Calvillo Cortés Carlos - Actividades Practicas (Potencia)

Universidad de GuadalajaraCentro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías

- CUCEI -

ELECTRÓNICA DE POTENCIA

ACTIVIDADES PRÁCTICAS

PRESENTADO POR:CALVILLO CORTES CARLOS FRANCISCO

PROFESOR:CÁRDENAS RODRÍGUEZ ROBERTO

GUADALAJARA JAL. A JUNIO 15 DE 2006.

http://www.cucei.udg.mx/

ÍNDICE Electrónica de Potencia

TABLA DE CONTENIDO

TABLA DE CONTENIDO.................................................................................................2

PRÁCTICA #1: GENERACIÓN Y MEDICIÓN DE ALTO VOLTAJE Y FILTRAJE DE RUIDO PARA CIRCUITOS DIGITALES..........................................................................3

PRÁCTICA #2: DETECCIÓN DE CAÍDA DE FASE DE UN SISTEMA TRIFÁSICO.......9

PRÁCTICA #3: SISTEMA SECUENCIAL DE TIRISTORES EN SERIE (ALARMA DE INGRESO NO AUTORIZADO).......................................................................................18

PRÁCTICA #4: SISTEMA DE TIRISTORES EN PARALELO (SEMÁFORO)...............28

PRÁCTICA #5: TEMPORIZADOR CON TIRISTORES..................................................33

PRÁCTICA #6: RELEVADOR DE ESTADO SÓLIDO SSR (SOLID STATE RELAY). .41

PRÁCTICA #7: DIMER DE CORRIENTE ALTERNA....................................................45

PRÁCTICA #8: MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO (PWM)...............................54

PRÁCTICA #9: INVERSOR DC - AC.............................................................................62

PRÁCTICA #10: INTERFAZ PARA MOTOR A PASOS BIPOLAR...............................67

PRÁCTICA #11: INVERSIÓN DE GIRO DE UN MOTOR TRIFÁSICO..........................80

Calvillo Cortés Carlos Francisco - CUCEI - 2

Práctica 1: Generación y Medición de Alto Voltaje Electrónica de Potencia

PRÁCTICA #1: GENERACIÓN Y MEDICIÓN DE ALTO VOLTAJE Y FILTRAJE DE RUIDO PARA CIRCUITOS DIGITALES

Objetivo

Diseñar, implementar y medir un circuito de generación de alto voltaje, mayor a 20 KV, a partir de un voltaje de alimentación de línea comercial de 127 VAC.Diseñar e implementar un filtro que inmunice circuitos digitales conectados a la línea de alimentación, del ruido que produce el generador de alto voltaje en funcionamiento.

Función del sistema

En una primera etapa de la práctica se debe construir un circuito que al ser alimentado por un voltaje de 127 VAC, produzca a su salida un voltaje mayor o igual a 20 KV. Cuando circuitos de este tipo están en función, suelen introducir mucho ruido a la línea de alimentación, por lo que la segunda parte de la práctica consiste en el diseño e implementación de un filtro que elimine dichos efectos sobre un circuito digital en operación simultánea.

Marco Teórico

Los elementos base para el diseño de la primera parte de la práctica (generación de alto voltaje) son un dispositivo FLC y un transformador Flyback.

Transformador Flyback o transformador de línea de salida (LOPT)

Un transformador Flyback, o transformador de línea de salida (LOPT) es un dispositivo de potencia utilizado para generar altos voltajes, por lo que es ampliamente utilizado para alimentar pantallas de televisiones, y monitores de computadora, entre otras aplicaciones.Estos transformadores convierten el voltaje de entrada de línea (dentro del rango de los 120 y los 240 voltios), en un voltaje de salida en el rango de los kilovoltios.La diferencia principal entre un transformador flyback y un transformador común, es que un flyback se diseña para guardar energía en su circuito magnético, es decir, funciona como un inductor puro, mientras que transformador común se diseña para transferir energía del primario al secundario con un mínimo de energía almacenada. En segundo lugar, un transformador flyback en su forma más simple tiene corriente que o fluye en su primario, o en su secundario (pero no ambos al mismo tiempo).En tercer lugar, la relugtancia del circuito magnético de un flyback, normalmente es mucho más alta que la un transformador común. Esto es debido a un espacio de aire (entrehierro) cuidadosamente calculado para almacenar energía (es un inductor).Cuarto, los voltajes aplicados a un flyback en el primario casi siempre son rectangulares (pulsos), mientras que los transformadores regulares normalmente tienen voltajes sinusoidales aplicados a ellos. Quinto, las corrientes que fluyen a través de cualquier lado de un flyback, crecen o disminuyen en forma de diente de sierra lineal, mientras que en un transformador común, normalmente tiene corrientes sinusoidales. Finalmente, debido a las propiedades de los materiales del núcleo, los flyback operan convenientemente en el rango de 10^3 a 10^6 Hz, mientras que los transformadores comunes tienen un rango mucho más ancho, de unos Hz a 10^12 Hz.



El origen del termino "Flyback"

En los EE.UU. (posiblemente en toda América), el transformador que genera el alto voltaje en un Televisor, Monitor, o otro equipo que usa TRC, se llama "Flyback" o "Transformador flyback". En otras partes del mundo, o es LOPT (Line OutPut Transformer), Transformador de salida de líneas o simplemente LOP.El término "Flyback" se origina probablemente, debido a que el pulso de alto voltaje que carga el condensador del TRC es generado por la contracción del campo magnético en el núcleo del transformador, durante el periodo de retraso del haz de electrones en el TRC, el cual "flies back" (vuela atrás) hasta el inicio de una nueva línea de barrido o exploración. El flujo en el núcleo cambia despacio durante el barrido y se corta abruptamente cambiando de polaridad (HOT) y haciendo conducir al diodo damper durante ese "flyback" o periodo de retraso.

La construcción del Flyback

Aunque los detalles pueden variar un poco, todos los flybacks consisten en un conjunto de bobinados con un núcleo de ferrita. También puede contener diodos de alto voltaje y divisores de resistencias (a menudo con potenciometros de ajuste) para el foco y screen (G2).Un flyback típico incluye los componentes siguientes:

Bobinado primario: un promedio de cien vueltas de alambre (ej., AWG #26). Esto es lo que se conecta en serie con el B+ al transistor de salida horizontal en un TV o monitor.

Bobinado de Alto Voltaje: varios miles de vueltas. Este bobinado puede dividirse en varias secciones con rectificadores de alto voltaje en serie con cada una o puede ser un solo bobinado. Una alternativa es un enrollado que proporcione un voltaje más bajo y que use un multiplicador de voltaje (escalera diodo-condensador) para alcanzar lo requerido por el TRC. Se usa alambre muy fino (ej., AWG #40). Lo primordial es alcanzar el alto voltaje necesario para alimentar el TRC con rectificador o multiplicador.

Algunos TV y monitores usan un multiplicador de voltaje, físicamente separado (externo al flyback). En este caso, el bobinado de alto voltaje del flyback genera unos 6 a 10 KVAC y el multiplicador eleva esto generalmente X3 o X4 a 20 a 30 KVDC. El divisor de foco y screen (G2) generalmente es parte del multiplicador en estos casos.

Divisor resistivo para el enfoque y aceleración (G2). Esto probablemente se alimentará de una única bobina de la serie (si las usa). A menudo se incluyen en el flyback, ajustes para el enfoque y screen de la imagen. Las conexiones de este divisor pueden estar conectadas a los pines en la base del flyback o pueden tener sus propias conexiones separadas, con cables que se conectan al zocate o la placa del TRC.

Bobinados auxiliares: de un par de espiras (para el filamento de TRC) a varios cientos (para una fuente reforzada). Proporcionan varios voltajes para el TV o monitor: el filamento de TRC, fuente para los circuitos lógicos y analógicos, etc. La medida de estos bobinados dependerá de los requisitos de cada caso. Están conectados a los pines para soldar en la base del flyback.

Núcleo de la ferrita: consistente en dos piezas en forma U sujetadas con abrazaderas, tornillos o pegadas. Entre ambas piezas hay unas aberturas de décimas de mm creadas por un par de espaciadores.

La mayoría del flybacks modernos tienen todos los bobinados en el mismo lado del núcleo. El primario y los bobinados auxiliares se enrollan separadamente, aislados bajo el bobinado de alto voltaje. Los bobinados de alto voltaje constituyen muchas capas y contienen material aislante entre ellas.



Los otros componentes se montan en una parte separada del bobinado y la unidad entera es rellenada con un compuesto Epoxy. Parte del núcleo queda generalmente accesible.Un flyback no es un transformador común. Su núcleo de ferrita tiene un espacio (entrehierro). Almacena energía en el campo magnético del núcleo durante el barrido con su corriente de rampa ascendente. También se acopla energía a ciertos secundarios durante el barrido. Sin embargo, la energía se envía casi exclusivamente al bobinado secundario de alto voltaje (HV) cuando la corriente del primario se corta al final del barrido o exploración (probablemente de esto proviene el nombre flyback, porque ocurre durante el retorno del haz de electrones).El tipo de acoplamiento depende de la dirección de los rectificadores en el secundario del flyback.La proporción del número de espiras para cada caso, no se calcula solo en base a los voltajes esperados sino también al campo magnético al momento del corte (determinado por el diseño del circuito de salida horizontal).El espacio o entrehierro es crítico para el funcionamiento apropiado y es normalmente determinado por algún separador de plástico.

Figura 1: Imagen de un Flyback (se pueden observar los pines de conexión)

FLC (Fire Lighter Circuit)

Este circuito consiste en un tiristor SCR con un diodo zener conectado entre el ánodo y gatillo del mismo como se muestra en la Figura 2.

SCR

200 V

FLC a) b)

Figura 2: a) Diagrama interno de un FLC, b) FLC01-200 utilizado.

Los pines correspondientes al FLC01-200 son 1: cátodo, 2: ánodo y el pin 3 permanece son conectar. El funcionamiento básico de un FLC es disparar el SCR sólo cuando entre sus terminales se ha superado el voltaje zener que en nuestro caso corresponde a 200 V.

Desarrollo



Diagrama a bloques

La Figura 3 presenta el diagrama a bloques del circuito:

Figura 3: Diagrama a bloques

Diagrama Esquemático

200V

FLC

1uF

1uF

1N4007

1N4007

1uF

1uF

Rs

1.0k

Lp

Ls

R110M

+

-

R2 1.0k

SALI DA H. V.

DI VI SOR DE VOLTAJ EAPROX 10, 000: 1

MULTI PLI CADOR DE VOLTAJ E

120 V 60 Hz 0Deg

A B

G

T

OSCI LOSCOPI O

FLYBACK

Funcionamiento del circuito

Multiplicador de Voltaje de media onda

En esta etapa el voltaje alterno de entrada (127 VAC) es rectificado en media onda y multiplicado cada semiciclo, produciendo un voltaje de salida de 2 x 127 = 252 VAC, éste voltaje provoca que el FLC se ponga en corto también cada semiciclo y entregue dicho voltaje a la bobina primaria del flyback el cual lo refleja en su salida aumentado aproximadamente 100 veces, generando así el alto voltaje requerido y el correspondiente arco eléctrico (siempre y cuando no exista nada conectado entre ellas y se cumpla la distancia para vencer la del aire).

Filtro LC y celda de Faraday

El filtro LC constituye un filtro pasa-banda, el filtro es comercial, se consiguió y no presentaba datos de su estructura interna, sólo se sabe que es una red LC interna, esto ayuda a eliminar los ruidos de alta y baja frecuencia (por encima y menores a 60 hz) que produce el circuito de


MULTIPLICADOR DE VOLTAJE

TRANSF.FLYBACK

127 VAC

Arco Eléctrico

20 KV

FILTRO LC

CELDA DE FARADAY

CIRC. DIGITALFTE. DE 12 VDC


generación de alto voltaje. Una celda de Faraday aisla cualquier circuito digital que esté en su interior del ruido electromagnético generado en este caso por el arco eléctrico a la salida del Flyback. Para comprobar la eliminación de ruido, se montó en proto un contador de 0 a 9 con salida a display de 7 segmentos, implementado con un microcontrolador AVR ATtiny2313, el código ensamblador de dicho contador se muestra a continuación.

.include "tn2313def.inc";

.device ATtiny2313

.def temp = r16

.set A = 93

.set B = 38

.set C = 11

RESET: ldi temp, low (ramend) ;Inicializacion del stack pointer out spl, temp INICIO: ldi temp, $FF

out ddrb, temp

PROGRAMA:

ldi temp, $FCout portb, temprcall RETARDO

ldi temp, $60out portb, temprcall RETARDO

ldi temp, $DAout portb, temprcall RETARDO

ldi temp, $F2out portb, temprcall RETARDO

ldi temp, $66out portb, temp

rcall RETARDO

ldi temp, $B6out portb, temprcall RETARDO

ldi temp, $BEout portb, temprcall RETARDO

ldi temp, $E0out portb, temprcall RETARDO

ldi temp, $FEout portb, temprcall RETARDO

ldi temp, $F6out portb, temprcall RETARDOrjmp PROGRAMA

RETARDO:

ldi r29,A ldi r30,B ldi r31,C

AQUI:

dec r29 brne AQUI dec r30 brne AQUI

dec r31 brne AQUI

nop ret

En este caso la celda de Faraday se logró envolviendo el circuito digital con papel aluminio permitiendo sólo que se asomara el display de 7 segmentos. Mientras se generaba el arco eléctrico, el contador funcionó de manera normal con la etapa de filtraje y la celda de Faraday; sin éstos elementos, el conteo hacía brincos aleatorios.



Divisor de voltaje

El divisor de voltaje esta conformado por una resistencia R1 de 10 MΩ en serie con R2 de 1 KΩ y se emplea para monitorear el voltaje que entrega el flyback a la salida, cuando este se conecta a las terminales de la bobina secundaria no hay arco eléctrico y se puede medir con un osciloscopio el voltaje que cae en la resistencia R2 (1 KΩ) para no dañarlo, entonces el votaje total estará dado por la ecuación .

Resultados

La Figura 4 muestra una imagen capturada por el osciloscopio del voltaje en R2, y calculando el voltaje total según la ecuación , tenemos un voltaje de aproximadamente 35 KV a la salida del Flyback, lo cual generó un arco eléctrico de aproximadamente 2 cm.

Figura 4: Imagen de osciloscopio: voltaje en R2

Conclusiones

El circuito de generación de alto voltaje resulta muy fácil de realizar, la única dificultad compete al uso del Flyback, del cual primero hay que identificar las terminales tanto de sus inductores primario y secundario. Éste tipo de circuitos resultan de gran utilidad por ejemplo en el encendido de estufas de manera eléctrica, evitando así el uso de cerillos, o en el tubo de rayos catódicos (CRT) de la mayoría de las televisiones y monitores actuales, aunque para esto último se requiere circuitería más compleja.La desventaja de este tipo de circuitos es que en función generan mucho ruido que se propaga a la línea de alimentación y también mucho ruido por radiación que sin el debido tratamiento puede enloquecer a los circuitos digitales cercanos o que comparten la misma red de alimentación.


Práctica 2: Detección de caida de Fase Electrónica de Potencia

PRÁCTICA #2: DETECCIÓN DE CAÍDA DE FASE DE UN SISTEMA TRIFÁSICO

Objetivo

Diseñar e implementar un circuito que detecte la caída de una o más fases de un sistema trifásico que alimenta a un motor.

Funcionamiento del sistema

Un motor trifásico funciona en condiciones normales con tres fases. Cuando sólo dos de esas tres fases están en función, el motor funciona pero de manera forzada y con el paso del tiempo este forzamiento puede llegar a quemar los filamentos con que están hechos los inductores del mismo. Con una sóla fase el motor trifásico no funciona.Debido a lo anterior, el circuito de esta práctica debe detectar la caída de cualquiera de las tres fases de un sistema trifásico que alimenta a un motor en funcionamiento, cuando se presente esta condición el circuito debe interrumpir todas las fases para evitar que el motor esté trabajando forzado con dos fases; si dos fases se caen, actuará de la misma manera.

Marco Teórico

Sistema de alimentación Trifásico

Corriente trifásica

La generación trifásica de energía eléctrica es la forma más común y la que provee un uso más eficiente de los conductores. La utilización de electricidad en forma trifásica es común mayoritariamente para uso en industrias donde muchas de las máquinas funcionan con motores para esta tensión.La corriente trifásica está formada por un conjunto de tres formas de onda, desfasadas una respecto a la otra 120 grados, según el diagrama que se muestra en la Figura 5.Las corrientes trifásicas se generan mediante alternadores dotados de tres bobinas o grupos de bobinas, arrolladas sobre tres sistemas de piezas polares equidistantes entre sí. El retorno de cada uno de estos circuitos o fases se acopla en un punto, denominado neutro, donde la suma de las tres corrientes es cero, con lo cual el transporte puede ser efectuado usando solamente tres cables.

Figura 5: Formas de onda de un sistema de alimentación trifásico


Conexión delta

Si llamamos a los conductores trifásicos L1, L2 y L3, entonces se conectará el primer imán a L1 y L2, el segundo a L2 y L3 y el tercero a L3 y L1. Este tipo de conexión se denomina conexión triángulo, ya que los conductores se disponen en forma de triángulo. Habrá una diferencia de tensión entre cada dos fases que en sí misma constituye una corriente alterna. La diferencia de tensión entre cada par de fases será superior a la tensión que definíamos en la página anterior; de hecho será siempre 1,732 veces superior a esa tensión (1,732 es la raíz cuadrada de 3).

Conexión estrella

Sin embargo, existe otra forma en la que una red trifásica puede ser conectada:

También puede conectar uno de los extremos de cada una de las tres bobinas del electroimán a su propia fase, y después conectar el otro extremo a una conexión común para las tres fases. Esto puede parecer imposible, pero considere que la suma de las tres fases es siempre cero y se dará cuenta de que esto es, de hecho, posible.

Motores de inducción de corriente alterna (CA)

Fundamentos teóricos

Los motores asíncronos son máquinas rotativas de flujo variable y sin colector. El campo inductor está generado por corriente alterna. Generalmente, el inductor está en el estator y el inducido en el rotor.Son motores que se caracterizan porque son mecánicamente sencillos de construir, lo cual los hace muy robustos y sencillos, apenas requieren mantenimiento, son baratos y, en el caso de motores trifásicos, no necesitan arrancadores (arrancan por sí solos al conectarles la red trifásica de alimentación) y no se ven sometidos a vibraciones por efecto de la transformación de energía eléctrica en mecánica, ya que la potencia instantánea absorbida por una carga trifásica es constate e igual a la potencia activa. Estas son las principales ventajas que hacen que sea ampliamente utilizado en la industria.


Como inconvenientes, podemos mencionar que son motores que tienen bajos pares de arranque, que presentan una zona inestable de funcionamiento y que el control de velocidad en amplios rangos es complejo.Se pueden clasificar atendiendo a varios criterios, así tenemos:Según el número de devanados en el estator:

Monofásicos: tienen un sólo devanado en el estator. Se utilizan en aplicaciones tanto en el hogar como en la industria (bombas, ventiladores, lavadoras, electrodomésticos en general, pequeñas máquinas-herramientas, etc.)

Bifásicos: tienen dos devanados en el estator. Estos devanados están desfasados π/(2P), siendo P el número de pares de polos de la máquina, en el espacio. Se suelen utilizar en aplicaciones de control de posición.

Trifásicos: tienen tres devanados en el estator. Estos devanados están desfasados 2·π/(3P), siendo P el número de pares de polos de la máquina, en el espacio. Se suelen utilizar en aplicaciones industriales: máquinas-herramientas (tornos, fresadoras, cepilladoras, etc.), grúas, bombas, compresores, ventiladores, etc.

Según el tipo de inducido

Rotor devanado.

Rotor de Jaula de ardilla

Principio de funcionamiento

Para explicar el funcionamiento de un motor asíncrono trifásico, nos vamos a servir de un símil sencillo. Supongamos que tenemos un imán moviéndose a lo largo de una escalerilla conductora tal y como se indica en la figura adjunta:Este imán en su desplazamiento a velocidad v provoca una variación de flujo sobre los recintos cerrados que forman los peldaños de la escalera. Esta variación de flujo genera una f.e.m., definida por la Ley de Faraday, e= - (dφ / dt), que a su vez hace que por dichos recintos circule


una corriente i. Esta corriente eléctrica provoca la aparición de una fuerza sobre la escalera definida por:

f= i·(l x B) (en negrita: vectores)Que hace que la escalera se desplace en el mismo sentido que lo hace el imán. Ha de tenerse en cuenta que la escalera nunca podrá desplazarse a la velocidad del imán, debido a dos razones fundamentalmente: la primera porque hay unas pérdidas por rozamiento que se lo impiden y la segunda, que en el supuesto caso de que se desplazase a la misma velocidad que el imán, la variación de flujo sobre los recintos cerrados sería nula, y por tanto la f.e.m. inducida también y por tanto la fuerza resultante también sería nula.Si se desea que la escalera se desplace en sentido contrario basta con que el imán se desplace ensentido contrario para conseguir este efecto.Una vez analizado este caso sencillo, analicemos el motor asíncrono. Para seguir el paralelismo con el caso anterior, nótese que la escalera no es más que el desarrollo lineal de un rotor en jaula de ardilla. Ahora bien, ¿cómo se puede generar el efecto del imán que se desplaza alrededor del rotor? Para conseguir este efecto (campo giratorio de amplitud y velocidad de giro constante), utilizamos corrientes trifásicas equilibradas, tal y como se observa en la figura adjuntaSean:

ia= I0·cos (ω1·t)ib= I0·cos (ω1·t - 2·π/3)ic= I0·cos (ω1·t + 2·π/3)

Las corrientes trifásicas equilibradas introducidas por cada uno de los devanados del motor.Estas corrientes generan los siguientes campos magnéticos:

ia → Ba= K· ia·cos (θ)ib → Bb= K· ib·cos (θ - 2·π/3)ic → Bc= K· ic·cos (θ + 2·π/3)

El campo magnético resultante esBTOTAL= Ba + Bb + Bc = (3/2)· K·I0· cos (p·θ - ω1·t),

Que es un campo giratorio de amplitud constante, (3/2)·K·I0 , y de velocidad de giro, alrededor del rotor, también constante y de valor

ωs= ω1 / PDonde ω1 es el valor de la frecuencia de las corrientes inductoras del estator, y P es el número de pares de polos de la máquina.A ωs se le denomina velocidad de sincronismo (es la velocidad de giro del campo giratorio).

Cambio del sentido de giro de un motor asíncrono trifásico

Para invertir el sentido de giro de un motor asíncrono trifásico, basta con invertir el sentido de giro del campo magnético giratorio, para lo cual hay que intercambiar dos fases cualesquiera entre sí, de tal forma que si las corrientes trifásicas equilibradas son de la forma:

ia= I0·cos (ω1·t) ; se introduce por el devanado aib= I0·cos (ω1·t - 2·π/3) ; se introduce por el devanado cic= I0·cos (ω1·t + 2·π/3) ; se introduce por el devanado b

Estas corrientes generan los siguientes campos magnéticos:ia → Ba= K· ia·cos (θ)ib → Bb= K· ib·cos (θ + 2·π/3)ic → Bc= K· ic·cos (θ - 2·π/3)

El campo magnético resultante es:BTOTAL= Ba + Bb + Bc = (3/2)· K·I0· cos (p·θ + ω1·t),


Que es un campo giratorio de amplitud constante, (3/2)·K·I0 , y de velocidad de giro, alrededor del rotor, también constante y de valor:ωs= ω1 / PPero de sentido contrario al del caso anterior.En la Figura 6 se muestra un ejemplo de la inversión de giro

Figura 6: Ejemplos de inversión de giro de un motor trifásico

Deslizamiento

Como anteriormente se argumentó, un motor asíncrono no puede alcanzar por sí mismo la velocidad de sincronismo. Para medir la relación entre la velocidad de giro del eje del rotor y la velocidad de giro del campo giratorio se define el deslizamiento de la siguiente forma:

s= [ωs - ω ] / ωs

De donde, la velocidad de giro de la máquina, ω, pude escribirse como:ω= ωs·(1 - s)

Motor con rotor devanado

Los devanados del rotor son similares a los del estator con el que está asociado. El número de fases del rotor no tiene porqué ser el mismo que el del estator, lo que sí tiene que ser igual es el número de polos.Los devanados del rotor están conectados a anillos colectores montados sobre el mismo eje.

Figura 7: Rotor devanado


Figura 8: Cortes de un motor devando

Motor con rotor en jaula de ardilla

Es el más utilizado. Los conductores del rotor están igualmente distribuidos por la periferia del rotor. Los extremos de estos conductores están cortocircuitados, por tanto no hay posibilidad de conexión del devanado del rotor con el exterior.

Figura 9: Rotor de Jaula de ardilla


Figura 10: Despiece de un rotor de Jaula de ardilla

Ventajas de motores trifásicos sobre monofásicos

La principal aplicación para los circuitos trifásicos se encuentra en la distribución de la energía eléctrica por parte de la compañía de luz a la población. Nikola Tesla probó que la mejor manera de producir, transmitir y consumir energía eléctrica era usando circuitos trifásicos.Algunas de las razones por las que la energía trifásica es superior a la monofásica son :• La potencia en KVA (Kilo Volts Ampere) de un motor trifásico es aproximadamente 150% mayor que la de un motor monofásico.

• En un sistema trifásico balanceado los conductores necesitan ser el 75% del tamaño que necesitarían para un sistema monofásico con la misma potencia en VA por lo que esto ayuda a disminuir los costos y por lo tanto a justificar el tercer cable requerido.

• La potencia proporcionada por un sistema monofásico cae tres veces por ciclo. La potencia proporcionada por un sistema trifásico nunca cae a cero por lo que la potencia enviada a la carga es siempre la misma.

Desarrollo

Diagrama a bloques

La Figura 11 presenta el diagrama a bloques del circuito:



Rectificación y Filtrado

En esta sección se toma cada fase respecto al neutro, se aplica a un divisor de voltaje conformado por las resistencias de 100 KΩ y 10 KΩ, se rectifica en onda completa y se filtra para obtener un voltaje de control en corriente continua, el cual servirá posteriormente para saber si está o no presente dicha fase.

Detección de caída de fase (comparación)

La detección de caída de fase se logra comparando el voltaje de control obtenido en la etapa de rectificación y filtrado de cada fase, con un voltaje de referencia; en la Figura 12, se observa que los comparadores están en configuración no-inversora, de esta manera cuando el voltaje de control supera al voltaje de referencia (esto es la fase está presente), a la salida del comparador se presenta el voltaje de saturación positivo el cual hace dos funciones: la primera, mantener encendido un LED indicador de presencia de fase y la segunda mantiene un transistor NPN saturado es decir en términos lógicos envía un uno a la AND que forman los tres transistores conectados a la salida de los comparadores.

Lógica de control e interrupción de la alimentación al motor

En la Figura 12 se observan tres transistores conectados cada uno a la salida de un comparador, éstos están conectados de manera que forman una compuerta AND de tres entradas. Si las tres fases del sistema de alimentación están presentes, los 3 comparadores tendrán a su salida un voltaje de saturación positivo, el cual mediante una resistencia, actúan en la base de los transistores llevándolos a saturación y activando de esta manera las 3 bobinas de relevadores colocadas en el colector del transistor Q1. Estas bobinas (R1, R2 y R3) cierran sus respectivos contactos permitiendo así el flujo de corriente hacia el motor trifásico.Si cualquiera de las fases se cae, entonces la etapa de comparación de dicha fase presentará un cero a su salida, desactivando con esto al transistor correspondiente que al formar parte de una compuerta AND hará que las bobinas de los tres relevadores se desactiven, con ello sus respectivos contactos y así queda interrumpida la alimentación al motor previendo cualquier daño por funcionamiento forzado del mismo.

COMPARACIÓN(DETECCIÓN)

PERMISIVO DE ALIMENTACIÓN

AL MOTOR

RECTIF. YFILTRADOL1


RECTIF. YFILTRADOL2


RECTIF. YFILTRADOL3

ALIMENTACIÓN

TRIFÁSICA AND

M


Diagrama Esquemático

1B4B421

2

4

3

10k

100k

1000uF

10KLM324N

3

2

11

4

1

LM324N

5

6

11

4

7

LM324N

10

9

11

4

8

12V

10K1.0k

2N3904

1.2k

C C C

1N4007

1B4B421

2

4

3

10k

100k

1000uF

10K

12V

10K1.0k

2N3904

1.2k

1B4B421

2

4

3

10k

100k

1000uF-POL1000uF

10K

12V

10K1.0k

2N3904

1.2k

M

L2

L3

N

MOTOR TRIFÁSICO

R1

R2

R3

R1

R2

R3

BOBNIAS DERELEVADORES

RECTIF. YFILTRADO

DIVISIÓN DE VOLTAJE

COMPARACIÓN

FALLA EN FASE 1

FALLA EN FASE 2

FALLA EN FASE 3

L1

Figura 12: Diagrama esquemático (detección de caída de fase)

Ajustes

Para realizar los ajustes se emplean los potenciómetros tanto del voltaje de control como del voltaje de referencia de cada etapa de comparación. Siendo el ajuste similar para las tres fases puesto que son similares condiciones de trabajo.

Conclusiones

Este circuito resulta muy útil, de bajo costo y relativa sencillez, radicando la dificultad como en la mayoría de los casos, en la calibración de los voltajes de control y referencia para la detección de la falla de las fases. Es importante siempre que se trabaja con motores trifásicos implementar circuitos de este tipo puesto que si un motor funciona con dos fases, aparentemente funciona con normalidad pero en realidad lo hace de manera forzada y esto puede causar su deterioro y cese de funcionamiento.

Práctica 3: Sistema secuencial de tiristores (Alarma) Electrónica de Potencia

PRÁCTICA #3: SISTEMA SECUENCIAL DE TIRISTORES EN SERIE (ALARMA DE INGRESO NO AUTORIZADO)

Objetivo

Diseñar e implementar un sistema de alarma de ingreso no autorizado por medio de un sistema secuencial de tiristores en serie.


El sistema está planeado para una alarma de ingreso no autorizado a un automóvil. Cuenta con un teclado conformado por 10 dígitos, con el cual se debe introducir una contraseña de 4, al inicio se presupone que el dueño del carro está en su interior y el sistema está desactivado; el dueño teclea la contraseña para activar la alarma, pues ya lo va a abandonar, una vez que la tecleó el sistema da un tiempo de aproximadamente 1 minuto para que salga del automóvil, pasado este tiempo el sistema se activa y queda en espera de la señal de los sensores (en puertas, cajuela, sensores de vibración, etc.; en está practica los sensores los conforman un sistema de optoacoplamiento y un push-button que representa la señal de cualquier sensor real). Si una vez que el sistema esta en espera de señales de sensores, se presenta alguna de ellas, por ejemplo de que se haya abierto una puerta, el sistema da un tiempo de aproximadamente 1 minuto para que se introduzca el código correcto en el teclado y así desactivar el sistema o si pasado el tiempo no se introdujo empieza a sonar la alarma (que en ésta práctica es un buzzer) por un tiempo de aproximadamente 10 minutos. Al pasar este tiempo el buzzer se calla pero el sistema sigue en estado sensible a señales de sensores hasta que se introduzca el código correcto para su desactivación, código que sólo debe conocer el dueño del automóvil.

Marco Teórico

Tiristores

El tiristor es un dispositivo semiconductor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. Un tiristor posee tres conexiones: ánodo, cátodo y puerta. La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Los tiristores se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia y de control. Podríamos decir que un tiristor funciona como un interruptor electrónico.

Técnicas de conmutación de tiristores.

Por lo común un tiristor se activa mediante un pulso de señal de compuerta. Cuando el tiristor esta en modo de conducción, su caída de voltaje es entre 0.25 y 2 V. Una vez activado el tiristor y satisfecho los requisitos de la carga, por lo general es necesario desactivarlo; esto significa que ha cesado la conducción directa del tiristor y que la reaplicación de un voltaje positivo al ánodo no causara un flujo de corriente, sin la correspondiente aplicación de la señal de compuerta.La conmutación es el proceso de desactivación de un tiristor, y por lo general causa la transferencia del flujo de corriente a otras partes del circuito. Normalmente, para llevar a cabo la desactivación en un circuito de conmutación se utilizan componentes adicionales. Junto con el desarrollo de los tiristores, se han desarrollado muchos circuitos de conmutación, cuyo objetivo es reducir el proceso de desactivación de tiristores.Los tiristores juegan un papel importante en las aplicaciones de alto voltaje y alta corriente, generalmente por arriba de 500 A y de 1 KV. Las Técnicas de conmutación utilizan resonancia


LC (o un circuito RLC subamortiguado) para obligar a la corriente o el voltaje de un tiristor a pasar por cero, desactivando por lo tanto el dispositivo de potencia.Las Técnicas de conmutación ponen de manifiesto las formas de onda del voltaje y la corriente transitorios de los circuitos LC bajo varias condiciones. Esto ayuda en la comprensión del fenómeno transitorio de CD bajo condiciones de interrupción o de conmutación.Se pueden clasificar dos Técnicas principales de conmutación que son:

Conmutación natural

Si el voltaje de alimentación es de CA, la corriente del tiristor pasa a través de un cero natural, y a través del tiristor aparece un voltaje inverso. El dispositivo queda desactivado en forma automática debido al comportamiento natural del voltaje de la alimentación. Esto se conoce como conmutación natural o de línea. En la práctica el tiristor se dispara en forma sincrónica con el cruce por cero del voltaje positivo de entrada en cada ciclo, a fin de suministrar un control continuo de potencia. Este tipo de conmutación se aplica a controladores de voltaje de CA, a rectificadores controlados por fase y a ciclo convertidores.El ángulo de retraso se define como el ángulo existente entre el cruce por cero del voltaje de entrada y el instante en que el tiristor se dispara.

Conmutación forzada

En algunos circuitos de tiristor, el voltaje de entrada es CD, para desactivar al tiristor la corriente en sentido directo del tiristor se obliga a pasar por cero utilizando un circuito adicional conocido como circuito de conmutación. Esta técnica se conoce como conmutación forzada y por lo común se aplica a los convertidores de CD a CD (pulsadores) y en convertidores de CD a CA (inversores). La conmutación forzada de un tiristor se puede lograr de siete maneras diferentes, que pueden clasificarse como:

Autoconmutación Conmutación por impulso Conmutación por pulso resonante Conmutación complementaria Conmutación con pulso externo Conmutación del lado de la carga

Esta clasificación de las conmutaciones forzadas se basa en la disposición de los componentes del circuito de conmutación y en la forma en que la corriente de un tiristor se fuerza a cero. El circuito de conmutación esta formado por lo general de un capacitor, un inductor y uno o más tiristores o diodos.

Autoconmutación

El tiristor es desactivado debido a las características naturales del circuito. Con condiciones iniciales Vc(t=0) = 0 e i(t=0) = 0, la solución de la corriente de carga i como

, y el voltaje del capacitor: , donde:


Después del tiempo t = to, la corriente de carga se convierte en cero y el tiristor se desactiva. Una vez que el tiristor es disparado, existe un retraso de to segundos antes de que T1 sea desactivado, a este tiempo se le llama tiempo de conmutación del circuito.

Conmutación por impulso

El tiristor T1 esta conduciendo inicialmente. Cuando se dispara el tiristor auxiliar T2, el T1 queda con polarización inversa, debido al voltaje del capacitor, y T1 se desactiva, el capacitor se carga desde -Vo hasta cero y la corriente dejara de fluir y desactivara al T2. El tiempo requerido para que se descargue el capacitor desde -Vo hasta cero se conoce como tiempo de desactivación del circuito toff y debe ser mayor que el tiempo de desactivación del tiristor tq. toff también se conoce como tiempo disponible de desactivación. El tiempo de desactivación depende de la corriente de carga, si es constante esta dado por

Dado que se aplica un voltaje inverso de Vo a través del tiristor T1 inmediatamente después del disparo del tiristor T2, esto se conoce como conmutación por voltaje. Debido a la utilización de un tiristor auxiliar T2, a este tipo de conmutación también se conoce como conmutación auxiliar.El tiempo de desactivación del circuito, toff, es inversamente proporcional a la corriente de carga; sí, para una carga muy pequeña o una corriente de baja carga, el tiempo de desactivación será muy grande y para una corriente de carga alta el tiempo de desactivación será pequeño.

Conmutación por pulso resonante

Cuando se dispara el tiristor T2, se forma un circuito resonante constituido por L, C. Debido a la corriente de resonancia, la corriente en sentido directo del tiristor T1 se reduce a cero en t = t1, cuando la corriente de resonancia se iguala con la corriente de carga Im. El tiempo t1 debe satisfacer la condición i(t =t1) = Im, y se determina como

La corriente a través del tiristor T1 dejara de fluir y el capacitor se volverá a cargar a una velocidad determinada por la corriente de carga Im. El capacitor se descargara desde -V1 hasta cero y su voltaje empezara a elevarse hasta el voltaje de CD de la fuente. La energía almacenada en el inductor L debido a la corriente de pico de la carga Im se transfiere al capacitor, haciendo que se sobrecargue. El voltaje del capacitor se invierte desde Vc (=Vo) hasta –Vo mediante el disparo de T3. El tiristor T3 esta autoconmutado.

Conmutación complementaria

La conmutación complementaria se utiliza para transferir corriente entre dos cargas. El disparo de un tiristor conmuta a otro. Cuando se dispara el tiristor T1, la carga con R1 se conecta el voltaje de alimentación, Vs, y al mismo tiempo se carga el capacitor C hasta Vs a través de la otra carga con R2. La polaridad del capacitor C es como aparece en la Figura 13.


Figura 13: Conmutación complementaria de un tiristor.

Cuando se conecta el tiristor T2, el capacitor queda colocado a través del tiristor T1 y la carga con R2 se conecta al voltaje de alimentación, Vs. T1 adquiere polarización inversa y se desactiva por medio de la conmutación por impulso. Una vez desactivado el tiristor T1, el voltaje del capacitor se invierte a -Vs a través de R1, T2 y la alimentación. Si el tiristor T1 se vuelve a disparar, el tiristor T2 se desactiva y el ciclo se repite.

Conmutación por pulso externo

Para desactivar un tiristor que esta conduciendo, se utiliza un pulso de corriente que se obtiene de un voltaje externo. En la figura se muestra un circuito de tiristor mediante la conmutación de pulso externo y dos fuentes de alimentación. Vs es el voltaje de la alimentación principal y V es el voltaje de la fuente auxiliar.Si se dispara T3, el capacitor se cargara a partir de la fuente auxiliar. Suponiendo que el capacitor al principio no estaba cargado, un pulso resonante de corriente pico, fluirá a través de T3, y el capacitor se cargara hasta 2V. Si T1 esta conduciendo y se aplica una corriente de carga a partir de la fuente principal Vs, el disparo de T2 aplicara un voltaje inverso Vs - 2V a través de T1; y T1 se desactivara. Una vez desactivado, el capacitor se descargara a través de la carga a una velocidad determinada por la magnitud de la corriente de carga Im.En todos estos métodos la conmutación se produce por el lado de la carga.

Tiristores SCR

Dentro de la familia de los dispositivos pnpn (tiristores), el rectificador controlado de silicio (SCR) es incuestionablemente el de mayor interés hoy en día. Se introdujo por primera vez en 1956 en los Bell Telephone Laboratories. Unas cuantas de las áreas más comunes de aplicación para los SCR incluyen los controles de relevadores, los circuitos de retraso de tiempo, las fuentes de alimentación reguladas, los interruptores estáticos, los controles de motores, muestreadotes (chopera), inversores, ciclo convertidores, cargadores de baterías, circuitos de protección, controles de calefacción, y controles de fase.En los últimos años, los SCR se han diseñado para controlar potencias tan altas como 10 MW con valores nominales individuales tan elevados 2000 a 1800V. Su intervalo de frecuencia de aplicación se ha extendido también a cerca de 50 KHz, permitiendo algunas aplicaciones de alta frecuencia, tales como calentamiento por inducción y limpieza ultrasónica.

Operación básica del SCR.

Como la terminología indica, el SCR es un rectificador construido de material de silicio con una tercera terminal con propósitos de control. Se eligió al silicio debido a su elevada capacidad de


temperatura y potencia. La operación básica del SCR es diferente a la del diodo semiconductor fundamental de dos capas donde una tercera terminal, llamada compuerta, determina cuando el rectificador conmuta del estado de circuito abierto a corto circuito.El símbolo gráfico para el SCR se muestra en la Figura 14.

a) b)

Figura 14: a) Estructura interna de un SCR b) símbolo de un SCR

Con las conexiones correspondientes a la estructura semiconductora de cuatro capas. Como se indica en la figura, si se va a establecer la conducción directa, el ánodo ser positivo con respecto al cátodo. Sin embargo, este no es un criterio suficiente para activar el dispositivo. También debe aplicarse en la compuerta un pulso de magnitud suficiente para establecer una corriente de disparo.

Figura 15: Circuito Tiristor SCR en conducción y su característica V-I

Triac

Un Triac es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores . La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el triac es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el triac es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna.Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos tiristores en antiparalelo.Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta. El disparo del triac se realiza aplicando una corriente al electrodo puerta.

http://es.wikipedia.org/wiki/Tiristores

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Interruptor&action=edit

http://es.wikipedia.org/wiki/Tiristor

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Thyristor.png

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Thyristor_circuit_symbol.png


Aplicaciones más comunes

Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales.

a) b)Figura 16: Estructura interna (a) y símbolo (b) de un triac.

Diac

El DIAC es un dispositivo semiconductor de dos conexiones. Es un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente sólo tras haberse superado su tensión de disparo, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor característico para ese dispositivo. El comportamiento es fundamentalmente el mismo para ambas direcciones de la corriente. La mayoría de los DIAC tienen una tensión de disparo de alrededor de 30 V. En este sentido, su comportamineto es similar (pero controlado de forma mucho más precisa y a una tensión menor) a una lámpara de neón.Los DIAC son una clase de tiristor, y se usan normalmente para disparar los triac, otra clase de tiristor.Es un dispositivo semiconductor de dos terminales, llamados anodo y catodo. Actua como un interruptor bidireccional el cual se activa cuando el voltaje entre sus terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre 20 y 36 volts según la referencia.El DIAC es básicamente una combinación paralela inversa de dos terminales de capas de semiconductor que permiten el disparo en cualquier dirección. Las características del dispositivo muestran que hay un voltaje de ruptura en ambas direcciones. Esta posibilidad de una condición de encendido en cualquier dirección puede usarse al máximo para aplicaciones en AC.

Desarrollo

Diagrama a bloques

La Figura 17 presenta el diagrama a bloques del sistema:

http://es.wikipedia.org/wiki/Triac

http://es.wikipedia.org/wiki/Tiristor

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=L%C3%A1mpara_de_ne%C3%B3n&action=edit

http://es.wikipedia.org/wiki/Voltio

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Tensi%C3%B3n_de_disparo&action=edit

http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Interruptor_m%C3%A9canico&action=edit

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Interruptor_est%C3%A1tico&action=edit



El diagrama a bloques ilustra de manera gráfica como va siendo el comportamiento secuencial de esta práctica, de manera similar a como se explica en la sección de funcionamiento del sistema, a continuación se muestra el diagrama eléctrico.

ESPERA DE SENSORES

TIEMPO PARADESACTIVAR

CHEQUEO DE CONTRASEÑA

TECLADO

FLIP-FLOP JK

TIEMPO PARA SALIR

ACTUADORES

BUZZER LUZ

TIRISTORESEN SERIE

TIEMPO QUE DURAN LOS ACTUADORES

ENCENDIDOSCódigocorrecto

INICIO(Sistema desactivado)

Códigoincorrecto

Práctica 3: LDR – Sistema de respaldo de iluminación Transductores y Acondicionamiento de Señales

Diagrama Eléctrico

VCC

12V

P1 P2 P4 P6 P7

100uF

R2 220

R3

3.3kQ1

2N3904

CR

Rel1

P8

D2C106BR5

10k

R8330

P5

D3C106B

R9330

P9

D4C106B

R10330 74hHC112

J

K Q Q2

2N3904

CR

Rel2

R6

1.0k

D1

R11.2k

R4100k

220uF

Q3

2N6027

R1110k

P1

CRA

D5C106B

RA

A

B

A

B

D6

R121.2k

D9C106B

SENSOR

R19

3.3k

R20100k

220uF

Q5

2N6027

R2510k

P2 50%

D10C106B

Q4

2N3906

R18

1.0k

RBRB

R13100k

555

GND

3

DIS2

OUT4

RST5

VCC

8

THR6

CON1

TRI7

10nF

43k

470uF

Q6

2N3904

CRRB

R23

1.0k

D7

R151.2k

555

GND

3

DIS2

OUT4

RST5

VCC

8

THR6

CON1

TRI7

10nF

22k

22k

10uF Q7

2N3904

CR

RC

R24

1.0k

D8

R171.2k

ASTABLEF=1kHZ

BUZZER

P3

VCC

12V

INDICADOR

V1

120 V60 Hz0Deg

UBICACIÓN DE BOTONES DE TECLADO

TIRISTORES (SCR) EN SERIE

FLIP-FLOP JK

TIEMPO PARA SALIR

TIEMPO PARA DESACTIVAR UNA VEZ PRESENTE SEÑAL DE SENSOR

MONOESTABLE: TIEMPO QUESUENA LA ALARMA

ASTABLE: INTERMITENCIA DEBUZZER E INDICADOR

ACTUADORES FINALES DE LA ALARMA

Figura 18: Diagrama eléctrico.



Funcionamiento del Circuito

La sección que hace el chequeo de la contraseña está constituida por los botones del teclado (push – buttons) y una serie de SCR’s. Dividiremos el análisis del circuito en etapas.

1- Etapa inicial, sistema desactivado: (dueño del automóvil dentro de él)

Partiremos de que el dueño del carro va a salir de él y desea activar el sistema para que esté alerta a intrusiones. Para esto se debe teclear un código determinado y salir del auto antes de un tiempo determinado. A continuación se describe cómo funciona el detector de código.Según se observa en la Figura 18, la ubicación de los botones en el circuito es la que determina la contraseña correcta la cual es P3-P8-P5-P9. Esta parte del circuito esta diseñada para que se tenga que introducir la contraseña en el orden exacto de dígitos y en un intervalo de tiempo determinado en este caso por el capacitor de 100uF, es decir que no basta con apretar los botones en el orden mencionado si no que además se debe hacer en un tiempo que empieza a contar cuando se presiona el P3. Al presionar el botón P3, se carga el capacitor y se activa el transistor Q1 que activa el relevador Rel1 que es un permisivo para que la sección de SCRs funcione, al soltar P3, el capacitor queda cargado pero comienza a descargarse; para que la alarma se active (código correcto) se deben presionar ahora P8, P5 y P9 en ese orden, lo cual como se ve en el diagrama activa los SCRs, todo esto antes de que el capacitor se descargue y desactive Q1, si después de presionar P3, se presiona otro botón que no corresponde a la secuencia correcta, se provoca una descarga rápida del capacitor con lo que se deshabilitan los SCRs.Si se logra ingresar la contraseña correcta, entonces se activa el Flip-Flop JK cambiando de su estado inicial 0 a 1, con lo cual se activa Q2.

2.- Tiempo para salir una vez ingresado el código

Una vez que se ah activado Q2, se activa un temporizador basado en un PUT (Q3), el tiempo de éste lo determina el potenciómetro P1, mientras corre este tiempo, (tiempo para que el dueño salga del automóvil), no hay señal en el SCR D5, por lo que la etapa siguiente que corresponde a la detección de señales de sensores, está desactivada y la activación de sensores no hace ningún efecto. Una vez que pasó el tiempo del temporizador, se presenta señal en el gatillo de D5 y entonces se activa el relevador RA que proporciona la tierra (y por tanto activa) a la siguiente etapa del circuito.

3.- Circuito activado en espera de señales provenientes de sensores.

Una vez ocurrido lo anterior el sistema está en espera de señales de sensores, en este caso se representa la señal de un sensor con el botón con etiqueta “SENSOR” en la Figura 18. El transistor Q4 permanece desactivado (obsérvese que es PNP) puesto que el SCR D9 también lo está y por tanto las siguientes etapas no están en funcionamiento. En estas condiciones, cuando se representa la señal de un sensor se dispara D9 activando a su ves a Q4 que inicia un temporizador conformado nuevamente por un PUT (Q5), este tiempo corresponde al tiempo que tiene el ladrón o el dueño que ha abierto la puerta (por ejemplo) de introducir la contraseña correcta para desactivar la alarma. Si se presiona la contraseña correcta, sucede lo descrito en la etapa inicial y entonces el Flip-Flop JK cambia de 1 a 0, desactivando con ello todo el sistema. Si no se presiona la contraseña correcta y termina el tiempo del temporizador, se dispara ahora D10 y con el monoestable que activa los actuadotes finales.



4.- Activación de los actuadotes finales

El propósito del monoestable disparado por la etapa anterior es proporcionar un permisivo (mediante un contacto del relevador RB) para que funcione un astable, el cual energiza la bobina del relevador RC que activa los actuadotes finales, esto es un buzzer y un foco (ambos intermitentes). A la vez que se activa el astable, se cortan las tierras de los SCRs D9 y D10, mediante contactos de RB desenclavándolos, esto con el propósito de que cuando se termine el tiempo del monoestable y se apaguen los actuadotes finales, el sistema quede de nuevo dispuesto a recibir señal de sensores y repetir la etapa 3. En cualquier momento del transcurso de esta etapa, si se introduce el código correcto el Flip-Flop JK cambiará de 1 a 0 desactivando todo.

Ajustes

Los únicos ajustes que requiere esta práctica se hacen mediante los potenciómetros P1 y P2 y corresponden a la duración del tiempo para salir y el tiempo para desactivar el sistema, respectivamente.

Conclusiones

Esta práctica resultó algo laboriosa de diseñar sobre todo en lo referente a la lógica del circuito que se realiza mediante SCR, temporizadores, etc. El desenclavamiento de los SCRs de la etapa de detección de sensores se pensaba realizar mediante capacitares pero al resultar muy complicado el análisis para esto, se optó por emplear contactos de un relevador (RB).Esta práctica resulta útil para fines de aprendizaje del funcionamiento de los SCRs y de los PUTs pero resulta poco útil en la realidad puesto que, por ejemplo, la contraseña es fija y no se puede cambiar a menos que se reconecten los botones del circuito.


Práctica 4: Sistema de tiristores en paralelo (semáforo) Electrónica de Potencia

PRÁCTICA #4: SISTEMA DE TIRISTORES EN PARALELO (SEMÁFORO)

Objetivo

Diseñar e implementar un semáforo mediante el uso de tiristores en paralelo.


El sistema es sencillo, corresponde a un semáforo con el siguiente orden en cada ciclo: luz verde, verde intermitente, luz amarilla, luz roja.

Marco Teórico

Temporizadores con PUT y UJT

PUT

El PUT (Transistor Uniunión programable) es un dispositivo que a diferencia del transistor bipolar común que tiene 3 capas (NPN o PNP), tiene 4 capas. El PUT tiene 3 terminales como otros transistores y sus nombres son: cátodo K, ánodo A, puerta G.

Figura 19: Estructura interna y símbolo de un PUT

A diferencia del UJT, este transistor permite que se puedan controlar los valores de RBB y VP que en el UJT son fijos. Los parámetros de conducción del PUT son controlados por la terminal G Este transistor tiene dos estados: Uno de conducción (hay corriente entre A y K y la caída de voltaje es pequeña) y otro de corte cuando la corriente de A a K es muy pequeña. Este transistor se polariza de la siguiente manera:

Del gráfico anterior se ve que cuando IG = 0, VG = VBB * [ RB2 / (RB1 + RB2) ] = n x VBB donde: n = RB2 / (RB1 + RB2). La principal diferencia entre los transistores UJT y PUT es que las resistencias: RB1 + RB2 son resistencias internas en el UJT, mientras que el PUT estas resistencias están en el exterior y pueden modificarse. Aunque el UJT y el PUT son similares, El Ip es más debil que en el UJT y la tensión mínima de funcionamiento es menor en el PUT.



Funcionamiento

Para pasar al modo activo desde el estado de corte (donde la corriente entre A y K es muy pequeña) hay que elevar el voltaje entre A y K hasta el Valor Vp, que depende del valor del voltaje en la compuerta G Sólo hasta que la tensión en A alcance el valor Vp, el PUT entrará en conducción (encendido) y se mantendrá en este estado hasta que IA (corriente que atraviesa el PUT) sea reducido de valor. Esto se logra reduciendo el voltaje entre A y K o reduciendo el voltaje entre G y K Ejemplo: Una aplicación típica: Oscilador con PUT

El condensador C se carga a través de la resistencia R hasta que el voltaje en A alcanza el voltaje Vp. En este momento el PUT se dispara y entra en conducción. El voltaje en VG cae casi hasta 0 voltios y el PUT se apaga, repitiéndose otra vez el proceso. Ver las formas de onda en C, K y G

Figura 20: Formas de onda del oscilador con PUT

La frecuencia de oscilación es: f = 1 / 1.2 x RC

UJT (Unijunction Transistor)

El transistor monounión es un dispositivo de conmutación conductiva. Sus características lo hacen muy útil en muchos circuitos industriales, incluyendo temporizadores, osciladores, generadores de onda y más importante aún, en circuitos de compuertas para SCR y TRIAC, el cual funciona como dispositivo de disparo.El UJT es un dispositivo de tres terminales que se denominan emisor, base1 y base2. El símbolo esquemático y la distribución de las terminales son como se muestra en la figura siguiente.



Figura 21: Símbolo de un UJT

No es bueno tratar de relacionar mentalmente los nombres de las terminales de un UJT con los nombres de las terminales de un transistor bipolar común. Desde el punto de vista operativo de un circuito, no hay parecido entre el emisor de un UJT y el emisor de un transistor bipolar. Lo mismo se aplica a la relación entre las terminales de base de un UJT y la terminal de base de un transistor bipolar.Cuando el voltaje entre el emisor y la base 1, , es menor que cierto valor llamado el voltaje pico, Vp, el UJT está apagado y no puede haber flujo de corriente de E a (IE = 0). Cuando

excede a VP por una cantidad muy pequeña, el UJT se dispara. Cuando esto ocurre, el circuito de E a se vuelve casi un cortocircuito, y la corriente puede descargarse de una terminal a la otra.En la mayoría de los circuitos UJT, la descarga de corriente de E a es de corta duración, y el UJT pronto se revierte a la condición de apagado. Como se muestra en la figura siguiente, un

voltaje de CD externo es aplicado entre a , siendo la terminal mas positiva.

Figura 22: Polarización de un UJT.

El voltaje entre las dos terminales de base es simbolizado , como se indica. Para una salida dada del UJT, el voltaje pico VP es cierto porcentaje fijo de , mas 0.6V. Ese porcentaje fijo se llama razón de inactividad intrínseca, del UJT, y se simboliza .Por lo tanto el voltaje pico de un UJT puede escribirse como:

donde 0.6 V es el voltaje de encendido directo a través de la unión PN que existe entre el emisor y la base 1.



Desarrollo

Diagrama a bloques



Diagrama Eléctrico

1.0k

100k

220uF

2N6027

10k

P1

PB_1

3.3kD1

C106B

CR

12V

Q1

2N3906 1.0k

100k

220uF

2N6027

10k

P2

D2

C106B

CR

Q3

2N3906

ASTABLEf=4 Hz

CR

1.0k

D3C106B

CR

100k

220uF

2N6027

10k

P3

Q5

2N3906

D4

C106B

CR

10k

100k

220uF

2N6027

10k

P4Q8

2N3906

100nF 100nF

100nF 100nF

Q2 Q4

Q6

Q7

Rel1

Rel2 Rel3 Rel4

Rel5

A

B

12V

A

B C

C

D

D

VERDE AMARILLO ROJO

Rel1 Rel3 Rel4 Rel5120 V60 Hz0Deg

CONEXIÓN DE CONTACTOS Y FOCOS

Figura 24: Diagrama eléctrico


LUZ VERDE

LUZ VERDEINTERMITENTE

LUZAMARILLAINICIO

LUZ ROJA



Al presionar el botón de inicio, se dispara el SCR D1, que activa a Rel1 y con él al foco verde, a su vez comienza a contar el tiempo del temporizador basado en el PUT Q2, una vez que este temporizador acaba su tiempo, el capacitor C1 de 100 nF desenclava a D1 y manda un pulso al gatillo de D2 que activa a Rel2 que mediante uno de sus contactos da la tierra para activar la bobina de Rel3 cuyo VCC es proporcionado por el circuito astable realizado mediante un NE555, de esta manera Rel3 estará parpadeando mientras esté activado Rel2, y como la alimentación es dirigida también al foco verde, entonces empezará a parpadear este último, ahora esta activo el temporizador de Q4, y cuando este termina su tiempo envía un pulso y activa al SCR D3 que energiza a Rel4 cuyo contacto hace encender la luz amarilla, simultáneo a la activación de Rel4 el capacitor C2 desenclava a D3. Este procedimiento continua de manera similar en las demás etapas correspondientes al rojo y al reinicio de ciclo. Resulta interesante la función que hacen los capacitares de 100 nF en el desenclavamiento del SCR de la etapa anterior, pues éstos son la clave del funcionamiento del circuito.

Ajustes.

Esta práctica sólo requiere ajustes de los temporizadores, a continuación se muestra una tabla que relaciona el potenciómetro con la luz correspondiente.

Potenciómetro Ajuste para luz:P1 VerdeP2 Verde parpadeanteP3 AmarilloP4 Rojo

Tabla 1: Ajuste de tiempos

Conclusiones

Esta práctica resultó sencilla de realizar, puesto que prácticamente es una misma etapa que se repite varias veces. Destaca de esta práctica el uso de los capacitares de 100 nF para el des-enclavamiento de los SCRs, es una solución muy interesante en su análisis.


Práctica 5: Temporizador con tiristores Electrónica de Potencia

PRÁCTICA #5: TEMPORIZADOR CON TIRISTORES

Objetivo

Diseñar e implemetar un temporizador con tiempo de entrada y tiempo de salida, utilizando tiristores.


Al presionar un botón, el sistema debe esperar un tiempo (tiempo de entrada) y pasado éste deberá encender un foco mediante un TRIAC, éste foco permanecerá prendido otro tiempo determinado (tiempo de salida), para después quedar listo para empezar de nuevo al presionar el botón. En la Figura 25 se observa el comportamiento anteriormente descrito.

Figura 25: Comportamiento del circuito

Marco Teórico

El Tiristor

El tiristor es un semiconductor sólido de silicio constituido por cuatro capas alternativas tipo PNPN. Dispone de tres terminales accesibles denominadas ánodo, cátodo y comcompuerta ó gatillo, siendo este último el electrodo de control.El tiristor SCR funciona básicamente como un diodo rectificador controlado de silicio, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la compuerta del tiristor no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de compuerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga pase por cero. Trabajando en CA el tiristor se desenergiza en cada alternancia o ciclo.


t

VRL

Tiempo de esntrada

Tiempo de salida


En la figura anterior puede verse su símbolo electrónico y sus curvas características estáticas. Como valores importantes para definir el funcionamiento de un tiristor se suelen considerar:

Tensión máxima inversa soportable (V invmax) entre A y K. Tensión directa máxima soportable (Vdmax) antes de la conmutación, si no hay disparo

en la compuerta. Caída de tensión directa durante la conducción (Vd). Corriente de continua o eficaz en funcionamiento (Ic). Corrientes de fuga directa (If) e inversa (Ir). Corriente de mantenimiento (Ih). Temperatura de funcionamiento (T).

Además es importante analizar las características de mando del tiristor que nos permitirán definir la potencia necesaria para el arranque.

Figura 26: Zonas de operación de un TRIAC

La zona 1 representa los valores de tensión e intensidad de compuerta en los que no se consigue el disparo del tiristor.

La zona 2 es el conjunto de valores que consigue un disparo adecuado. La zona 3 es de destrucción del tiristor.



Según la Figura 26 debemos considerar los siguientes parámetros: Tensión máxima directa de compuerta (Vgmax). Tensión inversa máxima de compuerta (Vginmax). Corriente máxima de compuerta (Igmax). Potencia máxima disipable en la compuerta (Pgdis). Tensión mínima directa de compuerta (Vgmin). Corriente mínima de compuerta (Igmin).

En lo que se refiere a las características dinámicas del tiristor, según el circuito del que forme parte, interesa conocer los siguientes parámetros:

Tensión inversa accidental ánodo-cátodo. Angulo de conducción. Tiempo de retardo. Tiempo de subida. Tiempo de respuesta. Factor de conmutación (dv/dt).

Cuando se dispone un tiristor en un circuito electrónico trabajando en conmutación, se utiliza para activarlo por medio de un impulso de compuerta que genera una corriente inicial entre la compuerta y el cátodo, para después propagarse la conducción al resto del dispositivo de forma muy rápida.Además hay que considerar que el tiristor no tendrá una activación efectiva antes de que la corriente de ánodo alcance un valor denominado "corriente de enganche" por lo que no debe retirarse el pulso de compuerta antes de alcanzar dicho valor. La extinción del tiristor se produce cuando la corriente de ánodo cae por debajo de un valor denominado "corriente de mantenimiento".Si el circuito exterior exige un crecimiento de la corriente rápido en la activación, como la tensión entre ánodo y cátodo no disminuye de forma instantánea, puede producirse un consumo de potencia importante que puede llevar a la destrucción del tiristor por variación de la corriente (di/dt). Cuando se produce un crecimiento muy rápido de la tensión entre ánodo y cátodo en el bloqueo, esta dv/dt puede producir la activación del tiristor aún en ausencia de la señal de compuerta.La elección del modelo a utilizar depende fundamentalmente de la aplicación práctica, sin embargo, en general habrá que considerar los siguientes criterios:La tensión a bloquear. No solo la tensión máxima o valor de cresta de la red, si no también las sobretensiones de conmutación o elementos parásitos.La intensidad de la corriente eficaz y la de pico, sin olvidar las posibles corrientes de cortocircuito.Los parámetros de conmutación (dv/dt y di/dt) que pueden ser primordiales.La sensibilidad, siendo preferidos elementos de sensibilidad media, ya que poseen mayor inmunidad ante los parásitos.Entre los tiristores se pueden encontrar diferentes categorías atendiendo a sus distintos procedimientos de fabricación y constitución propios. Pueden destacar: los tiristores sensibles, los tiristores rápidos, el tipo darlistor, el complementario, el de doble compuerta, el tiristor bloqueable, los fototiristores, el triac, etc.



El TRIAC

El TRIAC es un dispositivo de tres terminales similar en la construcción y la operación al SCR. El TRIAC controla y conduce flujo actual durante ambas alternaciones de un ciclo de la CA, en vez de solamente uno.Los símbolos esquemáticos para el SCR y el TRIAC se comparan en la Figura 27.

Figura 27: Símbolos de un TRIAC

El SCR y el TRIAC tienen un plomo ó contacto de compuerta. Sin embargo, en el TRIAC el plomo en el mismo lado que la compuerta es la "terminal principal 1" y el plomo enfrente de la compuerta es el "terminal principal 2". Este método de etiquetado del plomo es necesario porque el TRIAC es esencialmente dos SCR con una compuerta común y terminales comunes. Cada terminal es, en efecto, el ánodo de un SCR y el cátodo de otro, y cualquier Terminal puede recibir una entrada. De hecho, las funciones de un TRIAC pueden ser duplicadas conectando dos SCR reales. El resultado es un dispositivo de tres terminales idéntico al TRIAC. Las conexiones comunes del ánodo-cátodo forman los terminales principales 1 y 2, y la compuerta común forma el terminal 3 ó gatillo general.

Figura 28: Equivalencia de un TRIAC con SCR

La diferencia en control actual entre el SCR y el TRIAC puede ser considerada comparando su operación en el circuito básico demostrado en la figura anterior.



(C)Figura 29: Comparación de operación y formas de onda de un SCR y un TRIAC

En el circuito A, el SCR está conectado en el arreglo de media onda familiar. La corriente atravesará el resistor de la carga (R L) para una alternación de cada ciclo de la entrada. El diodo CR1 es necesario para asegurar un voltaje de disparado positivo. En el circuito B, con el TRIAC insertado en el lugar del SCR, la corriente atraviesa el resistor de la carga durante ambas alternaciones del ciclo de la entrada. Porque cualquier alternación accionará la compuerta del TRIAC, CR1 no se requiere en el circuito. Para clarificar la diferencia entre un SCR y un TRIAC obsérvense las formas de onda para entrar, bloquear, y los puntos de la salida de los dos dispositivos tal y como se muestra en (C) de la Figura 29.

Combinaciones de las polarizaciones aplicadas.

En esta polarización se muestra que ambas fuentes se encuentran polarizando tanto al gatillo como a la parte superior del TRIAC en positivo, lo cual hace que el gatillo se dispare y conduzca corriente como se muestra en la figura. Las corrientes son electrónicas (en el sentido real de los electrones).

En esta polarización se muestra que la fuente del gatillo se encuentra polarizando positivamente y la fuente del TRIAC esta en inverso, con lo cual hace que el gatillo se dispare y conduzca corriente como se muestra en la figura.



En esta polarización se muestra que ambas fuentes se encuentran polarizando tanto al gatillo como a la parte superior del TRIAC en inverso, lo cual hace que el gatillo se dispare y conduzca corriente como se muestra en la figura.

En esta polarización se muestra que la fuente del gatillo se encuentra en inverso y la del TRIAC en directo, lo cual hace que el gatillo se dispare y conduzca corriente como se muestra en la figura.

Desarrollo

Diagrama a bloques




BOTONINICIO

TIEMPO DE ENTRADA

TIEMPO DE SALIDA


Diagrama Eléctrico

3.3k

12V

D1

C106B

100k

1.0kQ1

2N3906

100k

C3100uF

Q2

2N6027

10k

R610k

D3C106B

1.0kQ3

2N3906

100k

C4100uF

Q4

2N6027

10k

R710k

D4

C106B

100k

C2

100nF

C1

100nF

D2

L401e3

INDICATOR

120 V60 Hz0Deg

180

MOC3010

1

2

3

6

5

4

1.2k

TIEMPO DE ENTRADA TIEMPO DE SALIDA



Tiempo de entrada

Al presionar el botón, se dispara el SCR D1, el cual activa el temporizador basado en el PUT Q2, al transcurrir el periodo de éste, se dispara D3, el cuál activa un par optoacoplador – TRIAC, que enciende la carga (en este caso un foco). El tiempo que comprende desde que se presiona el botón hasta que se enciende el foco es el tiempo de entrada.

Tiempo de salida

Al encenderse el foco, también se inicia el temporizador basado en Q4, una vez que se completa el tiempo de este, se dispara D4 que desenclava a su vez a D3, apagando de esta manera el foco.

Desenclavamiento de SCR

El desenclavamiento de los SCR, al igual que en prácticas anteriores se realiza mediante capacitares de 100 nF, que producen corrientes pequeñas inversas que logran desenclavarlos.

Ajustes.

Los ajustes se realizan mediante los potenciómetros R6 y R7, ajustando con ellos respectivamente el tiempo de entrada y el tiempo de salida.

Conclusiones

Los temporizadores existentes en el mercado, suelen ser de elevado costo. Con ésta práctica hemos logrado implementar uno con un precio muy reducido y de manera sencilla. La desventaja de esta práctica estriba en que no es posible calibrar con mucha precisión los tiempos



dependiendo esta del pulso que se tenga al rotar los potenciómetros, si se usan de precisión resulta más precisa la calibración.


Práctica 6: Relevador de Estado Sólido (SSR) Electrónica de Potencia

PRÁCTICA #6: RELEVADOR DE ESTADO SÓLIDO SSR (SOLID STATE RELAY)

Objetivo

Diseñar e implementar un Relevador de Estado Sólido (SSR).


Un SSR hace la misma función que un relevador electromecánico, con diferencia de que está constituido por elementos de estado sólido y sólo es posible dispararlo cuando el voltaje a conmutar este por debajo de cierto voltaje de umbral, esto para evitar ruidos por conmutación. Concretamente el SSR a realizar debe poder dispararse cuando el voltaje a conmutar (127 VCA) esté por debajo de 15 V, si es mayor, no será posible su disparo.

Marco Teórico

Relevador de estado sólido (SSR)

Un relevador de estado sólido, SSR, por sus siglas en inglés (Solid State Relay), es un arreglo de semiconductores para que opere como un sistema de switcheo a altas velocidades, comparado con un relevador mecánico. Es un circuito electrónico que contiene en su interior un circuito disparado por nivel, acoplado a un interruptor semiconductor, un transistor o un tiristor.

Estructura del SSR

Circuito de Entrada o de Control:Control por tensión continua: el circuito de entrada suele ser un LED ( Fotodiodo), solo o con una resistencia en serie, también podemos encontrarlo con un diodo en antiparalelo para evitar la inversión de la polaridad por accidente. Los niveles de entrada son compatibles con TTL, CMOS, y otros valores normalizados ( 12V, 24V, etc.). Control por tensión Alterna: El circuito de entrada suele ser como el anterior incorporando un puente rectificador integrado y una fuente de corriente continua para polarizar el diodo LED. Acoplamiento. El acoplamiento con el circuito se realiza por medio de un optoacoplador o por medio de un transformador que se encuentra acoplado de forma magnética con el circuito de disparo del Triac. Circuito de Conmutación o de salida. El circuito de salida contiene los dispositivos semiconductores de potencia con su correspondiente circuito excitador. Este circuito será diferente según queramos conmutar CC, CA.

El relevador de estado sólido presenta, entre otras características, mayor velocidad de conmutación, mayor potencia de disipación en un espacio pequeño, menor voltaje de control y mayor durabilidad. Estas ventajas están ya comprobadas en el uso de semiconductores discretos. Comparado contra el relevador mecánico, una de las desventajas del relevador de estado sólido es que dada su construcción solo puede operar con circuitos de corriente alterna, pues para poder realizar un switcheo abierto–cerrado, se requiere un cruce por cero para “sacar” del estado de conducción a los elementos tiristores que utiliza, mientras que en los relevadores mecánicos, con sólo eliminar la habilitación es suficiente para terminar el estado de conducción. Otra desventaja, pero menos significativa es el voltaje de conducción que consumen los tiristores, que para esta



configuración es cercana a 1V, el cual comparado con una línea alterna de 127 V puede ser despreciable, no así cuando el voltaje de alterna es menor.El modo de conmutación al estado de encendido es favorable debido que dicha conmutación sólo puede realizarse después de que la señal ha cruzado por cero, lo cual ayuda a eliminar el ruido de conmutación, y hasta un valor determinado menor (un valor típico de 20 V para líneas de 120 Vrms)al valor máximo en el semiciclo positivo.

Los diseños y presentaciones específicas varían mucho con los requerimientos de aplicación, las diferencias de construcción, y el tiempo de operación del diseño en particular. Originalmente, todos los relevadores de protección fueron del tipo electromagnético, y electromecánico que siguen estando en gran uso, pero los diseños de estado sólido están proliferando.Los relevadores de estado sólido son usados en sistemas de protección de bajo voltaje donde el relevador y el circuito del interruptor automático son una unidad común. Aquí los relevadores electromecánicos fueron generalmente y relativamente inexactos, algunas veces insensibles, y difícilmente conservan las condiciones. Es en este caso donde los relevadores de estado sólido son hoy en día muy efectivos.

Interruptores de potencia

Los relevadores de protección haciendo una comparación son el "cerebro" para sensar disturbios, pero como mecanismo de baja energía no son capaces de interrumpir y aislar el área con problemas del sistema de potencia. Los interruptores de potencia en sus distintos tipos son el "músculo" que puede aislar la falla. De esta manera los relevadores de protección y los interruptores de potencia son los equipos necesarios para el rápido aislamiento de un área con problemas ó equipos dañados. Un relevador de protección sin un interruptor no tiene valor, excepto posiblemente para alarma. Así también, un interruptor sin relevadores tiene mínimo valor, esté podrá ser usado solamente para energizar o desenergizar manualmente el equipo o los circuitos

Ventajas

Los relevadores de estado sólido son muy empleados en aplicaciones industriales gracias a sus características de trabajo como son:

Aislamiento entre el circuito de carga y de control con efecto unidireccional Disparo opto-acoplado Tensión máxima de disparo de 20V aproximadamente, para eliminar ruidos Tensión mínima de disparo por arriba de 1V Alta inmunidad al Ruido Funcionan tanto para AC como DC. Cero Desgaste Alta Velocidad de Conmutación

Desarrollo

Diagrama Eléctrico

La Figura 32 presenta el diagrama eléctrico del sistema, abarcando tanto el circuito de prueba en AC como el de DC.



4N282

1

4

5

6

220Key = A

5V

P1

10k

50% Q1

2N5551

150k

P2

1M

50% D1C106B

100k

L401e

FOCO

127 V

1.0k

4N282

1

4

5

6

220Key = A

5VP1 10K

50%

2N5551Q1

150kP2 1M

50%C106B

0-20 V

CI RCUI TO DE PRUEBAEN DC

CI RCUI TO DE PRUEBAEN AC



El funcionamiento de este circuito indica que sólo se puede activar la carga de AC (foco) cuando el voltaje de la corriente alterna esté por debajo de 15 V y se presione el botón. Cuando se realiza una conmutación en voltajes elevados, (decenas de volts) se genera mucho ruido en el sistema, que incluso se puede propagar por la línea de alimentación, por esto es por lo que existe este voltaje de umbral, debajo del cual no es posible realizar la conmutación. Debido a la rapidez con que cambia la forma de onda senoidal de la alimentación de AC, no es posible comprobar que se den las condiciones de disparo exigidas, por ello es por lo que se debe probar el circuito con una fuente de voltaje directo variable, obsérvese que éste circuito está mostrado en la parte baja de la Figura 32.

Prueba en AC

En AC se monta el circuito superior de la Figura 32, entonces al presionar el botón inmediatamente se encenderá la carga y quedará así mientras se mantenga presionado el botón. Haciendo el análisis observamos que cuando no está presionado el botón, el optoacoplador no manda señal y por tanto el transistor a su salida esta en corte, con ello Q1 tiene un voltaje en su



base que lo mantiene en saturación y por tanto el SCR está desactivado y la corriente alterna ve una alta impedancia circulando una corriente mínima, insuficiente para activar la carga.Cuando se presiona el botón, el transistor a la salida del opto se satura, permitiendo que ahora Q1 se ponga en corte, presentándose así una corriente en el gatillo del SCR y cortocircuitando el circuito de control ahora la corriente alterna sólo ve al foco como carga y es entonces que enciende. Lo anterior sólo es válido (el disparo) cuando el voltaje de la corriente alterna es menor a 15 V, puesto que gracias al arreglo de resistencias se logra que Q1, pasado dicho umbral, se auto conmute, saturándose e impidiendo el disparo del SCR. Nótese que si se logró disparar el SCR (cuando el voltaje fue menor a15 V), éste permanecerá enclavado hasta que se presente un cruce por cero de la corriente alterna.

Prueba en DC

Para poder observar lo anterior, se modifica un poco el circuito superior de la Figura 32, quedando el de la parte inferior. La fuente variable de DC simulará el comportamiento de la onda senoidal de una fuente de alimentación alterna, se ajusta dicha fuente para que de un voltaje menor a 15 V, (pero no menor a 5, para lograr encender el LED), por ejemplo 12 V y se presiona el botón, el LED deberá encender y enclavarse.Se desenergiza el sistema y se repite la operación anterior pero con la fuente variable ahora con un voltaje ligeramente superior a los 15 V, se presiona el botón y ahora no encenderá el LED, con lo que queda comprobado el funcionamiento.

Ajustes.

Mediante P1 ajusta el valor de resistencias que polariza al transistor Q1 para que se comporte como se describió arriba. Con P2, se ajusta el valor de voltaje que disparará al SCR.

Conclusiones

Esta práctica resulta difícil de calibrar. Se tuvieron problemas con el disparo del TRIAC, porque no encendía el foco a toda su potencia, entonces se procedió a hacer varias calibraciones modificando los potenciometros P1 y P2 del circuito, primero probando su función en DC, hasta que se logro que el TRIAC activara la carga con toda su potencia. El ajuste en resumen resulto a prueba y error.


Práctica 7: Dimmer de corriente alterna Electrónica de Potencia

PRÁCTICA #7: DIMER DE CORRIENTE ALTERNA

Objetivo

Diseñar e implementar dimmers (variadores de potencia), para una carga en corriente alterna. Se deberá realizar un dimmer con control análogo y uno con control digital.


Un dimmer es un dispositivo que nos permite variar la potencia que se entrega a una carga. Por ejemplo si es el caso de un foco convencional, con el dimmer se logra cambiar la intensidad con que trabaja.Se debe construir un dimmer con control análogo, esto es, que se controle la intensidad de un foco con un potenciómetro y uno con control digital, controlando la intensidad mediante push-buttons.

Marco Teórico

El Dimmer

El dimmer es un dispositivo el cuál nos permite variar la cantidad de potencia en las cargas, por ejemplo en una lámpara, un motor, etc. Son muy utilizados en una casa–habitación para variar el voltaje de los focos de las recámaras, lo que ayuda a prolongar el tiempo de vida de estos, recordemos que la causa principal de acortamiento de la vida de las lámparas normales es el pico de voltaje inicial. El dimmer nos permite comenzar desde cero volts y aumentar paulatinamente hasta alcanzar la iluminación máxima.El dimmer digital es digno de un apartado propio puesto que consiste de un sistema de control, para calcular cuando hacer el disparo de algún dispositivo conmutador como un tiristor. Finalmente, persigue el mismo fin que el dimmer analógico que es controlar la potencia entregada a una carga a través del control de la activación de un elemento conmutador, controlando con éste el ciclo de trabajo de la señal de energía. El dimmer digital presenta muchas ventajas respecto al grado de precisión para el control del disparo que se puede tener, además de su acoplamiento directo con otros sistemas digitales. En cambio, el dimmer analógico tiene la ventaja de su fácil implementación y su bajo costo.

Control de potencia por ángulo de conducción

Para realizar control de potencia por ángulo de conducción, es necesario tener un control sobre el tiempo que la potencia será entregada a la carga. Para esto se hace uso de circuitos de switcheo, de tal forma que se pueda controlar el tiempo de abertura de estos. Enseguida se muestran los esquemas generales para el control de potencia en cargas de AC y de DC.

a) b)



Figura 33: Control de potencia en carga de AC (a) y en cargas de DC (b)

En el esquema general de los circuitos que controlan cargas de AC podemos tener señales alternantes con cruce por cero. Por tanto, el switch puede ser un SCR, ya que con estos dispositivos puede hacerse control de potencia y la manera en que se desenclava el SCR es más sencilla con AC. El circuito de control tiene tres entradas y una salida. La señal de sincronía se toma del voltaje de entrada, y el voltaje de entrada puede ser la misma señal o un voltaje de alimentación externo. La variable de control se decide de acuerdo a las necesidades del circuito.En el caso del dimmer de DC, el voltaje de alimentación tiene que ser externo ó el propio voltaje de DC, ya que no existen cruces por cero y el switch puede ser un transistor, por ejemplo un BJT, ya que al no existir cruce por cero no habría manera de desenclavar a un SCR.A continuación, se describirán algunos circuitos que pondrían ser útiles para el control de potencia y se analizarán algunas de sus ventajas y desventajas.Considérese el circuito siguiente:

El disparo de este circuito se hace mediante el voltaje que hay en RV, la señal de sincronía se toma del voltaje que cae en el SCR, así que cuando este se encuentra abierto, esta es de 1 V. Este el voltaje mínimo de disparo, que al estar tan cerca del origen proporciona a la carga un potencia

del 50%, si se desprecia la caída del SCR. Si , el SCR no puede dispararse y la potencia en la carga es igual a cero. El punto máximo de disparo es el voltaje pico de la señal (VP), entregando a la carga una potencia del 25%. Esta información se explica mejor en la siguiente figura.



Figura 34: Control de potencia con un SCR

Primero es necesario mencionar que las corrientes del gatillo del SCR solo pueden ser unidireccionales, por lo que este se ha protegido con un diodo para bloquear las incursiones negativas de la señal. Por tanto, el disparo solo puede hacerse en el flanco de subida de semiciclo positivo de la señal senoidal, ya que en cualquier otro punto sería tomado como el punto reflejado en el semiciclo, pero hasta el siguiente periodo. Para el caso b), el disparo se hace muy cerca del origen (1 V), por lo que como puede observarse, la carga conduce en todo el semiciclo positivo.Cuando la resistencia Rv es máxima no hay corriente de disparo y cuando se dispara en el instante de tiempo en que la señal de entrada esta en VP solo conducirá la mitad del semiciclo. Por tanto el rango de variación de la potencia con este circuito es muy pobre, del 25 al 50 %.Si se desea ampliar este rango, se puede utilizar un elemento switch bidireccional, como el mostrado en la siguiente imagen.



Figura 35: Control de potencia con un TRIAC

Este circuito se comporta de manera muy similar al anterior, pero en este caso se emplea un TRIAC para lograr la conducción también en el semiciclo negativo. En este caso la potencia aplicada tiene el rango del 50 al 100 % de la potencia disponible, debido al modo de conmutación del TRIAC.Para el caso de los dimmers digitales, el control del tiempo de disparo es controlado por algún circuito digital o un microcontrolador o microprocesador. En estos sistemas suelen emplearse los tiristores como elemento de interfaz entre el circuito de control y el circuito de potencia.



Desarrollo

Diagrama Eléctrico

127 V

FOCO

D2

C106B

1N965B15 v

100k

1.0k

100k

P1

100nF

Q12N6027

56k

33k100

100k

3.6 v LM311H

B/STBVS+

GND

BAL

VS-

2

3

4

8

7

1

5 6

10k

1.0k

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

20 19 18 17 16 15 14 13 12 11

ATtiny2313

1.0k 1.0k

UPDOWN

SELECTOR A/D

5V

CONTROL ANALOGICO

CONTROL DIGITAL

P

Figura 36: Diagrama eléctrico dimmer


En la Figura 36, se puede observar un selector, éste determina si está en funcionamiento el control análogo o el control digital.

Dimmer analógico

Cuando el SCR está desactivado, la fuente de corriente alterna observa una alta impedancia en la rama siguiente al puente rectificador, haciendo esto que no circule corriente necesaria para activar la carga; si el SCR se pone en corto, entonces la fuente observará solo la carga correspondiente al foco y éste encenderá. El voltaje de línea de AC es rectificado en onda completa mediante el punete de diodos. Cuando la onda senoidal rectificada empieza a aumentar llega un momento, superados los 15 volts, en que el diodo zener establece éste voltaje para el circuito de control que básicamente consiste en un temporizador realizado con un PUT. Éste temporizador está diseñado de manera que mediante el potenciómetro P1 se logre obtener tiempos de retardo desde aproximadamente 0.5 ms, hasta apróx 8 ms, que corresponden al tiempo que dura un semiciclo de la onda senoidal de 60 Hz, haciendo que una vez que la onda supera los 15 volts, el temporizador entregue un pulso de disparo al SCR un tiempo después (dentro del rango mencionado), con esto se logra controlar la potencia que es entregada en el foco mediante la activación tardía del SCR.El tiempo que tarda el temporizador formado por el PUT está determinado por la siguiente fórmula.



donde n es la relación entre las resistencias RA y RB. El valor de dichas resistencias están elegidos de manera que n = 1, y así el tiempo del temporizador estaría determinado por

Como se observa en el diagrama eléctrico, la red RC está entonces asignada para que se den las condiciones de retardo necesarias, mencionadas anteriormente.La siguiente gráfica ilustra lo que sucede en el circuito anterior y cómo se controla la potencia en la carga de AC.

Figura 37: Diagramas de tiempo para el dimmer analógico

Control digital

El principio de funcionamiento es el mismo que en el caso del control analógico, sólo que ahora el control de disparo del SCR lo realiza un microcontrolador de la familia AVR de Atmel, el ATtiny2313.Para que el microcontrolador sepa cuando empezar a contar el tiempo para retardar el pulso que disparará al SCR se requiere de una señal de “sincronía” que indica al micro cuando la señal senoidal ha cruzado por cero. Este detector de cruce por cero está implementado mediante un diodo zener y una etapa de comparación.Se emplea, como se observa en el diagrama eléctrico, otro puente de rectificación independiente del de control de la carga, puesto que la detección de cruce por cero se vería afectada si se tomara la señal proveniente de éste último.



El código fuente del programa que realiza la variación de retardos del pulso que activa al SCR, logrando con ello el control de potencia, es el siguiente. En ensamblador..include "tn2313def.inc"

.def TEMP = r16 ;Registro Temporal

.def TEMP2 = r17

.set A = 130

.set B = 1

.set C = 1

.cseg ;Segmento de Código

.org 0

rjmp RESET ; Reset Handlerreti;EXT_INT0 ; IRQ0 Handlerreti ;EXT_INT1 ; IRQ1 Handlerreti ;TIM2_COMP ; Timer2 Compare Handlerreti ;TIM2_OVF ; Timer2 Overflow Handlerreti ;TIM1_CAPT ; Timer1 Capture Handlerreti ; TIM0_OVF ;TIM1_COMPA ; Timer1 CompareA Handlerreti ;TIM1_COMPB ; Timer1 CompareB Handlerreti ;TIM1_OVF ; Timer1 Overflow Handlerreti ;TIM0_OVF ; Timer0 Overflow Handlerreti ;SPI_STC ; SPI Transfer Complete Handlerreti ;USART_RXC ; USART RX Complete Handlerreti ;USART_UDRE ; UDR Empty Handlerrjmp TIM0_COMPA; USART_TXC ; USART TX Complete Handlerreti ;TIM0_COMPB;ADC ; ADC Conversion Complete Handlerreti ;EE_RDY ; EEPROM Ready Handlerreti ;ANA_COMP ; Analog Comparator Handlerreti ;TWSI ; Two-wire Serial Interface Handlerreti ;SPM_RDY ; Store Program Memory Ready Handler

RESET:

ldi temp, low (ramend) out spl, temp

; **** INICIALIZACIÓN DE PUERTOS E INTERRUPCIONES **** ;

sei ;Habilitación de la Int. Globalldi TEMP2,135 ; valor inicial de la referencia del comparador A

ldi temp, $00out ddrb, tempout TCCR0B,temp ; Temporizador detenidoldi TEMP,$07out ddrd,TEMPldi temp,1;out TIMSK,temp ;Habilitación del modo Match Compare A

; **** PROGRAMA **** ;

PROGRAMA:ldi temp, 0out TCNT0, temp



in temp, pinbandi temp, $01cpi temp, $00brne TIMER_STrjmp PROGRAMA

TIMER_ST:out OCR0A, temp2 ; valor inicial del COMPARADORldi temp, 1<<cs02 ; Preescala del Timer a 256out TCCR0B,temp

LOOP:cpi temp, $FFbreq PROGRAMA ; LOOP2rjmp LOOP

TIM0_COMPA:

ldi temp, $01out portd, temp ;activación del gatillo del SCRclr tempout TCCR0B, temp ; detiene el timerrcall RETARDO ; tiempo del pulso para activacion del SCRldi temp, 0 ; apagado del pulsoout portd, tempsbic pinb, 1rjmp upsbic pinb, 2rjmp downldi temp, $FFreti

up:in temp2, OCR0Acpi temp2, 135 ; límite 7 msbreq COMPARAinc temp2rjmp COMPARA

down:in temp2, OCR0Acpi temp2,$20breq COMPARAdec temp2rjmp COMPARA

COMPARA:out OCR0A, temp2ldi temp, $FFreti

RETARDO:

ldi r29,A ldi r30,B ldi r31,C



AQUI:

dec r29 brne AQUI dec r30 brne AQUI

dec r31 brne AQUI

nop ret

Conclusiones

Resulta muy sencilla la realización del dimmer analógico, no siendo exactamente así para el caso del dimmer digital, sobre todo en lo referente a la programación del microcontrolador. Sin embargo, esta práctica resulta muy útil no solo para controlar potencia de un foco, sino también por ejemplo para motores, y otros dispositivos que no sean sensibles a la forma de onda que se le entrega.


tOn tOff

t

tOn tOff

t

Práctica 8: Modulación por Ancho de Pulso (PWM) Electrónica de Potencia

PRÁCTICA #8: MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO (PWM)

Objetivo

a) Diseñar e implementar un control de potencia por medio de modulación de ancho de pulso para una carga de DC.b) Diseñar e implementar un circuito regulador de voltaje por medio de modulación de ancho de pulso. Dicho circuito tendrá como entrada una señal de 6 a 15 VDC y deberá entregar a la carga un voltaje constante de 5 V.

Marco Teórico

Modulación por Ancho de Pulso

La modulación de ancho de pulso (MAP, o PWM en inglés) es una técnica utilizada para controlar dispositivos, la potencia en cargas de DC, sistemas de comunicación, etc. Algunas aplicaciones en las que se utiliza PWM son controles de motores, de iluminación y de temperatura.Una señal se genera para tener una frecuencia fija, que será la frecuencia de la señal de PWM, y tiempos de encendido y apagado variables pero que la suma de ambos sea constante. En otras palabras, el período de la señal se mantendrá constante, pero la cantidad de tiempo que se mantiene en alto y bajo dentro de un período puede variar.El ciclo de trabajo del total del período (t = tOn + tOff) es tOn/t, es decir el tiempo que se mantiene en alto respecto del periodo de la onda PWM.

Figura 38: Señal modulada con un ciclo de trabajo del 50%

La siguiente figura anterior muestra una onda cuadrada. Que cuando es vista como una señal de PWM, su ciclo de trabajo es del 50%. En otras palabras, está en On la mitad del tiempo.La siguiente figura muestra otra señal PWM, con un ciclo de trabajo del 10%.

Figura 39: Señal modulada con un ciclo de trabajo del 10%

Variando el ciclo de trabajo el voltaje promedio de la salida puede ser controlado. Por ejemplo, una señal PWM que tiene 10V de amplitud y un 50% de ciclo de trabajo, provee 5V de salida



promedio. Cuando se incrementa o decrementa el ciclo de trabajo de una señal PWM, la salida promedio se incrementa o decrementa respectivamente.Utilizando el principio de funcionamiento de la señal de PWM podemos controlar la cantidad de potencia entregada a una carga de corriente directa, desde prácticamente el 0% hasta prácticamente el 100%.

Microcontrolador ATmega8

Distribución de pines

La Figura 40 muestra la configuración de pines del microcontrolador ATmega8. Como se puede observar, ciertos pines tienen más de un uso, según como se configura, ciertos pines pueden funcionar como pines de I/O estándar o como I/O de algún periférico interior.

Figura 40: Configuración de pines del ATmega8

Desarrollo

Diagrama a bloques




MICROCONTROLADOR(CONTROL PWM)

BOTONESUP / DOWN M

ENTRADACONSTANTE

SALIDAVARIABLE

MICROCONTROLADOR(CONTROL PWM)

FUENTE VARIABLE6 – 15 V M

ENTRADAVARIABLE

SALIDACONSTANTE (5v)

Primera Parte

SegundaParte


Diagrama esquemático

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15

ATtiny2313

PRIMERA PARTE5V

1.0k 1.0k

UPDOWN

1.0k

AUTOM

1.0k

2N3904

12V

MOTORM

6-20 V

10k

40k

5V

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15

ATtiny2313

1.0k

2N3904

12V

MOTORM

5V

5V

SEGUNDA PARTE

ADC

SEÑAL DE CONTROL

DIVISRO

FTE.VARIABLE



Primera parte (Entrada constante, salida variable)

Para esta primera parte se utilizo un canal PWM del microcontrolador. Debido a que la alimentación del motor es constante, para hacer variar sólo es necesario jugar con una modulación por ancho de pulsos, la cual estará saturando y mandando a corte el transistor regulando así la potencia de salida del motor.El programa de dicho sistema es el siguiente:

.include "m8def.inc"

.def TEMP = r16 ;Registro Temporal

.def TEMP2 = r17


.org 0rjmp RESET ; Reset Handlerreti;EXT_INT0 ; IRQ0 Handlerreti ;EXT_INT1 ; IRQ1 Handlerreti ;TIM2_COMP ; Timer2 Compare Handlerreti ;TIM2_OVF ; Timer2 Overflow Handler



reti ;TIM1_CAPT ; Timer1 Capture Handlerreti ;TIM1_COMPA ; Timer1 CompareA Handlerreti ;TIM1_COMPB ; Timer1 CompareB Handlerreti ;TIM1_OVF ; Timer1 Overflow Handlerrjmp TIM0_OVF ; Timer0 Overflow Handlerreti ;SPI_STC ; SPI Transfer Complete Handlerreti ;USART_RXC ; USART RX Complete Handlerreti ;USART_UDRE ; UDR Empty Handlerreti ;USART_TXC ; USART TX Complete Handlerreti ;ADC ; ADC Conversion Complete Handlerreti ;EE_RDY ; EEPROM Ready Handlerreti ;ANA_COMP ; Analog Comparator Handlerreti ;TWSI ; Two-wire Serial Interface Handlerreti ;SPM_RDY ; Store Program Memory Ready Handler

RESET:ldi temp, low (ramend)

out spl, temp ldi temp, high (ramend)

out sph, tempsei ;Habilitación de la Int. Global

ldi TEMP, $30out ddrc, temp

ldi TEMP,$02out ddrb,TEMPldi TEMP,$81out TCCR1A,TEMP ;PWM 8 BITS,EFECT ON OC1ldi TEMP,$01out TCCR1B,TEMP ;Escala CK para el TMR1ldi TEMP,$01out TIMSK,TEMP ;Habilitación de Int. TMR0ldi TEMP, $01 ; Pre-escala Configuración de Relojout TCCR0,TEMPldi TEMP,0ldi TEMP2,0

MENU:sbic pinb,3rjmp AUTOcpi temp2, $FFbreq MENU

LOOP:AT6: rjmp MENU

TIM0_OVF:cpi temp2, $FFbreq upcpi temp2, $EEbreq downsbic pinb,0rjmp upsbic pinb,2rjmp downreti



up: in TEMP, OCR1AL

cpi TEMP, $FFbreq ATinc TEMP

AT: out OCR1AL,TEMPcpi temp, $FFbreq CHK1reti

CHK1:cpi temp2, $FFbreq downreti

down: in TEMP,OCR1AL

cpi TEMP, 0 breq AT2

dec TEMP

AT2: out OCR1AL,TEMPcpi temp, $FFbreq CHK2cpi temp, 0breq CHK2reti

CHK2:ldi temp, $EE

AUTO:ldi temp, 0out OCR1AL, templdi temp2, $FFrjmp upreti

Segunda parte (Entrada variable, salida constante)

Esta parte es un poco más complicada que la anterior. El motor tendrá un Vcc variable entre 6 y 20 Volts, pero debe de llegarle un voltaje eficaz de 5 V constantes, esto se logra haciendo un PWM donde a mayor Vcc de entrada, menor es el ancho de los pulsos regulando así a 5 V, y viceversa.Para tomar una “muestra” del voltaje de entrada, se utiliza un divisor de 5:1, ésta señal es la señal de control que es enviada al microcontrolador, específicamente a la entrada del ADC interno que tiene.El ADC convierte el voltaje de control en un valor numérico, con el cual junto con una fórmula se puede deducir el ancho que deben tener los pulsos para obtener a la salida los 5 V, requeridos. El programa que hace esto, (se puede observar la fórmula en el), es el siguiente.

.include "m8def.inc"

.include "AVR200b.asm"

.def TEMP = r13 ;Registro Temporal;.def TEMP2 = r17



;;;;;; DEFINICIONES PARA LA DIVISION ;;;;;;;.DEF rd1l = R0 ; LSB 16-bit-number to be divided.DEF rd1h = R1 ; MSB 16-bit-number to be divided.DEF rd1u = R2 ; interim register.DEF rd2 = R3 ; 8-bit-number to divide with.DEF rel = R4 ; LSB result.DEF reh = R5 ; MSB result.DEF rmp = R15; multipurpose register for loading


.org 0rjmp RESET ; Reset Handlerreti;EXT_INT0 ; IRQ0 Handlerreti ;EXT_INT1 ; IRQ1 Handlerreti ;TIM2_COMP ; Timer2 Compare Handlerreti ;TIM2_OVF ; Timer2 Overflow Handlerreti ;TIM1_CAPT ; Timer1 Capture Handlerreti ;TIM1_COMPA ; Timer1 CompareA Handlerreti ;TIM1_COMPB ; Timer1 CompareB Handlerreti ;TIM1_OVF ; Timer1 Overflow Handlerreti; TIM0_OVF ; Timer0 Overflow Handlerreti ;SPI_STC ; SPI Transfer Complete Handlerreti ;USART_RXC ; USART RX Complete Handlerreti ;USART_UDRE ; UDR Empty Handlerreti ;USART_TXC ; USART TX Complete Handlerrjmp ADC_CC ; ADC Conversion Complete Handlerreti ;EE_RDY ; EEPROM Ready Handlerreti ;ANA_COMP ; Analog Comparator Handlerreti ;TWSI ; Two-wire Serial Interface Handlerreti ;SPM_RDY ; Store Program Memory Ready Handler

RESET:ldi temp, low (ramend)

out spl, temp ldi temp, high (ramend)

out sph, temp

sei ;Habilitación de la Int. Global

ldi temp, $FFout ddrd, temp ; Puerto D como salida.out ddrc, temp ; Puerto B como salida

ldi temp, $00out ADMUX, temp

ldi temp, $D8out ADCSRA, temp

PROGRAMA:sbi ADCSRA,6clr temp

LOOP:cpi temp, $FFbreq PROGRAMArjmp LOOP



ADC_CC:in temp, ADCLout portb, tempin temp, ADCHout portd, temp

ldi temp, $FF;sbi ADCSRA,6reti

DIVISION_START

ldi rmp,0xAA ; 0xAAAA to be dividedmov rd1h,rmpmov rd1l,rmpldi rmp,0x55 ; 0x55 to be divided withmov rd2,rmp

;; Divide rd1h:rd1l by rd2;div8:

clr rd1u ; clear interim registerclr reh ; clear result (the result registersclr rel ; are also used to count to 16 for theinc rel ; division steps, is set to 1 at start)

;; Here the division loop starts;div8a:

clc ; clear carry-bitrol rd1l ; rotate the next-upper bit of the numberrol rd1h ; to the interim register (multiply by 2)rol rd1ubrcs div8b ; a one has rolled left, so subtractcp rd1u,rd2 ; Division result 1 or 0?brcs div8c ; jump over subtraction, if smaller

div8b:sub rd1u,rd2; subtract number to divide withsec ; set carry-bit, result is a 1rjmp div8d ; jump to shift of the result bit

div8c:clc ; clear carry-bit, resulting bit is a 0

div8d:rol rel ; rotate carry-bit into result registersrol rehbrcc div8a ; as long as zero rotate out of the result ; registers: go on with the division loop

; End of the division reachedstop:

rjmp stop ; endless loop



Conclusiones

Resultan muy interesantes las diversas aplicaciones que se le pueden dar a la modulación por ancho de pulso. En esta práctica se conocieron dos de las princiapales, que son: teniendo un voltaje constante, hacerlo variar y teniendo un voltaje variable, regularlo.Mediante éste principio del PWM funcionan las actuales fuentes conmutadas que resultan ser mucho más eficientes, económicas, ligeras y pequeñas que las fuentes lineales que utilizan un transformador y otros elementos poco eficientes.El uso del microcontrolador facilita muchísimas cosas y es aquí donde se aprecia su utilidad.


Práctica 9: Inversor DC - AC Electrónica de Potencia

PRÁCTICA #9: INVERSOR DC - AC

Objetivo

Diseñar e implementar un inversor de DC a AC.


El sistema debe ser capas de generar corriente alterna a 120 V a partir de una fuente de corriente directa de 12 V.

Marco Teórico

Transistores MOSFET

El MOSFET es un FET que se construye con la terminal de compuerta aislada del canal con el dieléctrico dióxido de silicio (SiO2), y ya sea en modo de empobrecimiento o bien de enriquecimiento. A continuación se definen estos dos tipos.

Mosfet de empobrecimiento

Las construcciones de los MOSFET de empobrecimiento de canal n y de canal p se muestran en las figuras 1 y 2, respectivamente. En cada una de estas figuras se muestran la construcción, el símbolo, la característica de transferencia y las características iD-VGS. El MOSFET de empobrecimiento se construye (como se muestra en la figura 1(a) para el canal n y en la figura 2(a) para el canal p) con un canal físico construido entre el drenaje y la fuente cuando se aplica una tensión, VDS.El MOSFET de empobrecimiento de canal n de la figura 1 se establece en un sustrato p, que es silicio contaminado de tipo p. Las regiones contaminadas de tipo n de la fuente y el drenaje forman conexiones de baja resistencia entre los extremos de canal n y los contactos de aluminio de la fuente (S) y el drenaje (D). Se hace una capa de silicio de SiO2, que es un aislante, en la parte superior del canal n, como se muestra en la figura 1(a). Se deposita una capa de aluminio sobre el aislante de SiO2 para formar la terminal de compuerta (G). El desempeño del MOSFET de empobrecimiento, es similar al del JFET, como puede verse en las figura 1(c) y 2(c). El JFET se controla por la unión pn entre la compuerta y el extremo de drenaje del canal. No existe dicha unión en el MOSFET de enriquecimiento, y la capa de SiO2 actúa como aislante. Para el MOSFET de canal n, mostrado en la figura 1, una VGS negativa saca los electrones, de la región del canal, empobreciéndolo. Cuando VGS alcanza Vp, el canal se estrecha. Los valores positivos de VGS aumentan el tamaño del canal, dando por resultado un aumento en la corriente de drenaje. Esto se indica en las curvas características de la figura 1(c).



Figura 43: MOSFET de empobrecimiento de canal n

Figura 44: MOSFET de empobrecimiento de canal p.

Nótese que el MOSFET de empobrecimiento puede operar tanto para valores positivos como negativos de VGS. Se puede utilizar la misma ecuación de Shockley a fin de aproximar las curvas para valores negativos de VGS. Obsérvese, sin embargo que la característica de transferencia continua para valores positivos de VGS. Como la compuerta esta aislada del canal, la corriente de compuerta es sumamente pequeña (10-12 A) y VGS puede ser de cualquier polaridad.Como puede verse en las figuras 1(b) y 2(b), el símbolo para el MOSFET posee una cuarta terminal, el sustrato. La flecha apunta hacia adentro para un canal n y hacia afuera para un canal p. El MOSFET de empobrecimiento de canal p, que se muestra en la figura 2, es igual que el de la figura 1, excepto que se invierten los materiales n y p al igual que las polaridades de las tensiones y corrientes.



Mosfet de enriquecimiento

El MOSFET de enriquecimiento se muestra en la figura 3. Este difiere del MOSFET de empobrecimiento en que no tiene la capa delgada del material n sino que requiere de una tensión positiva entre la compuerta y la fuente para establecer un canal. Este canal se forma por la acción de una tensión positiva compuerta a fuente, VGS, que atrae electrones de la región del sustrato ubicada entre el drenaje y la compuerta contaminados de tipo n. Una VGS positiva provoca que los electrones se acumulen en la superficie inferior de la capa de óxido. Cuando la tensión alcanza el valor de umbral, VT, han sido atraídos a esta región los electrones suficientes para que se comporte como canal n conductor. No habrá una corriente apreciable iD hasta que VGS excede VT.No existe un valor IDSS para el MOSFET de enriquecimiento, ya que la corriente de drenaje es cero hasta que el canal se ha formado. IDSS es cero para VGS=0. Para valores de VGS > VT, la corriente de drenaje en saturación se puede calcular de la ecuación:

2)( TGSD VVki

El valor de k depende de la construcción del MOSFET y, en principio, es función del largo y ancho del canal. Un valor típico para k es 0.3 mA / V2 ; la tensión de umbral, VT, es especificada por el fabricante.

Figura 45: MOSFET de enriquecimiento canal n

El MOSFET de enriquecimiento de canal p se muestra en la figura 4; como puede verse, exhibe características similares pero opuestas a las del MOSFET de enriquecimiento de canal n.



Figura 46: MOSFET de eriquecimiento canal p

Aunque se halla más restringido en su intervalo de operación que el MOSFET de empobrecimiento, el MOSFET de enriquecimiento es útil en aplicaciones de circuitos integrados debido a su tamaño pequeño y su construcción simple. La compuerta para el MOSFET de canal n y de canal p es un depósito de metal en una capa de óxido de silicio. La construcción comienza con un material de sustrato (de tipo p para canal n; de tipo n para canal p) sobre el cual se difunde material del tipo opuesto para formar la fuente y el drenaje. Nótese que el símbolo para el MOSFET de enriquecimiento, que se ilustra en las figuras 3 y 4, muestra una línea quebrada entre fuente y drenaje para indicar que no existe un canal inicial.

Desarrollo

Diagrama eléctrico12V

U1

LM555CM

GND

1

DIS7OUT 3RST4

VCC

8

THR6

CON5TRI2

C210nFC1

1uF-POL

D11N914

R2

9.1k

R3

9.1k

R6

10k

Q12N2222A

R4

10k

R1

20.0k

Q2

76132P

Q3

76132P

1 : 5

12V

FOCO 60W





El funcionamiento de este circuito es simple. Se parte de un oscilador implementado con el NE555, a 60 Hz, y con una configuración para que de 50% de ciclo útil (esto gracias al diodo). La salida del oscilador es invertida mediante el transistor Q1.La salida directa del 555 y la salida (inversa) de Q1, se conectan a un par de transistores MOSFET de canal n (Q2 y Q3) que entonces trabajaran en forma complementaria, alternando el flujo de la corriente en el “primario” del transformador (nótese que en este caso se está utilizando el transformador al revés de cómo se usa normalmente, pues se requiere elevación, entonces al referirnos al primario nos estamos refiriendo en realidad al secundario del transformador en su empleo común), él voltaje que se presenta, de 12 V, es amplificado 10 veces gracias a la relación de vueltas el transformador, entonces a la salida se obtiene una señal cuadrada alterna con voltaje de amplitud igual a 120 V.

Conclusiones

Debido a que se empleo un transformador que máximo soporta 3 Amperes, la potencia requerida para encender un foco de 60 W no se pudo alcanzar y esto se noto porque sin carga, midiendo el voltaje de salida con un multimetro se obtuvieron 120 V, y al conectar l carga (foco de 60W) el voltaje calló a cerca de 100 V. De haber utilizado un transformador más grande, la potencia que requería el foco se hubiera podido obtener.Otra cosa importante a la hora de echar a andar este circuito es la fuente de alimentación con que se surte el voltaje directo, pues esta debe ser capas de entregar el amperaje requerido para el correcto funcionamiento del sistema.


Práctica 10: Interfaz para motores a pasos bipoalres Electrónica de Potencia

PRÁCTICA #10: INTERFAZ PARA MOTOR A PASOS BIPOLAR

Objetivo

Diseñar e implementar un circuito para el manejo de motores a pasos bipolares. Obtener el torque máximo del mismo y las rpm máximas.


El circuito debe hacer funcionar un motor a pasos bipolar controlando su velocidad, para hacer pruebas de torque a velocidad cero y torque a velocidad máxima.

Marco Teórico

Motores a Pasos (Stepper motors)

Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos. La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°.Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está energizada, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.

A continuación trataremos solamente los motores P-P del tipo de imán permanente, ya que estos son los mas usados en robótica.

Principio de funcionamiento

Básicamente estos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.

Figura 48: Imagen del rotor de un motor a pasos



Figura 49: Imágen de un estator de 4 bobinas

Existen dos tipos de motores paso a paso de imán permanente:

Figura 50: Estructura interna de un motor a pasos bipolar y unipolar

Bipolar: Estos tiene generalmente cuatro cables de salida (ver figura 1). Necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. En figura 3 podemos apreciar un ejemplo de control de estos motores mediante el uso de un puente en H (H-Bridge). Como se aprecia, será necesario un H-Bridge por cada bobina del motor, es decir que para controlar un motor Paso a Paso de 4 cables (dos bobinas), necesitaremos usar dos H-Bridges iguales al de la figura 3 . El circuito de la figura 3 es a modo ilustrativo y no corresponde con exactitud a un H-Bridge. En general es recomendable el uso de H-Bridge integrados como son los casos del L293 (ver figura 3 bis).



Unipolar: Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno (ver figura 2). Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar. En la figura 4 podemos apreciar un ejemplo de conexionado para controlar un motor paso a paso unipolar mediante el uso de un ULN2803, el cual es una array de 8 transistores tipo Darlington capaces de manejar cargas de hasta 500mA. Las entradas de activación (Activa A, B , C y D) pueden ser directamente activadas por un microcontrolador.



Secuencias para manejar motores paso a paso Bipolares

Como se dijo anteriormente, estos motores necesitan la inversión de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada. Cada inversión de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso, cuyo sentido de giro está determinado por la secuencia seguida.A continuación se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares:

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Secuencias para manejar motores paso a paso Unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores, las cuales se detallan a continuación. Todas las secuencias comienzan nuevamente por el paso 1 una vez alcanzado el paso final (4 u 8). Para revertir el sentido de giro, simplemente se deben ejecutar las secuencias en modo inverso.

Secuencia Normal: Esta es la secuencia más usada y la que generalmente recomienda el fabricante. Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas, se obtiene un alto torque de paso y de retención.

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D1 ON ON OFF OFF2 OFF ON ON OFF3 OFF OFF ON ON4 ON OFF OFF ON

Secuencia del tipo wave drive: En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez. En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave. La contrapartida es que al estar solo una bobina activada, el torque de paso y retención es menor.

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Secuencia del tipo medio paso: En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real. Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y así sucesivamente. Como vemos en la tabla la secuencia completa consta de 8 movimientos en lugar de 4.



PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Como comentario final, cabe destacar que debido a que los motores paso a paso son dispositivos mecánicos y como tal deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duración y la frecuencia de los pulsos aplicados es un punto muy importante a tener en cuenta. En tal sentido el motor debe alcanzar el paso antes que la próxima secuencia de pulsos comience. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede reaccionar en alguna de las siguientes formas:

Puede que no realice ningún movimiento en absoluto. Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar. Puede girar erráticamente. puede llegar a girar en sentido opuesto.

Para obtener un arranque suave y preciso, es recomendable comenzar con una frecuencia de pulso baja y gradualmente ir aumentándola hasta la velocidad deseada sin superar la máxima tolerada. El giro en reversa debería también ser realizado previamente bajando la velocidad de giro y luego cambiar el sentido de rotación.

Reconocimiento de Hilos

Cuando se trabaja con motores P-P usados o bien nuevos, pero de los cuales no tenemos hojas de datos. Es posible averiguar la distribución de los cables a los bobinados y el cable común en un motor de paso unipolar de 5 o 6 cables siguiendo las instrucciones que se detallan a continuación:

1. Aislando el cable(s) común que va a la fuente de alimentación: Como se aprecia en las figuras anteriores, en el caso de motores con 6 cables, estos poseen dos cables comunes, pero generalmente poseen el mismo color, por lo que lo mejor es unirlos antes de comenzar las pruebas.Usando un tester para chequear la resistencia entre pares de cables, el cable común será el único que tenga la mitad del valor de la resistencia entre ella y el resto de los cables.



Esto es debido a que el cable común tiene una bobina entre ella y cualquier otro cable, mientras que cada uno de los otros cables tienen dos bobinas entre ellos. De ahí la mitad de la resistencia medida en el cable común.

2. Identificando los cables de las bobinas (A, B, C y D): aplicar un voltaje al cable común (generalmente 12 volts, pero puede ser más o menos) y manteniendo uno de los otros cables a masa (GND) mientras vamos poniendo a masa cada uno de los demás cables de forma alternada y observando los resultados.El proceso se puede apreciar en el siguiente cuadro:

Seleccionar un cable y conectarlo a masa. Ese será llamado cable A.

Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cuál de los tres cables restantes provoca un paso en sentido antihorario al ser conectado también a masa. Ese será el cable B.

Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cuál de los dos cables restantes provoca un paso en sentido horario al ser conectado a masa. Ese será el cable D.

El último cable debería ser el cable C. Para comprobarlo, basta con conectarlo a masa, lo que no debería generar movimiento alguno debido a que es la bobina opuesta a la A.

Nota: La nomenclatura de los cables (A, B, C, D) es totalmente arbitraria.

Identificando los cables en Motores P-P Bipolares:

Para el caso de motores paso a paso bipolares (generalmente de 4 cables de salida), la identificación es más sencilla. Simplemente tomando un tester en modo ohmetro (para medir resistencias), podemos hallar los pares de cables que corresponden a cada bobina, debido a que entre ellos deberá haber continuidad (en realidad una resistencia muy baja). Luego solo deberemos averiguar la polaridad de la misma, la cual se obtiene fácilmente probando. Es decir, si conectado de una manera no funciona, simplemente damos vuelta los cables de una de las bobinas y entonces ya debería funcionar correctamente. Si el sentido de giro es inverso a lo esperado, simplemente se deben invertir las conexiones de ambas bobinas y el H-Bridge.

Resumen

Un motor de paso con 5 cables es casi seguro de 4 fases y unipolar. Un motor de paso con 6 cables también puede ser de 4 fases y unipolar, pero con 2 cables comunes para alimentación. pueden ser del mismo color. Un motor de pasos con solo 4 cables es comúnmente bipolar.



Puente H

Un puente H es un circuito que permite cambiar la polaridad de una carga, teniendo simplemente una única fuente de DC y algunas señales de control. El puente H consta principalmente de cuatro elementos de conmutación controlados y cuyo esquema general se muestra a continuación.

Este circuito utiliza una fuente sencilla, pero requiere de cuatro elementos de conmutación. Para obtener una corriente positiva es necesario cerrar los switches 1 y 4 de forma simultánea, mientras que para obtener una corriente en el otro sentido se deben accionar los switches 2 y 3. Las combinaciones de activación de los conmutadores se muestran en la siguiente tabla.

SW 1 SW 2 SW 3 SW 4 Carga:ON OFF OFF ON -IOFF ON ON OFF +ION ON X X Corto entre VCC y GNDX X ON ON Corto entre VCC y GND

X: No importa el estado.

Como puede observarse los únicos estados permitidos son el primero y el segundo, ya que en todos lo demás se presentaría una condición de corto circuito en la fuente de DC. Es por tanto necesario diseñar un circuito de control que evite en lo posible cualquier falla. Antes que nada es también necesario especificar que tipo de elementos de conmutación serán utilizados, ya que puede hacerse uso de MOSFET, BJT, entre otros. La implementación con MOSFET es la más sencilla, ya que mediante el uso de elementos canal P en la parte superior y canal N en la inferior, se evita cualquier condición de falla. Estos elementos son por lo general lentos, respecto de los BJT. A continuación se muestra y explica la implementación con MOSFETS para el Puente H. El circuito se muestra en la siguiente figura.



Figura 51: Implementación de un puente H con MOSET

Los transistores superiores son del tipo canal P cuya saturación solo se da cuando se aplica una señal de 0V (tierra) a la terminal de compuerta. En la parte inferior se utilizaron MOSFET canal N, que solo se saturan cuando el voltaje excede al voltaje de umbral pero por lo general se emplea el voltaje de la misma fuente. La ventaja de usar MOSFETs es que no debemos preocuparnos de satisfacer ningún requerimiento de corriente como en el caso de los circuitos con BJT (puesto que suelen manejar una corriente mucho mayor que la que manejan los BJT) por lo que su construcción se hace mas sencilla, solo debemos satisfacer los requerimientos de voltaje en compuerta.

Desarrollo

Diagrama eléctrico

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

20 19 18 17 16 15 14 13 12 11

ATtiny2313

1.0k 1.0k

UPDOWN

VCC

5V

1 2 3 4 5 6 7 8

16 15 14 13 12 11 109

L293B

L1

L2RESET

1.0k





Lógica de control

El microcontrolador ATtiny2313 es el encargado de entregar los pulsos digitales al integrado L293 que tiene dos puentes H. El programa del microcontrolador sigue el siguiente algoritmo.

.include "tn2313def.inc"

.def temp = r16

.def temp2 = r17

.def temp3 = r18

.set PRE0 = 5 ; Preescala del timer 0

.set PRE1 = 2 ; Preescala del timer 1


.org 0

rjmp RESET ; Reset Handlerreti;EXT_INT0 ; IRQ0 Handlerreti ;EXT_INT1 ; IRQ1 Handlerreti ;TIM1_CAPT ; Timer/Counter 1 Capture Eventreti ;TIM1_COMPA ; Timer1 Compare A Handlerrjmp TIM1_OVF ; Timer1 Overflow Handlerreti ;TIM0_OVF ; Timer0 Overflow Handlerreti ;USART0_RXC ; USART0 RX Complete Handlerreti ;USART0_UDRE ; UDR Empty Handlerreti ;USART0_TXC ; USART0 TX Complete Handlerreti ;ADC_CC; ADC Conversion Complete Handlerreti ;PCINT Pin Change Interrupt Handlerreti ;TIM1_COMPB ; Timer/Counter 1 Compare Match Brjmp TIM0_COMPA; Timer/Counter 0 Compare Match Areti ;TIM1_COMPB; Timer/Counter 0 Compare Match Breti ;USI_START; USI Start Condition Handlerreti ;USI_OVERFLOW; USI Overflow Handlerreti ;EE_READY ; EEPROM Ready Handlerreti ;WDT_OVERFLOW ; Wath Dog Overflow Handler

RESET:

ldi temp, low (ramend) out spl, temp

;********** CONFIGURACION ***************;sei ;Interrupcion global activaldi temp3, 10 ; condicion incial de enclavamiento de motorldi temp, $FFout ddrd, temp ; Puero D salidaldi temp2, $FFout OCR0A, temp2 ; Valor Inicial de reg de comparacionldi temp, $81out TIMSK, temp ; Timer0 > Match Compare A, Timer1 > Overflow

;********* ENCLAVAMIENTO DE MOTOR ************;;TIME_STOP:



; clr temp; out TCCR0B, temp; out TCCR1B, tempENCLAVA:

out portd, temp3 ; Enclava motorsbis pinb, 0rjmp INICIO_TMrjmp ENCLAVA

;********** ARRANQUE DE TIMERS *********;INICIO_TM:

ldi temp, PRE0 out TCCR0B, templdi temp, PRE1out TCCR1B, temp

;*********** LOOP CENTRAL *********;LOOP:; cpi temp, $FF; breq TIME_STOP

rjmp LOOP

;*********** RUTINA INTERRUPCION TIMER 1 (BOTONES) ********;TIM1_OVF:; sei

sbis pinb, 0rjmp RUT_UPsbis pinb, 1rjmp RUT_DOWNreti

RUT_UP:in temp2, OCR0Acpi temp2, $03 ; valor limitebreq SET_OCR0Adec temp2rjmp SET_OCR0A

RUT_DOWN:in temp2, OCR0Acpi temp2, $FF ; valor limitebreq SET_OCR0A;PRE_SET_OCR0Ainc temp2rjmp SET_OCR0A

;PRE_SET_OCR0A:; ldi temp, $FF

SET_OCR0A:out OCR0A, temp2reti

;**** RUTINA INTERRUPCION TIMER 0 (SECUENCIA DE MOV) ****;TIM0_COMPA:; sei

clr temp



out TCCR0B, tempout TCNT0, TEMPsbis pinb, 2rjmp DIR_2rjmp DIR_1

DIR_1:cpi temp3, 10breq PASO2cpi temp3, 9breq PASO3cpi temp3, 5breq PASO4cpi temp3, 6breq PASO1ldi temp3, 10 ; condicion de seguridadrjmp DIR_1 ; condicion de seguridad

PASO2:ldi temp3, 9rjmp FIN_INT




FIN_INT:out portd, temp3ldi temp, PRE0out TCCR0B, tempreti

DIR_2:cpi temp3, 10breq PASO4cpi temp3, 9breq PASO1cpi temp3, 5breq PASO2cpi temp3, 6breq PASO3ldi temp3, 10 ; condicion de seguridadrjmp DIR_2 ;

Al motor bipolar empleado en la práctica se le hicieron mediciones en cuanto a torque máximo y velocidad de rotación ó giro máxima.



Velocidad máxima de giro del motor

La velocidad del motor se midió indirectamente mediante la frecuencia de las señales de pulso de control. Con el circuito, se fue subiendo paulatinamente la velocidad hasta, llega un punto en que los pulsos son tan rápidos que el motor ya no alcanza a reaccionar y deja de girar, entonces nos regresamos un poco y medimos la frecuencia de dichos pulsos con ayuda de un osciloscopio.La Figura 53 muestra la frecuencia máxima de pulsos que puede recibir el motor para que gire adecuadamente.

.Figura 53: Imágen una señal de pulsos para el giro del motor a pasos

Primero calculamos los grados que da el motor en cada paso, sabiendo que en una vuelta da 25 pasos:

Sabemos el motor a pasos da pasos al doble de frecuencia de cualquiera de las señales de control, en este caso tenemos que la señal de control monitoreada va a 126 Hz, entonces:

Calculamos entonces las revoluciones por minuto con la siguiente fórmula:

Torque Máximo del motor

Para medir el torque máximo del motor a pasos se mantuvo el motor con sus bobinas polarizada en uno de los pasos de la secuencia, luego se le colocó un peso en el cabezal de su rotor. El peso se fue aumentando hasta que se venció el torque del motor y el cabezal giró hacia el lado donde estaba el peso.Siguiendo este procedimiento el torque fue vencido con un peso de 620 gramos, el diámetro de la flecha del motor es de aproximadamente 7 mm, entonces su radio es 3.5 mm. Con estos datos podemos ya calcular el torque del motor según la siguiente fórmula:



Donde:m = masa que soporto el torque del motorg = aceleración de la gravedadd = radio de la flecha del motor.

Conclusiones

Los motores a pasos son muy útiles en muchas aplicaciones de automatización y robótica. Por ello es que es importante saber utilizarlos. Los motores unipolares a diferencia de los bipolares, son muy simples de controlar, requiriendo en sus terminales sólo cambios de voltajes positivos; los bipolares requieren cambio de dirección de las corrientes, esto es voltajes tanto positivos como negativos en sus terminales; es aquí donde se emplean los puentes H.


Práctica 11: Inversión de giro de motor trifásico Electrónica de Potencia

PRÁCTICA #11: INVERSIÓN DE GIRO DE UN MOTOR TRIFÁSICO

Objetivo

Diseñar e implementar un circuito que logre invertir el sentido de giro de un motor trifásico.


El circuito debe tener botones para controlar la dirección de giro del motor así como para detenerlo. Si estando girando el motor para una dirección se oprime el botón de cambio de giro, el circuito debe apagar el motor y esperar un tiempo para que pierda inercia (35 segundos) antes de hacer el cambio de giro.

Marco Teórico

Los motores trifásico ya fueron estudiados en el marco teórico de la segunda práctica.

Desarrollo

Diagrama eléctrico

CR CR

CR CR CR

1N4007 1N4007 1N4007

12V

1_AMP 1_AMP 1_AMP

F1 F2 F3

2N2222

1.0k

1N4007 1N4007

3PH_MOTOR M

2N2222

1.0k

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15

ATtiny2313

5V

1.0k 1.0k

DERIZQ PARO

1.0k

5V

Figura 54: Diagrama eléctrico circuito para cambio de giro


Un motor trifásico cambia de giro cuando se invierten dos de sus fases; como se puede observar en la Figura 54, el circuito que maneja las fases recibe dos señales de control. La primera que entra por el primer transistor, es la que deja o no pasar las tres fases al motor; la segunda señal es la que se encarga de hacer el cambio de giro, invirtiendo des de las fases mediante relevadores.Dichas señales de control provienen de un microcontrolador con el siguiente programa.



.include "m8def.inc"; En este archivo se encuentran los datos del micro que el ensanblador nesecita.device ATmega8; Esta directiva sirve paraverificar que las instruciones corespondan al micro que ese esta utilizando.def temp = r16 ; Etiquetado de un registro.def temp2 = r17.set An = 18.set Bn = 143.set Cn = 178

.set Xn = 110

.set Yn = 94

.set Zn = 26

RESET: ldi temp, low (ramend) ;Inicializacion del stack pointer out spl, temp ldi temp, high (ramend) out sph, temp

INICIO: ldi temp, $07

out ddrd, temp ldi temp2, 0

PROGRAMA: ldi temp, 0 out portd, temp in temp, pinb andi temp, $0F sbrc temp, 3 rjmp PROGRAMA2

cpi temp, 1 breq DERECHA cpi temp, 4 breq IZQUIERDA rjmp PROGRAMA

PROGRAMA2:;Giro inicial

cpi temp, $09 breq GDER cpi temp, $0C breq GIZQ rjmp PROGRAMA

;Giro derecha GDER: in temp, pinb

sbrc temp, 1rjmp PAROldi temp2, $06out portd, temp2rjmp RETARDO2

;Giro Izquierda GIZQ: in temp, pinb



sbrc temp, 1rjmp PAROldi temp2, $07out portd, temp2rjmp RETARDO2

DERECHA:

cpi temp2, 0breq DERcpi temp2, $03breq RETARDO

DER: ldi temp2, $02 out portd, temp2

in temp, pinb ;Filtrajeandi temp, 7cpi temp, 2breq PAROcpi temp, 4breq IZQUIERDArjmp DER

IZQUIERDA:

cpi temp2, 0breq IZQcpi temp2, $02breq RETARDO

IZQ: ldi temp2, $03 out portd, temp2

in temp, pinb ;Filtrajeandi temp, 7cpi temp, 2breq PAROcpi temp, 1breq DERECHArjmp IZQ

PARO: ldi temp2, 0

out portd, temp2 rjmp RETARDO

RETARDO: ldi temp, 0

out portd, temp ldi r29,An ldi r30,Bn ldi r31,Cn

AQUI:

dec r29



brne AQUI dec r30 brne AQUI

dec r31 brne AQUI

nop

in temp, pinb sbrc temp, 1 rjmp PROGRAMA cpi temp2, $03 breq DER cpi temp2, $02 breq IZQ cpi temp2, $06 breq GIZQ cpi temp2, $07 breq GDER rjmp PROGRAMA

RETARDO2: ldi r29,Xn ldi r30,Yn ldi r31,Zn

AQUI2: dec r29

brne AQUI2 dec r30 brne AQUI2

dec r31 brne AQUI2

nop

in temp, pinb andi temp, 2 sbrc temp, 1 ldi temp2, 0 rjmp RETARDO

Conclusiones

En esta práctica podemos observar claramente la unión de la elctrónica de control de baja potencia con la de alta potencia. Aquí el microcontrolador es en realidad el que proporciona los tiempos y toma las decisiones de comportamiento, mientras que la etapa de potencia comprendida por los transistores y los relevadores son los que hacen finalmente actar al dispositivo de potencia que es el motor trifásico.


Calvillo Cortés Carlos - Actividades Practicas (Potencia)

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