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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO FACULATAD DE INFORMATICA Y ELECTRONICA ESCUELA DE ELECTRONICA EN CONTROL Y REDES INDUSTRALES ELECTRONICA DE POTENCIA

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PRÁCTICA No. 1 CIRCUITOS DE DISPARO

ELEMENTOS CON CARACTERÍSTICAS DE RESISTENCIA NEGATIVA (ERN) Y MODULACIÓN DE ANCHO DE PULSO (PWM)

1. OBJETIVO

• Conocer las características de los elementos de resistencia negativa, elementos empleados en la generación de señales de control (osciladores de relajación).

• Conocer el funcionamiento de la técnica “Modulación de Ancho de Pulso o PWM” y hacer uso de ésta para generar señales de control de elementos semiconductores de potencia.

2. MARCO TEÓRICO

2.1 ELEMENTOS CON CARACTERÍSTICAS DE RESISTENCIA NEGATIVA (ERN)

Los elementos de resistencia negativa (ERN) usados principalmente para la generación de señales de control, son elementos semiconductores que dentro de sus característica se observa una región de bloqueo y una región de conducción semejante a la de un diodo, además una región intermedia especial en la que a un incremento de la corriente entre dos de sus terminales se produce una reducción en el voltaje entre estos terminales, como se muestra en la Figura 1.1.

Figura 1.1


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Como se puede observar la curva característica presenta tres regiones bien definidas: • La región de BLOQUEO (OA), que se caracteriza por su baja conductividad (uA). • La región de CONDUCCIOÓN (BC), que se caracteriza por su alta conductividad (mA),

en esta región dependiendo del tipo y de la estructura del dispositivo puede conducir corrientes en el rango de las decenas o centenas de miliamperios.

• La región de RESISTENCIA NEGATIVA (AB), es la región de transición entre la región de conducción y la región de bloqueo por lo que se caracteriza por ser una zona altamente inestable.

El ERN puede compararse con un interruptor donde la región de bloque puede representarse como el estado de abierto mientras que la región de conducción puede representarse como el estado de cerrado. A partir de la curva característica del ERN se puede observar que este pasa del estado de bloqueo al estado de conducción cuando el voltaje entre sus terminales es igual al voltaje pico o voltaje de activado (Vp) y permanece en este mientras la corriente que pasa a través de sus terminales sea mayor o igual a la corriente de valle o corriente de mantenimiento (Iv).

En el caso de que la operación del elemento no se realice en ninguna de las dos zonas, el elemento trabaja en la región de resistencia negativa donde opera en forma inestable oscilado entre los estados de bloqueo y de conducción. Es decir, si se trabaja en el interior de la región de resistencia negativa el elemento puede actuar dentro de un circuito oscilador de relajación, donde “el circuito externo al ERN debe garantizar que el punto de operación se sitúe al interior de la región de resistencia negativa. El funcionamiento de un circuito oscilador de relajación, está basado en los períodos de carga y descarga de un capacitor. En la mayoría de aplicaciones, la energía almacenada lentamente durante el período de carga del capacitor es violentamente liberada durante la descarga. De esta manera, sobre el capacitor aparecerá una onda diente de sierra, y sobre el elemento que recibe la descarga, aparecerá un pulso de corriente” un oscilador generalizado con elemento de resistencia negativa se muestra en la Figura 1.2.

Figura 1.2

Antes de energizar el circuito el capacitor C esta descargado y su voltaje es igual a cero al igual que el del ERN, inmediatamente después de energizar se inicia la carga del capacitor a través de R1, en este caso específico la carga del capacitor será exponencial. Mientras el voltaje en el


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capacitor sea menor a VP la corriente en el ERN será pequeña por lo tanto la resistencia equivalente de este será de un valor grande por lo que el voltaje de salida Vout en R2 será pequeño, conforme continua la carga del capacitor el voltaje entre sus terminales alcanzará Vp el mismo voltaje que se aplicará al ERN, en ese instante el elemento pasa brevemente por la región de resistencia negativa y entra a la región de conducción y la corriente a través de sus terminales incrementa de tal manera que la resistencia equivalente del ERN se reduce permitiendo la circulación de corriente a través de sus terminales y por lo tanto la posterior descarga del capacitor a través de R2 produciéndose un breve pulso de voltaje en la Vout , recordando además lo anteriormente señalado el elemento permanecerá en conducción mientras la corriente a través de sus terminales sea mayor o igual a la corriente de mantenimiento, es importante tener en cuenta que la descarga del capacitor también es exponencial y transcurrido un tiempo la corriente tiende a cero siendo en algún punto de la descarga menor a la corriente de mantenimiento por lo que nuevamente el ERN entra en estado de bloqueo a partir de entonces el capacitor se carga hasta Vp momento en el cual nuevamente el ERN entra al estado de conducción produciéndose la descarga del capacitor, proceso que se repetirá periódicamente mientras el circuito este energizado, formando el circuito oscilador, Figura 1.3.

Figura 1.3

Entre los elementos de resistencia negativa más conocidos podemos anotar: • Transistor Unijuntura UJT • Transistor Unijuntura Programable PUT • Conmutador Unidireccional de Silicio SUS • Conmutador Bidireccional de Silicio SBS • Conmutador Controlado de Silicio SCS • Diodo Bilateral de Disparo DIAC

Los mismos que se clasifican dependiendo de su número de capas como de su sentido de conducción. De acuerdo al número de capas semiconductoras puede ser de dos, tres, cuatro y cinco capas, mientras que por su sentido de conducción pueden ser unidireccionales y


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bidireccionales, dependiendo de estas características los parámetros Ip, Iv, Vp y Vv varían para cada elemento. En este caso se estudia el UJT elemento unidireccional y el DIAC elemento bidireccional.

EL TRANSISTOR UNIJUNTURA (UJT) Dispositivo de dos capas, que puede ser usado en circuitos generadores de pulso de control. Consta de una barra de silicio tipo n ligeramente dopado que tiene dos contactos de base en ambos extremos de su superficie y una varilla de aleación de aluminio en la superficie opuesta, Figura 1.4.

Figura 1.4 El UJT tiene tres terminales denominados emisor (E), base 1 (B1) y base 2 (B2). En la Figura 1.5 (a) se observa el símbolo para el UJT y en la Figura 1.5 (b) el circuito equivalente para el mismo.

Figura 1.5

Entre los terminales B1 y B2 se tiene una característica resistiva determinada por RB1 y RB2, esta resistencia es denominada resistencia interbase RBB cuyo valor oscila entre 4.7 KW y 9.1 KW.

A partir del circuito equivalente se puede deducir que el UJT no entrará en conducción sino hasta que el voltaje aplicado al emisor E sea superior al voltaje pico Vp el que esta dado por


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De ello se deduce que Vp depende del voltaje interbase y es una fracción del mismo, para determinar el valor de VRB1 a partir de un divisor de voltaje.

si

Donde η (eta) = relación intrínseca de bloqueo (0.51 y 0.82 dependiendo del elemento),

Entonces:

OSCILADOR DE RELAJACIÓN CON UJT ‐ RAMPA EXPONENCIAL En la Figura 1.6 se muestra un circuito oscilador de relajación con carga exponencial cuyo voltaje de descarga (pulso de descarga) en R2 es usado en el encendido de otros dispositivos de mayor potencia como SCR’s, TRIAC’s, etc.

Figura 1.6

R1 y C determinan el tiempo que tarda en aplicarse VP al emisor del UJT para que entre en conducción y se proceda a la descarga a través de R2 , el tiempo de carga (tiempo en bloqueo) y descarga (tiempo en conducción) dependen de R1 y R2 además de C por lo que una variación


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de esta resistencias permite variar el tiempo antes de la aparición del pulso en R2 como el ancho de este. Se recomienda escoger R1 de tal manera que el dispositivo opere en la región de resistencia negativa, condición que permite al elemento oscilar entre bloqueo y conducción. Es por ello importante determinar un rango entre el cual puede variar R1 asegurando el encendido y el apagado del elemento.

Para asegurar el encendido:

El proceso de encendido se inicia cuando el voltaje en el emisor es igual al voltaje pico VE = VP

y por lo tanto IR1 = IP, igualdad que es valida debido a que la corriente de carga del condensador en ese instante es igual a cero, esto es, el condensador está en este instante cambiando de un estado de carga a de descarga.

Entonces:

pero en el punto de pico IR1 = IP y VE = VP

y para asegurar el disparo:

En el punto de valle IE = IV y VE = VV, por lo que

y para asegurar el apagado:

Por lo tanto R1 está limitado por:

La resistencia R2 debe ser lo suficientemente pequeña para asegurar que el SCR no se encienda por el voltaje en R2. Cuando IE = 0

El capacitor determina el tiempo entre pulso y pulso, además del ancho de cada pulso.

En algunas ocasiones se coloca R3 entre Vcc y la base 2 B2, la misma que es opcional, se sugiere R3 = 10 R2 .

Para analizar formas de onda de voltaje en el capacitor y en R2, se obtendrá circuitos equivalentes para cada caso:


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a) Cuando el VE < VP e IE = 0, Figura 1.7.

Figura 1.7

Mientras el UJT se encuentra en corte los dos ramales son totalmente independientes, el ramal en el que se encuentra el capacitor se puede analizar como una red RC a la que se aplica una señal paso y el voltaje en R2 se puede hallar a través de un divisor de voltaje.

b) Cuando el UJT se enciende VE = VP, Figura 1.8.

Figura 1.8

En el instante que el UJT se enciende el diodo entra en polarización directa y la corriente en el capacitor (Ic) es cero.

c) Cuando el UJT esta encendido, Figura 1.9.


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Figura 1.9 El capacitor se descarga a través de R2 y RB1 pero en conducción la segunda se reduce considerablemente.

Si el elemento oscila entre corte y saturación las formas de onda en el capacitor y R2 serán las mostradas en la Figura 1.10:

Figura 1.10

Donde:

En el caso de no colocar R3

Por lo que el voltaje en R2 es mayor, de allí que es conveniente colocar R3, pues así disminuye el voltaje en R2, asegurando que el SCR no se dispare por voltaje durante el periodo de carga del capacitor.

Deducción de las ecuaciones de carga y descarga del capacitor

Carga del capacitor Para determinar la ecuación de carga se tomará como referencia la Figura 1.11.


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Tomando en cuenta que el capacitor tiene un valor inicial de Vv y que la respuesta es exponencial en el caso de una red R‐C aplicado un voltaje paso de amplitud Vcc – Vv se tiene que el voltaje en el capacitor Vc esta dado por

de allí que el voltaje en el capacitor es

esta ecuación es valida durante la carga del capacitor hasta cuando el voltaje del capacitor sea Vc = VE = VP ; momento en el cual el UJT entra en conducción y se inicia el proceso de descarga del capacitor.

Descarga del capacitor Para determinar la ecuación de descarga se tomará como referencia la Figura 1.12.

Figura 1.12


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La descarga del capacitor se realiza a través de la resistencia por lo que el voltaje durante este intervalo de tiempo se describe de la siguiente manera:

Donde

y el voltaje de R2 o resistencia de descarga

Para determinar el tiempo de carga, descarga y periodo de oscilación.

Tiempo de carga Voltaje del capacitor durante la carga

si cuando t = tC (tcarga) Vc = Vv


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Tiempo de descarga Voltaje del capacitor durante la descarga

si cuando t = td (tdescarga) VC = Vv

Periodo de oscilación Tosc Un periodo de oscilación es igual a la suma del tiempo de carga más el tiempo de descarga del capacitor:

entonces,

pero para muchos sistemas tc es mucho mayor que td => Tosc = tc y Vcc >> Vv

si VP = VD + ηVBB y considerando que R2 y R3 << RBB VBB = VCC y VD << VP


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En varios casos las señales de control son usadas en conversores cuya entrada es la red eléctrica y la salida debe mantenerse a la misma frecuencia de esta, entonces, es necesario conocer el cruce por cero de la onda de entrada y usarla como referencia para las señales de control, este procedimiento se conoce como sincronización con la red. La sincronización consiste en detectar cuando la onda de voltaje cruza por cero y en ese instante iniciar la carga del condensador del oscilador. Un esquema de oscilador sincronizado con la red se muestra en la Figura 1.13.

Figura 1.13

En este caso el voltaje de alimentación para el oscilador de relajación es el voltaje del zener es decir VCC = VZ , además recordando que: si VP = VD + ηVBB y considerando que R2 y R3 << RBB VBB = VCC y VD << VP

Entonces:

Además si tiempo de carga esta dado por:

y si Vcc >> Vv entonces

El tiempo de carga tC será el tiempo que se tarda en aparecer el primer pulso de voltaje en la resistencia de descarga R2 , y que se lo define como α, entonces:


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Al colocar un potenciómetro la resistencia durante la carga del capacitor es variable y por lo tanto α también lo es, siendo menor cuando el potenciómetro P es igual a cero y siendo mayor cuando P esta en su máximo valor.

EL DIODO BILATERAL DE DISPARO (DIAC) El DIAC es un elemento de dos terminales Ánodo 1 (A1) y Ánodo 2 (A2), se lo puede considerar un diodo bidireccional diseñado específicamente para realizar circuitos de disparo de TRIAC’s o SCR’s. El DIAC no conduce más que una mínima cantidad de corriente antes de que el voltaje de conmutación (breakover voltage) sea alcanzado. En este momento el elemento muestra una característica de resistencia negativa observándose una disminución del voltaje entre sus terminales a un valor aproximado de 5 V, originándose una corriente de conmutación (breakover current) lo suficiente como para encender un TRIAC´s o SCR´s. La curva característica del DIAC se muestra en la Figura 1.14:

Figura 1.14

En la curva característica solo se especifica voltaje y corriente de conmutación, ya que en el caso del DIAC la zona de resistencia negativa no es única, en este caso nos referimos a un punto de conmutación ( ±Vs e ±Is ) y un voltaje interanódico que es el voltaje entre A1 y A2, dependiendo de cual ánodo tenga mayor potencial con respecto al otro se define el sentido de la corriente. El símbolo con el que se representa es el mostrado en la Figura 1.15 (a), si bien en algunos casos también se lo representa con el símbolo indicado en la Figura 1.15 (b):

Figura 1.15


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El oscilador de relajación con DIAC es el mostrado en la figura 1.16.

Figura 1.16

Para el análisis de este circuito se considera que mientras el voltaje en el capacitor sea menor que el voltaje internases el DIAC esta abierto por lo que se puede determinar el voltaje en el capacitor a través del siguiente circuito:

Trabajando en el dominio de la frecuencia el voltaje en el capacitor esta dado por:

Si es el módulo de la carga

y es el ángulo de la carga

Simplificando el voltaje en el capacitor se obtiene lo siguiente:

En el dominio del tiempo

y como función coseno


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A partir del diagrama fasorial

2.2. MODULACIÓN DE ANCHO DE PULSO (PULSE WIDTH MODULATION PWM)

Una señal PWM (Modulador de Ancho de Pulso) es una onda cuadrada de periodo constante (T) y ancho de pulso variable (a). En una señal PWM se trabaja con relaciones de trabajo d que representan el ancho de pulso con respecto al periodo. Lo que hace básicamente un PWM es variar dinámicamente el “ancho de pulso” de manera que el tiempo en alto disminuya o aumente y en proporción inversa, el tiempo de baja aumente o disminuya, pero eso sí manteniendo el T constante

Figura 1.18


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En la figura 1.18 se muestra una señal PWM de período T= cte y con un anchos de pulso variable.

Ancho de Pulso ( a ): El ancho de pulso está definido como el porcentaje o tiempo en alto de una señal cuadrada durante un determinado período.

Período (T): El período se define como el intervalo de tiempo donde la señal PWM ocurre.

Frecuencia ( f ): Se define como el inverso del período. Un PWM permite que ciertos sistemas continuos en el tiempo, tales como un motor, sean controlados por una señal discreta. Entre las aplicaciones de un PWM están: Se utiliza en las fuentes de alimentación comunes. Para las computadoras y otros dispositivos electrónicos. También se utiliza para controlar la velocidad de un motor de DC o para controlar la intensidad de un Foco. Por otro lado un PWM se utiliza en amplificadores audio para generar las señales de salida para los altavoces del teléfono o los sistemas estéreos de alta potencia., los amplificadores hechos con PWM producen menos pérdidas por ejemplo por calentamiento con relación a los amplificadores análogos tradicionales.

AMPLIFICADORES OPERACIONALES

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS:

• Ganancia en lazo abierto extremadamente alta en el orden de 103 a 106.

• Voltaje de salida positivo y negativo con una amplia gama dinámica.

• Desajuste de salida con el tiempo y temperatura muy reducida.

• Alta impedancia de entrada, del orden de 106 W, pudiendo en la mayoría de casos prácticos despreciar la corriente entre los terminales inversor y no inversor.

AMPLIFICADOR INVERSOR Amplifica e invierte la señal de entrada.


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AMPLIFICADOR NO INVERSOR Amplifica la señal de entrada sin invertirla.

SEGUIDOR DE VOLTAJE La señal de salida es exactamente igual a la señal de entrada y se utiliza debido a sus características de alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida.

SUMADOR INVERSOR Amplifica y suma las señales de entrada e invierte dicho resultado.

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL Efectúa la diferencia de señales entre la señal positiva Vin2 y la Vin1, multiplicadas por sus respectivas ganancias.


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INTEGRADOR ANALÓGICO Suministra un voltaje de salida proporcional a la integral del voltaje de entrada.

DIFERENCIADOR ANALÓGICO El voltaje de salida es proporcional a la derivada respecto al tiempo del voltaje de entrada.

DETECTOR DE CRUCE POR CERO Consta de un comparador con voltaje de referencia cero, cuyo resultado es aplicado a un circuito R‐C con una constante de tiempo pequeña de tal forma que a la salida se obtengan impulsos positivos y negativos. El diodo se coloca con el afán de permitir el paso tan solo de los pulsos positivos.


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COMPARADOR CON HISTÉRESIS (Disparador de Schmitt). Es un comparador cuya salida es dependiente de si el voltaje de entrada esta subiendo o bajando: cuando sube el voltaje de entrada y supera el voltaje VH entonces el voltaje de salida es –Vo y cuando el voltaje de entrada disminuye por debajo del voltaje VL el voltaje de salida será Vo, siendo Vo el voltaje de saturación del amplificador operacional.


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GENERADOR DE ONDA CUADRADA Es un comparador en el que la señal de comparación depende de si la salida es Vo o –Vo , si la salida es Vo el capacitor empieza a cargarse y este voltaje es comparado con la caída de tensión en R3 de tal forma que cuando el voltaje en el capacitor es mayor que el voltaje en R3 el voltaje de salida será –Vo, con lo cual se produce la descarga del capacitor hasta que el voltaje en este sea mas negativo que el de R3 con lo cual la salida seria Vo, produciendo este proceso cíclicamente para dar resultado a la onda cuadrada.

2 · · · ln11

GENERADOR DE ONDA TRIANGULAR Esta formado por dos etapas la primera es un Schmitt sin inversión que es la encargada de generar una onda cuadrada y la segunda es un integrador que hace que la onda cuadrada sea transformada en una onda triangular.

La frecuencia de salid es:

La amplitud es:


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CIRCUITOS GENERADORES DE PWM

La tecnología en el desarrollo de circuitos integrados ha tenido un enorme progreso logrando características de versatilidad, confiabilidad, tamaño reducido, sencillez en su uso, etc., facilitando el diseño y la implementación de circuitos para el control de sistemas electrónicos de potencia, un ejemplo es la técnica conocida como PWM. Entre los circuitos integrados empleados para generar las señales de disparo cabe destacar a los amplificadores operacionales, el temporizador 555, el LM3524, el TCA785 y las compuertas lógicas de la familia CMOS 74CXX.

PWM sincronizado con la red usando el circuito integrado 74HC14 (δ entre 0.5 y 1.0)

Figura 1.19.


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PWM con rampa lineal sincronizada con la red Figura 1.20.

Figura 1.20

PWM con rampa cosenoidal sincronizada con la red Figura 1.21.

Figura 1.21

3. PROCEDIMIENTO

La práctica es tutorial, es decir, para realizarse el estudiante deberá guiarse en la teoría previa.

4. PREPARATORIO

4.1 Diseñar los siguientes circuitos de control:

CIRCUITO 1.‐ Diseñar un generador de PWM de 1.0 KHz, que se obtenga de la comparación de una señal triangular que varíe entre 5 V y 10 V y una señal de continua entre 5 V y 10 V. La señal triangular se puede obtener mediante un oscilador en base a amplificadores


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operacionales como se muestra en una figura anterior bajo el tema "Generador de onda triangular". Como se trabaja con una sola fuente la referencia del circuito, que en ese diagrama aparece con el símbolo de tierra debe conectarse a VCC / 2, que puede obtenerse de un divisor de tensión con un condensador de filtro. La alimentación del circuito es una sola fuente de 15 V.

CIRCUITO 2.‐ Consultar y diseñar un circuito generador de PWM de 1.0 KHz y relación de trabajo variable entre 0,1 a 0,9 usando el circuito integrado LM555. La alimentación del circuito es una sola fuente de 15 V.

4.2 Analizar el funcionamiento de los circuitos propuestos en la hoja guía

5.‐ INFORME

• Utilizando un simulador (Proteus o Pspice), probar el funcionamiento de los dos circuitos propuestos

• Escoja cualquiera de los 2 circuitos diseñados e implementarlo.

• Entregar formas de ondas resultantes y análisis de los resultados.

• CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

.

6.‐ REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] BOYLESTAD, Robert L, Electrónica: Teoría de Circuitos, Prentice Hall, Sexta edición, 1997.

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