Ante Cen Dentes 1

8/13/2019 Ante Cen Dentes 1

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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELASUPERIORDEINGENIERIAMECANICAYELECTRICAUNIDADPROFESIONALADOLFOLPEZMATEOS

GENERADOR DE SEALES PARA CIRCUITOSDE ELECTRNICA DE POTENCIA

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TTULO DE:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRNICA

PRESENTAN:CRUZ CUEVAS JENNYFER

MONTESINOS DE LA ROSA EDGAR ENRIQUESANTANA ROBLES JONATHAN

ASESORES:

ING. MAURICIO SANCHEZ RAMOSM. EN C. JOS OSCAR PATLN FRAUSTO

MXICO, D.F. 2010


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Agradezco a mi mam querida Esther de la Rosa Hernndez y a mishermanos Laura, Nayeli y David por alentarme a cumplir mis objetivos ybrindarme todo su apoyo y esfuerzo para concluir esta etapa, este logro es

nuestro.

A mis familiares y amigos que me han acompaado a lo largo de mi vida y porcompartir grandes momentos y estar a mi lado en los momentos difciles.

A mis asesores: Ing. Mauricio Snchez Ramos y M.C. Jos Oscar PatlanFrausto por guiarme y motivarme a preparar y terminar este trabajo.

A todos mis profesores de la ESIME por transmitirme sus conocimientos yexperiencias para llegar a ser una persona productiva.

Al Instituto Politcnico Nacional que me permiti ser parte de una generacinde profesionales.

Edgar Enrique Montesinos de la Rosa

El que ha llegado tan lejos que ya no se confunde, ha dejado tambin detrabajar

Max Plank.


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Son tantas personas a las cuales debo parte de este triunfo, de lograr alcanzaruna de mis metas, la cual es el anhelo de todos los que soamos alguna vezcon terminar una carrera.

A mi familia: a mis padres Sofia y Arturo, a mis hermanas Yeimi y Berenice,

ellos que han estado hay durante los 23 aos que tengo de vida, compartiendomomentos buenos y malos, momentos que hoy son recuerdos pero que sinellos a mi lado no significaran mucho por que han sido ellos quienes los hanhecho inolvidables y los que siempre creyeron en mi aun cuando yo no lohacia.

A mis amigos: dicen que los verdaderos amigos se cuentan con los dedos deuna mano y es cuando me doy cuanta de lo afortunada que soy ya quecomienzo a necesitar mi otra mano para poder contarlos, a ellos que hanestado conmigo a pesar de todo, por que me conozco y se que no soy fcil deentender y que aun as estn aqu vindome caer y levantarme una y otra vez,

dndome una mano cuando la necesito, un hombro en el cual llorar en esosmomentos difciles y una enorme sonrisa cuando cumplo mis sueos.

Al Instituto Politcnico Nacional, esta gran institucin a quien le debo miformacin y a todos los profesores que la integran ya que fueron ellos los queme ensearon lo necesario para poder desarrollarme como profesional y comopersona.

Jennyfer Cruz Cuevas

El ignorante afirma, el sabio duda y reflexiona. Aristteles


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INDICE GENERAL

INTRODUCCION 1

Justificacin 1

Objetivos 1Marco terico 1

CAPITULOI CIRCUITO GENERADOR DE PULSOSVARIABLES EN EL TIEMPO

1.1 Introduccin 31.2 Circuito generador de pulsos con

componentes electrnicos analgicos 4

2.2.1 Funcionamiento 52.2.2 Ventajas y desventajas 5

1.3 Circuito generador de pulsos manejadocon un microcontrolador


1.4 Detector de cruce por cero 7

1.4.1 El LM339 81.4.2 Simulacin 9

1.5 Pulsos controlados por ngulo de fase 11

1.5.1 Planteamiento 111.5.2 Diagrama de flujo 121.5.3 Anlisis del cdigo 151.5.4 Graficas de los pulsos controlados por ngulo de fase

obtenidas en la simulacin (P-SPICE) 161.5.5 Graficas de los pulsos controlados por ngulo de fase

obtenidas en el laboratorio 18

1.6 Circuito cerrar abrir 22

1.6.1 Planteamiento 221.6.2 Diagrama de flujo 231.6.3 Anlisis del cdigo 251.6.4 Graficas del circuito cerrarabrir obtenidas

en la simulacin (P-SPICE) 261.6.5 Graficas del circuito cerrarabrir obtenidas

en el laboratorio 28


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CAPITULO II CIRCUITO GENERADOR DE PULSOSMODULADOS POR ANCHURA

2.1 Introduccin 332.2 Generacin de pulsos modulados

por anchura utilizando componentes analgicos 34


2.3 Circuito generador de pulsos modulados por anchurautilizando un microcontrolador 36


2.4 Modulacin por ancho de pulso (PWM) 37

2.4.1 Planteamiento 372.4.2 Diagrama de flujo 382.4.3 Anlisis del cdigo 402.4.4 Graficas del circuito modulacin por ancho de pulso

(PWM) obtenidas en el laboratorio 41

2.5 Modulacin de varios pulsos uniformes (UPWM) 42

2.5.1 Planteamiento 432.5.2 Diagrama de flujo 442.5.3 Anlisis del cdigo 452.5.4 Graficas del circuito modulacin de varios

pulsos uniformes (UPWM) obtenidas en la simulacin (P-SPICE) 462.5.5 Graficas del circuito modulacin de varios

pulsos uniformes (UPWM) obtenidas en el laboratorio 50

CAPITULO III APLICACIONES

3.1 Introduccin 55

3.2 Dispositivos semicontrolados 56

3.2.1 El SCR 563.2.2 El TRIAC 56

3.3 Dispositivos totalmente controlados 57

3.3.1 El MOSFET 57

3.4 Aplicacin y Prueba 1, Control de velocidad de un motor 603.5 Aplicacin y Prueba 2, Inversor de CD-CA. 60


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CAPITULO IV COSTOS

4.1 Costos 64

CAPITULO V CONCLUSIONES

5.1 Conclusiones 65

APENDICES

Apndice A: Diseo de la fuente de alimentacin 67Apndice B: Programa Final 87Apndice C: Hojas de especificaciones 105

BIBLIOGRAFIA 113


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CAPITULO I

1

INTRODUCCIN

Justificacin

En los laboratorios de Electrnica de Potencia de enseanza a nivellicenciatura se requieren seales de control para los circuitos de potencia quemanejan diversas cargas, estas seales en varios casos debern estarsincronizados con la fase de alimentacin.

El sistema generador de seales para circuitos de Electrnica de Potencia,proporciona seales sincronizadas con la fase, as como otro tipo de sealesutilizadas especficamente en circuitos de Electrnica de Potencia. Todo loanterior lo hace un equipo muy til en el laboratorio de Potencia para efectuarexperimentos, as como otros desarrollos en este campo

Objetivos

Objetivo general:

Disear y construir un sistema generador de seales de control para serutilizado en los laboratorios de Electrnica de Potencia.

Objetivos especficos:

- Disear e implementar el circuito generador de pulsos sincronizadoscon la lnea de alimentacin de voltaje de corriente alterna (ca)variantes en el tiempo y para el control abrir cerrar.

- Disear e implementar el circuito generador de pulsos moduladospor anchura.

- Disear e implementar el circuito de interface de usuario.

Marco terico

Con el fin de ampliar y mejorar los mtodos aplicables en la materia deelectrnica de potencia y como una ayuda para los alumnos que toman estamateria, se propone como objetivo principal de este trabajo, disear y construirun generador de seales, as como comprobar su viabilidad en un entorno real.

Para ejemplificar mejor proyecto se decidi dividirlo en 2 bloques principales:

1.- Subsistema analgico2.- Subsistema digital.


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CAPITULO I

2

A continuacin se presenta un diagrama a bloques del sistema completo (figura1).

Figura 1: Diagrama a bloques del generador de funciones

Como se observa en la figura 1, el Bloque Subsistema Analgico estcompuesto a su vez por dos bloques. El primer bloque es el de reduccin de laseal a sincronizar, es decir, en esta etapa es en donde se va a utilizar untransformador el cual va a ser el encargado de reducir la seal de la lnea a unvalor adecuado de 3.0volts, el segundo bloque es el detector de cruce porcero el cual se encargara de generar un pulso cada vez que la seal de lalnea cruce por cero. El bloque subsistema analgico esta enlazado al siguientebloque que es el de Subsistema Digital dicho bloque a su vez estacompuesto de dos bloques, el primero de estos bloques es el de Procesadodigital y control de la duracin de los pulsos aqu es en donde la seal que seobtuvo a la salida del detector entra al microcontrolador, el microcontrolador esprogramado para que manipule dicha seal y as genere en este caso cuatrotipos de pulsos diferentes, el siguiente bloque es el men selectivo tipo deseal, como su nombre lo dice este bloque es el que estar interactuando conel microcontrolador y por medio del cual se podr escoger el tipo de pulsos conel que se quiere trabajar. La pantalla estar conectada a la salida del men yva a ser el medio visual por el cual el usuario va a poder interactuar con elgenerador. La fuente de alimentacin es la encargada de alimentar a las etapas

que componen este generador es por eso que se tendr que disear deacuerdo a las necesidades que se tengan.

Salida A

Salida B

Hacia la etapa de potencia

A = Abrircerrar

Control por ngulo de fase

PWM 1

UPWM 1

B = PWM 2

UPWM 2

ALI

MENT

ACIN

Pantalla

SUBSISTEMA ANALOGICO

Reduccinde voltaje

de la seala sincronizar

Detectorde crucepor cero

SUBSISTEMA DIGITAL

Procesadodigital y controlde la duracinde los pulsos

Menselectivo

tipode seal

Interfacede usuario(Teclado)


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CAPITULO I

3

CAPITULO I

CIRCUITO GENERADOR

DE PULSOS

VARIABLES EN ELTIEMPO

1.1 Introduccin

Los dispositivos semiconductores de potencia dependen ampliamente de laforma en que el circuito de control excita su disparo para obtener la salidadeseada. Por consiguiente, las caractersticas del circuito de control debenajustarse a los requerimientos de disparo del dispositivo. La familia de tristores:rectificadores controlados de silicio (SCR), El trodo de corriente alterna(TRIAC), interruptor controlado en compuerta (GTO), etc. son disparados porun pulso de corriente con un defasamiento adecuado con respecto a la sealsinusoidal de alimentacin.

El propsito de este circuito es generar los pulsos de corriente necesarios parael control de fase de disparo de la familia de los tristores, teniendo en cuentaque deben estar sincronizados con la seal de alimentacin (figura 1.1)

Figura 1.1: Forma de onda de la seal de corriente alterna (ca).


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CAPITULO I

4

Si se conecta un triac entre la fuente de corriente alterna y la carga, se puedecontrolar la potencia haciendo variar el valor RMS del voltaje de corrientealterna aplicado a la carga, y a este tipo de circuito de potencia se le llamacontrolador de voltaje de corriente alterna. Las aplicaciones ms comunes delos controladores de voltaje de corriente alterna son: calefaccin industrial,

cambio de conexin de transformador con carga, controles de alumbrado,control de velocidad de motores y controles de electroimanes de corrientealterna. Para la transferencia de potencia se usan, en el caso normal, dos tiposde control:

1. Control de encendido-apagado2. Control por ngulo de fase

En el control de encendido apagado, los interruptores de triac conectan lacarga a la fuente corriente alterna durante algunos ciclos de voltaje de entraday lo desconectan durante algunos otros ciclos. En el control por ngulo de fase,

los interruptores conectan a la carga con la fuente de corriente alterna duranteuna parte de cada ciclo de voltaje de entrada.

Los controladores de voltaje de ca se pueden clasificar en dos tipos: 1) Controlunidireccional o de media onda, y 2) Control bidireccional o de onda completa.

1.2 Circuito generador de pulsos con componentes analgicosy digitales.

Se pueden obtener pulsos variables en el tiempo por medio del circuito

mostrado en la figura 1.2. El circuito se basa en amplificadores operacionalesusados como comparadores de voltaje.

Figura 1.2: Circuito generador de pulsos con componentes analgicos


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CAPITULO I

5

1.2.1 Funcionamiento

El circuito toma una muestra de la lnea de alimentacin, por medio de untransformador se puede reducir el voltaje de la lnea sin que la forma de ondasea afectada. La seal es introducida a dos amplificadores operacionales, en

uno la seal de corriente alterna se aplica a la entrada no inversora delamplificador, mientras que en el segundo la seal se aplica a la entradainversora del amplificador. La entrada restante de cada amplificador esconectada la seal de referencia de 0volts, la cual genera un pulso en el crucedel voltaje de suministro positivo con cero, para el caso del primer amplificadory un pulso en el cruce del voltaje de suministro negativo con cero volts.

La salida de los amplificadores genera un pulso que es reducido en anchurahacindolo pasar por un integrador. Este pulso se aplica a la entrada positivade otro amplificador. En la entrada inversora es aplicado un nivel de voltaje, deacuerdo al nivel que se tiene en esta entrada se puede retardar el pulso el

ngulo que se desee.Se tienen dos pulsos: uno generado en el semiciclo positivo defasado gradosy el otro generado en el semiciclo negativo defasado grados con respecto alcruce con cero.

La compuerta OR hace que los pulsos de cada salida del amplificador setengan en una sola, el pulso que corresponde al semiciclo negativo puede o noestar presente de acuerdo a la posicin de interruptor.

1.2.2 Ventajas y desventajas

Entre las ventajas de utilizar un circuito generador de pulsos variables en eltiempo con componentes analgicos es la sencillez del mismo, el mnimo usode componentes y por consiguiente un bajo costo.

Al ser un circuito en el cual el ngulo al que se desea tener los pulsos seselecciona de manera analgica, este es inestable, debido a la conversin quese requiere, algunos pulsos estarn ubicados un poco antes del nivel dereferencia mientras que otros estarn ubicados un poco despus de pasar elnivel de voltaje fijado por la resistencia variable.

1.3 Circuito generador de pulsos con microcontrolador

Se pueden obtener pulsos variables en el tiempo por medio del circuitomostrado en la figura 1.3. El circuito se basa en el uso de un microcontroladorel cual es programado para generar las cuatro seales de este trabajo.


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CAPITULO I

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Figura 1.3: Circuito generador de pulsos con un microcontrolador

Un microcontrolador es un circuito integrado programable que contiene todoslos componentes necesarios para controlar el funcionamiento de una tareadeterminada. Para esto, el microcontrolador utiliza muy pocos elementosasociados en su parte exterior. Una vez programado y configurado elmicrocontrolador, slo sirve para realizar la tarea asignada.

En el mercado existe una gran variedad de microcontroladores con mltiplesposibilidades y caractersticas. Cada tipo de microcontrolador sirve para unaserie de casos y existe uno idneo para cada aplicacin requerida.

En los ltimos aos han tenido un gran auge los microcontroladores PICfabricados por Microchip Technology Inc. Los PIC (Peripheral InterfaceController) son una familia de microcontroladores que ha tenido granaceptacin y desarrollo en los ltimos aos gracias a que sus buenascaractersticas, bajo precio, reducido consumo, pequeo tamao, gran calidad,fiabilidad y abundancia de informacin, lo convierten en una buena opcin para

ser utilizado en la presente aplicacin.


El microcontrolador elegido para esta aplicacin es uno de los ms verstilesde los PIC: el PIC18F452, que se encuentra disponible en encapsulado del tipoDIL40.

Normalmente el microcontrolador PIC18F452 se alimenta con 5 volts aplicadosentre los pines VDD y VSS que son, respectivamente, la alimentacin y tierra

del chip.


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CAPITULO I

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El consumo de corriente para el funcionamiento del microcontrolador dependede la tencin de alimentacin, de la frecuencia de trabajo y de las cargas quesoportan sus puertos, siendo del orden de unos pocos miliamperios.El microcontrolador se comunica con el mundo exterior a travs de puertos.Estos estn constituidos por lneas digitales de entrada/salida que trabajan

entre 0 y 5 volts los puertos se pueden configurar como entradas para recibirdatos o como salidas para manejar dispositivos externos.

Todo microcontrolador requiere de un circuito que le indique la velocidad detrabajo, es el llamado oscilador o reloj. ste genera una onda cuadrada de altafrecuencia que se utiliza para sincronizar todas las operaciones del sistema.

El circuito de reloj ms utilizado es el cristal de cuarzo que proporciona unafrecuencia muy estable, para nuestro caso la frecuencia de trabajo de ste serde 4MHz. El condensador debe de ir acompaado por dos capacitores de valorde 22pF.


Entre las ventajas de usar un microcontrolador en vez de componentesanalgicos es la reduccin del circuito ya que este rene en un solo integrado,memoria de programa, memoria de datos y puertos de entrada/salida. Ademsde la reduccin de los costos, en este caso los pulsos estn ubicados en elnivel de referencia. El manejo de los retardos se hace de manera digital, lo cualhace que sea mas preciso, adems de tener bajo consumo de energa. Unadesventaja del microcontrolador es que se pueden tener tiempos demasiadolargos de ejecucin de programa, esto puede mejorarse realizando el programade manera estructurada para optimizar su funcionamiento.

1.4 Detector de cruce por cero

El detector de cruce por cero es esencial ya que es el encargado de generar unpulso cada vez que la seal de la lnea cruza por cero

Comparadores con punto de conmutacin en cero

En ocasiones se quiere analizar dos voltajes para determinar cual de los dos es

el mayor. En esta situacin, un comparador puede ser la solucin perfecta.Este circuito tiene dos terminales de entrada (inversor y no inversor) y unterminal de salida. Es diferente a los circuitos lineales con amplificadoresoperacionales, ya que existen dos estados en la salida, dependiendo de si latensin es alta o baja. Por esta razn, los comparadores son comnmenteusados como conexin entre circuitos analgicos y digitales.

Circuito bsico

La manera ms simple de construir un comparador consiste en conectar un

amplificador operacional sin resistencias de realimentacin, como se ve en laFigura 1.4. Dada la alta ganancia de tensin en lazo abierto, un voltaje de


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CAPITULO I

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entrada positiva provoca una saturacin positiva, y un voltaje de entradanegativa provocara una saturacin negativa. El comparador de la figura 1.4 seconoce como detector de cruce por cero, ya que idealmente el voltaje desalida conmuta de alta a baja o viceversa cuando el voltaje de entrada pasa porel valor cero.

Figura 1.4: Comparador

Si Vsat= 14 V, la oscilacin en la salida del comparador va aproximadamentede -14 a +14 V. Si la ganancia de tensin en lazo abierto es 100.000, el voltajede entrada necesaria para producir saturacin tiene la siguiente expresin(ecuacion1):

mVVin 014.0000.100

14(min) 1

Lo que significa que una tensin de entrada ms positiva que +0,014mV llevaal comparador a una saturacin positiva, y un voltaje de entrada mas negativa

que -0,014mV lleva a1 comparador a una saturacin negativa.

Las tensiones de entrada de un comparador son normalmente muy superioresa 0.014mV. Por ello, la tensin de salida tiene dos estados, +V sat o -Vsat.Fijndonos en el voltaje de salida, podremos decir inmediatamente si el voltajede entrada es mayor o menor que cero.

Un detector de cruce por cero determina la transicin de una forma de onda(senoidal) de positiva a negativa, proporcionando un pulso que coincidaexactamente con la condicin de voltaje cero y genere un estado alto cuandoesto suceda y cuando se vuelva a repetir cambie al estado opuesto de manera

peridica.

1.4.1 El LM339

El LM339 puede ser usado para ajustar simtricamente los ngulos correctosde una onda senoidal alrededor de cero volts mediante la incorporacin de unapequea cantidad de retroalimentacin positiva para mejorar el cambio de lostiempos y centrando la entrada de umbral a tierra (vase figura 1.5).


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CAPITULO I

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Figura. 1.5: Detector de cruce por cero

El divisor de voltaje entre R4y R5 establece una referencia de voltaje V1, en laentrada positiva. Al hacer las resistencias en serie, R1 mas R2 igual a R5, lacondicin de cambio, V1=V2, ser satisfecha cuando VIN=0. El resistor deretroalimentacin R6, esta hecho (fabricado) de un valor mucho mas grandecon respecto a R5(R6= 2000 R5).

El resultado establecido por esta red es muy pequeo (V1< 10mV), pero essuficiente para asegurar una rpida salida de transicin de voltaje. El Diodo D1

se usado para asegurar que la terminal de inversin de entrada de lacomparacin nunca caiga (disminuya) aproximadamente -100mV.

Como la terminal de entrada es negativa, D1tendr la misma direccin que elvoltaje de control, haciendo un puente entre R1 y R2 a aproximadamente -700mV. Esto crea un divisor de voltaje con R2y R3previniendo que V2vaya pordebajo de tierra. El limite mximo de la entrada negativa esta limitada por lacorriente de sostenimiento de D1.

Las principales caractersticas con las cuales cuenta el LM339 son:

- Los voltajes con los cuales puede ser alimentado son: 2VDC a36VDC o 1VDC o 18VDC

- Muy bajo suministro de corriente (100mA), independiente de voltaje desuministro.

1.4.2 Simulacin

Se simulo el circuito que el fabricante del LM339 propone en sus hojas deespecificaciones (figura 1.6) con el objetivo de comprobar su funcionamiento,utilizamos el simulador P-SPICE el cual nos da los resultados mostrados en la

figura 1.7.


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CAPITULO I

10

5.1k

0

0

VCC

0

IN

0

VCC

OUT

FREQ = 60VAMPL = 4.25VOFF = 0

VCC5Vdc

100k

5.1k 5.1k

10k20MEG

100k

D1N914

LM339

5

4

3

12

2

+

-

V+

V-

OUT

0

Figura 1.6: Diagrama detector de cruce por cero (P-SPICE)

Figura 1.7: Grafica resultante (Cruce por Cero)

En la figura 1.8 se muestran los resultados al armar y probar el circuitopropuesto.


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CAPITULO I

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Figura 1.8: Fotografa obtenida en el laboratorio

1.5 Pulsos controlados por ngulo de fase

1.5.1 Planteamiento

El principio de control por ngulo de fase se puede explicar tomando comoreferencia la figura 1.9a. El flujo de potencia a la carga se controla retrasandoel ngulo de disparo del tiristor T1 y la forma de onda para los voltajes deentrada, de salida y la corriente de disparo en la compuerta del tristor se

muestran en la figura 1.9b.

Figura 1.9: (a) Circuito bsico del tristor. (b) Formas de onda del circuito


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CAPITULO I

12

El circuito de la figura 1.9a es un controlador monofsico de media onda, y sloes adecuado para cargas resistivas de baja potencia, por ejemplo calefaccinalumbrado. Como el flujo de potencia se controla mediante el medio ciclopositivo del voltaje de entrada, a este tipo de control se le llama controladorunidireccional.

El problema de la corriente directa en la entrada se puede evitar usando controlbidireccional (o de onda completa) y en la figura 1.10 se muestra un controlmonofsico de onda completa con una carga resistiva. Durante el medio ciclodel voltaje positivo de entrada se controla el flujo de potencia haciendo variaren ngulo de retardo del tristor T1,y el tristor T2, controla el flujo de potenciadurante el semiciclo negativo del voltaje de entrada. Los pulsos de disparo deT1 y T2 se mantienen con un defasamiento de 180. La figura 1.11 muestra lasformas de onda del voltaje de entrada (Figura 1.11a), voltaje de salida (figura1.11b) y seales de disparo para T1(figura 1.11c) y T2(figura 1.11d).

0

T1

g2

g1

RLVS

T2

Figura 1.10: Control monofsico de onda completa

Figura 1.11: Formas de onda en control monofsico de onda completa


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CAPITULO I

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El generador de funciones diseado en el presente trabajo incluye la opcin detener pulsos controlados por ngulo de fase sincronizados con la lnea dealimentacin y se tiene la opcin de tener pulsos tanto en el semiciclo positivo yen el negativo. Se puede eliminar el pulso que controla el semiciclo negativo dela seal de entrada para as controlar dispositivos unidireccionales.

Para sincronizar los pulsos con la lnea de alimentacin se empleo el detectorde cruce por cero mencionado en el tema 1.4.

1.5.2 Diagrama de flujo

Los pasos principales que realiza el diagrama de flujo son los siguientes: Enprimera instancia el programa va a estar leyendo continuamente lo que eldetector de cruce por cero manda a la terminal de entrada del pin RB0despus de haber detectado uno de dos posibles valores (0,1) se realiza unretardo por medio del timer de valor x inmediatamente despus manda un

pulso de duracin de 10ms a la terminal de salida del micro RB7 nuevamentese manda a un estado bajo a RB7 estos pasos se realizan infinitamente o hastaque el usuario lo desactive el retardo que genera el timer es el que permitirrecorrer el pulso durante el semiciclo ya sea positivo o negativo (ver figura1.12)


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CAPITULO I

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1.12 Diagrama de flujo, pulsos controlados por ngulo de fase

NO

NO

NO

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Inicio

Se Inicializan las variables

Pulso.bajo = 1;Lee la entrada proveniente del detector y se le

asigna a la variable

temp retardo = 65535;

While

Infinito

Que pasen todos los pulsos

Con la siguiente condicinde pulso_bajo= =1

Si se detecta un

cambio de estado endel detector

Escribe en el

timer el valor de

retardo

Espera a que

finalice el conteodel timer hasta

llegar a cero

Asigna un nivel alto a la

salida RB7 durante cierto

tiempo (ancho de pulso)

Asigna el valor actual de

RB7 para esperar el

siguiente cambio de estado

Que pasen nicamente

pulsos positivos con la

siguiente condicin depulso_bajo==0

Si se detecta un

cambio de estado endel detector

Si es un

pulso

positivo

Escribe en el

timer el valor de

retardo




Asigna un nivel bajo a la salida RB7 y

Asigna el valor actual de RB7 para

esperar el siguiente cambio de estado

Oprimido

el botn de

salida?

Salir

y regresa al

men principal


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CAPITULO I

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1.5.3 Anlisis del cdigo

Para la implementacin del cdigo se hace uso de dos libreras importantes enel microcontrolador que son delays y timers. Se configuran El puerto B,asignando como entradas la parte baja (RB0 RB3) y como salidas la parte

alta (RB4 RB7). La entrada RB3 detecta el cambio de nivel alto bajo queproviene del detector de cruce por cero. El estado actual es asignado a unavariable temporal para esperar el cambio de estado y continuar el proceso. Esllamada la funcin retardo para incrementar o decrementar su valor,dependiendo de estar o no activado las entradas para recorrer eldesplazamiento. El valor es asignado a la variable retardo para cargar al timer0con ella. El timer0 comienza el conteo para esperar el disparo del pulso. Eltiempo en el que el timer0 realiza todo el conteo vara de 0 a 8330 microsegundos que es el tiempo que dura un semiciclo de la onda senoidal deentrada. La salida pasa a un nivel alto que tiene una duracin de 10microsegundos para despus pasar a nivel bajo nuevamente (ver cdigo 1),

Codigo 1

void Cto_1(){Pantalla_Cto1(); // Llamada a funcin, despliega en el

LCDPulso_Bajo = 1; // Pulso bajo encendidotemp = PORTDbits.RD0; // RD entrada detector de cruce por

ceroretardo = 65535; // tiempo 0 de retardo por omisinwhile(1)

{Desplazamiento_1(); // Llamada a la funcin desplazamientowhile(Pulso_Bajo) // Pasa pulso en pulso alto y bajo{

while(temp != PORTDbits.RD0) // Cambio de estado del detector{

INTCONbits.TMR0IF = 0;WriteTimer0(retardo); // Escribe en el timer0 el valor de

retardowhile(INTCONbits.TMR0IF == 0) // Espera a que finalice el conteo{}

PORTBbits.RB7 = 1; // La salida RB7 pasa a nivel altoDelay10TCYx(1); // Ancho de pulso 10 microsegundos

PORTBbits.RB7 = 0; // La salida RB7 pasa a nivel bajotemp = PORTBbits.RB7; // Asigna el valor actual de RB7 para

} //esperar el siguiente cambio de estado}

while(Pulso_Bajo == 0) //Pasa pulso en pulso alto{

while(temp != PORTDbits.RD0) // Cambio de estado del detector{while(PORTBbits.RB7 == 1) // Solo pasan los semiciclos positivos

{}


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INTCONbits.TMR0IF = 0;WriteTimer0(retardo);while(INTCONbits.TMR0IF == 0){}

PORTBbits.RB7 = 1;Delay10TCYx(1);

PORTBbits.RB7 = 0;temp = PORTBbits.RB7;}

}if(PORTBbits.RB0 == 0) // Regresa al men cuando se oprime RB0Menu();

}}

1.5.4 Graficas de los pulsos controlados por ngulo de fase,obtenidas en la simulacin (P-SPICE)

Las siguientes figuras muestran los resultados obtenidos en la simulacin. Enlas figuras 1.13, 1.14 y 1.15 se observan la seal de la lnea de entrada y lospulsos que genera el sistema en el semiciclo positivo con un pulso.

Figura 1.13: Dos pulsos a 180


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CAPITULO I

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Figura 1.14: Un pulso a 0



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CAPITULO I

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1.5.5 Graficas de los pulsos controlados por ngulo de faseobtenidas en laboratorio

Las siguientes figuras muestran los resultados obtenidos en el laboratorio, en lafigura 1.16 se observan la seal de la lnea de entrada y los pulsos que genera

el sistema tanto en el semiciclo positivo como en el negativo sindesplazamiento.

Figura 1.16: Con dos pulsos a 0

En la figura 1.17 se observan la seal de la lnea de entrada y los pulsos que

genera el sistema nicamente en el semiciclo positivo sin desplazamiento.

Figura 1.17: Con un pulso a 0

En las figuras 1.18 a la 1.23 se observan la seal de la lnea de entrada y lospulsos que genera el sistema tanto en el semiciclo positivo como en el negativo

a distintos ngulos de defasamiento.


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CAPITULO I

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20




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CAPITULO I

21

Figura 1.22: Dos pulsos a 150


Como se puede observar el desplazamiento de los pulsos se realiza demanera sencilla ya que en la interfaz del usuario se cuentan con dos botones;el primero desplaza el pulso a la izquierda mientras que el segundo lo desplazaa la derecha. El valor en tiempo y en ngulo de desplazamiento son mostradosen el LCD.


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CAPITULO I

22

1.6 Circuito cerrarabrir

1.6.1 Planteamiento

El principio de control de encendido-apagado se puede explicar con un control

monofsico de onda completa, como el que se ve en la figura 1.24. Elinterruptor del TRIAC conecta la fuente de alimentacin de ca con la cargadurante un tiempo

nt , que suele consistir en una cantidad entera de ciclos. Los

tristores se activan en los cruces de voltaje de entrada de ca con cero. Lospulsos de la compuerta para el TRIAC y las formas de onda para los voltajes deentrada y salida, se ven en la figura 1.25.

0

g1

RL

T1

VS

Figura 1.24: Circuito para el control cerrarabrir

Figura 1.25. Formas de onda del circuito abrircerrar


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CAPITULO I

23

1.6.2 Diagrama de Flujo

Las partes principales que realiza el diagrama de flujo son los siguientes: enprimera instancia se determina en cuantos ciclos habr pulsos y empleando laformula de n= 8-m se determina el valor de n (ciclos donde no habr pulsos)

posteriormente se hace uso de un ciclo while para que ejecute mediantecondicin cuantos ciclos va a realizar las siguientes instrucciones (elmicroprocesador lee lo que el detector de cruce por cero le manda a la terminalde entrada del pin RB0 inmediatamente manda un pulso de 10ms a la terminalde salida del microprocesqador RB7 y nuevamente se manda un estado bajo aRB7) posteriormente se hace uso de otro ciclo while para que mande estadosbajos a la terminal RB7 y as satisfacer la formula anterior todos estos pasos enconjunto se realizan infinitamente o hasta que el usuario lo desactive (ver figura1.26).


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CAPITULO I

24

Figura 1.26: Diagrama de flujo, circuito cerrar-abrir

NO

NO

NO

NO

NO

Si

SiSi

Si

Si

Si

Inicio

Asigna por omisin

pulsos de 1 ciclo

m=1

Asigna a n = 8-m

Asigna j=0




Cambia el nivel de RB7 a nivel bajo

Asigna el valor actual de RB7 a temppara esperar el siguiente cambio de

estado

E incrementa en una unida a j

While

infinito

Eje cuta esta instruccin

mientras que j


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CAPITULO I

25


Para este circuito se hace uso de nueva cuenta del detector de cruce por cero.Se detectan los cambios de estado en la entrada RB3 del microcontrolador.Existen variables definidas las cuales pueden adoptar los valores de m y n. Un

ciclo fordeja pasar los pulsos m veces. De igual manera otro ciclo for espera aque se complete el total de 8 ciclos de la onda senoidal. En cada periodo sepregunta si estn activadas las entradas que hacen disminuir o aumentar elvalor de n (ver cdigo 2).

Cdigo 2


LCD

m = 1; // Asigna por omision pulsos en 1ciclo

while(1){

Desplazamiento_2(); // Llama a la funcin que lee mn = 8 - m; // Asigna a n el valor 8 - n

j = 0; // Asigna a j el valor 0 paraempezar el conteo

while(j


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CAPITULO I

26

Men();}

}

1.6.4 Graficas del circuito cerrarabrir obtenidas en la simulacin(P-SPICE)

El planteamiento es que partiendo de la seal sinusoidal de alimentacin setoman 8 ciclos como periodo del circuito cerrar abrir. El valor m es el numerode semiciclos en los cuales existe un pulso en cada cruce de la seal por cerovolts y habr pulsos, n es el nmero de ciclos en los no que habr pulsos.

En las figuras 1.27 a 1.33 se muestran los resultados, considerando variascombinaciones.

Figura 1.27: m = 1

Figura 1.28: m = 2


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CAPITULO I

27

Figura 1.29: m = 3

Figura 1.30: m = 4

Figura 1.31: m = 5


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CAPITULO I

28

Figura 1.32: m = 6

Figura 1.33: m = 7

1.6.5 Graficas del circuito cerrarabrir obtenidas en el laboratorio

El circuito fue probado en el laboratorio, obteniendo los siguientes resultados:

Las figuras de la 1.34 a la 1.40 se muestran en la parte superior la seal de lalnea y en la parte inferior los pulsos que el sistema genera, estos pulsosobedecen la ecuacin siguiente.

n = 8-m 2

Donde:

M = nmero de ciclos en los que abra pulsosn = nmero de ciclos en los no que abra pulsos


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CAPITULO I

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Figura 1.34: m = 1

Figura 1.35: m = 2


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CAPITULO I

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Figura 1.36: m = 3

Figura 1.37: m = 4


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31

Figura 1.38: m = 5

Figura 1.39: m = 6


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32

Figura 1.40: m = 7

La seleccin de cada funcin se realiza por medio de dos botones que seencuentran en la parte frontal del generador, uno incrementa el valor de m,mientras que el segundo lo disminuye. La interfaz del usuario cuenta con unLCD que despliega el valor actual de m y n. El microcontrolador monitorea laactivacin de dichos botones para realizar el cambio cada vez que sonactivados.


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CAPITULO II

33

CAPITULO II

CIRCUITO GENERADOR

DE PULSOS

MODULADOS POR ANCHURA

2.1 Introduccin

La modulacin por ancho de pulsos (PWM, de pulse-width modulation eningls) es una tcnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una sealperidica.

El ciclo de trabajo de una seal peridica es el ancho relativo de su partepositiva en relacin al perodo (ver figura 2.1).

Figura 2.1: Parmetros del PWM

La ecuacin 3 nos muestra que:

DT

, es el ciclo de trabajo 3

Donde:

T, es el perodo de la funcin, es el tiempo en que la funcin es positiva (ancho del pulso)


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CAPITULO II

34

La construccin tpica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante uncomparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta aun oscilador de onda triangular, mientras que la otra queda disponible para laseal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la

seal triangular y el ciclo de trabajo est en funcin de la portadora.

La principal desventaja que presentan los circuitos PWM implementados conesta tcnica es la posibilidad de que haya interferencias generadas porradiofrecuencia. Estas pueden minimizarse mediante el uso de unmicrocontrolador ubicado cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuentede alimentacin.

La modulacin por ancho de pulsos es una tcnica utilizada para regular lavelocidad de giro de losmotores elctricos.Mantiene elpar motor constante yno supone un desaprovechamiento de la energa elctrica.Se utiliza tanto en

corriente continua como enalterna,como su nombre lo indica, al controlar: unmomento alto (encendido o alimentado) y un momento bajo (apagado odesconectado), controlado normalmente por relevadores (baja frecuencia) oMOSFET otiristores (altafrecuencia).

Otros sistemas para regular la velocidad modifican latensin elctrica,con loque disminuye el par motor; o interponen una resistencia elctrica,con lo quese pierde energa en forma de calor en esta resistencia.

Otra forma de regular el giro del motor es variando el tiempo entre pulsosmodulacin por frecuencia de pulsos de duracin constante.

La modulacin por ancho de pulsos tambin se usa para controlar servomotores, los cuales modifican su posicin de acuerdo al ancho del pulsoenviado cada un cierto perodo que depende de cada servo motor. Estainformacin puede ser enviada utilizando unmicrocontrolador.

Otra aplicacin utilizada frecuentemente es en los inversores, este tipo decircuitos tienen la capacidad de generar seales alternas a partir de sealescontinuas. Los inversores se utilizan en aplicaciones tales como controlar lavelocidad de motores de corriente alterna, sistemas de alimentacin

ininterrumpidas (UPS) y dispositivos de corriente alterna que funcionan a partirde bateras de automvil.

2.2 Generacin de pulsos modulados por anchura utilizandocomponentes analgicos.

Existen diferentes maneras de generar pulsos por medio de circuitosanalgicos, una de ellas, como ya se menciono consiste en comparar dosseales (figura 2.2). Tambin se puede utilizar un C.I. 555 en la configuracin

de modulador de ancho de pulso como se muestra en la figura 2.3
http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Par_motorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Onda_pseudosenoidalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Relevadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/MOSFEThttp://es.wikipedia.org/wiki/Tiristorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Diferencia_de_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_frecuencia_de_pulsoshttp://es.wikipedia.org/wiki/Servomotorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Servomotorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Microcontroladorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Microcontroladorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Servomotorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Servomotorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_frecuencia_de_pulsoshttp://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Diferencia_de_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Tiristorhttp://es.wikipedia.org/wiki/MOSFEThttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Relevadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Onda_pseudosenoidalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Par_motorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9ctrico


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CAPITULO II

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Figura 2.2: Generador de PWM por medio de comparadores.

Figura 2.3: C.I. 555 como modulador de ancho de pulso


El circuito mostrado en la figura 2.2 los amplificadores U1, U2 y U3 seencargan de generar la onda triangular, por medio de la entrada no inversoradel amplificador U3 se puede variar la frecuencia de la seal triangular. Elamplificador operacional U4 funciona como comparador en donde en suterminal no inversora entra la seal triangular, mientras que en la terminalinversora entra la seal que proviene de un nivel de referencia de voltaje quese puede variar para obtener un uso a la salida con duracin tambin variable.El MOSFET conectado a la salida proporciona la potencia necesaria paraalimentar a la carga.

Se puede implementar un modulador por ancho de pulso por medio del C.I.555, el circuito se basa en un potencimetro y dos diodos. La carga y descargase realiza de manera independiente, pudiendo as cambiar el ancho de pulsomanteniendo la frecuencia fija.


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CAPITULO II

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Como se mencion anteriormente utilizando circuitos analgicos existe laposibilidad de que sean afectados por interferencias generadas porradiofrecuencia, adems que el ancho de pulso depende de un nivel de voltaje

que es fijado por potencimetros, lo cual hace que se tengan variaciones.

Utilizando un C.I. 555 se puede generar con muy pocos componentes,hacindolo muy econmico.

2.3 Circuito generador de pulsos modulados por anchurautilizando un microcontrolador

Por medio de un microcontrolador se pueden generar los pulsos modulados poranchura haciendo uso de las funciones de Temporizacin y las funciones de

retardos (ver figura 2.3).


El microcontrolador dispone de rutinas de retardo que son tiles para procesosque no un estricto control de tiempos. Otro procedimiento ms eficaz y precisoconsiste en la utilizacin de un timer.

Un timer se implementa por medio de un contador que determina el tiempopreciso entre el momento en que el valor es cargado y el instante en el que seproduce su desbordamiento. Un timer tpico se describe de manera simplificadaen la figura 2.4. Consiste en un contador ascendente (tambin podra serdescendente) que, una vez inicializado con un valor, su contenido seincrementa con cada impulso hasta llegar a su valor mximo, desbordando yvolviendo a comenzar de cero.

Figura 2.4: Esquema simplificado de un timer

El principal problema cuando se configura el timer como temporizacin es elclculo de los tiempos de temporizacin. Se puede utilizar la siguiente formula(ecuacin 4):

16Temporizacin Prescaler 2 1 Carga 0CMT TMR 4

Donde:

Temporizacin, es el tiempo deseado

CMT , es el periodo de un ciclo mquina (1 s para nuestro caso)

Prescaler, es el rango de divisor de frecuencia elegido


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CAPITULO II

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162 1 Carga 0TMR , es el nmero total de impulsos a contar por el

TMR0 antes de desbordarse

Se puede utilizar el timer para generar pulsos con tiempos de duracin muy

precisas.


Se puede utilizar el timer para generar pulsos con tiempos de duracin muyprecisos, Las rutinas de tiempo se ejecutan basadas en el reloj delmicrocontrolador, que al ser un cristal de cuarzo son muy estables.

Una de las desventajas es el calculo de los tiempos de carga deltemporizacin, a veces es necesario ajustarlos considerando los tiempos enque se realizan las instrucciones del programa que no involucran al timer.

2.4 Modulacin por ancho de pulso (PWM)

En muchas aplicaciones, para controlar el voltaje de salida de los inversores,se necesita con frecuencia 1) hacer frente a las variaciones de de entrada decd, 2) regular el voltaje de los inversores y 3) satisfacer los requisitos de controlde voltaje y frecuencia constante. Dos de las tcnicas mas utilizadas para estepropsito son:

- modulacin por ancho de un solo pulso

- modulacin por ancho de pulsos mltiples

La tercera seal del presente generador es un pulso modulado por anchura,con una frecuencia de 60 Hz, que es una frecuencia til para trabajar con losinversores.

2.4.1 Planteamiento

En el control de modulacin por ancho de un solo pulso slo hay un pulso porcada medio ciclo, y se hace variar su ancho para controlar el voltaje de salida.La figura 2.5 muestra la generacin de las dos seales de controlproporcionadas por el generador y el voltaje de salida al ser aplicados a unpuente inversor completo.


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CAPITULO II

38

Figura 2.5: Modulacin por ancho de un solo pulso

El voltaje rms de salida se puede determinar con ecuacin 5:

1 22

2

2

2

2O S SV V d t V 5

Se puede modificar el ancho del pulso , de 0 a 180, y el voltaje rms desalida de OV hasta SV .

La serie de Fourier del voltaje de salida es

1,3,5,...

4sen sen

2O

n

VS nv t n t

n 6

Debido a la simetra del voltaje de salida respecto al eje x, las armnicas pares(para n = 2, 4, 6) estn ausentes.


El siguiente diagrama de flujo muestra el proceso que realiza elmicrocontrolador para generar las dos salidas PWM, se calcularon los tiemposaltos y bajos, mnimos y mximos, para cargar el timer y se pueda variar elancho del pulso entre estos dos lmites (ver figura 2.6).


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CAPITULO II

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Figura 2.6: Diagrama de flujo. Modulacin por ancho de pulso (PWM)

NO

NO

Si

Si

Si

Si

Inicio

Inicializa variables de

tiempo alto y tiempo

bajo

While

infinito

Lee el tiempo

alto y el tiempo

Activa el puerto RB7con 1 durante el

tiempo alto

Espera a que

finalice elconteo del timer

hasta llegar a

Limpia bandera dedesbordamiento

Y

Desactiva el puerto RB7ponindolo en bajo durante

el tiempo en bajo

Espera a que


hasta llegar a

Activa el puerto RB6

con 1 durante el

tiempo alto

Espera a que


hasta llegar a

Oprimidoel botn de

salida?

Salir

y regresa almen principal

Espera a quefinalice el

conteo del

timer hasta

llegar a cero

Limpia bandera dedesbordamiento Y

Desactiva el puerto RB6

ponindolo en bajo durante el

tiempo en bajo


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CAPITULO II

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Se ha elegido un ancho de pulso mnimo de 10s, ser tambin el valor poromisin del PWM. Entonces la carga en timer segn la ecuacin 7 ser:

16 TemporizacinCarga 0 2 1Prescaler

1065535

1 1

65525 mnimo tiempo alto

CM

TMRT

s

s 7

El mximo ancho del pulso es la duracin de medio ciclo 8.33 =8330 sms . Setom en cuenta una zona muerta de 10 s para evitar que los dos pulsos seactiven al mismo tiempo y provocar un corto circuito en un inversor. El mximo

tiempo alto queda (ver ecuacin 8):

16 TemporizacinCarga 0 2 1Prescaler

832065535

1 1

57215 mximo tiempo alto

CM

TMRT

s

s 8

El timer se configura para trabajar como contador, a 16 bits y prescaler de 1.Los 8330 s del semiciclo son divididos en tiempo alto y tiempo bajo, se activala salida RB5 y se carga el timer con tiempo alto, el timer se desborda y RB5pasa a nivel bajo, permaneciendo as el tiempo en el que se activa RB6 y surespectivo tiempo bajo. El proceso se realiza peridicamente leyendo con unafuncin si hay cambios en los tiempos. El programa regresa a la funcinprincipal del generador (men) al ser activada la entrada en RB2. RB0decrementa el ancho del pulso, mientras que RB1 lo incrementa (ver cdigo 3).

Cdigo 3

void Cto_3()

{Pantalla_Cto3(); // Llamada a funcin, despliega en el LCDtbajo = 57217; //8318 us, mximo tiempo bajotalto = 65525; //10 us, mnimo tiempo altowhile(1){INTCONbits.TMR0IF = 0;Desplazamiento_3(); // Lee el tiempo alto y bajo del pulsoPORTBbits.RB7 = 1; // Activa el pulso en RB7WriteTimer0(talto); //con duracion de tiempo altowhile(INTCONbits.TMR0IF == 0) // Espera a que finalice el conteo

{}INTCONbits.TMR0IF = 0; // Limpia la bandera de desbordamiento

PORTBbits.RB7 = 0; // Desactiva el pulso en RB7WriteTimer0(tbajo); // Duracin del tiempo bajo


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CAPITULO II

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while(INTCONbits.TMR0IF == 0) //mas el tiempo de activacin y//desactivacin de RB6

{}INTCONbits.TMR0IF = 0;

PORTBbits.RB6 = 1; // Activa el pulso en RB6

WriteTimer0(talto); //con duracin de tiempo altowhile(INTCONbits.TMR0IF == 0) // Espera a que finalice el conteo{}INTCONbits.TMR0IF = 0; // Limpia la bandera de desbordamiento

PORTBbits.RB6 = 0; // Desactiva el pulso en RB6WriteTimer0(tbajo); // Duracin del tiempo bajo

while(INTCONbits.TMR0IF == 0) //mas el tiempo de activacin y desactivacinde RB7

{}if(PORTBbits.RB0 == 0)Men(); // Regresa al men cuando se oprime

RB0}

}

2.4.4 Graficas del circuito Modulacin por ancho de pulso (PWM)obtenidas en laboratorio

Se realizaron las pruebas en el laboratorio obteniendo los resultados mostradosen las figuras de la 2.7 a la 2.9. Se muestran las dos salidas del PWM a losvalores ms significativos del ancho de pulso.

Figura 2.7: PWM mnimo ancho de pulso: 10s


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CAPITULO II

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Figura 2.8: PWM mximo ancho de pulso: 8320s

Figura 2.9: PWM ancho de pulso 50%:4160s

Cuando se selecciona la tercera seal en el generador, por omisin el ancho depulso aparece al valor mnimo (10 s), se puede ajustar el valor aumentando o

disminuyendo el ancho de pulso por medio de dos botones. El valor actual delos pulsos se despliega en el LCD.

2.5 Modulacin de varios pulsos uniformes (UPWM)

Se puede reducir el contenido de armnicas usando varios ciclos en cadamedio ciclo del voltaje de salida. A esta clase de modulacin se le llamamodulacin por ancho de pulso uniforme (UPWM, de uniform pulse widthmodulation)


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CAPITULO II

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2.5.1 Planteamiento

Como puede observarse en la figura 2.7 existe una seal de referencia queestablece la frecuencia de salida Of , y la frecuencia de la portadora Cf

determinada por la cantidad de pulsos p por cada medio ciclo. El ndice demodulacin controla el voltaje. La cantidad de pulsos por medio ciclo sedetermina con la ecuacin 9:

2 2

fC

O

mfp

f 9

Donde f C Om f f , se define como la relacin de modulacin de frecuencia.

Figura 2.10: Parmetros y voltaje a la salida de un inversor UPWM

Si es el ancho de cada pulso, el voltaje rms de salida se calcula con laecuacin 10:

122

2

2

2

2

p

O S Sp

p pV V d t V 10

La variacin del ndice de modulacin M de 0 a 1 hace variar el ancho del pulso

desde 0 hasta 2T p 0a p , y al voltaje rms de salida de OV hasta SV , la

forma general de la serie de Fourier para el voltaje instantneo de salida es(ver ecuacin 11):


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CAPITULO II

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1,3,5,...

senO nn

v t B n t 11

El coeficienten

B de la ecuacin anterior se puede determinar considerando un

par de pulsos tales que la duracin del pulso positivo comience en t yla del negativo, del mismo ancho comience en t . Esto se ve en lafigura 2.10 se pueden combinar los efectos de todos los pulsos para obtener elvoltaje efectivo de salida que se calcula con la ecuacin 12.

2

1

4 3 3sen sen sen

4 4 4

p

Sn m m

m

V nB n n

n 12

Debido a la simetra del voltaje de salida respecto al eje x, 0nA , y las

armnicas pares (para n= 2, 4, 6) estn ausentes.


A continuacin se muestra el procedimiento que sigue el microcontrolador paragenerar la seal UPWM, se puede tener con 3, 5 o 7 pulsos, los tiempos paracada una de las opciones esta calculada la carga del timer, la variable n es elnumero de pulsos por semiciclo. Por medio de un ciclo forse realiza el conteo.


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CAPITULO II

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Figura 2.11: Diagrama de flujo, Modulacin de varios pulsos uniformes (UPWM)


Se pueden generar 3, 5 o 7 pulsos por semiciclo, por omisin est configuradopara generar 3 pulsos con un ancho de 10s (n = 3). Se realiza una rutina deconteo para generar n pulsos, Cada opcin tiene los tiempos mximos ymnimos en los cuales el ancho de pulso puede moverse. La funcin dedesplazamiento lee el valor de retardo y monitorea si ste es modificado.Tambin registra el momento que se oprima RB0 que es la entrada que hace

que el programa regrese al men principal (ver cdigo 4).

NONO

Si

Si

Si

SiSi

Si

Asigna un nivel bajo (0) al puertoRB7 y mantelo en ese estado

durante X tiempo

Si

Inicio

Lee que es lo que

tiene n , que es el

numero de pulsos

Asigna j=0

n=3

While

infinito

For i=0;i


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CAPITULO II

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Cdigo 4


LCDn = 3;while(1){Desplazamiento_4(); // Lee el ancho de los pulsos

for(i=0; i


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CAPITULO II

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Figura 2.12: Tres pulsos a mnimo ancho de pulso

Figura 2.13: Tres pulsos, 50% ancho de pulso

Figura 2.14: Tres pulsos a mximo ancho de pulso

Las figuras 2.15 a 2.17 muestran los resultados obtenidos en las simulacionespara un UPWM con los valores ms relevantes de ancho de pulso.


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CAPITULO II

48

Figura 2.15: Cinco pulsos a mnimo ancho de pulso

Figura 2.16: Cinco, 50% ancho de pulso

Figura 2.17: Cinco pulsos a mximo ancho de pulso

Las figuras 2.18 a 2.20 muestran los resultados obtenidos para un UPWM con7 pulsos por semiciclo y diferentes anchos de pulso, puede verse que lafrecuencia debe de ser constante (60Hz).


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CAPITULO II

49

Figura 2.18: Siete pulsos a mnimo ancho de pulso

Figura 2.19: Siete pulsos, 50% ancho de pulso

Figura 2.20: Siete pulsos a mximo ancho de pulso


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CAPITULO II

50

2.5.5 Graficas del circuito modulacin de varios pulsos uniformes(UPWM) obtenidas en el laboratorio.

Las siguientes fotografas son el resultado de las mediciones realizadas en ellaboratorio con un osciloscopio digital. Se muestran las dos salidas del

generador.

Las figuras 2.21 a 2.23 muestran el generador con 3 pulsos por semiciclo yvalores 3 valores significativos de ancho de pulso.

Figura 2.21: UPWM 3 pulsos, mnimo ancho

Figura 2.22: UPWM 3 pulsos, 50% de ancho


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Figura 2.23: UPWM 3 pulsos, mximo ancho

Las figuras 2.24 a 2.26 muestran el generador UPWM con 5 pulsos. La sealtiene una frecuencia de 60Hz, pero el osciloscopio muestra la frecuencia derepeticin entre cada pulso del semiciclo.



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CAPITULO II

52



Finalmente las figuras 2.27 a 2.29 muestran el UPWM con 7 pulsos y losvalores de ancho de pulso manejados.


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CAPITULO II

53




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CAPITULO II

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Adems de las tres posiciones de ancho mostradas para los UPWM, elgenerador es capaz de ajustar el ancho de pulso a cualquier valor intermedioentre el mnimo y mximo por medio de dos botones. El LCD despliega tanto elnmero de pulsos actual como su ancho.


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CAPITULO III

55

CAPITULO III

APLICACIONES

3.1 INTRODUCCION

Los dispositivos semiconductores utilizados en Electrnica de Potencia sepueden clasificar en tres grandes grupos, de acuerdo con el grado que tienende control:

1. Dispositivos no controlados: en este grupo se encuentran los Diodos.Los estados de conduccin o cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependendel circuito de potencia. Por tanto, estos dispositivos no disponen de ningnterminal de control externo.

2. Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran, dentro de lafamilia de los Tiristores, los SCR (Silicon Controlled Rectifier) y los TRIAC

(Triode of Alternating Current). En ste caso su puesta en conduccin (pasode OFF a ON) se debe a una seal de control externa que se aplica en uno delos terminales del dispositivo, comnmente denominado puerta. Por otro lado,su bloqueo (paso de ON a OFF) lo determina el propio circuito de potencia. Esdecir, se tiene control externo de la puesta en conduccin, pero no as delbloqueo del dispositivo.

3. Dispositivos totalmente controlados: en este grupo encontramos lostransistores bipolares BJT (Bipolar Junction Transistor), los transistores deefecto de campo MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor), los transistores bipolares de puerta aislada IGBT (Insulated Gate

Bipolar Transistor) y los tiristores GTO (Gate Turn-Off Thyristor), entre otros.

Diodos de Potencia

Un diodo de potencia puede soportar tensiones inversas elevadas. Si se superael valor de voltaje de ruptura especificado por el fabricante, el diodo puedellegar a destruirse por excesiva circulacin de corriente inversa y en definitiva,por excesiva disipacin de potencia.


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CAPITULO III

56

Los diodos de potencia pueden llegar a soportar tensiones de ruptura deKiloVolts (KV), y pueden conducir corrientes de KiloAmperes (KA).Evidentemente, el tamao del diodo condiciona sus caractersticas elctricas,llegndose a tener diodos con tamaos del orden de varios cm2.

Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conduccin,deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequea cada devoltaje. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar un fuerte voltajenegativo de nodo con una pequea intensidad de fugas.

3.2 Dispositivos semicontrolados

3.2.1 El SCR.

Un rectificador controlado de silicio (SCR) es un dispositivo de tres terminalesusado para controlar corrientes altas para una carga.

El smbolo esquemtico del SCR se presenta en la figura 3.1.

Figura 3.1: Smbolo esquemtico y nombres de las terminales de un SCR.

El SCR es un dispositivo unidireccional; deja pasar corriente en un solo sentidodespus de que se haya aplicado una seal de control a su puerta. Realizapues una rectificacin controlada. Sus principales aplicaciones son donde serequiere la regulacin de la corriente alterna, entre ellas, el control de velocidadde motores, la soldadura elctrica y la cantidad de iluminacin.

3.2.2 El TRIAC

El TRIAC se asemeja a dos SCR conectados en paralelo-inverso. El TRIACpuede encenderse mediante un pulso de corriente de compuerta y no requierevoltaje de ruptura para iniciar la conduccin. El TRIAC es capaz de conducircorriente en cualquier direccin cuando se le dispara a encendidodependiendo de la polaridad de sus terminales nodo y ctodo.

As como el SCR, los TRIAC tambin se usan para controlar potencia promedioen una carga mediante el mtodo de control de fase.


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CAPITULO III

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3.3 Dispositivos totalmente controlados

3.3.1 El MOSFET

Los MOSFET son transistores controlados por voltaje. Ello de debe al

aislamiento (xido de Silicio) de la puerta respecto al resto del dispositivo.Existen dos tipos bsicos de MOSFET, los de canal n y los de canalp, si bienen Electrnica de Potencia los ms comunes son los primeros, por presentarmenores prdidas y mayor velocidad de conmutacin, debido a la mayormovilidad de los electrones con relacin a los agujeros.

La familia de controladores de MOSFET proporciona seguridad, fcil uso ysoluciones eficientes para la mayora de las aplicaciones que demandancontroles de MOSFETs y IGBTs. Estos dispositivos pueden ser usados para elcontrol de cargas capacitivas, resistivas e inductivas debido a que soportanpicos de corriente altos, tienen tiempos de conmutacin rpidos y bajaimpedancia. Los niveles de entrada de voltaje TTL o CMOS se pueden usarpara generar los niveles de voltaje necesarios a la salida.

Los controladores de MOSFET son totalmente operativos con niveles de voltajede alimentacin de hasta 30volts, estn disponibles en una gran variedad derangos de temperatura, varias configuraciones (simples, dobles, cudruples) ycon la opcin de salida invertida o no invertida. Disponen de circuitos deproteccin interna contra descargas electrostticas y condiciones de bloqueo.Estos productos son ideales para todas las aplicaciones que utilicen grandesMOSFETs o IGBTs tales como: fuentes de alimentacin conmutadas, control

de motores, amplificadores conmutados clase-D, equipos de test automticos,sistemas de automocin, control de transformador de pulsos. Tambin sepueden utilizar en aplicaciones con transductores piezoelctricos, cablescoaxiales, rels, solenoides, etc.

3.4 APLICACIN Y PRUEBA 1, Control de velocidad de unmotor de CA (Corriente Alterna).

Operacin:

Como se mencion el SCR y el TRIAC son usados para controlar la potenciaque se entrega a una carga (motor).

En la figura 3.2 se muestra la aplicacin que se le pueden dar al generador depulsos controlando el ngulo de fase as como tambin se valida elfuncionamiento del mismo. Se utilizo el optoacoplador MOC3011, el cual nosproporciona un aislamiento para no daar as al generador debido a que seesta trabajando con los 120volts de la lnea. Este optoacoplador tiene unTRIAC el cual al ser disparado por la luz del diodo autocontenido, produce eldisparo del TRIAC de potencia 2N6073 tanto en el semiciclo positivo como enel negativo. Haciendo variar la fase del disparo podemos regular la potencia en

la carga.


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Figura 3.2: Circuito propuesto para controlar la velocidad de un motor de CA.

Debido a la inductancia de dispersin del motor, se genera un sobre pico en lasterminales del TRIAC, ocasionado por esta inductancia que trata de mantenersu corriente para apagarse el TRIAC. Para atenuar este sobre-pico se coloco elsnubber formado por resistencia de 470ohms y el capacitor de 0.1F (verfigura 3.2).

Para esto se tomo en cuenta la siguiente ecuacin (ecuacin 13):

13

Donde:Vdrm = Voltaje pico repetitivo.

Vd/dt = Aplicacin del bloqueo de voltaje por tasa deconmutacin.

Esto valores dependen del dispositivo que se este utilizando y se pueden enencontrar en las hojas de especificaciones del fabricante del dispositivo.

Vdrm = 400Volts para el 2N7063Vd/dt = 5V/s

Proponiendo un capacitor de 0.1F podemos encontrar la resistencia (verecuacin 14).

14

R = 505.6; Se aproximo este resultado a un valor comercial de 470

La figura 3.3 muestra la tensin aplicada a la carga con un ngulo de retardode 90. Durante el ngulo de retraso el TRIAC no conduce, por lo que la cargano recibe tensin, luego se dispara (conduce) y la parte que falta paracompletar el semiciclo positivo es aplicada a la carga. Esto se repite para elsemiciclo negativo. El control de los tiempos de disparo del TRIAC nos permite


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regular la tensin aplicada a la carga observndose con esto que la velocidaddel motor vara.

Figura 3.3. Tensin en el motor con un ngulo de retraso de 90

La figura 3.4 muestra la tensin aplicada a la carga as como el pulso quedispara el TRIAC a un ngulo de retraso de 90. Durante el ngulo de retrasoel TRIAC no conduce, por lo que la carga no recibe tensin, luego se dispara(conduce) y la parte que falta para completar el semiciclo positivo es aplicada a

la carga. Esto se repite para el semiciclo negativo. El control de los tiempos dedisparo del TRIAC nos permite regular la tensin aplicada a la carga.Observndose con esto que la velocidad del motor vara.

Figura 3.4: Tensin en el motor con un ngulo de retraso de 90 y pulsos de referencia


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La figura 3.5 muestra la tensin aplicada a la carga nicamente en el semiciclopositivo con un ngulo de retardo de 90. Durante el ngulo de retraso elTRIAC no conduce, por lo que la carga no recibe tensin, luego se dispara

(conduce) y la parte que falta para completar el semiciclo positivo es aplicada ala carga. Como se observa esta forma de onda es muy semejante a la queproporciona el SCR a la carga, de esta manera se puede controlar por mediodel generador si se desea que conduzca en el semiciclo negativo o no.

Figura 3.5: Tensin en el motor con un ngulo de retraso de 90 y pulsos de referencia

De manera visual se pudo comprobar que a medida que se aumentaba elngulo de retraso al TRIAC el motor iba reduciendo su velocidad llegando aquedar en alto total a aproximadamente a un ngulo de 135cuando se tiene elcontrol en el semiciclo positivo y negativo. Cuando nicamente se tena elcontrol del semiciclo positivo llegaba a un alto total a aproximadamente 90 deretraso.

3.5 APLICACIN Y PRUEBA 2, Inversor de CD-CA.

Operacin:

Como se haba mencionado los MOSFET son dispositivos que pueden serusados para el control de cargas, para este caso como un interruptor.

En la figura 3.6 se muestra la aplicacin que se le pueden dar al generador depulsos en el modo de PWM. En la figura 3.7 se muestra el empleo de un

comparador (LM339) y un transistor los cuales nos proporcionan un aislamientoy una adecuacin para no daar as al generador. El aislamiento es necesario


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para el control adecuado de la etapa de inversin CD/CA. Esta etapa deadems de acoplar la seal tambin adecuara el voltaje que generadorproporciona a un voltaje de 12volts para que con este voltaje poder saturar elMOSFET de potencia IRF510. El transistor BD135 es utilizado como inversorpara invertir la seal y as tener dos seales por salida estas dos seales nos

servirn para controlar los MOSFET.

Figura 3.6: Inversor en puente completo.


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Figura 3.7: Etapa de aislamiento y adecuacin de voltaje.

El inversor en puente H completo est formado por 4 interruptores de potenciatotalmente controlados MOSFETs, tal y como se muestra en la figura 3.6.

A diferencia de los transistores bipolares, los transistores MOSFET poseen unaresistencia entre Drenaje y Fuente (RDS) cuando son activados que rondan los0.1ohms (dependiendo del modelo).

Esto significa que en un ejemplo como el anterior y trabajando con unacorriente de 4ampers estaramos perdiendo solo 0.4volts por transistor (0.8voltsen total), lo cual representa una notable mejora en el rendimiento del puente.

El voltaje aplicado en la carga (foco) puede ser de aproximadamente + 12, -12, 0, dependiendo del estado de los interruptores, en las figuras 4.8, 4.9 y 4.10se muestra el voltaje aplicado a la carga (foco).

En ste caso la tensin positiva en la carga (foco) se mantienen M1 y M4conduciendo (M3 y M2 abiertos). La tensin negativa se obtiene de formacomplementaria (M3 y M2 cerrados y M1 y M4 abiertos) y la tensin nula a lasalida es manteniendo todos los interruptores abiertos durante cierto intervalo.La conmutacin peridica de la tensin de la carga entre + 12, - 12 y 0 generaen la carga (foco) una tensin con forma de onda cuasi-cuadrada. Aunque estasalida alterna no es senoidal pura, puede ser una onda de alterna adecuadapara algunas aplicaciones. De manera visual se pudo observar que a medidaque se aumentaba el ancho de pulso de control, el foco iba aumentando suintensidad luminosa.

Figura 3.8: Formas de onda de tensin en la carga (foco) del inversor en puente completocontrolado por cancelacin de tensin (modulacin por onda casi-cuadrada), ancho del pulso

de control al 15%.


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Figura 3.9: Formas de onda de tensin en la carga (foco) del inversor en puente completocontrolado por cancelacin de tensin (modulacin por onda casi-cuadrada) ancho del pulso de

control al 50%.

Figura 3.10: Formas de onda de tensin en la carga (foco) del inversor en puente completocontrolado por cancelacin de tensin (modulacin por onda casi-cuadrada) ancho del pulso de

control al 90%.


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CAPITULO IV

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CAPITULO IV

COSTOS

Costos de construccin del generador

A continuacin se presenta el costo total de los materiales empleados en la

construccin del generador.

Costo de los Materiales Empleados

DESCRIPCION CANTIDAD UNIDADPRECIOUNITARIO TOTAL

microcontrolador PIC 18F452 1 pieza $21.73 $22.73comparador LM339 1 pieza $3.48 $3.48Pantalla de LCD 4X40 1 pieza $416.00 $416.00Resistencias(diferentes valores) a 1/2 watt 20 piezas $0.44 $8.70

Capacitores 2 piezas $4.35 $8.70Pushboton 4 piezas $6.96 $27.83transformador 1 pieza $80.00 $80.00Diodos 3 piezas $4.35 $13.04clavija 1 pieza $5.00 $5.00tablilla de cobre 1 cara 1 pieza $90.43 $90.43Gabinete 1 pieza $100.00 $100.00Base de 28 pines 1 pieza $3.20 $3.20

SUBTOTAL$779.11IVA15% $116.87TOTAL $895.97


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CAPITULO V

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CAPITULO V

CONCLUSIONES

6.1 Conclusiones

Se ha conseguido disear y construir un sistema generador de seales capazde proporcionar cuatro diferentes tipos de pulsos. Las seales proporcionadaspueden ser usadas para controlar dispositivos utilizados en la materia deelectrnica de potencia, siendo de gran ayuda en dicho curso. Con lo anterior elobjetivo general del proyecto queda cubierto.

Pensando en las nuevas generaciones de alumnos, el presente proyecto tienecomo finalidad ayudar a que el aprendizaje sea ampliado. La literaturarelacionada con la materia de electrnica de potencia hace mencin de lasseales que se necesitan para controlar los dispositivos, pero no se explicacomo generarlas. En la experiencia que se tuvo al cursar dicha materia se

perdi mucho tiempo en el diseo y construccin de los circuitos. Con en elpresente proyecto el alumno podr dedicarse a ver el funcionamiento de losdispositivos y enfocarse en las aplicaciones.

Este trabajo nos permiti aprender ms acerca del uso, ventajas y desventajasde usar un microcontrolador en lugar de usar componentes analgicos, Elprograma se fue mejorando poco a poco hasta optimizarlo.

Algunos problemas que se encontraron fueron, en una primera instancia con elsubsistema analgico en el bloque del detector de cruce por cero ya que nohabamos encontrado un circuito lo suficientemente exacto con el cruce porcero, la mayora de los circuitos que consultamos tenan errores es decir, quelos pulsos que generaban lo hacan despus de cierto tiempo de habercruzado por cero adems de que no eran simtricos. Otro problema queencontramos fue en el momento de realizar las primeras pruebas de lageneracin de las dos primeras seales ya que el PIC en algunas ocasiones nodetectaba la seal proveniente del detector de cruce por cero y esto se debi aque no habamos configurado el PIC para que detectara tanto flancos desubida como flancos bajada.

Se realizaron pruebas para verificar el funcionamiento, las seales generadas

pueden usarse en otras aplicaciones de acuerdo a las necesidades del usuario.


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CAPITULO V

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El manejo del generador se realizo con pocos botones, hacindolo muy fcil deutilizar, adems de incorporar un LCD que despliega la informacin de cadaseal.

Dos de los primeros pulsos estn sincronizados con la lnea y tienen una

duracin en alto de 10s en cada semiciclo, tiempo suficiente para activar lacompuerta del TRIC y del SCR. Los otros dos son pulsos modulados poranchura PWM y UPWM, y oscilan a una frecuencia de 60Hz, que es lafrecuencia de lnea, lo cual permite realizar aplicaciones para manejar aparatosde corriente alterna. Tambin fue necesario disear una fuente de alimentacinque se adecuara a las necesidades de dicho sistema ya que se tenan quecumplir caractersticas especficas para que el sistema funcionaracorrectamente.


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APENDICE A

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APENDICE A

DISEO DE LA FUENTE

DE ALIMENTACIN

Eleccin de la fuente de alimentacin

La fuente de alimentacin es un elemento importante para el generador ya quees el que va a alimentar el sistema es por eso que en este apndice semuestra como se construyo dicha fuente desde el diseo del transformadorhasta la fuente misma.

Eleccin del transformador

A fin de cumplir con las necesidades de alimentacin del sistema se decididisear un transformador elctrico monofsico de dos bobinados secundariosindependientes entre si, los cuales cumplirn con las caractersticas especificaspara la alimentacin de cada subsistema (microcontrolador y detector). Laeleccin del voltaje se hizo teniendo en cuenta que el PIC18F452(microcontrolador utilizado en el bloque digital) se alimenta entre 4.2Vdc 5.5Vdc adems consume una corriente de 300mA. La etapa de potencia sealimenta con 5Vdc y consume una corriente de 1A. El detector de cruce porcero se alimenta con 5Vdc y consume una corriente de 100mA.

Diseo del Transformador

El primario constara de una tensin de entrada de 120volts. En el secundariotenemos la necesidad de dos bobinados, uno de ellos con 9VCA y 1A,mientras que el segundo de 3VCA y 1A.


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APENDICE A

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Figura A.1: Imagen del transformador a construir

Determinacin De La Potencia Elctrica Necesaria

Como se menciono tenemos la necesidad de calcular, disear y construir un

transformador cuyo esquema elctrico es el que se muestra en la figuraanterior (Figura A.1). El clculo debe partir del conocimiento de la potencia totalque tiene que entregar el transformador. Para ello se trabaja desde elsecundario hacia el primario.

La potencia del secundario, viene dada por la suma de las potencias que debeentregar cada arrollamiento.

sec sec1 sec2 sec3 secnW W W W W Watts

En donde:

WattsWatts

n1,2,3,...,isecundariocadadeeficazPotenciaWsecundariodeleficaztotalelctricaPotenciaW

seci

sec

Directamente del esquema, relevamos los siguientes datos:

Aplicando la formula tenemos:

sec sec1 sec2 sec1 sec1 sec2 sec2W W W V I V I (9 1 ) (3 1 ) 12V A V A Watts

1er. secundario Vsec1= 9 Voltios Isec1= 1 Amperes

2do.secundario Vsec2= 3 Voltios Isec2= 1 Amperes


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APENDICE A

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Potencia del PRIMARIO y TOTAL

Debido esencialmente a las prdidas en el hierro, experimentalmente se sabeque la potencia del primario (igual a la potencia total) es aproximadamentesuperior a la del secundario en un 20%. Por ello se tiene la siguiente frmula:

Wattssecpri W2.1W

priW 1.2 12 14.4 Watts

El valor del 20% aplicado, corresponde al valor ms frecuente de prdidas en elhierro.Si deseamos redondear este valor calculado, escribimos el valor que queremosadoptar para la seccin del ncleo de hierro. Este ser el valor con que secontinuar el clculo, ya que se trata de una aproximacin a las necesidades

reales por exceso.

rW 37 Watts

Especificaciones elctricas de partida

Clculo de la seccin del ncleo de hierro

Experimentalmente se sabe que la seccin del ncleo de hierro, puede variarentre amplios lmites, resultando de ello mayor o menor rendimiento (entre 94 y99%) o mayor o menor costo (menor costo para rendimientos menores). En elcaso que nos ocupa, aplicaremos frmulas empricas resultado deobservaciones atendiendo a un mximo rendimiento basado en dos aspectos:A) Prdidas en el primario igualadas a las prdidas en el secundario y B)Prdidas totales en el hierro igualadas a las prdidas totales en el cobre.

DATO VALOR UNIDAD ACLARACIN COMENTARIO

Wr = 37 Watts Potencia eficazDato. Potencia real que se quiereobtener del transformador

F = 60 Hz Frecuencia de trabajo Dato. De la lnea de alimentacin

Vpri = 120 Volts Segunda tensin primariaDato. Tensin nominal dealimentacin alternativa

Vsec1 = 9 Volts Primera tensin secundaria Dato. Primera tensin secundaria

Vsec2 = 3 Volts Segunda tensin secundaria Dato. Segunda tensin secundaria.

Isec1 = 1 AmpersPrimera corrientesecundaria

Datos. Corrientes secundarias.Isec2 = 1 Ampers

Segunda corrientesecundaria


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APENDICE A

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Notas ptimo Unidad

Criterios de clculoObedece a una determinada relacin ptima entre el peso dehierro y el peso del cobre.

[cm2]

Flujo mximo 10000Corresponde a un hierro comn en serviciointermitente, (Tabla A.1). Gauss

Densidad admisible 2Para enfriamiento al aire, con una exigencia quepodemos definir como ptima (Tabla A.2).

A/mm2

Clculo de la Seccindel ncleo de hierro

[cm2]

Clculos 6.32139 cm2

Redondeos 6 cm2

Tipo servicio50 a 60 Hz

Flujo de induccin mximo[Gauss]

Hierro comn Hierro calidadIntermitente 10000 13000

Contino 13000 15000

Se explica que las cifras para servicio intermitente sean menores porque setrata de reducir las prdidas en el hierro para aumentar las de cobre. Para

frecuencias menores (25 Hz) los valores se refuerzan en un 10%.Tratado de Electricidad, Tomo II, 7ma. Edicin, Pg. 294, Francisco L. Singer

Tabla A.1: Flujo de induccin mximo.

Tipo trafoDensidad de corriente[A/mm2]

Normal AdmisibleBobinado a aire 1 2Bao de aceite 1.5 2.5Bao de agua 2.5 3Aceite forzado 2.5 3.5Mejor 3.5 4

Tratado de Electricidad, Pg. 211, ???

Tabla A.2: Densidad de corriente

Los valores de B, Dy Shque adoptaremos para los clculos prximos son

B

=10000 GaussD

=2 A/mm

2

Sh

=6 cm

2
http://h/CALCULO_DE_TRAFO.xls%23Flujo_de_inducci%E3%AE%A523Flujo_de_inducci%E3%AE%80http://h/CALCULO_DE_TRAFO.xls%23Densidad_de_corriente%23Densidad_de_corrientehttp://h/CALCULO_DE_TRAFO.xls%23Densidad_de_corriente%23Densidad_de_corrientehttp://h/CALCULO_DE_TRAFO.xls%23Flujo_de_inducci%E3%AE%A523Flujo_de_inducci%E3%AE%80


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APENDICE A

71

Con las siguientes referencias:

Variable Valor Unidad Detalle Tablas vinculadas

Sh = 6 cm2Seccin del ncleo de

hierro

Seccin que aparecer en las prximas

frmulasW = 37 Watts

Potencia elctrica totalcon prdidas

Potencia del PRIMARIO y TOTAL

D = 2 A/mm2Densidad de corrienteadmisible inicial

Densidad de corriente admisible

B = 11000 Gauss Flujo mximo de induccin Flujo mximo de induccin

f = 60 Hz Frecuencia de clculo Frecuencia de 60Hz para nuestro pas.

= 3 W/KgPrdidas en el hierrosupuestas

Prdidas en el Hierro (Tabla A.3)

Tabla A.3: Perdidas en el Hierro

Determinacin del Nmero de Chapa

A partir de las frmulas geomtricas determinadas en la presentacin,calculamos las dimensiones que nos permitirn elegir el tipo de chapa. Porejemplo para una seccin cuadrada:

Sabemos que: haSh y para una seccin cuadrada es:a Sh 24.4949mm . Con este valor de avamos a la Tabla de Chapas (TablaA.4) y seleccionamos la Chapa: Chapa Nmero: 111

Chapa Tipo Silicio[%]Espesor

[mm]

Prdidas enel hierro[W/Kg]

Aplicaciones

I 0,5 a 0,8 0,5 a 1 3,6 a 8Para uso intermitente de mquinasy transformadores elctricos.

II 0,8 a 1,2 0.5 3Para uso intermitente detransformadores elctricos.

III 2,4 a 3,0 0.5 2Para uso normal, servicio permanentede transformadores elctricos.

IV 3,5 a 4,5 0,35 a 0,5 1 a 1,7Uso normal, servicio permanente degrandes transformadores.

Valor de las prdidas (alfa) en el hierro a 10000 Gaussy

60 Hz.Mquinas Elctricas, Pg. 331, Wagner
http://h/CALCULO_DE_TRAFO.xls%23RANGE!A48%23RANGE!A48http://h/CALCULO_DE_TRAFO.xls%23Densidad_de_corriente%23Densidad_de_corrientehttp://h/CALCULO_DE_TRAFO.xls%23Flujo_de_inducci%E3%AE%A523Flujo_de_inducci%E3%AE%80http://h/CALCULO_DE_TRAFO.xls%23P%E9%B2%A4idas_en_el_hierro%23P%E9%B2%A4idas_en_el_hierrohttp://h/CALCULO_DE_TRAFO.xls%23P%E9%B2%A4idas_en_el_hierro%23P%E9%B2%A4idas_en_el_hierrohttp://h/CALCULO_DE_TRAFO.xls%23Flujo_de_inducci%E3%AE%A523Flujo_de_inducci%E3%AE%80http://h/CALCULO_DE_TRAFO.xls%23Densidad_de_corriente%23Densidad_de_corrientehttp://h/CALCULO_DE_TRAFO.xls%23RANGE!A48%23RANGE!A48


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APENDICE A

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Tabla A.4: Tabla de nmero de chapas y sus dimensiones

Si observamos la tabla de chapas normalizadas, vemos que para esta Chapa,se tiene un ancho para la seccin central de valor a. Extraemos este valor (queser el real en lo sucesivo) y calcularemos la altura de apilamiento de chapashr,para cumplir con el rea Shde clculo.

La nueva altura de apilado (h), es calculada aqu considerando el nuevo ancho

(a), justamente el correspondiente a la chapa adoptada.

Determinacin del Nmero de Carrete

Para una fabricacin en serie, nada mejor que aplicar para los arrollamientos,los carretes plsticos de tamao normalizado. Alternativamente puedenconstruirse con cartn prespan de calidad, tal como se muestran en los dibujosde los detalles constructivos. Para el caso en que nos decidamos a usar losprimeros, ser altamente conveniente obtener una Tabla de Carretes (TablaA.5) correspondientes a los que vende algn proveedor local, con el objeto depoder comprarle al final del clculo. Y no hay que olvidar consultarle su

disponibilidad de stock.

ChapaAdoptada

Ancho realde larama

centraldel ncleo

Ancho realde la

ventana deconductores

Alto realde la ventana

deconductores

Ancho realde la

rama superiore inferior

del ncleo

Altura de apilamientopara cumplir

con la seccinSh reclamada,

mediante clculosprevios,

para el ncleo

a [mm] br [mm] cr [mm] dr [mm] h = Sh / a [mm]

111 25.4 12.7 33.1 12.7 23.622


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APENDICE A

73

Con el a de la chapa entramos a la Tabla de Carretes (Tabla A.5) yseleccionamos el carrete: Carrete Nmero:111

Tabla A.5: Tabla de carretes


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APENDICE A

74

mx

rm x SB

De aqu obtenemos los siguientes valores que son:

Carrete

Adoptado

Ancho del carrete(aloja rama central)

Altura real de apilado(segn carrete

adoptado)

Detalleconstructivo

Seccin realresultantecalculada al aplicarel carrete adoptado

ar [mm] hr [mm] indicar alproveedor

Sr = (ar)(hr) [cm2]

111 26 26 0 6.76

Determinacin de Nmero de Espiras por Voltio

El fundamento terico de todo transformador, implica el conocimiento quegobierna al concatenamiento (o encadenamiento) del circuito elctrico con elcircuito magntico. Dicha dependencia viene dada por la ley de induccin atravs de lo que se conoce como la Ley de Transformacin, expresada por lasiguiente frmula:

8

m x 102

2fNE

En donde:

E= Fuerza electromotriz de induccin VoltsN = Nmero de vueltas de un enrollamiento Espiras

= Flujo magntico mximo del hierro empleado Maxwellf = Frecuencia de la energa de alimentacin Hz

A partir de esta expresin y sabiendo que , y cuando Besta enGauss y Sren cm2, la formula nos queda:

7102

2fSBNE

de donde deducimos7

ev

r

2 10N

2 B S f

N

E[espiras/volts]

Numero de espiras por volt Nev= 4.97902 espiras/volts

Si se agrupa las constantes numricas y origina esta otra expresin, mscmoda y levemente corregida en forma experimental. Nos puede servir paracomprar y controlar el otro valor calculado.


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APENDICE A

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fSB

10225N

r

5

ev [espiras/volts] Nev= 5.04303 espiras/volts

Esto indica que ser necesario bobinar aproximadamente Nev vueltas dealambre, por cada voltio que se desarrolle, tanto en el primario como en elsecundario. A estos valores calculados no es recomendable redondearlos, parano perder precisin en la cadena de evaluaciones posteriores. Adems esnecesario aclarar que los valores (originados en los datos) involucrados en lasfrmulas aplicadas, son los que vienen siendo utilizados desde el principio. Laexpresin simplificada puede ser aplicada a un clculo ms rpido e intuitivo.Para tener ms precisin usaremos el primer valor.

Determinacin de Nmero de Espiras del PRIMARIO y del SECUNDARIO

El valor de Nevmultiplicado por cada una de las tensiones del arrollamientonos dar el nmero de espiras totales de cada u

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