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FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Carrera de Ingeniería Electrónica y Control Carrera de Ingeniería Eléctrica
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
PRÁCTICA N°11. TEMA
USO DE SOFTWARE DE SIMULACIÓN PARA CIRCUITOS DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
2. OBJETIVOS
2.1. Conocer la utilización del software de simulación para Electrónica de Potencia
2.2. 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 del
paquete PSPICE, la cual permite simular circuitos aplicados a Electrónica de Potencia
para analizar y probar un diseño antes de que sea construido. Esto ayudará al
diseñador a conocer si el diseño está bien realizado o no, para, de ser el caso
rediseñar hasta obtener los resultados esperados, luego de lo cual se puede
comenzar con la producción.
El objetivo general es simular circuitos de disparo y conversores estáticos de potencia
tales como rectificadores, conversores AC-AC, conversores DC-DC, inversores
mediante el paquete de simulación PSPICE, el mismo que en el futuro podrá ser
utilizado para para el diseño de los circuitos impresos.
Período: 2019A| http://ciecfie.epn.edu.ec/wss/VirtualDirectories/80/Enlaces/LABORA.htm
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3.1. Generación de señal PWM
Una señal de modulación de ancho de pulso (Figura 1) 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 1. 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 de la
relación de trabajo (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.
En la Figura 2 se indica un circuito generador PWM.
Figura 2 Circuito Modulador por Ancho de Pulso (PWM)
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3.2. 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.
3.3. 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 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
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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 3. Ejemplo del disparo de un BJT usando un optotransistor.
Figura 4. Ejemplo del disparo de un MOSFET usando un optotransistor
NOTA: Para altas frecuencias de conmutación se sugiere usar optonands.
3.4. 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.
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Figura 5. Circuito de detección de cruces por cero.
3.5. 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. Durante el desarrollo de la práctica se evaluarán los tópicos
allí tratados.
4.2. Consultar y presentar las características relevantes de los diodos 1N4002 y el
optotransistor 4N15.
4.3. Consultar y presentar el principio de funcionamiento del circuito integrado 555
funcionando como generador de pulsos aestable.
4.4. Dibujar la forma de onda esperada en la señal de detección (salida del
optotransistor) de la Figura 5 “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 entrada de la red eléctrica.
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4.5. Diseñar el circuito generador PWM de la Figura 2 utilizando el circuito integrado
LF347H. La señal de referencia (variable de 0 a 15 Vdc). La frecuencia de
operación variará entre 100 Hz y 1 KHz y la relación de trabajo variará entre 0.1 y
1 (Los valores de las resistencias y capacitores deben ser valores estándar)
4.6. Diseñar un circuito generador PWM de ancho variable entre 0 y 8.33 mseg
utilizando el circuito integrado 555. El circuito debe ser sincronizado con la red de
alimentación. Utilizar un diodo zener de 15 voltios para generar la fuente de
polarización.
5. EQUIPO Y MATERIALES
Computador con el software de simulación PSpice
6. PROCEDIMIENTO
6.1. Se procederá a poner en funcionamiento la simulación del circuito de detección
de cruce por cero indicado en la Figura No. 5 y tomar formas de onda en los
puntos de interés. El valor de la fuente de alterna es 34 Vpico, 60 Hz. Para la
fuente dada, utilizar los diodos 1N4002 y el optoaislador 4N25. El instructor,
preguntará como determina los valores de las resistencias R1 y R2.
6.2. Simular los circuitos correspondientes a los numerales 4.5 y 4.6 y obtener formas
de onda en puntos de interés.
7. INFORME
7.1. Presentar las formas de onda obtenidas para el circuito de detección de cruces
por cero y comentar la razón por la cual describe esa forma y frecuencia.
7.2. Presentar las formas de onda de los circuitos simulados para generar una señal
PWM para dos valores de los potenciómetros. Comentar los resultados.
7.3. Para el circuito de la Figura 5 que elementos debe cambiar si la fuente de
alimentación es de 170 Vpico. Especifique características y valores.
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7.4. Consultar la razón por la cual se recomienda usar optonands para aislar señales
de control que cambian de estado a frecuencias elevadas.
7.5. Conclusiones y recomendaciones.
7.6. Referencias.
8. REFERENCIAS
[1] Electrónica de Potencia, Mohan, 3ra edición.
Elaborado por: Elaborado por Pablo Rivera PhD.
Revisado por: Nataly Pozo MSc., Oscar Gonzales MSc., y Jorge Medina MSc.
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