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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PUEBLA INGENIERÍA ELÉCTRICA Electrónica Industrial Equipo: 5 Tema: Control de fase empleando la técnica de PWM

1.- INTRODUCCIÓN La modulación por ancho de pulsos, de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica, ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga. El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. Expresado matemáticamente: -

D= τ /T D: es el ciclo de trabajo τ: es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso) T: es el período de la función

La construcción típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta a un oscilador de onda dientes de sierra, mientras que la otra queda disponible para la señal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la señal dientes de sierra y el ciclo de trabajo está en función de la portadora. La principal desventaja que presentan los circuitos PWM es la posibilidad de que haya interferencias generadas por radiofrecuencia. Éstas pueden minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentación. En la actualidad existen muchos circuitos integrados en los que se implementa la modulación PWM, además de otros muy particulares para lograr circuitos funcionales que puedan controlar fuentes conmutadas, controles de motores, controles de elementos termoeléctricos, choppers para sensores en ambientes ruidosos y algunas otras aplicaciones. Se distinguen por fabricar este tipo de integrados compañías como Texas Instruments, National Semiconductor, Maxim, y algunas otras más.

2.- Diagrama esquemático del circuito principal de apoyo CIRCUITO PWM SIMPLE CON 555 Uno de los problemas más fundamentales en 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. Modulación de ancho de pulso es el proceso de cambiar la potencia a un dispositivo y a una frecuencia determinada.

Como puede verse en el diagrama, es una señal de ciclo de servicio del 10% sobre el 10% de la longitud de onda y fuera 90%, mientras que un ciclo de servicio de 90% señal es en 90% y desactivado el 10%. Estas señales se envían al motor con una frecuencia lo suficientemente alta que el pulso no tiene ningún efecto sobre el motor. El resultado final del proceso de PWM es que la potencia total enviada al motor puede ajustarse desde fuera (ciclo de trabajo de 0%) a completo en (ciclo de servicio del 100%) con buena eficiencia y control estable. El temporizador 555 en el circuito PWM se configura como un oscilador estable. Esto significa que una vez que se aplica la potencia, el 555 oscilará sin ningún disparo externo.

Un diagrama de bloques del temporizador 555:



GND (normalmente la 1): es el polo negativo de la alimentación, generalmente tierra (masa).



Disparo (normalmente la 2): Es donde se establece el inicio del tiempo de retardo si el 555 es configurado como monoestable. Este proceso de disparo ocurre cuando esta patilla tiene menos de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez.



Salida (normalmente la 3): Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador, ya sea que esté conectado como monoestable, estable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje será el voltaje de alimentación (Vcc) menos 1.7 V. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la ayuda de 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 algún motivo esta patilla

no se utiliza hay que conectarla a alimentación para evitar que el temporizador se reinicie. 

Control de voltaje (normalmente la 5): Cuando el temporizador se utiliza en el modo de controlador de voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la práctica como Vcc -1.7 V) hasta casi 0 V (aprox. 2 V menos). Así es posible modificar los tiempos. Puede también configurarse para, por ejemplo, generar pulsos en rampa.



Umbral (normalmente la 6): Es una entrada a un comparador interno que se utiliza para poner la salida a nivel bajo.



Descarga (normalmente la 7): Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento.



Voltaje de alimentación (VCC) (normalmente la 8): es la patilla donde se conecta el voltaje de alimentación que va de 4.5 V hasta 16 V.

Cuando se trabaja con corriente directa el signo del voltaje permanece invariable en el tiempo, es decir, no cambia de signo como es el caso de la corriente alterna. O se mantiene positivo o se mantiene negativo. Cuando el voltaje directo se ha regulado, obtenemos un valor invariable en el tiempo. La gráfica de voltaje vs tiempo luce así:

El voltaje permanece constante. No varía en el tiempo. Sin embargo, es posible dividir esa onda en ciclos de trabajo. Los ciclos de trabajo duran un tiempo determinado, por lo que una onda de voltaje puede ser dividida en cuadrados.

El dividir el voltaje en ciclos de trabajo ofrece muchas ventajas. La información puede ser transmitida modulando la duración y la prolongación del voltaje en un ciclo de trabajo. De igual forma se puede regular la energía que se entrega a una determinada carga.

Esto quiere decir que podemos reducir en

determinado porcentaje la prolongación del voltaje en cada ciclo de trabajo. Digamos que decidimos enviar un pulso de 5 voltios en un 50% del ciclo de trabajo. El resultado será el siguiente:

DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO Modulación de ancho de impulso. Como su nombre indica, esta técnica consiste en generar pulsos de frecuencia determinada y hacer variar el ciclo de trabajo de los mismos (duty cycle) Para el caso de convertidores CC/CC, se obtiene dicha forma de onda mediante la comparación de una señal triangular de frecuencia fija con un nivel de tensión continua; dicho nivel de continua aporta la información de la referencia a conseguir.

Algunos integrados que pueden generar pulsos PWM son: Timer 555 Tarjeta Arduino Integrado SG3524 Integrado TLC5490 que es un driver de PWM de 16 canales Tarjeta Netduino

3. ANÁLISIS MATEMÁTICO Control por PWM Si se controla el voltaje de salida de los convertidores monofásicos haciendo variar el ángulo de retardo, el ángulo de excitación o el ángulo simétrico, solo hay un pulso por medio ciclo en la corriente de entrada al convertidor, y el resultado en que la armónica de orden menor es la tercera. El control por PWM, los interruptores del convertidor se abren y cierran varias veces durante un medio ciclo y el voltaje de salida se controla haciendo variar el ancho de los pulsos.

El voltaje de salida y los parámetros de rendimiento del convertidor se pueden determinar en dos pasos: -

Considerando solo un par de pulsos tales que si uno comienza en ω t = α1 y termina en ω t = α1+δ1, el otro pulso comienza en ω t = π + α1, y termina en ω t = (π + α1+δ1). Combinando todos los efectos de todos los pares. Si el m-ésimo comienza en ωt = αm y su anchura es δm, el voltaje promedio de salida debido a p pulsos se calcula como:

CONTROL POR ÁNGULO DE EXTINCIÓN En un control por ángulo de extinción, el interruptor s1 abre cuando ωt = 0, y se cierra por conmutación forzada cuando ωt = π-β. El interruptor s2 se abre cuando ωt = π y se cierra cuando ωt = 2π-β. El voltaje de salida se controla haciendo variar el ángulo de excitación β. La figura 10.7b muestra las formas de onda del voltaje de entrada, voltaje de salida, corriente de entrada y la corriente por los interruptores del tiristor.

El voltaje promedio de salida se calcula con:

Y vcd se puede hacer variar desde 2Vm/π hasta cero, variando β desde 0 hasta π. El vrms de salida es:

4.- EJEMPLO NUMÉRICO Un semiconvertidor se conecta a una fuente de 120v, 60Hz. Se puede suponer que la corriente en la carga, I a es continua y que su contenido de rizo es despreciable. La relación de vueltas del transformador es unitaria. Si el ángulo de retardo es α= π

/2, calcular Vcd, Vn, Vrms

Vcd = voltaje promedio de salida. Vn = voltaje normalizado promedio de salida. Vrms = voltaje rms de salida. α=

π /2

Vm =√2x120 =169.7 V De la sig. Ecuación ωt −cos ¿

Vcd=

π

2 ¿ ∫ Vm sen ( ωt ) d(ωt)= 22Vm 2π α π

Tenemos: Vcd= (Vm/ π ) (1 + cos α) = 54.02V Vcd = 54.02V Vcd Vn= Vdm =0.5(1+cos α ) Donde: Vdm= 2Vm/ π Vn = 0.5 π −α +

sen 2 α 2 1

VVrms =

1 ( ]2 ¿ π Vm ¿ √2

= 84.57 V.

La técnica de PWM consiste en producir un pulso rectangular con un ciclo de trabajo determinado, este ciclo de trabajo puede variar de 0 a 100%.

5. Practica propuesta Control de intensidad luminosa por medio de un timer 555 (Generando pulsos PWM) OBJETIVO. Controlar la intensidad luminosa por medio de un timer generando pulsos PWM. MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR -Timer 555

- Tiristor SCR C106B

- Diodo “1N4148

- Fuente de alimentación

- Resistencias

- Lámpara a 12 V

- Capacitores

- Multímetro

CIRCUITO A ARMAR

A CONTINUACIÓN SE MUESTRA EL CIRCUITO SIMULADO EN MULTISIM

6. CONCLUSIONES

En la simulación se mostró las diferentes intensidades luminosas que se pueden dar a la lámpara con el potenciómetro que controla el tiempo de trabajo del PWM.

7. REFERENCIAS CONSULTADAS. -

http://www.tervenet.com/itmaz/micros2/PIC32_10_PWM.pdf (17/04/2016)

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https://www.eeweb.com/electronics-quiz/a-555-timer-pwm-motorcontroller (17/04/2016)

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https://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_ancho_de_pulsos (17/04/2016)

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http://daqcircuitos.net/index.php/circuitos-con-el-timer-555/circuitomodulador-por-ancho-de-pulso/116-circuito-modulador-por-ancho-depulso (17/04/2016)

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Muhammad h. Rashid, 2004, Electrónica de potencia circuito dispositivo y aplicaciones. Prentice Hall, Tercera edición, 18 capítulos, México 878 Pág.

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Documentos proporcionados por el profesor Víctor Manuel Perusquia Romero

8. CUESTIONARIO 1.- ¿Qué significa PWM? 2.- ¿Cuál es la modificación que hace la técnica PWM? 3.- ¿Cuál es la construcción típica de un circuito PWM? 4.- ¿Cómo se expresa matemáticamente el ciclo de trabajo de una señal periódica? 5.- ¿Cuál es la principal desventaja que presentan los circuitos PWM y como se pueden minimizar? 6.- ¿Cuáles son los algunos integrados para generar pulsos PWM? 7.- ¿En qué consiste la técnica PWM? 8.- ¿Cuántos tipos de circuitos con PWM se pueden formar, nómbralos?

9.- ¿Cuántas zonas de funcionamiento existen en un PWM? 10.- ¿Qué es el ciclo de trabajo de una señal periódica?

9. Cuestionario contestado 1.- ¿Qué significa PWM? Por sus siglas en ingles Pulse-Width Modulación (modulación en ancho de pulso) es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (sinusoidal o cuadrada) 2.- ¿Cuál es la modificación que hace la técnica PWM? Modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica, ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga. 3.- ¿Cuál es la construcción típica de un circuito PWM? Mediante un comparador con dos entradas y una salida.

4.- ¿Cómo se expresa matemáticamente el ciclo de trabajo de una señal periódica? Expresado matemáticamente: D= τ /T - D: es el ciclo de trabajo - τ: es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso) - T: es el período de la función 5.- ¿Cuál es la principal desventaja que presentan los circuitos PWM y como se pueden minimizar? La principal desventaja que presentan los circuitos PWM es la posibilidad de que haya interferencias generadas por radiofrecuencia. Éstas pueden minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentación. 6.- ¿Cuáles son los algunos integrados para generar pulsos PWM? Timer 555, tarjeta Arduino, integrado SG3524, integrado TLC5490 que es un driver de PWM de 16 canales y tarjeta Netduino. 7.- ¿En qué consiste la técnica PWM? Esta técnica consiste en generar pulsos de frecuencia determinada y hacer variar el ciclo de trabajo de los mismos. Para el caso de convertidores CC/CC, se obtiene dicha forma de onda mediante la comparación de una señal triangular de frecuencia fija con un nivel de tensión continua; dicho nivel de continua aporta la información de la referencia a conseguir.

8.- ¿Cuántos tipos de circuitos con PWM se pueden formar, nómbralos? Circuito de potencia Regulador de tensión Circuito de reloj Circuito de control 9.- ¿Cuántas zonas de funcionamiento existen en un PWM? Se divide en tres zonas: Activa, Corte, Saturación 10.- ¿Qué es el ciclo de trabajo de una señal periódica? Es la relación que existe entre el tiempo en que la señal se encuentra en estado activo y el periodo de la misma, su valor se encuentra comprendido entre 0 y 1.