Instituto Politecnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniera Mecanica yElectrica

Electronica de Potencia I

Pulsos Sincronizados con Lineade Alimentacion

Alumnos:Ulisses Hernandez B.U. Alejandro Velazquez B.J. Daniel Cedillo R.

ProfesorM. Dario Sanchez R.

6 de mayo de 2015

Indice general

0.1. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

0.2.1. Antecedentes de la Electronica de Potencia . . . . . . . 20.2.2. Rectificadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.2.3. Comparadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40.2.4. Filtros RC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60.2.5. Integrado 555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

0.3. Desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90.3.1. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90.3.2. Simulacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100.3.3. Circuito Impreso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

0.4. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140.5. Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

0.1. Resumen

El presente trabajo se muestra como fue el proceso de diseno y contruccionde un circuito electronico que con ciertas caractersticas, se conecta a la lneade alimentacion y a su salida se obtiene un pulso con cierta duracion y lacapacidad de moverlo entre el perodo de la linea de alimentacion en este caso160

Hz, se utilizo una onda rectificada completamente como punto de partida,si contemplamos la onda alterna que llega de la linea de alimentacion, setendran un periodo de 2pi, uno de los requisitos para el diseno fue que de 0 api apareciera un pulso y de pi a 2pi otro pulso, este ultmo capaz de desaparecer,ademas de moverlo en su respectivo periodo. Esto se puede ver un poco masintuitivo si se piensa en la onda completamente rectificada. En la seccionde Introduccion se contemplan las bases del diseno, los materiales que y eltipo de integrados que se utilizaron, en la seccion de Desarrollo se describe adetalle los pasos que se siguieron para llegar al diseno final del circuito, en laconcluciones, se redacta los puntos en los que se tuvo alguna dificultad y porque fue mejor emplear las algunas tecnicas digitales que otras, y en la seccion

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de bibliografa se dan a los lectores las fuentes utilizadas para entender losdispositivos que se usaron.

0.2. Introduccion

0.2.1. Antecedentes de la Electronica de Potencia

Cada vez son mas los dispositivos y sistemas que en una o varias de susetapas son accionados por energa electrica. Los accionamientos consisten,en general, en procesos que transforman la energa electrica en otro tipo deenerga, o en el mismo tipo, pero con diferentes caractersticas. Los encar-gados de realizar dichos procesos son los Sistemas de Potencia. Un equipoelectronico de potencia consta fundamentalmente de dos partes, tal y comose simboliza en la figura 1:

Figura 1: Diagrama a bloques de un dispositivo electronico de potencia.

Un circuito de Potencia, compuesto de semiconductores de potencia yelementos pasivos, que liga la fuente primaria de alimentacion con la carga.Un circuito de mando, que elabora la informacion proporcionada por el cir-cuito de potencia y genera unas senales de excitacion que determinan laconduccion de los semiconductores controlados con una fase y secuencia con-veniente.Antes de pasar al estudio de la electronica de potencia, interesa resaltar suprincipal caracterstica, mostrar sus particularidades y situar el campo deaplicacion. En la Electronica de Senal se vara la cada de tension que uncomponente activo crea en un circuito habitualmente alimentado en conti-nua. Esta variacion permite, a partir de una informacion de entrada, obtenerotra de salida modificada o amplificada. Lo que interesa es la relacion entrelas senales de entrada y salida, examinando posteriormente la potencia su-ministrada por la fuente auxiliar que requiere para su funcionamiento.

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La funcion de base es la amplificacion y la principal caracterstica es la ga-nancia. En la Electronica de Potencia, el concepto principal es el rendimiento.El elemento de base no puede trabajar en regimen de amplificacion pues lasperdidas seran elevadas, es necesario trabajar en regimen de conmutacion,siendo el componente de base el semiconductor quien trabaja como interrup-tor.Por tanto, la Electronica de Potencia se ha introducido de lleno en la in-dustria en aplicaciones tales como las fuentes de alimentacion, cargadores debateras, control de temperatura, variadores de velocidad de motores, etc. Esla Electronica Industrial quien estudia la adaptacion de sistemas electronicosde potencia a procesos industriales, siendo un sistema electronico de potenciaaquel circuito electronico que se encarga de controlar un proceso industrial,donde interviene un transvase y procesamiento de energa electrica entre laentrada y la carga, estando formado por varios convertidores, transductoresy sistemas de control, los cuales siguen hoy en da evolucionando y creciendoconstantemente.

0.2.2. Rectificadores

En el diseno del circuito generador de pulsos cincronizado con la lneade alimentacion primero se tuvo que hacer un analisis de las teorias de losrectificadores de onda completa, para generar el pulso que iremos detallandocomo se logro obtener, a continuacion se tiene un analisis de la base teoricade rectificadores de onda completa.

Onda completa

Un rectificador de onda completa es un circuito empleado para convertiruna senal de corriente alterna de entrada (Vi) en corriente continua de salida(Vo) pulsante. A diferencia del rectificador de media onda, en este caso, laparte negativa de la senal se convierte en positiva o bien la parte positivade la senal se convertira en negativa, segun se necesite una senal positiva onegativa de corriente continua.En este caso se emplean cuatro diodos con la disposicion de la figura 2. Aligual que antes, solo son posibles dos estados de conduccion, o bien los diodos1 y 3 estan en directa y conducen (tension positiva) o por el contrario son losdiodos 2 y 4 los que se encuentran en directa y conducen (tension negativa).A diferencia del caso anterior, ahora la tension maxima de salida es la delsecundario del transformador (el doble de la del caso anterior), la misma quehan de soportar los diodos en inversa, al igual que en el rectificador con dosdiodos. Esta es la configuracion usualmente empleada para la obtencion de

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onda continua.

Figura 2: Circuito Rectificador de Onda Completa

Apartir de la figura dos podemos hacer el analsis matematico para obtenerlas expresiones que gobiernan a este puente de diodos, haciendo el analisisapartir del transformador secundario tenemos que la senal f(t) es:

f(t) =

{V psen(t) si 0 < t < piV psen(t) si pi < t < 2pi (1)

de esta definicion podemos obterner voltaje pico, y voltaje rms, se omitira yaque no es el proposito de este documento, sinembargo a continuacion se tienenlas soluciones.

V0 =2vp

pi(2)

Vrms =Vp

2(3)

0.2.3. Comparadores

Un comparador es un circuito analogico que monitorea dos entradas devoltaje. Uno es llamado voltaje de referencia (Vref) y el otro voltaje de en-trada (Vin). Cuando Vin se incrementa por encima o se reduce por debajode Vref, la salida (Vout) del comparador cambia de estado entre bajo y alto.Algunos circuitos integrados (como el IC-339, IC-311 etc.) se han disenadoespecficamente como comparadores otros como el IC-741 aunque son en reali-dad amplificadores operacionales pueden ser usados como comparadores. Es-tos chips (generalmente con 8 patas) tienen una entrada para Vref, otra paraVin, una de salida Vout, una para el voltaje de alimentacion (Vcc) y otra deTierra.La figura 3 es un diagrama de como conectar un circuito integrado del tipoIC-741 como comparador.

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Figura 3: Comparador con el IC-741

Como puede observarse el voltaje de alimentacion se conecta a la patanumero 7 y la 4 a tierra. Las patas 2 y 3 son las patas de entrada de losvoltajes a comparar, y el voltaje de salida se obtiene por la pata 6.En este caso cuando Vin exceda a Vref la salida pasa de alto voltaje (casiVcc) a bajo voltaje (pequeno remanente de voltaje), no exactamente o voltios.Por tal motivo se habla de los estados alto y bajo. En la figura 4 apareceun circuito practico de un comparador de voltaje que se utiliza para apagary encender un Led indicador. las ecuaciones que gobiernan a el comparadorson de pendiendo del tipo de red de polarizacion que se tenga.

Figura 4: Comparador Practico

Construyendo este simple circuito se puede aprender lo basico de un com-parador. R1 y R2 funcionan como divisores de voltaje los que suministranun rango de voltaje a ambas entradas del IC-741 (Vref y Vin). El transistorQ1 establece corriente al Led cuando la salida del IC-741 pasa a alta. Si asu-mimos que R1 esta calibrado al centro entonces dara 4.5v como Vref, luegomoviendo R2 (Vin) podemos apagar y encender el Led de acuerdo a que seamayor o menos que Vref.

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0.2.4. Filtros RC

En un circuito RC en serie la corriente (corriente alterna) que pasa por laresistor y por el capacitor es la misma El voltaje entregado VS es igual a lasuma fasorial de la cada de voltaje en el resistor (Vr) y de la ca`da de voltajeen el capacitor (Vc). Ver la siguiente formula: Vs = Vr + Vc (suma fasorial).Circuito RC serie en corriente alterna, esto significa que cuando la corrienteesta en su punto mas alto (corriente pico), sera as tanto en el resistor comoen el capacitor. pero algo diferente pasa con los voltajes. En el resistor, elvoltaje y la corriente estan en fase (sus valores maximos y mnimos coincidenen el tiempo). Pero el voltaje en el capacitor no es as.

Como el capacitor se opone a cambios bruscos de voltaje, el voltaje enel capacitor esta retrasado con respecto a la corriente que pasa por el. (elvalor maximo de voltaje en el capacitor sucede despues del valor maximo decorriente en 90o). Estos 90o equivalen a 1

4de la longitud de onda dada por

la frecuencia de la corriente que esta pasando por el circuito. El voltaje totalque alimenta el circuito RC en serie es igual a la suma fasorial del voltaje enel resistor y el voltaje en el capacitor. Este voltaje tiene un angulo de desfase(causado por el capacitor) y se obtiene con ayuda de las siguientes formulas:

Vs =V R2 + V C2 (4)

= cotgV CV R

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0.2.5. Integrado 555

El temporizador IC 555 es un circuito integrado (chip) que se utiliza enuna variedad de aplicaciones y se aplica en la generacion de pulsos y deoscilaciones. El 555 puede ser utilizado para proporcionar retardos de tiem-po, como un oscilador, y como un circuito integrado flip-flop. Sus derivadosproporcionan hasta cuatro circuitos de sincronizacion en un solo paquete.Introducido en 1971 por Signetics, el 555 sigue siendo de uso generalizadodebido a su facilidad de uso, precio bajo y la estabilidad. Lo fabrican muchasempresas en bipolares y tambien en CMOS de baja potencia. A partir de2003, se estimaba que mil millones de unidades se fabricaban cada ano. Enla figura 5 se tiene un esquema del IC-555.

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Figura 5: IC-555

GND (normalmente la 1): es el polo negativo de la alimentacion, general-mente tierra (masa).Disparo (normalmente la 2): Es donde se establece el inicio del tiempo deretardo si el 555 es configurado como monoestable. Este proceso de disparoocurre cuando esta patilla tiene menos de 1/3 del voltaje de alimentacion.Este pulso debe ser de corta duracion, pues si se mantiene bajo por muchotiempo la salida se quedara en alto hasta que la entrada de disparo pase aalto otra vez.Salida (normalmente la 3): Aqu veremos el resultado de la operacion deltemporizador, ya sea que este conectado como monoestable, estable u otro.Cuando la salida es alta, el voltaje sera el voltaje de alimentacion (Vcc) me-nos 1.7 V. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la ayudade la patilla de reinicio (normalmente la 4).Reinicio (normalmente la 4): Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios,pone la patilla de salida a nivel bajo. Si por algun motivo esta patilla no seutiliza hay que conectarla a alimentacion para evitar que el temporizador sereinicie.Control de voltaje (normalmente la 5): Cuando el temporizador se utilizaen el modo de controlador de voltaje, el voltaje en esta patilla puede variarcasi desde Vcc (en la practica como Vcc -1.7 V) hasta casi 0 V (aprox. 2V menos). As es posible modificar los tiempos. Puede tambien configurarsepara, por ejemplo, generar pulsos en rampa.Umbral (normalmente la 6): Es una entrada a un comparador interno que seutiliza para poner la salida a nivel bajo.Descarga (normalmente la 7): Utilizado para descargar con efectividad elcondensador externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento.Voltaje de alimentacion (VCC) (normalmente la 8): es la patilla donde seconecta el voltaje de alimentacion que va de 4.5 V hasta 16 V.

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Modo Astable

Este tipo de funcionamiento se caracteriza por una salida con forma deonda cuadrada (o rectangular) continua de ancho predefinido por el disenadordel circuito. El esquema de conexion es el que se muestra. La senal de salidatiene un nivel alto por un tiempo t1 y un nivel bajo por un tiempo t2. Laduracion de estos tiempos dependen de los valores de R1, R2 y C, segun laformula siguiente:

t1 = ln 2(R1 +R2)C (6)

Como se observa en la figura 6 la configuracion es relativamente facil paraobtener una modo astable en el IC-555. Tambien decir que si lo que queremoses un generador con frecuencia variable, debemos variar la capacidad delcondensador, ya que si el cambio lo hacemos mediante los resistores R1 y/oR2, tambien cambia el ciclo de trabajo o ancho de pulso (D) de la senal desalida segun la siguiente expresion:

D =R1 +R2R1R2

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Figura 6: Esquema de la aplicacion de multivibrador astable del 555

Modo Monoestable

En este caso el circuito entrega un solo pulso de un ancho establecido porel disenador. El esquema de conexion es el que se muestra. La formula paracalcular el tiempo de duracion (tiempo en el que la salida esta en nivel alto)es:

t1 = ln 3RC (8)

La configuracion tipica se ve en la siguiente figura.

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Figura 7: Esquema de la aplicacion de multivibrador monoestable del 555

0.3. Desarrollo

En esta seccion se desarrollan los pasos que seguimos para obtener unpulso a la salida de un circuito electronico conectado a la linea de alimen-tacon, este desarrollo, consiste del analisis de la simulacion, y las evidenciasdel circuito impreso que dan fe de que el circuito que se simulo funciona sinmayor problema, sin detalles tan tecnicos se narra las formas de onda y laforma de trabajar los integrados utilizados, sin mencionar lo que las redesRC le hacen a las senales que se obtienen de esos integrados.A continuacion se ennumera los materiales:

0.3.1. Materiales

Transformador 12 volts a 2A

2 Puentes Rectificadores

1 Switch 1 polo dos tiros

1 LM339 Cmparador

2 IC-555

3 Diodos 1N4004

1 Potenciometro de 1M

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1 Potenciometro de 10k

4 Resistencias de 10k

1 Capacitor de 1000uF

2 Capacitores de 1nF

3 Capacitores de 10nF

1 Capacitor de 0.47uF

1 Resistencia de 1M

1 Resistencia de 1k

0.3.2. Simulacion

Fue un fundamental apoyo la parte de simulacion, e la siguiente figurase puede ver la etapa de rectificacion la cual a su salida se tiene la ondarectificada.

Figura 8: Simulacion de la Etapa de Rectificacion

A la entrada no inversora del comparador llega la onda rectificada, elpotenciometro actua para obtener un nivel de voltaje de 0 a Vcc esto es paraque cuando el nivel de referencia de la entrada inversora sea 0 la comparacionqueda fuera de rango por 0.7 votls del los diodos, sinembrago al aumentar elvalor del potenciometro, cada vez que la onda cruze por el nivel de referencia,ahora mas alto se genera a la salida una onda rectangular, la cual se puedecambiar el ciclo util gracias a lo anterior, se esquematiza esto en la siguientefigura.

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Figura 9: Simulacion de la Etapa de Rectificacion

En la siguiente figura se puede ver que los pulsos del que salen del com-parador (con la frecuencia de oscilacion de la lnea de alimentacion) entra auna red RC la cual actua como filtro y por el diodo recorta, la senal positi-va, a la salida del puerto se tienen espigas, las espigas son generadas por lacarga y descarga del capacitor, ya que se carga y descarga rapido, solo se venespeigas que salen de el

Figura 10: Red RC

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Estas espigas son las causantes de activar a la frecuencia deseada(lnea dealimentacion) al IC-555 el cual tiene una red de polarizacion, o configuracionen modo monoestable, si nos damos cuenta el potenciometro en entre lospines 7 y Vcc es el responsable de que carge y descarge el capacitor, esto de-pendiendo de la caida de voltaje que provoca el potenciometro, la frecuenciade ocilacion sera meyor o menor, pero todo esto dentro del rango del pulsoque activa a ese 555(el primero)

Figura 11: Espigas que activan al primer 555

El segundo 555 es tambien activado por espigas provenientes del primer555 modo monoestable y este tiene la funcion de generar solo un pulso deduracion de de 1us el cual recorre un camino controlado por el primer timerque es de 0 a pi y de pi a 2pi.

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Figura 12: Espigas que activan al primer 555

En la siguiente figura se ve el circuito completo del generador de pulsossincronizados a la lnea de alimentacion.

Figura 13: Circuito generador de pulsos sinronizados en simulacion con Proteus

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0.3.3. Circuito Impreso

A continuacion se muestra la el circuito impreso hecho en proteus listopara imprimir en papel couche y hacer el planchado.

Figura 14: Circuito Impreso

0.4. Conclusiones

Es un circuito con el cual se tuvo varios problemas ya que una vez quefunciono correctamente en la protoboard, al pasarlo a PCB este tuvo un malfuncionamiento y se quemaron varios componentes, sin embargo se pudo vis-lumbrar el problema, el cual fue una pequena resistencia que no polarizababien al 555. Este fue uno de los mayores problemas que se tuvieron a la horade terminar el circuito impreso.Para el diseno de este circuito se trato con varios amplificadores y compa-radores para poder obtener un solo pulso, sin embargo, al recordar cursosanteriores nos dimos cuenta que ya habia un modo en el 555 que proporcio-naba un pulso, el modo monoestable, solo habia que sincronizarlo con la lneade alimentacion lo cual fue algo facil ya que se tuvo la idea de que solamentese debia obtener un pulso que estuviera a la misma frecuencia que la lnea dealimentacion lo cual lo hicimos con un comparador, creemos que esto due lomas ideal ya que se tenia que acondicionar la senal para que entrara a activarel primer 555.

0.5. Bibliografa

http://www.iuma.ulpgc.es/~roberto/asignaturas/EI/transparencias/EI_Tema_2.Intro_EP.pdf

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http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema4/Paginas/Pagina5.htm

http://unicrom.com/Tut_circuitoRC.asp

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