diseño de circuito electrónico para medidas magnéticas en alta

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERÍA INDUSTRIAL
PROYECTO FIN DE CARRERA
DISEÑO DE CIRCUITO ELECTRÓNICO
PARA MEDIDAS MAGNÉTICAS EN
ALTA FRECUENCIA
DAVID GONZÁLEZ GONZÁLEZ
MADRID, Septiembre del 2007
Autorizada la entrega del proyecto del alumno:
David González González
EL DIRECTOR DEL PROYECTO:
Romano Giannetti
Fdo:
Fecha:
VºBº del Coordinador de Proyectos:
Álvaro Sánchez Miralles
Fdo:
Fecha:
Resumen
i
DISEÑO DE CIRCUITO ELECTRÓNICO PARA MEDIDAS
MAGNÉTICAS EN ALTA FRECUENCIA
Autor: González González, David
Director: Giannetti, Romano
Entidad colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia de Comillas
RESUMEN DEL PROYECTO
El propósito de este proyecto consiste en el diseño y montaje de un circuito
electrónico de bajo coste que permita realizar medidas magnéticas en alta
frecuencia, en concreto ciclos de histéresis (mayor loops) y de subciclos (minor
loops) dentro del ciclo completo.
La curva de histéresis se obtiene como resultado de enfrentar el campo H, que es
directamente proporcional a la intensidad de magnetización, contra el campo B
que crea, siendo este proporcional a la integral de la tensión.
Puesto que un gran número de dispositivos trabajan con núcleos magnéticos, la
caracterización de los mismos es una tarea indispensable a la hora de realizar
correctamente diseños de dispositivos de electrónica de potencia y prevenir fallos.
Además estos materiales tienden a hacerse cada vez más pequeños y más ligeros,
lo que da lugar entonces a que su frecuencia de trabajo sea cada vez más alta. Por
estos motivos, su estudio exhaustivo se requiere necesario.
Representar el ciclo de histéresis de un material magnético es una de las tareas
más complicadas en el estudio de estos materiales, a causa de su no linealidad y
de los efectos de memoria. Aun así, a baja frecuencia (hasta 10 KHz.), esta curva
es relativamente fácil de realizar mediante el conocido método clásico, que
consiste en medir la corriente del arrollamiento primario y la tensión en el
arrollamiento secundario de un transformador cuya ferrita esta bajo estudio. La
inyección de energía se realiza a través de una fuente senoidal. Con estas medidas
se calcula el campo B y el campo H y se enfrentan para obtener así la curva de
histéresis.
El método clásico solamente es válido a frecuencias bajas por una razón: al
aumentar la frecuencia de trabajo, la impedancia del circuito aumenta
Resumen
ii
sensiblemente, con lo que puede llegar un momento en el cual la fuente de
alimentación no sea capaz de proporcionar suficiente amplitud de onda para
saturar el núcleo magnético. Esto presenta el problema de la necesidad de adquirir
una fuente que sea capaz de saturar los núcleos magnéticos cuando trabajan a alta
frecuencia. Estas fuentes son caras y difíciles de desarrollar.
Se propone entonces un método eficiente y de bajo coste para realizar medidas de
histéresis a alta frecuencia, encontrando así una solución a este problema.
Mediante elementos básicos de electrónica fácilmente adquiribles y de bajo coste,
se ha desarrollado un sistema que consigue saturar el núcleo magnético a alta
frecuencia, consiguiéndose entonces poder realizar curvas de histéresis a alta
frecuencia.
Los elementos utilizados son resistencias, condensadores, diodos, operacionales,
un transistor y un driver para controlar el transistor. Además se necesita una
fuente de alimentación de tensión continua.
El circuito propuesto consta de tres partes: 1) Sección de carga, formada por un
condensador de carga, una resistencia, y la fuente de tensión continua, 2)
condensador-bobina (arrollamiento), compuesto por un condensador de prueba y
el arrollamiento del material ferromagnético sometido a estudio y 3) un
interruptor compuesto básicamente por un transistor, un driver, un operacional y
una fuente generadora de ondas arbitrarias.
Mediante transferencia de energía entre el condensador de carga y la bobina, se
consigue crear en el ferromagnético una curva de corriente con forma
subamortiguada, con suficiente amplitud como para poder saturar el núcleo
magnético. Esta transferencia de energía se controla mediante el transistor
(interruptor)
Para controlar el encendido y apagado del transistor, lo que corresponde a la parte
del circuito interruptor, se ha utilizado un generador de ondas arbitrarias en forma
de generador de pulsos. Controlando la duración de estos pulsos se consigue que
el sistema trabaje en la zona donde se precise. De esta forma se consiguen realizar
minor loops o subciclos de histéresis en la zona donde se desee dentro del mayor
loop o ciclo competo de histéresis.
Resumen
iii
Variando los valores de los pulsos realizados con la fuente generadora de ondas
arbitrarias, el valor de la tensión de la fuente de alimentación continua y los
valores de un condensador de prueba, se obtienen medidas de histéresis a distintas
frecuencia. El objetivo del proyecto en conseguir realizar una medida de un
subciclo de histéresis de al menos 100 KHz., y puesto que para realizar subciclos
de histéresis es necesario saturar el núcleo magnético, se demuestra asimismo que
la realización del ciclo de completo de histéresis es factible.
Las medidas realizadas se capturan con un osciloscopio de alta definición para
poder realizar filtrados del ruido de conmutación que se produce al trabajar a altas
frecuencias. Este post-tratamiento se realizar con un procesador matemático, en
este caso MATLAB.
Para probar la validez del método propuesto se han realizado 4 medidas hasta
llegar la frecuencia objetiva de 100 KHz. Una media a 7 KHz., otra a 20 KHz,
otra a 30 KHz. y una ultima medida a 130 KHz.
Como problema se ha encontrado el aumento de forma significativa del ruido de
conmutación producido por el transistor cuando se ha incrementado la frecuencia
de trabajo. Se ha solucionado realizando un post-proceso sobre las medidas
realizadas mediante el procesador matemático.
iv
Summary
DESIGN
OF
AN
ELECTRONIC
CIRCUIT
FOR
HIGH
FRECUENCY MAGNETIC MEASUREMENT
Author: González González, David
Director: Giannetti, Romano
Organization: ICAI – Universidad Pontificia de Comillas
SUMMARY
The purpose of this Project is the design and the assembly of a low cost electronic
circuit which allows to make high frequency magnetic measurement, specifically
hysteresis cycles (mayor loops) and hysteresis subcycles (minor loops) inside the
complete cycle.
Hysteresis cycles are plots of the induction B versus the magnetic field H. H is
proportional to the current which generates the field, and B is proportional to the
integral of the induced voltage.
Due to the high number of devices built with magnetic cores, the characterization
of them is an indispensable task in order to securely accomplish the requirement
of a power electronic design and prevent failures. Furthermore these materials are
becoming smaller and lighter, which increases the frequency at which the
materials have to work. These reasons require an exhaustive study of the magnetic
cores.
The representation of hysteresis cycles of a magnetic material is one of the most
complicated tasks in the study of these materials, because of its non-linear
characteristic and its memory effects. Even so, at low frequency (up to 10 KHz.),
this curve is relative easy to realize by means of a well known traditional method,
which consists of getting measurements of current in the primary coil, and voltage
in the secondary coil, of an electrical transformer which magnetic core is under
study. To supply energy to the system, a sine wave generator is used.
The traditional method in only useful on low frequencies for one reason: when the
frequency is increased, the impedance of the circuit grows up very fast, and the
voltage generator may not be able to saturate the magnetic core. A high voltage
Summary
v
generator must be purchased in order to solve this problem. These generators are
very expensive to buy and are not easy to build.
In order to make hysteresis measurements at high frequency, a new efficient low
cost method is proposed to solve this problem.
Using low cost electronic components a new system has been developed, which
can saturate magnetic cores at high frequency, making then possible to realize
hysteresis cycle at high frequency.
The components have been used are resistors, capacitors, diodes, an operational, a
transistor, and a driver used to control the transistor. In addition, a d.c. voltage
source is required.
The proposed circuit has three blocks: 1) a charge section, which has a charge
capacitor, a resistor, and a d.c. voltage source, 2) an inductor-capacitor tank,
which has a probe capacitor and the inductor of the magnetic material that is being
studied, 3) a switch which has a transistor, an operational, a driver, and an
arbitrary wave generator.
Transferring energy from the probe capacitor to the inductor and from the
inductance to the probe capacitor, an oscillated current is generated, which has to
have enough amplitude to saturate the magnetic core. This oscillation can be
controlled by the transistor.
To control when the transistor is switched on or off, the arbitrary wave generator
has been used, by making pulse waves. Changing the duration of these pulses,
different h-b loci can be explored (mayor or minor loops).
In order to reach higher frequencies of the hysteresis cycles and subcycles, the
value of the probe capacitor, the voltage of the d.c. voltage source and the
duration of the pulses have to be changed. The purpose of this project is to reach
at least a frequency of 100 KHz in the measurement of the minor loops.
Measurements were captured with a high definition oscilloscope, in order to make
a post processing, and then filtered to reduce the commutation noise, which is
produced by the transistor when the frequency is increased. This post processing
was made with a mathematic processor, in this case MATLAB
Summary
vi
In order to prove the validity of the proposed method, 4 measurements have been
made to reach 100 KHz, which is the purpose of this project. These are at 7 KHz,
20 KHz, 30 KHz and one at 130 KHz.
The most significant problem of this method is the switching noise that has been
found when at higher frequencies. To solve it, a filtering has been implemented
with MATLAB.
vii
Índice
Índice
Parte I
Memoria .............................................................................................1
Capítulo 1 Introducción ......................................................................................2
1
Estudio de los trabajos existentes / tecnologías existentes ........................ 2
2
Motivación del proyecto................................................................................... 8
3
Objetivos ............................................................................................................. 9
Capítulo 2 Solución desarrollada y recursos empleados .............................13
1
Circuito de trabajo ........................................................................................... 13
2
Generación de pulsos...................................................................................... 20
3
Post proceso ...................................................................................................... 26
Capítulo 3 Resultados .......................................................................................35
Capítulo 4 Conclusiones....................................................................................43
Capítulo 5 Futuros desarrollos ........................................................................44
Bibliografía..........................................................................................................46
Parte II
Circuito y Pulsos Generados ........................................................47
1
Circuito .............................................................................................................. 48
2
Pulsos Generados ............................................................................................ 52
Parte III
Datasheets .......................................................................................56
Índice
viii
Índice de figuras
Fig. 1-1 Curva de magnetización y permeabilidad rel. del hierro
comercial. [1] .................................................................................................3
Fig. 1-2Curva de histéresis para un material ferromagnético. [1]...............4
Fig. 1-3: Curvas de histéresis de un material, para varios valores de Hmax.
La línea punteada muestra la saturación de la curva B-H. [1] .............5
Fig. 1-4: Ciclo de histéresis de ferritas usadas en memorias magnéticas.
[2].....................................................................................................................6
Fig. 1-5: Ciclo de histéresis de ferritas usadas en máquinas eléctricas. [2]
.........................................................................................................................6
Fig. 1-6: Método clásico para medidas de ciclo de histéresis [3].................7
Fig. 1-7: Método propuesto para medir ciclos de histéresis con un
condensador de carga [3] ..........................................................................10
Fig. 1-8: Intensidad primaria [3] ......................................................................11
Fig. 1-9: Medida de corriente del arrollamiento primario con minor loop
.......................................................................................................................12
Fig. 2-1: Circuito de trabajo ..............................................................................13
Fig. 2-2: Parte 1 del circuito de trabajo: Sección de carga ...........................14
Fig. 2-3: Parte 2 del circuito de trabajo: Tanque L-C ...................................15
Fig. 2-4: Parte 3 del circuito de trabajo: Interruptor.....................................17
Fig. 2-5: Esquema de conexión del operacional AD826 ..............................18
Fig. 2-6: Esquema de conexión del Driver IR2110 .......................................19
Fig. 2-7 : Esquema de conexión del Mosfet ...................................................20
Fig. 2-8: Programa de creación de ondas Arbexpress ..................................21
Fig. 2-9: Pulso y corriente primaria para una medida a 7 KHz..................22
Fig. 2-10: Corriente y su curva B-H a 130KHz.............................................24
Índice
ix
Fig. 2-11 : Intensidad y minor loop zona de saturación.............................26
Fig. 2-12: Curva B-H a 20 KHz decimada.......................................................29
Fig. 2-13: Curva B-H a 20 KHz sin decimar ...................................................30
Fig. 2-14: curva de histéresis decimada 30 KHz. ..........................................31
Fig. 2-15: Curva B-H a 30 KHz sin decimar ...................................................31
Fig. 2-16: Curva de histéresis 130KHz sin filtrado ......................................32
Fig. 2-17: Curva de histéresis 130KHz con filtrado......................................33
Fig. 3-1: Tensión y corriente a 7 KHz .............................................................35
Fig. 3-2: Campo B y Campo H a 7 KHz. .........................................................36
Fig. 3-3: Curva de histéresis a 7 KHz..............................................................36
Fig. 3-4: Tensión y corriente a 20 KHz. ..........................................................37
Fig. 3-5: Campo B y Campo H a 20 KHz. .......................................................38
Fig. 3-6: Curva de histéresis a 20 KHz............................................................38
Fig. 3-7: Tensión e intensidad a 30 KHz ........................................................39
Fig. 3-8: Campo B y campo H a 30 KHz. ........................................................40
Fig. 3-9 Curva de histéresis a 30 KHz.............................................................40
Fig. 3-10: Tensión y corriente...........................................................................41
Fig. 3-11: Campo B y campo H a 130 KHz .....................................................42
Fig. 3-12: Curva de histéresis a 130 KHz........................................................42
Fig. 5-1: Método propuesto para medir ciclos de histéresis con un
condensador de carga para zona positiva y otro para zona negativa
[3]...................................................................................................................44
Fig. 5-2: Intensidad con 2 condensadores de carga [3] ...............................45
Fig. 0-1: Circuito .................................................................................................48
Fig. 0-2: Esquema de conexión del operacional AD826 ..............................49
Fig. 0-3: Esquema de conexión del Driver IR2110 .......................................50
Índice
x
Fig. 0-4 : Esquema de conexión del Mosfet ...................................................51
Índice
xi
Índice de ecuaciones
Ecuación 1-1: Cálculo de H y B a partir de I y V [3].......................................8
Ecuación 2-1.........................................................................................................27
1
Memoria
Parte I MEMORIA
2
Memoria
Capítulo 1 INTRODUCCIÓN
1 Estudio de los trabajos existentes / tecnologías
existentes
La caracterización de núcleos magnéticos es una tarea indispensable a la
hora de realizar correctamente diseños de dispositivos de electrónica de
potencia y prevenir fallos. Además estos materiales tienden a hacerse cada
vez más pequeños y más ligeros, lo que da lugar entonces a que su
frecuencia de trabajo sea cada vez más alta. Por estos motivos, su estudio
exhaustivo se requiere necesario.
Se dan entonces unas breves nociones sobre el ciclo de histéresis:
Ciclo de Histéresis:
Los materiales ferromagnéticos (Hierro, Níquel, Cobalto, y algunas
r
r
aleaciones) no son lineales. Esto significa que las relaciones entre B y H (o
r
r
r
r
entre H y M ) no corresponden a líneas rectas. La relación entre B y H , de
hecho, presentan el fenómeno conocido como histéresis. Esto significa que,
cuando se somete al material a un ciclo de operación, la magnetización
(relación B-H) sigue una curva complicada. En general, se considera que el
r
campo excitante es H (pues está directamente relacionado a la corriente).
r
r
Puede entonces ocurrir que H = 0 , y tanto B como M sean distintos de
cero: esto es lo que se conoce como efectos de memoria, y en ellos se basan
el funcionamiento de los llamados imanes.
Para entender el fenómeno, se considera una muestra de material
ferromagnético, inicialmente desmagnetizada. Se considera que el
r
parámetro de control experimental es el campo H , pues éste está
Memoria
3
directamente relacionado a la corriente eléctrica (por la ley de Ampere). Si
r
el campo H se incrementa, desde cero, la magnetización del material
crecerá monótonamente, describiendo una curva como la de la Fig. 1-1. Si
r
uno definiera µ = B / H , el valor de µ sería una función de H con un
rango de variación de varios órdenes de magnitud. Se observa, en primer
r
lugar la existencia de una saturación; esto es, que si el campo H alcanza
un valor suficientemente elevado, la magnetización M alcanza un valor
máximo, que depende del material. Este resultado significa que en una
muestra saturada todos los dipolos magnéticos elementales se han
r
alineado con el campo H .
Fig. 1-1 Curva de magnetización y permeabilidad rel. del hierro comercial. [1]
r
Estando ahora la muestra ya magnetizada, y en presencia de un campo H ,
si ahora se disminuye el campo, la relación B-H no describe la curva inicial
de la figura anterior Fig. 1-1, sino que regresa por una nueva curva, como
r
la de la descrita en la Fig. 1-2, llegando hasta el punto r, en que H = 0 ,
r
r
pero B ≠ 0 . Si ahora se continúa aumentando H en sentido inverso al
4
Memoria
original, la muestra adquiere una magnetización invertida, pasando por el
r
r
r
punto c, en que B = 0 , pero H ≠ 0 . Si ahora se hace aumentar H , entonces
r
B regresa por la parte inferior de la curva B-H. Se observa que la curva
r
r
para H creciente es distinta a aquella para H decreciente. Este fenómeno
se denomina histéresis, y la Fig. 1-2 es la llamada curva de histéresis del
material.
Fig. 1-2Curva de histéresis para un material ferromagnético. [1]
Se observa que la curva de histéresis depende del material, pero además
r
del valor máximo de H al cual se encuentra sometido el material. Si el
valor de Hmax es suficientemente intenso, la forma de la curva no cambia al
aumentar Hmax, hasta llegar a un punto de saturación donde por mucho
r
que aumentemos H (proporcional a la I excitación del material), El campo
r
r
B no va a aumentar con H . Es la zona de saturación del núcleo del
material ferromagnético, como podemos apreciar en Fig. 1-3, mostrada a
continuación.
5
Memoria
Fig. 1-3: Curvas de histéresis de un material, para varios valores de Hmax. La línea punteada
muestra la saturación de la curva B-H. [1]
Las aplicaciones más frecuentes de los materiales ferromagnéticos son (1)
para aumentar el flujo en circuitos de corriente (motores, generadores), (2)
como fuentes de campo magnético (imanes) y (3) en almacenamiento
magnético de información. [1]
Cada material tiene su propio lazo de histéresis característico. Hay veces
en que interesa acentuar la histéresis, como ocurre en los núcleos de las
memorias magnéticas, por lo que se fabrican ferritas de ciclo como el de la
Fig. 1-4, mostrada a continuación:
6
Memoria
Fig. 1-4: Ciclo de histéresis de ferritas usadas en memorias magnéticas. [2]
Otras veces por el contrario, como ocurre en la mayoría de las máquinas
eléctricas (transformadores, motores, generadores), interesa un núcleo
cuyo ciclo de histéresis se lo más estrecho posible (el camino "a la ida"
coincida con el camino "a la vuelta") y lo más alargado posible
(difícilmente saturable), como el de la Fig. 1-5:
Fig. 1-5: Ciclo de histéresis de ferritas usadas en máquinas eléctricas. [2]
7
Memoria
Esta pretensión tiene su razón de ser. Para magnetizar el núcleo magnético
de una máquina se utiliza una potencia, y ésta no tiene ninguna otra
aplicación práctica, por lo que se puede hablar de potencia perdida en
magnetización del núcleo y, efectivamente, se consideran las llamadas
PERDIDAS POR HISTERESIS, y puesto que éstas resultan ser
directamente proporcionales al área del lazo de histéresis, interesa pues
que esta área sea lo menor posible. [2]
Una vez visto que el estudio de los ciclos de histéresis es una tarea
importante para el buen funcionamiento de muchos dispositivos que
trabajan con núcleos ferromagnéticos, entramos ahora en la siguiente
cuestión: realizar medidas de calidad para poder estudiar esta
característica. Representar el ciclo de histéresis de un material magnético
es una de las tareas más complicadas en el estudio de estos materiales, a
causa de su no linealidad y de los efectos de memoria. Aun así, a baja
frecuencia (hasta 10 KHz.), esta curva es relativamente fácil de realizar
mediante el conocido método clásico.
Método clásico para realizar medidas de histéresis:
Tradicionalmente, la medida del ciclo de histéresis se ha realizado
mediante el siguiente circuito (Fig. 1-6):
Fig. 1-6: Método clásico para medidas de ciclo de histéresis [3]
8
Memoria
Un generador de onda senoidal alimenta el arrollamiento primario de un
transformador cuyo núcleo ferromagnético esta bajo estudio. La amplitud
de dicha onda senoidal debe ser suficientemente grande para que consiga
saturar el material. Para representar el ciclo de histéresis, el campo B y el
campo H han de ser medidos. Para ello se mide la intensidad en el
arrollamiento primario y la tensión en el secundario mediante un
osciloscopio, y se realiza la siguiente operación matemática: (Ecuación 1-1)
Ecuación 1-1: Cálculo de H y B a partir de I y V [3]
Donde Leq es la longitud equivalente del circuito magnético, S es la
sección equivalente del circuito magnético y N1 y N2 el número de espiras
de los arrollamientos primario y secundario respectivamente. Si se
enfrentan ahora B-H obtenemos el ciclo de histéresis.
2 Motivación del proyecto
El método clásico es válido solo a frecuencias bajas (aproximadamente
inferiores a 10 KHz.), por una razón: al aumentar la frecuencia de trabajo
en nuestro sistema de medida (Fig. 1-6), la impedancia del circuito
primario aumenta sensiblemente, con lo que puede llegar un momento en
el cual la fuente de alimentación no sea capaz de proporcionar suficiente
amplitud de onda para saturar el núcleo magnético. Esto presenta el
problema de la necesidad de adquirir una fuente que sea capaz de saturar
Memoria
9
los núcleos magnéticos cuando trabajan a alta frecuencia. Estas fuentes son
caras y difíciles de desarrollar.
Desarrollando un método eficiente y de bajo coste para realizar medidas
de histéresis a alta frecuencia, se encuentra una solución a este problema.
Otra motivación del circuito desarrollado, es la posibilidad de estudiar los
efectos que se producen en las ferritas, cuando trabajando en alta
frecuencia, no se realiza el ciclo competo de histéresis (en adelante mayor
loop) sino que se trabaja en un subciclo (en adelante minor loop). Esto es
debido al nuevo método desarrollado, y a la forma de saturar el núcleo,
que se realiza de forma controlada, a partir de una fuente generadora de
ondas arbitrarias. De esta forma, además del estudio mayor loops, se tiene
minor loops dentro del ciclo completo, y al ser un proceso iterativo, estudiar
su acomodación y sus efectos dinámicos (cambio de área rotación…). Esto
puede resultar una ventaja puesto que en algunos sistemas además de
trabajar en un mayor loop concreto, puede que en ocasiones se requiera
que trabaje a un determinado minor loop, siendo sus efectos dinámicos
factores importantes.
3 Objetivos
El objetivo principal del proyecto es realizar un circuito electrónico de bajo
coste que permita realizar medidas del ciclo de histéresis a alta frecuencia.
Se pretende llegar a realizar medidas de calidad de minor loop de
aproximadamente 100 KHz. Si se consigue realizar medidas de minor loop
se demuestra que el circuito es válido para generar la onda de ciclo
completo a esa frecuencia, ya que se demuestra que se ha conseguido
saturar el núcleo.
Para ello, se propone el siguiente circuito con un condensador de carga,
saturando la ferrita en la parte positiva del ciclo. (Fig. 1-7)
Memoria
10
Fig. 1-7: Método propuesto para medir ciclos de histéresis con un condensador de carga [3]
Se explica a continuación, de forma introductoria (sin entrar en detalle), el
funcionamiento del circuito:
El circuito contiene tres partes: 1) Sección de carga, 2) condensador-bobina
(arrollamiento) y 3) un interruptor. El funcionamiento del circuito es el
siguiente: En primera instancia, con el interruptor cerrado, el condensador
de la zona de carga, el cual se ha cargado previamente con DC, se
descarga a través de la bobina-condensador durante un cierto periodo. A
continuación se abre el interruptor y el condensador del tanque L-C se
descarga a través de la bobina, arrollamiento del primario de la ferrita bajo
estudio, entrando en un ciclo donde se produce una onda subamortiguada
(Fig. 1-8). La tensión ha de ser suficientemente alta para que el núcleo se
sature. Cambiando el valor de este condensador, y los tiempos de apertura
y cierre del interruptor se controla la frecuencia del ciclo. Forzando los
tiempos hasta conseguir que el núcleo no sature, llegamos a la máxima
frecuencia que puede aportar este circuito. A continuación medimos el
campo B y H del mismo modo que lo hemos hecho en el método
11
Memoria
tradicional. De esta forma se consigue el tramo positivo del mayor de la
ferrita.
Fig. 1-8: Intensidad primaria [3]
Para conseguir el ciclo completo se aplica simetría.
Los tiempos de apertura y cierre del interruptor se realizan con un mosfet
controlado por una fuente generadora de ondas arbitrarias.
En cuanto a la medición de los minor loops, se procede de la siguiente
forma: Generando pulsos cuadrados con el generador arbitrario de ondas,
se abre y se cierra el interruptor de forma que se generen los mismos
pulsos con mayor tensión en el arrollamiento primario. Controlando la
duración de estos pulsos se consigue que la intensidad trabaje en la zona
donde se precise. De esta forma se obtienen minor loops donde se desee.
Véase Fig. 1-9.
12
Memoria
Correinte minor loops 130K
0.06
Corriente
0.05
Intensidad (A)
0.04
0.03
0.02
0.01
0
-0.01
-0.02
0
0.5
1
1.5
Puntos
2
2.5
5
x 10
Fig. 1-9: Medida de corriente del arrollamiento primario con minor loop
13
Memoria
Capítulo 2 SOLUCIÓN DESARROLLADA Y
RECURSOS EMPLEADOS
1 Circuito de trabajo
En primer lugar, se muestra en detalle (Fig. 2-1) el circuito de trabajo, para
luego, a continuación explicar el funcionamiento de cada una de sus
partes:
Fig. 2-1: Circuito de trabajo
Como se ha expuesto anteriormente, el circuito consta fundamentalmente
de 3 partes:
Sección de carga:
Esta compuesta por un bloque fuente de tensión-resistencia-condensador.
Su misión es proveer de suficiente energía al tanque L-C (2º parte del
circuito) para que pueda saturar la ferrita durante el inicio del ciclo de
histéresis. En un primer momento, con el interruptor abierto (Transistor
14
Memoria
mosfet sin conducción o apagado) la fuente de tensión de 15 V produce la
carga del condensador C1 a través de la resistencia R1. (Fig. 2-2)
Fig. 2-2: Parte 1 del circuito de trabajo: Sección de carga
Los elementos utilizados son:
•
R1: Resistencia de 100 Ω
•
C1: Condensador de 1 mF
•
V1: Fuente de tensión continua modelo KAISE DF1731SB5A.
Alcance 30 V en fuente en serie, 15 V en fuente independiente. Se
ha usado en modo independiente. Tensión usada en trabajo, 15 V
para alimentar componentes del circuito, 1.6-1.9 V para alimentar el
condensador de carga C1.
Tanque condensador-bobina (L-C)
Está compuesto de un condensador de prueba y una bobina (arrollamiento
primario de la ferrita bajo estudio). (Fig. 2-3)
15
Memoria
Fig. 2-3: Parte 2 del circuito de trabajo: Tanque L-C
Su funcionamiento es el siguiente: una vez se ha cargado el condensador
C1, se cierra el interruptor (mosfet conduciendo o encendido) durante un
tiempo suficientemente alto como para que se consiga la saturación
completa de la ferrita.
Durante este periodo, el tanque LC sufre una
transición de carga. A continuación se abre el circuito de forma que el
condensador de prueba y la bobina generen una transferencia de energía
de carga y descarga entre ellos, siendo esta transferencia una onda
subamortiguada. Si se dejara el interruptor abierto, se produciría la
extinción del subamortiguado, como puede apreciarse en la Fig. 1-8. Por el
contrario, si se cierra el interruptor en algún momento antes de la
extinción, el tanque L-C volvería a entrar en el periodo de carga. Abriendo
y cerrando el interruptor de esta forma, se consiguen realizar los minor
loops (Fig. 1-9). La amplitud, posición y duración de estos, se puede
regular mediante el control de la apertura y cierre del interruptor, que se
explicará como se consigue más adelante.
Además en esta parte del circuito, se medirán la intensidad que circula por
el arrollamiento primario, a través de una sonda de intensidad, y la
tensión del arrollamiento secundario.
Los elementos utilizados son:
16
Memoria
•
C2: Condensador de prueba. Se han realizado cuatro medidas hasta
cumplir el objetivo de realizar una medida de minor loop a 100 KHz.
Estas fueron:
•
7.5 KHz – C2 = 15 µF
20 KHz – C2 = 1.5 µF
30 KHz – C2 = 0.27 µF
130 KHz – C2 = 100 pF
Ferrita bajo estudio compuesta por dos arrollamientos. Se han
utilizado 2;
Ferrita blanda (medidas de 7.5 y 20 KHz) N1=5 N2=5
Leq = 42e-3 m
Seq = 32e-6 m2
Ferrita dura (medidas de 30 y 130 KHz) N1=6 N2=20
Leq = 41.55e-3 m
Seq = 38.115e-6 m2
Interruptor
El interruptor esta compuesto por un mosfet (M1), un driver (DRIVER
IR2110) que controla el mosfet, un operacional (AD826) que funcionará
como
comparador,
un
diodo
(D1)
que
evitará
problemas
de
funcionamiento cuando se trabaje en la zona negativa de la onda, y una
fuente generadora de pulsos arbitrarios (V2) que nos permitirá controlar el
apagado o encendido del mosfet (apertura o cierre del interruptor) (Fig.
2-4)
17
Memoria
Fig. 2-4: Parte 3 del circuito de trabajo: Interruptor
El funcionamiento es el siguiente: Se genera una onda con el generador de
ondas arbitrarias, la cual se ha realizado previamente mediante un
programa informático que más adelante se detallará. Dicha onda tiene
forma cuadrada, tiempos de subida y de bajada determinados según se
necesite, una amplitud de 5 Vp-p y un offset de 2.5 V. Mediante un divisor
de tensión (R2, R3), se lleva a la pata 2 del operacional una tensión de 3 V,
la cual se comparará con la onda cuadrada generada de 5 Vp-p, conectada
a la pata 3 del operacional. Cuando la tensión de la pata 3 sea mayor que
la tensión de la pata 2, es decir cuando la onda cuadrada tenga valor de 5
V, de la pata 1 saldrán 15 V, tensión a la que trabaja el driver que controla
el mosfet. La pata 1 del operacional se conecta con la pata 12 del driver,
controlando de esta forma el mosfet. Cuando en la pata 12 haya 15 V el
mosfet estará encendido y el interruptor quedará cerrado (periodo de
carga del tanque L-C). Cuando tenga 0 V, el mosfet se apagara y el
interruptor se abrirá (transferencia de energía del tanque L-C con
respuesta subamortiguada). De esta forma se controla la apertura y cierre
del interruptor, permitiendo así realizar medidas de minor loop como
anteriormente se ha explicado. Ver Fig. 1-9
Los elementos utilizados son:
•
V1: Fuente de tensión continua modelo KAISE DF1731SB5A.
Alcance 30 V en fuente en serie, 15 V en fuente independiente. Se
18
Memoria
ha usado en modo independiente. Tensión usada en trabajo, 15 V
para alimentar componentes del circuito, 1.6-1.9 V para alimentar el
condensador de carga C1.
•
R2: Resistencia de 12 KΩ
•
R3: Resistencia de 3 KΩ
•
V2: Fuente generadora de ondas arbitrarias modelo Tektronics TDS
5104, alcance 2Gs/240MHz. 1
•
AD826: Operacional DUAL OPERATIONAL AMPLIFIER de
Analog Devices modelo AD826.
2
Se muestra a continuación
información detallada sobre el cableado del elemento: (Fig. 2-5)
Fig. 2-5: Esquema de conexión del operacional AD826
La pata uno, salido de la onda amplificada a 15 V se conecta, con la
pata 12 del driver. La pata 2 esta conectada a 3 V de continua
procedentes del divisor de tensión. La pata tres esta conectada a la
1
Información detallada de la fuente ver parte II- Datasheets.
2
Información detallada del operacional ver parte II- Datasheets.
19
Memoria
fuente generadora de ondas arbitrarias. La pata 8 es la alimentación
del operacional (15 V) y la pata 4 va a tierra. El resto están en vació.
•
Driver IR2110: Driver usado para controlar el mosfet de
International
Rectifier
modelo
IR2110(-1-2)(S)PbF/IR2113(-1-
2)(S)PbF. 1 Se muestra a continuación información detallada sobre
el cableado del elemento: (Fig. 2-6)
Fig. 2-6: Esquema de conexión del Driver IR2110
La pata 1, salida del driver, se conecta con puerta del mosfet que se
va a controlar. Entre la pata 3 y la pata 2 se conecta un condensador
de 1 uF según especificaciones del fabricante. La pata 15 es la
alimentación (15V), la 12 es la entrada de la señal que rige el
1
Información detallada del driver ver parte II- Datasheets.
20
Memoria
funcionamiento del driver que se conecta con la pata 1 del
operacional. 2 y 13 van conectadas a tierra. El resto están en vacío.
•
M1: Mosfet de International Rectifier modelo IRF1310NS/L 1 . Se
muestra a continuación información detallada sobre el cableado del
elemento: (Fig. 2-7)
Fig. 2-7 : Esquema de conexión del Mosfet
La puerta del mosfet se conecta con la salida del driver (pata 1), el
surtidor va a tierra y el drenador se conecta al diodo que une el
tanque LC.
•
C3: Condensador de 1 uF conectado entre las patas 2 y 3 del driver
siguiendo especificaciones del fabricante.
•
D1: Diodo que evita posibles malfuncionamientos del circuito
cuando trabaja en la parte negativa de la onda. Puede ser un
problema crítico en el estudio de mayor loop.
2 Generación de pulsos
Se procederá a continuación a explicar de forma detallada la generación de
los pulsos que van a determinar el control de encendido y apagado del
1
Información detallada del mosfet ver parte II- Datasheets
21
Memoria
mosfet, y en consecuencia, amplitud, posición y duración de los minor
loops que se producen en la ferrita bajo estudio.
En primer lugar, se generan los anchos de los pulsos mediante un
programa informático llamado Arbexpress (Fig. 2-8)
Fig. 2-8: Programa de creación de ondas Arbexpress
Dentro de este programa se generan los pulsos mediante el editor de
ecuaciones. Para generar pulsos cuadrados con este editor basta con
indicar el punto de origen y el punto de destino y asignarle un valor de
amplitud. Se muestra a continuación un ejemplo:
#Change the range according to your settings
range(0,60us)
#Your equation goes here
0
range(60us,80us)
1
22
Memoria
range(80us,90us)
0
range(90us,96.19us)
1
.......
.......
range(620us,1ms)
0
No se muestra el completo de los pulsos generados para no entorpecer la
lectura de la memoria. Si se desean conocer, se pueden encontrar en el la
parte 2 del proyecto, “Circuito y pulsos”.
Para un valor de tiempo entre 0 y 60 µs, el valor del pulso es 0 V, de 60 a
80 µs el valor es 1 Vp (2 Vp-p) y así sucesivamente. El resultado final es un
pulso de esta forma: (Fig. 2-9)
Fig. 2-9: Pulso y corriente primaria para una medida a 7 KHz.
Con la primera ferrita de trabajo se han realizado los pulsos con un
periodo de 1 ms. y luego, en la fuente generadora de ondas arbitrarias, se
Memoria
23
ha añadido un burst en el pulso generado para ampliar este periodo a 1 s.
Esto se ha hecho para que la ferrita no sufriera fuertes calentamientos
cuando se saturaba el núcleo magnético en periodos de tiempo tan bajos.
Con al segunda ferrita no se ha producido este fenómeno, ya que es
bastante mas dura y no ha sufrido esos calentamientos, por lo que no ha
sido necesario aplicar el burst de 1 segundo, si no que se ha trabajado con
periodos de 1 ms.
Una vez creada la onda, se guarda con formato .tfw (formato compatible
con nuestro generador de onda arbitraria) y se implanta ahora en la fuente
generadora de ondas arbitrarias. En la fuente se ajustan distintos
parámetros como la tensión, que se ajusta a 2.5 Vp-p para que junto con
los 2 Vp-p del programa se consigan los 5 Vp-p deseados, el offset, que se
ajusta a 1.25Vp-p (1.25*2=2.5Vp-p) para que el pulso empiece desde valor
de amplitud 0. También se pueden regular valores de frecuencia a través
de un potenciómetro, de forma que se pueda variar al mismo tiempo el
ancho absoluto de todos los pulsos creados. Esta función resulta útil a la
hora de establecer en primera instancia como van a ser los pulsos para
conseguir la onda de minor loop deseada. Otra función que se puede añadir
a la onda, es el uso del burst, para aumentar así el periodo de la onda de
trabajo.
Una vez comprendido el proceso de creación de pulsos, se han de cumplir
dos requisitos para realizar una medida de minor loop. El primero es dar
al primer pulso de amplitud 5V suficiente tiempo para que sature
completamente el núcleo magnético de la ferrita. Para comprobar este
hecho, se observa la onda de corriente del arrollamiento primario, la cual
tendrá forma de onda triangular cuando el núcleo magnético esté saturado
(ver Fig. 2-10).
El segundo requisito es generar los pulsos siguientes,
donde se realizarán los minor loops, de forma que los picos (superior e
inferior) de la onda de corriente estén comprendidos y ajustados entre dos
valores de amplitud. Cuanto más ajustados estén los picos de la onda a ese
valor de amplitud, mejor calidad tendrán los minor loops conseguidos (ver
24
Memoria
Fig. 2-10). El ajuste de los picos de la corriente a ese valor de amplitud es
un proceso iterativo de prueba y error.
Correinte minor loops 130K
0.06
Corriente
0.05
Intensidad (A)
0.04
0.03
0.02
0.01
0
-0.01
-0.02
0
0.5
1
1.5
2
Puntos
Fig. 2-10: Corriente y su curva B-H a 130KHz.
2.5
5
x 10
25
Memoria
Otra cuestión que se debe tener en cuenta, es donde se van a hacer los
minor loops. Manipulando el ancho de los pulsos de subida y de bajada se
puede realizar medidas de minor loop a lo largo de toda la zona de la parte
positiva de la onda de intensidad. Aún así, se debe prestar especial
cuidado que nivel de continua van a tener los subciclos. Por ejemplo,
como se puede apreciar en la Fig. 2-11, los minor loops se han realizado en
la zona de saturación, lo cual no es aconsejable, ya que difícilmente se
podrá establecer algún resultado coherente de la curva de histéresis
presentada por esta onda de intensidad. (Ver Fig. 2-11) Esto se debe a que
el estudio de minor loop es interesante para ver ciertas propiedades físicas
como la acomodación y la rotación, las cuales se muestran distorsionadas
cuando se trabaja en una zona de saturación.
I vs ptos
2
1.5
I (A)
1
0.5
0
-0.5
0
1
2
3
4
5
6
Ptos(total 10000)
7
8
9
10
4
x 10
26
Memoria
-9
12
Curva B-H
x 10
10
8
B (T)
6
4
2
0
-2
-4
-6
-100
-50
0
50
H (A/m)
100
150
200
Fig. 2-11 : Intensidad y minor loop zona de saturación
Elementos utilizados en la generación de pulsos:
Además de la fuente generadora de ondas arbitrarias (la cual se ha
detallado anteriormente), se utiliza el siguiente programa informático:
•
Tektronics Arbexpress-Axw100 versión 2.2.2006.041
3 Post proceso
Una vez ajustado los pulsos para obtener las ondas deseadas se realiza un
post-proceso de datos, con el fin de manipular la corriente y la tensión
medidas y así obtener la curva B-H y hacer así posible el estudio de la
curva de histéresis.
1
Información detallada del programa ver parte II- Datasheets
27
Memoria
Para capturar las medidas se utiliza un osciloscopio de alta resolución. La
tensión se mide en el arrollamiento secundario, mientras que la intensidad
en el primario a través de una sonda de intensidad. Para realizar medidas
de alta calidad se usa un filtro de promediado durante unos diez minutos
aproximadamente, de forma que se pueda eliminar el ruido de las señales,
el cual no es deseado. Las ondas se guardan en formato .dat a fin de que
puedan ser manipuladas por un procesador matemático, en nuestro caso
MATLAB.
Una vez exportadas al procesador matemático, mediante las ecuaciones
mostradas a continuación (Ecuación 2-1), se calcula H y B, se enfrentan y
se consigue la curva de histéresis.
Ecuación 2-1
Como se ha comentado anteriormente, se han realizado cuatro medidas, y
en cada una de ellas se ha realizado un post-proceso común, y otro
especifico cuando las circunstancias lo requerían. Al ser la frecuencia de
trabajo a la que se realiza los minor loops bastante elevada, se encuentran
una serie de problemas. Uno de los mas significativos, es la aparición de
ruido de conmutación que produce el encendido y apagado del transistor
mosfet a tan alta frecuencia. Para subsanar este problema, lo que se hace es
usar el comando “decimate” de Matlab en las ondas de tensión y de
corriente. Este comando consiste en tomar un punto de cada X (valor que
se asigna). De esta forma, conseguimos mostrar una onda donde se pueda
suavizar el efecto del ruido de conmutación, y así poder realizar una
medida de histéresis más limpia.
Memoria
28
A continuación se muestra el archivo .m utilizado para la ferrita del tipo 1
(usada en las tres primeras medidas a 7.5 KHZ y 20 KHZ y 30 KHZ)
Medida a 7.5 KHz
%Datos específicos medida1
a=0.05; %sonda
b=10e-3; %resolución canal intensidad
c=1.25e9; %megasamples minorloop
%fin datos específicos medida 1
%Datos específicos ferrita 1
N1=5;
N2=5;
Leq=42e-3;
Seq=32e-6;
%fin datos específicos ferrita 1
H=(a/b)*cor*N1/Leq;
B=(1/N2/Seq)*integra(ten-mean(tend),(1/c)); %offset ajustado en la
%onda completa para poner el valor final de B constante horizontal
Hd=decimate(H,1500); %Decimamos campo H
Bd=decimate(B,1500); %Decimamos campo B
plot(Hd,Bd);
Este .m correspondería al post-proceso común que todas las medidas han
soportado. Las ondas que se exportan a Matlab son ten y cor. Cada
medida tienes sus propios datos específicos, que constan del valor de la
sonda y la resolución de su muestreo en el osciloscopio, los samples
(puntos) con que se han realizado las medidas y el valor de la decimación.
El campo B se calcula utilizando un subprograma llamado integra, cuyo
código fuente es el siguiente:
function y=integra(F,Ts)
y(1)=0;
for i=1:length(F)-1;
y(i+1)=y(i)+Ts*((F(i+1)+F(i))/2);
end
29
Memoria
Además, para calcular el campo b, se ha eliminado previamente el offset
que presentaba la tensión, a modo que no falsease la medida de histéresis.
Una vez calculado H y B, se enfrentan y se obtiene así la curva de
histéresis.
Medida a 20 KHz
Para esta medida, se ha utilizado el mismo post-proceso que para la
medida a 7.5 KHz, cambiando los datos específicos y usando una
decimación de 2500.
Se muestran a continuación porque se ha usado el comando decimar: (no
se ha mostrado en la curva a 7 KHz ya que no se aprecia con claridad el
efecto del ruido de conmutación, el cual aumenta según se va subiendo la
frecuencia de trabajo)
Curva B-H decimada: (Fig. 2-12)
Curva B-H a 20 KHz
0.3
0.25
0.2
B(T)
0.15
0.1
0.05
0
-0.05
-6
-4
-2
0
2
4
H(A/m)
Fig. 2-12: Curva B-H a 20 KHz decimada
6
8
30
Memoria
Curva B-H sin decimar: (Fig. 2-13)
B-H sin decimar
0.25
0.2
0.15
B(T)
0.1
0.05
0
-0.05
-0.1
-8
-6
-4
-2
0
H(A/m)
2
4
6
8
Fig. 2-13: Curva B-H a 20 KHz sin decimar
Se observa como la influencia del ruido de conmutación es crítica para la
obtención de un resultado presentado con claridad y definición.
Medida a 30 KHz
Para esta medida, se ha utilizado el mismo post-proceso que para la
medida a 7.5 KHz, cambiando los datos específicos y usando una
decimación de 800.
Se muestra a continuación el efecto de la decimación: Curva decimada
(Fig. 2-14)
31
Memoria
Cruva B-H
0.04
0.03
0.02
B(T)
0.01
0
-0.01
-0.02
-0.03
-0.04
-8
-6
-4
-2
0
H(A/m)
2
4
6
8
Fig. 2-14: curva de histéresis decimada 30 KHz.
Si no se realizase la decimación, la gráfica de histéresis que se obtendría
seria la siguiente: (Fig. 2-15)
0.04
0.03
0.02
0.01
0
-0.01
-0.02
-0.03
-0.04
-8
-6
-4
-2
0
2
4
Fig. 2-15: Curva B-H a 30 KHz sin decimar
6
8
10
32
Memoria
Medida a 130 KHz
En la obtención de la medida para esta frecuencia, el problema del ruido
de conmutación ha supuesto un gran problema. Además de realizar
modificaciones en el circuito, que más adelante se detallarán, se han
tenido que aplicar una serie de filtros a las medidas de corriente y tensión,
después de
realizar la decimación. Si no se realizase el filtrado,
obtendríamos la siguiente curva de histéresis. (Fig. 2-16)
Curva B-H decimada sin flitrado
0.019
0.018
0.017
B(T)
0.016
0.015
0.014
0.013
0.012
0.011
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
H(A/m)
Fig. 2-16: Curva de histéresis 130KHz sin filtrado
Realizando el filtrado, suavizamos el ruido de conmutación producido por
el transistor que no se ha conseguido eliminar mediante la decimación, ya
que se perdía demasiada información y la medida no se ajustaba con la
realidad. Conseguimos de esta forma realizar la siguiente medida de
histéresis: (Fig. 2-17)
33
Memoria
Fig. 2-17: Curva de histéresis 130KHz con filtrado
La decimación para esta medida fue de 100.
Se muestra a continuación el .m, resaltándose la función de filtrado:
%Datos específicos medida 4
a=0.05; %sonda
b=10e-3; %resolución canal intensidad
c=1.25e9; %megasamples minorloop
%fin datos específicos medida 4
%Datos específicos ferrita 2
N1=6;
N2=20;
Leq=41.55e-3;
Seq=38.115e-6;
%fin datos específicos ferrita 2
H=(a/b)*cor*N1/Leq;
B=(1/N2/Seq)*integra(ten-mean(ten),(1/c)); %offset ajustado
%en la onda completa para poner el valor final de B constante
horizontal
34
Memoria
Hd=decimate(H,100); %Decimamos campo H
Bd=decimate(B,100); %Decimamos campo B
[D,E]=besself(6,500e3);
%parámetros filtro analógico
[Dd,Ed]=bilinear(D,E,1.25e7);
%parámetros filtro digital
Hdf=filter(Dd,Ed,Hd);
%Aplicamos filtro al campo H
Bdf=filter(Dd,Ed,Bd);
%Aplicamos filtro al campo B
plot(Hdf,Bdf);
Los elementos utilizados para realizar tantos las medidas como el postproceso son los siguientes:
•
Osciloscopio de alta resolución empleado para visualizar las
medidas: Osciloscopio Tektronics modelo TDS 5104 1GHz-5Gs/s
•
Sonda de intensidad: Sonda 503 current probe amplifier
1mA = escala (mA/div)*mv/10. Alcance 1mA—50A
•
Procesador matemático: Matlab versión 7.0.0.19920 (R14)
35
Memoria
Capítulo 3 RESULTADOS
Se muestran las 4 medidas obtenidas.
7KHz
Los ajustes para realizar esta medida son los siguientes: Tensión V1=1.6V,
Condensador de prueba C2 = 15 µF, Frecuencia de la fuente generadora de
ondas arbitrarias = 500Hz, sonda de intensidad = 0.05 mA con resolución
10mV, Samples = 1.25 Gs/s.
Se muestra a continuación corriente, tensión (Fig. 3-1)
Tension
Tension (V)
4
2
0
-2
-4
0
0.5
1
1.5
2
Ptos
2.5
6
x 10
Corriente
Corriente (A)
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
0
0.5
1
1.5
Ptos
Fig. 3-1: Tensión y corriente a 7 KHz
2
2.5
6
x 10
36
Memoria
Se muestra a continuación H, y B: (Fig. 3-2)
Campo B
1
B(T)
0.5
0
-0.5
0
200
400
600
800
1000
Ptos
Campo H
0
200
400
600
800
1200
1400
1600
1800
1200
1400
1600
1800
30
H(A/m)
20
10
0
-10
1000
Ptos
Fig. 3-2: Campo B y Campo H a 7 KHz.
Curva de histéresis a 7 KHz: (Fig. 3-3)
Fig. 3-3: Curva de histéresis a 7 KHz.
37
Memoria
20 KHz
Los ajustes para realizar esta medida son los siguientes: Tensión V1=1.6V,
Condensador de prueba C2 = 1.5 µF, Frecuencia de la fuente generadora
de ondas arbitrarias = 310 Hz, sonda de intensidad = 0.05 mA con
resolución 10 mV, Samples = 2.5 Gs/s.
Se muestra a continuación corriente, tensión (Fig. 3-4)
Tension
10
Ten(V)
5
0
-5
-10
0
0.5
1
1.5
2
Ptos
2.5
6
x 10
Intensidad
Int(A)
0.04
0.02
0
-0.02
0
0.5
1
1.5
Ptos
Fig. 3-4: Tensión y corriente a 20 KHz.
Se muestra a continuación H, y B: (Fig. 3-5)
2
2.5
6
x 10
38
Memoria
Campo B
1
B(T)
0.5
0
-0.5
0
100
200
300
400
0
100
200
300
400
500
600
Ptos
Campo H
700
800
900
1000
700
800
900
1000
H(A/m)
20
10
0
-10
500
Ptos
600
Fig. 3-5: Campo B y Campo H a 20 KHz.
Curva de histéresis a 20 KHz: (Fig. 3-6)
Curva B-H a 20 KHz
0.3
0.25
0.2
B(T)
0.15
0.1
0.05
0
-0.05
-6
-4
-2
0
2
4
H(A/m)
Fig. 3-6: Curva de histéresis a 20 KHz
6
8
39
Memoria
30KHz
Los ajustes para realizar esta medida son los siguientes: Tensión V1=1.6V,
Condensador de prueba C2 = 0.27 µF, Frecuencia de la fuente generadora
de ondas arbitrarias = 400 Hz, sonda de intensidad =0.02 mA con
resolución 10 mV, Samples =250MGs/s.
Se muestra a continuación corriente, tensión (Fig. 3-7)
Tension
Ten(V)
10
0
-10
-20
0
0.5
1
1.5
Ptos
2
2.5
3
5
x 10
Intensidad
Int(A)
0.05
0
-0.05
0
0.5
1
1.5
Ptos
2
Fig. 3-7: Tensión e intensidad a 30 KHz
2.5
3
5
x 10
40
Memoria
Se muestra a continuación H, y B: (Fig. 3-8)
Campo B
0.15
B(T)
0.1
0.05
0
-0.05
0
50
100
150
200
Ptos
Campo H
250
300
350
400
0
50
100
150
200
Ptos
250
300
350
400
6
8
H(A/m)
20
10
0
-10
Fig. 3-8: Campo B y campo H a 30 KHz.
Curva de histéresis a 30 KHz: (Fig. 3-9)
Cruva B-H
0.04
0.03
0.02
B(T)
0.01
0
-0.01
-0.02
-0.03
-0.04
-8
-6
-4
-2
0
H(A/m)
2
Fig. 3-9 Curva de histéresis a 30 KHz.
4
41
Memoria
130KHz
Los ajustes para realizar esta medida son los siguientes: Tensión V1=1.9V,
Condensador de prueba C2 = 100 pF, Frecuencia de la fuente generadora
de ondas arbitrarias = 480 Hz, sonda de intensidad = 0.02 mA con
resolución 10 mV, Samples = 500 Ms/s.
Además se ha realizado la siguiente modificación en el circuito: El diodo
D1 se ha cortocircuitado para poder conseguir que el sistema trabaje mas
rápido, consiguiendo de esta forma eliminar ruido de conmutación.
Cuando el diodo está cortocircuitado se impone la condición de que la
corriente nunca debe pasar por cero cuando se esta trabajando en régimen
forzado, es decir en la realización de los minor loops. Esto es porque dicho
diodo evitaba que la energía del condensador de carga disminuyese
drásticamente cuando el sistema estaba trabajando en la zona negativa de
la intensidad, debido a razones contractivas del circuito.
Se muestra a continuación corriente, tensión (Fig. 3-10)
Tensión
Tensión (V)
4
2
0
-2
-4
0
500
1000
1500
2000
2500
1500
2000
2500
Ptos
Corriente
0.06
Int (A)
0.04
0.02
0
-0.02
0
500
1000
Ptos
Fig. 3-10: Tensión y corriente
42
Memoria
Se muestra a continuación H, y B: (Fig. 3-11)
Campo B
0.04
B(T)
0.02
0
-0.02
0
500
1000
1500
2000
2500
1500
2000
2500
Ptos
Campo H
H(A/m)
20
10
0
-10
0
500
1000
Ptos
Fig. 3-11: Campo B y campo H a 130 KHz
Curva de histéresis a 130 KHz: (Fig. 3-12)
Fig. 3-12: Curva de histéresis a 130 KHz
43
Memoria
Capítulo 4 CONCLUSIONES
La meta que persigue este proyecto es el diseño de un circuito electrónico
de bajo coste que consiga realizar medidas de ciclo de histéresis
trabajando en alta frecuencia. Así mismo, el circuito debe ser capaz de
posibilitar el estudio de minor loops dentro del mayor loop.
Con los resultados obtenidos, se ha demostrado que el circuito es válido,
ya que se ha conseguido realizar medidas de minor loops hasta 130 KHz, y
consecuentemente su mayor loop asociado.
Aún así se ha presentado un problema: al ir incrementando la frecuencia
de trabajo, las medidas obtenidas mostraban una cierta distorsión debido
al ruido de conmutación del transistor. Mediante decimaciones y filtrados
relativamente sencillos, se ha conseguido aportar nitidez a los resultados,
cumpliendo así los objetivos del proyecto.
44
Memoria
Capítulo 5 FUTUROS DESARROLLOS
Lo primero que podría plantearse es seguir con este mismo circuito e
intentar alcanzar medidas de minor loop a mayor frecuencia, pero esto
carece de sentido ya que a partir de unos 100 KHz, el campo B es
distorsionado por la frecuencia. Si esto ocurre, no se pueden apreciar las
propiedades de acomodación y rotación que se producen en los minor
loops por variar la frecuencia, que es el fin que persigue este proyecto,
diseñar un circuito de bajo coste, capaz de realizar mediadas de minor loop
en alta frecuencia.
Otra posible ampliación de este proyecto, es dotar al circuito de dos
condensadores de carga (Fig. 5-1), con lo que se conseguiría realizar la onda
de mayor loop completa, y poder trabajar consecuentemente en la zona
negativa de la curva.
Fig. 5-1: Método propuesto para medir ciclos de histéresis con un condensador de carga para zona
positiva y otro para zona negativa [3]
45
Memoria
Fig. 5-2: Intensidad con 2 condensadores de carga [3]
Este circuito proporcionaría libertad para realizar medidas de minor loop
tanto en la zona negativa como en la zona positiva de la curva.
Para realizar estudios de acomodación y rotación de los minor loops en alta
frecuencia, es necesario que el minor se encuentre exactamente en el
mismo punto dentro del mayor loop cuando se realizan las medidas a
distinta frecuencia. Con la solución actualmente desarrollada, esto sería
una labor muy complicada, ya que la generación de los pulsos es una
labor lenta, al realizarse de forma empírica por tanteos. Si en el circuito
actual se instales un potenciómetro o algún dispositivo capaz de variar la
frecuencia una vez generados los pulsos, podrían obtenerse medidas de
acomodación precisas de forma moderadamente rápida y eficaz.
Por último, en futuros desarrollos se intentara reducir significativamente
el ruido de conmutación producido al incrementar la frecuenta de trabajo.
Esto se conseguirá realizando las variaciones pertinentes en el circuito
propuesto en este proyecto.
Memoria
46
BIBLIOGRAFÍA
[1]
http://cabierta.uchile.cl/libros/cutreras/node104.html#SECTION00840000000000000000
[2]
http://www.ifent.org/lecciones/cap07/cap07-06.asp
[3]
Romano Giannetti, Santiago Lizón-Martínez, Guillermo Robles,
Bernardo Tellini. A Resonant Measurement System for
Characterization of Hysteresis Cycle in Soft Ferites. IMTC 2006Instrumentatio and Measurement Technology Conference. Sorreno,
Italia, April 24-27 2006
Circuito y Pulsos Generados
Parte II CIRCUITO Y PULSOS
GENERADOS
47
48
Circuito y Pulsos Generados
1 Circuito
Se presenta a continuación el circuito (Fig. 0-1) y sus componentes de
forma continua, para facilitar su utilización ante posibles referencias:
Fig. 0-1: Circuito
•
R1: Resistencia de 100 Ω
•
C1: Condensador de 1 mF
•
V1: Fuente de tensión continua modelo KAISE DF1731SB5A.
Alcance 30 V. en fuente en serie, 15 V. en fuente independiente. Se
ha usado en modo independiente. Tensión usada en trabajo, 15V
para alimentar componentes del circuito, 1.6-1.9 V. para alimentar
el condensador de carga C1.
•
L1,L2: Ferrita bajo estudio compuesta por dos arrollamientos.
•
C2: Condensador de prueba.
49
Circuito y Pulsos Generados
•
V1: Fuente de tensión continua modelo KAISE DF1731SB5A.
Alcance 30 V. en fuente en serie, 15 V. en fuente independiente. Se
ha usado en modo independiente.
•
R2: Resistencia de 12 KΩ
•
R3: Resistencia de 3 KΩ
•
V2: Fuente generadora de ondas arbitrarias modelo Tektronics TDS
5104, alcance 2Gs/240MHz. 1
•
AD826: Operacional DUAL OPERATIONAL AMPLIFIER de
Analog Devices modelo AD826.
2
Se muestra a continuación
información detallada sobre el cableado del elemento: (Fig. 0-2)
Fig. 0-2: Esquema de conexión del operacional AD826
La pata uno, salido de la onda amplificada a 15 V se conecta, con la
pata 12 del driver. La pata 2 esta conectada a 3 V de continua
procedentes del divisor de tensión. La pata tres esta conectada a la
1
Información detallada de la fuente ver parte II- Datasheets.
2
Información detallada del operacional ver parte II- Datasheets.
50
Circuito y Pulsos Generados
fuente generadora de ondas arbitrarias. La pata 8 es la alimentación
del operacional (15 V) y la pata 4 va a tierra. El resto están en vacío.
•
Driver IR2110: Driver usado para controlar el mosfet de
International
Rectifier
modelo
IR2110(-1-2)(S)PbF/IR2113(-1-
2)(S)PbF. 1 Se muestra a continuación información detallada sobre
el cableado del elemento: (Fig. 0-3)
Fig. 0-3: Esquema de conexión del Driver IR2110
La pata 1, salida del driver, se conecta con puerta del mosfet que se
va a controlar. Entre la pata 3 y la pata 2 se conecta un condensador
de 1 uF según especificaciones del fabricante. La pata 15 es la
1
Información detallada del driver ver parte II- Datasheets.
Circuito y Pulsos Generados
51
alimentación (15V), la 12 es la entrada de la señal que rige el
funcionamiento del driver que se conecta con la pata 1 del
operacional. 2 y 13 van conectadas a tierra. El resto están en vacío.
•
M1: Mosfet de International Rectifier modelo IRF1310NS/L 1 . Se
muestra a continuación información detallada sobre el cableado del
elemento: (Fig. 0-4)
Fig. 0-4 : Esquema de conexión del Mosfet
La puerta del mosfet se conecta con la salida del driver (pata 1), el
surtidor va a tierra y el drenador se conecta al diodo que une el
tanque LC.
•
C3: Condensador de 1 uF conectado entre las patas 2 y 3 del driver
siguiendo especificaciones del fabricante.
•
D1: Diodo que evita posibles malfuncionamientos del circuito
cuando trabaja en la parte negativa de la onda.
•
Osciloscopio de alta resolución empleado para visualizar las
medidas: Osciloscopio Tektronics modelo TDS 5104 1GHz-5Gs/s
•
Sonda de intensidad: Sonda 503 current probe amplifier
1mA = escala (mA/div)*mv/10. Alcance 1mA—50ª
1
Información detallada del mosfet ver parte II- Datasheets
52
Circuito y Pulsos Generados
2 Pulsos Generados
Pulso a 20 KHz:
#Change the range according to
your settings
range(0,60us)
#Your equation goes here
0
range(60us,80us)
1
range(80us,90us)
0
range(90us,96.19us)
1
range(96.19us,115.9us)
0
range(115.9us,120.9us)
1
range(120.9us,140.7us)
0
range(140.7us,145.7us)
1
range(145.7us,165.5us)
0
range(165.5us,170.5us)
1
range(170.5us,190.3us)
0
range(190.3us,195.3us)
1
range(195.3us,215us)
0
range(215us,220us)
1
range(220us,240us)
0
range(240us,245us)
1
range(245us,265us)
0
range(265us,270us)
1
range(270us,290us)
0
range(290us,295us)
1
range(295us,315us)
0
range(315us,320us)
1
range(320us,340us)
0
range(340us,345us)
53
Circuito y Pulsos Generados
1
range(370us,390us)
range(345us,365us)
0
0
range(390us,395us)
range(365us,370us)
1
1
range(395us,415us)
0
Pulso a 30 KHz
#Change the range according to
your settings
range(0,60us)
#Your equation goes here
0
range(60us,69.8us)
1
range(69.8us,75us)
0
range(75us,75.292us)
1
range(75.292us,87.38us)
0
range(87.38us,87.68us)
1
range(87.68us,100.65us)
0
range(100.65us,100.95us)
1
range(100.95us,113.93us)
0
range(113.93us,114.23us)
1
range(114.23us,127.2us)
0
range(127.2us,127.5us)
1
range(127.5us,140.5us)
0
range(140.5us,140.8us)
1
range(140.8us,153.8us)
0
range(153.8us,154.1us)
1
range(154.1us,167.1us)
0
range(167.1us,167.4us)
1
range(167.4us,180.4us)
0
range(180.4us,180.7us)
1
range(180.7us,193.7us)
54
Circuito y Pulsos Generados
0
range(260.5us,273.5us)
range(193.7us,194us)
0
1
range(273.5us,273.8us)
range(194us,207us)
1
0
range(273.8us,286.8us)
range(207us,207.3us)
0
1
range(286.8us,287.1us)
range(207.3us,220.3us)
1
0
range(287.1us,300.1us)
range(220.3us,220.6us)
0
1
range(300.1us,300.4us)
range(220.6us,233.6us)
1
0
range(300.4us,313.4us)
range(233.6us,233.9us)
0
1
range(313.4us,313.7us)
range(233.9us,246.9us)
1
0
range(313.7us,326.7us)
range(246.9us,247.2us)
0
1
range(326.7us,327us)
range(247.2us,260.2us)
1
0
range(327us,1ms)
range(260.2us,260.5us)
0
1
Pulso a 130 KHz:
#Change the range according to
your settings
range(0,60us)
#Your equation goes here
0
range(80.9us,90.1us)
1
range(90.1us,92us)
0
range(92us,93.5us)
55
Circuito y Pulsos Generados
1
range(117.75us,119.75us)
range(93.5us,95.25us)
0
0
range(119.75us,121.25us)
range(95.25us,96.75us)
1
1
range(121.25us,123.25s)
range(96.75us,98.75us)
0
0
range(123.25us,124.75us)
range(98.75us,100.25us)
1
1
range(124.75us,126.75us)
range(100.25us,102.25us)
0
0
range(126.75us,128.25us)
range(102.25us,103.75us)
1
1
range(128.25us,130.25us)
range(103.75us,105.75us)
0
0
range(130.25us,131.75us)
range(105.75us,107.25us)
1
1
range(131.75us,133.75us)
range(107.25us,109.25s)
0
0
range(133.75us,135.25us)
range(109.25us,110.75us)
1
1
range(135.25us,137.25us)
range(110.75us,112.75us)
0
0
range(137.25us,138.75us)
range(112.75us,114.25us)
1
1
range(138.75us,140.75us)
range(114.25us,116.25s)
0
0
range(140.75us,142.25us)
range(116.25us,117.75us)
1
1
range(142.25us,1ms)
56
Datasheets
Parte III DATASHEETS
Datasheets
57
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64
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66
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•
V2: Fuente generadora de ondas arbitrarias modelo Tektronics TDS
5104, alcance 2Gs/240MHz.
Los
detalles
de
esta
fuente
se
encuentran
en
la
URL:
http://www.tek.com/site/ps/0,,55-18690-SPECS_EN,00.html
•
Tektronics Arbexpress-Axw100 versión 2.2.2006.04
Los detalles del programa se encuentran en la URL:
http://www2.tek.com/cmswpt/madetails.lotr?ct=MA&cs=moh&ci=1
1250&lc=EN&wt=480&wtwi=11250&wtla=EN&wtty=MA&wtsty=Onli
ne+Help&wtpt=DETAILS&wtbu=Instruments+Business&wtpl=Signal
+Sources+PL&wtcat=tektronix&wtmd=AXW100&wtti=ArbExpress+A
XW100+Online+Help