LABORATORIO N 02 ELECTRONICA DE POTENCIA II

LABORATORIO N 02 ELECTRONICA DE POTENCIA IIUNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOINFORME PREVIOTEMA: INVERSORESPROFESOR: COEDOVA RUIZ RUSELO

GARAY LAZARINOS FRANZ ERICK 090045J01/09/2013

INVERSORESOBJETIVO: Conocer la configuracin de inversores de toma media y de puente monofsico, ventajas e inconvenientes. Implementar un inversor de puente monofsico empleando transistores y dispositivos semiconductoresMATERIAL:ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRONICA LABORATORIO N 02 ELECTRONICA DE POTENCIA II

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Computadora Personal Transistores: ECG 123 y ECG 159 Diodo 1N4004 / 1N4007 Compuerta TTL LS7404 Resistencia de 1k y 2k CI LM 555

DESCRIPCIN: estudie la teora del inversor monofsico de dos y cuatro interruptores

a) Inversor en medio puente: Ilustracin 1Durante los semiperiodos en que Q1 est excitado y saturado, la tensin en el extremo derecho de la carga es +Vs/2 respecto de la toma media de la batera, salvo cadas de tensin despreciables en el semiconductor. Durante los semiperiodos en que se excita Q2, la tensin en dicho extremo de la carga es Vs/2. La tensin resultante en la carga es una onda cuadrada de amplitud Vs/2.

El ngulo o periodo de conduccin de los diodos coincide con el argumento de la impedancia de carga, siendo nulo para una carga con cos = 1, en cuyo caso podran eliminarse los diodos. El mayor periodo de conduccin para los diodos y menor para los transistores se da con carga reactiva pura, tanto capacitiva como inductiva cos = 0, ambos periodos son de 90.

b) Puente Monofsico: Ilustracin 2Consta de dos ramas semiconductoras conectadas como se especifica en las Figuras 2 y 3; en estas figuras se han materializado los circuitos mediante transistores, a los cuales se han conectados diodos en antiparalelo para conducir la intensidad reactiva.Manteniendo excitados Q1 y Q4 (instante t1), el extremo X de la carga queda conectado al polo positivo de la batera y el extremo Y al polo negativo, quedando la carga sometida a la tensin Vs de la batera. Bloqueando Q1 y Q4 y excitando Q2 y Q3 (instante t3), la tensin en la carga se invierte. Haciendo esto de forma alternativa, la carga queda sometida a una tensin alterna cuadrada de amplitud igual a la tensin de la batera Vs, lo cual supone una ventaja con respecto al inversor con batera de toma media. En contrapartida, aqu se necesitan el doble de semiconductores que en dicha configuracin.

Ilustracin 3: Formas de Onda en la cargaEn la Figura 3 se muestran los perodos de conduccin, la forma de onda en la carga y los elementos que atraviesa la corriente en cada intervalo de tiempo. Para el instante t2 la carga tendr una tensin positiva en el extremo Y y negativa en el X, por tanto, sta se descargar a travs de los diodos D2 y D3 cediendo potencia a la batera; en el instante t4 la tensin en la carga es la contraria que en el instante t2 y por tanto conducen los diodos D1 y D4. En ambos intervalos de tiempo se libera la energa reactiva acumulada en la carga durante los instantes t1 y t3 respectivamente. Estudie la utilizacin del transistor como interruptor y su especificacin por prdidasEl transistor puede actuar como interruptor, es decir tiene aplicacin de conmutacin en control de rels, fuentes de alimentacin conmutadas, control de lmparas, modulacin por ancho de pulso (PWM), etc. Este interruptor puede controlarse por corriente o por tensin (Bipolar o de Efecto de Campo).Para el caso de los transistores bipolares debemos mencionar que en modo interruptor se identifican dos estados del transistor: en saturacin y en corte. En el primero de ellos el transistor deja pasar la corriente de Colector a Emisor (NPN); en corte no deja pasar la corriente. Por esta razn los transistores constituyen el principio bsico para realizar operaciones lgicas y por ende compuertas lgicas.Cuando el transistor acta como interruptor las prdidas son despreciables, sin embargo debemos tomar en cuenta los efectos de tiempos de conmutacin:a) Tiempo de retardo (delay time) td.- Intervalo de tiempo entre el punto correspondiente al instante de aplicacin de la seal de entrada y el punto en que la seal de salida toma el 10% de su valor final. Este tiempo de retraso se debe principalmente a dos factores:

b) Cuando un transistor acta como conmutador, se lo polariza para llevarlo al corte, con lo cual la capacidad de la juntura base-emisor se carga a ese valor de tensin negativa; por tal razn para pasarlo a la conduccin (saturacin) se necesita de cierto tiempo para descargar y cargar ese condensador.

c) Tiempo de subida o crecimiento (rise time) tr.- Intervalo de tiempo entre los puntos correspondientes al 10 y 90% de la forma de onda ascendente de la corriente de colector. El tiempo de crecimiento es una funcin de la frecuencia de corte alfa, f; y tambin depende inversamente de la cantidad de corriente de apertura; mientras mayor sea la corriente de apertura, menor ser el tiempo de crecimiento.d) Tiempo de almacenamiento (storage time) ts: Intervalo de tiempo entre el instante en que la tensin de entrada comienza el descenso y el punto correspondiente al 90% de la forma de onda descendente de la corriente de colector. El tiempo de almacenamiento es una funcin de hfe, y de las corrientes de apertura y cierre. La no respuesta del transistor durante el tiempo ts a la anulacin de la excitacin, se debe a que el transistor en saturacin tiene una carga en exceso de portadores minoritarios almacenados en la base. El transistor no puede responder hasta que ese exceso de carga de saturacin se haya eliminado. En el caso extremo este tiempo ts puede ser de dos a tres veces el tiempo de subida o de bajada a travs de la regin activae) Tiempo de cada (fall time) tf.- Intervalo de tiempo entre los puntos correspondientes al 90 y 10% de la forma de onda descendente de la corriente de colector. f) Tiempo de conexin o encendido TON = td + tr.- Resulta de la suma de los tiempos de retardo td y de subida tr. Es el tiempo total para pasar del corte a la saturacin.g) Tiempo de desconexin o apagado TOFF = ts + tf.- Es la suma de los tiempos de almacenamiento ts ms el de cada tf. Es el tiempo total para pasar de la saturacin al corte. h) Tiempo total de conmutacin TT = (td + tr) + (ts + tf) = TON + TOFF

Ilustracin 4: Tiempos de conmutacin del Transistor explique el impacto de la variacin del ndice de modulacin de amplitud y frecuencia en el control de inversores desde el punto de vista de: valor efectivo de la fundamental de tensin y espectro armnico de tensin.Una de las principales desventajas de los inversores de onda cuadrada es el elevado valor del 3er armnico de la tensin de salida. Para mejorar la calidad de la onda de salida, y por tanto que haya un THD (Distorsin Armnica Total) menor, se puede modificar la forma de onda variando el esquema de conmutacin de los transistores. El nuevo orden de conmutacin es el siguiente.

Ilustracin 5: Control de armnicos y amplitudLa modulacin por anchura de pulsos (PWM) permite reducir el THD de la corriente de salida, por lo que se reduce el tamao del filtro de salida. Con esta modulacin se permite un control de la amplitud del armnico fundamental de la tensin de salida. Existen dos esquemas bsicos de conmutacin: PWM Bipolar y PWM Unipolar. En ambos esquemas se requieren las siguientes seales:1. Seal de referencia, control o moduladora (sinusoide)2. Seal portadora (triangular)

ndice de modulacin de frecuencia (mf).- la serie de Fourier de la tensin de salida PWM tiene una frecuencia fundamental que es la misma que la seal de referencia. Las frecuencias armnicas existen en y alrededor de los mltiplos de la frecuencia de conmutacin. Los valores de algunos armnicos son bastante grandes, a veces mayores que la componente fundamental. Como estos armnicos se encuentran en frecuencias altas, para eliminarles puede bastar un simple filtro pasa bajo. El ndice de modulacin se define como la relacin entre las frecuencias de las seales portadora y de referencia.

ndice de amplitud (ma).- se define como la relacin entre las amplitudes de las seales de referencia y modulada

explique el funcionamiento del inversor tipo puente h:El circuito a sujeto a experimento en este laboratorio es el siguiente. Debemos aclarar que se estn empleando transistores equivalente con fines de simulacin: ECG123 (2N3904) y ECG159 (2N3906).

Ilustracin 6Bsicamente el funcionamiento de este tipo de inversor se realizo en la primera pregunta, sin embargo haremos un pequeo resumen:El circuito consta de dos ramas semiconductoras conectadas como se indica en la figura anterior. Existe una seal de generacin que conmutar cada 1kHz permitiendo que acten de manera alternada los transistores Q4 y Q8 (las bases de ambos estn siendo negadas con una compuerta 7404) de manera tal que en un intervalo los transistores Q3 y Q7 se saturen y polaricen de manera positiva a la carga (Vs = 48 V provenientes de la batera), en el otro intervalo Q3 y Q7 pasan a corte y Q5 y Q6 pasan a la saturacin polarizando de manera inversa a la carga (Vs = -48 V provenientes de la batera). Realizando este proceso de manera alternativa, la carga que sometida a una tensin alterna cuadrada (dependiendo de la carga) de amplitud igual a la tensin de la batera Vs.Con respecto a este punto de la carga, debemos entender que si contamos con una puramente resistiva no ser necesario colocar los diodos por los cuales circulan corriente reactiva. Los diodos precisamente permiten descargar corriente cediendo potencia a la batera, tambin actan de manera alterna como se observ en la figura 3.Empleando el Simulador Proteus ISIS observaremos las seales de salida obtenidas de acuerdo a la carga resistiva de 10k.

Ilustracin 7: Seales del generador y extremos de la carga A y B

Ilustracin 8: Seales del generador y tensin de salida en la carga (Vs)Las figuras anteriores muestran las seales obtenidas en el simulador: La figura 7 muestra en primer lugar la seal proveniente del generador a 5 voltios, con Duty cicle = 50% y con f=1kHz, esta seal permitir alternar los transistores que habilitarn el puente H para obtener la seal de salida alterna. Adems en este figura observamos las seales de cada extremo de la carga, ambas de 48 voltios (Vs) aunque desfasadas 180. La figura 8 muestra la seal de salida Vo en la carga producto de la diferencia de VA VB, con lo cual obtenemos una seal alterna de 48 voltios.Por otro lado para explicar este punto mencionaremos algunas de los frmulas empleadas en el anlisis de inversores del tipo puente H.El valor medio de la intensidad conducida por cada transistor es:

El valor medio de la intensidad en cada diodo es:

La corriente media entregada al circuito es la circula por los transistores menos la de los diodos:

Por otra parte la tensin eficaz de salida viene dada por:

La tensin instantnea de salida en serie de Fourier:

Para n=1 tenemos el valor de la tensin eficaz de la componente fundamental:

La intensidad instantnea de salida para una carga RLC ser:

Si es la intensidad eficaz del fundamental en la carga, la potencia a la salida es:

La distorsin armnica total est dada por:

La tensin eficaz de todos los armnicos exceptuando el fundamental y el factor de distorsin:

evale las perdidas elctricas sobre los transistores principales del circuito y verifique sus especificaciones de potencia.En el apartado anterior empleamos una carga puramente resistiva para obtener la tensin de salida cuadrada alterna. Ahora para realizar el anlisis de las especificaciones de potencia y valores elctricos acorde a las frmulas mencionadas tambin en el punto anterior, emplearemos una carga RLC de: R=10, L=31.5mH, C=112uF, con una batera de 220 voltios.

Ilustracin 9: .- Inversor con carga RLCHallaremos entonces las especificaciones elctricas:a) Corriente instantnea de salida en series de Fourier: para lo cual necesitamos calcular las impedancias de cada armnico y las tensiones instantneas:

b) Ahora hallamos el valor eficaz de la intensidad total en la carga y la debida al primer armnico:

Considerando hasta el quinto armnico, la corriente de pico en la carga ser:

c) La ditorsin armnica total de la corriente de carga:

d) Potencia activa en la carga y la fundamental

e) La intensidad media que suministra la fuente es:

f) Segn el apartado b tendremos una intensidad de pico por los transistores:

Como cada rama conduce el 50% de cada periodo tenemos:

Empleando nuevamente el mismo simulador obtendremos la siguiente seal de salida:

Ilustracin 10: Seal de salida del inversor con carga RLCDe acuerdo a la figura anterior podemos inferir que la carga RLC colocada permite el comportamiento de manera cuasi sinusoidal de la seal de salida. Esta seal de acuerdo a nuestros clculos antes mostrados posee una tensin de 220 Voltios y una frecuencia de 1kHz. Aclaramos tambin que para lograr una seal senoidal pura podemos emplear filtros que permitirn anular el efecto de algunos armnicos; as mismo podemos realizar diseos para frecuencias variables. plantee las modificaciones del circuito para sustituir la compuerta negadora por un transistor en esta misma configuracin y el generador de seales por un reloj lm 555 ajustado a 1khz y un ciclo de trabajo del 50%.Para este punto emplearemos el primer circuito diseado, sin embargo tal como indica el enunciado en lugar de usar una compuerta negadora para la conmutacin, emplearemos un transistor con la configuracin adecuada para obtener los mismos fines. Adems debemos aclarar que la variacin mnima que se produce por esta modificacin es en cuanto a la conmutacin en s con efectos como tiempos de retardo, etc., que dependen de la hoja tcnica de los dispositivos a emplear. Por otro lado la inclusin del timer 555 se realizar de manera prctica en el laboratorio.

Ilustracin 11: Circuito donde se sustituye compuerta negadora por transistor

Ilustracin 12: Seal alterna de salidaconclusiones: Existen diversas configuraciones para realizar inversores, depende de cada diseador emplear una u otro de acuerdo a sus necesidades. Algunos puntos que podran ser de inters son que por ejemplo que en la de toma media se necesitan emplear dos fuentes, aunque solo dos transistores; mientras que en la de puente H si bien es cierto se necesita solo una fuente de alimentacin, en cuanto a dispositivos tenemos que emplear el doble al caso anterior.

Los diodos poseen una funcin determinada en los circuitos inversores, bsicamente se encargan del retorno de la corriente reactiva a la fuente, de no ser colocados en el circuito se podran obtener dificultades y pese a realizar un buen diseo, la simulacin mostrara errores.

En cuanto al empleo de transistores en modo de conmutacin debemos tener en cuenta las especificaciones por prdidas que se presenten para garantizar el ptimo diseo de nuestro inversor

Muchas veces la velocidad de conmutacin de transistores es un problema, en tales casos se puede emplear un condensador en paralelo a base.

Tal y como se experiment en el ltimo punto depende de las frecuencias a las que se trabajen para saber si emplear transistores o circuitos integrados.