FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Electrónica y Control Carrera de Ingeniería Eléctrica LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA 1. TEMA PRÁCTICA N 1 INTRODUCCION AL USO DE HARDWARE Y SOFTWARE PARA CIRCUITOS DE ELECTRONICA DE POTENCIA 2. OBJETIVOS 2.1. Conocer las características del software de programación de microcontroladores en la plataforma ARDUINO. 2.2. Conocer la importancia del aislamiento de las señales de control con el circuito de potencia. 2.3. Analizar las razones de la utilización de aislamiento entre las etapas de control y potencia. 3. MARCO TEÓRICO Durante el desarrollo del Laboratorio de Electrónica de Potencia, se hará uso de la plataforma ARDUINO, la cual permite implementar en un sistema microprocesado un conjunto de elementos con un fin específico. La bibliografía acerca del uso de ARDUINO es muy amplia en la web del fabricante: https://www.arduino.cc/ y también se pueden observar un sinnúmero de ejemplos en páginas especializadas en electrónica o distintos foros en internet. Para este curso, el objetivo será conocer las instrucciones básicas con las cuales se pueden generar señales de disparo par semiconductores de potencia y la adquisición de señales analógicas provenientes de potenciómetros, para variar el ancho de pulso en las señales de disparo.
La segunda parte de la presente práctica consiste en lograr que el estudiante desarrolle las habilidades necesarias para acoplar de una manera adecuada la etapa que contiene las señales de control con la etapa de potencia de un circuito. Para la generación de las señales de control se usará utilizará la plataforma ARDUINO, la cual permite implementar en un sistema microprocesado una lógica dada que genera señales encargadas de controlar los semiconductores (funcionando como interruptores de estado sólido) a usarse en un circuito electrónico que administra el flujo de potencia hacia una carga dada. Dichas señales de control deben ser debidamente aisladas de la etapa de potencia, ya que, de no ser así, frente a fluctuaciones no deseadas en la etapa de potencia, la etapa de control sufrirá daños que en el peor de los casos serán irreparables. Por lo tanto, se realizará una breve explicación sobre las definiciones básicas de señales de control y adquisición de señales analógicas para posteriormente, mostrar un ejemplo de cómo generar una señal PWM y cómo adquirir voltaje en los puertos de la plataforma ARDUINO (Figura 1). Figura 1. Plataforma ARDUINO UNO 3.1. Generación de señal PWM Una señal de modulación de ancho de pulso (Figura 2) o Pulse Width Modulation en inglés, es una señal periódica de tren de pulsos que a menudo se utiliza para el disparo de semiconductores de potencia.
Figura 2. Señal PWM El diseñador del circuito electrónico escogerá la amplitud y frecuencia que demande la aplicación en cuestión y lo más importante es que de acuerdo a la variación del tiempo en alto o duty cycle se pueden cambiar las condiciones de trabajo del circuito de potencia como por ejemplo: la velocidad en un motor o la intensidad de brillo en una lámpara incandescente. 3.2. Adquisición de señal analógica Una señal analógica es una señal eléctrica que cambia en un conjunto de valores a través del tiempo. Para este ejemplo, se generará la señal analógica a través de la conexión de un potenciómetro es una de las entradas analógicas del ARDUINO, el cual también provee la señal de 5V para que el potenciómetro pueda variar el voltaje a través de su terminal variable como se aprecia en la Figura 3: Figura 3. Conexión de un potenciómetro en ARDUINO
A continuación se muestra el código para la toma de datos de voltaje desde el potenciómetro a través del pin analógico 0 de ARDUINO y la visualización de este valor a través del cambio de la luminosidad de un LED conectado en el pin digital 9 con los comentarios respectivos en letras azules. Es importante que el LED se conecte en conjunto con una resistencia de 330Ω para limitar la corriente que entrega el pin del microcontrolador. int ledpin = 9; // Conexión del LED en el pin 9 int analogpin = 0; // Conexión del potenciómetro en el pin 0 int val = 0; // Variable en donde se guardará el valor analógico leído void setup() { pinmode(ledpin, OUTPUT); // Se configure el pin del LED como salida } void loop() { val = analogread(analogpin); // Lee el valor analógico del potenciómetro analogwrite(ledpin, val / 4); // Se escala el valor a un rango entre 0-255* } *El escalamiento se produce porque la lectura analógica se realiza a través de un registro de 10 bits que en equivalente decimal muestra un rango de operación de valores entre 0 y 1023. En cambio, el registro de escritura analógica posee solo 8 bits y su equivalente en sistema decimal son valores entre 0 y 255, por lo cual es necesario dividir el valor para 4 para que el valor del pin de la entrada pueda ser reflejado en el pin de salida. 3.3. Necesidad de Aislamiento Eléctrico y sus tipos Con mucha frecuencia existe la necesidad del aislamiento eléctrico entre las señales de control de nivel lógico y los circuitos excitadores (circuitos que se encargan de activar los semiconductores que están funcionando como interruptores) con el fin de precautelar el funcionamiento de la etapa de control frente a eventuales problemas en la etapa de potencia. Las señales de control de nivel lógico suelen determinarse en función de la tierra lógica, que está en el mismo potencial que el neutro de potencia, pues los circuitos lógicos están conectados al neutro por medio de un hilo de tierra de seguridad.
Las maneras básicas para proporcionar el aislamiento eléctrico son por medio de: optoacopladores, transformadores de pulsos y relés. 3.4. Circuitos excitadores aislador por optoacopladores El optoacoplador más sencillo consiste en un diodo emisor de luz (LED), y un transistor de salida. Una señal positiva de la lógica de control causa que el LED emita luz enfocada a la zona de base ópticamente sensible de un transistor fotosensible. La luz que cae en la zona de base causa que se encienda el transistor fotosensible. La salida del optoacoplador y sirve como entrada de control al circuito excitador aislado. La capacitancia entre el LED y la base del transistor receptor dentro del optoacoplador, debe ser lo más pequeña posible para evitar un disparo adicional tanto en el encendido como en el apagado del transistor de potencia debido al salto en el potencial entre el punto de referencia del emisor del transistor de potencia y la tierra de los elementos electrónicos de control. Para reducir este problema se deben usar optoacopladores con blindajes eléctricos entre el LED y el transistor receptor. Se usan cables de fibra óptica a fin de eliminar de tajo el problema de disparos adicionales y de proporcionar un aislamiento eléctrico. Cuando se usan cables de fibra óptica, el LED se mantiene en la tarjeta del circuito impreso de la electrónica de control, y la fibra óptica transmite la señal al transistor receptor que se coloca sobre la tarjeta impresa del circuito excitador. En este tipo de circuitos, el propio optoacoplador es la interconexión entre la salida del circuito de control y la entrada del circuito excitador aislado. El lado de entrada del optoacoplador se acopla directamente al circuito de control y el lado de salida del optoacoplador se acopla directamente al circuito excitador aislado. La topología del circuito excitador aislado entre la salida del optoacoplador y la terminal de control del interruptor de energía puede tener diferentes formas. También se pueden usar circuitos excitadores aislados por optoacopladores con TIRISTORES, MOSFET e IGBT de potencia [1].
Figura 4. Ejemplo del disparo de un BJT usando un optotransistor. Figura 5. Ejemplo del disparo de un MOSFET usando un optotransistor NOTA: Para altas frecuencias de conmutación se sugiere usar optonands. 3.5. Detección de cruces por cero usando un optoacoplador Los optoacopladores también pueden ser usados en circuitos de detección de cruces por cero de la red eléctrica. En la siguiente figura notar que los resistores de 10KΩ del lado izquierdo deben ser capaces de disipar 5 W. Figura 6. Circuito de detección de cruces por cero.
3.6. Circuitos excitadores aislados por transformadores de pulsos. La señal de control se acopla al circuito excitador eléctricamente aislado por medio de un transformador. Si la frecuencia de conmutación es alta (varias decenas de khz o más) y la relación de trabajo D varía sólo un poco alrededor de 0.5, se aplica una señal de control de banda base de magnitud correspondiente directamente al primario de un transformador relativamente pequeño y de peso ligero, y la salida secundaria se usa para excitar de modo directo al interruptor de energía o como entrada a un circuito excitador aislado. Conforme disminuye la frecuencia de conmutación por debajo del rango de decenas de khz una señal de control de banda base aplicada al primario del transformador deja de ser práctica porque el tamaño y peso del transformador aumentan cada vez más. La modulación de un portador de alta frecuencia por medio de una señal de control de baja frecuencia permite el uso de un pequeño transformador de pulsos de alta frecuencia incluso para señales de control de baja frecuencia. 4. TRABAJO PREPARATORIO 4.1. Leer, analizar y asimilar la información proporcionada en el marco teórico de la presente hoja guía. Se evaluarán mediante coloquio los tópicos allí tratados. 4.2. Consultar el procedimiento para compilar y cargar un programa en la plataforma ARDUINO. Enfatizar el procedimiento en cuanto a la elección de la plataforma de ARDUINO antes de la carga del programa a través de capturas de pantalla. 4.3. Dibujar la forma de onda esperada en el terminal Detection signal, Hacia el uc en la señal de detección de la Figura 6 Circuito de Detección de cruces por cero. La forma de onda requerida deberá estar superpuesta en un período de la señal sinusoidal correspondiente al voltaje de la red eléctrica. 4.4. Traer implementado el circuito de la Figura 6. 4.5. Traer armado el circuito de la Figura 7, usando el optotransistor 4N25 y como señal de control se usará la señal generada mediante Arduino en uno de sus pines. La fuente que alimenta la salida del optoacoplador tiene una referencia diferente de la
alimentación de Arduino. Es importante notar que la salida del circuito de la Figura 7 únicamente nos permite observar la señal de control aislada, mas no realizar el disparo de un semiconductor de potencia, la forma de disparo depende del semiconductor ver Figuras 4 y 5, cuando se trate de alimentar el circuito de disparo a la salida del optoacoplador se pueden utilizar +12V las fuentes disponibles en el laboratorio. Figura 7. Circuito de aislamiento de una señal de control. 5. EQUIPO Y MATERIALES Computador con el software de programación en microcontroladores, ARDUINO. Placa de ARDUINO Fuentes de poder. Osciloscopio Puntas de prueba de Voltaje 1 led 1 optotransistor Juego de resistencias de diferentes valores NOTA: Cada grupo debe traer las puntas de prueba para el osciloscopio con terminales lagarto y la placa de ARDUINO. 6. PROCEDIMIENTO 6.1. Se realizará a implementación de un programa base que se usará a lo largo de las prácticas de Electrónica de Potencia en el entorno de programación de ARDUINO. El instructor explicará cómo realizar el programa y el objetivo de implementar cada línea de código.
6.2. Se procederá a poner en funcionamiento el circuito implementado de detección de cruce por cero y se capturará mediante el osciloscopio la forma de onda correspondiente a la señal de detección tomando en cuenta que, de estar funcionando correctamente el circuito, el valor de la frecuencia de ésta señal debe ser 60 Hz. 6.3. Se procederá a poner en funcionamiento el circuito de aislamiento de una señal de control usando una señal PWM generada en la plataforma Arduino mediante un optotransistor 4N25. Se capturará mediante el uso del osciloscopio primero la señal de control directamente desde el pin de Arduino y luego (NO SIMULTÁNEAMENTE porque las referencias son distintas) la señal de control aislada mediante el optotransistor.. 7. INFORME 7.1. Consultar y presentar el esquemático del circuito de disparo para un SCR mediante el uso de un optotriac. 7.2. Consultar y presentar el esquemático del circuito de disparo para un TRIAC mediante el uso de un optotriac. 7.3. Presentar las formas de onda obtenidas para el circuito de detección de cruces por cero y comentar la razón por la cuál describe esa forma y frecuencia. 7.4. Presentar las formas de onda obtenidas para el circuito de aislamiento con optotransistor y comentar las razones (mínimo 3) por las cuales es recomendable aislar la etapa de control de la etapa de potencia. 7.5. Consultar la razón por la cual se recomienda usar optonands para aislar señales de control que cambian de estado a frecuencias elevadas. Consultar además un circuito de aislamiento de una señal de control usando un optoacoplador optonand para el disparo de un Mosfet o IGBT. 7.6. Mediante el uso de Arduino generar en uno de sus pines una señal PWM de frecuencia 490 Hz con una relación de trabajo que vaya de 0.1 a 0.9. 7.7. Realizar el esquema de conexiones en ARDUINO (se sugiere usar el programa Fritzing para el esquema) y la programación para una señal PWM de frecuencia fija
(consultar e indicar mediante comentario en el programa el valor de la frecuencia del PWM generada), la señal deberá tener ancho de pulso variable en los rangos especificados a continuación. Para la variación del ancho de pulso usar un potenciómetro y mediante software acotar los valores de ancho de pulso (Se sugiere consultar y usar la función If). Tomar en cuenta las consideraciones que se expresan en la Tabla 1: Tabla 1. Requerimientos para la elaboración del informe Grupo Pin de Entrada analógica Ancho de pulso Pin de Salida PWM GR1 0 0.2 0.8 5 GR2 1 0.3 0.7 10 GR3 2 0.1 0.9 11 GR4 3 0.2 0.6 3 GR5 4 0.1 0.7 6 GR7 5 0.2 0.9 3 GR8 0 0.1 0.8 10 GR9 1 0.2 0.7 9 GR10 2 0.3 0.9 11 GR11 3 0.2 0.8 5 Realizar un diagrama de flujo en el cual se evidencie el funcionamiento del programa y traer el circuito implementado para que sea revisado en la siguiente sesión de laboratorio. 7.8. Conclusiones y recomendaciones. 7.9. Referencias. 8. REFERENCIAS [1] Electrónica de Potencia, Mohan, 3ra edición. Elaborado por: Revisado por: Ing. Nataly Pozo Viera, M.Sc. Dr. Alberto Sanchez / Dr.-Ing. Marcelo Pozo