Informe N°2 - Circuitos Electronicos

 

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

INFORME N°2: CIRCUITO PWM  –ANCHO DE PULSO CURSO:  FACULTAD:  ESCUELA PROFESIONAL:

PROFESOR: ALUMNOS:

CICLO / GRUPO HORARIO: 

Circuitos electrónicos  Facultad de ingeniería eléctrica y electrónica (FIEE) Ingeniería eléctrica

Ing. APESTEGUIA INFANTES JUAN ANTONIO  Tupac Coronel Andrés Huamani Lizana Tomas Alberto Jauregui De la Cruz Luigui Antony Vara Salazar Estephano Mitchell Cordero Palomino Daniel 5th CICLO. / 01T

SEMESTRE ACADEMICO:

2018-A

 

  INTRODUCCIÓN: Uno de los problemas más fundamentales de la electrónica y robótica es el control de la velocidad del motor DC. El método más común de control de velocidad es PWM o pulso modulación de ancho. La modulación de ancho de pulso es el proceso de modificar el ancho de los pulsos de un tren de pulsos en razón directa a una pequeña señal de control; cuanto mayor sea el voltaje de control, será más ancho el pulso resultante. Activar y desactivar veces se conoce como ciclo. Por tanto llevaremos a cabo la práctica usando el 555 para hacer un PWM y así lograr manipular el funcionamiento de un motor de corriente directa. También lograremos entender lo que sucede con el circuito, dándonos experiencia para poder resolver tipos de problemas con maquinarias.

OBJETIVOS GENERAL  



Implementar un generador de señal modulada por ancho de pulso utilizando amplificadores operacionales y componentes pasivos como resistores y capacitores

ESPECIFICOS   Implementar el circuito obtenido y verificar su operación a través de mediciones de voltajes   Comparar los resultados obtenidos en la simulación (Protheus) con los resultados obtenidos en la práctica.





 

MARCO TEORICO: Circuito de control PWM

La finalidad del controlador es mantener la velocidad constante del motor a cambios bruscos de carga, Típicamente control de la velocidad de motores DC se realiza de manera continua mediante la utilización de un reóstato, operacionales, temporizadores, micro controladores, etc. La modulación por anchos de pulsos es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica. El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación al  período.

Fig 1: Relación del ciclo de trabajo LM555  El temporizador 555 en el circuito PWM se configura como oscilador estable. Esto significa que su mayor aplicación es como timer (temporizador), generador de señales, modulación, etc.

Características Eléctricas del integrado LM555C   Voltaje de alimentación: 4.5 V a 16 V.   Máximo voltaje de alimentación: 18v.   Máxima disipación de potencia: Capsula DIP de 760 mW. 





       









Consumo de corriente (sim carga y Vcc=5V): 3mA a 6mA. Máximo voltaje de salida en bajo (con Vcc=5v): 0.35v. Mínimo voltaje de salida en alto: 2.75v. Máxima corriente de salida: 200mA.

Opto acoplador  Es un dispositivo de emisión y recepción que funciona como un interruptor activado mediante la luz emitida por un diodo led que satura un componente optoelectrónico. De este modo se combinan en un solo dispositivo semiconductor, un fotoemisor y un fotorreceptor cuya conexión entre ambos es óptica.

 

FUNCIONAMIENTO:   Cuando se enciende el circuito, el pin de activación (2) es bajo y se descarga el  condensador C1.  Girando el potenciómetro comienza el ciclo del oscilador, el pin de activación (2)  pasa a un nivel alto.   Cuando la salida es alta, el condensador C1 comienza a descargar por el lado   derecho de R1 (POT1) y Diodo D2.  Cuando el voltaje de C1 alcanza 2/3 de + V, el umbral el (pin 6) está activado, que   a su vez provoca la salida (pin 3) y descarga (pin 7) nivel bajo.  Cuando la salida (pin 3) está en un nivel bajo, el condensador C1 comienza a  conducir por el lado izquierdo de R1(POT1) y D1.  Cuando el voltaje de C1 cae por debajo de 1/3 de +9V, lla a salida (pin 3) y descarga  (pin 7) van a un nivel alto, y el ciclo se repite.   El Pin 5 no se utiliza por lo que se omite conectándolo a tierra con un  condensador de 0.01uF.  Tenga en cuenta la configuración de R1(POT1), D1 y D2.   El Condensador C1 se carga a través de R1 (POT1) y descarga por el otro lado.   La suma de la resistencia de carga y descarga es siempre la misma, por lo tanto,   la longitud de onda de la señal de salida es constante.  Sólo el ciclo de trabajo varía con R1(POT1).  La frecuencia total de la señal PWM en este circuito está determinada por los  valores de R1 (POT 1) 100K y C1 (0.1 uF).  En el esquema esto se ha establecido en 144 Hz.  Para calcular los valores de componentes para otras frecuencias, utilice la   fórmula: Frecuencia = 1,44 / (R1 * C1)  •

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

MATERIALES:                        

 



 

  



  

Transistor MOSFET IRFZ46n   CI Timer 555  2 Diodos 1N5818  2 condensadores Cerámico de 0.1 Uf   1 Condensador Cerámico de 0.01 uF   1 potenciómetros de 100K   1 motor pequeño DC de 6V ó 12V   1 Fuentes Regulables de 0-18 Voltios  Un Protoboard  Un Multitester  Un Osciloscopio  Cables conectores y cocodrilos  

 

DESARROLLO:   1. Probamos el circuito de control ya simulado en un protoboard como parte inicial. 

2. A continuación comprobamos la señal de pulsos  pulsos a la salida del circuito.  3. Después comprobamos la frecuencia a la salida comprobando con los cálculos realizados

observando la señal de impulso emitida por el 555.   4. Empezamos a desarrollar el circuito de fuerza    parte aplicando un opto acoplador para proteger la parte de control y la parte de fuerza.  5. Para desarrollar el circuito de fuerza debemos   dimensionar el mosfet para que soporte la  corriente y el voltaje que consume el motor  en sus valores máximos o picos.  6. Proteger si se necesita mediante el uso de fusibles, comprobar el resultado del control  de velocidad del motor DC.   7. Conectar los circuitos al motor y observar el  funcionamiento si el mosfet se calienta usar   un disipador.  8. Comprobar la eficacia del circuito cuando  encendemos el motor y genera los voltajes y  corrientes en pico 

 

CUESTIONARIO: 1.  Describa el Timer 555, característica característicass y funcionam funcionamiento. iento. El Circuito Integrado 555 Este circuito integrado se utiliza para activar o desactivar circuitos durante intervalos de tiempo determinados, es decir se usa como temporizador. Para ello, lo combinaremos con

otros componentes cuyas características y forma de conexión en el circuito, determinarán la duración de los intervalos de tiempo del 555, y si estos intervalos se repitan continuamente o no. Ejemplos para los que podemos usar el 555 son: luces intermitentes, regular el tiempo que tarda en apagarse una luz, ajustar el tiempo en una tostadora, etc. Los 555 tienen 8 patillas o pines, que se deberán conectar al circuito dependiendo cómo queremos que funcione.  funcione. 

Funcionamiento Funcionamien to (de cada uno de sus pines):      



 

 



 



 



 



Pin 1 (Gnd): Es la referencia a tierra del circuito. Pin 2 (Disparador o trigger): Es la señal de entrada del comparador Pin 3 (Salida): Es por donde se obtiene la señal de salida esperada (el tren de  pulsos) Pin 4 (Reset): Es el pin de reset, se controla mediante lógica negativa, es decir si quiero volver a iniciar el proceso debo enviar un cero a este pin, desde mi experiencia recomiendo conectar directamente este pin a VCC mediante una resistencia de pequeño valor, de esta manera evitamos que la salida se ponga a cero sin desearlo. Pin 5 (Control de voltaje): Este pin esta para producir la modulación por ancho de  pulsos mediante mediante la descarga descarga del capacitador capacitador externo. externo. Pin 6 (Umbral): Es la entrada de otro comparador, se compara a 2/3 de VCC contra la amplitud de la señal de disparo. Pin 7 (Descarga): Se descarga cuando el transistor se encuentra en saturación, se conecta a él divisor resistivo de la red de tiempo externa.

 

Sus características más destacables son:    





Temporización desde microsegundos hasta horas. Modos de funcionamiento: Monoestable. o  o  Astable.

Aplicaciones del 555 

Los usos son casi ilimitados, solo depende de la imaginación, pero poner algunos ejemplo: - Alarma: solo deberemos poner una zumbador a la salida en astable y tendremos una alarma sonando todo el tiempo. - Temporizador o Timer: es probablemente de la forma más utilizado. Se usa para temporizar cualquier cosa, por ejemplo el encendido de un lámpara, intermitentes de los coches, semáforo  parpadeando,  parpadean do, semáforos semáforos que cambian cambian de color, etc. etc. - Control de un servomotor: hay muchos circuitos con el 555 para controlar los pulsos para el control de un servomotor un servomotor (sigue el enlace si quieres saber que es un servomotor) - Multivibrador: Un multivibrador es un circuito generador de pulsos que produce una salida de onda rectangular, se clasifican en: astables, biestables o monoestables. Como ves el 555 es un multivibrador. - Detectores: Si colocamos las resistencias o resistencia (depende el caso), en lugar de fijas, que dependan de algo, por ejemplo una NTC que su valor depende de la temperatura, a más temperatura menos resistencia, podríamos construir un detector de calor. Si hace mucho calor, la resistencia es muy pequeña y por lo tanto el led parpadea muy rápido avisándonos de que hay mucho calor. Cuando disminuye la temperatura la resistencia de la NTC será mayor y el tiempo de encendido y apagado del led será menor. Y si colocamos una LDR una LDR (resistencia que depende de la luz). Pues tendríamos un detector de luz o obscuridad. - Generador de frecuencias de sonido: si la resistencia es un potenciómetro y la salida es un altavoz, al variar la resistencia del potenciómetro, el altavoz sonará de diferente forma, generando sonidos diferentes. - Contadores: Pues bien nos puede servir para contar, si a la señal de salida le ponemos un circuito que cada vez que le llegue una señal, aumente el número.

 

2. Describa el funcionamiento.

Transistor

MOSFET

IRFZ46,

características

y

Transistor IRFZ46 Mosfet

El transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor o MOSFET (en inglés Metal-ox inglés Metal-oxideide semiconductor  semiconduc tor Field-effect Field-effect transistor  transistor ) es un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos analógicos o digitales. Este digitales. Este consta de 3 pines Drenador, Surtidor y Puerta o Compuerta los mismos también pueden encontrarse en otros tipos de encapsulados. Características e información básica                  

        

Polaridad: Canal N Intensidad drenador continua Id: 53 A Tensión drenaje-fuente Vds: 55 V Tensión umbral Vgs: 4 V Resistencia de activación Rds(on): 0.0165 ohm Tensión Vgs de medición Rds(on): 10 V Disipación de potencia Pd: 107 W Encapsulado: TO-220 3 pines

Aplicaciones 

Por su rápida conmutación y características antes expuestas es muy usado en:        









Inversores Fuentes conmutadas Equipos de computo Circuitos de modulación por amplitud de pulso(PWM)

3. Describa el Diodo 1N5818 características y funcionamiento. Rectificador Schottky

El 1N5818 es un rectificador Schottky de potencia de caída baja axial adecuado para fuentes de alimentación en modo conmutación y convertidores de CC a CC de alta frecuencia. Está diseñado  para utilizarse utilizarse en baja baja tensión, tensión, inversores inversores de alta frecuenci frecuencia, a, rodamientos rodamientos libres, libres, protección protección de  polaridad y pequeños cargadores cargadores de batería. batería. Características Muy pequeñas pérdidas de conducción Pérdidas de conmutación insignificantes Cambio extremadamente rápido Baja caída de voltaje directo Capacidad de avalancha especificada

 

4. Describa otros tipos de aplicaciones para los circuitos PWM. 1.  Aplicación en los motores

La modulación por ancho de pulsos es una técnica utilizada para regular la velocidad de giro de los los motores  motores eléctricos de inducción o asíncronos. Mantiene el el par  par motor constante y no supone un desaprovechamiento de la energía la energía eléctrica. Se eléctrica. Se utiliza tanto en corriente continua como en en alterna,  alterna,   como(apagado su nombre lo indica, al controlar: alto por  (encendido o alimentado) y un momento  bajo (apa gado o desconecta des conectado), do), controlado controlaun do momento normalmente normalmente  relevadores   relevadores (baja frecuencia) (baja frecuencia)    MOSFET o tiristores (alta frecuencia) (alta frecuencia).. Otros sistemas para regular la velocidad modifican la tensión la  tensión eléctrica, eléctrica, con  con lo que disminuye el par motor; o interponen una resistencia una resistencia eléctrica, con eléctrica, con lo que se pierde energía en forma de calor en esta resistencia. Otra forma de regular el giro del motor es variando el tiempo entre pulsos de duración constante, lo que se llama modulación llama modulación por frecuencia de pulsos.  pulsos.  En los motores de corriente de corriente alterna también se puede utilizar la variación de frecuencia. de frecuencia.   La modulación por ancho de pulsos también se usa para controlar  servomotores, servomotores, los  los cuales modifican su posición de acuerdo al ancho del pulso enviado cada un cierto período que depende de cada servo motor. Esta información puede ser enviada utilizando un  microprocesador como el Z80, el Z80,   o un  un microcontrolador microcontrolador (por ejemplo, un un PIC  PIC 16F877A  16F877A de la empresa Microchip). 1.1 Aplicación en los servomotores

Un servomotor (también llamado servo) es un dispositivo similar a un  un motor de corriente continua que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación, y mantenerse estable en dicha posición. Un servomotor es un motor eléctrico que puede ser controlado tanto en velocidad como en posición. Los servos se utilizan frecuentemente en sistemas de radio control y en robótica, en  robótica, pero  pero su uso no está limitado a éstos. Es posible modificar un servomotor para obtener un motor de corriente continua que, si bien ya no tiene la capacidad de control del servo, conserva la fuerza, velocidad y baja inercia que caracteriza a estos dispositivos. Los servomotores hacen uso de la modulación la modulación por ancho de pulsos (PWM) para controlar la dirección o posición de los motores los  motores de corriente continua. La continua. La mayoría trabaja en la frecuencia de los cincuenta hercios, cincuenta  hercios, así  así las señales PWM tendrán un periodo de veinte veinte milisegundos.  milisegundos. La  La electrónica dentro del servomotor responderá al ancho de la señal modulada. Si los circuitos dentro del servomotor reciben una señal de entre 0,5 a 1,4 milisegundos, éste se moverá en sentido horario; entre 1,6 a 2 milisegundos moverá el servomotor en sentido antihorario; 1,5 milisegundos representa un estado neutro para los servomotores estándares. A continuación se exponen ejemplos de cada caso:

 

Figura 6. Señal de ancho de pulso modulado

 

Figura 7. Motor en sentido horario funcionand funcionando o a 0,7 ms.

Figura 8. Motor neutral funcionando a 1,5 ms

Figura 9. Motor en sentido antihorario funciona funcionando ndo a 1,8 ms

2.  Aplicación como parte de un conversor ADC

Otra aplicación es  es  enviar información de manera analógica. Es útil para comunicarse de forma analógica con sistemas digitales. Para un sistema digital, es relativamente fácil medir cuánto dura una onda cuadrada. Sin embargo, si no se tiene un  un conversor analógico analógico digital no se puede obtener información de un valor analógico, ya que sólo se puede detectar si hay una determinada tensión, 0 o 5 voltios por ejemplo (valores digitales de 0 y 1), con una cierta tolerancia, pero no puede medirse un valor analógico. Sin embargo,

 

el PWM en conjunción con un oscilador digital, un contador y una puerta puerta AND  AND como puerta de paso,  podrían fácilmente fácilmente implementar implementar un ADC. un ADC.  2.1 Aplicaciones en los leds intermitentes i ntermitentes

Esto consiste en pasar energía al led y pausar el programa, para después cortar energía al led y volver a pausar el programa, todo dentro de un loop sin fin. Pero cuando solo se quiere variar la intensidad con la que se enciende el led se tiene que aplicar la modulación PWM La modulación por ancho de pulsos funciona dejando el pulso fijo durante el lapso de tiempo, variando solamente su amplitud, eliminando con esto, el problema del tiempo.

Figura 10. Pulso en un periodo

En la figura se muestra cómo se comporta un pulso de manera normal, donde durante un lapso de tiempo se activa el pulso, para después despu és mantenerse, posterior posteriormente mente se baja a 0 y se mantiene de nueva cuenta, y se vuelve a elevar, todo esto dentro del loop establecido. Figura 11. Amplitud en un periodo

Posteriormente se aplica la técnica de modulación de pulsos para darle más amplitud al pulso en 0 y acortar el tiempo del pulso alto, esto dentro de un solo periodo. Figura 12. Reducción de la amplitud

 

  Luego se acorta la amplitud del pulso en 0, alargando la amplitud del pulso alto, todo dentro de un  periodo Para tener un control perfecto del led, tenemos que saber lo cantidad de pulsos o ciclos por segundo,  para en base a eso, el tiempo en el que se ejecuta un periodo, esto es aproximadamente a una frecuencia de 30 pulsos o ciclos por segundos para el caso de un led.

5. Calcule los valores de R1 y C1 para frecuencias de 100Hz, 250Hz, 500Hz, 750Hz y 1000Hz.

 

6. ¿Qué es un variador de frecuencia? Los variadores de frecuencia son sistema utilizados para el control de la velocidad rotacional de un motor de corriente alterna. Un variador de frecuencia son vertientes de un variador de velocidad, ya que llevan un control de frecuencia de alimentación, la cual se suministra por un motor. motor . Generalmente se utilizan en los siguientes casos: 

       

  

Dominio de par y la velocidad Regulación sin golpes mecánicos en arrancada y parada Movimientos complejos, cuando se necesita tener control sobre ciertas variables Ahorro energético en aplicaciones de ventilación, bombas de trasiego de agua en la que se adecua la velocidad de los motores a las necesidades del momento.

Tanto arrancadores como variadores de frecuencia consiguen eliminar las sacudidas mecánicas que se producen en los arranques y paradas. Además los variadores ofrecen muchas más posibilidades. Aplicaciones de los variadores de frecuencia

Los variadores de velocidad se emplean en una amplia gama de aplicaciones industriales, como en ventiladores y equipo de aire acondicionado, equipo de bombeo, bandas y transportadores industriales, industriale s, elevadores, llenadoras, tornos y fresadora fr esadoras.. s..  



 



Cintas transportadoras: Puede regularse la velocidad de producción según el tipo de producto a transportar. También evita golpes al transportar materiales delicados como por ejemplo botellas y envases evitando la caída y rotura de estos . Bombas y ventiladores centrífugos para controlar el caudal  en sistemas de presión

constante y volumen variable. En este caso se obtiene un gran ahorro de energía porque el

 

 



 



 



 



 



 



 



consumo varía con el cubo de la velocidad, o sea que para la mitad de la velocidad, el consumo es la octava parte de la nominal. Bombas de desplazamiento positivo para controlar el caudal y dosificación con precisión, controlando la velocidad. Ascensores y elevadores para obtener un arranque y parada suaves y pudiend pudiendo o obtener diferentes velocidades para aplicaciones distintas. Extrusoras: El control de la Velocidad del tornillo de las Extrusoras es uno de los factores clave que afectan la calidad del producto. Prensas mecánicas y balancines, se evitan desperdicios de materiales al obtener arranques suaves y mediante velocidades bajas en el inicio de la tarea, se evitan los desperdicios de materiales. Máquinas textiles. Para distintos tipos de materiales, inclusive para telas que no tienen un tejido simétrico se pueden obtener velocidades del tipo random para conseguir telas especiales. Compresores de aire. Se obtienen arranques suaves con máxima cupla y menor consumo de energía en el arranque. Bombas de extracción pudiendo adecuar la  velocidad de acuerdo a las necesidades del  pozo.

 

CONCLUSIONES:

       









Verificamos el correcto funcionamiento de la modulación por ancho de pulso. Se pudo entender la manera de utilizar los PWM y comprobar su funcionamiento funcionamient o Gracias al programa Protheus se pudo comprobar el buen funcionamiento del circuito Este tipo de modulación es muy utilizada en el control de la velocidad de motores DC, aunque también cuenta con otras utilidades como el control de intensidad de luz de dispositivos como los LEDs, transmisión de información entre otras.

RECOMENDACIONES:

  Se debe tener una ligera práctica en la medición con el multímetro ya que de lo contrario existirán errores ajenos al circuito en sí mismo.   Se deberá tener una buena fundamentación teórica para agilizar el análisis de los circuitos.   Se recomienda tener un buen manejo del osciloscopio para optimizar el análisis de los circuitos.   Es recomendable tener una buena fundamentación teórica acerca de los dispositivos a usar  para qu que la prác ráctica ica de laborat ratorio rio sea más eficaz.   Siempre es necesario tener cuidado al manejar los dispositivos electrónicos, ya que un mal uso podría dañarlos



  

