Diseño y Construcción de un Fan and Plate
Requerimientos de Fabricación
1) Planta: la planta será un sistema mecánico compuesto por una lamina dispuesta verticalmente y adosada en su parte inferior a un eje que puede rotar. La lamina podrá rotar sobre este eje entre 0° y 60°. En reposo la lámina debe permanecer con un angulo de 0°.
2) Sensor y Etapa de Adecuación: para determinar el valor actual del angulo de la lamina se precisa medirlo a través de un sensor.
3) Actuador y Etapa de Potencia: el giro de la lámina se producirá por el flujo de aire generado por un ventilador adosado a un motor, cuya potencia se variará a través de un interruptor electrónico.
4) Controlador: se hará un equivalente discreto de un controlador PID analógico y se implementara mediante ecuaciones de diferencia. Los parámetros del controlador (Kp, Ki y Kd) se pueden obtener mediante diversos métodos. Uno muy popular es la sintonía experimental de Ziegler-Nichols.
Diseño-Parte Física
El diseño físico de la planta fue realizado en un Software CAD (Diseño Asistido por Computadora) para modelado mecánico en 3D, llamado SolidWorks.
En la Fig.1 se puede observar el diseño de la planta con sus respectivos componentes, tal como el motor y dos chumaceras.
 |
| Fig. 1 Planta [Fan and Plate] |
En la Fig.2 se encuentra una imagen de una Chumacera con Rodamiento 8mm KFL08 y un Motor DC 9V-200mm.
Las chumaceras son usadas para ubicar la lámina en un eje central y dar libertad de giro con un limitado grado de fricción.
El motor es usado con una adaptación de aspas para impulsar la lámina, la cual rotara sobre su eje entre 0°-60°.
 |
| Fig. 2 Chumacera + Motor |
En la Fig.3 Se visualiza una imagen completa de la parte física de la planta, realizada en SolidWorks.
 |
| Fig. 3 Planta |
 |
| Fig.4 Montaje Físico Lateral |
 |
| Fig.5 Montaje Físico Frontal |
Implementación a Nivel de Hardware
La planta esta conformada por un sensor, controlador y actuador, en este caso se va a realizar el hardware del actuador (motor) y su respectiva etapa de potencia.
Etapa de Potencia
Regulador Convencional
En los reguladores de tensión, la salida siempre es menos que la tensión de entrada.
En la mayoría de los casos es el dispositivo que se encuentra entre la entrada y la salida es un transistor de paso o circuito integrado que realiza la función de regulador.
Al existir una caída de tensión entre la entrada y la salida de estos reguladores, ha una perdida de potencia en ellos.
Está pérdida de potencia es:
Como hay pérdida de potencia, la eficiencia de estos reguladores es baja.
La eficiencia esta dada por:
Dicha eficiencia ronda entre el 50 y el 70%
En un regulador convencional, el transistor de paso trabaja en la región activa, en consecuencia hay una disipación de potencia constante que se expresa de esta forma:
En la siguiente imagen se muestra un circuito regulador de tensión el cual utiliza un transistor en serie con la carga.
Regulador Conmutado
En esta parte del proyecto se describirá de modo simple, la conexión de un Mosfet a un circuito digital para controlar un Motor de baja Tensión continua (DC).
Los
Mosfet de potencia son componentes electrónicos que nos permiten controlar
corrientes muy elevadas.
Al
igual que los transistores BJT un transistor Mosfet dispone de tres terminales
de salida llamados:
ØGate
(Puerta), similar a la base del BJT.
ØSource
(Fuente), similar al emisor del BJT.
ØDrain
(Drenaje), similar al colector del BJT.
Transistor Mosfet
Los
transistores FET presentan 3 modos de funcionamiento:
ØCorte,
el transistor se comporta como un circuito abierto entre Source
y Drain.
RDS
esta determinada por VGS, pero ICS es nula, por lo que la potencia disipada es
0.
ØSaturación,
se comporta como un cortocircuito entre Source
y Drain.
IDS
es grande, pero RDS es muy pequeña, por lo que la potencia disipada es muy
pequeña.
ØZona
Lineal, se comporta como una resistencia de valor variable.
IDS
puede ser muy grande, y RDS “no es pequeña”, por lo que la potencia disipada
puede ser muy grande.
Funcionamiento
El
funcionamiento de los transistores Mosfet se basa en la creación de un canal de
conducción entre Source y Drain
dentro de un único material semiconductor. El ancho de dicho canal es
controlado por el terminal Gate.
El
Gate
del transistor se comporta como un condensador. Es decir, el transistor
necesita absorber una cierta cantidad de carga eléctrica para cambiar de modo
de trabajo.
Para
saturar al Mosfet es necesario:
ØSuperar
un umbral en la tensión en la Gate
(VGS).
ØProporcionar
la carga suficiente para que el Mosfet se sature.
¿Por qué un Mosfet y no un BJT?
El
estado de un transistor FET se controla por la tensión aplicada en Gate,
a diferencia de los
BJT cuyo estado dependía de la corriente que circulaba por
la base. Por lo tanto, los FET son
dispositivos controlador por tensión,
mientras que los BJT son dispositivos controlados por corriente.
Otra
ventaja es que en modo de saturación los transistores MOSFET se comportan como
una
resistencia de muy pequeño valor, mientras los BJT siempre imponen una
caída de tensión. Esto
permite a los transistores MOSFET manejar enormes cargas
con poca disipación de energía.
En
general los tiempos de conmutación son más rápidos que los BJT, además generan
menos ruido y
son menos sensibles a la temperatura.
Mosfet con Arduino
¿Cómo elegir el Mosfet para Arduino?
Para
Elegir un Mosfet para Arduino se debe tener en cuenta que las salidas de
Arduino operan a la tensión nominal de 5v o 3.3v y proporcionan una corriente
máxima de 40mA, siendo el máximo recomendable 20mA.
La mayoría de MOSFET tiene una tensión
nominal Vgs de 10V, por lo que a los 5V que proporciona la
salida de Arduino la intensidad máxima que puede proporcionar MOSFET es mucho menor a su intensidad nominal.
Modelos
habituales de MOSFET son el IRF520, IRF530 e IRF540, con una intensidad nominal
Id,
respectivamente 9.2A, 14A y 28A. Sin embargo, al emplear
estos transistores con un Arduino y una Vgs de 5V, los valores de Id caen a 1A,
2A, y 11A.
Por
otro lado la serie N, IRF520n, IRF530n e IRF540n, con una intensidad nominal Id
de 9.7A, 17A y 33A, al conectarlos directamente con Arduino y una tensión Vgs
de 5V,los valores de Id caen a 3A, 11A y 12A, mejor que los anteriores pero muy
lejos de ser espectacular.
Para resolver esto, existe un tipo
especial de condensadores MOSFET llamados transistores de nivel lógico (logic level), diseñados
específicamente para conmutar a las bajas tensiones típicas en TTL. Por contra,
precio es algo superior a los MOSFET habituales.
Así, la serie de transistores
lógicos IRL520, IRL530 y IRL540 saturan sin problemas a 5V proporcionando una
Id, respectivamente, de 9.2A, 15A, y 28A.
Circuito Implementado en el Proyecto
La salida PWM- Pin (9) del Arduino
es conectada a la entrada del Optoacoplador 4n25, un dispositivo de
emisión y recepción el cual funciona como un interruptor activado mediante la
luz emitida por el diodo Led que satura el fototransistor, trasladando el pulso
del PWM a la salida del optoacoplador. Dicho componente se utiliza para aislar
electricamente el Arduino de la parte de potencia del circuito, para evitar
daños en la salida del dispositivo.
La siguiente etapa consiste de un
Mosfet de nivel lógico “Canal N” IRL520, en el montaje se emplean dos
resistencias necesarias para el buen funcionamiento del sistema.
La
resistencia de Gate (RG) limita la corriente que demanda el Gate, es decir al
usar valores mas grandes de resistencias habra menor intensidad y por ende
menor consumo en el Arduino, pero por otra parte si se disminuye el valor de RG
favorece las transiciones más rápidas, evitando que el transistor pase menos
tiempo en la zona lienal, lo que se traduce en menos temperatura en las
conmutaciones es por ello que se recomienda valores habituales entre 470- 4.7K
La
resistencia de Source (RS) pone el transistor a tierra (GND), cuando el pin
esta en un estado indeterminado (alta impedancia), por ejemplo en el arranque
del programa, se puodrian provocar encendidos y apagados del Mosfet. Un valor
de resistencia de 100K a 1M llevria al Gate a tierra.
Señales Analógicas en Arduino (PWM)
El
procedimiento para generar un señal analógica es el PWM (Pulse –Width
Modulation)
señal de modulación por ancho de pulso.
Donde:
-PW (Pulse Width)
o ancho de pulso, representa al ancho (en tiempo) del pulso.
-Length
/ period
(Periodo), o ciclo, es el tiempo total que dura la señal.
La
frecuencia se define como la cantidad de pulsos (Estado ON/OFF) por segundo.
Existe
otro parámetro asociado que define a la señal PWM, denominado “Duty
cycle”,
ciclo de trabajo, el cual determina el porcentaje de tiempo que el pulso (o
voltaje aplicado esta en estado activo (ON) durante un ciclo.
Si el ciclo de trabajo es del 25%
se pasa el 25% de su periodo arriba y el 75% abajo.
Si se observa la Figura , la
tensión de la señal siempre va de 0-5V, lo único que varía es el tiempo que
está en ON/OFF.
Las señales PWM son comúnmente
usadas para el control de velocidad de motores DC si se decrementa el ciclo de trabajo sobre la señal
de control del circuito de potencia que actúa sobre el motor, disminuye su
velocidad.
La frecuencia de los pines es de
490 Hz, excepto el 5 y el 6 que es de 980 Hz para el Arduino UNO.
Esta frecuencia es muy baja para
ser utilizada en el control de motores es por ello que se cambia haciendo uso
de un registro
TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000010
Código
const int Pot=0; //Potenciometro conectado al Pin A0
const int Pwm=9; //PWM conectado al Pin D9
int Frecuencia;
void setup() {
TCCR1B
= TCCR1B & B11111000 | B00000010;
// frecuencia de pulso 3921.16 Hz modifica pwm
9 y 10
pinMode (Pwm,OUTPUT); // Se define el PWM como una
salida
}
void loop() {
Frecuencia=analogRead(Pot);
//Lectura del Potenciometro
Frecuencia=map(Frecuencia,0,1023,12,242);
analogWrite(Pwm, Frecuencia);
}
Bibliografía
Luis Llamas
Ingeniería, Informática y Diseño
CONTROLAR GRANDES CARGAS CON ARDUINO Y TRANSISTOR MOSFET
http://www.luisllamas.es/2016/07/arduino-transistor-mosfet/
Inventable
http://www.inventable.eu/como-conectar-un-mosfet-a-un-microcontrolador/
No hay comentarios:
Publicar un comentario