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5/12/2018 CTRL_ANG_DISP_eq4_5B - slidepdf.com

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Proyecto. Control del ángulo de disparo. Horacio Martínez, Edgar Islas, Francisco Saucedo, Alejandro Macías.

Universidad Politécnica de Aguascalientes Aguascalientes, México.

MECATRÓNICA 5B

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[email protected] Abstract- In this document you can find as the firing angle

control with a PIC using PICC as the software to do it and

PROTEUS program for simulation.

Resumen- En este documento puede encontrar como controlar el

ángulo de disparo con un PIC usando el software PICC para

realizar el código y PROTEUS para su simulación.

Objetivo de la práctica: Controlar el ángulo de disparocon un PIC.

I. I NTRODUCCIÓN.

espues de a ver estudiado la teoría del ángulode disparo y haber realizado una práctica

para controlar el ángulo de disparo con elSCR y el TRIAC se decidió realizar elcontrol del ángulo de disparo con el PIC,

para ello se necesita realizar el código en PICC usando elconvertidor de análogo a digital o ADC y realizar un PWM ycruce por cero para lograr controlar el ángulo de disparo.

II. SUSTENTO TEORICO.

A. Diodo

El diodo es un semiconductor, el cual es el dispositivo mássencillo puede encontrar, prácticamente en cualquier circuitoelectrónico.Los diodos se fabrican en versiones de silicio (el másutilizado) y de germanio.

Fig.1 Representación gráfica del diodo, el cual funciona comorectificador no controlado. Símbolo del diodo (A-ánodo, K -cátodo).

Los diodos constan de dos partes, una llamada N y la otrallamada P, separados por una juntura llamada barrera o unión.

Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el diodo de germanioy de 0.7 voltios aproximadamente en el diodo de silicio.

P roceso de rectificación

Para realizar esta operación se utilizan diodosemiconductores que conforman circuitos rectificadoresInicialmente se reduce el voltaje de la red (110 / 220 voltioAC u otro) a uno más bajo como 12 o 15 Voltios AC conayuda de un transformador. A la salida del transformador se

pone el circuito rectificador.

La tensión en el secundario del transformador es alterna, ytendrá un semi-ciclo positivo y uno negativo.

P olarización del diodo en sentido directo

Durante el semi-ciclo positivo el diodo queda polarizado en

directa, permitiendo el paso de la corriente a través de él. Vefigura2.

Fig2. Proceso de rectificación de media onda a partir de untransformador usado un diodo (RNC).

Si el diodo es considerado como ideal, este se comporta comoun cortocircuito, entonces toda la tensión del secundarioaparecerá en la resistencia de carga.

P olarización del diodo en sentido inverso

Durante el semi ciclo negativo, la corriente entregada por etransformador querrá circular en sentido opuesto a la flechdel diodo. Si el diodo es considerado ideal entonces este actúcomo un circuito abierto y no habrá flujo de corrienteObserva la figura3.

D



Fig.3 La forma de onda de salida de un rectificador de 1/2 onda en

diodo en inversa.

B . EL TIRISTOR

Es un semiconductor sólido de silicio constituido por cuatrocapas alternativas tipo PNPN. Dispone de tres terminalesaccesibles denominados ánodo, cátodo y puerta, siendo esteúltimo el electrodo de control. Este semiconductor funciona

básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientrasno se aplique ninguna tensión en la puerta del tiristor no se

inicia la conducción y en el instante en que se aplique dichatensión, el tiristor comienza a conducir. Una vez arrancado,

podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuaráconduciendo hasta que la corriente de carga pase por cero.Trabajando en c.a. el tiristor se desactiva en cada alternancia ociclo.Un tiristor es uno de los tipos más importantes de losdispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores seutilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de

potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasandode un estado no conductor a un estado conductor. Para muchasaplicaciones se puede suponer que los Tiristores soninterruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores

prácticos exhiben ciertas características y limitaciones.

Características de los tiristores

Un Tiristor es dispositivo semiconductor de cuatro capas deestructura pnpn con tres uniones pn tiene tres terminales:ánodo cátodo y compuerta. La figura se muestra el símbolodel tiristor y una sección recta de tres uniones pn. Lostiristores se fabrican por difusión.Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con respecto alcátodo, las uniones J1 y J3 tienen polarización directa o

positiva. La unión J2 tiene polarización inversa, y solo fluiráuna pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo. Se diceentonces que el tiristor está en condición de bloqueo directo oen estado desactivado llamándose a la corriente fuga corrientede estado inactivo ID. Si el voltaje ánodo a cátodo VAK seincrementa a un valor lo suficientemente grande la unión J2

polarizada inversamente entrará en ruptura. Esto se conocecomo ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente sellama voltaje de ruptura directa VBO. Dado que las uniones J1y J3 ya tienen polarización directa, habrá un movimiento libre

de portadores a través de las tres uniones que provocará unagran corriente directa del ánodo. Se dice entonces que edispositivo está en estado de conducción o activado. Véasefigura 4.

Figura4. Esquemático del tiristor.

C . TRIAC

El triac sólo se utiliza en corriente alterna y al igual que etiristor, se dispara por la compuerta. Como el triac funciona encorriente alterna, habrá una parte de la onda que será positivay otra negativa.La parte positiva de la onda (semiciclos positivo) pasará por etriac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en lacompuerta, de esta manera la corriente circulará de arribahacia abajo de igual manera, la parte negativa de la onda(semiciclos negativo) pasará por el triac siempre y cuandohaya habido una señal de disparo en la compuerta, de estamanera la corriente circulará de abajo hacia arriba.El triac controla el paso de la corriente alterna a la carga

pasando continuamente entro los estados de conducción y e

de corte. Si se varía el potenciómetro, se varía el tiempo decarga de un capacitor causando que se incremente o reduzca ldiferencia de fase de la tensión de alimentación y la que seaplica a la compuerta, en la figura se muestra la forma donda rectificada.

Figura5. Forma de onda ideal del voltaje del triac y en lacarga.



D. Capacitores

En condensador es un dispositivo formado por dos placasmetálicas separadas por un aislante llamado dieléctrico.

Un dieléctrico o aislante es un material que evita el paso de lacorriente.

Figura6. Condensador o capacitor.

El condensador o capacitor almacena energía en la forma deun campo eléctrico (es evidente cuando el capacitor funciona

con corriente directa) y se llama capacitancia o capacidad a lacantidad de cargas eléctricas que es capaz de almacenar. Lacapacidad depende de las características físicas delcondensador:- Si el área de las placas que están frente a frente es grande lacapacidad aumenta.- Si la separación entre placas aumenta, disminuye lacapacidad- El tipo de material dieléctrico que se aplica entre las placastambién afecta la capacidad- Si se aumenta la tensión aplicada, se aumenta la cargaalmacenada.

Dieléctrico o aislante

Un dieléctrico o aislante es un material que evita el paso de lacorriente, y su función es aumentar la capacitancia delcapacitor. Los diferentes materiales que se utilizan comodieléctricos tienen diferentes grados de permisividad(diferente capacidad para el establecimiento de un campoeléctrico.

TABLA I

E. Cristal

Estos dispositivos están formados por una fina lámina decuarzo situada entre dos electrodos. Como es sabido, ecuarzo, también llamado cristal de roca, es un mineracompuesto por silicio y oxígeno, (óxido anhidro de silicio

bióxido de silicio o anhídrido silícico, SIO2) cuyos cristaletienen forma de prisma hexagonal terminado por doromboedros que parecen una bipirámide hexagonal. El cuarzoes el mineral más difundido en la corteza terrestre, bien enforma de cristales o formando parte otras rocas, como egranito (cuarzo, feldespato y mica). En los cristales de cuarzose produce un fenómeno llamado piezoelectricidad. Estfenómeno consiste en que la aplicación de una tensióneléctrica produce una deformación del cristal, mientras que ladeformación del cristal genera una tensión eléctrica. Estcaracterística se aprovecha en electrónica para producitensiones alternas con una gran estabilidad de frecuencia yaque ésta depende directamente del grueso de la lámina decuarzo. Debido al carácter mecánico del fenómeno

piezoeléctrico, y cómo los cambios de temperatura hace

variar las dimensiones del cristal, la frecuencia que genera unoscilador con cristal de cuarzo puede variar con dichoscambios de temperatura. En aquellas aplicaciones donde serequiere la máxima estabilidad en la frecuencia generada, serecurre a estabilizar térmicamente el cristal de cuarzo. Paraello, se introduce el cristal en un recinto cerrado y aisladotérmicamente y se calienta con un dispositivo termostático, dtal manera que su temperatura, digamos 60 grados

permanezca constante.

F. Compuerta lógica NOT

Una puerta lógica, o compuerta lógica, es un dispositivoelectrónico que es la expresión física de un operador booleanen la lógica de conmutación. Cada puerta lógica consiste enuna red de dispositivos interruptores que cumple lacondiciones booleanas para el operador particular. Sonesencialmente circuitos de conmutación integrados en un chip

La compuerta NOT como la compuerta AND y la compuertOR es muy importante. Esta compuerta entrega en su salida einverso (opuesto) de la entrada.

El símbolo y la tabla de verdad son los siguientes:

Figura7. Compuerta NOT.

La salida de una compuerta NOT tiene el valor inverso al desu entrada. En el caso del gráfico anterior la salida X = A



Esto significa que:- Si a la entrada tenemos un "1" lógico, a la salida hará un "0"lógico y,- Si a la entrada tenemos un "0" lógico a la salida habrá un "1"lógico.

Nota: El apóstrofe en la siguiente expresión significa"negado". Entonces: X = A¶ es lo mismo que X = A

Las compuertas NOT se pueden conectar en cascada,logrando después de dos compuertas, la entrada original. Ver el siguiente gráfico y la tabla de verdad

Figura8. Compuerta lógica NOT X¶¶.

Un motivo para implementar un circuito que tenga en susalida, lo mismo que tiene en su entrada, es conseguir unretraso de la señal original con un propósito especial.

G. Potenciómetro

La resistencia variable es un dispositivo que tiene un contactomóvil que se mueve a lo largo de la superficie de unaresistencia de valor total constante. Este contacto móvil sellama cursor o flecha y divide la resistencia en dosresistencias cuyos valores son menores y cuya suma tendrásiempre el valor de la resistencia total.

En el caso de los potenciómetros, éstos se conectan en paralelo al circuito y se comporta como un divisor de voltaje.Ver la figura 9.

Figura9. Potenciómetro.

H. El opto acoplador

Un optó acoplador es un componente formado por la unión deal menos un emisor (diodo LED) y un foto detector (fototransistor u otro) acoplados a través de un medioconductor de luz, pueden ser encapsulados o de tipo discreto.Cuanta mayor intensidad atraviesa el fotodiodo, mayor será la

cantidad de fotones emitidos y, por tanto, mayor será lacorriente que recorra el fototransistor. Se trata de una manerade transmitir una señal de un circuito eléctrico a otroObsérvese que no existe comunicación eléctrica entre los doscircuitos, es decir existe un trasiego de información pero noexiste una conexión eléctrica: la conexión es óptica. Laimplementaciones de un optó acoplador son variadas ydependen de la casa que los fabrique. Una de las má

populares se ve en la Figura 10. Se puede observar como eLED, en la parte superior, emite fotones que, tras atravesar evidrio, inciden sobre el fototransistor

Figura 10. Esquema constructivo de un optó acoplador

III. DESARROLLO

Recursos requeridos

Equipo

y Multímetroy Fuentey Protoboard

y Pinzas de corte

y Cables tipo caimán

y Osciloscopio y Placa fenolica

Material

PIC16F877A Diodo Resistencias 10k a 5W Resistencias Foco

TRIAC (MAC12) OPTOACOPLADOR salida a triac (MOC3011) OPTOACOPLADOR 4N25 7414 Potenciómetro 10k

En esta práctica se desarrolla un circuito capaz decontrolar el ángulo de disparo usando un PIC, donde se



realizo el código con una interrupción externa esta ultimaera para detectar los flancos de la señal.El código que se realizo es el siguiente:

#int_EXTvoid EXT_isr(void){

ext_int_edge(0, L_TO_H);t=(a*5.95)/255;c=8.9-(t+0.0001);i=t+c;output_low(PIN_C2);delay_ms(t);output_high(PIN_C2);output_high(PIN_B7);delay_us(100);output_low(PIN_C2);output_high(PIN_B7);delay_ms(i);output_high(PIN_C2);output_high(PIN_B7);delay_us(100);output_low(PIN_C2);output_high(PIN_B7);

}

void main(){

setup_adc_ports(AN0);setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_8);setup_psp(PSP_DISABLED);setup_spi(SPI_SS_DISABLED);setup_wdt(WDT_OFF);setup_timer_0(RTCC_INTERNAL);setup_timer_1(T1_DISABLED);setup_timer_2(T2_DISABLED,0,1);

//Setup_Oscillator parameter not selected from Intr Oscillator Config tab

// TODO: USER CODE!!enable_interrupts(INT_EXT);enable_interrupts(GLOBAL);while(true){a=read_adc();}

}

En el código anterior primero observamos que se realizala interrupción, donde tenemos 3 variables de las cuales l

primera (t) nos sirve para determinar el los bits con loque se trabaja para determinar el tiempo dependiendo dla señal de entrada, la segunda variable (c) para que lo

que se haga en el ciclo positivo también se realice en eciclo negativo de la señal y en la tercer variable (i) es pardeterminar el tiempo que tiene el periodo de la señalLuego mostramos la salida por el pin C2 del Pic paraobservar lo que es pulso de la señal en el ciclo positivo ynegativo y por el pin B7 solo se muestra un led

parpadeando, pero debido a la velocidad del parpadeo eojo humano no lo alcanza a percibir. En la segunda partedel programa solo se lee el puerto ADC y se guarda en lavariable a para que se pueda trabajar con la interrupción.

En seguida se encuentra la simulación del circuito en esoftware ISIS PROTEUS donde se muestra la estructuraque tiene el circuito. Véase figura 11 y 12.

Figura11. Circuito para la simulación en ISIS PROTEUS

Figura12. Circuito real del control del ángulo de disparo.



Como se puede observar en la figura 11 el circuito essencillo, lo que representa un poco de dificultad es la

programación de micro controlador. A continuación semuestra la estructura que tiene la placa fenolica, esta

placa sustituye a la Protoboard haciendo que el circuitoquede mejor estructurado y sea más presentable. En la

figura 13 y 14 se observa la estructura que tiene dicha placa.

Figura13. Estructura de la placa.

Figura14. Estructura de la placa con los circuitos.

La practica presento ciertas dificultades ya que no se tenía

el conocimiento sobre la programación del ángulo dedisparo, mas sin en cambio se logro resolver ese problema. Solucionado ese problema y armado el circuitoen físico se reviso el circuito en el osciloscopio y seobservaron las siguientes graficas.En la figura 15 se observa el comportamiento de la señalde entrada y la señal de entrada del micro controlador, laseñal senoidal es la señal de entrada y la señal de entrada

del micro controlador es la señal cuadrada dondobservamos que se rectifica la señal negativa.

Figura15. Señal de entrada y señal de entrada del micro.

En la figura16 se observa la señal de entrada y la señal desalida del micro controlador y como se explico en edesarrollo del código solo se tienen los pulsos, esto ya es eángulo de disparo, en el pulso positivo es de la interrupciónexternar y el pulso del negativo es por medio del delay que setiene en la variable (c).

Figura16. Señal de entrada y señal de salida del micro.

En la figura 17 se observa ya la salida donde ya se puedeobserva cómo se controla el ángulo de disparo, en esta imagense muestra el mínimo del control de ángulo ya que se muestracasi la señal completa, solo existe una pequeño corte al iniciode la señal.



Figura17. Mínimo ángulo de disparo.

En la figura 18 se observa el máximo ángulo de disparocontrolado por el PIC donde es claro que solo existe un corte

de la casi toda la señal dejando solo una pequeña parte de está.Cabe mencionar que para hacer el cambio del corte del ángulode disparo se hace a través del potenciómetro.

Figura18. Máximo ángulo de disparo.

Finalmente se observa el circuito terminado en las figuras 19y 20. Se observa el circuito en la placa fenolica y ese es elresultado final del control del ángulo de disparo por medio delPIC, que para este caso se uso el PIC18F4552.

Figura19. Circuito terminado ³control del ángulo de disparo´.

Figura20. Circuito terminado ³control del ángulo de disparo´.

IV. OBSERVACIONES.

Edgar Islas:Teníamos la creencia que la alimentación en CA de nuestrocircuito tenía polaridad debido a experiencias pasadas que alno conocer la fase y neutro, a la hora de medir con elosciloscopio hacíamos corto circuito, es por lo que en este

proyecto primero establecíamos un forma de conectar laclavija en una forma, y después identificar la fase y neutro yconectar en esa relación de +, - a nuestro circuito. Pero elmaestro nos comprobó que no existía polaridad alguna.

Alejandro Macías:En este proyecto nos pudimos dar cuenta que al programar e

pic teníamos que mandar una interrupción externa pardetectar de flancos de subida y de bajada ya que estábamotrabajando con un triac. Nos dimos cuenta también que noimporta como conectemos la fase y la tierra al conectarla aC.A ya que como utilizamos el triac no importa y no afecta.



Francisco Saucedo:

Al desarrollar este proyecto me pude dar cuenta que siemprese presentan algunos problemas, en esta ocasión fueron en la

programación ya que fue complicado realizar el código del programa ya que aparentemente funcionaba pero al momentode pasarlo a físico existía algún error, finalmente se logro

encontrar la lógica y realizar el código correcto, el armado delcircuito en físico no presento complicación alguna ya que sehabía hecho un control del ángulo de disparo pero conrectificadores controlados.

Horacio Martínez:Durante la realización del programa para el control del ángulode disparo, lo primero que me di cuenta al estar intentandosimular el programa en el software ISIS PROTEUS es queéste no simulaba de manera correcta las interrupciones parasaber si el ángulo de disparo lo mostraba, es por eso queaunque la lógica del programa estuviera bien el software no lomostraba de esta manera, es por eso que para comprobar setuvo que hacer de manera física, otro asunto es que al

principio el programa estaba diseñado para con el flanco desubida pasara un tiempo según el ³adc´ y luego mandar el

pulso para activar el triac pero luego de probar varias veces esque también el triac necesita un pulso para el ciclo negativo es

por eso que se hizo un arreglo para hacer que mandara un pulso en el ciclo positivo y otro en el ciclo negativo, y por medio del ³adc´ controlar el tiempo en el cual el pulso se va adisparar.

V. CONCLUSIONES. Edgar Islas:

En este proyecto logramos la constitución de un sistema por elcual integramos casi en su totalidad los temas vistos en los

pasados dos parciales, utilizamos algunos de los conceptos delángulo de disparo, la protección o acoplamiento medianteopto-acopladores, uno con salida a triac y otro con salida atransistor, y el triac en CA.

El proyecto consta de una etapa de control en la cual por medio de un pic18f452, mediante una interrupción externa por el puerto ADC, y una señal digital cuadrada, logramos variar el tiempo del disparo de un pulso. Y ya, en la etapa de

potencia ese pulso activaba un optoacoplador con salida atriac, y este a su vez la compuerta o (gate ) del triac que cierrael circuito de la carga, en este caso un foco.

Alejandro Macías:Al concluir este proyecto nos pudimos dar cuenta que

podemos tener interrupciones internas y externas trabajandocon algún pic. En este caso trabajamos con la externa para

poder detectar el flanco de subida y de bajada en la señal queteníamos.

Francisco Saucedo:Este proyecto me sirvió para darme cuenta que siempre hayvarias maneras de resolver un mismo problema, como en estecaso que ya se había hecho un circuito parecido pero con otro

tipo de configuraciones. En general esta práctica me sirvió para comprender mejor el comportamiento que tiene el PIC yobservar que se pueden realizar muchas por medio de estetambién aprendí que para todo circuito se debe de tenecuidado con lo que se está haciendo ya que nosotroscometimos el error de mandarle mucho voltaje al PIC lo cua

provocó que se quemara y nos retrasáramos.

Horacio Martínez:Después de estar varios días en el desarrollo del control deángulo de disparo por medio de un microcontrolador, quedclaro que la electrónica de potencia es muy importante dentrode la etapa de control de cualquier sistema, y también de quese puede manejar varios voltajes desde chicos hasta muygrandes, así como también CA como CD, es por eso que laelectrónica de potencia es importante para saber que podemodividir etapas de control y de potencia para controlar mejor esistema.

VI. BIBLIOGRAFIA.

y http://examenes.upa.edu.mx/moodle/file.php/24

81/ELECTRONICA_DE_POTENCIAS_DANIEL

_W._HART_.pdf

y http://www.unicrom.com/Tut_rectificador_media _onda.asp

y http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_b

sica/tema4/Paginas/Pagina5.htm

y http://www.unicrom.com/

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