Amplificadores Corriente Continua

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  • ELECTRNICA DE CONTROL CONTINUO. 1

    DEPARTAMENTODE ELECT RNICA

    Universidad de Alcal

    TEMA 4TEMA 4

    ELECTRNICA DE

    CONTROL CONTINUO

    SISTEMAS ELECTRNICOS DE CONTROL CONTINUO

    I.T.T. SISTEMAS ELECTRNICOS

    Curso 2000/2001

  • ELECTRNICA DE CONTROL CONTINUO. 2

    SISTEMAS ECOS DE CONTROL CONTINUO.

    Fig. 1 Curvas de relacin velocidad, par,corriente y rendimiento de un motor DC enrgimen permanente.

    1. REVISIN DEL MODELADO DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA.

    Los motores de corriente continua, gracias a la combinacin de eficacia,facilidad de control y excitacin y durabilidad, se emplean con profusin en lamayora de los sistemas robticos y de control. Por ello, es necesario conocer cmoson y cmo funcionan los circuitos electrnicos empleados para su excitacin.

    La ecuacin elctrica que define el comportamiento del motor de continua es:

    .V R i t Ldi t

    dtK ta a a

    aE= + +( )

    ( )( )w

    En rgimen permanente, las relaciones bsicas de un motor DC son:

    IV K

    RT K Ia

    E

    aM a=

    - =

    wh

    w= =

    PP

    TVI

    util

    entrada a

    Que representadas quedan (fig. 1)

    Luego en un motor de DC puede actuarse sobre dos parmetros:

    a) Variar la corriente para modificar el par. (Control de corriente). Lacorriente por el motor determina el par que ste produce. Cuando el motor norealiza un trabajo til o no debe vencer un rozamiento, un aumento/disminucin dela corriente se traduce en una aceleracin o desaceleracin del motor,independiente de la velocidad con la que se encuentre girando.

    b) Modificar la tensin, dado un par, para variar la velocidad del motor.(Control de tensin). Como la corriente por el motor viene determinada por la sumade pares que debe vencer, un aumento/disminucin de la tensin aplicada al motorse traduce en un aumento/disminucin de la velocidad de giro del mismo.

  • ELECTRNICA DE CONTROL CONTINUO. 3

    SISTEMAS ECOS DE CONTROL CONTINUO.

    2. POSIBILIDADES DE CONTROL DE UN MOTOR DC.

    Un motor se puede controlar en lazo abierto o cerrado. Un control en lazocerrado garantiza la velocidad o posicin del motor (dentro de ciertos lmites),incluso en el caso de la aparicin de perturbaciones externas o cambios en losparmetros de los elementos que componen el control.

    El control en lazo abierto es til cuando la precisin del control no esesencial, como por ejemplo en elevalunas elctricos, limpiaparabrisas, ventiladoreselctricos, etc.

    A su vez, en cualquiera de los dos modos de control anteriores, puedeelegirse por actuar sobre el motor variando la tensin (control por tensin) ovariando la corriente (control por corriente)

    3. MODOS DE FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DC.

    Considerando la tensin y corriente por el motor, pueden definirse los modosde funcionamiento. Como un motor, desde el punto de vista elctrico, introduce unelemento inductivo, la corriente y tensin del motor no suelen encontrarse en fase.Eligiendo un sistema de coordenadas con abscisas Ia o T y ordenadas V o T,pueden distinguirse los siguientes cuadrantes de funcionamiento:

    * Primer cuadrante: Tanto la tensin del motor, como la corriente que loatraviesa son positivas, esto es, la energa fluye de la batera al motor.

    * Segundo cuadrante: La tensin del motor es positiva, pero la corriente esnegativa, esto es, la energa fluye del motor a la batera (funcionamientoregenerativo).

    * Tercer cuadrante: Tanto la tensin como la corriente del motor sonnegativas. En este caso la batera entrega energa la motor, pero el motor gira ensentido contrario al caso del primer cuadrante..

    * Cuarto cuadrante: La tensin del motor es negativa y la corriente positiva.La energa fluye del motor a la batera.

    Para determinar el cuadrante de funcionamiento debe resolverse el sistemade ecuaciones diferenciales que rigen al motor, cuyo resultado depender de losvalores de los parmetros del mismo( Ra, La, Km y Ke), del par aplicado (T) y dela carga (J, f).

    Por ejemplo, para un motor con Km=0.09, Ke=0.03, L=0.1, R=1, J=0.01,f=0.0001, siendo la entrada un tren de pulsos de amplitud 5 y un par de frenado de1, resultar (fig. 2):

  • ELECTRNICA DE CONTROL CONTINUO. 4

    SISTEMAS ECOS DE CONTROL CONTINUO.

    0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4- 6

    - 4

    - 2

    0

    2

    4

    6

    8

    1 e r C

    2 C

    3 e r C

    4 C

    Fig.2. Formas de onda de la corriente y tensin de un motor DC.

    Fig. 3. Amplificador de potencia clase A.

    4. TIPOS DE CIRCUITOS EXCITADORES.

    Los dispositivos activos constitutivos de los circuitos empleados para excitarmotores (transistores bipolares, unipolares, IGBT, etc), pueden trabajar en modolineal o en conmutacin. A su vez, pueden ser discretos, como por ejemplotransistores bipolares, unipolares, etc (para potencias elevadas) o integrados (parapotencias pequeas).

    4.1. Excitacin lineal.

    Los elementos activos actan en zona lineal, con lo que se facilita el diseodel sistema de control y se evitan, hasta cierto punto, respuestas transitoriasindeseables. Sin embargo, las elevadas potencias que deben disipar los elementosactivos, hacen que su rendimiento no sea muy elevado, quedando limitado su uso a sistemas que controlan potencias medias. A menudo exigen la incorporacin a losmismos de sistemas de proteccin ante corrientes elevadas.

    Tipos de amplificadores lineales:

    a) Amplificadores depotencia clase A: son tilespara motores que slofuncionan en un cuadrante.Suelen componerse de variasetapas diseadas contransistores, unas paraamplificar en tensin y otrasen corriente (fig 3) .

  • ELECTRNICA DE CONTROL CONTINUO. 5

    SISTEMAS ECOS DE CONTROL CONTINUO.

    Fig. 4. Amplificador en T.

    Fig. 5. Puente en H

    b) Amplificadores de potencia clase AB,tambin denominada configuracin en T (fig 4). Permiten excitar un motor en los cuatrocuadrantes, aunque requieren alimentacinsimtrica y transistores complementarios. Sinembargo, en esta configuracin es muy sencillomedir la corriente y tensin en los extremos delmotor, que suelen necesitarse para completarel lazo de realimentacin. Por otro lado, esnecesario prestar especial atencin a algunosde los riesgos que conlleva esta configuracin:

    * Conduccin simultnea de los dostransistores, debido a desequilibrios entre lostransistores o al circuito de prepolarizacin.Esta circunstancia puede degenerar en uncortocircuito entre las dos fuentes dealimentacin.

    * Zona muerta en la funcin de transferencia entrada salida, debido a unaincorrecta prepolarizacin de los transistores.Para disminuir los efectos de esta no linealidad,basta con realimentar convenientemente.

    c) Amplificador en H o etapa de salida enpuente. Esta configuracin requiere de una nicafuente de alimentacin para excitar al motor en loscuatro cuadrantes.

    Sin embargo, tambin presenta ciertos problemas:

    * Necesita 4 transistores, aunque todos delmismo tipo.

    * No es fcil de conseguir la excitacin delos transistores de la parte superior del puente(tensin de emisor adecuada). Adems, unaexcitacin inadecuada puede dar lugar a la

    conduccin simultnea de los transistores de una misma rama, pudiendo degeneraren un cortocircuito de la fuente de alimentacin.

    * Como el motor est flotante (sin ningn terminal a masa) es difcil medir latensin y corriente que circulan por l.

    Tanto en la configuracin T como H deben aadirse diodos de librecirculacin, tambin denominados en antiparalelo, para facilitar el trnsito de

  • ELECTRNICA DE CONTROL CONTINUO. 6

    SISTEMAS ECOS DE CONTROL CONTINUO.

    Fig. 6. Control por tensin de un motor, con alimentacinsimtica.

    corriente cuando dejan de aplicarse seales de entrada a las etapas de potencia, ocuando se realizan inversiones bruscas del sentido de giro del motor (la corriente yla tensin en el motor son de sentido contrario)

    d) Amplificadores operaciones, con corrientes de salida elevadas (hastavarios amperios).

    Esta alternativa para la excitacin lineal de motores, presenta la ventaja delempleo de circuitos integrados, lo que conlleva circuitos ms fciles de montar ydisear. Sin embargo su uso est limitado a aplicaciones donde las potenciasmanejadas no superen los 100 w.

    d.1) Control por tensin. Estos circuitos permiten trabajar en los cuatrocuadrantes, requiriendo una o dos fuentes de alimentacin, segn la configuracin. La corriente en la carga es variable segn las exigencias del motor y su cargaasociada, con un valor mximo determinado por el A.O.

    * Con alimentacin simtrica (fig. 6):

    * Con alimentacin nica. Segn cmo se establezca el sentido de giro delmotor, pueden distinguirse dos tipos de circuitos de excitacin, a saber, con dosentradas, una para mdulo y otra para signo, o con una nica entrada que llevaimplcito el sentido de giro (tensiones positivas, un sentido de giro y tensionesnegativas, el otro).

  • ELECTRNICA DE CONTROL CONTINUO. 7

    SISTEMAS ECOS DE CONTROL CONTINUO.

    Fig. 7. Circuito de excitacin de un motor, con entrada nica y alimentacinasimtrica.

    Fig. 8. Control por tensin de un motor DC, con entrada para mdulo y sentido de giro.

    En el circuito de la figura 7, la tensin en los extremos del motor es .VRR

    Vm e= -21

    En el circuito de la figura 8, el mdulo de la tensin depende de Ve y el sentido degiro de los valores de L y R, que debern ser complementarios. El valor de la

    tensin en el motor es: VR R

    RVm e= -

    +2 11

    d.2) Como amplificadores de corriente. Proporcionan una corriente de salidaproporcional a la tensin aplicada a la entrada. Adems ,incorporan una pequearesistencia para poder medir la corriente de salida y realizar la correspondienterealimentacin. La resistencia mxima de carga estar limitada por la tens