Práctica 4. Control de potencia en corriente alterna

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1 Práctica 4. Control de potencia en corriente alterna 1. Objetivos Conocer el funcionamiento de sistemas de control de corriente alterna. Conocer el funcionamiento y la utilidad de los integrados optoacopladores. Saber diseñar e interpretar los circuitos para el control de potencia en corriente alterna. 2. Circuito de la práctica. En la Figura 1 se muestra el circuito a realizar en esta práctica. El circuito completo se encuentra dividido en tres partes bien diferenciadas. Por un lado, el circuito de control, que está basado en un comparador de la señal de tensión V E que provoca un sensor LDR (Light-Dependent Resistor), y la tensión de referencia fija V R que produce la resistencia variable o potenciómetro R 2. La comparación entre ambas tensiones, cuando la cantidad de luz sea la adecuada, hará que el transistor Q 1 conduzca y entre en saturación (exista una corriente de colector I C ) y active el emisor del circuito integrado MOC3052. Dicho componente, es un optoacoplador y se constituye por un LED emisor de infrarrojos y un TRIAC, cuya puerta de activación está conectada a un semiconductor receptor de infrarrojos, y que se denomina fototriac. Este circuito integrado constituye la parte de aislamiento entre el circuito de control y la carga, conectada a corriente alterna. Este es uno de los usos del fototriac, el aislamiento eléctrico entre dos circuitos de entrada y salida. Mediante este circuito integrado, el único contacto entre ambos circuitos es un haz de luz. Esto se traduce en una resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden de miles de MΩ. El aislamiento aumenta la fiabilidad del circuito, ya que los posibles fallos eléctricos en la parte de potencia donde está la carga no afectarán a la parte de control, y también la seguridad, ya que una persona puede manipular la parte de control (por ejemplo para ajustes) sin riesgos de descarga de las tensiones altas que hay en la parte de potencia. Figura 1. Circuito de control y activación de una carga conectada a corriente alterna Finalmente, la salida de triac del optoacoplador se usa para controlar el disparo de un triac de mayor potencia (T 1 ), que, a su vez, se encarga de activar una carga (L), que en este caso se trata de una bombilla de 24V. La tensión de alimentación de la parte de potencia, y de la carga L, es de 18V de C.A., y se obtiene de un transformador conectado a la red de 220V

2 2.1. El transformador 220V-18V AC. Este componente se utiliza para adecuar la tensión alterna proporcionada por una conexión cotidiana a la red monofásica de 220V-50Hz a 18V-50Hz, que se empleará para la carga del circuito. El transformador, junto con sus conexiones, se muestra en la Figura 2. Además del transformador, en el esquema se incluye un fusible F entre la entrada del transformador y la conexión a la red de 220V, que tiene la función de evitar daños cuando la corriente que consume la fuente es demasiado alta. El transformador utilizado, junto con el cable con el enchufe a la red, el fusible, y unas regletas de conexión, está ya montado en un tablero como muestra Figura 2. Primario Secundario Fusible Conexión de 230V Conexiones del Secundario Figura 2. Transformador 220V-18V AC y conexiones del mismo Para conectar el transformador con circuito, se utilizarán dos cables, que por un lado se atornillarán a los cables rojo y naranja del secundario del transformador en la regleta correspondiente, y por otro lado se pincharán en las líneas de entrada A y B (U E ) del circuito montado en la placa de prototipos. Además hay que interconectar los cables negro y amarillo de la regleta del secundario, para así disponer de 18V (9V+9V). Antes de conectar el transformador a la red, se pedirá al profesor que verifique las conexiones El fototriac MOC3052. Un optoacoplador como este consiste en un LED emisor de infrarrojos y un fototriac encapsulados juntos. Ambos están acoplados ópticamente por medio de un material transparente y aislante. Al no existir conexión eléctrica entre la entrada y la salida, el acoplo es unidireccional (LED al fototriac) y permite un aislamiento eléctrico entre ambos dispositivos de hasta 7500 V. Cuando el LED está apagado, el fototriac está bloqueado conduciendo una pequeña corriente de fuga denominada I DRM (peak-blocking current). Cuando el diodo conduce, dispara la conducción del fototriac pudiendo circular por él, normalmente, entre 100mA y 1A. Como en cualquier triac, el fototriac dejará de conducir (se bloqueará) cuando la tensión que se le aplica disminuye a unos 0V, haciendo que su corriente sea cero. Existen dos tipos de fototriacs: con o sin detector zero-crossing (paso por cero). Un fototriac que tiene detector de paso por cero solo se dispara si, además de recibir suficiente luz, la tensión que se aplica entre sus terminales está por debajo de un umbral determinado. Normalmente, al ser componentes o integrados diseñados para controlar cargas de tensión alterna de más de 150V, dicho paso por cero se encuentra en un valor mínimo de 20-30V. El circuito integrado MOC3052 es un fototriac sin disparo por cero (Figura 3). Sus principales características (véase datasheet del componente) son los siguientes: I Fmax (Forward current), corriente máxima en polarización directa del LED: 50mA - 2 -

3 I FT, corriente mínima necesaria en LED para disparar el triac: 10mA V F (Forward voltage), tensión del LED en polarización directa: 1,4V V R (Reverse Voltage), tensión máxima inversa del LED: 6V. V B o V DRM (Braking voltage), tensión de ruptura del TRIAC en bloqueo: 600V. I TRM (Peak Repetitive current), pico de corriente máximo del triac: 1A. I H (Holding current), mínima corriente para conducción del triac: 400µA. dv d /dt (critical rate of rise of off-voltage): 1000V/µs. Viso (Isolation voltage): tensión que es capaz de aislar entre el LED y el triac: 5000Vef. Figura 3. Circuito integrado MOC Diseño del circuito de potencia. A continuación, se va a mostrar el diseño del circuito de potencia mostrado en la Figura 3. Este diseño consistirá en calcular las resistencias R 6 y R 7. La carga L es una bombilla de 24 V con un consumo de corriente de 120mA. Para poder realizar el cálculo de dichas resistencias, es necesario conocer las características del TRIAC del optoacoplador o fototriac (parte conectada al circuito de potencia), como las del TRIAC T 1, conectada a la carga. A continuación se muestran dichas características: TRIAC MOC3052: las indicadas en el apartado anterior. TRIAC T 1 (BT136X): o V GT = 0,7V. Tensión de disparo de la puerta. o I GT = 5-11mA. Corriente de disparo de la puerta. o I L = 30mA. Corriente mínima para conducción. o I H = 15mA. Corriente de mantenimiento. o V T = 1,4V. Voltaje entre terminales en conducción

4 Figura 4. Parte de potencia del circuito de la práctica Para el funcionamiento correcto del circuito es necesario fijar la corriente que debe pasar por R 7. El objetivo de R 7 es evitar que el triac T 1 se dispare cuando el fototriac de IC1 no conduce, pero hay interferencias capaces de producir tensiones de disparo en la puerta de T 1 si está queda suelta. Con R 7 se asegura que la tensión en la puerta (V G ) solo será suficiente cuando IC1 está activado. No hace falta que la corriente por R 7 sea muy alta, por lo que bastará tomar 1mA. A continuación se muestra el cálculo de la resistencia R 7, donde se ha tomado dicho valor de intensidad y el valor de V GT de T1 en 0,7V: R 7 VGT 0,7 = = = 700Ω 3 I 10 R7 R 6 se puede determinar a partir de las tensiones que hay en los otros componentes de su malla (V T, fototriac de IC1, y V G ) y de la corriente que pasa por ella, que será la suma de la intensidad fijada para R 7 y la intensidad necesaria en la puerta de T 1 para éste que dispare (I GT ). Para asegurar que el triac T 1 se dispare aunque haya un valor bajo de tensión en V T, se considerará V T =5. Esto es, si el valor calculado de R 6 permite disparar el triac T 1 con V T =5V, también lo permitirá con VT = VA max = V. A continuación se muestra el cálculo de la resistencia R 6 y la verificación del valor de la intensidad máxima de la corriente de la puerta I GM (véase datasheet del componente): 2.3. Diseño del circuito de control. VT 1 VTIC1 VG 5 3 0,7 R 6= = = 108Ω 3 I + I (11 + 1) 10 G R7 Vmax VTIC1 VG ,7 I G + I R7 = = = 185mA < ITRM = 1A R El diseño del circuito de control es el cálculo de las resistencias R 1, R 2, R 3, R 4 y R 5. El objetivo de este diseño (Figura 5) es que se encienda la carga dependiendo del nivel de iluminación que reciba el LDR. El potenciómetro R2 regulará el nivel de tensión de referencia V R en el comparador, y que se ajustará a 2,5V. El objetivo es que el LED del optoacoplador IC1 se active cuando el LDR detecta oscuridad

5 Figura 5. Parte de control del circuito de la práctica Este diseño se propone como tarea de la práctica. Para el diseño de este circuito de control, los datos necesarios de los componentes son los siguientes (véase los datasheets de la práctica): LED del IC1 MOC3052: o V F = 1,2V. Voltaje en polarización directa del LED. o I Fmin = 10mA. Corriente mínima del LED para que se active el TRIAC. o I Fmax = 50mA. Corriente máxima del LED. Transistor NPN Q 1 : o V CE = 0,2V. o V BE = 0,7V. o Β = 300. A parte de conocer los datos anteriores, deben considerarse las siguientes especificaciones de diseño: Considera una corriente de I F =30mA para la polarización directa del LED infrarrojo perteneciente al MOC3052. Considera que el transistor Q1 entra en saturación y que la corriente de la base I BQ1 es igual a 10 I CQ1 /β. Considera la corriente I R4 = 10 I BQ1. Calcula el valor de R 1 considerando un valor de V R = 2,5V y que el LDR con luz tiene una resistencia de 50kΩ y en oscuridad de 20MΩ. R 2 es una resistencia ajustable o potenciómetro que se usa como un divisor de tensión ajustable. Si se considera que la corriente de la entrada + del operacional es nula, el valor concreto de R 2 no es crítico. Lo que importa será la relación de resistencia entre las dos partes que forman el potenciómetro: de la referencia al cursor, y del cursor a +5V. En la práctica se usará un pequeño potenciómetro de 10KΩ que se ajustará para que V R sea 2,5V Montaje del circuito. Para este circuito, al igual que en la práctica anterior, no se dará más que el esquema mostrado en la Figura 1 para su montaje. Queda como tarea dibujar el circuito realizado en el laboratorio (véase ficha de la práctica). Antes de conectar el transformador a la red, habrá que comprobar el funcionamiento de la parte de control por sí sola. Cuando se vea que la parte de control funciona correctamente, se podrá enchufar el transformador, después de que el profesor haya verificado que la parte de potencia del circuito - 5 -

6 está correctamente montada. En cualquier caso, se aconseja tener precaución en la conexión de la corriente alterna de 220V. Además, se proporciona las siguientes imágenes con la identificación de los distintos terminales de los componentes. Figura 6: terminales de conexión del transistor NPN BC557 (Q1), Figura 7: terminales del circuito integrado MOC3052 (IC1), Figura 8: terminales de conexión del triac BT136X (T 1 ). Figura 6. Terminales de conexión del transistor NPN (Q1) Figura 7. Terminales de conexión del optoacoplador MOC3052 (IC1) Figura 8. Terminales de conexión del triac BT136X (T 1 ) - 6 -

7 3. Tareas de la práctica. 1. Realizar el diseño de la parte de control del circuito (cálculo de R1, R3, R4 y R5). Parte de control 2. Alimentar únicamente la parte de control con la fuente de alimentación configurada a +5V y - 5V (no hay que olvidar que el operacional requiere las dos tensiones) para funcionar. Usando un destornillador, hay que ajustar R 2 para que la tensión de referencia V R sea de 2,5V. El valor de V R se puede comprobar con el polímetro. 3. Comprueba el correcto funcionamiento de la parte de control: - Realiza mediciones de tensión en la entrada (V E ) y en la salida del comparador (V S ) cuando el sensor LDR detecta luz y cuando detecta oscuridad. - Cuándo tiene la salida del comparador un nivel de tensión cercano a 5V? - Cuándo tiene la salida del comparador un nivel de tensión cercano a -5V? Circuito integrado MOC Comprueba el correcto funcionamiento del optoacopaldor. Para esta comprobación, no hay que conectar el transformador. - Realiza mediciones de tensión con el polímetro entre los terminales del LED del optoacoplador para determinar en qué condiciones de luz se activa dicho LED en polarización directa. Qué tensión tiene el LED cuando se activa? Compara el valor obtenido con el usado en los cálculos. - Mide también con el polímetro la intensidad que circula por el LED del optoacoplador (I F ) cuando este se activa. Compara el valor obtenido con el usado en los cálculos. Parte de potencia (osciloscopio) 5. Comprueba el funcionamiento del circuito completo. Para ello hay que conectar primero el secundario del transformador a la parte de potencia, después de que el profesor haya verificado la correcta conexión de los componentes. Se debe comprobar que la bombilla se enciende o se apaga en función de que el LDR detecte que hay oscuridad o luz en su entorno. - Analiza con el osciloscopio la forma de onda de V A en el secundario del transformador. Mide los valores eficaces y máximo de esta tensión y comprueba que son correctos. 6. Realizar las siguientes medidas para los casos en que la LDR detecta oscuridad o luz: - Mide con el polímetro el valor eficaz de tensión en la puerta del TRIAC T 1 (V GL ). - Analiza con el osciloscopio la forma de onda de V L que hay en la bombilla que actúa como carga. Mide los valores eficaces y máximo de esta tensión. - Analiza con el osciloscopio la forma de onda de V T que hay entre los extremos del TRIAC. Mide el valor máximo de esta tensión. Está ese valor dentro de los parámetros de funcionamiento del TRIAC? - Determina el valor de corriente eficaz que pasa por el TRIAC (I T ) cuando este conduce y la bombilla se enciende. Está ese valor dentro de los parámetros de funcionamiento del TRIAC? - 7 -

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