La instrumentación virtual en el estudio de la electrónica Aurelio Beltrán Telles Miguel Eduardo González Elías Claudia Reyes Rivas Rafael Villela Varela Alejandro Chacón Ruíz Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica Universidad Autónoma de Zacatecas E mail: atellesz@yahoo.com.mx Resumen Se estableció el funcionamiento de dispositivos electrónicos de potencia, como los rectificadores controlados de silicio (SCR), transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) y transistores efecto de campo MOSFET, con el propósito de desarrollar Inversores, Troceadores y Convertidores de Corriente Directa CD CD, empleados en el control de velocidad de motores industriales de corriente directa y alterna. Mediante el análisis de los componentes y el uso de los programas como el Orcad PSpice y el de Instrumentación virtual LabView de National Instruments, se dispone de la herramienta virtual necesaria para el estudio de la electrónica en la Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica. La propuesta consiste en la presentación de una serie de prácticas encaminadas a mejorar el proceso de enseñanza aprendizaje, haciendo uso de las herramientas disponibles en el laboratorio. En la actualidad, el Laboratorio de Electrónica y Circuitos cuenta con seis módulos de trabajo NI ELVIS, el Software de LabView y herramientas como la simulación de circuitos en el programa Pspice Orcad, lo que permite al alumno familiarizarse con las tarjetas de adquisición de datos DAQ, reafirmar el conocimiento obtenido en clase, y prepararse para otros cursos más avanzados. Estos experimentos complementan las actividades realizadas en los laboratorios de control automático, robótica y comunicaciones, donde se 1
cuenta con los módulos de National Instruments Educational Laboratory Virtual Statement, empleados en las prácticas y en el desarrollo de proyectos. Palabras clave: Instrumentación Virtual, NI ELVIS, Simulación, DAQ, PSpice. Introducción Con el fin de mejorar el proceso a través del cual los estudiantes aplican el conocimiento teórico a tareas prácticas, se compraron equipos de adquisición de datos para los laboratorios. Hoy se cuenta con seis Módulos NI ELVIS (Educational Laboratory Virtual Statement) de la Compañía National Instruments, figura 1. Estos equipos cuentan con una computadora y software de LabView, con tarjeta de adquisición de datos PCI MIO 16E 1 y con el módulo ELVIS; gracias a ellos, doce alumnos realizan su práctica al mismo tiempo. Figura 1. Módulo NI ELVIS. El procedimiento de la práctica consta de cuatro pasos: se analiza el circuito, haciendo el cálculo de las condiciones de operación y de las variables 2
involucradas; se hace la simulación del circuito en PSpice; se establecen los valores de las variables de interés y, finalmente, se arma el circuito en el laboratorio y se miden las variables para compararlas entre los diferentes resultados. Pero al momento de armar los circuitos en el PROTO, son comunes los errores, ya sea porque los componentes están en mal estado o por fallas humanas, pero a fin de corregirlos, de familiarizar al alumno con la herramienta [1] y de lograr mayor precisión en los resultados, se utiliza la tarjeta de adquisición de datos y se programa la obtención de las variables de interés en LabView. Desarrollo A fin mostrar el modo en que trabaja la tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ) y el programa LabView, se ilustra una de las prácticas llevadas a cabo en el laboratorio de electrónica, donde se pretende determinar la curva característica del diodo rectificador 1N4001. CHAO0+ 0Vdc V1 R1 1k CHAI0+ CHAI0-0Vdc V1 R1 1k CHAI1+ D1 I D1N4001 CHAI1- CHAO0- D1 D1N4001 0 0 Figura 2. Circuito utilizado en las pruebas con los programas LabView y Orcad. 3
El proceso práctico consiste en establecer varios puntos (valores) de voltaje del diodo VD y corriente en el diodo ID al variar la fuente de tensión, como se indica en la figura 2. Después de graficarse los valores en un plano cartesiano (VD, ID), se tiene la respuesta del diodo tanto de polarización en sentido directo, como inverso [2]. Al utilizar el software de simulación se obtiene la gráfica (VD, ID) del dispositivo, herramienta cuyo procedimiento es el mismo que el que se sigue en la práctica; el análisis DCSweep simula la variación del voltaje aplicado al circuito, al indicar el valor inicial, final y su incremento. Este programa facilita el estudio de los resultados y su guardado con un margen de error mínimo, para después estudiarlos y compararlos con los resultados de la simulación, o bien, para conocer el procedimiento completo [2][3]. Por medio de la herramienta de simulación se diseñó un programa que genera el voltaje aplicado al circuito por incrementos, utilizando las salidas de la tarjeta de adquisición de datos y el módulo NI ELVIS para comunicarse con el circuito y hacer la medición de las variables deseadas (VD, ID), ver figura 3. Figura 3. Programas de Orcad y LabView para la variación de los incrementos de voltaje aplicados al circuito que se analiza. Después se realizó el programa a partir del cual se obtiene la gráfica de la curva característica del diodo, se guarda los datos, se tienen los valores de 4
voltaje inicial, final y número de incrementos deseados, y cuyo panel frontal es el que utiliza el usuario, según aparece en la figura 4. Figura 4. Panel frontal del programa trazador de curva característica del diodo en LabView. En la figura 4, se aprecia que el usuario tiene las opciones de: dar los valores de voltaje inicial, final y número de puntos deseados, así como elegir entre la curva de polarización directa o inversa. Al final, si los datos son los esperados, se capturan, lo cual se observa en el instrumento virtual del lado derecho, indicado como osciloscopio y se elige la opción guardar datos Resultados En la primera práctica de la materia de electrónica se observó entre los alumnos un mayor dominio del conocimiento, un buen empleo en la instrumentación virtual [1],[2],[3], [4] y un mayor interés por el funcionamiento del equipo y la programación del mismo. También se realiza la programación de otros experimentos con los que se renovaría el laboratorio de electrónica. En la figura 5, se muestran las gráficas de los resultados prácticos y de los simulados, y la comparación de los resultados se muestra en la tabla 1. 5
Figura 5. Resultados prácticos obtenidos utilizando LabView y los simulados con Orcad PSpice. Tabla 1. Resultados obtenidos utilizando LabView y Orcad PSpice LABVIEW ORCAD PSPICE V(CIRCUITO) (V) V(DIODO) (V) I(DIODO) (A) V(DIODO) (V) I(DIODO) (A) 0 0.005 0 2.27E-20 8.11E-16 0.526 0.449 0 4.45E-01 8.1709E-05 1.053 0.537 0.001 5.39E-01 5.14E-04 1.579 0.571 0.001 5.73E-01 1.01E-03 2.105 0.591 0.002 5.94E-01 1.51E-03 2.632 0.605 0.002 6.09E-01 2.02E-03 3.158 0.615 0.003 6.21E-01 2.54E-03 3.684 0.625 0.003 6.31E-01 3.06E-03 4.211 0.635 0.004 6.39E-01 3.57E-03 4.737 0.64 0.004 6.46E-01 4.09E-03 5.263 0.645 0.005 6.52E-01 4.61E-03 5.789 0.649 0.005 6.57E-01 5.13E-03 6.316 0.654 0.006 6.62E-01 5.65E-03 6.842 0.659 0.006 6.67E-01 6.18E-03 7.368 0.664 0.007 6.71E-01 6.70E-03 7.895 0.669 0.007 6.75E-01 7.22E-03 8.421 0.669 0.008 6.78E-01 7.74E-03 8.947 0.674 0.008 6.82E-01 8.27E-03 9.474 0.679 0.009 6.85E-01 8.79E-03 10 0.679 0.009 6.88E-01 9.31E-03 6
Conclusiones Para concluir se compararon los resultados obtenidos entre la Instrumentación Virtual y los de la simulación, no se encontraron diferencias a considerar. Asimismo el disponer de la instrumentación virtual en la enseñanza de la electrónica y circuitos permite: Tener el equipo necesario para experimentar con circuitos en un solo módulo, con una computadora, una tarjeta de adquisición de datos y el módulo NI ELVIS. Simular el comportamiento del circuito, analizar los resultados y compararlos con los reales, obtenidos a partir del cálculo teórico y de la instrumentación virtual, son herramientas importantes dentro de la adquisición del conocimiento. Incrementar las habilidades de los estudiantes para lograr una óptima inserción en el proceso productivo, donde día con día se hace uso de la tecnología. 7
Bibliografía [1] SHIELDS Tracy Practical teaching ideas with multisim 10, 7 th Enlarged Edition National Instruments, 2007. [2] KNOBLICH Ingo and Philipp Krauss, National Istruments Munich, Germany Add some SPICE to distance and blended learning, Rev 2007 www.rev conference.org [3] SIRINTERLIKCI Arif Integration of virtual instrumentation into a compressed electricity and electronic curriculum, Proceedings of the 2005 American Society for Engineering Educational Annual Conference & Exposition Copyright, American Society for Engineering Education. [4] TRZYNADLOWSKI Andrzej M., Introduction to modern power electronics, A Wiley Interscience publication, John Wiley & Sons, Inc. 1998. 8