LABORATORIO Nº4 INVERSOR CC A AC DIGITAL 1.- Objetivos.El objetivo de este laboratorio es el de convertir la corriente continua (CC) a corriente alterna mediante el uso de PWM, BJT, transistores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Transistor ) y un transformador de voltaje 12V - 110V 2.-Marco Teórico.PWM: PWM son las siglas de Pulse Width Modulation , que en español se traduciría como modulación por ancho de pulso. Una señal PWM consiste en una señal con una determinada frecuencia (y por lo tanto con un mismo periodo) que consta de dos valores fijos de tensión: uno alto (HIGH), que es la amplitud, y otro bajo (LOW), que es el valor nulo.
El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. Expresado matemáticamente:
D es el ciclo de trabajo τ es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso) T es es el período de la función
MOSFET: Un MOSFET es un dispositivo semiconductor utilizado para la conmutación y amplificación de señales. El nombre completo, Transistor de Efecto de Campo de Metal-Óxido-Semiconductor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) se debe a la constitución del propio transistor.
S y D: (Source and Drain) Entre estos 2 terminales pasa la corriente cuando activamos G por medio de tensión. La corriente cuando se activa el transistor entre por S y sale por D, siempre que G tenga una tensión mínima, llamada tensión umbral o Threshold (Vth). G: (GATE) la parte de arriba es un metal conductor y la de abajo el óxido. P: capa de semiconductor base o sustrato contrario al semiconductor de S y D.
Los MOSFET poseen también 3 terminales: Gate, Drain y Source (compuerta, drenaje y fuente). A su vez, se subdividen en 2 tipos, los MOSFET canal N y canal P.
Existen diferentes tipos de MOSFET, dependiendo de la forma cómo están construidos internamente. Así, tenemos MOSFET de enriquecimiento y MOSFET de empobrecimiento, cada uno con su símbolo característico. Sin embargo, para efectos de este artículo simplemente consideraremos que los MOSFET de los que vamos a hablar son de enriquecimiento, utilizando la simbología antes presentada. Estos dispositivos se utilizan en la conmutación de cargas de alta velocidad, dado su tiempo de respuesta mínimo. Se utilizan para el control digital de cargas de mayor corriente y mayor voltaje que los valores nominales que puede soportar un micro controlador. Son muy buenos en la amplificación de señales analógicas, especialmente en aplicaciones de audio. Al igual que los BJT, poseen múltiples funciones en diferentes tipos de aplicaciones en el mundo de la electrónica, de las cuales solo hemos estudiado la conmutación y apenas mencionado la amplificación de señales. Para el tipo de conmutación mencionado hasta aquí y para obtener un funcionamiento satisfactorio a una frecuencia tan elevada, una llave mecánica o un relé se vuelven imposibles de utilizar. Es aquí donde hace su presentación el IRFZ44N. ¿Qué es el IRFZ44N? Es un transistor de tecnología MOS-FET (Metal –Oxide –Semiconductor – Field Effect Transistor) que posee destacadas características que lo hacen ideal para este tipo de aplicaciones. Queremos también aclarar que PWM se puede realizar con transistores bipolares (NPN – PNP), con tiristores, triacs, o IGBT según la conveniencia de la aplicación, es decir, el PWM no se hace sólo con un transistor MOS-FET como veremos ahora sino que puedes encontrar aplicaciones que utilizan sistemas electrónicos de conmutación muy variados y como mencionamos antes, ajustables a las necesidades de la aplicación.
Entre las características más destacadas de este transistor encontramos que es capaz de manejar corrientes de hasta 50 Amperes ofreciendo una resistencia tan baja como 0,017 Ohms. Esto permite un régimen de trabajo extraordinario ya que trabajando al máximo de sus posibilidades no desarrollará una potencia mayor a los 45 Watts. Nada extraordinario para un generoso disipador que pueda irradiar el calor generado por semejante corriente circulando a través del dispositivo. Para que tengas una idea, trabajando con 12 Volts, una lámpara incandescente de 100W consumirá 8,33 Amperes. Es decir, la sexta parte de sus
posibilidades extremas y claro está, a 100W, es decir, a la potencia máxima o a un duty de 255. Una sencilla y práctica explicación del funcionamiento de un transistor MOS-FET puede resumirse a comprender el comportamiento de la circulación de corriente dentro del transistor. Al aplicar una determinada tensión sobre la compuerta, puerta o Gate (positiva respecto a GND), se genera dentro del transistor un campo eléctrico que permite la circulación de corriente entre el terminal identificado como Drain y el terminal Source. Tan simple como eso. Al aplicar tensión al Gate, el campo eléctrico aporta huecos o lagunas, hecho que favorece y activa la circulación de electrones entre Drain y Source. Cuando la tensión en Gate se interrumpe o se coloca a un bajo potencial, la corriente entre Drain y Source se interrumpe. Tenemos de este modo una llave electrónica comandada por tensión (no por corriente, atentos a este punto) que no tendrá inconvenientes en conmutar a frecuencias tan altas como las que necesitamos para controlar una carga.
La tensión mínima de Gate para que el transistor comience a conducir (según su hoja de datos que encontrarás al final del artículo) está ubicada entre 2 y 4 Volts mientras que la máxima tensión aplicable respecto al terminal Source, es de 20 Volts. Con 10 Volts de tensión sobre el Gate el transistor alcanza la mínima resistencia entre Drain y Source. Si se sobrepasa la tensión Vgs (tensión de Gate respecto a Source) máxima de 20 Volts el transistor se rompe y si no se alcanza la tensión mínima de 2 a 4 Volts, el transistor no entra en conducción. Una situación a destacar es que si trabajamos siempre con 5 Volts, estaremos sobre el límite de activación del transistor, mientras que si trabajamos con mayor tensión sobre el Gate lograremos un mejor
desempeño con menor disipación de calor al ofrecer menor resistencia a la circulación de corriente entre Drain y Source. Transformador: Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores. El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario. Funcionamiento: Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, circulará por éste una corriente alterna que creará a su vez un campo magnético variable. Este campo magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario Relación de transformación: La relación de transformación indica el aumento o decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere d ecir, la relación entre la tensión de salida y la de entrada. La relación entre la fuerza electromotriz inductora ( Ep), aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario ( Np) y secundario (Ns) , según la ecuación:
La relación de transformación (m) de la tensión entre el bobinado primario y el bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión.
Dónde: (Vp) es la tensión en el devanado primario o tensión de entrada, ( Vs) es la tensión en el devanado secundario o tensión de salida, ( Ip) es la corriente en el devanado primario o corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario o corriente de salida
Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las pérdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores. Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario, al aplicar una tensión alterna de 230 voltios en el primario, se obtienen 23.000 voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de transformación. Ahora bien, como la potencia eléctrica aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario: El producto de la diferencia de potencial por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 amperios, la del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte).
3.- Desarrollo del laboratorio Señal PWM con Arduino UNO La modulación por ancho de pulsos más conocida como PWM, es una técnica mediante la cual se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica, esta modificación se puede hacer para controlar la cantidad de energía que le va a ser entregada a una carga o para comunicación. En el siguiente gráfico, las líneas verdes representan un período de tiempo regular. Esta durac ión o período es la inversa de la frecuencia PWM. En otras palabras, con frecuencia PWM del Arduino a aproximadamente 500 Hz, las líneas verdes medirían 2 milisegundos cada uno. Una llamada a analogWrite () es en una escala de 0 - 255, de tal manera que analogWrite (255) solicita un ciclo de trabajo del 100% (siempre encendido), y analogWrite (127) es un ciclo de trabajo del 50% (la mitad del tiempo) para ejemplo.
Esta señal PWM por lo general es producida por un circuito digital como por ejemplo un microcontrolador, dicho circuito genera una señal cuadrada a la que le puede variar el ciclo útil y con lo cual emular una señal análoga de diferentes amplitudes de voltaje con la cual controlar la
carga que desee, algunas de las aplicaciones en las que más se usa el PWM es el control de velocidad de motores o el control de intensidad de brillo de un bombillo. El ciclo útil o ciclo de trabajo de la señal viene determinado por los tiempos que dura en estado alto la señal cuadrada, respecto al periodo de la señal
Donde: D= Ciclo útil o ciclo de trabajo t1= Tiempo que la señal dura en valor alto (en un periodo) T= Periodo de la señal (Señal PWM generada por Arduino con ciclo util del 50%) El resultado de ese ciclo útil es un valor de porcentaje que representará el porcentaje del valor máximo de la señal que le será entregado a la carga que se quiere controlar. Por ejemplo si se tiene un ciclo útil del 50% y un valor máximo de señal de 5 voltios, el valor análogo emulado es de 2,5 voltios. Arduino cuenta con la posibilidad de generar señales PWM, la cantidad ue puede generar depende de la tarjeta que se esté utilizando, por ejemplo la tarjeta Arduino UNO puede generar hasta 6 señales PWM (Pines 3, 5, 6, 9, 10, 11) El comando utilizado para generar dicha señal PWM es el comando analogWrite(pin, valor) donde pin representa el terminal en el cual se va a generar la señal y valor representa el
valor de ciclo útil que se le quiere asignar al PWM. Los PWM de Arduino tienen una resolución de 8 bits, ósea que puede representar 256 valores (0 a 255), estos valores entre 0 y 255 son los que acepta el comando analogWrite en el parámetro de valor para especificar el ciclo útil, lo que quiere decir que si se quiere ajustar un ciclo útil del 100% se deberá colocar 255 en el espacio del parámetro que antes indicamos comovalor.
En la línea de código anterior se está configurando una señal PWM que va a ser generada por el pin 13 del Arduino y que va a tener un ciclo útil de 49.8%, se puede calcular de forma sencilla el ciclo útil del PWM o el valor que se debe colocar en la instrucción analogWrite mediante una sencilla regla de 3, teniendo en cuenta que un ciclo útil del 100% debe ser representado como un 255 dentro del comando analogWrite. Es importante tener claro ya que es algo que suele confundir a quienes están comenzando en electrónica, que aunque la traducción literal del comando analogWrite sea “Escritura análoga”, en ningún momento se está generando una señal análoga por el arduino, la señal PWM que se genera es una señal de tipo digital que puede emular de cierta forma a una señal análoga sin llegar a serlo. APLICACIÓN DE LA TÉCNICA PWM EN LA GENERACIÓN DE ONDA SENOIDAL Se identifica una señal sinusoidal (señal análoga continua en el tiempo) superpuesta sobre una señal digital (de tipo discreto, pulsante) en la que puede apreciarse que para valores máximos positivos de la señal seno, el ancho del puso correspondiente (resalt ado en un círculo) es también máximo. Posteriormente, a medida que la amplitud decrece en el seno también lo hace el ancho en el pulso correspondiente, situación que continua hasta que el seno alcanza el nivel más bajo (máximo negativo), el cual queda asociado al menor valor de ancho de pulso, evento que se repite en el tiempo, verificándose que para cada valor de señal existe un correspondiente ancho de pulso
Esta es una de las formas de hacer control de velocidad de motores o de luminosidad de bombillos por medio de un PWM es utilizar como valor de referencia del ciclo útil del PWM un
valor de entrada análogo, con el cual dependiendo de ese valor de entrada se pueda variar el ciclo útil del PWM. Señal vista en Osciloscopio
El inversor no es más que conversión de Corriente Continua a Corriente Alterna y se logra mediante el “switcheo” de 2 transistores
4.- Programación
6.- Materiales
Arduino UNO
Transistores IRFZ44N
Juego de cables
Protoboard
Resistencia
Transformador 220/12 1A VAC
Foco de 6 w
Borneras para 3 cables
7.- Conclusión Luego de realizar la implementación del circuito y se obtuvo la inversión de la corriente continua,
transformándola a corriente alterna y su aplicación con una carga menor a 12W.
