6.9: Controlador de potencia PWM

PARTES Y MATERIALES

• Cuatro baterías de 6 voltios
• Un condensador, 100 µF electrolítico, 35 WVDC (Radio Shack catálogo # 272-1028 o equivalente)
• Un condensador, 0.1 µF, no polarizado (Radio Shack catálogo # 272-135)
• Un temporizador IC 555 (Radio Shack catálogo # 276-1723)
• Amplificador operacional dual, modelo 1458 recomendado (Radio Shack catálogo # 276-038)
• Un transistor de potencia NPN— (Catálogo Radio Shack # 276-2041 o equivalente)
• Tres diodos rectificadores 1N4001 (Radio Shack catálogo # 276-1101)
• Un potenciómetro de 10 kΩ, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)
• Una resistencia de 33 kΩ
• Lámpara de luz trasera automotriz de 12 voltios
• Detector de audio con auriculares

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 8: “Amplificadores Operacionales”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 7: “Señales de CA de Frecuencia Mixta”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo usar el temporizador 555 como multivibrador astable
• Cómo usar un amplificador operacional como comparador
• Cómo usar diodos para bajar voltaje de CC no deseado
• Cómo controlar la potencia de una carga mediante modulación de ancho de pulso

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Este circuito utiliza un temporizador 555 para generar una forma de onda de voltaje en diente de sierra a través de un condensador, luego compara esa señal con una tensión constante proporcionada por un potenciómetro, usando un amplificador operacional como comparador. La comparación de estas dos señales de voltaje produce una salida de onda cuadrada del amplificador operacional, variando en el ciclo de trabajo según la posición del potenciómetro. Esta señal de ciclo de trabajo variable entonces acciona la base de un transistor de potencia, encendiendo y apagando la corriente a través de la carga. La frecuencia de oscilación del 555 es mucho mayor que la capacidad del filamento de la lámpara para ciclar térmicamente (calor y frío), por lo que cualquier variación en el ciclo de trabajo, o ancho de pulso, tiene el efecto de controlar la potencia total disipada por la carga a lo largo del tiempo.

Controlar la energía eléctrica a través de una carga por medio de encenderla y apagarla rápidamente, y variar el tiempo de “encendido”, se conoce como modulación por ancho de pulso, o PWM. Es un medio muy eficiente de controlar la energía eléctrica porque el elemento controlador (el transistor de potencia) disipa comparativamente poca potencia en el encendido y apagado, especialmente si se compara con la potencia desperdiciada disipada de un reóstato en una situación similar. Cuando el transistor está en corte, su disipación de potencia es cero porque no hay corriente a través de él. Cuando el transistor está saturado, su disipación es muy baja debido a que hay poca caída de voltaje entre el colector y el emisor mientras está conduciendo corriente.

PWM es un concepto más fácil de entender a través de la experimentación que la lectura. Sería bueno ver el voltaje del condensador, el voltaje del potenciómetro y las formas de onda de salida de amplificador operacional, todo en un osciloscopio (triple traza) para ver cómo se relacionan entre sí y con la potencia de carga. Sin embargo, la mayoría de nosotros no tenemos acceso a un osciloscopio de triple traza, mucho menos a ningún osciloscopio en absoluto, por lo que un método alternativo es ralentizar el oscilador 555 lo suficiente como para que los tres voltajes puedan compararse con un simple voltímetro de CC. Reemplace el condensador de 0.1 µF por uno que sea de 100 µF o más grande. Esto ralentizará la frecuencia de oscilación en un factor de al menos mil, lo que le permitirá medir el voltaje del condensador que aumenta lentamente con el tiempo, y la transición de salida de amplificador operacional de “alto” a “bajo” cuando el voltaje del condensador se vuelve mayor que el voltaje del potenciómetro. Con una frecuencia de oscilación tan lenta, la potencia de carga no se proporcionará como antes. Más bien, la lámpara se encenderá y apagará a intervalos regulares. Siéntase libre de experimentar con otros valores de condensadores o resistencias para acelerar las oscilaciones lo suficiente para que la lámpara nunca se encienda o apague por completo, sino que sea “estrangulado” por la pulsación rápida de encendido y apagado del transistor.

Cuando examine el esquema, notará dos amplificadores operativos conectados en paralelo. Esto se hace para proporcionar la salida de corriente máxima al terminal base del transistor de potencia. Un solo amplificador operacional (la mitad de un IC 1458) puede no ser capaz de proporcionar suficiente corriente de salida para conducir el transistor a la saturación, por lo que se utilizan dos amplificadores operacionales en tándem. Esto solo se debe hacer si los amplificadores operacionales en cuestión están protegidos contra sobrecarga, lo que es la serie 1458 de amplificadores operacionales. De lo contrario, es posible (aunque poco probable) que un amplificador operacional pueda encenderse antes que el otro, y el daño resulte de que las dos salidas se cortocircuiten entre sí (una conduciendo “alta” y la otra conduciendo “baja” simultáneamente). La protección inherente contra cortocircuitos que ofrece el 1458 permite la activación directa de la base del transistor de potencia sin necesidad de una resistencia limitadora de corriente.

Los tres diodos en serie que conectan las salidas de los amplificadores operacionales a la base del transistor están ahí para bajar el voltaje y garantizar que el transistor caiga en corte cuando las salidas de amplificador operacional pasen “bajas”. Debido a que el amplificador operacional 1458 no puede oscilar su voltaje de salida hasta el potencial de tierra, sino solo a aproximadamente 2 voltios de tierra, una conexión directa desde el amplificador operacional al transistor significaría que el transistor nunca se apagaría completamente. Al agregar tres diodos de silicio en serie, se reducen aproximadamente 2.1 voltios (0.7 voltios por 3) para garantizar que haya un voltaje mínimo en la base del transistor cuando las salidas de amplificador operacional van “bajas”.

Es interesante escuchar la señal de salida op-amp a través de un detector de audio ya que el potenciómetro se ajusta a través de su rango completo de movimiento. Ajustar el potenciómetro no tiene ningún efecto sobre la frecuencia de la señal, pero afecta en gran medida el ciclo de trabajo. Observe la diferencia en la calidad del tono, o timbre, ya que el potenciómetro varía el ciclo de trabajo de 0% a 50% a 100%. Variar el ciclo de trabajo tiene el efecto de cambiar el contenido armónico de la forma de onda, lo que hace que el tono suene diferente.

Es posible que note una singularidad particular en el sonido que se escucha a través de los auriculares detectores cuando el potenciómetro está en la posición central (50% ciclo de trabajo, 50% de potencia de carga), frente a una especie de similitud en el sonido justo por encima o por debajo del ciclo de trabajo del 50%. Esto se debe a la ausencia o presencia de armónicos pares. Cualquier forma de onda que sea simétrica por encima y por debajo de su línea central, como una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50%, no contiene armónicos pares, solo impares. Si el ciclo de trabajo está por debajo o por encima del 50%, la forma de onda no exhibirá esta simetría, y habrá armónicos pares. La presencia de estas frecuencias armónicas pares puede ser detectada por el oído humano, ya que algunas de ellas corresponden a octavas de la frecuencia fundamental y así “encajan” de manera más natural en el esquema de tono.