ControldeMotoresdeCorrienteDirecta

Control de Motores de Corriente DirectaProyecto de Titulación Presentado por: Emmanuel Soto Loera Iván Alejandro Faudoa Díaz Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación Asesor MC. Jorge Arturo Perez Venzor UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ 2 Noviembre del 2007 3 Índice INTRODUCCION……………………………………………………………………… 6 CAPITULO 1………………………………………………………………………...... 8 1.1 Historia de la UACJ……………………………………………………………... 8 1.2 Misión y Visión de la UACJ…………………………………………………….. 9 CAPITULO 2…………………………………………………………………………...10 2.1 Componentes de un motor de CD……………………………………………..10 2.2 Tipos de motores de CD………………………………………………………..11 2.3 Control de motores de CD………………………………………………………12 CAPITULO 3…………………………………………………………………………...14 3.1 Descripción del PIC……………………………………………………………...14 3.2 PIC 16F877……………………………………………………………………….16 3.2.1 Características……………………………………………………………….16 3.2.2 Descripción de los Puertos…………………………………………………17 3.2.3 Descripción de Pines………………………………………………………..19 CAPITULO 4…………………………………………………………………………...23 4.1 Diodos de Potencia……………………………………………………………...23 4.1.1 Diodos de Propósito General………………………………………………24 4.1.2 Diodos de Recuperación Rápida…………………………………………..25 4.1.3 Diodos Schottky……………………………………………………………..25 4.2 Tiristores………………………………………………………………………….26 4.2.1 Triac…………………………………………………………………………..27 4.3 Opto Acopladores………………………………………………………………..29 4.4 Encoder…………………………………………………………………………...30 CAPITULO 5…………………………………………………………………………...33 5.1 Fusibles…………………………………………………………………………...33 5.2 Disipadores……………………………………………………………………….34 CAPITULO 6…………………………………………………………………………...36 6.1 Definición de un Transformador………………………………………………..36 6.2 Breve Historia del Transformador……………………………………………...37 6.3 Funcionamiento de un Transformador………………………………………...37 6.4 Aplicaciones de un Transformador…………………………………………….39 CAPITULO 7…………………………………………………………………………...41 7.1 Desarrollo del Proyecto…………………………………………………………41 7.1.1 Características del Motor a Controlar…………………………………….42 7.1.2 Elección de Tiristores como Dispositivo de Control de Potencia……...42 7.1.3 Calculo de la Disipación-Elección del Disipado…………………………42 4 7.1.4 Calculo del Diodo de Conmutación……………………………………….44 7.1.5 Verificación del Disipador (T a =55°C)……………………………………..44 7.1.6 Diodos Rectificadores……………………………………………………...45 7.1.7 Calculo de Temperatura de la Juntura…………………………………...45 7.1.8 Buffer de Disparo…………………………………………………………...46 7.1.9 Capacitor del Filtro de Alimentación de 5 V……………………………..46 7.1.10 Potencias en el Transformador…………………………………………..47 7.1.11 Calculo del Elemento Fusible…………………………………………….47 7.2 Diagrama de Bloque………………………………………………………………48 7.2.1 Circuitos Periféricos Integrados al PIC……………………………………49 7.2.2 Características del Hardware del Controlador…………………………...49 7.2.3 Características del Software del Controlador…………………………….49 CONCLUSIONES……………………………………………………………………...50 BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………...52 DEFINICION DE TERMINOS………………………………………………………...54 5 Resumen Este proyecto lo realizamos debido a que es un tema interesante, el cual no se maneja mucho en el área de ingeniería eléctrica y en el laboratorio de eléctrica no se cuenta con este tipo de material. El llevar acabo este proyecto nos brindara un conocimiento adicional sobre el control de un motor de CD, mediante nueva y avanzada tecnología, tal es el caso de un microcontrolador como el PIC 16F877, que mencionaremos con detalle en el proyecto a realizar. Este PIC será programarlo previamente en C, C++, Basic, o algún otro programa de lenguaje ensamblador para su adecuado funcionamiento. Las instrucciones necesarias para el funcionamiento del proyecto pueden ser insertadas por medio de un teclado de acuerdo al funcionamiento que se le quiera dar al motor. La idea es poder controlar las revoluciones por minuto, el tiempo de funcionamiento, y dirección de giro del motor, etc. La ventaja de este dispositivo es que le podemos dar diferentes instrucciones para que realice el trabajo solicitado, o que le convenga más al usuario sin tener que modificar el circuito. Además de que será utilizado en el laboratorio de eléctrica de nuestra institución (UACJ) para futuras practicas. Y como no tenemos este tipo de equipo en el laboratorio pues será una novedad y los estudiantes podrán tener mas equipo de donde apoyarse y practicar. 6 Introducción Vivimos en la era tecnológica en donde los avances se dan todos los días. En las ultimas décadas el control de motores de baja y mediana potencia se ve dominado por la electrónica de potencia y no solo eso si no que en el control de potencia y la conversión de energía. En la electrónica de potencia se combinan la potencia, la electrónica y el control. En los últimos años en el área de control de motores se esta implementando el control por medio de microcontroladores y es importante que nos mantengamos al margen con las mejoras tecnológicas. Por lo tanto este proyecto se deriva de la falta de controladores por medio de microcontroladores PIC (Controlador de Interfaz Periférico) en el laboratorio de eléctrica de la UACJ. En este laboratorio se cuenta con diferente equipo para realizar prácticas en clases como electrónica de potencia y electrónica industrial, pero no se cuenta con este tipo de control que es por medio de microcontroladores PIC el cual día a día es más utilizado y sería importante que los alumnos de ingeniería eléctrica aprendieran el funcionamiento de estos. El objetivos general es el diseñar un controlador para motores de corriente directa de ¼ HP en la que la etapa de control sea con un microcontrolador PIC. Para lograr este objetivo se tendrá que llevar acabo lo siguiente, conocer los diferentes microcontroladores que existen en el mercado y cuales se adecuan para el control de motores de CD de ¼ Hp. Comprender el funcionamiento de estos microcontroladores y sus mejoras en el control de 7 motores. Diseñar un controlador de motores de CD con base en electrónica de potencia y el control por medio de un microcontrolador. Al final de esta investigación se responderán las siguientes preguntas: ¿Qué ventajas tenemos al utilizar un PIC 16F877? ¿Por qué es adecuado para el campo de ingeniería eléctrica el aprender a utilizar PICs? ¿Como se relacionan los conocimientos teóricos y prácticos necesarios? Esta investigación vale la pena porque los PICs son cada día mas utilizados en el control de motores. A los futuros ingenieros eléctricos les será de utilidad conocer el funcionamiento de estos elementos para poder utilizarlos óptimamente. Esta investigación implica al laboratorio de ingeniería eléctrica ubicado en el IIT de la UACJ y a la materia de electrónica de potencia que son los que utilizaran este controlador. Los beneficiados de esta investigación son los estudiantes de ingeniería eléctrica que se interesan por la electrónica de potencia y el control de motores. La universidad se beneficia de alguna manera ya que puede contemplar la posibilidad de adquirir controladores de este tipo o agregar este tema de control al programa de ingeniería eléctrica en el futuro. En este proyecto se va a diseñar un controlador para los motores de corriente directa de ¼ HP el cual se adecua para utilizarlo en prácticas de laboratorio para clases como electrónica de potencia y electrónica industrial. Para comprobar su funcionamiento se simulara con el programa MPLABsim, Multisim o cualquier otro programa similar. Por falta de tiempo el diseno no se implementara pero se espera que en un futuro alguien interesado retome la investigación y termine el proyecto. 8 Capitulo 1 1.1 Historia de la UACJ El día 28 de enero de 1973 cristalizó uno de los anhelos de la comunidad juarense al ser colocada la primera piedra de lo que actualmente conocemos como Universidad Autónoma de Ciudad Juárez. Se concluyeron los trabajos presentándose al Congreso del Estado el anteproyecto, culminando esta actividad el día 10 de Octubre de 1973, fecha en la que el H. Congreso del Estado creó jurídicamente la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, ello en virtud del decreto Número 346-73. El primer rector fue René Franco Barreno. En Octubre de 1981 Se construye para el IIA un edificio con dieciséis aulas; también una biblioteca y tres laboratorios para los talleres de Hidráulica, Eléctrica y Resistencia de Materiales. En Marzo de 1994 se divide el Instituto de Ingeniería y Arquitectura (IIA) en los Institutos de Ingeniería y Tecnología (IIT), y Arquitectura, Diseño y Arte (IADA). El actual laboratorio de eléctrica se inauguró en Agosto del 2005, su localización esta indicada por la flecha azul. 9 Fig. 1.1 – Plano de IIT 1.2 Misión y Visión de la UACJ La misión de la UACJ es de crear, transmitir, ampliar y difundir el conocimiento; conservar y consolidar los valores que fortalecen la identidad cultural del país, la convivencia humana y la preservación del medio ambiente, para formar de manera integral ciudadanos y profesionales competitivos, críticos, comprometidos con la sociedad, a través de programas y proyectos académicos de calidad, relevantes al entorno regional, nacional e internacional, sustentados en cuerpos académicos consolidados y en una organización e infraestructura cuya eficiencia e idoneidad se encuentra certificada. La visión es dar continuidad al reconocimiento social a la calidad con la que la institución realiza sus funciones sustantivas, sustentada en una normatividad congruente actualizada, en procesos de planeacion y evaluación participativa y en una organización académica departamental. A la capacidad y competencia de su profesorado integrado en cuerpos académicos consolidados en proceso de consolidación. A la pertinencia, eficiencia y calidad de sus programas académicos. A la competencia y aceptación de sus egresados con una formación integral lograda a través de la innovación y de un modelo educativo de aprendizaje centrado en el alumno. A la relevancia e impacto de sus resultados de investigación y sus programas de extensión universitaria en el mejoramiento de la comunidad y del estado. 10 Capitulo 2 Motores de CD 2.1 Componentes Un motor de corriente directa cuenta con una armadura, cepillos, conmutador y bobinas de campo La armadura es el conductor giratorio en un motor de CD Los cepillos son componentes estacionarios del conmutador, que suministran corriente a los segmentos rotatorios del conmutador El Conmutador es un dispositivo utilizado en un motor CD para revertir la corriente en la armadura cada media rotación de tal manera que los campos magnéticos funcionen juntos para mantener la rotación Las bobinas de Campo son los devanados estacionarios del motor CD que generan el campo electromagnético. 11 Fig. 2.1 - Un Motor CD Cuadripolar Típico, Armado y Desarmado Obsérvese que muchas vueltas (o devanados) se utilizan para conformar los polos de campo. Entre mayor son los polos, más fuerte es el campo. Entre mayor es el número de devanados utilizados en un motor CD, más suavemente funcionará el motor. Sin embargo, el número de devanados de campo debe siempre ser par. Cada conjunto de devanados consiste de un polo Norte y un polo Sur. La dirección de rotación de un motor CD puede ser invertida utilizando uno de los métodos siguientes: - Inversión de la dirección de la corriente a través del campo - Inversión de la dirección de la corriente a través de la armadura El estándar industrial es la inversión de la corriente a través de la armadura. Esto se logra invirtiendo solamente las conexiones de la armadura. 2.2 Tipos de Motores CD 12 Existen básicamente tres tipos de motores de CD: El Motor de Devanado en Serie, el Motor de Devanado en Derivación, y el Motor Compuesto. Interna y externamente, son prácticamente iguales. La diferencia entre ellos es la forma del alambrado de los circuitos de devanado de campo y devanado de armadura. El motor de devanado en serie (Figura 2,2) tiene el devanado de campo alambrado en serie con la armadura. Se conoce también como motor universal puesto que puede utilizarse tanto en aplicaciones CD como CA. Tiene un alto par de arranque y una característica de velocidad variable. El motor puede arrancar cargas pesadas, pero la velocidad se eleva conforme se reduce la carga. Fig. 2.2 - Motor de Devanado en Serie CD: Diagrama Esquemático y de Alambrado El motor de devanado en derivación (Figura 2.3) tiene los circuitos de armadura y campo alambrados en paralelo, proporcionando una fuerza de campo y velocidad de motor esencialmente constantes. Fig. 2.3 - Motor de Devanado en Derivación CD: Diagrama Esquemático y de Alambrado 13 El motor compuesto (Figura 2.4) combina las características de los motores de devanado en derivación y de devanado en serie. Un motor compuesto tiene un alto par de arranque y características relativamente buenas de par de velocidad a carga nominal. Debido a que se requieren de circuitos complicados para controlar los motores compuestos, este arreglo de alambrado se utiliza habitualmente solamente en grandes motores bi-direccionales. Fig.2.4 - Motor Compuesto CD: Diagrama Esquemático y de Alambrado 2.3 Control de Motores La velocidad de un motor de cd puede variarse mediante el cambio de una de las variables de la ecuación fundamental de la velocidad. Los siguientes son métodos utilizados para el control de la velocidad de un motor de CD. 1. Modificación del flujo de excitación, por medio de un reóstato variable serie o shunt. Este método se conoce como control de campo. 2. Variación de la tensión en bornes del inducido mediante el empleo de una de la resistencia del inducido. 3. Variación de la tensión en bornes del inducido, y la corriente en el mismo, mediante combinación de dos resistencias variables en paralelo y en serie con el inducido. Este método se denomina control de la resistencia serie y shunt del inducido. 4. empleo de una fuente controlada de tensión de CD variable para modificar la tensión, en bornes del inducido de un motor de excitación independiente. Este método se conoce como control de la tensión de inducido. 14 Capitulo 3 Microcontroladores PIC 3.1 Descripción Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y Unidades de E/S, es decir, se trata de un computador completo en un solo circuito integrado. La unidad central de procesamiento, CPU, ó simplemente el procesador. Es el componente en una computadora digital que interpreta las instrucciones y procesa los datos contenidos en los programas de computadora. Un circuito integrado (CI) o chip, es una pastilla muy delgada en la que se encuentran una enorme cantidad (del orden de miles o millones) de dispositivos microelectrónicos interconectados, principalmente diodos y transistores, además de componentes pasivos como resistencias o condensadores. Su área es de tamaño reducido (del orden de 2cm o inferior). Algunos de los circuitos 15 integrados más avanzados son los microprocesadores, que son usados en múltiples artefactos, desde computadoras hasta electrodomésticos, pasando por los teléfonos móviles. Los 'PIC' son una familia de microcontroladores tipo RISC fabricados por Microchip Technology Inc. y derivados del PIC1650, originalmente desarrollado por la división de microelectrónica de General Instruments. El nombre actual no es un acrónimo. En realidad, el nombre completo es PICmicro, aunque generalmente se utiliza como Peripheral Interface Controller (Controlador de Interfaz Periférico). Fig.3.1 – Microcontroladores PIC Los viejos PICs con memoria PROM o EPROM se están renovando gradualmente por chips con memoria Flash. Así mismo, el juego de instrucciones original de 12 bits del PIC1650 y sus descendientes directos ha sido suplantado por juegos de instrucciones de 14 y 16 bits. Microchip todavía vende versiones PROM y EPROM de la mayoría de los PICs para soporte de aplicaciones antiguas o grandes pedidos. Algunos de los PICs mas utilizados son: - PIC12C508/509 (encapsulamiento reducido de 8 pines, oscilador interno, popular en pequeños diseños como el iPod remote) - PIC16F84 (Considerado obsoleto, pero imposible de descartar y muy popular) - PIC16F84A (Buena actualización del anterior, algunas versiones funcionan a 20 MHz, compatible 1:1) 16 - PIC12F629/675 - PIC16F628 - La familia PIC16F87X (los hermanos mayores del PIC16F84, con cantidad de mejoras incluidas en hardware. Bastante común en proyectos de aficionados) - PIC18F452 3.2 PIC 16F877 En este proyecto se utilizo el PIC 16F877. Este microcontrolador es fabricado por MicroChip familia a la cual se le denomina PIC. El modelo 16F877 posee varias características que hacen a este microcontrolador un dispositivo muy versátil, eficiente y practico para ser empleado en la aplicación que posteriormente será detallada. Algunas de estas características se muestran a continuación: - Soporta modo de comunicación serial, posee dos pines para ello. - Amplia memoria para datos y programa. - Memoria reprogramable: La memoria en este PIC es la que se denomina FLASH; este tipo de memoria se puede borrar electrónicamente (esto corresponde a la "F" en el modelo). - Set de instrucciones reducidas (tipo RISC), pero con las instrucciones necesarias para facilitar su manejo. 3.2.1 Características En la siguiente tabla de pueden observar las características más relevantes del dispositivo: CARACTERÍSTICAS 16F877 Frecuencia máxima DX-20MHz 17 Memoria de programa flash palabra de 14 bits 8KB Posiciones RAM de datos 368 Posiciones EEPROM de datos 256 Puertos E/S A, B, C, D, E Número de pines 40 Interrupciones 14 Timers 3 Módulos CCP 2 Comunicaciones Serie MSSP, USART Comunicaciones paralelo PSP Líneas de entrada de CAD de 10 bits 8 Juego de instrucciones 35 Instrucciones Longitud de la instrucción 14 bits Arquitectura Harvard CPU Risc Canales Pwm 2 Pila Harware - Ejecución En 1 Ciclo Máquina - 3.2.2 Descripción de los puertos Puerto A: - Puerto de e/s de 6 pines - RA0 è RA0 y AN0 - RA1 è RA1 y AN1 - RA2 è RA2, AN2 y Vref- 18 - RA3 è RA3, AN3 y Vref+ - RA4 è RA4 (Salida en colector abierto) y T0CKI(Entrada de reloj del modulo Timer0) - RA5 è RA5, AN4 y SS (Selección esclavo para el puerto serie síncrono) Puerto B: - Puerto e/s 8 pines - Resistencias pull-up programables - RB0 è Interrupción externa - RB4-7 è Interrupción por cambio de flanco - RB5-RB7 y RB3 è programación y debugger in circuit Puerto C: - Puerto e/s de 8 pines - RC0 è RC0, T1OSO (Timer1 salida oscilador) y T1CKI (Entrada de reloj del modulo Timer1). - RC1-RC2 è PWM/COMP/CAPT - RC1 è T1OSI (entrada osc timer1) - RC3-4 è IIC - RC3-5 è SPI - RC6-7 è USART Puerto D: - Puerto e/s de 8 pines - Bus de datos en PPS (Puerto paralelo esclavo) 19 - Puerto E: - Puerto de e/s de 3 pines - RE0 è RE0 y AN5 y Read de PPS - RE1 è RE1 y AN6 y Write de PPS - RE2 è RE2 y AN7 y CS de PPS Dispositivos periféricos: - Timer0: Temporizador-contador de 8 bits con preescaler de 8 bits - Timer1: Temporizador-contador de 16 bits con preescaler que puede incrementarse en modo sleep de forma externa por un cristal/clock. - Timer2: Temporizador-contador de 8 bits con preescaler y postescaler. - Dos módulos de Captura, Comparación, PWM (Modulación de Anchura de Impulsos). - Conversor A/D de 1 0 bits. - Puerto Serie Síncrono Master (MSSP) con SPI e I 2 C (Master/Slave). - USART/SCI (Universal Syncheronus Asynchronous Receiver Transmitter) con 9 bit. - Puerta Paralela Esclava (PSP) solo en encapsulados con 40 pines 3.2.3 Descripción de Pines NOMBRE DEL PIN PIN TIPO TIPO DE BUFFER DESCRIPCIÓN OSC1/CLKIN 13 I ST/MOS Entrada del oscilador de cristal / Entrada de señal de reloj externa OSC2/CLKOUT 14 O - Salida del oscilador de cristal 20 MCLR/Vpp/THV 1 I/P ST Entrada del Master clear (Reset) o entrada de voltaje de programación o modo de control high voltaje test RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/ Vref- RA3/AN3/Vref+ RA4/T0CKI RA5/SS/AN4 2 3 4 5 6 7 I/O I/O I/O I/O I/O I/O TTL TTL TTL TTL ST TTL PORTA es un puerto I/O bidireccional RAO: puede ser salida analógica 0 RA1: puede ser salida analógica 1 RA2: puede ser salida analógica 2 o referencia negativa de voltaje RA3: puede ser salida analógica 3 o referencia positiva de voltaje RA4: puede ser entrada de reloj el timer0. RA5: puede ser salida analógica 4 o el esclavo seleccionado por el puerto serial síncrono. RBO/INT RB1 RB2 RB3/PGM RB4 RB5 RB6/PGC RB7/PGD 33 34 35 36 37 38 39 40 I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O TTL/ST TTL TTL TTL TTL TTL TTL/ST TTL/ST PORTB es un puerto I/O bidireccional. Puede ser programado todo como entradas RB0 pude ser pin de interrupción externo. RB3: puede ser la entada de programación de bajo voltaje Pin de interrupción Pin de interrupción Pin de interrupción. Reloj de programación serial RCO/T1OSO/T1CKI 15 I/O ST PORTC es un puerto I/O 21 RC1/T1OS1/CCP2 RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL RC4/SD1/SDA RC5/SD0 RC6/Tx/CK RC7/RX/DT 16 17 18 23 24 25 26 I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O ST ST ST ST ST ST ST bidireccional RCO puede ser la salida del oscilador timer1 o la entrada de reloj del timer1 RC1 puede ser la entrada del oscilador timer1 o salida PMW 2 RC2 puede ser una entrada de captura y comparación o salida PWN RC3 puede ser la entrada o salida serial de reloj síncrono para modos SPI e I2C RC4 puede ser la entrada de datos SPI y modo I2C RC5 puede ser la salida de datos SPI RC6 puede ser el transmisor asíncrono USART o el reloj síncrono. RC7 puede ser el receptor asíncrono USART o datos síncronos 22 RD0/PSP0 RD1/PSP1 RD2/PSP2 RD3/PSP3 RD4/PSP4 RD5/PSP5 RD6/PSP6 RD7/PSP7 19 20 21 22 27 28 29 30 I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O ST/TTL ST/TTL ST/TTL ST/TTL ST/TTL ST/TTL ST/TTL ST/TTL PORTD es un puerto bidireccional paralelo REO/RD/AN5 RE1/WR/AN RE2/CS/AN7 8 9 10 I/O I/O I/O ST/TTL ST/TTL ST/TTL PORTE es un puerto I/O bidireccional REO: puede ser control de lectura para el puerto esclavo paralelo o entrada analógica 5 RE1: puede ser escritura de control para el puerto paralelo esclavo o entrada analógica 6 RE2: puede ser el selector de control para el puerto paralelo esclavo o la entrada analógica 7. Vss 12.31 P - Referencia de tierra para los pines lógicos y de I/O Vdd 11.32 P - Fuente positiva para los pines lógicos y de I/O NC - - - No está conectado internamente 23 Capitulo 4 Dispositivos Semiconductores de Potencia 4.1 Diodos de Potencia Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones: son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo. Es un dispositivo de union pn con dos terminales. Una unión pn se forma, en el caso norma, por aleación, difusión y crecimiento epitaxial. Las tecnicas modernas de control de los procesos de difusión y epitaxiales permiten obtener las características deseadas en el dispositivo. Cuando el potencial es positivo con respecto al cátodo, se dice que el diodo esta polarizado directo y conduce electricidad. Un diodo conductor tiene una caída directa de voltaje a través de el relativamente pequeña; la magnitud de esta caída depende del proceso de manufactura y de la temperatura de la unión. Cuando el potencial del cátodo es positivo con respecto al del ánodo, se 24 dice que el diodo esta polarizado inverso. Bajo condiciones de polarizacion inversa, pasa una corriente pequeña inversa en del orden de micro o miliamperes; esta corriente de fuga aumenta de magnitud en forma paulatina hasta que se llega al voltaje de avalancha o de Zener. Para mayor parte de los fines prácticos, se pude considerar que un diodo es un interruptor ideal. Fig. 4.1 - Diodos Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas. Los diodos de potencia se pueden clasificar dentro de diodos de propósito general, diodos de recuperación rápida y diodos Schottky. 4.1.2 Diodos de propósito general Los diodos rectificadores de propósito general tienen un tiempo de recuperación inversa relativamente grande, en el caso típico de unos 25 μs, y se usan en aplicaciones de baja velocidad, donde no es critico el tiempo de recuperación. Esos Diodos cubren especificaciones de corriente desde menos de 1 A y hasta varios miles de amperes, y las especificaciones de voltaje van de 50 V hasta 5 KV. En general esos diodos se fabrican por difusión. Sin embargo, los tipos de rectificadores de aleación que se usan en las fuentes de poder para soldar, son lo mas económicos y robustos, y sus capacidades pueden llegar hasta 1500 V, 400 A. 25 Existen dos configuraciones de los diodos de propósito general que casi siempre caen en dos tipos: uno se llama tipo perno, o montado en perno, espiga o terminal; el otro se llama tipo de disco, paquete prensado o puck de hockey, En un diodo del tipo montado en perno, el ánodo o el cátodo puede ser el perno. 4.1.3 Diodos de recuperación rápida Los diodos de recuperación rápida tienen tiempo de recuperación corto, en el caso normal menor que 5 μs. Se usan en circuitos convertidores de cd a cd y de cd a ca, donde con frecuencia la velocidad de conmutación tiene importancia critica. Esos diodos abarcan especificaciones actuales de voltaje desde 50 V hasta unos 3 KV, y de menos de 1 A hasta cientos de amperes. Para voltajes nominales mayores que 400 V, los diodos de recuperación rápida se suelen fabricar por difusión, y el tiempo de recuperación se controla por difusión, y el tiempo de recuperación se controla por difusión de platino o de oro. Para especificaciones de voltaje menores que 400 V, los diodos epitaxiales proporcionan velocidades mayores de conmutación que las de los diodos por difusión. Los diodos epitaxiales son angostos de la base, lo que da como resultado un tiempo corto de recuperación tan corto como 50 ns. 4.1.4 Diodos Schottky El problema de almacenamiento de carga de una unión pn se puede eliminar o minimizar en un diodo de Schotttky. Esto se logra estableciendo un potencial de barrera con un contacto entre un metal un semiconductor. Se deposita una capa de metal sobre una capa delgada eptaxial de silicio tipo n, La barrera de potencial simula el comportamiento de una unión pn. La acción rectificadores solo depende de los portadores de mayoría, y en consecuencia no queda exceso de portadores de minoría que se recombinen. E efecto de 26 recuperación solo se debe a la capacitancia propia de la unión del semiconductor. La carga recuperada de un diodo Schottky es mucho menor que la de un diodo equivalente de unión pn. Ya que eso solo se debe a ala capacitancia de la unión, es bastante independiente de la di/dt inversa. Un diodo de Schottky tiene una caída de voltaje relativamente baja en sentido directo. La corriente de fuga de un diodo Schottky es mayor que la de un diodo de unión pn. Un diodo Schottky con voltaje de conducción relativamente bajo tiene una corriente algo alta, y viceversa. El resultado es que el voltaje máximo admisible para este diodo se limita en general a 100 V. las especificaciones de corriente de los diodos Schottky varían de 1 a 400 A. Son ideales para fuentes de alimentación de gran corriente y alto voltaje de cd. Sin embargo, esos diodos también se usan en fuentes de poder de poca corriente, para tener mayor eficiencia. 4.2 Tiristores Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones. El desarrollo del tiristor o rectificador de silicio controlado (SCR) para servicios de baja y media potencia en la década de los 50, ha creado posibilidades ilimitadas para el control de motores de CD, desde una fuente de ca, mediante procedimientos electrónicos. El pequeño tamaño, la elevada seguridad en el funcionamiento y la relativa eficacia del SCR ha empezado a dominar la última mitad del siglo XX en el control de motores de CD y ca de pequeña o medina potencia, desde una fuente de ca. Puesto que el SCR puede 27 utilizarse para controlar la velocidad de motores de CD de 115 V hasta 50 CV y motores de 230 V hasta 100 CV desde una fuente de alimentación de ca monofasica o trifásica, su versatilidad y el tamaño reducido del equipo de control que se necesita, augura grandes promesas para el control de motores de pequeña y mediana potencia por métodos electrónicos. Un monocristal de tres uniones (de aleación de silicio) esta situado en el interior de una pastilla cerámica de la que sale un conductor anódico flexible multitrenzado (o cola de puerco) desde una capa positiva de material semiconductor. El terminal de cátodo, unido a masa en la envoltura metálica, se saca desde una capa negativa en forma de tornillo fijado a una tuerca hexagonal, de manera que el SCR puede atornillarse a un disipador metálico de calor. Un rabillo para el control o conductor de puerta (gate) que sobresale de la envoltura, se toma de una capa positiva de material semiconductor, separada del ánodo el cátodo, respectivamente, por uniones adecuadas. El SCR puede considerarse formado por dos transistores, un npn y un pnp conectado en oposición. El resultado es la producción de un semiconductor pnpn que se compone de tres uniones, anódica, de control y catódica entre las cuatro zonas producidas en un solo monocristal impurificado de uniones. 4.2.1 TRIAC Un TRIAC puede conducir en ambas direcciones, y se usa normalmente para control por fase. Se puede considerar como dos SCR conectados en antiparalelo con una conexión de compuerta común. El TRIAC, al ser un dispositivo bidireccional, no se puede decir que sus terminales sean ánodo cátodo. Si la terminal MT2 es positiva con respecto a la terminal MT1 el TRIAC se puede encender aplicando una señal positiva entre la compuerta G y la terminal MT1. Se la terminal MT2 es negativa con respecto a la terminal MT1, se enciende aplicando una señal negativa entre la compuerta G y la terminal MT1. No es necesario tener las dos polaridades de señal de compuerta, y un 28 TRIAC se puede encender con una señal de compuerta que puede ser positiva o negativa. En la practica, las sensibilidades varían de uno a otro cuadrante, y los TRIAC suelen operar en el cuadrante 1 o en el cuadrante 3. Fig. 4.2 Grafica de Operación de un TRIAC Dispositivo de tres terminales con capacidad de controlar el paso de corriente en ambas direcciones (dispositivo bidireccional), muy utilizado en la regulación de ca. Presenta la ventaja de poder pasar a conducción, tanto para voltajes negativos como positivos. Una forma simple de describir su comportamiento es comparándolo con dos tiristores conectados en antiparalelo. El triac es sensible a bajos valores de dV/dt y dI/dt, (baja velocidad de conmutación). El límite de frecuencia para este es de 400Hz. Para pasar del estado de bloque al de conducción de una forma controlada, deberemos aplicar una determinada señal al terminal de puerta. 29 Fig.4.3 – Definición de Cuadrantes para un TRIAC 4.3 Opto acopladores Un opto acoplador combina un dispositivo semiconductor formado por un fotoemisor, un fotorreceptor y entre ambos hay un camino por donde se transmite la luz. Todos estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP. La señal de entrada es aplicada al foto emisor y la salida es tomada del fotorreceptor. Los opto acopladores son capaces de convertir una señal eléctrica en una señal luminosa modulada y volver a convertirla en una señal eléctrica. La gran ventaja de un opto acoplador reside en el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida. Fig. 4.4 – Símbolo de un Opto Acoplador 30 Los foto emisores que se emplean en los opto acopladores de potencia son diodos que emiten rayos infrarrojos (IRED) y los fotorreceptores pueden ser tiristores o transistores. Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo IRED, este emite un haz de rayos infrarrojo que transmite a través de una pequeña guia-ondas de plástico o cristal hacia el fotorreceptor. La energía luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que este genere una tensión eléctrica a su salida. Este responde a las señales de entrada, que podrían ser pulsos de tensión. Existen diferentes tipos de opto acopladores como: - Fototransistor: se compone de un opto acoplador con una etapa de salida formada por un transistor BJT. - Fototriac: se compone de un opto acoplador con una etapa de salida formada por un triac - Fototriac de paso por cero: Opto acoplador en cuya etapa de salida se encuentra un triac de cruce por cero. El circuito interno de cruce por cero conmuta al triac sólo en los cruce por cero de la corriente alterna. 4.4 Encoder Un encoger es un transductor rotativo que transforma un movimiento angular en una serie de impulsos digitales. Estos impulsos generados pueden ser utilizados para controlar los desplazamientos de tipo angular o de tipo lineal, si se asocian a cremalleras o a husillos. Las señales eléctricas de rotación pueden ser elaboradas mediante controles numéricos (CNC), contadores lógicos programables (PLC), sistemas de control entre otros. Las principales aplicaciones de los encoders esta en las maquinas herramienta o de elaboración de materiales, en los robots, en los sistemas de motores, en los aparatos de medición y control. Existen encoders en que la detección de movimiento angular se ejecuta en base al principio de exploración fotoeléctrica. El sistema de 31 lectura se basa en la rotación de un disco graduado con un reticulado radial formado por líneas opacas, alternadas con espacios transparentes, Este conjunto esta iluminado de modo perpendicular por una fuente de rayos infrarrojos. El disco proyecta de este modo su imagen sobre la superficie de varios receptores oportunamente enmascarados por oro reticulado que tiene el mismo paso del anterior llamado colimador. Los receptores tienen la tarea de detectar las variaciones de luz que se producen con el desplazamiento del disco convirtiéndolas en las correspondientes variaciones eléctricas. La señal eléctrica detectada, para generar impulsos correctamente escuadrados y sin interferencias, debe ser procesada electrónicamente. Para incrementar la calidad y estabilidad de las señales, el sistema de lectura se efectúa generalmente de manera diferencial, comparando dos señales case idénticas, pero desfasados en 180°eléctricos. Su lectura se efectúa en base a la diferencia de las dos señales, eliminando de este modo las interferencias definidas de modo común porque están superpuestas de igual manera en toda forma de onda. Existen diferentes tipos de encoders entre ellos el mas utilizado es el encoger incremental. Este encoder proporciona normalmente dos formas de ondas cuadradas y desfasadas entre si en 90° eléctricos, los cuales por lo general son canal A y canal B. Con la lectura de un solo canal se dispone de la información correspondiente a la velocidad de rotación, mientras que se capta también la señal B es posible discriminar el sentido de rotación en ase a la secuencia de datos que producen ambas señales. Esta disponible además otra señal llamado canal Z o Cero, que proporciona la posición absoluta de cero del eje del encoger. Esta señal se presenta bajo la forma de impulso cuadrado con fase y amplitud centrada en el canal A. La precisión de un encoger incremental depende de factores mecánicos eléctricos entre los cuales, el error de división del retículo, la excentricidad del 32 disco, la de los rodamientos, el error introducido por la electrónica de lectura, imprecisiones de tipo óptico. La unidad de medida para definir la precisión de un encoger es el grado eléctrico, este determina la división de un impulso generado por el encoder, en efecto, los 360°eléctricos corresponden a la rotación mecánica el eje, necesaria para hacer que se realice un ciclo o impulso completo de la señal de salida. Para saber a cuantos grados mecánicos corresponden 360° eléctricos se divide 360°mecánicos entre el número de impulsos por giro. 33 Capitulo 5 Protección 5.1 Fusibles Quizá el dispositivo más simple de protección del motor contra sobrecargas es el fusible. Los fusibles están divididos en fusibles de baja tensión (600 V o menos) y los fusibles de alta tensión (mas de 600 V). El tipo cartucho o contacto de casquillo es útil para las tensiones nominales entre 250 y 600 V en los tipos fijo y recambiable. El tipo fijo mostrado en el esquema contiene polvo aislante (talco o un adecuado aislante orgánico) rodeando al elemento fusible. En el caso de cortocircuito, el polvo tiene por misión enfriar el metal vaporizado, absorber el vapor metálico condensado, extinguir el arco que pueda mantenerse en el vapor metálico conductor. La presencia de este polvo es la que confiere al fusible su alto poder de ruptura en el caso de cortocircuitos bruscos. Para seleccionar un fusile es necesario estimar la corriente de falla, para entonces satisfacer los siguientes requisitos: 1. El fusible debe conducir la corriente nominal del dispositivo en forma continua. 2. El valor admitido de i 2 t del fusible antes de que desaparezca la corriente de falla debe ser menor que el valor nominal de i 2 t del dispositivo que se va a proteger. 3. El fusible debe ser capaz de resistir el voltaje después de la extinción del arco. 4. El voltaje pico de arco debe ser menor que el voltaje pico nominal del dispositivo. 34 5.2 Disipadores Debido a las perdidas en estado activo y por conmutación dentro del dispositivo de potencia se genera calor. Este calor se debe transferir en la unión dentro del intervalo especificado. Aunque esta transferencia de calor se puede efectuar por conducción, convección o radiación, lo que mas se usa en aplicaciones industriales es la convecino natural o forzada con aire. El calor debe pasar del dispositivo a su encapsulado y después al disipador o radiador de calor en el medio de enfriamiento. La temperatura de unión de un dispositivo es T J y se determina con T J = P A (R JC + R CS + R SA ) donde: R JC = resistencia térmica de unión a caja, °C/W. R CS = resistencia térmica del encapsulado al disipador, °C/W. R SA = resistencia térmica de disipador a ambiente, °C/W. T A = Temperatura ambiente, °C. En el caso normal las resistencias R JC y R CS las especifican los fabricantes del dispositivo de potencia. Una vez conocida la pérdida de potencia P A se puede calcular la resistencia térmica requerida del disipador de calor, para determinada temperatura ambiente. El siguiente paso es elegir un disipador, y su tamaño, que cumplan con el requisito de resistencia térmica. Hay disponibles una amplia variedad de disipadores de calor de aluminio extraído en el comercio, y usan aletas de enfriamiento para aumentar la capacidad de transferencia de calor. En el enfriamiento forzado, la resistencia térmica disminuye al aumentar la velocidad del aire. Sin embargo, más allá de cierta velocidad, la reducción de resistencia térmica no es importante. Tiene importancia extrema el área de contacto entre el dispositivo y el radiador de calor, para minimizar la resistencia térmica entre el encapsulado y el disipador. Las superficies deben ser planas, lisas y sin polvo, corrosión ni óxidos superficiales. En el caso norma, se aplican grasas de silicona para mejorar la capacidad de transferencia térmica y apara minimizar la formación de óxidos y corrosiones. El dispositivo se debe montar en forma correcta sobre el disipador 35 de calor, para obtener la presión correcta de montaje entre las superficies correspondientes. Los fabricantes del dispositivo suelen recomendar los procedimientos adecuados de instalación. En el caso de dispositivos con pernos de montaje, los pares excesivos de aprete pueden causar danos mecánicos a la oblea de silicio, y el perno no se debe en engrasar ni lubricar, porque la lubricación aumenta la tensión en el perno. En aplicaciones con altas potencias, los dispositivos se enfrían mejor con líquidos, que en el caso normal son aceite o agua. El enfriamiento con agua es muy eficiente, unas tres veces mas eficiente que el enfriamiento con aceite. Sin embargo, es necesario usar agua destilada para minimizar la corrosión, y agregarle anticongelante. El aceite es inflamable, el enfriamiento por aceite, que puede estar restringido a algunas aplicaciones, proporciona un buen aislamiento y elimina los problemas de corrosión y congelamiento. Los tubos térmicos y los disipadores de calor enfriados con líquido se consiguen en el comercio. Si la impedancia térmica de un dispositivo de potencia es muy pequeña, y el resultado es que la temperatura de unión del dispositivo varia en función de la perdida instantánea de potencia. La temperatura instantánea de la unión siempre debe mantenerse mas baja que el valor aceptable. Los fabricantes de dispositivo proporcionan una grafica de la impedancia térmica de estado transitorio en función de la duración de un pulso cuadrado, como parte de sus hojas de datos. A partir del conocimiento de la onda de corriente por un dispositivo , se puede determinar una grafica de perdida de potencia en función del tiempo, y a continuación las características de impedancia transitoria se pueden usar para calcular las variaciones de temperatura en función del tiempo. Si el medio de enfriamiento falla en los sistemas prácticos en el caso normal el aumento de temperatura de los disipadores de calor sirve para desconectar los convertidores de potencia, en especial en aplicaciones con grandes potencias. 36 Capitulo 6 Transformadores 6.1 Definición de un Transformador Se denomina transformador a una máquina electromagnética que permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, esto es, sin pérdidas, es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc. Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la tensión alta o baja, respectivamente. También existen transformadores con más devanados, en este caso puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario. Fig. 6.1 - Transformador 37 6.2 Historia del Transformador El aparato que aquí se describe es una aplicación, entre tantas, derivada de la inicial bobina de Ruhmkorff o carrete de Ruhmkorff, que consistía en dos bobinas concéntricas. A una bobina, llamada primario, se le aplicaba una corriente continua proveniente de una batería, conmutada por medio de un disruptor movido por el magnetismo generado en un núcleo de hierro central por la propia energía de la batería. El campo magnético así creado variaba al compás de las interrupciones, y en el otro bobinado, llamado secundario y con mucho más espiras, se inducía una corriente de escaso valor pero con una fuerza eléctrica capaz de saltar entre las puntas de un chispero conectado a sus extremos. También da origen a las antiguas bobinas de ignición del automóvil Ford modelo "T", que poseía una por cada bujía, comandadas por un distribuidor que mandaba la corriente a través cada una de las bobinas en la secuencia correcta. 6.3 Funcionamiento de un Transformador Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, las variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable dependiendo de la frecuencia de la corriente. Este campo magnético variable originará, por inducción, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario. 38 Fig. 6.2 - Representación esquemática del transformador. La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) .Esta particularidad tiene su utilidad para el transporte de energía eléctrica a larga distancia, al poder efectuarse el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades y por tanto pequeñas pérdidas. Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario, si aplicamos una tensión alterna de 230 Voltios en el primario, obtendremos 23000 Voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de transformación. Ahora bien, como la potencia aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario, el producto de la fuerza electromotriz por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 Amperios, la del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte). 39 6.4 Aplicaciones El transporte de una cierta cantidad de energía eléctrica por unidad de tiempo se puede llevar a cabo eligiendo la tensión a la que se realiza el transporte o la intensidad de la corriente, resultando la misma potencia eléctrica transportada siempre que el producto de estas dos magnitudes sea igual, valor que corresponderá a la citada potencia eléctrica transportada. Ahora bien, puesto que los conductores reales tienen una cierta resistencia por unidad de longitud y el transporte puede ser de centenares de kilómetros, se debe contemplar la pérdida real de potencia eléctrica que se produce en este transporte. La manera de minimizar dicha pérdida de potencia es efectuando el transporte a tensiones elevadas y con bajas intensidades de corriente, parámetros que se elegirán en función de las distancias a recorrer y la cantidad de potencia eléctrica que se quiera transportar. Pero, en cambio, los equipos eléctricos conectados a la red no pueden operar entre tensiones tan altas (sería muy peligroso, por riesgo de electrocución) por lo que se ha de realizar la transformación de tensiones, de valores correspondientes a transporte, a valores de consumo, para lo cual se emplean los equipos de transformación. Otra aplicación, relacionada con la anterior, es la elevación de tensiones que se produce en las subestaciones eléctricas elevadoras a la salida de las centrales de generación eléctrica. La tensión de salida de la electricidad producida es baja para llevar a cabo un transporte eficaz, por lo que se recurre a enormes equipos de transformación, a fin de elevar la tensión de la electricidad y llevarla a una tensión adecuada para el transporte. Pero sería inadecuado dar la idea de que los transformadores sólo encuentran su aplicación en el campo del transporte de energía eléctrica. Hay multitud de aplicaciones para los transformadores, también en la electrónica de circuitos, como por ejemplo los circuitos de radio, una de cuyas aplicaciones es la de transformador de impedancias. 40 Si se coloca en el secundario una impedancia de valor Z, y llamamos n a Ns/Np, como Is=-Ip/n y Es=Ep.n, la impedancia vista desde el primario será Ep/Ip = -Es/n²Is = Z/n². Así, hemos conseguido transformar una impedancia de valor Z en otra de Z/n². Colocando el transformador al revés, lo que hacemos es elevar la impedancia en un factor n². 41 Capitulo 7 Diseño del Controlador en Motores de CD 7.1 Desarrollo del proyecto El esquema del circuito a diseñar para controlar el motor citado anteriormente sería el que se encuentra a continuación, teniendo en cuenta las características eléctricas y mecánicas del motor, con este circuito se cumplen todas las exigencias que se deben tener en cuenta para controlar a este. Fig. 7.1 – Diagrama del Circuito del Controlador y Motor 42 7.1.1 Características del motor a controlar  Alimentación: 110 Volts  Potencia: ¼ HP  Corriente Nominal: 1,7 Amperes  Corriente de Arranque: 10 Amperes  Velocidad Máxima: 1500 r.p.m. 7.1.2 Elección de los tiristores como dispositivo de control de potencia Después de haber visto las características eléctricas y la forma de funcionamiento del motor, se escogió como elemento de potencia para control el tiristor, ya que es el dispositivo que más se adecua a nuestras necesidades. Debemos elegir tiristores con una Corriente Directa máxima de 10 Amperes, teniendo en cuenta que el sistema de control se encargará de efectuar un arranque suave del motor, por lo que de ninguna manera se alcanzará la corriente máxima de arranque del motor (10 amperes), y de esta forma se utiliza un tiristor de menor corriente máxima directa sin tener problema con la disipación de potencia en el momento de arranque. El voltaje inverso de bloqueo debe ser de 200 Volts dado que el motor presenta una impedancia de tipo inductiva y aparecen sobre tensiones en los transitorios, que estimativamente no superarán los 200 Volts en el peor de los casos. Además se implementa un circuito de excitación que impide que el tiristor reciba voltaje positivo de compuerta, cuando esta polarizado en inverso. Se escogió para las características antes mencionadas el Tiristor S-2800-D. 7.1.3 Calculo de la disipación – Elección del Disipador Para calcular la potencia máxima de disipación se debe ver el caso más desfavorable, en nuestro diseño este es para 180º de conducción a la corriente nominal del Tiristor. 43 Tomamos una Id de 2 Amperes. Entonces la Id nominal se obtiene de la siguiente relación: Id = I nominal *1,2 entonces I nominal = 1,7 Ampere La Potencia a Disipar por el Dispositivo esta dada por la siguiente relación: Pd = P on + P off + P conmutación + P compuerta Según la tabla que se muestra a continuación la potencia a disipar por el tiristor para 180º de conducción (RMS de Media Onda) es de 2W a T ambiente = 55ºC P (AV) = 2 Watt Tomaremos para la Temperatura de juntura un factor de protección de 0.7. Si elegimos una Tj máx de 100ºC, entonces el valor de la temperatura de juntura será Tj = 0.7 * 100ºC que será igual a Tj = 70ºC. Para el cálculo del disipador, debemos encontrar la resistencia térmica para la cual la disipación se haga sin ningún problema, esto se logra aplicando la siguiente relación y se obtiene el siguiente resultado: Tj – Ta = Pd ( u jc + u ca ) u ca = (Tj – Ta)/Pd - u jc u ca = (70ºC – 55ºC)/2W – 2ºC/W u ca = 5,5ºC/W El disipador será el que se muestra a continuación con un largo de 75 mm Fig. 7.2 – Disipador y su grafica de disipacion 44 7.1.4 Cálculo del diodo de conmutación Como se dijo anteriormente, para realizar el cálculo de estos dispositivos de potencia, siempre se debe analizar el peor de los casos, para el diodo de conmutación este será cuando se produce un corte en la alimentación del motor, ya que la corriente nominal del mismo circulará por este diodo, o sea Id diodo = 1,7 Amperes. Por seguridad se tomará un diodo de conmutación con una corriente directa de 2 Amperes. La potencia de disipación del diodo esta dada por la siguiente ecuación: Pd = Id diodo *Vd (1-D) Donde D es el valor del ciclo de trabajo. Tomaremos la peor condición de funcionamiento, para este caso D = 0 (Ciclo de trabajo igual a cero). Se escogió un Diodo de recuperación inversa de Motorolla MUR 490 E el cual tiene las características que se muestran a continuación ya que cumple con las exigencias expuestas anteriormente y con la disipación Con estos datos calcularemos la potencia a disipar, esto es según la fórmula anterior: Pd = Id diodo * Vd ( 1 – 0 ) Pd = P f P f = (2/2t) 0 } t I 0 V d sen wt d(wt) P f = (1/t) * 2 * 1.25 * (-) cos wt 0 ( t = 1 Pf = 1,59 W ~ 1, 6 W Pd = P f = 1,6 W 7.1.5 Verificación del disipador (T a = 55ºC) Utilizando la fórmula que relaciona las temperaturas, las resistencias térmicas, y la potencia de disipación se llega al siguiente resultado: T j - T a = Pd * R uja T j = Pd * R uja + T a T j = 1,6W*50ºC + 55ºC 45 T j = 135ºC Como la Temperatura de la juntura (T j = 135ºC) es menor que la temperatura de la juntura máxima (T jmáx = 175ºC) no se debe colocar disipador, debido que en el normal funcionamiento no se presentará enbalamiento térmico. 7.1.6 Diodos Rectificadores Para rectificar se escogieron Diodos del tipo MUR 420 que tienen las siguientes especificaciones, y para los cuales satisfacen las requeridas en nuestro proyecto. Con estos datos calcularemos la potencia a disipar, esto es según la fórmula anterior y tomando a I 0 = 2 A: Pd = (1/2t) 0 } 2t I 0 Vd sen wt d(wt) Pd = I 0 * (1/2t) * 2 * Vd Pd = (2 A * 0.89 Volt)/t Pd = 0.56 W 7.1.7 Verificación del disipador (T a = 55ºC) Utilizando la fórmula que relaciona las temperaturas, las resistencias térmicas, y la potencia de disipación se llega al siguiente resultado: T j - T a = Pd * R uja T j = Pd * R uja + T a T j = 0.56W*50ºC + 55ºC T j = 83ºC Como la Temperatura de la juntura (T j = 83ºC) es menor que la temperatura de la juntura máxima (T jmáx = 175ºC) no se debe colocar disipador, debido que en el normal funcionamiento no se presentará enbalamiento térmico. 46 7.1.8 Buffer de Disparo De las hojas de datos del tiristor vemos que la corriente de compuerta I g en el disparo es de 8mA y la tensión de disparo es de 0,9 Volts. Para disparar el Tiristor utilizamos el circuito optoacoplador (MOCD 213) y producir desacople del circuito de control y potencia. Tomamos I 0pico = 10mA y I gtiristor = 20mA, con estos valores y los de las hojas de datos obtenemos la Resistencia del LED y la Resistencia del transistor. R LED = V led /I LED R LED = 500 O ~ 490 O R trans = (110 Volt – 7 Volt)/20mA = 5,15 KO ~ 5,6 KO En el circuito rectificador para la alimentación del circuito de control utilizamos un rectificador de media onda con un solo diodo rectificador 1N4002 y como los requerimientos de potencia son mínimos y la tensión inversa de ruptura del diodo es lo suficientemente elevada, no realizaremos los cálculos de verificación de potencia y temperatura de estos diodos. V rms = 200 Volts I 0 = 1 Ampers V forward = 1,1 Volts 7.1.9 Capacitor del filtro de alimentación de 5 Volts Sabemos que el tiempo de descarga de un capacitor a través de una carga resistiva es: t = R 0 * C Donde R 0 es la resistencia de carga y puede obtenerse de la tensión de salida del transformador y la corriente de salida. R 0 = 9 Volts/I 0 R 0 = 9 Volts/1 Ampers R 0 = 9 O 47 I 0 es la suma de la corriente que consume el PIC, los transistores y el codificador, y la tomamos como 1 Amperes. Y suponemos el tiempo de descarga como 2 ciclos de la tensión de línea. t = 2 * T línea t = 2 * (1/50) t = 40 mseg Entonces: C ~ t / R 0 C ~ 0.04 mseg / 9 O C ~ 4000 µF 7.1.10 Potencias puestas en juego en los transformadores La potencia del transformador de alimentación del circuito de control, se necesita solo 9 VA. Pt = 9 Volt * 1 Amperes = 9 VA Para el segundo transformador se requiere una potencia de: Pt = 110 Volt * 10 Amperes = 1,1 KVA 7.1.11 Cálculo del elemento fusible Al no disponer las curvas de corriente del motor, para el cálculo del elemento fusible adoptamos un método práctico, sumarle a la corriente máxima del motor un 30%. I fusible = I máx * 30 % + I 0máx I fusible = 10 A * 0.3 + 10 A I fusible = 13 Amperes 48 7.2 Diagrama de Bloque Fig. 7.3 – Diagrama de Flujo de la etapa de control. Se implementara una matriz de 16 teclas para las teclas de arranque y parada del motor, programación de la velocidad o secuencia temporizada de diferentes velocidades del motor. Un display de 16 dígitos de matriz LCD que permite visualizar los estados de programación, la velocidad, la temporización y mensajes en caso de falla. 49 Una entrada RS 232 que permite la interfase con la PC, con la cual el envío de datos del funcionamiento del sistema a la PC y la recepción de instrucciones para el funcionamiento. 7.2.1 Circuitos periféricos integrados al Micro-controlador - Dos Timers / contadores de 8 bits. - Un Timer / contador de 16 bits. - Dos módulos de PWM con resolución de 10 bits. - Un Conversor Analógico Digital multiplexado de 10 bits. - Puertos serie I 2 C, USART SCI. - Puerto paralelo de 8 bits. - Se utiliza un circuito de adaptación de niveles RS 232 (MIC 232) 7.2.2 Características del Hardware del controlador El sistema tendrá dos salidas analógicas debido a que da la posibilidad de controlar las dos salidas con la misma tensión o con distinta para un ciclo útil menor al 50%. Tendrá una entrada para transconductor de velocidad o encoder. La entrada es del tipo Smith-trigger conectada internamente a un contador de 16 bits. 7.2.3 Características del Software del Controlador Al disponer de una alta velocidad del procesamiento (20 MHz) y una alta capacidad de memoria tanto de datos (368 bytes) como de programa (8Kbytes) nos permite desarrollar un sistema de control óptimo. 50 Conclusiones Para llevar acabo este proyecto el primer paso que se dio fue conocer el motor que queríamos controlar. Este motor es con el que se cuenta en el laboratorio de eléctrica y sus características son mencionadas en el capitulo 7. Enseguida se definió el tipo de controlador con el que no se contaba en el laboratorio el cual cuenta con tres etapas diferentes en su diseño. Decidimos diseñar la etapa de potencia que se encarga de disparar el motor por medio de SCRs, de regular el voltaje de alimentación del encoder y del PIC y de aislar el controlador del motor (esto se muestra en el capitulo 7). Para la etapa de control se eligió el uso de un micro-controlador en la etapa de control debido a las ventajas que nos da como: - Posibilidad de incorporar un teclado de control, un display y comunicación con la PC. - Permite modificaciones del software de control sin modificar el circuito. - Permite ejecutar una secuencia programada del motor, y diagnosticar fallas. La mejor elección para este proyecto fue un Micro-controlador 16F877 que posee las siguientes características. - Velocidad de Operación: 20Mhz - Memoria de Programa Flash: 8 Kb de instrucciones. - Memoria de Datos (RAM): 368 bytes - Memoria de Datos EEPROM: 256 bytes. - Alta corriente de salida por pin: 25mA - Número de terminales o patas: 40 patas. 51 Este microcontrolador es el mas avanzado de la familia de los PICs 16f8xx, por lo tanto son mas rápidos y manejan mas memoria. Es adecuado para los estudiantes de ingeniería eléctrica el aprender a utilizar los microcontrolador ya que la tecnología esta avanzando cada vez mas rápido día a día y así como los sistemas neumáticos han ido cambiando por sistemas eléctricos así seguirán estos cambiando a sistemas electrónicos en lo que a control se refiere. Por esto es que se deben preparar para que la tecnología no rebase sus conocimientos. Algo que aprendimos durante la realización de este proyecto fue que se requiere de conocimiento de programación vasto. Existe software programador de PIC de sobra para todo tipo de lenguaje es por eso que se debe buscar el mas adecuado a sus conocimientos. Algunos de estos programas solo funcionan para ciertas marcas o ciertas familias de PIC. El encoder que se utilizo es del tipo incremental, el cual cuenta con dos ranuras o canales. El primer canal nos dicta la velocidad y el segundo la dirección de giro de motor. Lo mas conveniente para este proyecto es el de utilizar un engrane con ranuras para que se pueda acoplar a una banda que venga de la flecha del motor. 52 Bibliografía 1) Alguacil Conde Natalia. 2004. Circuitos Eléctricos para la Ingeniería. Mc. Graw Hill. Aravaca Madrid 2) Angulo Usategui José M; Angulo Martínez Ignacio. 2003. Microcontroladores PIC16F84. Mc Graw Hill. Madrid. Empaña. 3) Angulo Usategui Jose M.; Romero Yesa Susana; Angulo Martínez Ignacio. 2000. Microcontroladores PIC Diseño practico de aplicaciones PIC16F87x. Mc Graw Hill. Madrid. España. 4) Boylestad Robert.1993. Electricidad Electrónica y Electromagnetismo. Trillas. México D.F 5) Camacho Jairo. 2000. Gran Consultor. Educar. Barcelona España Cooper D. William. 1991. Instrumentación Electrónica Moderna y Técnicas de Medición 6) Cogdell J.R.; 2002. Fundamentos de Maquinas eléctricas. Prentice Hall. Naucalpan de Juárez. Edo. De México. 7) Danny Herrera; 2004. Descripción del Pic 16f877. 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Noviembre del 2007 2 Índice INTRODUCCION……………………………………………………………………… 6 CAPITULO 1………………………………………………………………………...... 8 1.1 Historia de la UACJ……………………………………………………………... 8 1.2 Misión y Visión de la UACJ…………………………………………………….. 9 CAPITULO 2…………………………………………………………………………...10 2.1 Componentes de un motor de CD……………………………………………..10 2.2 Tipos de motores de CD………………………………………………………..11 2.3 Control de motores de CD………………………………………………………12 CAPITULO 3…………………………………………………………………………...14 3.1 Descripción del PIC……………………………………………………………...14 3.2 PIC 16F877……………………………………………………………………….16 3.2.1 Características……………………………………………………………….16 3.2.2 Descripción de los Puertos…………………………………………………17 3.2.3 Descripción de Pines………………………………………………………..19 CAPITULO 4…………………………………………………………………………...23 4.1 Diodos de Potencia……………………………………………………………...23 4.1.1 Diodos de Propósito General………………………………………………24 4.1.2 Diodos de Recuperación Rápida…………………………………………..25 4.1.3 Diodos Schottky……………………………………………………………..25 4.2 Tiristores………………………………………………………………………….26 4.2.1 Triac…………………………………………………………………………..27 4.3 Opto Acopladores………………………………………………………………..29 4.4 Encoder…………………………………………………………………………...30 CAPITULO 5…………………………………………………………………………...33 5.1 Fusibles…………………………………………………………………………...33 5.2 Disipadores……………………………………………………………………….34 CAPITULO 6…………………………………………………………………………...36 6.1 Definición de un Transformador………………………………………………..36 6.2 Breve Historia del Transformador……………………………………………...37 6.3 Funcionamiento de un Transformador………………………………………...37 6.4 Aplicaciones de un Transformador…………………………………………….39 CAPITULO 7…………………………………………………………………………...41 7.1 Desarrollo del Proyecto…………………………………………………………41 7.1.1 Características del Motor a Controlar…………………………………….42 7.1.2 Elección de Tiristores como Dispositivo de Control de Potencia……...42 7.1.3 Calculo de la Disipación-Elección del Disipado…………………………42 3 7.1.4 Calculo del Diodo de Conmutación……………………………………….44 7.1.5 Verificación del Disipador (Ta=55°C)……………………………………..44 7.1.6 Diodos Rectificadores……………………………………………………...45 7.1.7 Calculo de Temperatura de la Juntura…………………………………...45 7.1.8 Buffer de Disparo…………………………………………………………...46 7.1.9 Capacitor del Filtro de Alimentación de 5 V……………………………..46 7.1.10 Potencias en el Transformador…………………………………………..47 7.1.11 Calculo del Elemento Fusible…………………………………………….47 7.2 Diagrama de Bloque………………………………………………………………48 7.2.1 Circuitos Periféricos Integrados al PIC……………………………………49 7.2.2 Características del Hardware del Controlador…………………………...49 7.2.3 Características del Software del Controlador…………………………….49 CONCLUSIONES……………………………………………………………………...50 BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………...52 DEFINICION DE TERMINOS………………………………………………………...54 4 Resumen Este proyecto lo realizamos debido a que es un tema interesante, el cual no se maneja mucho en el área de ingeniería eléctrica y en el laboratorio de eléctrica no se cuenta con este tipo de material. El llevar acabo este proyecto nos brindara un conocimiento adicional sobre el control de un motor de CD, mediante nueva y avanzada tecnología, tal es el caso de un microcontrolador como el PIC 16F877, que mencionaremos con detalle en el proyecto a realizar. Este PIC será programarlo previamente en C, C++, Basic, o algún otro programa de lenguaje ensamblador para su adecuado funcionamiento. Las instrucciones necesarias para el funcionamiento del proyecto pueden ser insertadas por medio de un teclado de acuerdo al funcionamiento que se le quiera dar al motor. La idea es poder controlar las revoluciones por minuto, el tiempo de funcionamiento, y dirección de giro del motor, etc. La ventaja de este dispositivo es que le podemos dar diferentes instrucciones para que realice el trabajo solicitado, o que le convenga más al usuario sin tener que modificar el circuito. Además de que será utilizado en el laboratorio de eléctrica de nuestra institución (UACJ) para futuras practicas. Y como no tenemos este tipo de equipo en el laboratorio pues será una novedad y los estudiantes podrán tener mas equipo de donde apoyarse y practicar. 5 conocer los diferentes microcontroladores que existen en el mercado y cuales se adecuan para el control de motores de CD de ¼ Hp. En este laboratorio se cuenta con diferente equipo para realizar prácticas en clases como electrónica de potencia y electrónica industrial. En la electrónica de potencia se combinan la potencia. pero no se cuenta con este tipo de control que es por medio de microcontroladores PIC el cual día a día es más utilizado y sería importante que los alumnos de ingeniería eléctrica aprendieran el funcionamiento de estos. Por lo tanto este proyecto se deriva de la falta de controladores por medio de microcontroladores PIC (Controlador de Interfaz Periférico) en el laboratorio de eléctrica de la UACJ. Para lograr este objetivo se tendrá que llevar acabo lo siguiente. El objetivos general es el diseñar corriente directa de ¼ un controlador para motores de HP en la que la etapa de control sea con un microcontrolador PIC. Comprender el funcionamiento de estos microcontroladores y sus mejoras en el control de 6 .Introducción Vivimos en la era tecnológica en donde los avances se dan todos los días. En las ultimas décadas el control de motores de baja y mediana potencia se ve dominado por la electrónica de potencia y no solo eso si no que en el control de potencia y la conversión de energía. la electrónica y el control. En los últimos años en el área de control de motores se esta implementando el control por medio de microcontroladores y es importante que nos mantengamos al margen con las mejoras tecnológicas. La universidad se beneficia de alguna manera ya que puede contemplar la posibilidad de adquirir controladores de este tipo o agregar este tema de control al programa de ingeniería eléctrica en el futuro. 7 . Al final de esta investigación se responderán las siguientes preguntas: ¿Qué ventajas tenemos al utilizar un PIC 16F877? ¿Por qué es adecuado para el campo de ingeniería eléctrica el aprender a utilizar PICs? ¿Como se relacionan los conocimientos teóricos y prácticos necesarios? Esta investigación vale la pena porque los PICs son cada día mas utilizados en el control de motores. Diseñar un controlador de motores de CD con base en electrónica de potencia y el control por medio de un microcontrolador. Por falta de tiempo el diseno no se implementara pero se espera que en un futuro alguien interesado retome la investigación y termine el proyecto. Multisim o cualquier otro programa similar. A los futuros ingenieros eléctricos les será de utilidad conocer el funcionamiento de estos elementos para poder utilizarlos óptimamente.motores. Para comprobar su funcionamiento se simulara con el programa MPLABsim. En este proyecto se va a diseñar un controlador para los motores de corriente directa de ¼ HP el cual se adecua para utilizarlo en prácticas de laboratorio para clases como electrónica de potencia y electrónica industrial. Los beneficiados de esta investigación son los estudiantes de ingeniería eléctrica que se interesan por la electrónica de potencia y el control de motores. Esta investigación implica al laboratorio de ingeniería eléctrica ubicado en el IIT de la UACJ y a la materia de electrónica de potencia que son los que utilizaran este controlador. ello en virtud del decreto Número 346-73. El actual laboratorio de eléctrica se inauguró en Agosto del 2005.1 Historia de la UACJ El día 28 de enero de 1973 cristalizó uno de los anhelos de la comunidad juarense al ser colocada la primera piedra de lo que actualmente conocemos como Universidad Autónoma de Ciudad Juárez. también una biblioteca y tres laboratorios para los talleres de Hidráulica. En Octubre de 1981 Se construye para el IIA un edificio con dieciséis aulas. Congreso del Estado creó jurídicamente la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez. En Marzo de 1994 se divide el Instituto de Ingeniería y Arquitectura (IIA) en los Institutos de Ingeniería y Tecnología (IIT). su localización esta indicada por la flecha azul. Diseño y Arte (IADA). Se concluyeron los trabajos presentándose al Congreso del Estado el anteproyecto. Eléctrica y Resistencia de Materiales. y Arquitectura. 8 .Capitulo 1 1. fecha en la que el H. culminando esta actividad el día 10 de Octubre de 1973. El primer rector fue René Franco Barreno. A la pertinencia. la convivencia humana y la preservación del medio ambiente. críticos. A la competencia y aceptación de sus egresados con una formación integral lograda a través de la innovación y de un modelo educativo de aprendizaje centrado en el alumno. para formar de manera integral ciudadanos y profesionales competitivos. A la capacidad y competencia de su profesorado integrado en cuerpos académicos consolidados en proceso de consolidación. eficiencia y calidad de sus programas académicos. en procesos de planeacion y evaluación participativa y en una organización académica departamental.Fig. conservar y consolidar los valores que fortalecen la identidad cultural del país. a través de programas y proyectos académicos de calidad. relevantes al entorno regional. comprometidos con la sociedad. transmitir. sustentados en cuerpos académicos consolidados y en una organización e infraestructura cuya eficiencia e idoneidad se encuentra certificada. A la relevancia e impacto de sus resultados de investigación y sus programas de extensión universitaria en el mejoramiento de la comunidad y del estado. ampliar y difundir el conocimiento.1 – Plano de IIT 1. La visión es dar continuidad al reconocimiento social a la calidad con la que la institución realiza sus funciones sustantivas. nacional e internacional. sustentada en una normatividad congruente actualizada. 9 .2 Misión y Visión de la UACJ La misión de la UACJ es de crear. 1. que suministran corriente a los segmentos rotatorios del conmutador El Conmutador es un dispositivo utilizado en un motor CD para revertir la corriente en la armadura cada media rotación de tal manera que los campos magnéticos funcionen juntos para mantener la rotación Las bobinas de Campo son los devanados estacionarios del motor CD que generan el campo electromagnético. cepillos. conmutador y bobinas de campo La armadura es el conductor giratorio en un motor de CD Los cepillos son componentes estacionarios del conmutador. 10 .Capitulo 2 Motores de CD 2.1 Componentes Un motor de corriente directa cuenta con una armadura. más fuerte es el campo. más suavemente funcionará el motor.Fig. Esto se logra invirtiendo solamente las conexiones de la armadura.1 . Entre mayor son los polos. Armado y Desarmado Obsérvese que muchas vueltas (o devanados) se utilizan para conformar los polos de campo. Cada conjunto de devanados consiste de un polo Norte y un polo Sur. La dirección de rotación de un motor CD puede ser invertida utilizando uno de los métodos siguientes:   Inversión de la dirección de la corriente a través del campo Inversión de la dirección de la corriente a través de la armadura El estándar industrial es la inversión de la corriente a través de la armadura. Sin embargo.2 Tipos de Motores CD 11 . el número de devanados de campo debe siempre ser par. 2. 2. Entre mayor es el número de devanados utilizados en un motor CD.Un Motor CD Cuadripolar Típico. pero la velocidad se eleva conforme se reduce la carga. 2. el Motor de Devanado en Derivación.Existen básicamente tres tipos de motores de CD: El Motor de Devanado en Serie. Interna y externamente.2) tiene el devanado de campo alambrado en serie con la armadura. Se conoce también como motor universal puesto que puede utilizarse tanto en aplicaciones CD como CA. El motor de devanado en serie (Figura 2.2 . La diferencia entre ellos es la forma del alambrado de los circuitos de devanado de campo y devanado de armadura.Motor de Devanado en Serie CD: Diagrama Esquemático y de Alambrado El motor de devanado en derivación (Figura 2. El motor puede arrancar cargas pesadas.3) tiene los circuitos de armadura y campo alambrados en paralelo. Fig. proporcionando una fuerza de campo y velocidad de motor esencialmente constantes. Fig. 2. son prácticamente iguales. y el Motor Compuesto.Motor de Devanado en Derivación CD: Diagrama Esquemático y de Alambrado 12 .3 . Tiene un alto par de arranque y una característica de velocidad variable. 2. Debido a que se requieren de circuitos complicados para controlar los motores compuestos.4 . este arreglo de alambrado se utiliza habitualmente solamente en grandes motores bi-direccionales. 3. Un motor compuesto tiene un alto par de arranque y características relativamente buenas de par de velocidad a carga nominal. 13 . Fig. por medio de un reóstato variable serie o shunt. en bornes del inducido de un motor de excitación independiente.Motor Compuesto CD: Diagrama Esquemático y de Alambrado 2.El motor compuesto (Figura 2. 4. y la corriente en el mismo. Los siguientes son métodos utilizados para el control de la velocidad de un motor de CD.4) combina las características de los motores de devanado en derivación y de devanado en serie. 2. empleo de una fuente controlada de tensión de CD variable para modificar la tensión. 1. Este método se conoce como control de campo. Modificación del flujo de excitación. mediante combinación de dos resistencias variables en paralelo y en serie con el inducido. Este método se conoce como control de la tensión de inducido.3 Control de Motores La velocidad de un motor de cd puede variarse mediante el cambio de una de las variables de la ecuación fundamental de la velocidad. Este método se denomina control de la resistencia serie y shunt del inducido. Variación de la tensión en bornes del inducido mediante el empleo de una de la resistencia del inducido. Variación de la tensión en bornes del inducido. principalmente diodos y transistores. es decir. se trata de un computador completo en un solo circuito integrado.Capitulo 3 Microcontroladores PIC 3. ó simplemente el procesador. además de componentes pasivos como resistencias o condensadores. Algunos de los circuitos 14 . Es el componente en una computadora digital que interpreta las instrucciones y procesa los datos contenidos en los programas de computadora. CPU. La unidad central de procesamiento. Memoria y Unidades de E/S. Un circuito integrado (CI) o chip.1 Descripción Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU. es una pastilla muy delgada en la que se encuentran una enorme cantidad (del orden de miles o millones) de dispositivos microelectrónicos interconectados. Su área es de tamaño reducido (del orden de 2cm o inferior). Algunos de los PICs mas utilizados son:  PIC12C508/509 (encapsulamiento reducido de 8 pines. pasando por los teléfonos móviles. que son usados en múltiples artefactos. compatible 1:1) 15 . pero imposible de descartar y muy popular)  PIC16F84A (Buena actualización del anterior. Fig. el nombre completo es PICmicro. aunque generalmente se utiliza como Peripheral Interface Controller (Controlador de Interfaz Periférico). En realidad. Así mismo.3.1 – Microcontroladores PIC Los viejos PICs con memoria PROM o EPROM se están renovando gradualmente por chips con memoria Flash. oscilador interno. El nombre actual no es un acrónimo. Los 'PIC' son una familia de microcontroladores tipo RISC fabricados por Microchip Technology Inc. desde computadoras hasta electrodomésticos. el juego de instrucciones original de 12 bits del PIC1650 y sus descendientes directos ha sido suplantado por juegos de instrucciones de 14 y 16 bits. popular en pequeños diseños como el iPod remote)  PIC16F84 (Considerado obsoleto. y derivados del PIC1650. originalmente desarrollado por la división de microelectrónica de General Instruments. algunas versiones funcionan a 20 MHz. Microchip todavía vende versiones PROM y EPROM de la mayoría de los PICs para soporte de aplicaciones antiguas o grandes pedidos.integrados más avanzados son los microprocesadores. El modelo 16F877 posee varias características que hacen a este microcontrolador un dispositivo muy versátil. Este microcontrolador es fabricado por MicroChip familia a la cual se le denomina PIC. pero con las instrucciones necesarias para facilitar su manejo. Bastante común en proyectos de aficionados)  PIC18F452 3.   PIC12F629/675 PIC16F628 La familia PIC16F87X (los hermanos mayores del PIC16F84. Memoria reprogramable: La memoria en este PIC es la que se denomina FLASH.2. 3. este tipo de memoria se puede borrar electrónicamente (esto corresponde a la "F" en el modelo).1 Características En la siguiente tabla de pueden observar las características más relevantes del dispositivo: CARACTERÍSTICAS Frecuencia máxima 16F877 DX-20MHz 16 . eficiente y practico para ser empleado en la aplicación que posteriormente será detallada. con cantidad de mejoras incluidas en hardware.2 PIC 16F877 En este proyecto se utilizo el PIC 16F877. posee dos pines para ello.  Set de instrucciones reducidas (tipo RISC). Amplia memoria para datos y programa. Algunas de estas características se muestran a continuación:    Soporta modo de comunicación serial. AN2 y Vref- 17 .2. D. C. USART PSP 8 35 Instrucciones 14 bits Harvard Risc 2 - 3.2 Descripción de los puertos Puerto A:     Puerto de e/s de 6 pines RA0 è RA0 y AN0 RA1 è RA1 y AN1 RA2 è RA2. B. E 40 14 3 2 MSSP.Memoria de programa flash palabra de 14 bits 8KB Posiciones RAM de datos Posiciones EEPROM de datos Puertos E/S Número de pines Interrupciones Timers Módulos CCP Comunicaciones Serie Comunicaciones paralelo Líneas de entrada de CAD de 10 bits Juego de instrucciones Longitud de la instrucción Arquitectura CPU Canales Pwm Pila Harware Ejecución En 1 Ciclo Máquina 368 256 A.   RA3 è RA3. AN4 y SS (Selección esclavo para el puerto serie síncrono) Puerto B:      Puerto e/s 8 pines Resistencias pull-up programables RB0 è Interrupción externa RB4-7 è Interrupción por cambio de flanco RB5-RB7 y RB3 è programación y debugger in circuit Puerto C:   Puerto e/s de 8 pines RC0 è RC0.      RC1-RC2 è PWM/COMP/CAPT RC1 è T1OSI (entrada osc timer1) RC3-4 è IIC RC3-5 è SPI RC6-7 è USART Puerto D:   Puerto e/s de 8 pines Bus de datos en PPS (Puerto paralelo esclavo) 18 . AN3 y Vref+ RA4 è RA4 (Salida en colector abierto) y T0CKI(Entrada de reloj del modulo Timer0)  RA5 è RA5. T1OSO (Timer1 salida oscilador) y T1CKI (Entrada de reloj del modulo Timer1).      Puerto E: Puerto de e/s de 3 pines RE0 è RE0 y AN5 y Read de PPS RE1 è RE1 y AN6 y Write de PPS RE2 è RE2 y AN7 y CS de PPS Dispositivos periféricos:   Timer0: Temporizador-contador de 8 bits con preescaler de 8 bits Timer1: Temporizador-contador de 16 bits con preescaler que puede incrementarse en modo sleep de forma externa por un cristal/clock. PWM (Modulación de Anchura de Impulsos).  Puerta Paralela Esclava (PSP) solo en encapsulados con 40 pines 3.2. Puerto Serie Síncrono Master (MSSP) con SPI e I2C (Master/Slave).3 Descripción de Pines NOMBRE DEL PIN PIN TIPO TIPO DE DESCRIPCIÓN BUFFER OSC1/CLKIN 13 I ST/MOS Entrada del oscilador de cristal / Entrada de señal de reloj externa OSC2/CLKOUT 14 O Salida del oscilador de cristal 19 .   Timer2: Temporizador-contador de 8 bits con preescaler y postescaler. Dos módulos de Captura. Comparación.    Conversor A/D de 1 0 bits. USART/SCI (Universal Syncheronus Asynchronous Receiver Transmitter) con 9 bit. programado todo como entradas RB0 pude ser pin de interrupción externo.MCLR/Vpp/THV 1 I/P ST Entrada del Master clear (Reset) o entrada de voltaje de programación o modo de control high voltaje test RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/ VrefRA3/AN3/Vref+ RA4/T0CKI RA5/SS/AN4 2 3 4 5 6 7 I/O I/O I/O I/O I/O I/O TTL TTL TTL TTL ST TTL PORTA es un puerto I/O bidireccional RAO: puede ser salida analógica 0 RA1: puede ser salida analógica 1 RA2: puede ser salida analógica 2 o referencia negativa de voltaje RA3: puede ser salida analógica 3 o referencia positiva de voltaje RA4: puede ser entrada de reloj el timer0. RA5: puede ser salida analógica 4 o el esclavo seleccionado por el puerto serial síncrono. RBO/INT RB1 RB2 RB3/PGM RB4 RB5 RB6/PGC RB7/PGD 33 34 35 36 37 38 39 40 I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O TTL/ST TTL TTL TTL TTL TTL TTL/ST TTL/ST PORTB es un puerto Puede I/O ser bidireccional. RB3: puede ser la entada de programación de bajo voltaje Pin de interrupción Pin de interrupción Pin de interrupción. Reloj de programación serial RCO/T1OSO/T1CKI 15 I/O ST PORTC es un puerto I/O 20 . RC7 USART puede ser el o receptor datos asíncrono síncronos USART 21 .RC1/T1OS1/CCP2 RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL RC4/SD1/SDA RC5/SD0 RC6/Tx/CK RC7/RX/DT 16 17 I/O I/O ST ST bidireccional RCO puede ser la salida del oscilador timer1 o la entrada de 18 I/O ST reloj del timer1 RC1 puede ser la entrada del 23 24 25 26 I/O I/O I/O I/O ST ST ST ST oscilador timer1 o salida PMW 2 RC2 puede ser una entrada de captura y comparación o salida PWN RC3 puede ser la entrada o salida serial de reloj síncrono para modos SPI e I2C RC4 puede ser la entrada de datos SPI y modo I2C RC5 puede ser la salida de datos SPI RC6 puede ser el o transmisor el reloj asíncrono síncrono. RD0/PSP0 RD1/PSP1 RD2/PSP2 RD3/PSP3 RD4/PSP4 RD5/PSP5 RD6/PSP6 RD7/PSP7 19 20 21 22 27 28 29 30 I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O ST/TTL ST/TTL ST/TTL ST/TTL ST/TTL ST/TTL ST/TTL ST/TTL PORTD es un puerto bidireccional paralelo REO/RD/AN5 RE1/WR/AN RE2/CS/AN7 8 I/O ST/TTL PORTE es un puerto I/O bidireccional 9 I/O ST/TTL REO: puede ser control de lectura para el puerto esclavo paralelo o 10 I/O ST/TTL entrada analógica 5 RE1: puede ser escritura de control para el puerto paralelo esclavo o entrada analógica 6 RE2: puede ser el selector de control para el puerto paralelo esclavo o la entrada analógica 7.32 P - Fuente positiva para los pines lógicos y de I/O NC - - - No está conectado internamente 22 . Vss 12.31 P - Referencia de tierra para los pines lógicos y de I/O Vdd 11. aunque tienen. la magnitud de esta caída depende del proceso de manufactura y de la temperatura de la unión. Cuando el potencial es positivo con respecto al cátodo. Las tecnicas modernas de control de los procesos de difusión y epitaxiales permiten obtener las características deseadas en el dispositivo. difusión y crecimiento epitaxial. no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción. entre otras. Es un dispositivo de union pn con dos terminales. Una unión pn se forma. Cuando el potencial del cátodo es positivo con respecto al del ánodo. Un diodo conductor tiene una caída directa de voltaje a través de el relativamente pequeña.Capitulo 4 Dispositivos Semiconductores de Potencia 4. por aleación. las siguientes limitaciones: son dispositivos unidireccionales.1 Diodos de Potencia Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos. se 23 . en el caso norma. se dice que el diodo esta polarizado directo y conduce electricidad. El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo. donde no es critico el tiempo de recuperación.dice que el diodo esta polarizado inverso. deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.1. 4. y las especificaciones de voltaje van de 50 V hasta 5 KV.Diodos Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción. Sin embargo. 24 . y se usan en aplicaciones de baja velocidad. En general esos diodos se fabrican por difusión.1 . Fig. esta corriente de fuga aumenta de magnitud en forma paulatina hasta que se llega al voltaje de avalancha o de Zener. Para mayor parte de los fines prácticos. Los diodos de potencia se pueden clasificar dentro de diodos de propósito general. Esos Diodos cubren especificaciones de corriente desde menos de 1 A y hasta varios miles de amperes. deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. 4. diodos de recuperación rápida y diodos Schottky. En sentido inverso. en el caso típico de unos 25 μs. son lo mas económicos y robustos.2 Diodos de propósito general Los diodos rectificadores de propósito general tienen un tiempo de recuperación inversa relativamente grande. 400 A. se pude considerar que un diodo es un interruptor ideal. pasa una corriente pequeña inversa en del orden de micro o miliamperes. los tipos de rectificadores de aleación que se usan en las fuentes de poder para soldar. Bajo condiciones de polarizacion inversa. y sus capacidades pueden llegar hasta 1500 V. lo que da como resultado un tiempo corto de recuperación tan corto como 50 ns.1. el otro se llama tipo de disco. y de menos de 1 A hasta cientos de amperes. Para especificaciones de voltaje menores que 400 V. y en consecuencia no queda exceso de portadores de minoría que se recombinen. Se deposita una capa de metal sobre una capa delgada eptaxial de silicio tipo n.Existen dos configuraciones de los diodos de propósito general que casi siempre caen en dos tipos: uno se llama tipo perno. Esto se logra estableciendo un potencial de barrera con un contacto entre un metal un semiconductor. los diodos epitaxiales proporcionan velocidades mayores de conmutación que las de los diodos por difusión.4 Diodos Schottky El problema de almacenamiento de carga de una unión pn se puede eliminar o minimizar en un diodo de Schotttky. los diodos de recuperación rápida se suelen fabricar por difusión. espiga o terminal. paquete prensado o puck de hockey. E efecto de 25 . el ánodo o el cátodo puede ser el perno. en el caso normal menor que 5 μs. La acción rectificadores solo depende de los portadores de mayoría. 4.3 Diodos de recuperación rápida Los diodos de recuperación rápida tienen tiempo de recuperación corto. 4. o montado en perno. Esos diodos abarcan especificaciones actuales de voltaje desde 50 V hasta unos 3 KV. y el tiempo de recuperación se controla por difusión. La barrera de potencial simula el comportamiento de una unión pn. En un diodo del tipo montado en perno. Se usan en circuitos convertidores de cd a cd y de cd a ca. Los diodos epitaxiales son angostos de la base.1. Para voltajes nominales mayores que 400 V. y el tiempo de recuperación se controla por difusión de platino o de oro. donde con frecuencia la velocidad de conmutación tiene importancia critica. las especificaciones de corriente de los diodos Schottky varían de 1 a 400 A. desde una fuente de ca. Son ideales para fuentes de alimentación de gran corriente y alto voltaje de cd. pasando de un estado no conductor a un estado conductor. esos diodos también se usan en fuentes de poder de poca corriente. es bastante independiente de la di/dt inversa. ha creado posibilidades ilimitadas para el control de motores de CD. Un diodo Schottky con voltaje de conducción relativamente bajo tiene una corriente algo alta. 4. Un diodo de Schottky tiene una caída de voltaje relativamente baja en sentido directo.2 Tiristores Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores de potencia. Puesto que el SCR puede 26 .recuperación solo se debe a la capacitancia propia de la unión del semiconductor. la elevada seguridad en el funcionamiento y la relativa eficacia del SCR ha empezado a dominar la última mitad del siglo XX en el control de motores de CD y ca de pequeña o medina potencia. El desarrollo del tiristor o rectificador de silicio controlado (SCR) para servicios de baja y media potencia en la década de los 50. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. para tener mayor eficiencia. mediante procedimientos electrónicos. desde una fuente de ca. El resultado es que el voltaje máximo admisible para este diodo se limita en general a 100 V. La corriente de fuga de un diodo Schottky es mayor que la de un diodo de unión pn. aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones. Ya que eso solo se debe a ala capacitancia de la unión. El pequeño tamaño. Se operan como conmutadores biestables. Sin embargo. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales. La carga recuperada de un diodo Schottky es mucho menor que la de un diodo equivalente de unión pn. y viceversa. anódica. de manera que el SCR puede atornillarse a un disipador metálico de calor. Un monocristal de tres uniones (de aleación de silicio) esta situado en el interior de una pastilla cerámica de la que sale un conductor anódico flexible multitrenzado (o cola de puerco) desde una capa positiva de material semiconductor.2. unido a masa en la envoltura metálica. se enciende aplicando una señal negativa entre la compuerta G y la terminal MT1. El terminal de cátodo. y un 27 .1 TRIAC Un TRIAC puede conducir en ambas direcciones. El resultado es la producción de un semiconductor pnpn que se compone de tres uniones.utilizarse para controlar la velocidad de motores de CD de 115 V hasta 50 CV y motores de 230 V hasta 100 CV desde una fuente de alimentación de ca monofasica o trifásica. un npn y un pnp conectado en oposición. por uniones adecuadas. Se la terminal MT2 es negativa con respecto a la terminal MT1. No es necesario tener las dos polaridades de señal de compuerta. Se puede considerar como dos SCR conectados en El TRIAC. Un rabillo para el control o conductor de puerta (gate) que sobresale de la envoltura. al ser un antiparalelo con una conexión de compuerta común. separada del ánodo el cátodo. no se puede decir que sus terminales sean ánodo cátodo. 4. El SCR puede considerarse formado por dos transistores. y se usa normalmente para control por fase. su versatilidad y el tamaño reducido del equipo de control que se necesita. respectivamente. de control y catódica entre las cuatro zonas producidas en un solo monocristal impurificado de uniones. Si la terminal MT2 es positiva con respecto a la terminal MT1 el TRIAC se puede encender aplicando una señal positiva entre la compuerta G y la terminal MT1. dispositivo bidireccional. se saca desde una capa negativa en forma de tornillo fijado a una tuerca hexagonal. augura grandes promesas para el control de motores de pequeña y mediana potencia por métodos electrónicos. se toma de una capa positiva de material semiconductor. (baja velocidad de conmutación).2 Grafica de Operación de un TRIAC Dispositivo de tres terminales con capacidad de controlar el paso de corriente en ambas direcciones (dispositivo bidireccional). tanto para voltajes negativos como positivos. El límite de frecuencia para este es de 400Hz. Fig. 28 .TRIAC se puede encender con una señal de compuerta que puede ser positiva o negativa. 4. y los TRIAC suelen operar en el cuadrante 1 o en el cuadrante 3. Presenta la ventaja de poder pasar a conducción. El triac es sensible a bajos valores de dV/dt y dI/dt. las sensibilidades varían de uno a otro cuadrante. Para pasar del estado de bloque al de conducción de una forma controlada. muy utilizado en la regulación de ca. En la practica. deberemos aplicar una determinada señal al terminal de puerta. Una forma simple de describir su comportamiento es comparándolo con dos tiristores conectados en antiparalelo. Fig. La señal de entrada es aplicada al foto emisor y la salida es tomada del fotorreceptor.4.3 Opto acopladores Un opto acoplador combina un dispositivo semiconductor formado por un fotoemisor. Todos estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP. La gran ventaja de un opto acoplador reside en el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida.Fig. 4. Los opto acopladores son capaces de convertir una señal eléctrica en una señal luminosa modulada y volver a convertirla en una señal eléctrica. un fotorreceptor y entre ambos hay un camino por donde se transmite la luz.3 – Definición de Cuadrantes para un TRIAC 4.4 – Símbolo de un Opto Acoplador 29 . 4 Encoder Un encoger es un transductor rotativo que transforma un movimiento angular en una serie de impulsos digitales. sistemas de control entre otros. que podrían ser pulsos de tensión. 4. El sistema de 30 . La energía luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que este genere una tensión eléctrica a su salida. este emite un haz de rayos infrarrojo que transmite a través de una pequeña guia-ondas de plástico o cristal hacia el fotorreceptor. en los robots. en los sistemas de motores. El circuito interno de cruce por cero conmuta al triac sólo en los cruce por cero de la corriente alterna. en los aparatos de medición y control. Fototriac: se compone de un opto acoplador con una etapa de salida formada por un triac Fototriac de paso por cero: Opto acoplador en cuya etapa de salida se encuentra un triac de cruce por cero. Existen diferentes tipos de opto acopladores como:    Fototransistor: se compone de un opto acoplador con una etapa de salida formada por un transistor BJT. Las principales aplicaciones de los encoders esta en las maquinas herramienta o de elaboración de materiales. Este responde a las señales de entrada. Existen encoders en que la detección de movimiento angular se ejecuta en base al principio de exploración fotoeléctrica.Los foto emisores que se emplean en los opto acopladores de potencia son diodos que emiten rayos infrarrojos (IRED) y los fotorreceptores pueden ser tiristores o transistores. Estos impulsos generados pueden ser utilizados para controlar los desplazamientos de tipo angular o de tipo lineal. Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo IRED. si se asocian a cremalleras o a husillos. Las señales eléctricas de rotación pueden ser elaboradas mediante controles numéricos (CNC). contadores lógicos programables (PLC). Existen diferentes tipos de encoders entre ellos el mas utilizado es el encoger incremental. los cuales por lo general son canal A y canal B. para generar impulsos correctamente escuadrados y sin interferencias. Los receptores tienen la tarea de detectar las variaciones de luz que se producen con el desplazamiento del disco convirtiéndolas en las correspondientes variaciones eléctricas. La señal eléctrica detectada. Con la lectura de un solo canal se dispone de la información correspondiente a la velocidad de rotación.lectura se basa en la rotación de un disco graduado con un reticulado radial formado por líneas opacas. Su lectura se efectúa en base a la diferencia de las dos señales. el error de división del retículo. La precisión de un encoger incremental depende de factores mecánicos eléctricos entre los cuales. Este encoder proporciona normalmente dos formas de ondas cuadradas y desfasadas entre si en 90° eléctricos. que proporciona la posición absoluta de cero del eje del encoger. pero desfasados en 180° eléctricos. mientras que se capta también la señal B es posible discriminar el sentido de rotación en ase a la secuencia de datos que producen ambas señales. Esta señal se presenta bajo la forma de impulso cuadrado con fase y amplitud centrada en el canal A. la excentricidad del 31 . Este conjunto esta iluminado de modo perpendicular por una fuente de rayos infrarrojos. comparando dos señales case idénticas. el sistema de lectura se efectúa generalmente de manera diferencial. alternadas con espacios transparentes. El disco proyecta de este modo su imagen sobre la superficie de varios receptores oportunamente enmascarados por oro reticulado que tiene el mismo paso del anterior llamado colimador. eliminando de este modo las interferencias definidas de modo común porque están superpuestas de igual manera en toda forma de onda. Esta disponible además otra señal llamado canal Z o Cero. Para incrementar la calidad y estabilidad de las señales. debe ser procesada electrónicamente. disco. Para saber a cuantos grados mecánicos corresponden 360° eléctricos se divide 360° mecánicos entre el número de impulsos por giro. en efecto. imprecisiones de tipo óptico. este determina la división de un impulso generado por el encoder. 32 . la de los rodamientos. La unidad de medida para definir la precisión de un encoger es el grado eléctrico. los 360° eléctricos corresponden a la rotación mecánica el eje. necesaria para hacer que se realice un ciclo o impulso completo de la señal de salida. el error introducido por la electrónica de lectura. absorber el vapor metálico condensado. 3. el polvo tiene por misión enfriar el metal vaporizado. 33 . 2.Capitulo 5 Protección 5. En el caso de cortocircuito. La presencia de este polvo es la que confiere al fusible su alto poder de ruptura en el caso de cortocircuitos bruscos.1 Fusibles Quizá el dispositivo más simple de protección del motor contra sobrecargas es el fusible. El tipo cartucho o contacto de casquillo es útil para las tensiones nominales entre 250 y 600 V en los tipos fijo y recambiable. extinguir el arco que pueda mantenerse en el vapor metálico conductor. Para seleccionar un fusile es necesario estimar la corriente de falla. El fusible debe ser capaz de resistir el voltaje después de la extinción del arco. El valor admitido de i2t del fusible antes de que desaparezca la corriente de falla debe ser menor que el valor nominal de i2t del dispositivo que se va a proteger. El fusible debe conducir la corriente nominal del dispositivo en forma continua. 4. El voltaje pico de arco debe ser menor que el voltaje pico nominal del dispositivo. El tipo fijo mostrado en el esquema contiene polvo aislante (talco o un adecuado aislante orgánico) rodeando al elemento fusible. para entonces satisfacer los siguientes requisitos: 1. Los fusibles están divididos en fusibles de baja tensión (600 V o menos) y los fusibles de alta tensión (mas de 600 V). La temperatura de unión de un dispositivo es TJ y se determina con T J = PA (RJC + RCS + RSA) donde: RJC = resistencia térmica de unión a caja. y su tamaño. RSA = resistencia térmica de disipador a ambiente. convección o radiación. lo que mas se usa en aplicaciones industriales es la convecino natural o forzada con aire. TA = Temperatura ambiente. más allá de cierta velocidad. °C. para minimizar la resistencia térmica entre el encapsulado y el disipador. Este calor se debe transferir en la unión dentro del intervalo especificado. °C/W. y usan aletas de enfriamiento para aumentar la capacidad de transferencia de calor. Sin embargo. El siguiente paso es elegir un disipador. RCS = resistencia térmica del encapsulado al disipador. para determinada temperatura ambiente. °C/W. se aplican grasas de silicona para mejorar la capacidad de transferencia térmica y apara minimizar la formación de óxidos y corrosiones. El calor debe pasar del dispositivo a su encapsulado y después al disipador o radiador de calor en el medio de enfriamiento. Hay disponibles una amplia variedad de disipadores de calor de aluminio extraído en el comercio. Las superficies deben ser planas. la resistencia térmica disminuye al aumentar la velocidad del aire. En el caso normal las resistencias RJC y RCS las especifican los fabricantes del dispositivo de potencia. que cumplan con el requisito de resistencia térmica. En el enfriamiento forzado. Tiene importancia extrema el área de contacto entre el dispositivo y el radiador de calor. El dispositivo se debe montar en forma correcta sobre el disipador 34 . la reducción de resistencia térmica no es importante. Una vez conocida la pérdida de potencia PA se puede calcular la resistencia térmica requerida del disipador de calor. lisas y sin polvo. corrosión ni óxidos superficiales. °C/W. En el caso norma.5. Aunque esta transferencia de calor se puede efectuar por conducción.2 Disipadores Debido a las perdidas en estado activo y por conmutación dentro del dispositivo de potencia se genera calor. de calor. los pares excesivos de aprete pueden causar danos mecánicos a la oblea de silicio. los dispositivos se enfrían mejor con líquidos. unas tres veces mas eficiente que el enfriamiento con aceite. que en el caso normal son aceite o agua. y el perno no se debe en engrasar ni lubricar. se puede determinar una grafica de perdida de potencia en función del tiempo. Si la impedancia térmica de un dispositivo de potencia es muy pequeña. que puede estar restringido a algunas aplicaciones. El enfriamiento con agua es muy eficiente. En el caso de dispositivos con pernos de montaje. Los tubos térmicos y los disipadores de calor enfriados con líquido se consiguen en el comercio. y el resultado es que la temperatura de unión del dispositivo varia en función de la perdida instantánea de potencia. En aplicaciones con altas potencias. y agregarle anticongelante. El aceite es inflamable. Los fabricantes del dispositivo suelen recomendar los procedimientos adecuados de instalación. y a continuación las características de impedancia transitoria se pueden usar para calcular las variaciones de temperatura en función del tiempo. A partir del conocimiento de la onda de corriente por un dispositivo . el enfriamiento por aceite. porque la lubricación aumenta la tensión en el perno. Los fabricantes de dispositivo proporcionan una grafica de la impedancia térmica de estado transitorio en función de la duración de un pulso cuadrado. La temperatura instantánea de la unión siempre debe mantenerse mas baja que el valor aceptable. Si el medio de enfriamiento falla en los sistemas prácticos en el caso normal el aumento de temperatura de los disipadores de calor sirve para desconectar los convertidores de potencia. 35 . proporciona un buen aislamiento y elimina los problemas de corrosión y congelamiento. en especial en aplicaciones con grandes potencias. para obtener la presión correcta de montaje entre las superficies correspondientes. como parte de sus hojas de datos. es necesario usar agua destilada para minimizar la corrosión. Sin embargo. dependiendo de su diseño.Capitulo 6 Transformadores 6. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas.1 Definición de un Transformador Se denomina transformador a una máquina electromagnética que permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna. etc. manteniendo la frecuencia. en este caso puede existir un devanado "terciario". También existen transformadores con más devanados.1 . respectivamente. tamaño. en su forma más simple. en el caso de un transformador ideal. esto es. La potencia que ingresa al equipo.Transformador 36 . es igual a la que se obtiene a la salida. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la tensión alta o baja. por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos. Fig. 6. de menor tensión que el secundario. sin pérdidas. que poseía una por cada bujía. las variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable dependiendo de la frecuencia de la corriente. se inducía una corriente de escaso valor pero con una fuerza eléctrica capaz de saltar entre las puntas de un chispero conectado a sus extremos. comandadas por un distribuidor que mandaba la corriente a través cada una de las bobinas en la secuencia correcta. llamada primario. entre tantas. 37 . También da origen a las antiguas bobinas de ignición del automóvil Ford modelo "T".2 Historia del Transformador El aparato que aquí se describe es una aplicación.3 Funcionamiento de un Transformador Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario. llamado secundario y con mucho más espiras. la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario. Este campo magnético variable originará. 6. A una bobina. que consistía en dos bobinas concéntricas. derivada de la inicial bobina de Ruhmkorff o carrete de Ruhmkorff. y en el otro bobinado.6. se le aplicaba una corriente continua proveniente de una batería. conmutada por medio de un disruptor movido por el magnetismo generado en un núcleo de hierro central por la propia energía de la batería. El campo magnético así creado variaba al compás de las interrupciones. por inducción. si la intensidad circulante por el primario es de 10 Amperios. al poder efectuarse el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades y por tanto pequeñas pérdidas. con lo que en el caso del ejemplo. la del secundario será de solo 0. A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de transformación. debe ser igual a la obtenida en el secundario. es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) . obtendremos 23000 Voltios en el secundario (una relación 100 veces superior. Ahora bien. Así. el producto de la fuerza electromotriz por la intensidad (potencia) debe ser constante.2 . como lo es la relación de espiras). La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep). la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es).Fig.Esta particularidad tiene su utilidad para el transporte de energía eléctrica a larga distancia. si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario. si aplicamos una tensión alterna de 230 Voltios en el primario. 6. la obtenida en el secundario. en caso de un transformador ideal.Representación esquemática del transformador.1 amperios (una centésima parte). 38 . como la potencia aplicada en el primario. de valores correspondientes a transporte. es la elevación de tensiones que se produce en las subestaciones eléctricas elevadoras a la salida de las centrales de generación eléctrica. en cambio. La tensión de salida de la electricidad producida es baja para llevar a cabo un transporte eficaz. Ahora bien. se debe contemplar la pérdida real de potencia eléctrica que se produce en este transporte. por riesgo de electrocución) por lo que se ha de realizar la transformación de tensiones. puesto que los conductores reales tienen una cierta resistencia por unidad de longitud y el transporte puede ser de centenares de kilómetros. como por ejemplo los circuitos de radio. los equipos eléctricos conectados a la red no pueden operar entre tensiones tan altas (sería muy peligroso. Otra aplicación. para lo cual se emplean los equipos de transformación. resultando la misma potencia eléctrica transportada siempre que el producto de estas dos magnitudes sea igual. Pero sería inadecuado dar la idea de que los transformadores sólo encuentran su aplicación en el campo del transporte de energía eléctrica. también en la electrónica de circuitos. 39 . por lo que se recurre a enormes equipos de transformación. una de cuyas aplicaciones es la de transformador de impedancias.4 Aplicaciones El transporte de una cierta cantidad de energía eléctrica por unidad de tiempo se puede llevar a cabo eligiendo la tensión a la que se realiza el transporte o la intensidad de la corriente.6. Pero. relacionada con la anterior. a fin de elevar la tensión de la electricidad y llevarla a una tensión adecuada para el transporte. Hay multitud de aplicaciones para los transformadores. parámetros que se elegirán en función de las distancias a recorrer y la cantidad de potencia eléctrica que se quiera transportar. a valores de consumo. La manera de minimizar dicha pérdida de potencia es efectuando el transporte a tensiones elevadas y con bajas intensidades de corriente. valor que corresponderá a la citada potencia eléctrica transportada. Si se coloca en el secundario una impedancia de valor Z. hemos conseguido transformar una impedancia de valor Z en otra de Z/n². Así. y llamamos n a Ns/Np. 40 .n. Colocando el transformador al revés. como Is=-Ip/n y Es=Ep. lo que hacemos es elevar la impedancia en un factor n². la impedancia vista desde el primario será Ep/Ip = -Es/n²Is = Z/n². 7.1 Desarrollo del proyecto El esquema del circuito a diseñar para controlar el motor citado anteriormente sería el que se encuentra a continuación. Fig. teniendo en cuenta las características eléctricas y mecánicas del motor.1 – Diagrama del Circuito del Controlador y Motor 41 .Capitulo 7 Diseño del Controlador en Motores de CD 7. con este circuito se cumplen todas las exigencias que se deben tener en cuenta para controlar a este. Además se implementa un circuito de excitación que impide que el tiristor reciba voltaje positivo de compuerta.1. cuando esta polarizado en inverso.m. 7.p. El voltaje inverso de bloqueo debe ser de 200 Volts dado que el motor presenta una impedancia de tipo inductiva y aparecen sobre tensiones en los transitorios. por lo que de ninguna manera se alcanzará la corriente máxima de arranque del motor (10 amperes). y de esta forma se utiliza un tiristor de menor corriente máxima directa sin tener problema con la disipación de potencia en el momento de arranque. en nuestro diseño este es para 180º de conducción a la corriente nominal del Tiristor. que estimativamente no superarán los 200 Volts en el peor de los casos.1 Características del motor a controlar      Alimentación: 110 Volts Potencia: ¼ HP Corriente Nominal: 1. Se escogió para las características antes mencionadas el Tiristor S-2800-D.7. 42 . teniendo en cuenta que el sistema de control se encargará de efectuar un arranque suave del motor.1. 7.7 Amperes Corriente de Arranque: 10 Amperes Velocidad Máxima: 1500 r.2 Elección de los tiristores como dispositivo de control de potencia Después de haber visto las características eléctricas y la forma de funcionamiento del motor. Debemos elegir tiristores con una Corriente Directa máxima de 10 Amperes.3 Calculo de la disipación – Elección del Disipador Para calcular la potencia máxima de disipación se debe ver el caso más desfavorable. ya que es el dispositivo que más se adecua a nuestras necesidades. se escogió como elemento de potencia para control el tiristor.1. 2 – Disipador y su grafica de disipacion 43 . esto se logra aplicando la siguiente relación y se obtiene el siguiente resultado: Tj – Ta = Pd ( jc + ca ) ca = (Tj – Ta)/Pd . debemos encontrar la resistencia térmica para la cual la disipación se haga sin ningún problema.7. Para el cálculo del disipador. Si elegimos una Tjmáx de 100ºC.7 * 100ºC que será igual a Tj = 70ºC.Tomamos una Id de 2 Amperes. Entonces la Id nominal se obtiene de la siguiente relación: Id = Inominal*1. 7.2 entonces Inominal = 1. entonces el valor de la temperatura de juntura será Tj = 0.5ºC/W El disipador será el que se muestra a continuación con un largo de 75 mm Fig.jc ca = (70ºC – 55ºC)/2W – 2ºC/W ca = 5.7 Ampere La Potencia a Disipar por el Dispositivo esta dada por la siguiente relación: Pd = Pon + Poff + Pconmutación + Pcompuerta Según la tabla que se muestra a continuación la potencia a disipar por el tiristor para 180º de conducción (RMS de Media Onda) es de 2W a T ambiente = 55ºC P(AV) = 2 Watt Tomaremos para la Temperatura de juntura un factor de protección de 0. esto es según la fórmula anterior: Pd = Iddiodo * Vd ( 1 – 0 ) Pd = Pf Pf = (2/2)0   I0 Vd sen wt d(wt) Pf = (1/) * 2 * 1.6 W 7. La potencia de disipación del diodo esta dada por la siguiente ecuación: Pd = Iddiodo*Vd (1-D) Donde D es el valor del ciclo de trabajo. y la potencia de disipación se llega al siguiente resultado: Tj .1.7. Se escogió un Diodo de recuperación inversa de Motorolla MUR 490 E el cual tiene las características que se muestran a continuación ya que cumple con las exigencias expuestas anteriormente y con la disipación Con estos datos calcularemos la potencia a disipar.25 * (-) cos wt 0  = 1 Pf = 1. para el diodo de conmutación este será cuando se produce un corte en la alimentación del motor. las resistencias térmicas. para este caso D = 0 (Ciclo de trabajo igual a cero).5 Verificación del disipador (Ta = 55ºC) Utilizando la fórmula que relaciona las temperaturas. 6 W Pd = Pf = 1. o sea Iddiodo = 1.Ta = Pd * Rja Tj = Pd * Rja + Ta Tj = 1.6W*50ºC + 55ºC 44 . Por seguridad se tomará un diodo de conmutación con una corriente directa de 2 Amperes.4 Cálculo del diodo de conmutación Como se dijo anteriormente. siempre se debe analizar el peor de los casos. Tomaremos la peor condición de funcionamiento. para realizar el cálculo de estos dispositivos de potencia. ya que la corriente nominal del mismo circulará por este diodo.59 W  1.1.7 Amperes. debido que en el normal funcionamiento no se presentará enbalamiento térmico.6 Diodos Rectificadores Para rectificar se escogieron Diodos del tipo MUR 420 que tienen las siguientes especificaciones. Con estos datos calcularemos la potencia a disipar.56 W 7.56W*50ºC + 55ºC Tj = 83ºC Como la Temperatura de la juntura (T j = 83ºC) es menor que la temperatura de la juntura máxima (Tjmáx = 175ºC) no se debe colocar disipador. debido que en el normal funcionamiento no se presentará enbalamiento térmico. y para los cuales satisfacen las requeridas en nuestro proyecto.1. las resistencias térmicas.1. 45 . esto es según la fórmula anterior y tomando a I0 = 2 A: Pd = (1/2)0  2 I0 Vd sen wt d(wt) Pd = I0 * (1/2) * 2 * Vd Pd = (2 A * 0.Tj = 135ºC Como la Temperatura de la juntura (Tj = 135ºC) es menor que la temperatura de la juntura máxima (T jmáx = 175ºC) no se debe colocar disipador. 7.7 Verificación del disipador (Ta = 55ºC) Utilizando la fórmula que relaciona las temperaturas.Ta = Pd * Rja Tj = Pd * Rja + Ta Tj = 0. y la potencia de disipación se llega al siguiente resultado: Tj .89 Volt)/ Pd = 0. 9 Capacitor del filtro de alimentación de 5 Volts Sabemos que el tiempo de descarga de un capacitor a través de una carga resistiva es:  = R0 * C Donde R0 es la resistencia de carga y puede obtenerse de la tensión de salida del transformador y la corriente de salida.7. con estos valores y los de las hojas de datos obtenemos la Resistencia del LED y la Resistencia del transistor. Vrms = 200 Volts I0 = 1 Ampers Vforward = 1.8 Buffer de Disparo De las hojas de datos del tiristor vemos que la corriente de compuerta Ig en el disparo es de 8mA y la tensión de disparo es de 0. no realizaremos los cálculos de verificación de potencia y temperatura de estos diodos.15 K  5. Tomamos I0pico = 10mA y Igtiristor = 20mA. R0 = 9 Volts/I0 R0 = 9 Volts/1 Ampers R0 = 9  46 .1.6 K En el circuito rectificador para la alimentación del circuito de control utilizamos un rectificador de media onda con un solo diodo rectificador 1N4002 y como los requerimientos de potencia son mínimos y la tensión inversa de ruptura del diodo es lo suficientemente elevada.9 Volts.1.1 Volts 7. Para disparar el Tiristor utilizamos el circuito optoacoplador (MOCD 213) y producir desacople del circuito de control y potencia. RLED = Vled/ILED RLED = 500   490  Rtrans = (110 Volt – 7 Volt)/20mA = 5. 1 KVA 7.1. los transistores y el codificador.11 Cálculo del elemento fusible Al no disponer las curvas de corriente del motor. y la tomamos como 1 Amperes.I0 es la suma de la corriente que consume el PIC.10 Potencias puestas en juego en los transformadores La potencia del transformador de alimentación del circuito de control. Pt = 9 Volt * 1 Amperes = 9 VA Para el segundo transformador se requiere una potencia de: Pt = 110 Volt * 10 Amperes = 1.  = 2 * Tlínea  = 2 * (1/50)  = 40 mseg Y suponemos el tiempo de Entonces: C   / R0 C  0.1. para el cálculo del elemento fusible adoptamos un método práctico. descarga como 2 ciclos de la tensión de línea.04 mseg / 9  C  4000 F 7. se necesita solo 9 VA. Ifusible = Imáx * 30 % + I0máx Ifusible = 10 A * 0. sumarle a la corriente máxima del motor un 30%.3 + 10 A Ifusible = 13 Amperes 47 . Se implementara una matriz de 16 teclas para las teclas de arranque y parada del motor.2 Diagrama de Bloque Fig. 7.7. la velocidad. la temporización y mensajes en caso de falla. 48 . programación de la velocidad o secuencia temporizada de diferentes velocidades del motor. Un display de 16 dígitos de matriz LCD que permite visualizar los estados de programación.3 – Diagrama de Flujo de la etapa de control. 7.2. Tendrá una entrada para transconductor de velocidad o encoder. La entrada es del tipo Smith-trigger conectada internamente a un contador de 16 bits.2.3 Características del Software del Controlador Al disponer de una alta velocidad del procesamiento (20 MHz) y una alta capacidad de memoria tanto de datos (368 bytes) como de programa (8Kbytes) nos permite desarrollar un sistema de control óptimo.1 Circuitos periféricos integrados al Micro-controlador        Dos Timers / contadores de 8 bits. con la cual el envío de datos del funcionamiento del sistema a la PC y la recepción de instrucciones para el funcionamiento. 49 . Se utiliza un circuito de adaptación de niveles RS 232 (MIC 232) 7. 7.2. Puertos serie I2C.2 Características del Hardware del controlador El sistema tendrá dos salidas analógicas debido a que da la posibilidad de controlar las dos salidas con la misma tensión o con distinta para un ciclo útil menor al 50%. Un Conversor Analógico Digital multiplexado de 10 bits. Un Timer / contador de 16 bits. Dos módulos de PWM con resolución de 10 bits. Puerto paralelo de 8 bits. USART SCI.Una entrada RS 232 que permite la interfase con la PC. Para la etapa de control se eligió el uso de un micro-controlador en la etapa de control debido a las ventajas que nos da como:    Posibilidad de incorporar un teclado de control.Conclusiones Para llevar acabo este proyecto el primer paso que se dio fue conocer el motor que queríamos controlar. La mejor elección para este proyecto fue un Micro-controlador 16F877 que posee las siguientes características. Este motor es con el que se cuenta en el laboratorio de eléctrica y sus características son mencionadas en el capitulo 7. Permite modificaciones del software de control sin modificar el circuito. Permite ejecutar una secuencia programada del motor. Alta corriente de salida por pin: 25mA Número de terminales o patas: 40 patas. y diagnosticar fallas.       Velocidad de Operación: 20Mhz Memoria de Programa Flash: 8 Kb de instrucciones. Memoria de Datos (RAM): 368 bytes Memoria de Datos EEPROM: 256 bytes. un display y comunicación con la PC. Decidimos diseñar la etapa de potencia que se encarga de disparar el motor por medio de SCRs. de regular el voltaje de alimentación del encoder y del PIC y de aislar el controlador del motor (esto se muestra en el capitulo 7). Enseguida se definió el tipo de controlador con el que no se contaba en el laboratorio el cual cuenta con tres etapas diferentes en su diseño. 50 . 51 .Este microcontrolador es el mas avanzado de la familia de los PICs 16f8xx. El encoder que se utilizo es del tipo incremental. Algo que aprendimos durante la realización de este proyecto fue que se requiere de conocimiento de programación vasto. Es adecuado para los estudiantes de ingeniería eléctrica el aprender a utilizar los microcontrolador ya que la tecnología esta avanzando cada vez mas rápido día a día y así como los sistemas neumáticos han ido cambiando por sistemas eléctricos así seguirán estos cambiando a sistemas electrónicos en lo que a control se refiere. por lo tanto son mas rápidos y manejan mas memoria. el cual cuenta con dos ranuras o canales. Lo mas conveniente para este proyecto es el de utilizar un engrane con ranuras para que se pueda acoplar a una banda que venga de la flecha del motor. Por esto es que se deben preparar para que la tecnología no rebase sus conocimientos. Algunos de estos programas solo funcionan para ciertas marcas o ciertas familias de PIC. Existe software programador de PIC de sobra para todo tipo de lenguaje es por eso que se debe buscar el mas adecuado a sus conocimientos. El primer canal nos dicta la velocidad y el segundo la dirección de giro de motor. 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