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Circuitos de Regulación
Coordinador: Participantes: Lcdo: Moreno Pablo Yunior R. Laviera León Yencer Rodríguez Jesús Sánchez Jesús Velázquez Rafael Latiegue Sección: SA Septiembre, 2024
Introducción
Hoy en día es más común encontrar en las fuentes de alimentación reguladores integrados, normalmente son componentes muy parecidos a los transistores de potencia, suelen tener tres terminales, uno de entrada, un común o masa, y uno de salida, tienen una capacidad de reducción del rizado muy alta y normalmente solo hay que conectarles un par de condensadores. Existen circuitos reguladores con un gran abanico de tensiones y corrientes de funcionamiento. La serie más conocida de reguladores integrados es la 78XX y la serie 79XX para tensiones negativas. Los de mayor potencia necesitarán un disipador de calor, este es el principal problema de los reguladores serie lineales tanto discretos como integrados, al estar en serie con la carga las caídas de tensión en sus componentes provocan grandes disipaciones de potencia. Normalmente estos reguladores no son buenos para aplicaciones de audio por el ruido que pueden introducir en preamplificadores. Para ello es mejor utilizar regulación con componentes discretos o reguladores tipo LDO de bajo ruido
la mayoría de las aplicaciones que podemos necesitar en un taller o laboratorio de electrónica. Tanto el circuito integrado LM317 como el transistor se tienen que montar en sendos disipadores o bien en un mismo disipador, pero usando aisladores. En la próxima entrega veremos un regulador de mi invención que es más específico para usar en la carga de baterías que requieran intensidades de entre 1.5A hasta 6A. Los circuitos de regulación de tensión están construidos mediante un transistor bipolar como elemento de control, así como estar equipados de una protección que evita las sobre tensiones que puedan dañar a nuestro equipo. Circuitos de regulación de tensión y protección en serie: El funcionamiento de este circuito es el siguiente: si la tensión de salida (Vo) decrece; aumenta la tensión VBE del transistor e incrementa su corriente lo que permite restaurar la tensión de salida. Por el contrario, si Vo aumenta, la disminución en la tensión VBE hace disminuir a su vez la corriente del transistor cuyo efecto es intentar reducir la tensión de salida hasta restaurar Vo al valor deseado. Una versión mejorada de este regulador y que se adapta al diagrama de bloques de la figura 11.2 se presenta en la figura 11.6.b. Está constituido por un referencia de tensión y un OA que controla al Darlington (Q 1 y Q 2 ) de potencia de salida. Los transistores de potencia tienen una VBE(on) ≈ 1V y el valor de hFE es generalmente mucho menor que los transistores BJT de baja potencia (a veces tan baja como 10). Por esta razón, el elemento de regulación en serie se implementa generalmente con un par Darlington que ofrece una ganancia en intensidad alta, típicamente de 1000 o más. En este circuito, el OA actúa como amplificador de error comparando la tensión de referencia (VREF) obtenida a partir de una referencia de tensión con la obtenida a través de la red de realimentación formada por un R 1 y R 2. Como en un OA ideal, Vn =Vp , la tensión de salida de este circuito es Circuitos de Protección Circuitos de regulación de tensión están equipados con un circuito de protección cuyo propósito es limitar la corriente del elemento en serie (o incluso anularla). Los circuitos de protección se diseñan para estar inactivos bajo condiciones de operación normal y activarse tan pronto como se intente exceder el correspondiente límite de seguridad. El propósito del circuito de protección contra sobrecarga es evitar que la corriente que circula por el transistor en serie exceda un nivel de seguridad predeterminado; como sucedería, por ejemplo, en el caso de cortocircuitar la salida. La primera técnica, en su forma más simple, se implementa con otro transistor (Q 2 ) y una resistencia (RSC ); según se indica en la figura 11.7.a. La función de RSC es chequear el valor de I (^) E1 y desarrollar una caída de tensión de valor suficiente para hacer que el transistor de vigilancia Q 2 ; conduzca cuando IE alcance un nivel predeterminado de seguridad, IE1(max )=ISC (figura 11·.7.b). Esto se consigue imponiendo la condición:
Incluso con este circuito de limitación de corriente, el transistor en serie se puede calentar excesivamente bajo condiciones de cortocircuito de larga duración. Por ello, se utiliza también la segunda técnica de protección contra sobrecarga, denominada limitación de corriente foldback basado en el circuito descrito. La idea de la limitación foldback es reducir la corriente y la tensión de la carga cuando ocurren las condiciones de sobrecarga. En la figura 11.8.b se muestra la característica V o – I o típica de una fuente de alimentación con limitación foldback. Una vez que se alcanza la corriente de carga máxima (IFB), el voltaje de salida disminuye y la corriente de la carga se reduce. Esto reduce la disipación de potencia del regulador y del resto de los componentes de la fuente de alimentación. Bajo condiciones normales de carga, R 1 , R 2 y Q 2 no tienen efecto en la operación del circuito. Bajo condiciones de sobrecarga, la caída de tensión en RSC hará que Q 2 conduzca; robando corriente de base a Q 1 y produciendo una disminución en la tensión de salida. La disminución de Vo reduce aún más la caída de tensión en R 1 ; haciendo que Q 2 se sature y reduciendo aún más la corriente y la tensión de la carga. Las intensidades IFB e ISC están dadas por las siguientes ecuaciones La corriente de cortocircuito no debe ser muy pequeña; una buena elección es ISC ≈IFB /3. Las fuentes con limitación foldback se usan generalmente en aplicaciones de alta corriente.
Circuitos de Disparos. Sincronismo Modulador
El circuito de disparo o excitación de compuerta de los tiristores es una parte integral del convertidor de potencia. La salida de un convertidor, que depende de la forma en que el circuito de disparo excita a los dispositivos de conmutación (tiristores), es una función directa del proceso de cómo se desarrolla la conmutación. Podemos decir entonces que los circuitos de disparo son elementos claves para obtener la salida deseada y cumplir con los objetivos del “sistema de control”, de cualquier convertidor de energía eléctrica. El diseño de un circuito excitador requiere el conocimiento de las características eléctricas de compuerta del tiristor específico, que se va a utilizar en el circuito principal de conmutación. Para convertidores, donde los requisitos del control no son exigentes, puede resultar conveniente diseñarlo con circuitos discretos. En aquellos convertidores donde se necesita la activación de compuerta con control de avance, alta velocidad, alta eficiencia y que además sean compactos, los circuitos integrados para activación de compuerta que se disponen comercialmente son más conveniente. Las partes componentes de un circuito de disparo para tiristores usados en los rectificadores controlados por fase, a frecuencia industrial, son los siguientes: El circuito sincronizador, el circuito base de tiempo para retrasar el disparo, el circuito conformador del pulso, el circuito amplificador del pulso (opcional), el circuito aislador y finalmente el circuito de protección de la compuerta del tiristor. El diagrama en bloques siguientes nos da una idea general de la interrelación de estos componentes:
Sincronización de los osciladores de relajación El periodo de oscilación T de estos osciladores no es muy preciso, por lo que resulta conveniente sincronizarlos con una frecuencia de mayor precisión. Existen varios métodos por ejemplo ingresando pulsos de amplitud negativa en B2 para reducir la tensión Interbase, reduciendo así la tensión de disparo y obligar al UJT a dispararse. Cuando se utiliza el transistor unijuntura para generar pulsos de disparo para tiristores para el control de potencia eléctrica en sistemas eléctricos de frecuencia industrial (50 o 60 Hz) se realiza de diversas formas el sincronismo con la frecuencia de la red. En todos ellos se aprovecha el cruce por cero de la tensión. Una forma es alimentar el oscilador de relajación con UJT con una tensión rectificada de onda completa y estabilizada con un diodo Zener. De esta forma cuando la tensión pase por cero, todo el circuito prácticamente esta con valor cero, el capacitor C Esta descargado y de esta forma en cada semiciclo la base de tiempo genera el pulso de disparo en el mismo periodo de tiempo “T” o de otra forma podrá disparar al tiristor con el mismo retraso de tiempo o ángulo, con respecto al cruce por cero de la tensión de red. El diodo zener cumple la función de estabilizar la tensión de alimentación del generador de pulsos, permitiendo en cada semiciclo generar el pulso, con la misma tensión de disparo Vp. Circuito Integrado SG3525AN, modulador de ancho de pulso que está diseñado para ofrecer un mejor rendimiento operando con un número bajo de componentes externos cuando se utiliza en el diseño de todo tipo de fuentes de alimentación conmutadas. La referencia 5.1 V en el chip se recorta a ± 1%, y el modo común de entrada de gama del amplificador de error incluye la tensión de referencia eliminando resistencias externas. Una entrada sincronizada con el oscilador permite que múltiples unidades puedan estar acoplados en una sola unidad para ser sincronizados a un reloj de sistema externo. Una sola resistencia entre el CT y las terminales de descarga proporcionan una amplia gama de ajuste de tiempo muerto. Este dispositivo también cuenta con una función de los circuitos de arranque suave con solamente un condensador de temporización externa requerida. A los controles de terminal apagado tanto los circuitos de arranque suave y las etapas de salida, proporcionando a su vez OFF instantánea a través del pestillo PWM con parada de impulsos, así como de reciclaje de arranque suave con los comandos de apagado más largos.
Transformador y Formador de Impulsos de Puerta
Los transformadores de pulso son una familia diversa de transformadores diseñados para transferir una señal de control digital desde un circuito de control a una carga. Proporcionan aislamiento galvánico a un circuito, al tiempo que permiten transmitir señales de control rápidas sin distorsionar la forma de la señal. La señal de entrada y salida suele ser una onda rectangular de unos pocos voltios con una frecuencia superior a 100 Khz, no una onda sinusoidal como ocurre con los transformadores convencionales.
Los transformadores de pulso tienen una cantidad baja de devanados (para minimizar la fuga de flujo) y una capacitancia baja entre devanados (para garantizar que el perfil de la señal se mantenga en el secundario de la manera más limpia posible). Dado que funcionan con señales de alta frecuencia, el material del núcleo debe poder hacer frente a magnetizaciones y desmagnetizaciones rápidas y repetidas. La relación de vueltas suele ser de 1:1, ya que su objetivo principal no es aumentar o transformar el voltaje, sino mantenerla en función de un transformador de pulso en un circuito de disparo es aislar y transferir una señal de pulso de un circuito a otro mientras proporciona adaptación de impedancia y transformación de voltaje. En los circuitos de disparo, como los utilizados en sistemas de encendido electrónico o aplicaciones de electrónica de potencia, los transformadores de impulsos desempeñan un papel crucial al proporcionar señales de disparo precisas y controladas a dispositivos semiautomáticos, como tiristores o transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). , para fines de conmutación. Al conectar los circuitos de entrada y salida, los transformadores de impulsos protegen los componentes electrónicos de control sensibles de transitorios de corriente o alto voltaje y proporcionan una activación confiable y precisa de interruptores semiconductores. La función de un transformador de pulso es transferir una señal de pulso de un circuito a otro mientras proporciona aislamiento, adaptación de impedancia y transformación de voltaje. Los transformadores de pulso se usan comúnmente en diversos sistemas y dispositivos electrónicos donde se requieren señales de pulso precisas y controladas para activar dispositivos semiconductores o controlar el funcionamiento del circuito. Al aislar eléctricamente los circuitos de entrada y salida, los transformadores de impulsos protegen los componentes electrónicos de control sensibles de transitorios de corriente o alto voltaje y proporcionan una transferencia confiable y precisa de señales de impulsos sin distorsión ni pérdida. Se utiliza un transformador de pulso en un circuito disparador para transferir una señal de pulso de un circuito a otro mientras proporciona aislamiento y transformación de voltaje. En los circuitos de activación, como los utilizados en aplicaciones de electrónica de potencia o sistemas de encendido electrónico, los transformadores de impulsos desempeñan un papel vital al proporcionar señales de activación precisas y controladas en dispositivos semiconductores, como tiristores o IGBT, con fines de conmutación. Al aislar los circuitos de entrada y salida, los transformadores de impulsos protegen los componentes electrónicos de control sensibles de transitorios de corriente o alto voltaje y proporcionan una activación confiable y precisa de los interruptores semiconductores. El uso de un transformador de impulsos en un circuito de disparo en rampa implica generar y controlar una señal de impulso en forma de rampa para activar dispositivos semiconductores en aplicaciones de electrónica de potencia. Los circuitos de encendido en rampa se utilizan comúnmente en motores de velocidad variable, sistemas de calentamiento por inducción y aplicaciones de energía donde se requiere un control preciso de la frecuencia de conmutación y
Sin embargo, por las propias características del motor, y también de la conexión, este circuito presenta algunas desventajas que merecen ser analizadas. Una reside en el hecho que, formando un divisor de tensión con el motor, el reóstato disipa potencia que, en la condición más desfavorable, llega a ser la misma absorbida por el motor. Esto significa que, para motores de alguna potencia, precisamos no sólo utilizar reóstatos de alambre, con buena capacidad de disipación, sino también tenemos que considerar la perdida de energía en la forma de calor, lo que en alimentaciones por batería debe ser evitado. Otro hecho que perjudica la eficiencia de este tipo de control es la alinealidad de características de un motor de comente continua típico. Estos pequeños motores, como muestra la figura 2, presentan una impedancia que dependerá de su velocidad y de la carga movida. Así, girando "en vacío", su resistencia es mucho más alta que cuando está” cargado", y del mismo modo, en una condición de baja velocidad, su resistencia es mayor que cuando está en alta velocidad (figura 2). Esta alinealidad en un control del tipo reóstato vuelve difícil la obtención de una variación constante de la velocidad en todo el curso del reóstato. De hecho, en las bajas velocidades, la variación de la resistencia del motor en conjunto con la resistencia en serie hace que la rotación y el torque caigan rápidamente, llevando al motor a paradas bruscas o a no arrancar inclusive, si no bruscamente en cierto punto del ajuste, ya con buena velocidad. Es evidente que, en ciertas aplicaciones que involucran el control crítico de movimientos (como en robótica y también en modelismo) este tipo de control no podrá usarse. Existen diversas técnicas que permiten superar estos problemas
y de las cuales hablaremos en este artículo, presentando incluso circuitos sugeridos. Otro punto importante que debe ser tenido en cuenta en la aplicación de los pequeños motores, es la necesidad de reducciones mecánicas, posibilitando el movimiento lento de piezas más críticas, lo que ocurre en modelismo o robótica. Un tipo de motor con caja de reducción aparece en la figura 3. Los controles descriptos sirven perfectamente para esta caja de reducción y para motores con tensiones de alimentación de 3 a 12 V y corrientes que llegan a 1 A o más.
potenciómetro de control. Este es el circuito que aparece en la figura 5, que hace uso de un potenciómetro de 10 k o incluso menor. El principio de funcionamiento de este circuito es el mismo del anterior. El transistor Q1 se comporta como una resistencia variable en serie con el motor, determinando la intensidad de la corriente que circula por el circuito. Como la velocidad depende de esta corriente, variando la polarización en Q1, variamos también la velocidad del motor. La polarización de base de Q1 está dada por la corriente del emisor de 92 que, a su vez, depende de la corriente de base dada por el ajuste del potenciómetro. Como la corriente de base del primer transistor es multiplicada prácticamente dos veces por las ganancias de los transistores para ser aplicada al motor, podemos usar un potenciómetro de control de muy baja disipación.
Control de Corriente Constante
Este circuito procura eliminar los problemas de variación de corriente de un motor a medida que el mismo gana velocidad, ya sea en vista de una superación de inercia de su carga, ya sea por otras características mecánicas del problema. De esta forma, podemos obtener una linealidad mayor de comportamiento, de manera diferente de la obtenida por un simple reóstato. Lo que tenemos en la figura 6 es una fuente de corriente constante que tiene como base un circuito integrado regulador de tensión 7805 o incluso 7806.
La intensidad de la corriente aplicada al motor depende de la tensión de referencia, dada por el integrado, y del resistor R, mostrado en el circuito. La intensidad dela corriente será dada por: I = 5/ R donde: I es la corriente en ampere R es la resistencia en Ω En el caso de 7806 será dada por I = 6/ R. Con un potenciómetro de 100 Ω en serie con un resistor de 6,8 ohm es fácil calcular la intensidad de comente en la salida de este sistema, que puede ser variada entre: I0 : 5/6,8 : 735 mA
Control por Impulsos Los controles que vimos tienen también una desventaja en relación al torque, que depende del punto en que se hace el ajuste, o sea, 1a velocidad ajustada está dada por la reducción de la potencia aplicada al motor, lo que no siempre es conveniente (figura 8). Un tipo de control más sofisticado es el que hace uso de impulsos de amplitud constante, pero de relación marca/espacio dada por la velocidad que se desea obtener. Así, para una velocidad menor, lo que se hace es ajustar la duración de pulso a un valor mínimo. Con esto, incluso en la velocidad menor, la tensión aplicada al motor es máxima y, en consecuencia, la corriente también. En este corto intervalo de aplicación del pulso, la corriente es máxima y, por lo tanto, el torque se mantiene (figura 9).
A medida que el ancho del pulso va aumentando, tenemos una potencia total aplicada mayor, que se mantiene hasta que alcanzamos el valor máximo que nos da toda la velocidad. Una característica muy importante de este circuito es que el mismo posibilita la partida de los motores incluso en velocidades muy bajas pues, en el valor mínimo ajustado, tenemos la aplicación de pulsos de corta duración capaces de vencer fácilmente la inercia del sistema mecánico y hacer que gire el eje. Con una caja de reducción como la ilustrada al comienzo de este artículo, conseguimos un control de este tipo de velocidades increíblemente bajas, como 1rpm, cuando el máximo se da con una velocidad de 40 a 50 rpm. ¡Se trata de una variación lineal en una banda de más de 40 a 1! Se trata, pues, del sistema ideal para quien desea un control lineal de velocidad en la mayor banda posible; El circuito propuesto se muestra en la figura 10.
El capacitor C1 es importante, pues determina las duraciones mínimas de los pulsos y la banda media de frecuencias. Si usamos capacitores pequeños. la inductancia del bobinado del motor impide una respuesta rápida, dificultando el control en una banda de rotaciones. Del mismo modo, un valor excesivamente grande hace que los pulsos "aparezcan" en la forma de pequeños pasos adelante en el motor, que tiende a vibrar principalmente en las velocidades bajas. Para la mayoría de los motores, según sus características, se debe experimentar con capacitores en la banda de 470 nF a 2,2 μF, incluso electrolíticos. Control Pulsante con SCR Una buena aproximación del comportamiento obtenido con el circuito anterior se puede conseguir con un control de fase con SCR en que, en lugar de ajustar el ancho de pulsos rectangulares, controlamos el ancho de pulsos senoidales cortados a partir de la propia red local. El circuito propuesto es el que se muestra en la figura 12. El potenciómetro en conjunto con el resistor de 1 k y el capacitor C1 retardan el punto de disparo del SCR en un semiciclo de alimentación y, con esto, determinan la parte de la potencia a ser aplicada en el motor.
Dependiendo de la tensión de alimentación y de las características del motor, se debe usar el capacitor que proporcione el control en la banda ideal. Este capacitor estará entre 100 y 470 nF. La corriente máxima admitida para este control es de 2 A. En la figura 13 tenemos las formas de onda obtenidas para el control, observándose que tenemos una corriente continua pulsante. El SCR deberá ser montado en un disipador de calor y la corriente del secundario del transformador debe estar de acuerdo con el motor usado Partida Retardada En realidad, este no es un control de velocidad, sino de partida. Se trata de un sistema que sólo acciona un motor después de recorrido cierto tiempo, a partir de establecida la alimentación. Este tiempo es dado por un oscilador unijuntura, cuya constante de tiempo está dada aproximadamente por: t = R. C donde: t es el tiempo de retardo, en segundos
