Control del ángulo de disparo por fase
Introducción
En la práctica anterior, nos centramos en la sección de potencia de un rectificador controlado. En cuanto al control, solo mencionamos su presencia, prometiendo que lo analizaríamos con más detalle en la siguiente práctica. Ahora, nos concentraremos en una de las técnicas más utilizadas para la producción de impulsos sincronizados: el control de fase. Veremos cómo funciona en un control de iluminación doméstico para lámparas de incandescencia, un sistema común en la mayoría de los hogares.
Concepto
El control de fase consiste en determinar, al inicio de cada período de trabajo (ciclo, semiciclo, sexto de ciclo, etc.), y atendiendo a una consigna, cuánto tiempo se debe retrasar la conexión de la carga con la fuente de energía. Si se trata de un rectificador, el control de fase retrasa el momento de la entrada en conducción de los tiristores en comparación con el instante en que lo harían los diodos instalados en su lugar.
La figura superior muestra un rectificador de doble onda monofásico sin controlar. En la figura inferior, el control permite que el rectificador conduzca solo después de que ha transcurrido un tiempo. A este retraso lo llamaremos ángulo α de conducción.
La alteración de α se traduce en cambios en el régimen de tensión al que se ve sometida la carga, tensión media y eficaz, y por tanto del trabajo invertido en ella (velocidad si es un motor, calor si una resistencia calefactora, etc.).
Detección del paso por cero
La operación de los controles por fase comienza con la detección del momento en que las fases que intervienen en el rectificador toman valor cero. Esta condición es la mejor referencia para la sincronización de las operaciones porque, una vez que tenemos la certeza de que la tensión de la línea o fase objeto ha pasado por este punto, para ordenar que se produzca el impulso de disparo solo queda esperar a que transcurra el tiempo que especifica la consigna.
Generador de rampa
Como acabamos de decir, después del paso por cero hay que esperar un tiempo. La manera más usual de acometer el retardo consiste en generar una rampa de tensión, cargando un condensador a través de una resistencia.
En el paso por cero, el condensador dispuesto al efecto es descargado completamente (cortocircuitado) para que la rampa generada a partir de ese instante empiece a crecer desde el valor más bajo.
Comparador
En virtud del nivel de las tensiones que se observan en las señales de consigna y rampa, un circuito comparador entrega un segmento de onda cuadrada cuyo flanco es interpretado como el momento en el que han de ponerse a conducir los tiristores implicados.
Conformación de los pulsos
A menudo, la naturaleza de la carga es muy inductiva y la duración del pulso que se aplica a la compuerta del tiristor puede no ser suficiente para alcanzar la corriente de mantenimiento (hipostática). Para garantizar el éxito del cebado, en algunos casos, en lugar de aplicar un pulso de larga duración, se suele optar por mantener su finura, pero aplicando a la compuerta, durante todo el período de conducción, un tren ininterrumpido de estos.
Si con el primer pulso no es suficiente, vendrán otros detrás, y en alguno se alcanzará por fin el cebado. En otros casos, y el nuestro es uno de ellos, se ajusta la anchura del pulso a medida de la aplicación, para que el cebado sea cierto con la aparición de tan solo uno.
El TCA 785
Vamos a utilizar un circuito integrado comercial de uso muy extendido, cuyo diagrama de bloques se muestra en la figura. El chip está ideado para controlar una fase, lo que significa que para un sistema trifásico necesitaríamos tres chips iguales.
- Se toma una muestra de la tensión de red en la patilla Vsync (5) conectándola a través de una resistencia de valor alto para adecuar los niveles de tensión en cada extremo.
- Mediante el registro de sincronización se controla la carga del condensador C10, a corriente constante, a través de la resistencia R9.
- Un comparador que es testigo de los niveles de:
a. Tensión del condensador, patilla 10.
b. Voltaje de consigna, patilla 11
Activa, cuando la rampa crece hasta exceder el valor de la consigna, la lógica de control que genera los impulsos de disparo para los elementos de potencia. El ángulo de control puede variar entre 0º y 180º.
En la figura se muestran los gráficos más relevantes del comportamiento del circuito integrado. De todas las señales que éste genera, las más importantes, y de ellas se derivan las demás, son las salidas Q1 y Q2, los pulsos de disparo de cada semiciclo.
Es importante conocer que el valor del condensador conectado con la patilla 12 determina la anchura de los pulsos de disparo proporcionados por las salidas Q1 y Q2. Si esta línea se conecta con masa, los pulsos adquieren la mayor anchura posible.
El TCA 785 también ofrece salidas auxiliares que pueden ser empleadas por circuitos lógicos para controlar reguladores más complejos.
Circuito de aplicación
Nosotros vamos a controlar un triac para regular la iluminación de una lámpara de incandescencia, y para ello hemos copiado una aplicación que el fabricante (Siemens) aconseja.
En el laboratorio
Los circuitos están montados en tarjetas de circuito impreso preparadas para ser conectadas a una lámpara de unos 100 W y a la red. Tener cuidado y hacer las conexiones siguiendo los consejos del profesor. Una vez hayamos comprobado que el circuito funciona, registrar las señales de control que se pueden medir con el osciloscopio en las patillas adecuadas del circuito.
Antes de dar por concluido el trabajo conviene que midamos con el polímetro la tensión eficaz en la carga para un par de ángulos de disparo, y, al igual que hicimos en la práctica anterior, contrastemos las medidas con los resultados de los cálculos que hagamos en el papel.