LABORATORIO Nº4
INVERSOR CC A AC DIGITAL
1.- Objetivos.El objetivo de este laboratorio es el de convertir la corriente continua (CC) a corriente alterna
mediante el uso de PWM, BJT, transistores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor) y un transformador de voltaje 12V - 110V
2.-Marco Teórico.-
PWM:
PWM son las siglas de Pulse Width Modulation, que en español se traduciría como modulación
por ancho de pulso. Una señal PWM consiste en una señal con una determinada frecuencia (y
por lo tanto con un mismo periodo) que consta de dos valores fijos de tensión: uno alto (HIGH),
que es la amplitud, y otro bajo (LOW), que es el valor nulo.
El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con
el período. Expresado matemáticamente:
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
MOSFET:
Un MOSFET es un dispositivo semiconductor utilizado para la conmutación y amplificación de
señales. El nombre completo, Transistor de Efecto de Campo de Metal-Óxido-Semiconductor
(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) se debe a la constitución del
propio transistor.
S y D: (Source and Drain) Entre estos 2 terminales pasa la corriente cuando activamos G por
medio de tensión. La corriente cuando se activa el transistor entre por S y sale por D, siempre
que G tenga una tensión mínima, llamada tensión umbral o Threshold (Vth).
G: (GATE) la parte de arriba es un metal conductor y la de abajo el óxido.
P: capa de semiconductor base o sustrato contrario al semiconductor de S y D.
Los MOSFET poseen también 3 terminales: Gate, Drain y Source (compuerta, drenaje y fuente).
A su vez, se subdividen en 2 tipos, los MOSFET canal N y canal P.
Existen diferentes tipos de MOSFET, dependiendo de la forma cómo están construidos
internamente. Así, tenemos MOSFET de enriquecimiento y MOSFET de empobrecimiento, cada
uno con su símbolo característico. Sin embargo, para efectos de este artículo simplemente
consideraremos que los MOSFET de los que vamos a hablar son de enriquecimiento, utilizando
la simbología antes presentada.
Estos dispositivos se utilizan en la conmutación de cargas de alta velocidad, dado su tiempo de
respuesta mínimo. Se utilizan para el control digital de cargas de mayor corriente y mayor voltaje
que los valores nominales que puede soportar un micro controlador. Son muy buenos en la
amplificación de señales analógicas, especialmente en aplicaciones de audio. Al igual que los
BJT, poseen múltiples funciones en diferentes tipos de aplicaciones en el mundo de la
electrónica, de las cuales solo hemos estudiado la conmutación y apenas mencionado la
amplificación de señales.
Para el tipo de conmutación mencionado hasta aquí y para obtener un funcionamiento
satisfactorio a una frecuencia tan elevada, una llave mecánica o un relé se vuelven imposibles
de utilizar. Es aquí donde hace su presentación el IRFZ44N. ¿Qué es el IRFZ44N? Es un
transistor de tecnología MOS-FET (Metal–Oxide–Semiconductor – Field Effect Transistor) que
posee destacadas características que lo hacen ideal para este tipo de aplicaciones. Queremos
también aclarar que PWM se puede realizar con transistores bipolares (NPN – PNP), con
tiristores, triacs, o IGBT según la conveniencia de la aplicación, es decir, el PWM no se hace
sólo con un transistor MOS-FET como veremos ahora sino que puedes encontrar aplicaciones
que utilizan sistemas electrónicos de conmutación muy variados y como mencionamos antes,
ajustables a las necesidades de la aplicación.
Entre las características más destacadas de este transistor encontramos que es capaz
de manejar corrientes de hasta 50 Amperes ofreciendo una resistencia tan baja como 0,017
Ohms. Esto permite un régimen de trabajo extraordinario ya que trabajando al máximo de sus
posibilidades no desarrollará una potencia mayor a los 45 Watts. Nada extraordinario para un
generoso disipador que pueda irradiar el calor generado por semejante corriente circulando a
través del dispositivo. Para que tengas una idea, trabajando con 12 Volts, una lámpara
incandescente de 100W consumirá 8,33 Amperes. Es decir, la sexta parte de sus
posibilidades extremas y claro está, a 100W, es decir, a la potencia máxima o a un duty de
255.
Una sencilla y práctica explicación del funcionamiento de un transistor MOS-FET puede
resumirse a comprender el comportamiento de la circulación de corriente dentro del transistor. Al
aplicar una determinada tensión sobre la compuerta, puerta o Gate (positiva respecto a
GND), se genera dentro del transistor un campo eléctrico que permite la circulación de corriente
entre el terminal identificado como Drain y el terminal Source. Tan simple como eso. Al aplicar
tensión al Gate, el campo eléctrico aporta huecos o lagunas, hecho que favorece y activa la
circulación de electrones entre Drain y Source. Cuando la tensión en Gate se interrumpe o
se coloca a un bajo potencial, la corriente entre Drain y Source se interrumpe. Tenemos de este
modo una llave electrónica comandada por tensión (no por corriente, atentos a este punto)
que no tendrá inconvenientes en conmutar a frecuencias tan altas como las que necesitamos
para controlar una carga.
La tensión mínima de Gate para que el transistor comience a conducir (según su hoja de datos
que encontrarás al final del artículo) está ubicada entre 2 y 4 Volts mientras que la máxima
tensión aplicable respecto al terminal Source, es de 20 Volts. Con 10 Volts de tensión sobre el
Gate el transistor alcanza la mínima resistencia entre Drain y Source. Si se sobrepasa la tensión
Vgs (tensión de Gate respecto a Source) máxima de 20 Volts el transistor se rompe y si no se
alcanza la tensión mínima de 2 a 4 Volts, el transistor no entra en conducción. Una situación
a destacar es que si trabajamos siempre con 5 Volts, estaremos sobre el límite de activación del
transistor, mientras que si trabajamos con mayor tensión sobre el Gate lograremos un mejor
desempeño con menor disipación de calor al ofrecer menor resistencia a la circulación de
corriente entre Drain y Source.
Transformador:
Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir
la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. 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 y tamaño, entre otros factores.
El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de
tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción
electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un
núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única
conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo.
El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico,
aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se
denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en
cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso,
puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.
Funcionamiento:
Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, circulará por éste una
corriente alterna que creará a su vez un campo magnético variable. Este campo magnético
variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los
extremos del devanado secundario
Relación de transformación:
La relación de transformación indica el aumento o decremento que sufre el valor de la tensión de
salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, la relación entre la tensión de salida
y la de entrada.
La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), aplicada al devanado primario y la fuerza
electromotriz inducida (Es), obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número
de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) , según la ecuación:
La relación de transformación (m) de la tensión entre el bobinado primario y el bobinado
secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del
secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión.
Dónde: (Vp) es la tensión en el devanado primario o tensión de entrada, (Vs) es la tensión en el
devanado secundario o tensión de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario o corriente
de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario o corriente de salida
Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder efectuar el
transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las pérdidas por el efecto
Joule y se minimiza el costo de los conductores.
Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario, al
aplicar una tensión alterna de 230 voltios en el primario, se obtienen 23.000 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 eléctrica aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal,
debe ser igual a la obtenida en el secundario:
El producto de la diferencia de potencial 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).
3.- Desarrollo del laboratorio
Señal PWM con Arduino UNO
La modulación por ancho de pulsos más conocida como PWM, es una técnica mediante la cual
se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica, esta modificación se puede hacer para
controlar la cantidad de energía que le va a ser entregada a una carga o para comunicación.
En el siguiente gráfico, las líneas verdes representan un período de tiempo regular. Esta duración
o período es la inversa de la frecuencia PWM. En otras palabras, con frecuencia PWM del
Arduino a aproximadamente 500 Hz, las líneas verdes medirían 2 milisegundos cada uno. Una
llamada a analogWrite () es en una escala de 0 - 255, de tal manera que analogWrite (255)
solicita un ciclo de trabajo del 100% (siempre encendido), y analogWrite (127) es un ciclo de
trabajo del 50% (la mitad del tiempo) para ejemplo.
Esta señal PWM por lo general es producida por un circuito digital como por ejemplo un
microcontrolador, dicho circuito genera una señal cuadrada a la que le puede variar el ciclo útil y
con lo cual emular una señal análoga de diferentes amplitudes de voltaje con la cual controlar la
carga que desee, algunas de las aplicaciones en las que más se usa el PWM es el control de
velocidad de motores o el control de intensidad de brillo de un bombillo.
El ciclo útil o ciclo de trabajo de la señal viene determinado por los tiempos que dura en estado
alto la señal cuadrada, respecto al periodo de la señal
Donde:
D= Ciclo útil o ciclo de trabajo
t1= Tiempo que la señal dura en valor alto (en un periodo)
T= Periodo de la señal
(Señal PWM generada por Arduino con ciclo util del 50%)
El resultado de ese ciclo útil es un valor de porcentaje que representará el porcentaje del valor
máximo de la señal que le será entregado a la carga que se quiere controlar. Por ejemplo si se
tiene un ciclo útil del 50% y un valor máximo de señal de 5 voltios, el valor análogo emulado es
de 2,5 voltios.
Arduino cuenta con la posibilidad de generar señales PWM, la cantidad ue puede generar
depende de la tarjeta que se esté utilizando, por ejemplo la tarjeta Arduino UNO puede generar
hasta 6 señales PWM (Pines 3, 5, 6, 9, 10, 11)
El comando utilizado para generar dicha señal PWM es el comando analogWrite(pin,
valor) donde pin representa el terminal en el cual se va a generar la señal y valor representa el
valor de ciclo útil que se le quiere asignar al PWM.
Los PWM de Arduino tienen una resolución de 8 bits, ósea que puede representar 256 valores
(0 a 255), estos valores entre 0 y 255 son los que acepta el comando analogWrite en el parámetro
de valor para especificar el ciclo útil, lo que quiere decir que si se quiere ajustar un ciclo útil del
100% se deberá colocar 255 en el espacio del parámetro que antes indicamos comovalor.
En la línea de código anterior se está configurando una señal PWM que va a ser generada por
el pin 13 del Arduino y que va a tener un ciclo útil de 49.8%, se puede calcular de forma sencilla
el ciclo útil del PWM o el valor que se debe colocar en la instrucción analogWrite mediante una
sencilla regla de 3, teniendo en cuenta que un ciclo útil del 100% debe ser representado como
un 255 dentro del comando analogWrite.
Es importante tener claro ya que es algo que suele confundir a quienes están comenzando en
electrónica, que aunque la traducción literal del comando analogWrite sea “Escritura análoga”,
en ningún momento se está generando una señal análoga por el arduino, la señal PWM que se
genera es una señal de tipo digital que puede emular de cierta forma a una señal análoga sin
llegar a serlo.
APLICACIÓN DE LA TÉCNICA PWM EN LA GENERACIÓN DE ONDA SENOIDAL
Se identifica una señal sinusoidal (señal análoga continua en el tiempo) superpuesta sobre una
señal digital (de tipo discreto, pulsante) en la que puede apreciarse que para valores máximos
positivos de la señal seno, el ancho del puso correspondiente (resaltado en un círculo) es también
máximo. Posteriormente, a medida que la amplitud decrece en el seno también lo hace el ancho
en el pulso correspondiente, situación que continua hasta que el seno alcanza el nivel más bajo
(máximo negativo), el cual queda asociado al menor valor de ancho de pulso, evento que se
repite en el tiempo, verificándose que para cada valor de señal existe un correspondiente ancho
de pulso
Esta es una de las formas de hacer control de velocidad de motores o de luminosidad de
bombillos por medio de un PWM es utilizar como valor de referencia del ciclo útil del PWM un
valor de entrada análogo, con el cual dependiendo de ese valor de entrada se pueda variar el
ciclo útil del PWM.
Señal vista en Osciloscopio
El inversor no es más que conversión de Corriente Continua a Corriente Alterna y
se logra mediante el “switcheo” de 2 transistores
4.- Programación
6.- Materiales

Arduino UNO

Transistores IRFZ44N

Juego de cables

Protoboard

Resistencia

Transformador 220/12 1A VAC

Foco de 6 w

Borneras para 3 cables
7.- Conclusión
Luego de realizar la implementación del circuito y se obtuvo la inversión de la corriente continua,
transformándola a corriente alterna y su aplicación con una carga menor a 12W.