LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PRACTICA 3 CIRCUITOS GENERADORES DE SEÑALES DE CONTROL. Modulación de Ancho de Pulso (PWM) y Amplificadores Operacionales. Christian Andrés Mejía Miranda e-mail:
[email protected] En las señales PWM se utiliza relaciones de trabajo ɗ, que es una relación entre el ancho del pulso con respecto al período. La función de una PWM es variar dinámica mente el ancho de pulso de manera que el tiempo en alto disminuya o aumente y en proporción inversa, el tiempo en bajo disminuya o aumente, pero manteniendo el período constante.
RESUMEN: Existen circuitos capaces de generar ondas de control, las cuales en la electrónica de potencia son muy útiles para manejar los elementos de conmutación, ya que nos permiten manipular los tiempos de encendido y de apagado de los elementos de potencia. Los circuitos generadores de ondas PWM o la traducción en español de sus siglas Modulación de Ancho de Pulso, nos permiten variar el ciclo de trabajo de una señal periódica. Esta técnica de la electrónica nos permite realizar aplicaciones en el área de potencia, refiriéndonos a motores, sea en sistemas electrónicos de potencia como son los convertidores estáticos, etc. Si nos referimos a los motores este método de modulación por ancho de pulsos nos permite regular la velocidad de un motor eléctrico de inducción, lo bueno de estos circuitos electrónicos es que su funcionamiento se aplica tanto para la Corriente Continua como para la Corriente Alterna. Además está técnica es muy útil al momento de utilizar convertidores Analógicos a Digitales en conjunción con un oscilador digital, un contador y compuertas lógicas. Palabras Clave: PWM Pulse Width Modulation, modulador de Ancho de Pulso. ɗ Relación de Trabajo.
a T
FIGURA1. Formas posibles para generar una PWM.
Ancho de Pulso.
El funcionamiento de un circuito PWM tienen configuraciones 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. Al momento de configurar este circuito debemos tener en cuenta que una de sus dos entradas se centra en dar espacio a la señal del modulador. Por otro lado, la segunda entrada tiene que estar vinculada con un oscilador de tipo dientes de sierra para que la función pueda funcionar correctamente. La señal que proporciona el oscilador con dientes de sierra es lo que determina la salida de la frecuencia. Es un sistema que ha dado buenas demostraciones de funcionamiento, convirtiéndose en un recurso muy utilizado en cuanto a la disponibilidad de recursos energéticos.
Período
1 INTRODUCCIÓN Se habla de una función PWM como la abreviatura de la modulación por ancho de pulsos, una técnica muy útil en la 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 periódica. Puede tener varios objetos, como tener el control de la energía que se proporciona a una carga o llevar a cabo la transmisión de datos.
Aplicaciones Como se había mencionado antes los circuitos PWM se los usa en el área de la electrónica de potencia, para controlar fuentes conmutadas, controles de motores,
Ec.1.
Funcionamiento
1
controles de elementos termoeléctricos, choppers para sensores en ambientes ruidosos entre otros. En los motores, esta técnica de modulación de ancho de pulsos es utilizada para la regulación de la velocidad de giro de los motores eléctricos de inducción o asincrónicos. Manteniendo el par motor constante y no se desaprovecha el consumo de energía eléctrica. Funciona tanto con corrientes continuas como con corrientes alternas, para controlar un momento alto (encendido o alimentado) y un momento bajo (apagado o desconectado), se controla por medio de relés (a bajas frecuencias) o Mosfets o Tiristores (Altas frecuencias).
Circuito1 𝛿 = 0.1 − 0.9
FIGURA2. Aplicaciones de ondas PWM. Reguladores de velocidad de motores trifásicos.
2∗√2∗𝑉𝑓
𝑉𝑑𝑐 = 𝜋 [V] Ec.2. 𝑉𝑓 = 110[𝑉𝑟𝑚𝑠]
2 CUESTIONARIO Diseñar los siguientes circuitos e incluir formas de onda en todos los puntos del mismo. -Circuitos1.- Generador de PWM rampa lineal sincronizado con la red, y la relación de trabajo variable entre 0.1 a 0.9 usando amplificadores operacionales.
2∗√2∗110 𝑉𝑟𝑚𝑠
𝑉𝑑𝑐 = 𝜋 𝑉𝑑𝑐 = 99.035 [𝑉] 𝑉𝑑𝑐−𝑉𝑙𝑒𝑑 𝑅1 = 𝐼𝑙𝑒𝑑 𝑅1 =
99.035𝑉−1.5𝑉 10[𝑚𝐴]
= 9,75[𝑘Ω]
𝑉𝑙𝑒𝑑 = 1.5[𝑉] → 𝑅1 = 10[𝑘Ω] 𝑃𝑅1 = (𝐼𝑙𝑒𝑑)2 ∗ 𝑅1 EC.3. 𝑃𝑅1 = (10[𝑚𝐴])2 ∗ 10[𝑘Ω] 𝑃𝑅1 = 1[𝑊] DATO: 𝑉𝑐𝑐 = 15[𝑉] 𝑅2 = 𝑉𝑐𝑐/𝐼𝑐 15[𝑉] 𝑅2 = 1[𝑚𝐴] = 15[𝑘Ω] 𝑅2 = 10[𝑘Ω] 𝑃𝑅2 = (𝐼𝑐)2 ∗ 𝑅2 EC.4. 𝑃𝑅2 = (1[𝑚𝐴])2 ∗ 10[𝑘Ω] 𝑃𝑅2 = 10[𝑚𝑊] 𝑅 𝑉𝑐𝑐/2 = 𝑅+𝑅 ∗ 𝑉𝑐𝑐 EC.5.
FIGURA3. Simulación circuito 1
1
𝑉𝑐𝑐/2 = 2 ∗ 𝑉𝑐𝑐 EC.6. 𝑉𝑐𝑐/2 = 7.5 [𝑉] 1
𝑡
𝑉𝑐 = 𝐶∗(𝑅3+𝑃𝑜𝑡) ∗ ∫0 𝑉𝑖𝑛 ∗ 𝑑𝑡 EC.7.
Figura4. Formas de Onda del circuito1.
2
𝐶 ∗ (𝑅2 + 𝑃𝑜𝑡) = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟 Después de la etapa de Rectificador por el puente de diodos, la frecuencia se duplica. 𝑓 = 2 ∗ 𝑓𝑜 EC.8. 𝑓 = 120 [𝐻𝑧] 𝑇 = 8.33[𝑚𝑠] 𝐶(𝑅3 + 𝑃𝑜𝑡) < 𝑇 EC.9. 𝐶(𝑅3 + 𝑃𝑜𝑡) < 8.33[𝑚𝑠] Asumo 𝐶 = 10[𝑛𝐹] (𝑅3 + 𝑃𝑜𝑡) < 833.33[𝑘Ω] 𝑅3 = 3.3[𝑘Ω] (𝑃𝑜𝑡) = 1[𝑀Ω]
FIGURA.4.b. Simulación circuito 2 parte b.
a) 𝛿− = 0.1 𝑅4
𝑉𝛿− = 𝑅4+𝑅5 ∗ 𝑉𝑐𝑐 = 𝛿− ∗ 𝑉𝑐𝑐 EC.10. 𝑅4 = 0.1 ∗ (𝑅4 + 𝑅5) 10 ∗ 𝑅4 − 𝑅4 = 𝑅5 𝑅5 = 9 ∗ 𝑅4 𝑅4 = 5.1[𝑘Ω] 𝑅5 = 45.9[𝑘Ω] 𝑅5 = 47[𝑘Ω] − 33[𝑘Ω] b) 𝛿− = 0.9
FIGURA.5 Formas de onda circuito 2 parte a.
𝑅4+𝑃𝑜𝑡
𝑉𝛿+ = 𝑅4+𝑃𝑜𝑡+𝑅5 ∗ 𝑉𝑐𝑐 = 𝛿+ ∗ 𝑉𝑐𝑐 EC.11. 𝑅4 + 𝑃𝑜𝑡 = 0.9 ∗ (𝑅4 + 𝑃𝑜𝑡 + 𝑅5) 𝑅4 + 𝑃𝑜𝑡 = 9 ∗ 𝑅5 𝑃𝑜𝑡 = 9 ∗ 47[𝑘Ω] − 5.1[𝑘Ω] 𝑃𝑜𝑡 = 417.9[𝑘Ω] 𝑃𝑜𝑡 = 400[𝑘Ω]
-Circuito 2.- Generador de PWM rampa cosenoidal sincronizado con la red, y la relación de trabajo variable entre 0.1 a 0.9 usando el circuito integrado CD40106B y amplificadores operacionales.
FIGURA.6 Formas de onda circuito 2 parte b.
CIRCUITO 2 2∗√2∗𝑉𝑓
𝑉𝑑𝑐 = 𝜋 [V] Ec.12. 𝑉𝑓 = 110[𝑉𝑟𝑚𝑠]
FIGURA.4.a. Simulación circuito 2 parte a.
3
2∗√2∗110 𝑉𝑟𝑚𝑠
http://www.ibertronica.es/blog/refrigeracion/funcion-pwm/
𝑉𝑑𝑐 = EC.13. 𝜋 𝑉𝑑𝑐 = 99.035 [𝑉] 𝑉𝑑𝑐−𝑉𝑍 𝑅1 = 𝐼𝑍 EC.14. Diodo Zéner 1N4744A 99.035𝑉−15𝑉 𝑅1 = 10[𝑚𝐴] = 8.4[𝑘Ω]
[2] MODULACIÓN POR ANCHOS DE PULSO Disponible en; http://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_ancho_de _pulsos [3] .Universidad de Oviedo. Inversores PWM, presentado por: Juan Díaz. Tecnología Electrónica. Disponible en:
𝑅1 = 9.1[𝑘Ω] 𝑃𝑅1 = (10[𝑚𝐴])2 ∗ (9.1[𝑘Ω]) 𝑃𝑅1 = 0.9[𝑊] − 1[𝑊] − 3[𝑊] 𝑉𝑧 𝑅2 = 𝐼𝑧 EC.15.
http://pels.edv.uniovi.es/pels/pels/Pdf/Leccion%20Invers ores%20Juan%20Diaz.pdf [4] MODULACIÓN PWM. Disponible en:
file:///C:/Users/Usuario/Downloads/Introducci_n_a_PW M.pdf
[𝑉]
𝑅2 = 15 10[𝑚𝐴] = 1.5[𝑘Ω]
𝑅2 = 1.8[𝑘Ω] DONDE 𝐶2 = 10[𝑢𝐹] 8.33[𝑚𝑠] 𝑅3 + 𝑃𝑜𝑡 ≤ 10 ∗ 106 𝑅3 + 𝑃𝑜𝑡 ≤ 833.33[𝑘Ω] DONDE 𝑅3 = 10[𝑘Ω] 𝑃𝑜𝑡 ≤ 833.33[𝑘Ω] − 10[𝑘Ω] 𝑃𝑜𝑡 ≤ 813.33[𝑘Ω] 𝑃𝑜𝑡 = 100[𝑘Ω] 𝑅4 = 𝑅5 = 100[𝑘Ω] SE USA LOS MISMOS VALORES DEL DIVISOR DE VOLTAJE DEL CIRCUITO ANTERIOR 𝑅6 = 5.1[𝑘Ω] 𝑅7 = 33[𝑘Ω] 𝑃𝑜𝑡 = 400[𝑘Ω] 3 Conclusiones Para esta clase de circuitos generadores de señales PWM se debe tener muy en cuenta las resistencias de potencia, ya que se puede producir fallas en los circuitos al momento de recibir la señal rectificada de la red. Se puede manipular los tiempos de conmutación, variando los anchos de pulsos desde el generador, por lo que no se debe tener cuidado el momento de dimensionar estos generadores para tener una mejor sensibilidad del circuito. Con las ondas PWM, los elementos de conmutación manejan ondas con alto componente sinusoidal para la adecuada operación, se puede aplicar para el manejo de un motor. Las ondas PWM pueden ser sincrónicas o asincrónicas
4 REFERENCIAS [1] SISTEMAS CIBERTRÓNICA. Disponible en:
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