto con la placa. Fuentes de poder del laboratorio. Osciloscopio Cables
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6. PROCEDIMIENTO 6.1. Antes de la realización de la práctica cada instructor tomara un coloquio acerca de la lectura, en base al mismo decidirá si el estudiante está preparado o nó para realizar la práctica 6.2. Se procederá a poner en funcionamiento el circuito del numeral 4.3 del preparatorio y se capturará mediante el osciloscopio la forma de onda correspondiente a la señal de detección tomando en cuenta que, de estar funcionando correctamente el circuito, el valor de la frecuencia de ésta señal debe ser 60 Hz.
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6.3. Se procederá a poner en funcionamiento el circuito del numeral 4.5 del preparatorio que aisla la señal de control PWM generada en la plataforma Arduino mediante un optotransistor 4N25. Se capturará mediante el uso del osciloscopio primero la señal de control directamente desde el pin de Arduino y luego (NO SIMULTÁNEAMENTE porque las referencias son distintas) la señal de control aislada mediante el optotransistor.
7. INFORME 7.1. Consultar y presentar el esquemático del circuito de disparo para un SCR mediante el uso de un optotriac. 7.2. Consultar y presentar el esquemático del circuito de disparo para un TRIAC mediante el uso de un optotriac. 7.3. Presentar la señal obtenida en el punto 6.2 y comentar la razón por la cuál describe esa forma y frecuencia. Durante el semiciclo positivo del voltaje sinusoidal de la red, la señal de detección se encuentra en estado alto o bajo? 7.4. Presentar la señal obtenida en el punto 6.3 y comentar las razones (mínimo 3) por las cuales es recomendable aislar la etapa de control de la etapa de potencia. 7.5. Consultar la razón por la cual se recomienda usar optonands para aislar señales de control que cambian de estado a frecuencias elevadas. Consultar además un circuito de aislamiento de una señal de control usando un optoacoplador optonand para el disparo de un mosfet. 7.6. Conclusiones y recomendaciones. 7.7. Referencias.
8. REFERENCIAS [1] Electrónica de Potencia, Mohan, 3ra edición.
Responsable: Grupo de Docentes del área de Electrónica de Potencia 6
