Inversor de 12VDC a 120VAC con frecuencia variable – Parcial II de Circuitos Electrónicos III John Mauricio Noguera, Manuel Alejandro Restrepo, Cristian Germán Torres.
[email protected], Manuel
[email protected], Cri!to"#
[email protected].
Abstract %n this paper, &e sho& the steps carried out to 'uild a 1()*C to 1(+)AC inerter &ith aria'le -reuenc/ using pic 10-22a microcontroller, as &ell as the most important points o- practical -eatures and all inoled as an inestor this 'asic t/pe.
Resumen 3n el presente documento, se mostraran los pasos ue se llearon llearon a ca'o para para construir construir un inersor inersor de 1()*C 1()*C a 1(+) 1(+)A AC con con -rec -recue uenc ncia ia ari aria' a'le le haci haciend endo o uso uso del del microcontrolador pic 10-22a, as4 como tam'i5n los puntos mas importantes de la practica / todas as caracter4sticas ue conllea un inersor 'ásico de este tipo.
3sta 3sta onda onda rectang rectangular ular alimenta alimenta a un transtrans-orm ormador ador ue suai!a suai!a su -orma, -orma, haci5nd haci5ndola ola parece parecerr un poco poco más una onda senoidal / produciendo el oltaje de salida necesario. 6as -ormas de onda de salida del oltaje de un inersor ideal de'er4a ser sinusoidal. 9na 'uena t5cnica para lograr esto esto es utili utili!ar !ar la t5cn t5cnic icaa de :; :;M M logr logran ando do ue ue la componente principal senoidal sea mucho más grande ue las arm7nicas superiores. 3n las las -igu -igura rass 1 / ( se pued pueden en o'se o'ser rar ar el esu esuem emaa electr7nico de un inersor simple / las -ormas de onda de entra entradas das / salid salidaa de uno uno de esto estoss tipos tipos de iner inerso sore ress respectiamente.
1. Introducción 6a electr7nica de potencia tiene como -in la utili!aci7n de dispositios de estado solido para el control / conersi7n de la energ4a el5ctrica, pues 'ien es este tipo de entajas ue presta este campo de la ingenier4a electr7nica ue nos siren para el dise8o de dispositios ue no solo optimi!an el uso de la energ4a, si no ue a su e! conierten un tipo de se8a se8all en otra otra con el -in de sati satiss-ac acer er cual cualu uie ier r necesidad. 3ste es el caso de los inersores de C* a AC, los cuales cuales son de un gran gran campo campo de aplica aplicaci7 ci7n n / ue se trataran en este documento con el -in de descri'ir cual es la aplicaci7n 'ásica de uno de estos tipos de circuitos, as4 como su -a'ricaci7n -a'ricaci7n / utili!aci7n. Fig. 1 inversor basico.
2. arco !eórico 2.1 teoría de inversores: 6a -unci7n de un inersor es cam'iar un oltaje de entrada de corriente continua a un oltaje sim5trico de salida de corriente alterna, con la magnitud / -recuencia deseada por el usuario o el dise8ador. 6os inersores se utili!an en una gran ariedad de aplicaciones, desde peue8as -uentes de alim aliment entac aci7 i7n n para para comp computa utado dora ras, s, hasta hasta aplic aplicac acio ione ness industriales industriales para controlar controlar alta potencia. potencia. 6os inersores inersores tam'i5 tam'i5n n se utili!an utili!an para coner conertir tir la corrie corriente nte continu continuaa genera nerada da por por los los pane panele less solare laress -oto otooltai ltaiccos, os, acumuladores o 'ater4as, etc, en corriente alterna / de esta manera poder ser in/ectados en la red el5ctrica o usados en instalaciones el5ctricas aisladas. 9n inersor simple consta de un oscilador ue controla a un transistor, el cual se utili!a para interrumpir la corriente entrante / generar una onda rectangular.
Fig. 1 onda de salida.
Como la practica consiste en desarrollar un inersor de 1()*C a 1(+)AC se descri'en generalmente los dispositios utili!ados para tal practica. transformador:
, por lo ue tiene más espiras en el secundario ue en el primario, er ?ig(.
Mosfet IRFZ44 3n un tipo de Mos-et ue utili!a t5cnicas de procesamiento aan!adas para lograr eDtremadamente 'aja resistencia por unidad de super-icie de silicio. 3ste 'ene-icio, com'inado con la elocidad de conmutaci7n rápida, / el dise8o del dispositio ro'usto, proporciona un dispositio e-iciente / -ia'le para el uso en una amplia ariedad de aplicaciones, er ?igE.
fi!. ". Mosfet irf#44n
?ig. o'inados del trans-ormador
pic 16f877a:
3l :%C10?22 es un microcontrolador con memoria de programa tipo ?6A
$ptotransistor 4n2" 3l -ototransistor consiste en un emisor de in-rarrojos acoplado 7pticamente a un -ototransistor de silicio monol4tico en cual es mu/ utili!ado en circuitos electr7nicos de 'aja potencia para la protecci7n por ejemplo de los pines de un microcontrolador as4 como circuitos de conmutaci7n de uso general, interconeDi7n / sistemas de acoplamiento de di-erentes potenciales e impedancias, % F %nter-a! rel5s de estado s7lido, entre otras. 3n la -igura 0 se puede o'serar este dispositio.
3n la -igura $ se puede o'serar el microcontrolador pic 10-22a
-ig. 0. ptoacoplador.
3sta -ue la descripci7n general de los dispositios mas importantes utili!ados en nuestro pro/ecto, el inersor de 1()*C a 1(+)AC, con -recuencia aria'le.
-ig. $. pic 10-22a.
". Desarrollo
3n esta secci7n se descri'en los pasos reali!ado para as4 -inali!ar la práctica del inersor de 1()*C a 1(+)AC con -recuencia aria'le. •
Análisis primer circuito
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Mejoramiento del primer circuito.
•
•
%mplementaci7n del circuito -inal.
%n&lisis primer circ'ito
3n primer lugar / como primer paso ha/ ue mencionar ue -ue -acilitado por parte del pro-esor el primer dise8o del inersor, con el -in de anali!ar como -unciona un dispositios de estos / as4 hacer un mejoramiento del hard&are del dise8o -acilitado.
. 3n segundo lugar se o'sera ue la salida del EEE esta conectada al C6 del -lip -lop J, además las estradas J / se encuentras conectadas a E),es decir, a un uno l7gico o'teniendo as4 la con-iguraci7n del -lip -lop como un diisor de -recuencia, por tal motio si el C6 tiene una -recuencia de oscilaci7n ?, la salida I del -lip -lop tendrá un -recuencia de oscilaci7n ?F(.
3n la -igura 2 e puede o'serar el primer circuito en cual consta de un oscilador 'asico / la etapa de conmutaci7n de los Mos-et, as4 como la etapa del tras-ormador ue se utili!a para elear el oltaje / suai!ar la onda de salida.
-ig. . ?recuencias EEE, -lip -lop J.
6as gra-icas de color amarillo / a!ul pertenecen a la salida del EEE =1(+h!> / a la salida del -lip -lop J =0+h!> respectiamente. -ig. 2. %nersor 1()*C a 1(+)AC a0+ B!
f'ncionamiento del circ'ito:
el circuito anterior consta 'ásicamente de $ etapas, la primera en la encargada de la regulaci7n de los 1()*C a los E)*C por medio del regulador 2+E, la cual se encarga de alimentar al integrado EEE / al -lip-lop J . en la segunda etapa consta de los circuito mencionados anteriormente en integrado EEE / el -lip -lop J los cuales operan de la siguiente manera.
Como tercera parte del circuito se encuentran los Mos-et %R6$$, ue en nuestro caso se reempla!o por el %R?$$N. 6os cuales son encargados de reali!ar la conmutaci7n / de esta manera conectar / desconectar en primerio del condensador a tierra por el tiempo ue el usuario lo desee =TF( on, TF( o--> / de esta manera inducir en el secundario del trans-ormador un tipo de onda alternante en el tiempo ue a su e! este ultimo s encarga de suai!arla para ue sea lo mas parecido a una onda senoidal. 3l circuito completo se muestra en la -igura # / su respectia respuesta en el tiempo en la -igura 1+.
3l EEE se encuentra con-igurado como multii'rador asta'le, el cual por medio de esta con-iguraci7n es capa! de Ca'e resaltar ue la onda de salida de uno de estos tipos de generar una onda cuadrada con una -recuencia de inersores es prácticamente cuadrada algo distinto a la oscilaci7n dada por los componentes eDternos conectados a senoidal, pero ue ante reuerimiento de 'aja / mediana este. 3n este caso la -recuencia de oscilaci7n de es 1(+h! potencia se puede utili!ar, /a para aplicaciones de alta aproDimadamente los cuales se pueden recti-icar por medio potencia necesariamente de'e ser tipo senoidal de la ecuaci7nH
*onde
:or medio de la cual calculamos un retardo de TF(, donde T es el periodo de oscilaci7n de la onda es decir 1F=(->, o mas 'ien 1F==(>=0+>>B! lo ue nos da como resultadoH
-ig. #. Circuito inersor completo
L para calcular el alor de cargar del timer+ se despejar el alor de / se reempla!a los .ms como T.
Reempla!ando los alores anteriores para un -recuencia de oscilaci7n de 0+h! se o'tiene un alor de carga igual aH
-ig. 1+. Respuesta en el tiempo del inersor.
6o descrito anteriormente es el primer circuito del inersor a continuaci7n se descri'e el mejoramiento ue se le hi!o a este circuito / este es el segundo punto des desarrollo de la practica. Me(oramiento del primer circ'ito.
3n esta secci7n se descri'e los cam'io ue se le hicieron al primer circuito / sus respectios mejoramiento. Como primer lugar se reempla!a el hard&are encargado de la generaci7n de la se8al de los 0+h!, es decir, el integrado EEE / el -lip -lop J 2$6<20, por el pic 10-22a el cual 'rinda mejore ersatilidad para el manejo de ondas cuadradas haciendo uso de sus timer +,1 o (. 3l primer paso para la reali!aci7n del circuito -ue la generaci7n de los dos trenes de pulsos por medio de alguno de los timer del pic, en nuestro caso se escogi7 el timer+, por ue posee un pre escalador de (E0 ideal para nuestro el circuito.
ue es aproDimadamente (($. L este es el alor ue se carga el timer+ para general una onda cuadrada de 0+h!. 9na e! calculado del alor de la carga del timer+ se procede a general el c7digo ue cumpla las caracter4sticas plateadas por el parcial, las cuales se mencionan a continuaci7nH •
%nersor de -recuencia aria'le
•
:ulsadores para el ingreso del aumento disminuci7n de la -recuencia de oscilaci7n.
o
3n las -iguras 11,1(,1 se muestran el c7digo -inal para el inersor, el montaje utili!ado para el pic, / la simulaci7n correspondiente para la generaci7n de ondas cuadradas de -recuencia aria'le respectiamente.
una e! dise8ado el so-t&are encargado de la generaci7n de las ondas cuadradas solo -alta proceder a conectar esta parte del circuito con los Mos-et para ello de utili!aron dos optotrasistores $n(E para reali!ar el acople / as4 proteger al pic de algKn tipo de corriente parasita además se agregaron se agregaron ( red de amortiguamiento RC para la protecci7n del Mos-et contra el dFdt, lo cual se muestra en las imágenes 1 / 1$ respectiamente.
-ig. 11. C7digo -inal.
-ig. 1 optotrasistores de acoplamiento
-ig. 1(. Bard&are para ondas cuadradas.
-ig. 1$ red de amortiguamiento RC.
por ultimo / como paso -inal solo 'asta conectar la parte de acoplamiento con los Mos-et / el trans-ormador para as4 tener todo el circuito completo, al cual le ingresaran los 1()*C además de las ondas cuadradas proenientes del pic10-22a / como resultado se espera o'tener una onda de salida alternante con una -recuencia no solo de 0+h!, si no de la -recuencia deseada por el usuario. 3l circuito completo se muestra en la -igura 1E. -ig. 1. simulaci7n
una e! dise8ados los circuitos impresos se procedi7 a soldar cada uno de los componentes / a pro'ar si el circuito -unciona'a correctamente. Además se muestran todos los componentes usados en la practica, es decir el tras-ormador de 1( a 1(+ ) AC de (A, el entrenador del pic )1.+, / la plaueta con sus respectios componentes.
-ig. 1E circuito completo.
Con esto culmina la etapa del dise8o del circuito, ahora se procede a eDplicar la etapa de implementaci7n, la cual consiste en el dise8o de los circuitos impresos / su respectia operaci7n. 6as pistas -ueron dise8adas con un ancho ue admite máDimo ( A. 6as -iguras 10 / 12 muestran el dise8o en 3agle del circuito / el circuito para uemar respectiamente.
-ig. 1 entrenador )1.+
-ig. 10 dise8o 3agle -ig. 1# tras-ormador
-ig. 12 dise8o 3agle(
-ig. (+ circuito -inal.
A continuaci7n se muestran di-erentes prue'as o'tenidas del circuito tra'ajando a di -rente -recuencia.
#. Conclusiones •
6os inersores de *C a AC son un tipo de dispositios mu/ utili!ados en la industria, desde una 9:< hasta una simple conersi7n de el oltaje de una 'ater4a de 1( )*C a 1(+)AC nos pueden a/udar en la soluci7n de un pro'lema en cualuier ante la -alta de suministro de energ4a el5ctrica.
•
Tener en cuanta las caracter4sticas de operaci7n de los dispositios a utili!ar en cada practica nos llea a eitar errores as4 como cualuier tipo de -alla en el circuito por un mal calculo humano.
•
Cuando se tra'aja con potencia es necesario tomar todas las precauciones el5ctricas, como lo es el uso de optoacopladores, o redes de amortiguamiento, esto para eitar cualuier mal -uncionamiento del circuito / por ende la destrucci7n de este, lo cual conllea además de da8os, muchos gastos.
-ig. (+ tren de pulsos generados desde el pic
.
$. A%radecimientos Agradecemos al docente a cargo, Gerardo Bum'erto :erilla por el apo/o en el desarrollo de la practica tipo parcial / por atender a las dudas planteadas.
Referencias 1O pic10-22a datasheet (O
ir-!$$n datasheet
O
$n(E datasheet.
$O Muhammad B. Rashid, 3lectronica de potencia, circuitos, dispositios / aplicaciones, ra ed, :rentice hall Bispanoam5rica, <.A EO Malone/ J. Timoth/, 3lectr7nica industrial moderna, Eta ed, :rentice hall Bispanoam5rica, <.A
-ig. (1 se8al de salida del inersor a 1(+h!
-ig. (( se8al de salida del inersor a ($h!
