Indice 1. Introducción
….. (03)
2. objetivos
….. (04)
3. Planteamiento del problema
….. (04)
4. Solución del problema
….. (05)
5. Desarrollo del problema
….. (07)
5.1. Cálculos
….. (08)
5.2. Simulación
….. (10)
6. Resultados (Teóricos, prácticos, de simulación)
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7. Análisis de costos
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8. Conclusiones
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1. Introducción Un inversor, también llamado ondulador, es un circuito utilizado para convertir corriente continua en corriente alterna. La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente directa a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseñador. Los inversores son utilizados en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación para computadoras, hasta aplicaciones industriales para manejar alta potencia. Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual es utilizado para interrumpir la corriente entrante y generar una onda cuadrada. Esta onda cuadrada alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal debería ser sinusoidal. Los inversores más modernos han comenzado a utilizar formas más avanzadas de transistores o dispositivos similares, como los tiristores, los triac's o los IGBT's. Inversores más eficientes utilizan varios artificios electrónicos p ara tratar de llegar a una onda que simule razonablemente a una onda senoidal en la entrada del transformador, en vez de depender de éste para suavizar la onda. Condensadores e inductores pueden ser utilizados para suavizar el flujo de corriente desde y hacia el transformador. Además, es posible producir una llamada "onda senoidal modificada", la cual es generada a partir de tres puntos: uno positivo, uno negativo y uno de tierra. Inversores de onda senoidal modificada pueden causar que ciertas cargas, como motores, por ejemplo; operen de manera menos eficiente. Una circuitería lógica se encarga de activar los transistores de manera que se alternen adecuadamente. Esta parte es la que respecta a nuestro proyecto. Inversores más avanzados utilizan la modulación por ancho de pulsos con una frecuencia portadora mucho más alta para aproximarse más a la onda seno o modulaciones por vectores de espacio mejorando la distorsión armónica de salida. También se puede predistorsionar la onda para mejorar el factor de potencia.
2. Objetivos
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La generación de una señal alterna (CA) a partir de una fuente de corriente continua (CC) mediante el diseño de un inversor monofásico de onda cuadrada en configuración puente completo, para alimentar una carga puramente resistiva foco de 12 [V] a 21 [W].
3. Planteamiento del problema En este trabajo se plantea el desarrollo de un inversor monofásico de onda cuadrada, con las siguientes configuraciones: Como interruptores se escogieron: * 4 transistores NPN (TIP31) * 2 PNP (TIP32) y 2 transistores NPN (TIP31) * 2 MOSFET canal P (J449) y 2 MOSFET canal N (IRF610). Conectados en configuración puente completo y manejados por un circuito de control de disparo para los anchos de pulso δ=90° y δ=150°
Se requiere diseñar y construir, la etapa de control, que permita cumplir con las condiciones aquí propuestas.
4. Solución del problema
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Se diseñará la etapa de control de acuerdo a las siguientes condiciones de señales
Para la etapa de control, se requieren de obtener una serie de señales con las que se operaran para obtener una señal de control final ajustable por nosotros mismos.
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Para la primera señal, emplearemos un CI 555 con una configuración astable, que nos permita obtener un tren de pulsos cuadrados a 120 [Hz]. Para la segunda señal, empleáremos un flip flop JK, con este CI configuraremos un divisor de frecuencia, el cual nos permitirá obtener la señal cuadrada con una frecuencia de 60 Hz. Para la tercera señal se empleará, una configuración de integrador con el amplificador operacional. La señal triangular que se espera obtener funcionará como nuestra señal de referencia con una frecuencia de 120 Hz, entonces se entenderá que la señal a integrar será la de la primera señal. En la cuarta señal, en nuestro circuito, tendrá la función de señal de control, aquí haremos un arreglo con un potenciómetro, para obtener una señal continua que nosotros podamos ajustar, obteniendo el anchos de pulso δ=90° y δ=150 que requiere en nuestro problema establecido. La quinta señal será resultado de emplear un comparador, donde entraran la tercera señal como señal de referencia, y la cuarta señal, que será la de control y la cual ajustaremos para obtener una señal cuadrada de ancho de pulso que nosotros decidamos. Finalmente ocuparemos una operación lógica de AND, donde se introducirá la quinta señal y la segunda señal para obtener la señal A, luego la quinta señal y la negada de la segunda señal para obtener la señal B. Estas señales serán las salidas de control para los transistores que emplearemos. Para la etapa de potencia, se armara distintas configuraciones de transistores que tendrá de entrada la señal de la etapa de control y se obtendrá una señal de potencia, que se observa como una cuadrada con parte positiva y negativa, lo más cercano a una senoidal. Esta se verá reflejada en nuestro foco.
5. Desarrollo del problema
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Para este proyecto tenemos dos bloques principales que describiremos a continuación:
Fuente de DC
BLOQUE DE POTENCIA
BLOQUE DE CONTROL
Bloque de Control Es el encargado de generar las dos señales que gobiernan la activación y desactivación de los transistores de potencia, función que puede ser cumplida por un simple circuito oscilador de onda cuadrada. Nosotros diseñamos el circuito de control a partir de un C.I 555 en configuración astable con frecuencia de 120 Hz y un ciclo de trabajo del 50% (aprox) la señal resultante la metemos a un flip-flop divisor de frecuencia y a un integrador en donde a la salida del flip-flop obtenemos la señal a 60 Hz, y a la salida del integrador obtenemos una señal triangular a 120 Hz. Posteriormente hacemos un comparador con un voltaje de referencia y la señal triangular, por medio del cual vamos a obtener los pulsos. Ya sólo nos resta comparar esta señal con la señal cuadrada a 60 Hz mediante unas compuertas (and) y así obtenemos nuestras dos señales que están desfasadas 180° grados una de la otra y que son aplicadas directamente a la compuerta de cada pareja de transistores de potencia para conseguir la secuencia correcta de conmutación.
Bloque de Potencia Es el corazón del sistema y su objetivo es el de generar una señal cuadrada bipolar a partir de la señal continua entregada por la fuente de alimentación. En la práctica este bloque se puede considerar como una matriz de interruptores electrónicos los cuales, al ser activados adecuadamente, permiten invertir el flujo de corriente a través de la carga; de esta manera se obtienen los dos semiciclos de la señal cuadrada, cuya amplitud sería igual al valor de la fuente DC (si no existieran pérdidas en el circuito).
5.1. Cálculos C.I 555 Configuración astable.
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Este tipo de funcionamiento se caracteriza por una salida con f rma de onda cuadrada continua de ancho predefinid por el diseñador del circuito. De acuerdo a las sigui ntes formulas para el ciclo de trabajo:
La frecuencia con que la señal de salida oscila está
ada por la fórmula:
Entonces para que el ciclo de trabajo sea del 50% es decir ue t1=t2 es necesario añadir algunos diodos a la configuración, ya que según las formulas para que t1=t2 sería necesario que R1 fuera cero, lo cual en la práctica no funcionaria. Nosotros tenemos un valor bajo de R1 para que el ciclo d próximo al 50%. Obtuvimos los siguientes valores: R1= 1.2 k,
R2= 26.7 K,
trabajo fuera lo más
C = 220 nf
Donde: t1= 0.693* (1.2+ 6.7)X103 *(220X10-9) t1= 4.25 [ms] t2= 0.693* (26.7X103) *(220X10-9) t2= 4.07 [ms]
f 0.693220 1011.2 2 26.7 10
f = 120.12 [Hz] Entrada al Flio flop JK
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Salida de señal cuadrada a 60 [Hz] Integrador con Lm741
$1 % &'1 .()1 % &'()(1(1 () % (1&'()1 () ()(1 &'
RF= 50 k
C= 470 nf
R1= 100 K
* De acuerdo a la configuración Mostrada en las imágenes en la simulación.
Comparador con LM741 Desafortunadamente, el voltaje de salida del amplificador operacional no cambia con mucha velocidad. Además su salida cambia, entre los límites fijados por los voltajes de saturación, +Vsat y - Vsat, alrededor de ± 12 V. Por tanto, su salida no puede alimentar dispositivos, como los CI de lógica digital TTL, que requieren niveles de voltaje entre 0 y +5 V, por lo que tuvimos que reducir ese voltaje por medio de otra configuración con otro Lm741 en donde modificamos el offset y la amplitud del voltaje de salida entre un valor de 4 [V]. Para los anchos de pulso, emplearemos la fórmula siguiente:
Para 90°:
Para 150°:
2 √ 12 2 12 112 2 2 6√ 2 8.48!" 5 3 0 √ 12 6 12 512 6 6 2√ 30 10.95!" 5.2. Simulación
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La etapa de control que se diseño se basa en esta simulación, que ciertamente, hubo diferencias a considerar.
Para la etapa de potencia, se simulo dos de las configuraciones pedidas, esperando obtener la otra requerida en base a este.
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* 2 PNP (TIP32) y 2 transistores NPN (TIP31)
* 2 MOSFET canal P (J449) y 2 MOSFET canal N (IRF610).
6. Resultados
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Como resultado se obtuvo un inversor monofásico de 22 [W] con una entrada de Vs = 22 [V] y una señal cuadrada de salida de 12 ¿? Vrms y una frecuencia de 60 [Hz] Generador de onda cuadrada con C.I lm55 en configuración astable con frecuencia de 120 Hz y ciclo de trabajo aprox 50%
Flip flop divisor de frecuencia fc= 2Fsal (obteniendo la misma señal, pero ahora a 60 Hz)
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Integrador “IC3” (donde metemos la señal cuadrada a 120 Hz obteniendo a la salida la señal triangular)
Amplificador "IC5" modifica offset y amplitud. • •
potenciómetro "VR2" modifica amplitud potenciómetro "VR3" modifica offset
Amplificador "IC6" sirve como comparador • •
potenciómetro VR1 modifica el ángulo de disparo Rectificamos la señal de salida (mediante el diodo).
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Entrada de señales a las compuertas and.
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7. Análisis de costos Los elementos empleados fueron adquiridos con el siguiente costo:
CANT 1 1 3 5 2 5 4 2 2 2 4
CANT 1 1m
ELEMENTO LM555 LS76 LM-741CN --R1/2W PC-10k --MF 50VC TIP31 TIP32 TP- J449 TN-IRF610 ------
DESCRIPCI N C.I. Timer Doble 8P Flip Flop jK Doble C.I. Amplificador Operacional Resistencias de carbón Potenciómetro de carbón Capacitor cerámico Transistor PNP Transistor NPN MOSFET P MOSFET N Diodos
MATERIAL CON QUE YA SE DISPONIA Foco de carro Alambre para conexión
PRECIO UNI $ 5.00 $ 15.00 $ 7.00 $ 4.00 $ 10.00 $ 5.00 $ 7.00 $ 7.00 $ 9.00 $ 9.00 $ 1.00
TOTAL
IMPORTE $ 5.00 $ 15.00 $ 21.00 $ 20.00 $ 20.00 $ 25.00 $ 28.00 $ 14.00 $ 18.00 $ 18.00 $ 4.00 $188.00
PRECIO SUGERIDO $ 30.00 $ 5.00
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8. Conclusiones Con este proyecto se trabajo otro tipo de convertidor que son de los mas usados. En el cual vimos desde el diseño la planeación, cálculos pruebas y resultados. Todo esto partiendo desde el principio de un inversor de onda completa, contemplando cuatro elementos que manejamos transistores o mosfet , los cuales encendidos en pares contrarios logra como resultado la conversión de una fuente de directa en una señal cuadrada de alterna. De este principio de inicio el trabajo, pues lo principal era encontrar las señales que encendieran los elementos de potencia principales en el inversor, de ahí que se manejaron varias señales, partiendo de una general de frecuencia alta, la cual pasamos por un Flip-Flop en configuración de divisor de frecuencia, con el cual se obtiene la frecuencia deseada. Al mismo tiempo integramos la señal de frecuencia alta, para tener una señal triangular a la cual poder aplicar un comparador y con esto obtener una serie de pulsos que comparándolos con la señal de salida del Flip-Flop, obtenemos como resultado las señales de control para los elementos de potencia, estas señales cumplen con el requisito indispensable de estar desfasadas 180° a fin de tener un optimo resultado en la señal del inversor. Esto nos llevo a implementar diversos elementos en su mayoría amplificadores operacionales en diferentes configuraciones, cada una teniendo alguna peculiaridad, pues el inversor nos creo una la señal deseada pero con offset el cual con otro amplificador operacional pudimos corregir, y asi enfrentar el problema que se planteó como proyecto. Durante la implementación del desarrollo se tomo muy en cuenta las señales de entrada como de salida para cada elemento eléctrico, para adecuar de ser necesario las señales y no afectar los elementos, al mismo tiempo de asegurar un optimo resultado.
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