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ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Equipo 5 Tema: Control de fase empleando la técnica del PWM

DEFINICIÓN PWM 

La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía, es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones, o para controlar la energía que se envía a una carga.

CICLO DE TRABAJO DE UNA SEÑAL PERIÓDICA 

El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el periodo. Expresado matemáticamente:

Donde: 

D es el ciclo de trabajo



t1 es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso)



T es el periodo de la función

PARÁMETROS IMPORTANTES



Algunos parámetros importantes de un PWM son estos:

- La relación de amplitudes entre la señal portadora y la moduladora, siendo recomendable que la última no supere el valor pico de la portadora y esté centrada en el valor medio de ésta. - La relación de frecuencias, donde en general se recomienda que la relación entre la frecuencia de la portadora y la señal sea de 10 a 1. La construcción típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida.

APLICACIONES



Una de las aplicaciones más comunes de este tipo de circuitos, es la regulación de la velocidad de giro de los motores eléctricos de inducción o asíncronos, ya que mantienen el par motor constante y no suponen un desaprovechamiento de la energía eléctrica.



Otra aplicación es enviar información de manera analógica, ya que son útiles para comunicarse de forma analógica con sistemas digitales.

INCONVENIENTES 

La principal desventaja que presentan los circuitos PWM, es la posibilidad de que haya interferencias generadas por radiofrecuencia. Éstas pueden minimizarse, ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentación.

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DEL CIRCUITO PRINCIPAL DE APOYO 

CIRCUITO PWM SIMPLE CON 555

Uno de los problemas más fundamentales en robótica es el control de la velocidad del motor DC. El método más común de control de velocidad es PWM o pulso modulación de ancho. Modulación de ancho de pulso es el proceso de cambiar la potencia a un dispositivo y a una frecuencia determinada.

TIMER 555 

El temporizador 555 en el circuito PWM se configura como un oscilador estable. Esto significa que una vez que se aplica la potencia, el 555 oscilará sin ningún disparo externo.

VOLTAJE Vs TIEMPO 

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



El voltaje permanece constante. No varía en el tiempo.

Sin embargo, es posible dividir esa onda en ciclos de trabajo. Los ciclos de trabajo duran un tiempo determinado, por lo que una onda de voltaje puede ser dividida en cuadrados.

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El dividir el voltaje en ciclos de trabajo ofrece muchas ventajas. La información puede ser transmitida modulando la duración y la prolongación del voltaje en un ciclo de trabajo. De igual forma se puede regular la energía que se entrega a una determinada carga. Esto quiere decir que podemos reducir en determinado porcentaje la prolongación del voltaje en cada ciclo de trabajo. Digamos que decidimos enviar un pulso de 5 voltios en un 50% del ciclo de trabajo.



DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO

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

ALGUNOS INTEGRADOS QUE PUEDEN GENERAR PULSOS PWM SON: 

Timer 555

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Tarjeta Arduino

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Integrado SG3524

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Integrado TLC5490 que es un driver de PWM de 16 canales

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Tarjeta Netduino

ANÁLISIS MATEMÁTICO 

Control por PWM

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



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

- considerando solo un par de pulsos tales que si uno comienza en t = α1 y termina en ω t = α1+δ1, el otro pulso comienza en ω t = π + α1, y termina en ω t = (π + α1+δ1).

Combinando todos los efectos de todos los pares. Si el m-ésimo comienza en ωt = αm y su anchura es δm, el voltaje promedio de salida debido a p pulsos se calcula como:

CONTROL POR ÁNGULO DE EXTINCIÓN 

En un control por ángulo de extinción, el interruptor s1 abre cuando ωt = 0, y se cierra por conmutación forzada cuando ωt = π-β. El interruptor s2 se abre cuando ωt = π y se cierra cuando ωt = 2π-β. El voltaje de salida se controla haciendo variar el ángulo de excitación β.



El voltaje promedio de salida se calcula con:



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

EJEMPLO NUMÉRICO 

Un semiconvertidor se conecta a una fuente de 120v, 60Hz. Se puede suponer que la corriente en la carga, Ia es continua y que su contenido de rizo es despreciable. La relación de vueltas del transformador es unitaria.

medio



Tenemos:

Vcd= (Vm/ π) (1 + cos α) = 54.02V Vcd = 54.02V Vcd

Vn= Vdm = 0.5 (1 + cos α) Donde:

Vdm= 2Vm/π Vn = 0.5 1

VVrms =

Vm 2

[

1 π

π−α+

sen 2α 2 ) 2

= 84.57 V.

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

PRÁCTICA PROPUESTA 

Control de intensidad luminosa por medio de un timer 555 (Generando pulsos PWM)

OBJETIVO. Controlar la intensidad luminosa por medio de un timer generando pulsos PWM. MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR

- Timer 555 - Diodo “1N4148 - Resistencias - Capacitores

- Tiristor SCR C106B - Fuente de alimentación - Lámpara a 12 V - Multímetro

CIRCUITO A ARMAR

A CONTINUACIÓN SE MUESTRA EL CIRCUITO SIMULADO EN MULTISIM

REFERENCIAS CONSULTADAS. 

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

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



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



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

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

CUESTIONARIO 

1.- ¿Qué significa PWM?



2.- ¿Cuál es la modificación que hace la técnica PWM?



3.- ¿Cuál es la construcción típica de un circuito PWM?



4.- ¿Cómo se expresa matemáticamente el ciclo de trabajo de una señal periódica?



5.- ¿Cuál es la principal desventaja que presentan los circuitos PWM y como se pueden minimizar?



6.- ¿Cuáles son los algunos integrados para generar pulsos PWM?



7.- ¿En qué consiste la técnica PWM?



8.- ¿Cuantos tipos de circuitos con PWM se pueden formar, nómbralos?



9.- ¿Cuantas zonas de funcionamiento existen en un PWM?



10.- ¿Qué es el ciclo de trabajo de una señal periódica?

CUESTIONARIO CONTESTADO 

1.- ¿Qué significa PWM?

Por sus siglas en ingles Pulse-Width Modulación (modulación en ancho de pulso) es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (sinusoidal o cuadrada) 

2.- ¿Cuál es la modificación que hace la técnica PWM?

Modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica, ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga. 

3.- ¿Cuál es la construcción típica de un circuito PWM?

Mediante un comparador con dos entradas y una salida. 

4.- ¿Cómo se expresa matemáticamente el ciclo de trabajo de una señal periódica?

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

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5.- ¿Cuál es la principal desventaja que presentan los circuitos PWM y como se pueden minimizar?

La principal desventaja que presentan los circuitos PWM es la posibilidad de que haya interferencias generadas por radiofrecuencia. Éstas pueden minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentación. 

6.- ¿Cuáles son los algunos integrados para generar pulsos PWM?

Timer 555, tarjeta Arduino, integrado SG3524, integrado TLC5490 que es un driver de PWM de 16 canales y tarjeta Netduino. 

7.- ¿En qué consiste la técnica PWM?

Esta técnica consiste en generar pulsos de frecuencia determinada y hacer variar el ciclo de trabajo de los mismos. Para el caso de convertidores CC/CC, se obtiene dicha forma de onda mediante la comparación de una señal triangular de frecuencia fija con un nivel de tensión continua; dicho nivel de continua aporta la información de la referencia a conseguir. 

8.- ¿Cuantos tipos de circuitos con PWM se pueden formar, nómbralos?

Circuito de potencia Regulador de tensión Circuito de reloj Circuito de control 

9.- ¿Cuantas zonas de funcionamiento existen en un PWM?

Se divide en tres zonas: Activa, Corte, Saturación 

10.- ¿Qué es el ciclo de trabajo de una señal periódica?

Es la relación que existe entre el tiempo en que la señal se encuentra en estado activo y el periodo de la misma, su valor se encuentra comprendido entre 0 y 1.