INTRODUCCION: Los convertidores DC/AC conocidos también como inversores, son dispositivos electrónicos que permiten convertir energía eléctrica DC en alterna AC. En el desarrollo de esta sesión de laboratorio, se realizará el diseño y la implementación de un circuito convertidor DC/AC monofásico, basado en un oscilador de onda cuadrada con transistores BJT, además se utilizaran como elementos amplificadores de potencia transistores MOSFET y para elevar el voltaje se usará un transformador común alimentado por su secundario. OBJETIVOS: Establecer criterios para el diseño de osciladores. Establecer parámetros para el diseño de convertidores DC/AC Observar el funcionamiento experimental de los convertidores DC/AC mediante la implementación de un convertidor monofásico. ANTECEDENTES: Un convertidor DC/AC es un dispositivo electrónico que permite obtener energía eléctrica AC (Monofásica o de varias fases), a partir de una fuente de energía DC. Son conocidos comúnmente como inversores ya que convierten un voltaje de entrada de corriente continua en un voltaje simétrico de corriente alterna, cuya amplitud y frecuencia dependerán de la aplicación a la cual esté destinado: desde el control de potencia o velocidad por variación de frecuencia hasta la conversión de energía eléctrica proveniente de baterías o celdas fotovoltaicas en corriente alterna que pueda ser inyectada a la red según sus especificaciones. SEÑAL DC GENERACIÓN DE SEÑAL OSCILATORIA AMPLIFICACION EN POTENCIA ACONDICIONAMIENTO SALIDA AC CARGA REALIMENTACIÓN Figura 1. Estructura Básica de un Convertidor DC/AC. La Figura 1 muestra un esquema de la estructura general de un convertidor DC/AC, el cual consiste básicamente de un oscilador y un acondicionamiento de la señal tanto en voltaje como en armónicos, de acuerdo con este esquema los componentes principales son: Fuente de señal DC: Es la que entrega la electricidad de forma continua para ser convertida a alterna, además alimenta el circuito necesario para dicha conversión.
Generador de onda Oscilatoria: Es la parte fundamental del inversor ya que le da la forma a la señal de salida. Consiste de un oscilador que permite regenerar la una onda similar a una sinusoidal (En la práctica el uso de generadores sinusoidales es inusual debido a que esto obligaría al uso de amplificadores de potencia lineales, los cuales tienen una baja eficiencia y altas perdidas por calor en los dispositivos activos). Parten desde el más simple que consiste en la generación de una onda cuadrada simétrica hasta los más complejos que utilizan técnicas de modulación de ancho de pulso PWM con el fin de acentuar más la componente fundamental respecto a los armónicos. Amplificación En Potencia: Debido a que la salida de la mayoría de osciladores no maneja potencia, se utilizan amplificadores no lineales (o lineales pero son menos utilizados por ser poco eficientes) o sistemas de conmutación alternada de transistores bien sea MOSFET, BJT o en aplicaciones de alta potencia IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor). Acondicionamiento: Consiste en ajustar el voltaje de salida, comúnmente aumentarlo, para ello se usan transformadores elevadores o convertidores AC AC. También puede incluir etapas de pre y/o post filtrado de la señal de salida para reducir la cantidad de armónicos en la red. Realimentación: en inversores mas complejos, consiste en sistemas que censan la calidad de la señal de salida, observando primordialmente la amplitud y la frecuencia, y en algunos casos la cantidad de armónicos, con ello mediante el uso de actuadores ajustar dichas variables. Parámetros de Rendimiento: Son parámetros que indican la calidad del inversor. Potencia Máxima: Determina la carga máxima que puede ser colocada a la salida del inversor, esta determinada por el menor de la potencia máxima que puede ser entregado por: La fuente DC, la amplificación de potencia o la etapa de acondicionamiento. min,, Rendimiento en potencia: Es la relación entre la potencia de entrada DC y la potencia RMS en la carga: se mide con una carga resistiva dado que otro tipo de cargas presentan potencia activa y potencia reactiva. Distorsión Armónica Total: Mide en la salida AC, la relación que tiene la potencia de los armónicos respecto a la potencia fundamental, es un factor que mide la distorsión de una onda sinusoidal pura.! " # $ # # $ # & ' # )" &
P0 Amplitud P4 P5... Pn P1 P2 P3 Frecuencia Figura 2. Parámetros de Medida del THD. El circuito de la Figura 3 corresponde a un oscilador Astable es decir que no tiene ningún estado estable sino dos estados cuasi-estables entre los cuales conmuta, para el análisis de este circuito se consideran las siguientes situaciones: Figura 3. Oscilador de onda Cuadrada. Arranque en reposo: Suponiendo que C1 y C2 no tienen carga, al polarizar el circuito, en Condiciones ideales los transistores Q1 y Q2 entran al mismo tiempo en saturación, sin embargo dado que en la realidad, debido al propio proceso de fabricación y el grado de
impurezas del material semiconductor, los transistores no son idénticos. Uno de ellos empezará por saturarse antes que el otro. Carga y descarga de capacitores: asumiendo que Q2 es el que primero satura (entra en conducción), y omitiendo el voltaje de colector emisor de saturación * +,-./0 su colector estará próximo a los * +1" 0, por lo cual C2 comenzará a cargarse a través de la resistencia RB2. También C1 se estará cargando a través de la resistencia RC2 y la juntura B-E de Q2. Oscilación: Una vez el voltaje de C2 alcance el voltaje de polarización directa de la juntura base emisor * 3, del transistor Q1, hace que Q1 entre en saturación y por tanto el voltaje en su colector será casi 0 * +1" 0, Haciendo que: C1 se descargue haciendo que el transistor Q2 entre en corte y su voltaje de colector sea * +1# * ++ y C1 comenzará a cargarse a través de la resistencia RB1 hasta que su voltaje de carga sea * 3,. Este ciclo de carga y descarga se repiten indefinidamente, los tiempos en alto y en bajo en los colectores de los transistores estarán determinados por la relación RB1/C1 y RB2/C2, note que en el proceso, siempre va a quedar un voltaje de carga remanente en C1 y C2 igual a * 3, 4*55 con ello se puede determinar los tiempos para ello tomando como ejemplo la carga de C1: PREINFORME: Para el circuito de la Figura 3 determine los valores de C1, C2, RC1, RC2, RB1 y RB2 para tener en las salidas una onda cuadrada de 60 Hz, 5 V en alto y un ciclo de dureza del 50%, para ello tenga en cuenta lo siguiente: En este caso la corriente que pasa por RB1 es igual a la de C1 resultando la siguiente ecuación diferencial: Cuya solución está dada por: 8* +# -90 6 3# 7 # $* 89 +# -904* 0 5; * +# -00* 3, 4* * +# -90< -* 3, 4* ++ 04* = >//@ AB+ B C$* ++ Dado que se necesita saber el tiempo en el cual * +#-/0 * 3, * 3, < -* 3, 4* ++ 04* = >//@ AB+ B C$* ++ Despejando el tiempo: 946 3# 7 # ln< F AG>F F AG >#F C Asumiendo * ++ * 3, 96 3# 7 # ln-20
Dado que el circuito es simétrico, de la misma manera se puede hallar el tiempo de carga de C1, resultando en: 96 3# 7 # ln-20 Note que estos tiempos no son necesariamente iguales, por lo que en este circuito se podrán configurar varios ciclos de dureza, sin embargo si se desea que este ciclo sea del 50%, significa elegir los mismos elementos. Para el 50% la frecuencia de las señales de salida estará dada por: J 1 1 5; L1,2 26 3 7 ln-20 Para calcular RB, debe darle un valor al C, escoja un valor comercial entre 7nF y 22nF Además de lo anterior se deben encontrar las condiciones para RC1 y RC2 de tal manera que los transistores sí entren en saturación, para ello tenga en cuenta tomando como ejemplo la saturación de Q2: M 31# * ++4* 3, 6 3" M +1# * ++4* +,-./0 6 +" M +1# NM 31# Combinando lo anterior determine el valor de RC1 y RC2: N-* ++ 4* 3, 0 6 + O 6 3" * ++ 4* +,-./0 P >" 5; L1,2 N Es la ganancia de corriente DC para el transistor Q2n2222. Con los valores calculados, realice el montaje del circuito oscilador de la Figura 3 y establezca experimentalmente: El voltaje en alto y el voltaje en bajo El voltaje en bajo es completamente 0? Si no es así Por qué cree que la salida en bajo es un poco superior? El tiempo en alto y el tiempo en alto, El periodo y la frecuencia de la señal. Capture las graficas de salida en ambos Qué relación existe entre estas dos señales? INFORME - Registro de valores de variables de interés para comparación con las halladas teóricamente.
- Registro de los resultados de la simulación del circuito, obtenida para el preinforme, para las condiciones establecidas (onda cuadrada de 60 Hz, 5 V en alto y un ciclo de dureza del 50%,) - Respuesta a los interrogantes planeados. BONIFICACIÓN (Por fuera del horario d elaboratorio): Realice el montaje del circuito de la Figura 4, teniendo en cuenta los valores calculados de las resistencias, y ajustando el valor del trimmer de 5K al valor de la resistencia 6 QRS, dejando la salida en circuito abierto y observe experimentalmente: La relación de una de las salidas del oscilador y su salida correspondiente en la compuerta inversora Trigger Smith, qué pasa con los voltajes en alto y bajo? Observe el voltaje en la salida del transformador (conéctelo como elevador), y capture la transformada rápida de Fourier y determine la Distorsión Armónica Total en circuito abierto. Ajuste el valor del Reóstato al valor de la resistencia mínima Calculada, y mida la corriente en la entrada del circuito y determine su potencia, mida la corriente RMS en la salida y el voltaje RMS en la salida y determine la potencia de salida, con ello calcule la eficiencia de potencia y las pérdidas debidas al circuito. Determine el valor de la resistencia de referencia 6 QRS del circuito de la ilustración 4 para que la salida del transformador sea 120VRMS. Conociendo que el transformador es reductor y su secundario es 6VRMS, *T* @U 2 teniendo en cuenta que * QRS 1.25<1$ @ YZ[ @ \ C y que * @RS * en el secundario. Determine la potencia máxima de salida. Y con ella la mínima resistencia de carga.
Figura 4. Convertidor DC/AC.