[APORTE] Troceador de Corriente Continua

[Voltairus]

Hola a todos.

 

A continuación quiero compartir con la comunidad de Electricidad & Electrónica algunos circuitos Choppers o Troceadotes de Corriente Continua.

 

Un Troceador de Corriente Continua, como su nombre lo dice, no es más que un circuito que “troza” una señal de c.c., de tal manera de convertir esta señal totalmente constante en una tensión pulsante. Esta tensión pulsante genera una componente final de c.c. menor a la de la señal íntegra, con lo que podemos lograr el fin que deseemos.

 

Este tipo de circuito puede tener una infinidad de aplicaciones, siendo una de las más comunes la de control de velocidad en motores de c.c. La verdad es que el valor de tensión de corriente continua en bajas potencias es posible de administrar con resistencias o impedancias, pero existen ocasiones en que la potencia manejada es tal que no se puede confiar el trabajo a limitadores de corriente. Para eso, existen los troceadotes.

 

Ojo, el funcionamiento de estos circuitos queda dado por el pulso entregado a unos SCR. Este pulso puede ser fácilmente obtenido con un circuito integrado 555 o similar, y los tiempos de disparo deben ser calculados por el diseñador.

 

Sin más preámbulo, los circuitos:

 

1. Troceador básico con 2 SCR:

 

 

Este circuito corresponde a uno de los troceadotes más básicos existentes. El circuito queda como se indica a continuación:

 

 

En donde:

 

R1: Resistencia limitadora

 

RO: Carga.

 

S1: SCR 1

 

S2: SCR 2

 

C1: Condensador (cumple una función especial que veremos más adelante)

 

El circuito es muy simple, pero para comprenderlo aún mejor veamos las curvas generadas con este:

 

 

*VL: Voltaje en la Carga (Load)

 

La mecánica es bastante simple.

 

En el primer momento, t = 0, ninguno de los dos SCR se encuentra saturado, por lo que la tensión en la carga es nula. Por otro lado, la caída de tensión en ambos SCR es igual a la de la fuente, y el condensador no se encuentra cargado en ninguna polaridad.

 

Luego, se dispara el primer SCR, S1. Con esto, la carga queda expuesta a la tensión de la fuente. Además, C1 comienza a cargarse a través de R1 (con una constante de carga de R1 x C, obviamente)

 

Ahora viene lo interesante. Quizás algunos se preguntaron en un comienzo cuál es la función que cumple C1 en este circuito. Pues bien, luego de saturado S1, la tensión comienza a ser transferida a la carga, en otras palabras, comienza el “trozo” de c.c. que se utilizará en esta en la práctica. Pues bien, luego de un periodo de tiempo escogido por el diseñador, se satura S2 provocando el cambio en el circuito. Realizando esta acción, C1 tiende a descargarse a través de R1, provocando que exista un pequeño pulso en RL de, en total, 2 veces la tensión de la fuente. Ahora, la funcionalidad principal de este condensador es que, al estar conectado en el mismo cátodo de S2, genera una polarización inversa en S1, bloqueándolo de forma automática :D

Luego, si se fijan, el condensador C1 comienza su descarga paulatinamente hasta pasar por 0, para comenzar con su carga en polaridad contraria. Esto genera una curva en la caída de tensión en RL que finalmente alcanza el valor de 0, cuando C1 posee una carga igual a –V de la fuente. Alcanzado este estado, solo basta que se genere nuevamente el pulso de saturación en S1 para comenzar el ciclo nuevamente, obteniendo las curvas vistas anteriormente.

 

Como pueden apreciar, es un circuito muy básico, pero muy útil. Ahora, en cuanto al valor de la tensión obtenida :mmm:… bueno, eso es un poco complejo. Como existe un pulso de tensión cuando S2 se dispara, la tensión contínua resultante quedaría dada por la integral entre t = 1 (cuando se dispara S1) y t = 2 (cuando se dispara S2) del valor de tensión continua en ese momento (el de la fuente), más la integral entre t = 2 (cuando se dispara S2) y t = 3 (cuando la tensión en la carga llega a cero) de la tensión en caída (se puede calcular su ecuación conociendo los puntos, 2Vcc y 0) Si alguien desea una explicación más profunda de esto, me avisa y no tengo ningún problema en darla… no la doy ahora porque, la verdad, no me quiero desgastar en algo que prácticamente nadie leerá (pero insisto, si quieren la explicación matemática de esto, me avisan :rolleyes:)

 

 

2. Troceador de Conmutación Forzado con 2 SCR

 

 

El siguiente es una variante del troceador anterior. Se dice que es de “conmutación forzado” porque el SCR 1 comienza en conducción desde un principio, además de que C1 comienza también cargado con una tensión de –Vcc desde el comienzo. Esto provoca una conmutación forzada cuando S2 se dispara… pero veamos el circuito primeramente para comprender de lo que hablo:

 

 

En donde:

 

S1: SCR 1.

 

S2: SCR 2.

 

L1: Inductancia de retroalimentación.

 

D1: Diodo rectificador.

 

RO: Carga

 

C1: Condensador para la conmutación.

 

Una característica (para algunos inclusive, una desventaja) de este circuito, es que C1 debe comenzar forzosamente cargado con una tensión de –Vdc en t = 0. Para ello se deberá contar por obligación con un sistema de control extra que realice esta función.

 

Al igual que en el caso anterior, veamos primero las curvas del circuito para luego proceder con la respectiva explicación:

 

 

*VL: Voltaje en la Carga (Load)

 

Como se puede apreciar, en t = 0 C1 se encuentra con una tensión igual a la de la fuente, pero negativa con respecto al ánodo de S1. Para este circuito troceador será fundamental que el desarrollador determine un método de carga para este condensador antes de comenzar con el funcionamiento del resto del sistema.

 

Ahora, comenzando con el análisis, podemos apreciar que S1 es disparado en t = 0, comenzando de inmediato con una caída de tensión igual a 0V entre ánodo y cátodo. Esto provoca que en la carga exista una tensión igual a la entregada por la fuente. Es en este periodo de tiempo en donde se conforma en “trozo” de tensión continua que veremos activo. Por otro lado, también podemos apreciar que C1 no pierde su carga debido a que no posee un camino por donde concretar esto; es esa la función de D1, la de impedir que el condensador se descargue por medio de L1, al menos en este momento.

 

El estado anterior se mantiene hasta que S2 es disparado. En ese momento C1 comienza con su descarga, produciendo un efecto similar al del circuito anterior, y bloqueando de forma automática a S1. La curva de descarga de C1 se complementa cuando, una vez consumida toda su capacidad en la inductancia L1, este comienza a cargarse con polaridad inversa a la inicial, gracias a la tensión proporcionada por la fuente. En este momento, veremos un pequeño pico de tensión en la fuente, al igual que en el circuito anterior, solo mientras C1 realiza su descarga. Luego de aquello, el circuito pasa al instante en que no existe una tensión en la salida de este, debido a que C1 se opone al paso de la corriente cuando está cargado, y S1 a su vez se encuentra totalmente bloqueado.

 

Por último, el ciclo vuelve a comenzar cuando S1 es disparado nuevamente, bloqueando a S2 con la ayuda de la carga existente en C1, el cual a su vez vuelve a ser cargado gracias a la energía proporcionada por el circuito inductivo de L1 y D1.

 

Como pueden apreciar, el circuito es muy intuitivo, y se puede utilizar sin mayor problemas en la práctica. Ahora, nuevamente, si alguien lo desea, puedo explicar cómo obtener el valor concreto de la componente de corriente continua en la salida, pero bastará solo con manipular el disparo de S2 para obtener distintos valores en ella (cosa que se puede hacer fácilmente con un circuito 555)

 

 

 

3. Troceador de Conmutación Forzado con 3 SCR

 

 

Este es el tercer tipo de troceador que les vengo a presentar. Su nombre lo dice todo; es bastante similar al Troceador de Conmutación Forzado con 2 SCR, pero esta vez con 3 SCR. Esto provee al circuito la capacidad de poder comenzar a funcionar sin la necesidad de cargar con antelación el condensador de conmutación.

 

A continuación, el circuito:

 

 

En donde:

 

S1: SCR 1.

 

S2 SCR 2.

 

L1: Inductancia para soporte de carga en C1.

 

R1: Resistencia.

 

RO: Carga

 

La mecánica, una vez más, es bastante simple, pero para simplificarla aún más, veamos el resumen de curvas antes de la explicación:

 

 

*VL: Voltaje en la Carga (Load)

 

Para este caso, existe una curva más a tomar en consideración, la correspondiente a S3.

 

Si lo analizamos paso a paso, en el primer instante de tiempo t = 0, el primer SCR comienza inmediatamente con su conducción, proporcionando el trozo de corriente eléctrica a consumir por la carga. Además, C1 comienza su carga al estar directamente conectado a la fuente (con una constante de carga igual a C1 x R1) El fin de esta carga en C1 es proporcionar una carga suficiente para la inductancia L1, de tal forma que esta pueda cargar nuevamente a C1, pero con polaridad contraria. Es por esto que, luego del tiempo de carga de C1 inicial, se dispara S2 con el fin de que suceda lo antes mencionado. Una vez que C1 logra la carga inversa a tope, S2 se bloquea de forma automática debido a la diferencia de potencial baja existente entre su ánodo y cátodo.

 

En este momento hay que poner atención, ya que inmediatamente cuando S2 se bloquea, C1 comienza su descarga a través de R1. Ahora, si recordamos, en los circuitos anteriores los condensadores proporcionaban un pequeño pulso en la carga cuando en el momento de realizado el corte de la corriente en ella. Pues bien, para este caso en particular se deberá tener en cuenta que desde el momento en que S2 es bloqueado, la tensión de C1 comenzará a ser descargada por R1, por lo tanto se deberá calcular el disparo de S3 en función de la constante de descarga (C1 x R1) para saber qué porción de pulso se verá reflejado en la carga final. Cabe mencionar también que este pulso debe ser lo suficientemente grande para bloquear S1, de tal manera de cortar el trozo de corriente continua que tanto ansiamos controlar. Una vez descargado totalmente C1, la carga queda sin tensión, ya que como sabemos, S1 se acaba de bloquear, y S2 se ha bloqueado antes (con el consecuente bloqueo de S3 también)

 

El circuito mantiene el esta anterior hasta que S1 es disparado nuevamente, donde comienza el ciclo de nuevo.

 

Ahora, con respecto a la componente de corriente continua ubicada en la carga, mantengo el mismo sistema anterior. A grandes rasgos, esta queda dada por la integral entre t = 0 (cuando se dispara S1) y t = 2 (cuando se dispara S3) de la señal continua, más la integral entre t = 2 (cuando se dispara S3) y t = 4 (cuando C1 se descarga completamente) del pulso en bajada restante. Si alguien desea una explicación más acabada, me lo dice y lo agrego.

 

 

 

La verdad, estos circuitos resultan muy útiles cuando hay que controlar tensiones continuas de potencias elevadas. Como se dijo anteriormente, si manejamos potencias pequeñas será suficiente con controlar el valor de c.c. agregando una simple resistencia, pero cuando la disipación de potencia es muy elevada, lo ideal es utilizar un troceador de corriente continua para evitar el calor o la potencia disipada que provocan las cargas puramente resistivas. Un SCR corta el paso de la corriente, y punto.

 

Una última aclaración; estos circuitos, a diferencia del común de mis aportes, no son de mi autoría, pero si comprendo perfectamente sus funcionamientos. Todas las explicaciones están redactadas por mi, así que si existe alguna inquietud no divaguen en preguntar acá mismo. Espero que les sea útil :)

 

Saludos!

Edited October 2, 2010 by Egregio

[lexander]

vale cumpa no creo que todos sepan el uso que se puede dar a esto pero muchas gracias lo tendre archivado me puede servir

[Voltairus]

La verdad, no me entristece mucho el que nadie lo agradezca; comprendo que E&E aún es un foro nuevo y no tiene mucho movimiento :P Pero de todas formas es bueno que exista el material posteado ya para alguna eventual ayuda en el futuro, y para el crecimiento propio del foro :)

 

Saludos!

[Ricardo Rocha]

hey hola, oye me interesa mucho saber sobre comoutilizaste este troceador? me refiero a que aplicacion le diste, si con un motor o que? o si no lo aplicaste, para que seria bueno usarlo, tambien si me podrias proporcionar la lista de componentes con sus capacidades (capacitores y SCR's) segun tus calculos, me seria de granayuda, a y tambien un buen simulador que me recomiendes ya que los que yo uso no vienen todos estos componentes, saludos y gracias

[ero_reivaj]

se agredece pero mis conocimeintos de electronica no llegan mas que programar en assembler

[ssanssano]

Se agradecen los aportes por parte del Mod, aunque mis conocimientos de electronica son limitados, es un agrado ver un tema tan bien explicado y redactado.

 

Saludos.

Edited November 30, 2010 by ssanssano

[Voltairus]

hey hola, oye me interesa mucho saber sobre comoutilizaste este troceador? me refiero a que aplicacion le diste, si con un motor o que? o si no lo aplicaste, para que seria bueno usarlo, tambien si me podrias proporcionar la lista de componentes con sus capacidades (capacitores y SCR's) segun tus calculos, me seria de granayuda, a y tambien un buen simulador que me recomiendes ya que los que yo uso no vienen todos estos componentes, saludos y gracias

Hola.

 

La verdad, nunca lo he usado en una aplicación práctica real, solo lo he realizado en laboratorio, pero estoy seguro que funciona. Lo puedes aplicar para lo que tú desees... generalmente se utiliza para variar la velocidad de un motor, pero se puede usar para lo que tu imaginación quiera.

 

Ahora, con respecto a los materiales, bueno, eso depende de la aplicación que quieras darle. Los condensadores siempre tienen que ser de una tensión igual o superior a la tensión que estás utilizando, y siempre deben ser sin polaridad, ya que deben conmutar (como se especifica en las descripciones de los circuitos) La capacidad de los condensadores depende del tiempo que necesites en estado on o en estado off. Recuerda que el tiempo de carga de un condensador está dado por la constante de carga (RxC)

 

Recuerda también que estos circuitos deben ser controlados por otro circuito externo que dispare los SCR; así, dependiendo del tiempo existente entre los disparos de estos dispositivos es que debes calcular la capacidad del condensador. Por ejemplo, si analizamos el primer troceador, veremos que la capacidad del condensador es la que finalmente sirve para bloquear VS2. La constante de carga de este condensador por tanto debe ser tal que logre cargar el dispositivo lo suficiente para bloquear al SCR, antes del tiempo existente entre el primer disparo y el segundo.

 

En cuanto a los tiristores, se aplica más o menos lo mismo; depende de la aplicación que necesites. El SCR debe tener un voltaje Vdrm mayor al de la fuente (para que resista las tensiones en estado de corte), y su corriente nominal en conducción también debe ser mayor a la que utilice el equipo que finalmente va a consumir. De igual manera no te podría indicar un modelo exacto, ya que depende de la tensión que deseemos trocear; está por ejemplo el 2N5064 que tiene una tensión Vdrm de 200V, el cual nos serviría para trocear valores iguales o menores a ese, pero es solo un ejemplo.

 

Como verás, depende mucho de la aplicación que quieras darle y de los tiempos que tengas estipulados para los disparos de los SCR. Me gustaría que contextualizaras más tu pregunta; muéstrame qué es lo que deseas hacer exactamente y podrías tratar de ir experimentando.

 

Con respecto a tu última duda, todos estos circuitos yo los he simulado en un software llamado PSIM, que es bastante bueno. No es muy estético ni de última generación como otros, pero está diseñado especialmente para simular este tipo de circuitos y créeme que funciona de las mil maravilla.

 

Saludos!

[djmasterchile]

EXELENTE APORTE VIEJITO.

 

Estoy haciendo un estudio acerca de los chopper directos, mas bien unas tareitas, hubiera sido bueno para complementar, una explicacion con formulas y algun problema explicado y desarrollado en idioma casero.

 

Te agradeceria bastante si conoces el tema, que postearas las formulas de como calcular:

 

- Voltaje y corriente media (Vo e Io)

- La corriente de salida en el instante de conmutación.

- La corriente media y RMS del diodo.

- El valor RMS del voltaje de salida.

- El valor RMS y medio de la corriente del tiristor.

 

Igualmente se agradece si otro usuario las tiene, ya que e buscado en el rashid y el daniel w y aun nada, al menos para troceadores clase A (chopper directos).

 

Estoy entrando de a poco a la electronica fina, pero manejo bastante el area de control automatico, procesos industriales e instrumentacion, asi que desde hoy comienzo a aportar al foro.

 

espero tener alguna respuesta a mi peticion y estoy disponible a responder dudas en el area que yo manejo..

 

atte

 

J.C.

Edited December 11, 2010 by djmasterchile

[sOuNd]

muy bueno compadre..la verdad es que como dice el compadre de mas arriba esta ya es electronica fina...que ademas no manejo muy bien a pesar de estudiar..XD..de todas maneras se agradece el aporte...saludos

[Voltairus]

EXELENTE APORTE VIEJITO.

 

Estoy haciendo un estudio acerca de los chopper directos, mas bien unas tareitas, hubiera sido bueno para complementar, una explicacion con formulas y algun problema explicado y desarrollado en idioma casero.

 

Te agradeceria bastante si conoces el tema, que postearas las formulas de como calcular:

 

- Voltaje y corriente media (Vo e Io)

- La corriente de salida en el instante de conmutación.

- La corriente media y RMS del diodo.

- El valor RMS del voltaje de salida.

- El valor RMS y medio de la corriente del tiristor.

 

Igualmente se agradece si otro usuario las tiene, ya que e buscado en el rashid y el daniel w y aun nada, al menos para troceadores clase A (chopper directos).

 

Estoy entrando de a poco a la electronica fina, pero manejo bastante el area de control automatico, procesos industriales e instrumentacion, asi que desde hoy comienzo a aportar al foro.

 

espero tener alguna respuesta a mi peticion y estoy disponible a responder dudas en el area que yo manejo..

 

atte

 

J.C.

El valor de tensión media está especificado en el post principal, para cada chopper. Los demás valores me parecen demasiado específicos "como de tarea" diría yo :mmm:... tendría que revisar si los tengo por ahí, aunque me parece que no los tengo todos.

 

Saludos!